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欧洲虚拟电厂发展对我国的启示

作者:李可舒 王冬容 来源:《中国电力企业管理》 发布时间:2020-11-14 浏览:
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中国储能网讯:欧洲虚拟电厂发展

欧洲VPP的发展追溯至2007年,开展以集成中小型分布式发电单元为主要目标的VPP研究项目,参与的国家包括德国、英国、西班牙、法国等。其主要针对实现分布式电源(distrubuted generator,DG)可靠并网和电力市场运营。欧洲近些年VPP发展迅猛,据guidehouse Insights预测,欧洲是世界上VPP最集中的市场,到2028年,市场收入预计每年将超过30亿美元。我国与欧洲的VPP发展路线更相似,德国在欧洲VPP发展处于前列,因此本文详细梳理欧洲具有代表性的VPP项目研究现状和德国成功案例。

欧盟FENIX项目

2005年~2009年,来自欧盟8个国家的20个研究机构和组织合作实施和开展了FENIX项目,FENIX的目标是通过将分布式能源资源聚合成大型VPP和分散管理,最大限度地提高分布式能源对电力系统的贡献,摆脱传统对电力系统小单元的管理。

其主要成果:一是开发适合欧洲电力系统的VPP;二是开发可扩展和分层流动的信息和通信架构;三是由欧洲领先制造商开发新的硬件组件和软件应用程序;四是开发商业和监管框架,允许VPP在未来欧洲电力系统中实现利益整合;五是成本效益分析,量化VPP经济效益;六是在西班牙和英国的两个实际网络现场演示,辅以实验室演示和模拟,证明开发的VPP可行性。

FENIX项目中VPP的通用架构如图1所示。FENIX架构引入了三个新元素:一是FENIX box (FB)与本地系统接口,允许远程访问以进行监视和控制;二是CVPP负责DER单元的调度和能源优化功能;三是TVPP在配电管理系统(DMS)执行一些功能,例如:验证发电计划,调度DER来解决电压或电流约束等。根据通用架构,在北部场景(英国)和南部场景(西班牙)相应作出调整。CVPP 通过整合 DER 资源为系统提供服务。DER通过调度中心接口FB与CVPP进行连接获得指令信号。市场灵活决定CVPP的先后配置 ,接着CVPP将DER信息发送给DSO以进行状态估计等验证。验证通过后,DSO 将通信申请发送给电力系统中的配电节点,同时将各 DER 出力情况发送给 TSO。

欧盟WEB2ENERGY项目

欧盟WEB2ENERGY项目成立于2010年1月,2012年12月完成项目,是欧盟第七个研究和技术发展框架计划支持的欧洲项目,涉及奥地利、瑞士、德国、波兰、荷兰等国家。

项目旨在:一是对所有市场参与者开放端到端通信系统解决方案以支持基于 IEC 标准的开放式通信理念;二是将 W2E 实际获得的经验引入 IEC 标准化工作,并实现商业推广;三是实施和批准“智能配电”的三个支柱:客户集成、主动分销网络和通过自动化实现自我修复,提高智能配电自动化的供应可靠性。四是实施和批准进一步改善技术、环境、市场和社会方面的技术条件。

WEB2ENERGY项目VPP包含5座CHP电厂、2组100千瓦时氧化还原电池、10组5千瓦时锂电池、6座光伏电站、3座风电场、2座小型水电站和3类大型可控负荷。通过VPP将单个能源生产商连接到网络中,VPP的电表与计费电能表相一致。不同所有权的发电商向20 千伏HSE网络供电。签订DSO和电厂业主之间的相互协议,同意安装远程控制和监控设施并执行控制功能。

WEB2ENERGY项目VPP控制中心基于两种控制策略对VPP进行管理:一是当前策略:根据VPP当前的状态信息和市场要求,自动生成DSM方案,控制储能单元工作。二是前瞻策略:通过日前规划生成电能消费参考曲线和虚拟交通灯时段(红灯表示节能有利,绿灯表示用电有利)。WEB2ENERGY项目在极端情况下100%被移到绿灯阶段,平均约8%的峰值功率被削减掉。在试点项目的第一个月,已经引入了3%的节能和负荷从红色转移到约15%的负荷峰值的绿色区域。

