国网浙江电科院 东南大学｜虚拟电厂参与电力市场与调度控制技术研究综述
虚拟发电厂参与电力市场及调度控制技术研究综述
李鹏1蒋正伟2邓一凡3周锦辉1蒋伟3
（1.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州；
2.国网浙江省电力有限公司绍兴供电公司，浙江省绍兴市;
3.东南大学电气工程学院，南京)
DOI: 10.19585/j.zjdl。
摘要虚拟电厂通过可调资源聚合技术、协调控制技术、电力市场交易技术将电网中分散的可调资源聚合起来，实现虚拟电厂与电网的友好互动运行。首先在虚拟电厂聚合建模技术方面，总结了可调资源响应能力评估技术、参与不同类型市场品种的差异化资源聚合方法。然后，面向需求侧响应和电力现货市场，分析了不同类型虚拟电厂的资源组织方法和市场参与方式。最后，分析了面向新型电力系统的虚拟电厂的关键问题，并对风险管理、外部环境与市场推动、多方参与等安全性问题进行了展望。
关键词：虚拟发电厂；电力市场；资源聚合；资源池管理技术；市场驱动
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2020年浙江省清洁能源消费量达到1898亿千瓦时，占全社会用电量的39.2%。为进一步提高新能源发电比重，构建以新能源为主体的新型电力体系，需要在新能源资源丰富的地区开展跨区域受端研究，研究挖掘配电网分布式资源的“发电潜能”，推动全省新能源建设运行相关研究工作。虚拟电厂可实现配电网侧新能源的聚集管理、就地消纳和灵活运行，对我国构建以新能源为主体的新型电力体系具有积极的意义和作用[1]。
虚拟电厂的核心是“聚合”和“沟通”。一是将屋顶光伏、小型燃气轮机、用户自建储能、灵活负荷、充电汽车等分布式资源聚合到配电网侧[2]。二是为用户和电网调度中心提供连接平台，通过聚合技术服务电网运行，并从电网和用户处获取相应收益。分布式资源可以按照自己的意愿加入到各个“虚拟电厂平台”中，形成一个符合系统要求、可靠接入电网的整体。虚拟电厂形成的驱动力主要有以下几个方面[3]：
1）环境驱动：新能源将逐步替代化石能源，但其产出往往伴随着巨大的不确定性，供需矛盾较大，消纳问题更为突出。虚拟电厂在多种资源整合和管理中发挥着举足轻重的作用。
2）技术驱动：随着分布式发电、电动汽车、柔性负荷的发展，以及人工智能、物联网、云计算、分布式计算等技术的不断创新，虚拟电厂能够实时感知运行状态，实现数据共享和实时控制[4]，通过提高各发电机组的信息化水平，有效提高资源利用率。
3）经济驱动：经济驱动包括两个方面，一方面随着生产制造技术的不断提升，虚拟电厂内部资源成本将逐渐低于煤炭等传统能源；另一方面，通过资源聚合提高市场竞争力，虚拟电厂可以灵活参与电力市场，实现自身利益最大化。
4）市场驱动：随着发电、网荷储一体化[5]、绿电交易[6]的发展，市场开始探索新能源建设，赋予新能源既有“电能”价值，又有“环保”价值。
上述驱动力使得新能源价值逐渐超过煤炭资源价值，有利于新能源建设规模的扩大。但海量的分布式资源给电网调度运行带来了巨大的困难和挑战。在资源侧，如果单个用户参与市场运营的成本过高，响应意愿往往不强[7]。在用户和电网的双重需求下，虚拟电厂可以帮助解决新能源占比较高的配电网和园区级配电网的运行管理。
虚拟电厂具有资源多样、主体不同、响应不确定性大等特点，随着市场定位的不同发挥着不同的功能，而对其调度技术和管理架构的综述，尤其是多电力市场驱动下的虚拟电厂聚合研究的报道较少。因此本文从虚拟电厂参与市场的角度，重点对虚拟电厂资源聚合技术，以及面向多电力市场的虚拟电厂组织管理技术进行总结分析，并对虚拟电厂未来的发展方向做出一定的展望。
1.虚拟电厂结构与发展
1.1 虚拟电厂参与调度的典型架构
虚拟电厂与信息平台、大电网、电力市场的关系如图1所示。通过能量流和信息流，有效实现能源互联网中虚拟电厂的高效运行。虚拟电厂代理端通过信息技术[8]聚合不同区域的分布式电源、可控负荷、储能系统、电动汽车等各类柔性资源，通过更高层次的软件架构实现多种分布式能源的协调优化运行。
图1 虚拟电厂典型结构
虚拟电厂调度控制中心由CVPP(商业性虚拟电厂)和技术性虚拟电厂(TVPP)[9]两部分组成。CVPP主要从商业效益的角度采集各类资源的经济参数和发电量，整合评估竞争对手或市场的情报，并进一步参与各类电力市场竞价模型[2]，得到参与市场的竞价策略和成本曲线。在获得市场授权后，CVPP按照市场协议对内部资源进行协调和控制。TVPP的主要任务是监控内部各类资源的技术参数，并向调度中心提供频率调节、电压控制、拥塞管理等本地服务。在获得技术确认后，TVPP将控制分布式电源执行发电计划。TVPP与CVPP之间的信息交互和操作流程如图2所示。
