中国储能网讯：首先，如果要了解虚拟电厂与辅助服务的联系，就需要连带了解一下虚拟电厂的诞生背景。本期我们了解一下电力辅助服务市场与虚拟电厂诞生的背景、电力辅助服务市场的内涵、以及电力辅助服务市场与虚拟电厂二者之间的关系。
1、电力辅助服务市场&虚拟电厂诞生的背景
构建以新能源为主体的新型电力系统，是我国实现碳达峰碳中和的有效抓手。
为确保新型电力系统安全、高效、绿色运行，实现系统中灵活性资源的充裕性是至关重要的一环。随着以光伏、风电为主的新能源快速发展，大量分布式新能源并网将给电力系统带来巨大的挑战，源荷不确定性进一步扩大，电网运行方式更加复杂多样，电力系统电力电量平衡运行决策的对象和方法发生了显著变化，传统的源随荷动调控模式难以满足调峰、调频、备用等需求。此外，随着充电桩、空调负荷、储能设备等新型负荷以及负荷聚合商、智能楼宇等新的用能形式不断涌现，海量用户侧异构资源呈现地理位置分散、单体容量小、调控难度大等特征，难以直接参与电网调控运行[1]。
虚拟电厂的提出为解决上述难题提供了新的思路。
虚拟电厂的概念：
虚拟电厂是聚合优化“源网荷储”清洁发展的新一代智能控制技术和互动商业模式。
它依托现代化的信息通信和先进的智能技术，把多类型、多能流、多主体资源以电为中心相聚合，实现电源侧的多能互补、负荷侧的柔性互动，对电网提供调峰、调频、备用等辅助服务[2]，并为用户和分布式能源等市场主体提供参与电力市场交易的途径。
技术特征：
多元资源组合
具有运行互动协调性
有一定调控范围
在电力市场中具备竞争性
电源和负荷双重身份
总之，电力辅助服务市场和虚拟电厂诞生的最主要原因是，为维持电力系统安全稳定运行，保证电能质量，促进清洁能源消纳。
2、电力辅助服务市场的内涵：
2.1、概念：
电力辅助服务是指（为维持电力系统安全稳定运行，保证电能质量，促进清洁能源消纳），除正常电能生产、输送、使用外，由发电企业（火电、水电、核电、风电、光伏发电、光热发电、抽水蓄能、自备电厂等发电侧并网主体），电网经营企业、（电化学、压缩空气、飞轮等）新型储能用户，电力用户（传统高载能工业负荷、工商业可中断负荷、电动汽车充电网络等能够响应电力调度指令的可调节负荷(含通过聚合商、 虚拟电厂等形式聚合)）提供的服务。
本质上是指发电企业、电网企业和用户以市场化交易的形式提供电力辅助服务的交易机制。
目的是：为维持电力系统安全稳定运行，保证电能质量，促进清洁能源消纳
这种交易机制的主体是：
发电侧并网主体
新型储能
能够响应电力调度指令的可调节负荷
2.2、电力辅助服务市场，具体包括哪些辅助服务？
在我国包括：调频辅助服务、调峰辅助服务、备用辅助服务
理论上，电力辅助服务从提供服务的性质来说，可以分为有功、无功、事故应急及恢复服务三类[3]。
图1:辅助服务内容
国外成熟辅助服务市场中并无调峰服务，调峰问题是通过现货市场的分时电价引导市场主体在高峰、低谷时段调整出力来解决的。不过我国现阶段，调峰的需求仍然较大，因此，我国电力辅助服务主要包括调频辅助服务、调峰辅助服务、备用辅助服务等，本文将详细介绍这三种服务形式。
2.2.1调频辅助服务
频率是电网运行的核心指标,取决于电源与负荷的实时平衡电源与负荷失衡，将会引发频率波动，甚至电网崩溃。我国系统标称频率为50Hz，频率偏差为实际频率与标称频率之差，我国电力系统的正常频率偏差允许值为±0.2Hz，当系统容量较小时，频率偏差值可以放宽到±0.5Hz。
在正常情况下，系统频率是电力系统保持一致的运行参数。电网的频率是由发电功率与用电负荷大小决定的，当发电功率与用电负荷大小相等时，电网频率稳定；发电功率大于用电负荷时，电网频率升高；发电功率小于用电负荷时，电网频率降低。系统有功功率不平衡是产生频率偏差的根本原因。要想保持频率不变，就要保持发电机的转速不变；要想维持发电机的转速不变，就要保持稳定的负荷。通过调整发电机的有功功率，可保持系统功率的供需平衡，使频率维持在一个变化较小的范围内。
图2 电力系统源荷平衡示意图
