申洪濤，陶鵬，高玲玲，張洋瑞，張良

(1.國網(wǎng)河北省電力有限公司營銷服務中心，石家莊 050000； 2. 國電南瑞南京控制系統(tǒng)有限公司，南京 211106)

0 引 言

在日益減少的化石能源和日益嚴重的環(huán)境污染的雙重壓力下[1]，分布式能源(Distributed Energy Resource, DER)因具有高效、綠色環(huán)保、輸送損失少等優(yōu)勢，一直受到重視[2]。但DER也存在資源分散、單體容量小、隨機性強和參與市場成本高等問題，棄風光現(xiàn)象明顯，進一步增加了配網(wǎng)運行復雜性和不確定性[3]。作為靈活有效管理DER的重要技術，虛擬電廠(Virtual Power Plant, VPP)[4-5]一直備受關注，基于智能量測、優(yōu)化決策和精準調(diào)控等一攬子解決方案將其所屬的小型和微型DER、柔性負荷等組成集成性電廠，實現(xiàn)資源優(yōu)化配置。隨著各國紛紛發(fā)展多能互補系統(tǒng)以實現(xiàn)多能源的高效清潔利用[6]，VPP范圍也不斷擴大，如三聯(lián)供型VPP[7-8]、電轉(zhuǎn)氣型VPP[9]等。

為更好地促進VPP與電網(wǎng)的融合，很多學者重點開展了VPP單體優(yōu)化[10-12]和協(xié)同調(diào)度[13-15]等方面的研究，文獻[10]計及用戶響應意愿，提出了日內(nèi)VPP互動策略；文獻[11]引入碳交易構建了VPP與用戶的協(xié)同優(yōu)化方案；文獻[12]建立了風電-垃圾焚燒VPP協(xié)同調(diào)度模型；文獻[13]建立計及配電網(wǎng)線路開關重構的VPP優(yōu)化調(diào)度模型；文獻[16]建立了核-火-VPP三階段聯(lián)合調(diào)峰模型。在多能互補這一研究熱點下，文獻[8-9,17]重點針對三聯(lián)供型VPP協(xié)同互補開展研究，考慮VPP內(nèi)不同區(qū)域間的冷熱電交互，以及區(qū)域內(nèi)的電、熱、冷互補問題。

與傳統(tǒng)發(fā)電資源不同，VPP兼具生產(chǎn)者與消費者雙重身份，即“產(chǎn)消者”特性[18]，那么如何基于現(xiàn)有電力市場環(huán)境，利用VPP靈活控制特性參與多維度電力市場交易，進一步降低用能成本，構建多贏的商業(yè)運行模式成為亟需解決的問題。文獻[19-20]介紹了基于需求響應(Demand Response, DR)的VPP運營方式、組織框架、市場競價策略以及博弈模型等方面的研究；文獻[21]采用VPP模式聚合熱電聯(lián)產(chǎn)機組等分布式能源作為整體參與市場交易；文獻[22]重點考慮了由風電場、光伏電站和負荷組成的VPP集群所構成的社區(qū)型能源互聯(lián)網(wǎng)模型，如何進行多VPP資源的博弈共享；文獻[23]考慮風電/價格/備用需求等不確定性等因素下VPP同時參與電能量和輔助服務市場；文獻[24]探討了歐盟排放交易機制下VPP應如何參與碳排放交易。

在多能互補背景下，VPP具有多主體利益關聯(lián)、多環(huán)節(jié)耦合和高靈活性等特點，其優(yōu)化調(diào)度能力和參與市場能力都將得到很大提升，市場積極性提高。目前已有文獻開展了多能互補下VPP調(diào)控及交易技術研究，并取得了一定成果，但未能對多能互補下VPP應如何利用自身資源更好地參與電力市場進行統(tǒng)一刻畫。為此，本文以調(diào)控和交易為兩大突破口，開展多能互補下VPP調(diào)控思路和交易架構研究，并從建模、調(diào)控、評估和交易等方面提出了需突破的關鍵技術，為VPP市場化運營提供思路及建議。

