虚拟发电厂研究综述

第34卷第29期中国电机工程学报Vol.34No.29Oct.15,20142014年10月15日ProceedingsoftheCSEE©2014Chin.Soc.forElec.Eng.5103DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.2014.29.012文章编号：0258-8013(2014)29-5103-09中图分类号：TM62虚拟发电厂研究综述刘吉臻，李明扬，房方，牛玉广(新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)，北京市昌平区102206)ReviewonVirtualPowerPlantsLIUJizhen,LIMingyang,FANGFang,NIUYuguang(StateKeyLaboratoryofAlternateElectricalPowerSystemWithRenewableEnergySources(NorthChinaElectricPowerUniversity),ChangpingDistrict,Beijing102206,China)ABSTRACT:Withthefastdevelopmentofsmartgridincorporatingrenewableenergysources,thevirtualpowerplant(VPP)isobtainingmoreandmoreattentionfromacademicsandindustryinChinaandworldwide.TheVPPbreakstheboundariesbetweentraditionalphysicalpowerplants,aswellasthosebetweenthesupplyanddemandsides.Byusingtheadvancedtechnologiesincludingnetworkcommunications,intelligentsensingandmetering,dataprocessingandintelligentdecisionmaking,theVPPisexpectedtobecomethesupportingframeworkforsmartgridwithlargescalerenewableenergyintegration.Thispapersummarizedandpresentedtheconcepts,functionalfeatures,operationandcontrolschemesandtheimplementationsofVPP,includingadetailedintroductionoftwodemonstrationprojectsofVPPinforeigncountries.TheprospectsofVPPwasanalyzedandoutlooked,especiallythepotentialroleofVPPinsecureandefficientuseoflarge-scalerenewableenergysourcesinChina.KEYWORDS:virtualpowerplants;smartgrid;renewableenergysources摘要：随着新能源智能电网的快速发展，虚拟发电厂(virtualpowerplant，VPP)在国内外逐渐受到学术界和工业界的关注。虚拟发电厂打破了传统电力系统中物理上发电厂之间、以及发电和用电侧之间的界限，充分利用网络通信、智能量测、数据处理、智能决策等先进技术手段，有望成为包含大规模新能源电力接入的智能电网技术的支撑框架。该文总结并阐述虚拟发电厂的概念、功能特征、运行控制方式和工程应用情况，详细介绍了国外的2个工程应用项目实例。最后对虚基金项目：国家重点基础研究发展计划项目(973计划)(2012CB215203)；国家电网公司科技项目(SGHB0000KXJS1400040)；中央高校基本科研业务费专项资金。TheNationalBasicResearchProgramofChina(973Program)(2012CB215203);TechonologyProjectofStateGridCorporationofChina(SGHB0000KXJS1400040);TheFundementalResearchFundsforCentralUniversities.拟发电厂的发展前景，特别是在我国电力系统中新能源大规模安全高效利用可能发挥的重要作用方面进行分析和展望。关键词：虚拟发电厂；智能电网；新能源电力0引言随着化石能源的日渐枯竭以及环境污染、气候变化问题的日益明显，大力开发新能源、实现各种能源的低碳利用已成为当今能源革命的主题。风电、太阳能发电等大规模新能源电力在电力系统中的比重不断增加，使传统电力系统的结构、形态与运行控制方式随之产生根本性变革，包括发电厂、电网及用户在内的整个电力系统都需要与之相适应[1]。近年来，在智能电网技术快速发展的背景下，虚拟发电厂(virtualpowerplant，VPP)的概念逐渐受到国内外学术界和工业界的关注。不论是一些欧美国家中越来越多的小型分布式能源的接入，还是我国面临的大规模新能源电力的接入，都给电网带来具有间歇性和随机波动性的冲击，对电网的结构及运行调度方式提出新的要求。为充分利用新能源电力并使之与传统能源实现较好的互补与配合，需要构建保证电网安全稳定运行、兼顾经济和社会效益的区域性多能源集成模式。与此同时，智能电网技术的发展使得电网调度机构甚至普通用电者都能采用先进的网络通信、实时检测与计量等技术手段对电网运行状况进行监控与分析。在上述背景下产生的虚拟发电厂概念，打破了传统电力系统中物理概念上的发电厂之间、以及发电侧和用电侧之间的界限，充分利用网络通信、智能量测、数据处理、智能决策等先进技术手段，有望成为包含新能源接入的智能电网技术的支撑框架。