多能互補下虛擬電廠參與電力市場的思考

申洪濤，陶鵬，高玲玲，張洋瑞，張良

(1.國網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、綠色環保、輸送損失少等優勢，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，棄風光現象明顯，進一步增加了配網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、優化決策和精準調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，實現資源優化配置。隨著各國紛紛發展多能互補系統以實現多能源的高效清潔利用[6]，VPP范圍也不斷擴大，如三聯供型VPP[7-8]、電轉氣型VPP[9]等。

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

與傳統發電資源不同，VPP兼具生產者與消費者雙重身份，即“產消者”特性[18]，那么如何基于現有電力市場環境，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模式聚合熱電聯產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集群所構成的社區型能源互聯網模型，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、多環節耦合和高靈活性等特點，其優化調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一刻畫。為此，本文以調控和交易為兩大突破口，開展多能互補下VPP調控思路和交易架構研究，并從建模、調控、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產系統加上安裝在多戶住宅、小型企業、公共設施等的通信控制技術，可滿足用戶側所需的電、冷和熱需求。歐洲項目FENIX[26]指出，VPP是一系列DER的聚合，可參與電力批發市場簽訂合同并向系統操作員提供服務。文獻[27]提出VPP是通過信息、通信技術將可調度或不可調度的DER、儲能和可控負荷聚合成一個假想電廠，以最小化發電成本或最大收益為目標，計劃、監控并協調各資源之間的電力流。2018年3月5日，由國家電網公司主導發起的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是聚合優化“網源荷”清潔發展的新一代智能控制技術和互動商業模式，能夠在傳統電網物理架構上，依托互聯網和現代信息通訊技術，把DER、儲能和負荷等分散在電網的各類資源相聚合，進行協同優化運行控制和市場交易，實現電源側的多能互補、負荷側的靈活互動，對電網提供調峰、調頻、備用等輔助服務。

不論是上述哪類理解或描述方式， VPP本質仍是統一的，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電設備，微燃機、鍋爐等氣轉電/熱設備，EV、儲熱罐和電池等可充可放的儲能設備，以及靈活調節的需求響應(Demand Response, DR)資源等。上述資源在調節速度、調節能力、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，如調控容量小且不穩定，但經聚合后卻可形成靈活調控能力，如通過光儲系統配合來有效提升光伏出力的不確定性。

(2)雙向通信

雙向通信系統是VPP進行能量管理、數據采集與監控，以及與外部系統交互的重要渠道。VPP中設備種類和數量更多，覆蓋地域范圍廣，系統運行狀態復雜，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，后續表達時以“VPP”代替“多能互補型VPP”)，如圖1所示，VPP在一定區域內協調控制不同供能、儲能[30]和用能資源，構建成一臺臺虛擬能源機組，形成柔性聚合調控資源，實現更大范圍的資源互聯和共享，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 可劃分為商業型虛擬發電廠(Commercial VPP，CVPP)和技術型虛擬發電廠(Technical VPP，TVPP)兩種，其中CVPP側重于經濟角度進行商業性資源聚合，而TVPP側重于技術角度計及網絡運行約束，其在配電網中的作用類似于輸電系統調度員在輸電網中功能，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境型VPP交易策略，聚合多微電網進行碳排放交易，可看作CVPP的一種。

表1 CVPP和TVPP對比分析

1.2 與微電網、需求響應異同點

VPP、微電網和需求響應都是位于用戶側的聚合及調控手段，在GB/T 33589-2017《微電網接入電力系統技術規定》中對微電網有如下定義：由DER、用電負荷、監控、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內部電力電量平衡的小型供用電系統。而DR是針對電力需求側管理如何在競爭市場中充分發揮作用以維持系統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融合了微電網和需求響應特點，但與微電網相比，因VPP是基于柔性資源實現聚合，故地理、容量等方面均具有靈活的擴展能力，可形成多層級多區域聚合能力，且更經濟。而與需求響應相對“恒定”的調度容量相比，VPP類比傳統發電廠輸出功率特性，參與各時段電力市場能力更強，可實現常態化運行且調用成本更低，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，如基于多微電網的VPP[24]、基于需求響應的VPP調度架構[38]。