1 多能互補型虛擬電廠概述

1.1 核心特征分析

自1997年VPP提出以來，其概念一直未能有統(tǒng)一定義[25]。歐盟虛擬燃料電池電廠項目[4]將VPP定義為一組相互連接的分散微熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)加上安裝在多戶住宅、小型企業(yè)、公共設施等的通信控制技術，可滿足用戶側(cè)所需的電、冷和熱需求。歐洲項目FENIX[26]指出，VPP是一系列DER的聚合，可參與電力批發(fā)市場簽訂合同并向系統(tǒng)操作員提供服務。文獻[27]提出VPP是通過信息、通信技術將可調(diào)度或不可調(diào)度的DER、儲能和可控負荷聚合成一個假想電廠，以最小化發(fā)電成本或最大收益為目標，計劃、監(jiān)控并協(xié)調(diào)各資源之間的電力流。2018年3月5日，由國家電網(wǎng)公司主導發(fā)起的VPP《架構與功能要求》和《用例》兩項國際電工技術委員會標準提案獲批正式立項，明確提出：VPP是聚合優(yōu)化“網(wǎng)源荷”清潔發(fā)展的新一代智能控制技術和互動商業(yè)模式，能夠在傳統(tǒng)電網(wǎng)物理架構上，依托互聯(lián)網(wǎng)和現(xiàn)代信息通訊技術，把DER、儲能和負荷等分散在電網(wǎng)的各類資源相聚合，進行協(xié)同優(yōu)化運行控制和市場交易，實現(xiàn)電源側(cè)的多能互補、負荷側(cè)的靈活互動，對電網(wǎng)提供調(diào)峰、調(diào)頻、備用等輔助服務。

不論是上述哪類理解或描述方式， VPP本質(zhì)仍是統(tǒng)一的，具有兩大核心特征：

(1)資源聚合

VPP資源主要包括光伏、風電等分布式可再生發(fā)電設備，微燃機、鍋爐等氣轉(zhuǎn)電/熱設備，EV、儲熱罐和電池等可充可放的儲能設備，以及靈活調(diào)節(jié)的需求響應(Demand Response, DR)資源等。上述資源在調(diào)節(jié)速度、調(diào)節(jié)能力、爬坡率、地理位置等方面具有很大差異性，單體運行具有明顯劣勢，如調(diào)控容量小且不穩(wěn)定，但經(jīng)聚合后卻可形成靈活調(diào)控能力，如通過光儲系統(tǒng)配合來有效提升光伏出力的不確定性。

(2)雙向通信

雙向通信系統(tǒng)是VPP進行能量管理、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控，以及與外部系統(tǒng)交互的重要渠道。VPP中設備種類和數(shù)量更多，覆蓋地域范圍廣，系統(tǒng)運行狀態(tài)復雜，這對感知技術和傳感器裝置提出了更高要求[28-29]。

基于上述兩大特點，文中構建了多能互補型VPP架構(為便于理解，后續(xù)表達時以“VPP”代替“多能互補型VPP”)，如圖1所示，VPP在一定區(qū)域內(nèi)協(xié)調(diào)控制不同供能、儲能[30]和用能資源，構建成一臺臺虛擬能源機組，形成柔性聚合調(diào)控資源，實現(xiàn)更大范圍的資源互聯(lián)和共享，并可以作為整體參與電力市場交易。在具體實施時，VPP優(yōu)化目標包括最小能源成本[27,31]，最大收益[9,26,30,32]、最小運行風險[9]等。

圖1 多能互補型VPP示意圖

按照功能不同，VPP 可劃分為商業(yè)型虛擬發(fā)電廠(Commercial VPP，CVPP)和技術型虛擬發(fā)電廠(Technical VPP，TVPP)兩種，其中CVPP側(cè)重于經(jīng)濟角度進行商業(yè)性資源聚合，而TVPP側(cè)重于技術角度計及網(wǎng)絡運行約束，其在配電網(wǎng)中的作用類似于輸電系統(tǒng)調(diào)度員在輸電網(wǎng)中功能，差異點如表1所示。這里，文獻[33]提出一種基于歐盟碳排放市場的環(huán)境型VPP交易策略，聚合多微電網(wǎng)進行碳排放交易，可看作CVPP的一種。

表1 CVPP和TVPP對比分析

1.2 與微電網(wǎng)、需求響應異同點

VPP、微電網(wǎng)和需求響應都是位于用戶側(cè)的聚合及調(diào)控手段，在GB/T 33589-2017《微電網(wǎng)接入電力系統(tǒng)技術規(guī)定》中對微電網(wǎng)有如下定義：由DER、用電負荷、監(jiān)控、保護和自動化裝置等組成(必要時含儲能裝置)，是一個能夠基本實現(xiàn)內(nèi)部電力電量平衡的小型供用電系統(tǒng)。而DR是針對電力需求側(cè)管理如何在競爭市場中充分發(fā)揮作用以維持系統(tǒng)可靠性和提高市場運行效率而提出的[26]，被認為是在極端高峰時期管理電力供應和推遲新一代、配電和輸電基礎設施投資的一種潛在方式，主要包括價格型[36]和激勵型DR[37]兩類。上述手段在資源類型、應用場景等方面存在差異，表2進行了具體對比分析。