德国成功案例

Next Kraftwerke是德国一家大型的VPP运营商,也是欧洲最大的VPP。它创立于2009年,是欧洲电力交易市场(EPEX)认证的能源交易商,在EPEX SPOT和EEX等欧洲交易所可以参与能源的现货市场交易,在七个欧洲输电系统运营商(Transmission System Operator)TSO地区提供平衡服务。Next Kraftwerke通过中央控制系统的M2M实时通信,将来自沼气、风能、太阳能、垃圾等可再生能源与商业和工业电力用户以及储能系统汇集在一起。截至2020年6月,Next Kraftwerke已有9516个聚合单元,8179兆瓦联网装机容量,627.7百万欧元营业额,15.1T瓦时能源交易量。

公司NEMOCS平台是一个模块化设计的软件,使VPP能够连接、监控和控制DER、用户和存储系统,以高频率和最精确的方式显示和记录当前输入和资产状态的实时信息。Next Kraftwerke使用Next Box来远程控制联网资产,提供电网平衡频率调节服务,参与电力市场交易并获得收益。由于电力供应的迅速变化,市场价格波动很大。可操纵资产的运营商可以利用不断变化的能源价格:通过在价格高的时候发电,在价格低的时候让设备待运,这样既可以增加利润又可以支持电网的可持续利用。Next Pool在其控制系统中使用算法,以确保电池储能系统中将有足够的电能,在需要时响应来自电网运营商和调度中心的信号。

德国VPP已大范围商业化,主要应用场景为通过电力市场的灵活电价,引导电厂管辖内系统优化发用电成本,优化交易收益。已形成了完整的市场生态链和商业模式,并已经历了第一轮市场整合。德国与VPP配套的上中下游产品已逐渐完备,VPP除直接参与电力市场进行交易之外,溢价部分与客户分成参与电网系统辅助服务(二次、三次调频)来收取服务佣金,与此同时:针对城市供电公司、大型工业用户、部分针对小用户的都有相应的售电套餐。

我国虚拟电厂试点情况

上海黄浦区试点商业建筑VPP示范项目

自2016年起,上海市开展国家级需求侧管理示范项目“上海黄浦区商业建筑VPP项目”建设,引导商业用户与发电侧的互动响应,提升电力需求侧管理水平,推动VPP的开发建设。

上海市随着产业结构调整,电力峰谷差不断增大,加上消纳清洁能源和电动汽车行业的压力,电网负荷供需平衡矛盾增大。并且黄浦区是上海商业建筑最密集的中心城区,大型商业建筑数量繁多,开发商业建筑VPP,实现多元化需求响应和柔性负荷控制迫在眉睫。

平台总体架构分为两层:下层为虚拟发电机层(即楼宇用户层),又可以细分为边缘计算层和感知层,通过智能终端与VPP平台进行数据采集上传和接受削峰指令,实现交互和楼宇系统控制;上层为VPP层,采集、分析楼宇内海量上传数据,并完成虚拟发电任务执行、监视、结算等任务,实现电厂整体运营管理。

在总体架构的基础上,在2020年7月,上海在结合商业VPP的基础上,正开展包括工业、商业居民等领域的VPP研发工作。通过AI和远程控制方式,将周边楼宇中充电桩的充电模式由快充转变为慢充;在不影响楼宇安全的条件下,调节电梯运行方式、储能设备、三联供机组和空调温度等。通过VPP的方式,把闲散电集中起来,缓解部分地区用电紧张。而提供电能的楼宇,已出售电价获得补偿。

冀北VPP项目

2019年10月在上海举行的第83届国际电工委员会(IEC)大会上,国网冀北公司VPP示范工程被写入IEC国际标准用例,并向国际首次公开展示VPP测试床。2019年12月11日,冀北VPP示范工程投入商业运营。VPP在“互联网+”智慧能源环境下,以用户为中心,以商业化市场为平台的泛在可调资源聚合管理模式。冀北VPP在促进清洁能源消纳的同时,对构建电力市场也具有重要意义,同时对于聚合商参与市场主体运作提出了更大的机遇和挑战。