由此可以给出频率调整的一般定义：电力系统频率偏离目标频率时，并网主体通过调速系统、自动功率控制等方式，调整有功出力减少频率偏差。频率调整又分为一次调频和二次调频，其中一次调频是通过发电机调速器进行的，是有差调节，它适合变化幅度小，变化周期短的负荷波动。二次调频是通过调频器在调频厂进行的，是无差调节，不能远离负荷中心，适合变化变化周期长幅度大的负荷波动。
电力调频辅助服务是指并网主体在一次调频以外，通过自动功率控制技术（包括自动发电控制（AGC）、自动功率控制（APC）等）在规定的出力调整范围内,跟踪电力调度指令，按照一定调节速率实时调整发电岀力，满足电力系统频率和联络线功率控制要求的服务，其调节效果通过调频里程和综合调频性能指标衡量。
2.2.2 调峰辅助服务
电力调峰辅助服务是指为维护电力系统的安全稳定运行，保证电力平衡，并网发电厂或电储能设施按照电力调度指令，平滑稳定调整出力或者改变运行状态，所提供的服务。
电力调峰辅助服务市场包括深度调峰交易、应急停机调峰交易和电储能调峰交易，
深度调峰是指并网发电机组根据系统运行需要，调减出力至低于有偿调峰基准值以下，所提供的辅助服务。深度调峰交易卖方原则上为燃煤发电机组。
应急停机调峰是指发电机组根据日内电网调峰需要，按照电力调度指令调停备用，并具备根据电力调度指令随时再次并网条件，提供的辅助服务。
电储能调峰是指蓄电设施在电网调峰能力不足时段，根据调度指令减少放电功率或者增加充电功率，提供的辅助服务。电储能既可在电源侧，也可在负荷侧，或者是公用电储能。
2.2.3 备用辅助服务
备用辅助服务一般指旋转正备用，即在规定时间内可供调用的备用容量，用以满足负荷预计误差、设备的意外停运和维保地区负荷等所需的额外有功容量。
旋转备用是指在发电或输电系统故障时可快速提供的同步容量,一般而言,旋转备用是系统中同步机组的当前出力与其最大可用出力之差的总和。发电机组上留有足够大的旋转备用,可以提高系统应付可能出现的系统频率偏移、快速系统负荷投切、机组被迫停机及其他系统扰动等问题的能力,保证系统稳定运行。
3、虚拟电厂如何参与电能量市场和电力辅助服务市场？
3.1、电能量市场和电力辅助服务市场，两者间的关系：
图3:虚拟电厂交易机制
电能量市场和电力辅助服务市场是电力行业中两个相互关联但具有不同功能的市场。它们的关系可以理解为电能量市场是主要的电力交易市场，而电力辅助服务市场是为电能量市场提供支持和平衡的市场。
1、电能量市场：是供需电力的交易场所，用于买卖电能。
在电能量市场中，发电厂、发电商、虚拟电厂和其他电力生产者将其电力产量以不同形式（如竞标、双边协商等）出售给电力消费者、电力批发商、零售商和其他电力购买者。电能量市场是实现电力供求平衡和定价的主要机制，通过市场交易形式确保电力供应能够满足电力需求。
2、电力辅助服务市场：电力辅助服务市场是一个补充性市场，旨在支持电能量市场的平稳运行和电力系统的稳定性。
电力系统在运行过程中需要保持一定的频率、电压和稳定性，以确保电力供应的可靠性。然而，电力系统中会出现波动、突发负荷变化等情况，这可能影响电力系统的稳定性。为了解决这些问题，电力辅助服务市场提供多种辅助服务。
电力辅助服务市场的参与者通常是那些能够提供多种辅助服务的发电设施、储能系统或特定的能源消费者。这些参与者可以根据实际需要，向电力系统提供辅助服务，并从中获得相应的收益。
所以说，电能量市场和电力辅助服务市场之间的关系是互补的。电能量市场为电力供求提供了主要的交易平台，而电力辅助服务市场为电能量市场的稳定运行和电力系统的可靠性提供了必要的支持。两个市场的合作有助于保障电力供应的稳定性和安全性。
3.2、虚拟电厂所聚合资源的特点是什么，分别如何参与市场交易？
3.2.1、分布式能源资源参与辅助服务市场所亟待解决的问题：
需要通过资源整合、优化调控，提升资源利用率和可靠性，并形成成熟的商业模式。
3.2.2、虚拟电厂聚合的分布式资源分别如何参与市场交易？
虚拟电厂聚合的分布式资源[4]（包括光伏、储能、可控负荷、充电桩等）按照各自特性、特点，参与电能量市场和电力辅助服务市场交易的方式如图和表所示：