可以看出， VPP融合了微電網(wǎng)和需求響應特點，但與微電網(wǎng)相比，因VPP是基于柔性資源實現(xiàn)聚合，故地理、容量等方面均具有靈活的擴展能力，可形成多層級多區(qū)域聚合能力，且更經(jīng)濟。而與需求響應相對“恒定”的調(diào)度容量相比，VPP類比傳統(tǒng)發(fā)電廠輸出功率特性，參與各時段電力市場能力更強，可實現(xiàn)常態(tài)化運行且調(diào)用成本更低，具有廣闊應用前景。當然，也有文獻開展了上述手段相結合的研究，如基于多微電網(wǎng)的VPP[24]、基于需求響應的VPP調(diào)度架構[38]。

表2 VPP、微電網(wǎng)和需求響應對比分析

2 多能互補下虛擬電廠調(diào)控實現(xiàn)方式

2.1 VPP調(diào)控思路

VPP一體化聚合調(diào)控思路如圖2所示。

圖2 多能互補型VPP一體化聚合調(diào)控思路

圖2中，自下而上分別是資源層、控制層、通信層和主站層，各層功能定位如下：

(1)資源層為海量資源所在層，包含發(fā)、儲和用三類設備，如微燃機、光伏/風電、儲能、EV和電轉(zhuǎn)氣設備等，這里不再贅述；

(2)控制層包含量測傳感和控制裝置，負責以一定頻度(如15 min或1 h)將采集各類設備在線狀態(tài)、供、儲和用能信息等數(shù)據(jù)傳送給主站，或?qū)碜灾髡緦拥目刂菩畔⑾聦崟r發(fā)給各設備對應的本地控制單元，實現(xiàn)精準控制。可以預見，多能耦合將擴展控制層的裝置種類及規(guī)模；

(3)通信層主要是確保主站層和資源層實時交互，實現(xiàn)海量能源節(jié)點互聯(lián)，通信方式包括電力光纖、以太網(wǎng)和GPRS等，需基于現(xiàn)場實際進行設計；

(4)主站層是VPP的“智慧大腦”，具備用能監(jiān)測、潛力評估、資源優(yōu)化和交易決策等功能，與外部系統(tǒng)進行能量/交易交互的同時，對內(nèi)實現(xiàn)多能源統(tǒng)一優(yōu)化調(diào)度。

2.2 VPP調(diào)控架構及應用

根據(jù)主站層與控制層/資源層的對應關系，將VPP調(diào)控架構分為集中控制架構、集中-分散控制架構和完全分散架構：

(1)集中控制架構[4,26,39]：控制中心掌握完整信息且具有完全控制權，負責與外部系統(tǒng)交互。該種模式下，控制中心通信量大，要求高，但兼容性和擴展性差。2018年，澳大利亞南澳洲基于該架構實現(xiàn)了1 000套電池儲能跟蹤AGC信號；2019年，上海電力公司基于此架構開展了泛在電力物聯(lián)網(wǎng)場景下的VPP全域綜合響應，打造多棟樓宇型VPP，像真正的“電廠”一樣在線實時調(diào)頻運行；

(2)集中-分散控制架構：控制中心將一部分運行控制功能分配到本地控制，控制中心仍負責能源優(yōu)化調(diào)度，滿足用戶需求和市場規(guī)劃，這將有效改善了集中控制架構中通信量大和擴展性差的問題。2019年底，冀北泛在電力物聯(lián)網(wǎng)VPP示范工程投運，一期工程實時接入與控制蓄熱式電采暖、可調(diào)節(jié)工商業(yè)、智能樓宇、智能家居、儲能、電動汽車充電站和光伏等11類19家泛在可調(diào)資源，容量約16萬千瓦，涵蓋張家口、秦皇島、廊坊三個地市，秦皇島作為VPP綜合試點，張家口、廊坊分別作為蓄熱式電鍋爐、大工業(yè)負荷專項試點；

