浅谈某园区虚拟电厂运营模式

山西启申综合能源服务有限公司 郭建华 山西泰和智达机电工程有限公司 李 强

华润新能源投资有限公司山西分公司 张艳锋 王明明

随着社会对环境保护的要求越来越高，可再生能源成为未来全球能源发展的主要方向，其中分布式能源快速发展，园区通过将一定范围内的分布式风光发电机组、可调控负荷以及储能设施进行有机结合，然后通过电网配套的通讯控制技术，来实现对该虚拟电厂的控制和管理，园区内相关用户及其设备可以看作一个整体来参与电网运行，这就组成了一个虚拟的电厂。本文以某园区为例，对园区虚拟电厂运营模式进行探讨。该园区虚拟电厂主要是由“1+2+N”模式构成，实现园区用户在满足高质量电能的同时，实现冷、热、气等能源的供应与利用。

1个平台：即园区虚拟电厂智慧管理平台，通过该平台能够实现各个设备数据及人机交互信息的计算、存储，将分布式能源运行管理、交易、服务等功能集合起来，实现运维者及用户对运行状态的直观显示与分析，同时满足各类可调分布式能源与电力系统的实时交互，达到快速响应的目的。

两张网络：包括以园区配电网为核心的多能流网络与以“云管边端”架构为核心的电力物联网络，两张网络相互交互配合，实现园区电能在冷、热、气等多能源汇集传输和转换利用中的枢纽作用。

N 方应用：电力系统对综合能源的容纳能力是考核电网网架结构及供电能力的重要标志，对电力用户而言，提供便捷参与的技术手段、市场化参与的渠道和可持续的商业模式。对电网而言，提高综合能源可观可控性，提升电网安全稳定运行水平，提高电网供电可靠性，为用户提供优质的电能和服务。对园区内分布式发电企业而言，提高综合能源存量机组利用效率，促进新能源消纳，对新兴市场主体，拓展业务模式，形成商业新业态，丰富园区企业收入多样性。

1 某园区虚拟电厂的特点

某园区虚拟电厂具有一整套控制与优化系统，能够将发电机组、储能设备、用户负荷等有机结合起来，精确控制用电需求和发电输出平衡，达到综合能源最大程度的控制与使用。以园区内一个厂房为例，在冬夏两季用电高峰期，园区虚拟发电厂控制系统通过对厂房内各泵与风机、中央空调等用电负荷参数进行一定的柔性调节，就能够通过减负为电网释放超过几百甚至几千千瓦电能，如果管控几百个厂房，就能够释放几万到几十万的电能。相比于传统调峰方式，各个电厂必须留有一定的备用容量，在用电高峰期电网调度部门根据外部需求和可用的备用容量，直接下发负荷指令到每台机组，这种方式简单粗放，经济性不佳。该园区虚拟电厂相较于其他形式的虚拟电厂具有以下特点。

用户集中：某园区用户包括多种类型，空调、给排水、高低压配电、电梯、照明、智能家居、汽车充电桩、电动车充电桩、无人售卖/ 医药、视频安防监控、停车场管理、楼宇自动化等多种物联网传感系统集中在一个园区，具备聚集效应，降低运维成本。基于园区虚拟电厂平台，连接园区海量数据，实现数据与业务的融合，以数字智能为基础，帮助园区构建标准化的资产运营体系和智能化的运营决策模型，实现园区精细化运营。

规模较大：某园区主要分为企业生产园区、政府规划园、居住区、商业大厦四种，园区内涉及居民住户、商铺和工业车间等，具有一定的规模效应。通过智能抄表器-云协同，形成用户日能耗曲线，支持年/月/日/小时能耗同比及环比分析，能耗可视化分析，智能预测和异常报警，有效提高园区能源消耗效率，通过运维平台进行能耗分析，帮助园区用户优化能耗支出，降低企业运营成本。同时，打通企业、园区、政府关注的各类数据，通过清洗、分类、分析、整合、应用、可视化等环节，整合多源数据，挖掘价值，构建园区大数据可视化平台辅助决策，为园区产业数字化服务创造条件。

2 某园区虚拟电厂的运营模式

某园区中的工业用户和住户可以利用屋顶或者空地，可以铺设光伏板件和安装风机等设备组成一个小型发电厂，每个小型发电厂可根据自身需求配置蓄电池和智能表计，通过自动化通讯控制技术将这些设备进行连接，进行统一管理，组成一个虚拟电厂。该虚拟电厂在园区需要用电的时，通过光伏和风力发电、蓄电池以及电网供电来满足自身需求。在光伏和风电无法完全自身消纳的情况下，电量可通过蓄电池或者园区内的电动车进行存储，也可一起向电网供电。

由于园区虚拟电厂实行集中管理，可通过AGC 等设备进行控制，由于其自身具备的多种优势，可较好地参加到电力市场中来。园区虚拟电厂通过对多个分布式单元进行聚合成为一个整体参与电力市场运营，既可发挥传统电厂出力稳定和批量售电的特点，又由于聚合了多种发电单元而具有较好的互补性。虚拟电厂所参与的电力市场包括日前市场、实时市场、辅助服务市场等，由此可建立日前市场、双边合同、平衡市场及混合市场等多种市场模型。考虑虚拟电厂中可再生能源出力、负荷和实时电价等不确定因素，在不同市场环境下建立调度和竞价模型，使虚拟电厂具有更广泛的适用性。