表2 VPP、微電網和需求響應對比分析

2 多能互補下虛擬電廠調控實現方式

2.1 VPP調控思路

VPP一體化聚合調控思路如圖2所示。

圖2 多能互補型VPP一體化聚合調控思路

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、儲和用三類設備，如微燃機、光伏/風電、儲能、EV和電轉氣設備等，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、供、儲和用能信息等數據傳送給主站，或將來自主站層的控制信息下實時發給各設備對應的本地控制單元，實現精準控制。可以預見，多能耦合將擴展控制層的裝置種類及規模；

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

(4)主站層是VPP的“智慧大腦”，具備用能監測、潛力評估、資源優化和交易決策等功能，與外部系統進行能量/交易交互的同時，對內實現多能源統一優化調度。

2.2 VPP調控架構及應用

根據主站層與控制層/資源層的對應關系，將VPP調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網場景下的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化調度，滿足用戶需求和市場規劃，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，冀北泛在電力物聯網VPP示范工程投運，一期工程實時接入與控制蓄熱式電采暖、可調節工商業、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、大工業負荷專項試點；

(3)分散控制架構：控制中心簡化為數據交換和處理中心，子系統通過智能代理的協同，實現控制中心的功能，具有良好的擴展性和開放性，但要求智能代理和子系統具備日常運行管理功能。文獻[1-2]提出基于多代理系統的調度架構。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，有效降低了當地配電網峰值需求。

2.3 VPP調控關鍵技術

2.3.1 VPP廣義儲能模型

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

2.3.2 多層級多能源協同調控技術

隨著VPP范圍和適用性不斷擴大，逐漸形成多層級VPP方案，以適應不同電力調控體系和不同能源的VPP應用。此時，多層級多能源協同調控技術成為VPP核心，通過構建分區域分層虛擬電廠調控體系，采用“物理分布、協同控制”的邏輯架構，全面感知源、網、荷、儲設備運行狀態和環境信息，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同優化體系，實現自上而下的高效運行調控。在優化過程中，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、經濟性、可調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靈活性定義為：在一定時間尺度下，電力系統通過優化調配各類可用資源，以一定的成本適應發電、電網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節側重于研究VPP資源優化調控，本節側重于研究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，為配電網和輸電網提供管理和輔助服務，但現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/用戶的內部交易，這里主要是基于DR實現。

圖3 VPP交易類型

一般來說，VPP協調內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，實現用能效率和經濟性最優。這里，以外部售電交易和內部DR交易為主，具體介紹下VPP交易全流程：

(1)VPP根據歷史曲線預估下個交易周期T(如24 h)的發電和負荷數據，假設所有發儲資源可調度，并基于價格型或激勵型的DR項目的得出在時刻t第i個節點最大響應能力Pmax(i,t)，綜合考慮成本、調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個節點的聚合調控能力；

(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)交易中心和調度中心基于全網供需情況、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進一步更新數據，基于VPP-用戶之間的DR合同，VPP主動調整內部資源出力計劃，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，繼續參與外部市場；或者在現貨市場電價較高時[42]，作為發電商提供電能，當現貨市場電價較低時作為用戶購買電能；或協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則和方法，融合VPP內部資源，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內部激勵策略就顯得非常重要，基本思路如下：首先使用數據挖掘技術(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，構建基于動態電價或可中斷合同等多類型DR的VPP內部激勵策略，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，應基于實際運行數據對用戶偏好及分類進行迭代更新，以設計趨于成本最優的適用于該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。快速發展的多能互補技術在給VPP資源聚合帶來更大、更靈活的調控能力的同時，也給VPP調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控思路和關鍵技術，這將為多能源發展形勢下VPP技術的設計和運行管理提供指導。