(3)分散控制架構：控制中心簡化為數(shù)據(jù)交換和處理中心，子系統(tǒng)通過智能代理的協(xié)同，實現(xiàn)控制中心的功能，具有良好的擴展性和開放性，但要求智能代理和子系統(tǒng)具備日常運行管理功能。文獻[1-2]提出基于多代理系統(tǒng)的調(diào)度架構。2007年荷蘭VPP項目對此進行了應用，將10個微型CHP機組基于多代理技術組建成VPP，有效降低了當?shù)嘏潆娋W(wǎng)峰值需求。

2.3 VPP調(diào)控關鍵技術

2.3.1 VPP廣義儲能模型

隨著多能互補技術的發(fā)展，VPP資源類型不斷擴大，電轉(zhuǎn)氣或氣轉(zhuǎn)電熱設備紛紛加入，VPP系統(tǒng)中出現(xiàn)了電氣熱復雜耦合關系和快慢不一的傳輸動態(tài)過程，這給VPP資源精準聚合帶來了很大挑戰(zhàn)。因此，應在理清多能靈活轉(zhuǎn)換機理基礎上，充分考慮氣、熱傳輸慢動態(tài)過程，基于面向多元資源的單體物理模型(如調(diào)控速度、調(diào)控容量和調(diào)控性能等)，重點不同資源的調(diào)控代價(如調(diào)控成本、調(diào)控敏感度等)，并以樓宇、工業(yè)園區(qū)、智慧社區(qū)等為典型場景建立發(fā)-儲-用側(cè)的VPP靈活性區(qū)間，基于深度學習等算法構建多能互補系統(tǒng)下VPP廣義儲能模型。

2.3.2 多層級多能源協(xié)同調(diào)控技術

隨著VPP范圍和適用性不斷擴大，逐漸形成多層級VPP方案，以適應不同電力調(diào)控體系和不同能源的VPP應用。此時，多層級多能源協(xié)同調(diào)控技術成為VPP核心，通過構建分區(qū)域分層虛擬電廠調(diào)控體系，采用“物理分布、協(xié)同控制”的邏輯架構，全面感知源、網(wǎng)、荷、儲設備運行狀態(tài)和環(huán)境信息，充分利用多能源互補特性，構建計及時空特性的多主體多能源協(xié)同優(yōu)化體系，實現(xiàn)自上而下的高效運行調(diào)控。在優(yōu)化過程中，應注意市場價格、分布式可再生能源出力、用戶響應等不確定性因素的處理。

2.3.3 VPP靈活性評估方法

文獻[40]從可靠性、經(jīng)濟性、可調(diào)度性三方面提出了由7項指標構成的VPP綜合評價指標體系，但是上述指標未能考慮多能源因素的影響，也未能計及靈活性特點。清華大學部分學者將電力系統(tǒng)靈活性定義為：在一定時間尺度下，電力系統(tǒng)通過優(yōu)化調(diào)配各類可用資源，以一定的成本適應發(fā)電、電網(wǎng)及負荷隨機變化的能力。該定義也同時適用于VPP運行中。應將多能系統(tǒng)運行靈活性資源特性納入VPP評估體系中，從資源、時間和空間等角度提取VPP靈活性內(nèi)涵，提出VPP多時空維度運行靈活性評估方法。

3 多能互補下虛擬電廠市場交易方式

3.1 VPP交易架構

與第2節(jié)側(cè)重于研究VPP資源優(yōu)化調(diào)控，本節(jié)側(cè)重于研究VPP交易行為[31-32]。VPP最具吸引力的功能在于能夠聚合DES參與多類型市場運行，為配電網(wǎng)和輸電網(wǎng)提供管理和輔助服務，但現(xiàn)有的研究尚缺乏對多能互補下VPP交易機制的完整描述和刻畫。

為此，從用戶(含多能源)-VPP-電網(wǎng)三個層面構建全面的多能流市場架構，將VPP交易分為外部交易、平行交易和內(nèi)部交易三類，如圖3所示。在外部交易/平行交易方面，包括參與日前市場[27]，能量和備用市場[23]，多VPP分布式交易[34]等。當然，當VPP對下存在用戶主體時，還涉及與所屬資源/用戶的內(nèi)部交易，這里主要是基于DR實現(xiàn)。