基于博弈论建立科学的合作机制，确保虚拟电厂的稳定性。博弈论主要研究存在利益关系或冲突的多个决策主体，根据自身能力和了解的信息，如何各自进行有利于自己或决策者群体的决策的理论。基于博弈论，认为园区虚拟电厂内的所有发电和用电单元，以及虚拟电厂与外部所有运营商均为合作博弈。根据合作博弈理论制订科学的合作机制，包括虚拟电厂内部聚合的多个发电或用电单元之间的合作机制、虚拟电厂与集成运营商、配电网或输电网以及电力市场运营者之间的合作机制，保证所有参与者的合理收益，使参与者保持长期的参与积极性，确保虚拟电厂的稳定性。

3 某园区虚拟电厂的收入模式

某园区虚拟电厂在参加电力市场交易的收入来源主要有政府补贴、峰谷电价差、辅助服务费、需求侧响应的激励收入等。

政府补贴：针对园区安装太阳能、风电等自用式可再生能源，政府层面会对度电进行补贴，目前这种补贴是家用光伏安装普及的主要驱动力。通过该补贴政策，不管是发电自用还是上网，都能获得一定收益，对于光伏用户来讲，目前的投资回收期在6～8年，对于工商业用户，由于其用电价格较高，结合目前的补贴情况，投资回收期更短。

峰谷电价差：随着电力竞价上网政策的推广，从电力现货市场交易来看，发电侧和用电侧的电价都不再是固定不变的，而是根据供需情况在限定范围内随时变化，这就造成了一天之内电价高低不同。特别是随着风电、光伏等间歇性能源占比越来越高，电价波动也会越来越大，为这种具备双向调节性质的虚拟电厂提供了可靠的收入来源。峰谷电价差的收入模式，在一些实行竞价上网的国家将会是虚拟电厂收入的主要来源之一。根据实地调研澳大利亚南澳大利亚州电力市场，该州风电和光伏装机占比35%，燃气装机占比59%；其中清洁能源发电量占比50%，已经是该州主要的电力来源，该州根据供需情况，电价在5～185美元/MWh（1美元约合7.194人民币）之间波动，如图1所示。

图1 南澳电力市场日曲线图

图2 HPR 电站频率快速响应

图3 传统汽轮机AGC 响应曲线

图4 HPR 电站AGC 响应曲线

辅助服务费：随着电动汽车双向充电技术的发展，电动汽车是可以移动的蓄电池，结合智能电网的发展，可根据电网调控中心指令进行充放电。另外，蓄电池具备响应速度快、指令跟随性好、调节精度高等特点，属于高质量的自助服务设备。

在南澳大利亚州（Hornsdale Power Reserve，HPR）储能电站特斯拉汽车电池在2017年和2018年电网故障时提供了快速可靠的频率支撑，成为南澳大利亚州明星电站。对南澳大利亚州特斯拉汽车蓄电池的AGC 跟踪曲线，以及传统形式的汽轮机发电站的AGC 跟踪曲线进行对比，可以看出HPR 电站AGC 响应更加迅速准确。

由于蓄电池系统高质量的辅助服务，必然在低碳能源时代更受欢迎，也将享受更高的辅助服务费用，所以园区内电动汽车连同园区内配置的专用蓄电池可一起参与有偿辅助服务，也将获得较好回报。

需求侧响应激励收入：电力系统要时刻保持供需动态平衡，通常的做法是，电网调度公司根据负荷变化情况，通过调度指令对供给侧发电厂进行出力调节来实现。但由于需求侧负荷是随时变化的，有的需求是很短暂的，为满足这种变化而建设大量电站，在负荷下降后就会被闲置，造成资源的严重浪费。为了解决这种局面，园区虚拟电厂引入了需求侧响应的概念：根据电力供需情况，在需求侧通过减少或者延迟电力负荷来实现供需平衡，这就是需求侧响应（Demand Response）。

目前，我国政府已经从国家层面出台了需求侧管理的制度，各省也在逐步落实，并制定了一些激励措施，所以预计后续随着制度的完善，需求侧响应激励收入也是该园区虚拟电厂收入来源之一。

4 结论

园区虚拟电厂的发展对于电力市场和社会具有重要意义。首先，某园区虚拟电厂将风、光、储、用四者进行有机结合，联合调度，避免了单一能源形式的不稳定性，对电网稳定运行具备重要意义。其次，该园区虚拟电厂通过储、发、用协调配合，积极参与需求侧响应，还可促进间歇性清洁能源消纳，降低碳排放，同时增加分布式可再生能源装机容量，减少二氧化碳的排放量。最后，该园区虚拟电网与用户相结合，降低用户用电成本的同时，还可以为用户创收，利于贫困户脱贫等社会效益。