智慧校园虚拟电厂建设的可行性研究

杨国龙

（湛江幼儿师范专科学校，广东 湛江 524084)

0 引言

目前，我国出现资源较紧张、环境污染问题突出和生态系统退化等问题。在现实生活中，人们对电能的需求日益增加，而且要求也逐渐增高，当前，电能的使用具有一定限制。国内具有较多的高等院校，而这些高校承担为社会培养高质量人才的任务，保障校园的电能正常供应是非常有必要的。其中，校园建筑的特点是耗能种类多、总量大和节能潜力大等。为了实现高校的可持续发展，通过建设环保型校园有助于建设资源节约型、环境友好型的社会提供理论研究依据和推广。近年来，全国的高校积极开展环保型校园建设，但是各个高校对建设环保型校园的标准不同，在建成环保型校园能耗监测平台后,校园日常能源管理和节能工作有所限制，而合理分配校园用电、节约用电是关键[1]。因此,对智慧校园虚拟电厂建设的研究，对促进高校节能减排、建设绿色低碳的校园具有一定的现实和长远意义。

为提高电能的有效利用，本项目从电能资源角度分析。在电能资源系统方面，人们希望通过研发虚拟电厂(Virtual Power Plant，VPP)对电能进行合理调配。因为各个国家出现了各种问题，比如能源紧缺、气候变化以及环境污染，电力系统迫切进入新的发展阶段，因此虚拟电厂则应运而生。目前，在国内外对虚拟电厂的建设具有一定的研究，在国外，欧美国家等展开了虚拟电厂的工程实践，这些地区对虚拟电厂进行了初步的研究和实践。2019年7月澳大利亚启动了虚拟电厂的示范工程。而国内虚拟电厂的发展现今处于刚起步阶段，在“十三五”时期，开展了虚拟电厂的试点示范工作。在2017年，上海建成黄浦区商业建筑的虚拟电厂示范工程，成为第一个商业建筑虚拟电厂。在2019年，国家电网冀北电力公司对虚拟电厂的运营模式进行创新，并为北京冬奥会服务，实现了可调节资源的感知、聚合、优化、调控与运营，为电力系统提供连续、柔性的灵活调节能力，有效促进了新能源消纳。同年，在深圳揭牌了国内第一家虚拟电厂管理中心，接入了多类型负荷聚合商14家，容量接近一座大型煤电厂，可达 87 万千瓦。在2022年，山西省明确规定了虚拟电厂的运营管理规范[2]。

1 虚拟电厂的建设

所谓虚拟电厂，可以通过能量管理系统及其所控制的微型分布式能源资源构成的集成性电厂。运营者利用信息技术优化及调控所管辖区域的分布式能源及资源，取得在技术、经济和环境等方面的多种效益。

从虚拟电厂的发展历程和规模大小来看，其应用规模是以城市为主，本项目结合校园用电特点，提出了智慧校园虚拟电厂建设的可行性，利用粤西地区的某高校进行分析并建立智慧校园虚拟电厂，而且该高校建筑量大面广，由于所有的教学楼和宿舍楼都有平整的屋顶，地理位置优越，周边无障碍物遮挡，光照效果好，全年有效光照时间长，具有开展分布式光伏发电的巨大优势[3]。

在学校正常运行期间，教学楼、宿舍、饭堂、电车充电等地方能耗高，而假期期间，尤其是寒、暑假两个假期，由于耗能需求的大幅降低，对自身各种分布式电能的消纳能力也大幅下降。利用既有建筑屋顶空间开发出来的光伏电站，通过虚拟电厂，既能承担一定的电力供应，起到削峰填谷的作用，又不占用宝贵的土地资源，节省电费的支出，虚拟电厂解决了校园合理分配使用电能的难题[4]。

2 虚拟电厂的组成结构

虚拟电厂包括屋顶光伏发电系统、储能系统、电动车充电站、教学楼和宿舍、管控平台等，如图1所示。

图1 虚拟电厂的组成结构

2.1 光伏发电系统

本项目研究的虚拟电厂的主要电源是光伏发电系统，以当地气象条件为背景，据气象数据库的平均年太阳总辐射为1337.7kw.h/m2，本项目所处于粤西地区，该区域的太阳辐射数高，属于太阳能资源三类地区，而且太阳能资源利用效率较高，具有开发光伏发电项目的有利条件。本项目预计安装容量能够满足校园实际需求，通过变压器以低压方式接入各教学楼、宿舍配电系统，响应虚拟电厂管控平台分配指令，供各教学楼、宿舍等负荷用电[5]。

2.2 充电站（电动公交车、学生电动车）

该高校教学楼和宿舍能耗高之外，校园电动公交车、学生电动车的充电也是重要耗能设备，为此分别设置了校园电动公交车和电动车的充电站，电动车辆利用电池储能系统在运营间歇充电，发挥对校园虚拟电厂的调峰蓄能作用。充电站主要功能给电动车辆提供24小时充足电源，保证绿色公交正常运行，为该高校提供便捷的公共交通。

2.3 管控平台

针对太阳能发电功率密度低、可调度性差、调峰能力差等特点，建立基于太阳能资源的虚拟电厂管控平台，不仅满足该高校内老师、学生对电能质量的要求，还增强了电网的安全性和稳定性。