本文首先对虚拟发电厂的概念、功能特征与运5104中国电机工程学报第34卷行控制方式进行较全面地阐述，然后介绍虚拟发电厂在国外的工程应用情况，并选取2个示范工程项目进行较详细地描述，最后对虚拟发电厂对我国大规模新能源的安全高效利用有望发挥的重要作用进行展望。1虚拟发电厂的概念与功能特征1.1虚拟发电厂的概念目前，国内外不同学者分别对虚拟发电厂提出若干种不同的定义方式，尚未产生一个权威或官方的定义[2-3]。国际上对于虚拟发电厂的系统性论述出现在2007年前后，2012年以来相关的研究报道逐渐增多。文献中对虚拟发电厂概念的阐述很多[2-20]，其中典型的有以下几种：1）虚拟发电厂是将一些小型分布式发电单元聚集起来形成的一个相当于单个整体电厂的机构，其在电网中运行的特性参数是通过将各分布式发电单元的特性参数整合得到的，且电网对各分布式发电单元的影响之叠加可以等效为电网对该机构的影响[7]；2）虚拟发电厂是将一定区域内的传统发电厂、分布式电源、可控负荷和储能系统有机结合，通过一个控制中心的管理，合并为一个整体参与电网运行[9]；3）虚拟发电厂作为一种需求侧响应方式，通过在用电需求侧安装一些提高用电能效的装置、减少终端用电需求以达到与建设实际发电厂相同的效果，或利用用户用电弹性缓解高峰时段电力供应紧张状况，也称为“能效电厂”[10,12]。狭义来说，虚拟发电厂是1组电源的聚合体，这些电源可以是传统的火电机组，也可以是风电、太阳能发电等新能源机组，还可以是电力储能装置。这些机组或装置不直接受电网运行调度中心的控制，而是听命于虚拟发电厂控制中心，通过该中心以一个整体的形式参与到电网的运行和调度中。广义来说，虚拟发电厂不仅限于发电侧各发电单元的聚合，还能与用电侧的可控负荷和需求响应技术结合起来，将发电和用电两端的一些个体和单元组成一个虚拟的整体参与到电网的运行和调度中。理论上来说，虚拟发电厂中的个体分布不受地域的限制，每个个体可以通过信息网络与控制中心连接，实现控制中心对虚拟电厂中各个体的控制。上述虚拟发电厂的概念是伴随着包含新能源电力的智能电网技术的发展而产生的。传统电网中的电源类型主要是规模较大的火电、水电机组等，电网中电源的总数较少，而每个发电机组的输出对电网中的电压、频率等指标有较大影响。因此，传统电网的运行是由一个中央集权式的调度机构在掌握所有发电机组信息的基础上做出调度决策，对每台机组下达发电指令，以此保证整个电网的安全稳定。随着智能电网技术的发展，新能源电力接入的规模逐渐增大，由于风电、光伏发电等电源具有单机输出功率小、易于安装使用的特点，电网中的电源数量发生了爆炸式增长。由于单个新能源发电单元的输出对整个电网的影响很小，电网调度时将没有必要，也不再可能对每个新能源发电单元下达指令。在此背景下，虚拟发电厂扮演着介于发电单元和电网之间承上启下的角色，采用虚拟发电厂的方式将一组发电单元聚合为一个整体参与电网的运行和调度就可能成为一种既安全又高效的方案。虚拟发电厂的一种典型结构如图1所示，图中包含着能量网和信息网2张网络。实线表示的能量网即电力传输的网络，连接着风电场、光伏发电系统、火电机组等不同形式的发电单元，以及城市、工业区等不同类型的用电负荷单元。这些发电和用电单元通过由虚线代表的信息网与虚拟发电厂控制中心连接，能实现控制中心与各单元之间的双向通信。上述虚拟发电厂结构区别于传统电厂的典型特征在于地域分布上的分散性与运行调度上的协同性。从某种意义上讲，虚拟发电厂可以看作是一种先进的区域性电能集中管理模式，该模式无需对电网进行结构改造就能有效整合区域内各种形态和特性的电源与用电负荷，对区域内的发电和用电单元实施经济高效的控制。光伏发电系统虚拟发电厂控制中心风电场工业区火电机组城市图1一种虚拟发电厂的典型结构Fig.1AtypicalstructureofaVPP1.2虚拟发电厂的功能特征由虚拟发电厂的概念和结构可知，在技术层第29期刘吉臻等：虚拟发电厂研究综述5105面，虚拟发电厂控制中心应具有如下功能。1）网络通信及管理功能。建立控制中心与区域内各对象之间的双向信息连接，从物理层、数据链路层等各个层面保证数据通信的快捷与畅通。2）发电管理功能。监视区域内各发电单元的运行及出力状况，并在线实施区域内发电单元的优化调度。3）新能源发电功率预测功能。综合短期及中长期气象数据及预报信息，对区域内的风电机组、太阳能发电机组等的输出功率做出较准确的预测。4）用电负荷预测及管理功能。对区域内的用电负荷进行较准确的预测，对工农业生产、社会生活、天气变化等因素对负荷需求的影响规律进行分析，并具有在一定条件下中断部分负荷供应以适应本区域和整个电网调度运行需要的能力。5）数据管理及分析功能。采集并分析处理区域中各对象的运行数据，如发电机组的出力和运行效率、用电负荷随时间变化的规律等，并能对这些数据提供有效的检索和调用手段。6）电力市场中的经营能力：包括建立区域内的发电费用、用电收益及安全约束模型，进行优化计算，收集市场情报、制订发电计划、签订中远期市场交易合同等。2虚拟发电厂的运行控制结构与方法2.1虚拟发电厂的运行控制整体结构虚拟发电厂的运行控制整体结构可以分为集中控制、集中–分散控制和完全分散控制3类。第1类是集中控制结构，如图2所示。该结构中，控制中心掌握着所涉及的所有发电或用电单元的完整信息，并拥有对所有单元的完全控制权，对每一个单元制定发电或用电方案。在此种结构下控制中心具有最强的控制力和灵活多样的控制手段，虚拟发电厂控制中心发电单元发电单元用电单元发电单元用电单元用电单元发电单元…图2虚拟发电厂的集中控制结构Fig.2CentralizedcontrolstructureofVPP其代价是巨大的通信流量及繁重的运算负荷，且兼容与扩展性较差。第2类是集中–分散控制结构，如图3所示。该结构中，虚拟发电厂被分为2个层级，下层的本地控制中心管理辖区内有有限个发电或用电单元，再由这些本地控制中心将信息反馈给上一层的虚拟发电厂控制中心。虚拟发电厂控制中