示范工程一期实时接入与控制蓄热式电采暖、可调节工商业、智能楼宇、分布式光伏等11类19家泛在可调资源,容量约16万千瓦,涵盖张家口、秦皇岛、廊坊三个地市。其主要架构图如图2所示。该工程依托泛(FUN)电平台,具备秒级感传算用、亿级用户能力、多级共享生态。通过泛在电力物联网和智能电网的技术,可与电力系统实施柔性互动,实现能源流、业务流、数据流“三流合一”。

天津智慧能源新城项目

国网天津公司在中新天津生态城选取面积约 8 平方千米的惠风溪示范区建设智慧能源新城。新城共包括集中式储能站、主动配电网、VPP绿色公共建筑等 10 个项目。该项目有望成为我国首个基于未来场景的智慧城市项目。新城VPP项目通过在各类源、荷、储资源加装物联感知终端,将各类资源高效聚合,形成一个虚拟的可控能量集合体,像“真实电厂”一样参与电网调峰、调频辅助服务和电力市场交易等。目前已完成VPP系统的开发,系统已接入 49 户公共资源用户,可调负荷 2.637 万千瓦,可以有效协调电网供需平衡,促进各种能源资源的优化配置。

总结与启示

VPP的目标是集分布式能源优化于一体,使其作为一种特殊的电厂参与电力市场的运营管理事务,提供电力辅助服务,并使VPP通过协调控制在最优操作点。随着现货市场和电力市场的发展越来越灵活,VPP和市场联系越来越紧密并逐渐参与商业化运营。国外VPP发展较早,尤其德国,美国等发达国家VPP的上中下游配套技术和设施已非常完善,我国VPP发展还处于探索阶段。根据国外VPP发展,可借鉴经验和建议有如下几点:

一是优化调度体系,完善调度机制和标准体系。我国现存电力调度体系为五级:国调中心、网调、省调、区调、县调。随着电力体制改革的推进,售电公司,能源服务公司,聚合商,将逐步进入电力市场,参与电网建设与运行,目前的调度体系会被逐渐打破。欧洲现有调度体系为日前市场、日内市场与实时市场互为补充的市场模式。如要大力推广VPP,必须优化调度体系,推进电力调度系统整体智能化。

二是积极推进负荷聚合商为主体运营的商业运营模式,形成调度中心—负荷聚合商—VPP—联网DER—用户相互关联的信息互通链,使VPP有效聚合分散DER资源,保证虚拟发电效果可监测和可验证。建议由政府或调度中心对已有远程控制设备进行整合,减轻负荷聚合商、VPP和用户二次投入支出。

三是完善辅助服务市场和定价、交易机制。配合现货交易试点,进一步完善辅助服务市场建设。VPP建设会与一些交易定价冲突,比如电网公司过网费等,应鼓励储能设备、需求侧资源参与提供电力辅助服务,协调各方利益,完善提供方式、调节和评估指标、结算方式。

四是增强VPP配套软件安全性与鲁棒性,保证数据实时有效。完善智能感知技术和传输技术,制定VPP传输协议和标准,提高系统数据可靠性。如数据需透明公开,则增加公用接口使操作方便;如数据需保密,则确保数据安全,防止泄露。

近些年我国加快发展壮大水电等可再生能源,水电大机组设备陆续生产完成,对发展VPP给予了很多政策支持。VPP“串联”源网荷储售服,它的实施可以推迟对输电和配电线路的新投资,提高资源利用率,有利于优化其地位和最大限度地增加收入机会,从而在实施中产生经济利益。在一系列配套实施中拉动上下游产业技术升级,贯通能源市场产业链,实现多方互利共赢。

(本文刊载于《中国电力企业管理》(上旬刊)2020年第9期,作者单位:国家电投中电国际政研室)

关键字:虚拟电厂

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