2.4 储能系统

本项目的储能系统是虚拟电厂中重要的供电电源，响应虚拟电厂管控平台调峰指令，在满足校园正常用电时蓄电，作为备用电源，峰荷时进行放电，发挥其调峰作用。

3 虚拟电厂的运行

本项目以某高校建立智能校园虚拟电厂为例，其运行如图2所示。该高校由光伏进行发电，微型虚拟电厂优先把电能供给该高校使用，其次给储能系统充电以作备用电源，确保该高校用电正常之后，光伏发电剩余的电能接入本地的电力市场销售有需要的区域使用。同时该高校用电、储能系统和电力市场实时反馈电能信息到该高校的微型虚拟电厂管控平台，管控平台及时协调、合理分配电能，保证用电端稳定用电[6]。

图2 虚拟电厂总体运行结构

4 虚拟电厂的应用

作为能源合理分配优化的关键技术，在清洁供能、用户侧需求响应、电动车充电站等领域，虚拟电厂都具有广泛的应用前景，如图3所示。

图3 虚拟电厂的应用

4.1 电力的智能管家，可进行集中管理

虚拟电厂可作为智慧校园电力的智能管家，通过利用先进的计量、通信和协调控制等多种技术，将整合各分布式电源、校园内建筑负荷和电动汽车等各类分布式资源组成的有机整体，从而对大量分布式能源完成协同优化运行。因此，虚拟发电厂建设的应用较广泛，并且作为一种先进的区域性电能集中管理模式，为配电网和输电网提供管理和辅助服务[7]。

4.2 聚合多种能源，虚拟电厂推动能源行业数字化转型

虚拟电厂将原本海量的无序资源变得高效有序可调节，提升了能源利用效率，主要体现在以下三个方面：

1) 去中心化，虚拟电厂降低用户用能成本

虚拟电厂集控平台采用区块链技术，区块链能够为多能源系统提供一个去中心化的系统平台，可以实现自适应、去中心化的能源调度，大幅提升用电效率。通过在用电需求侧安装相关高用电能效的装置、减少终端用电需求以达到与建设实际发电厂相同的效果，或利用各个用户用电弹性缓解高峰时段电力供应紧张状况。在各个高校接入虚拟电厂并进行调峰，应用于校内的耗能建筑及用电设备，可降低校园的用电成本，若企业接入虚拟电厂并参与调峰辅助并服务市场后，既调整了各部分车间的生产工序，也可降低企业用电的成本。

2) 削峰填谷，虚拟电厂使新能源达到供需平衡

近几年，逐渐增多的风能、光伏等新能源，由于其不稳定性给整个电网的安全性和可靠性也带来了巨大的挑战。虚拟电厂聚合了多种能源资源，比如校园的可调负荷、校园电动车充电站、分布式能源等，形成了一个大型发电及用电装置，既作为发电系统，可以向系统供电调峰，又作为耗能装置，可以加大负荷消纳，实现系统达到填谷。在电源侧，通过蓄积传统发电机组和各类分布式发电系统，响应调峰指令，让出新能源消纳空间；在负荷侧，通过聚合各个耗能建筑用电、电动车充电桩，减小负荷峰谷差，提升电能利用效率[8]。

3) 数据赋能，虚拟电厂优化电网运行效率

虚拟电厂依然以每个分布式电源并网的方式，利用更高层面的软件构架实现多个分布式能源的协调优化运行。若虚拟电厂开始运行，将持续产生能源以及交易数据，在初期，虚拟电厂运行主要利用算法控制其运行，在后期，由于虚拟电厂的产生数据的增加，形成较大的数据流进而达到了大数据体量。若虚拟电厂在后期获得海量数据后，可以利用大数据的算法，结合电网自身的约束，进一步优化协调控制[9]。除此之外，利用大数据技术可对负荷进行预测等，包括风电、太阳能等；同时，可以分析查找虚拟电厂内部能源向电网输出数据，实现电网安全运行的最优配置信息，虚拟电厂运行过程如图4所示。

图4 虚拟电厂运行技术

5 虚拟电厂建设的意义

本项目研究的智慧校园虚拟电厂建设具有重要意义。由于相关部门提出在2030年前碳达峰， 2060年前碳中和的目标，预计未来几年，在能源结构未得到充分优化升级前，降碳、控碳将成为常态。建设智慧校园虚拟电厂可实现按需分配，而且没有出现噪声、没有排放污染物排放和不消耗任何燃料，符合绿色环保方向，有效应对政府为实现“完善能源消费强度和总量双控制”目标，体现对环境保护、能源节能的态度和行动，同时也会进一步协调与当地政府之间的关系，为高校的发展奠定基础。智能校园虚拟电厂可从设计的角度上突出教育、实训功能，以学生现场教学为目标，为学生开展新能源发电技术培训课堂、绿色节能减排应用实训示范做进一步的探索[10]。

除此之外，本项目符合国家节能环保方向及节能减排的政策要求，既可以得到政府节能减排在政策上的支持，可在社会上宣传绿色环保的理念。在经济上实现一定的收益，电费大大节省，作为校园新的一种电能分配方式，既可以降低生产成本，又可以节能降耗，实现绿色环保生产。

6 结束语

由于高等院校用电分配及安全尤为重要，本项目对智慧校园建立虚拟电厂的可行性研究具有重要意义。建立虚拟电厂利用互联网和物联网技术等，通过校内相关耗能的海量数据传送到云端，再利用人工智能技术完成自主学习，收集各种耗能建筑的数据并进行分析，将得出的数据发送至发电设备端，使得发电输出及用电耗能达到平衡，避免资源浪费。建立虚拟电厂的优势在于将原本海量的无序资源实现高效且有序可调节，提高能源利用率。同时，智能校园虚拟电厂的建设既能为广大师生对于新能源开发提供难得的开发和实践机会，也能为广大师生对相关新学科建设提供了宝贵的理论与实践相结合的机遇，促进高校在人才培养方向上的进一步发展。