圖3 VPP交易類型

一般來說，VPP協(xié)調(diào)內(nèi)部資源參與市場運行時，可將富余的能源出售給外部市場或其他VPP，也可選擇從市場購能滿足負荷需求，實現(xiàn)用能效率和經(jīng)濟性最優(yōu)。這里，以外部售電交易和內(nèi)部DR交易為主，具體介紹下VPP交易全流程：

(1)VPP根據(jù)歷史曲線預估下個交易周期T(如24 h)的發(fā)電和負荷數(shù)據(jù)，假設所有發(fā)儲資源可調(diào)度，并基于價格型或激勵型的DR項目的得出在時刻t第i個節(jié)點最大響應能力Pmax(i,t)，綜合考慮成本、調(diào)控可信度和不確定性等因素，構建VPP廣義儲能模型，得到Pagg(i,t)，即在時刻t第i個節(jié)點的聚合調(diào)控能力；

(2)VPP向交易中心提交次日24 時段的競標信息{Pagg(i,1)，…，Pagg(i,t)，Pagg(i,T)}，這里假設VPP為價格接受者，對市場價格無影響力；

(3)交易中心和調(diào)度中心基于全網(wǎng)供需情況、各電廠報價、各VPP報價等，進行市場出清和安全校核，確定VPP日前市場競標電量及電價，并下發(fā)給各個VPP；

(4)隨著時間推進，對風電等清潔能源出力預測更加精確，VPP進一步更新數(shù)據(jù)，基于VPP-用戶之間的DR合同，VPP主動調(diào)整內(nèi)部資源出力計劃，如增大或減小微燃機的熱電比、可控負荷增加或減少等，盡可能消除時刻t實際出力Pact(i,t)與競標出力的偏差ΔP(i,t)，實現(xiàn)VPP效益最大化。

3.2 VPP交易關鍵技術

3.2.1 VPP參與多重市場交易模型

VPP可看作虛擬能源生產(chǎn)商，即可參與外部市場(如電能量或輔助服務市場)，也可參與P2P交易。VPP可根據(jù)外部市場/P2P市場價格進行電能買賣，如以參與P2P市場[41]為主，當仍存在剩余時，繼續(xù)參與外部市場；或者在現(xiàn)貨市場電價較高時[42]，作為發(fā)電商提供電能，當現(xiàn)貨市場電價較低時作為用戶購買電能；或協(xié)同參與電能量或輔助服務市場[4]。為在市場中獲得最大效益，VPP應針對日前市場、實時市場等多尺度交易方式，研究VPP參與市場交易互動的多種途徑；基于多層級能源交易市場的出清規(guī)則和方法，融合VPP內(nèi)部資源，構建典型場景下VPP參與多重市場交易模型。

考慮到VPP本質(zhì)是為了提升可再生能源消納能力，有必要開展VPP與綠色市場(如綠色證書市場和可交易的可再生能源信貸市場)的結合問題研究，進一步促進可再生資源進入自由化市場。

3.2.2 考慮用戶偏好的VPP內(nèi)部激勵策略

目前，VPP模型中很大程度上忽略了用戶的多樣化，往往向所有用戶提供相同的激勵措施。但在實際情況中，因需求用途、響應能力和響應代價的不同，不同用戶對激勵有不同的態(tài)度，需要提供實用靈活的激勵費率以考慮用戶的獨特要求[31]。此時，設計靈活的VPP內(nèi)部激勵策略就顯得非常重要，基本思路如下：首先使用數(shù)據(jù)挖掘技術(例如，集群和分類)來劃分用戶群體，如基于博弈論的用戶競價機制，將其進行分類；接著，基于DR互動機理，構建基于動態(tài)電價或可中斷合同等多類型DR的VPP內(nèi)部激勵策略，以最大程度鼓勵用戶參與VPP聚合；當然，沒有一種激勵是永恒不變的，應基于實際運行數(shù)據(jù)對用戶偏好及分類進行迭代更新，以設計趨于成本最優(yōu)的適用于該VPP的激勵機制。

4 結束語

多能互補和VPP是相輔相成，共同促進的關系?？焖侔l(fā)展的多能互補技術在給VPP資源聚合帶來更大、更靈活的調(diào)控能力的同時，也給VPP調(diào)控及運行帶來了更大的不確定性及困難。文中在對多能互補型VPP概述的基礎上，從調(diào)控和交易兩個維度對多能互補下VPP參與電力市場的方式進行了深入探討，分別提出了相應的調(diào)控思路和關鍵技術，這將為多能源發(fā)展形勢下VPP技術的設計和運行管理提供指導。