图4:分布式资源参与市场交易方式
4、发展阶段及辅助服务市场内容：
因虚拟电厂模式发展处在不同阶段，辅助服务市场主要内容也不同：
5、虚拟电厂参与辅助服务市场国内外概况
5.1、我国的辅助服务现状与项目举例：
5.1.1、现状与趋势：
根据系统需要，不同国家和地区对辅助服务的定义、分类和标准有各自的约定。我国现行的辅助服务主要在发电环节，分为基本辅助服务和有偿辅助服务两大类。基本辅助服务是指为了保障电力系统安全稳定运行，保证电能质量，发电机组必须提供的辅助服务；有偿辅助服务是指并网发电厂在基本辅助服务之外所提供的辅助服务。其中，一次调频属于基本辅助服务，不进行经济补偿；自动发电控制（AGC）、有偿调峰、旋转备用等调频服务属于有偿辅助服务，基于成本进行经济补偿。
我国的电力辅助服务市场建设也是和电力市场化进程相伴相随。早在2009年5月，京津唐电网根据华北区域辅助服务与并网考核实施细则，率先在全国建立了基于成本加合理收益的辅助服务交易机制，品种有自动发电控制（AGC）、无功、调峰、黑启动等。随后辅助服务交易陆续在华东地区等地开展。
新电改也将辅助服务市场建设视为一大重点，在“电改九号文”中已明确提出，要“建立辅助服务分担共享新机制”。2016年5月，国家能源局发布《国家能源局关于促进电储能参与“三北”地区电力辅助服务补偿（市场）机制试点工作的通知》；8月，湖南省发布《抽水蓄能辅助服务专项市场交易规则》；11月，国家能源局发布《关于同意开展东北区域电力辅助服务市场专项改革试点的复函》。
2016年12月29日，国家发改委、国家能源局印发《电力中长期交易基本规则（暂行）》。其中不仅详细规定了电能量中长期交易规则，还对辅助服务市场化提出了指导性要求，是对“九号文”进一步深化。
按照规划，未来我国成熟的电力市场中，会有双边交易、中长期交易、日前和实时交易等多种交易方式，特别是在风、光、储等新能源迅速发展，大电网结构日趋复杂的背景下，完善优质的辅助服务是能量市场和电网安全可靠运行的基础。通过市场机制建立公平、规范、高效的辅助服务交易平台，分阶段逐步深化开展调频、调峰、备用、无功等多品种的交易，可以提高电力系统的运行效率，提升电网安全可靠运行的综合效益。
2021年12月，国家能源局印发新版“两个细则”，开启我国辅助服务市场新篇章。此后各区域电网积极响应，2022年3月南方电网最先发布了“两个细则”征求意见稿。此后，华东电网、华北电 网、西北电网均发布了新版“两个细则”模拟运行稿[5]。
截至2022年底,我国电力辅助服务实现了 6大区域、33个省区电网的全覆盖,统一的辅助服务 规则体系基本形成。通过辅助服务市场化机制,2022年全国共挖掘全系统调节能力超过9000万千瓦, 年均促进清洁能源增发电量超过1000亿千瓦时;煤电企业因为辅助服务获得补偿收益约320亿元。
交易品种方面,除传统调频、调峰市场外,山西增加一次调频辅助服务市场,华北、西北分别建设 了调峰容量市场、备用市场等。
参与主体方面,除常规电源外,18个网省公司推动储能、虚拟电厂等 新型市场主体参与辅助服务市场。
此外,川渝一体化辅助服务市场2022年7月6日正式启动。当日通过日前市场交易电量118万 千瓦时,川渝两地调峰资源首次实现跨省优化配置[6]。
5.1.2、国内虚拟电厂项目举例：
5.2、 国外虚拟电厂项目侧重点
由于各国电力结构不同和推广目的不同，各国VPP侧重点和电力市场环境有所不同。
欧洲大多数国家分布式能源较为普及，重点要解决可再生能源消纳和电网平衡问题，因此从发展分布式能源思路更加强调VPP在辅助市场的功能；
而美国电力需求旺盛，需要建设大量配套电站作为备用电源，为解决备用电源的经济性问题，从电源需求侧管理出发更加强调DR在容量市场的作用；
而日本由于能源短缺，从节能角度出发更加重视两者融合发展，故要兼顾容量市场与辅助市场。
澳大利亚虚拟电厂建设的主要目标是降低用电成本，为电网提供调频辅助服务。
6、虚拟电厂参与辅助服务关键技术
6.1 海量资源等值聚合
虚拟电厂最具吸引力的功能在于能够聚合分布式能源、可控负荷、储能设备等各类资源参与电力市场和辅助服务市场运行，但由于各类资源特点各异，如容量小或其具有的间断性和随机性，仅靠它们本身加入电力市场运营并不可行。所以需要对所聚合的各类资源进行建模，精细考虑各种能源设备的运行约束，包括设备自身参数、安全约束、经济约束、环境约束，以及每种资源是什么类型，其调节成本、调节空间、可靠性，拟合得到聚合体对外的成本特性、调节特性。
6.2 边界条件分析预测
这里包含两个方面，第一方面，需要预测各类设备的功率曲线，包括用电负荷曲线、分布式电源，如光伏，风电的发电曲线，用以评估虚拟电厂的调节能力。
对于较复杂的用电负荷，需要考虑综合考虑其业务逻辑以及社会因素，比如污水厂的功率预测需要考虑排污计划，除臭、消毒等工艺流程；数据中心的功率预测，需要考虑双11、618活动对网络流量造成的冲击等。
第二方面，需预测辅助服务品类的出清价格等，作为交易策略优化模型的输入，精准的短期电价的变化趋势预测可以提高虚拟电厂的收益。
图10 虚拟电厂负荷预测算法框架
6.3交易决策辅助优化以及调控指令细化拆解
综合考虑期望收益、交易风险偏好、调节能力与成本评估的不准确性，以及虚拟电厂历史运行情况，推荐匹配输入的量价组合和分段报价方案，助发电侧快速积累电力市场实战经验，权衡聚合商与不同电力用户之间的利益分配关系，做出收益与风险取得最佳平衡的报量报价策略，降低交易策略的试错成本，进一步增加虚拟电厂的收益。
在申报中标以后，与聚合等值相对，当市场运营机构向负荷聚合商下发调度指令时，聚合商需要将调度指令分解下发到所聚合的设备单元并确保调度指令精准执行。此时需要充分考虑各资源的运行约束、调节能力和调节成本，分解得出各资源的出力或用电曲线，使得各资源尽可能安全、经济、高效地协同完成整体调度指令。
图11 虚拟电厂交易决策辅助优化和调控指令细化拆解算法示意
6.4 储能技术发展变革
通过虚拟电厂的储能装置，才能聚合分布式能源。由此可见，储能技术为虚拟电厂的实现提供了重要动力，储能资源的安全和全生命周期管理是虚拟电厂运行的重要支撑。打造安全、可靠、高效的储能资源，关键在于，要建立储能电池一致性管理和溯源系统，进行储能电池健康管理、安全预警、内短路风险判断、故障预警与追踪，实现准确监控、云端运维，才能全面保障储能安全与寿命。
6.5 信息通信
随着可调节资源接入规模的增长，对信息网络的高效性、安全性等方面提出新的要求，需要建立安全、高效的信息通信体系。需要研究虚拟电厂安全通信、低成本接入技术，如可调节资源设备直通(device to device，D2D)通信技术、高效身份认证技术、标准化接口技术等;考虑虚拟电厂海量数据通信规模，研究虚拟电厂网络资源 优化和控制技术、云边协同计算技术等;考虑可调节资源计量数据缺损和失真等问题，研究可调节资源运行数据恢复、补全和修正等技术;挖掘虚拟电厂和 可调节资源数据价值，提高信息网络安全性、可靠性。主要包括基于互联网协议的服务、虚拟专用网络、电力线路载波技术、无线技术、区块链、云计算、大数据、物联网、网络与信息安全等。
6.6 智能计量装置与技术
智能计量技术是虚拟电厂的一个重要组成部分，是实现虚拟电厂对DG和可控负荷等监测和控制的重要基础。智能计量系统最基本的作用是自动测量和读取用户住宅内的电、气、热、水的消耗量或生产量，即自动抄表(automated meter reading,AMR)，以此为虚拟电厂提供电源和需求侧的实时信息。作为AMR的发展，自动计量管理(automatic meter management,AMM)和高级计量体系(advanced metering infrastructure, AMI)能够远程测量实时用户信息，合理管理数据，并将其发送给相关各方。对于用户而言，所有的计量数据都可通过用户室内网(home area network, HAN)在HMI上显示。因此，用户能够直观地看到自己消费或生产的电能以及相应费用等信息，以此采取合理的调节措施。信息通信技术虚拟电厂采用双向通信技术，它不仅能够接收各个单元的当前状态信息，而且能够向控制目标发送控制信号。