图2 TVPP与CVPP信息交互及操作流程
1.2典型虚拟电厂项目建设现状
目前，国内外已开展了一系列虚拟电厂参与电力市场和电网运营的研究项目，表1列举了相关项目的应用场景及效益。这些项目主要开展分布式资源可靠并网、用户侧需求响应、商业模式应用等。2019年，我国开展了冀北虚拟电厂示范项目建设，聚合11类可调资源，总容量约160MW，实现“源、网、荷、储、售、服”清洁发展。
表1 国内外示范项目建设情况
1.3 虚拟电厂技术演进
如表2所示，从内部资源类型变化的角度，可以概括虚拟电厂的技术演进。
表2 虚拟电厂技术演进特点
1）虚拟电厂1.0：最早的虚拟电厂主要是负荷侧虚拟电厂，主要对闲置的用户电器进行聚合管理。负荷侧虚拟电厂可以通过智能楼宇群控、工业负荷电源管理等手段实现，主要实现调峰、深度调峰、填谷等服务。
2）虚拟电厂2.0：随着虚拟电厂内部资源的逐步丰富，虚拟电厂进入第二代，最典型的是吉北虚拟电厂，实现了电供热、智能家居、储能、电动汽车充电站、分布式光伏等资源的智能调控。与虚拟电厂1.0相比，由于资源的互补性和多样性，虚拟电厂2.0在参与规模、资源类型、供电范围、供电可靠性等方面都有了明显提升，已初步参与电力市场的调峰辅助服务市场，其商业价值得到一定程度的彰显[13]。
3）虚拟电厂3.0：随着市场机制的建立和完善，大量可调资源和综合能源进入虚拟电厂运营管理。同时，在市场的激励下，虚拟电厂的服务目标更加多样化，既有调频、调峰、电能量虚拟电厂，也有中长期虚拟电厂、实时虚拟电厂、支持系统电压和惯性的虚拟电厂。与上一代相比，资源方面临参与何种虚拟电厂的问题，资源池更加动态化。在现有的市场机制下，虚拟电厂代理层也面临如何申请才能获得最大收益的问题。当各类竞争被引入虚拟电厂和电力市场时，虚拟电厂充分展现其灵活性、可靠性以及促进能源消纳和提供多种服务的特点。
2 不同特征资源聚集建模技术
虚拟电厂总量建模技术是基于内部资源可调容量来评估虚拟电厂可调容量，可调容量评估技术可分为确定性资源评估模型与不确定资源评估模型。
2.1虚拟电厂内部资源可调能力评估
资源侧评估模型一般基于机组参数、运行特性、调节方式等因素建立，例如光伏组件主要考虑串联电池片数、开路电压、短路电流、电池温度、光照强度等[14]；对于水电，从机组原动机角度建立与水位差、水流量相关的分析模型[15]。此外，随着人工智能算法的发展，新能源出力评估还可以通过日前与实时预测相结合的方式实现对可调容量的精准预测[16]。
在负荷侧，单个负荷提供的调节能力较小，个体间可调能力差异较大，环境因素也各异，因此需要评估大规模负荷群参与响应的能力。同时，负荷群还需要保证用户的舒适度，减少控制对用户用电舒适度的影响[17]。目前，负荷的随机性建模较为困难，人工智能技术逐渐被应用到负荷随机性的建模中。参考文献[18]利用强化学习方法学习用户行为，提出了一种新的温控负荷聚合方法，考虑到用户行为的不确定性。
现有研究中，物理分析模型受环境、地理因素影响较大，评估偏差较大且难以校正，而人工智能方法也存在可解释性较差等问题。因此，未来研究可以采用分析模型与数据驱动模型相互补充，对资源的可调能力和不确定性进行评估。
2.2 不同特征资源聚集评价关键技术
评价资源聚合响应度不能简单地将所有可调资源的响应度相加，而需要考虑网络约束、设备运行约束和经济特性下的聚合响应度。不同的聚合方式和资源容量配比将导致不同的爬坡率、功率范围和成本函数。应选择合适的容量配比，以更好地发挥虚拟电厂在多源优化聚合中的经济性和灵活性。
虚拟电厂聚合的目的是申报聚合后的调节容量。面对内部资源和电网的双重不确定性，聚合建模可以通过稳健优化方法计算虚拟电厂日前聚合模型，避免接受电网对波动性的惩罚。也可以通过随机优化允许部分超额，通过博弈论等方法求解允许超额的上下界，提高资源利用率和虚拟电厂的利润。稳健优化与随机优化的区别在于是否事先已知概率模型。稳健优化只明确取值范围，通过最坏情况法求解模型，较为保守；而随机优化在一定置信度下允许部分超额，减少了部分保守性，但在实际求解中往往难以建立合理的概率模型或预测多种可能情景。
2.3 综合评估在虚拟电厂技术中的应用
虚拟电厂一般向调度中心上报响应时间、响应速度、时长、调节幅度、调节方向、时序匹配等确定性评价结果[19-20]。针对资源可扩展性问题，文献[21]通过统一建模，对不同特性的资源进行分类，实现异构资源特性的标准化。由于资源出力、爬坡率、功率基线等限制，实际应用中虚拟电厂的聚合能力需要通过最优化方法获得。另外，虚拟电厂的聚合评估往往需要考虑电网等限制，集群功能模块已在多个园区级虚拟电厂现场投入运行[22]。
不确定性是虚拟电厂面临的巨大挑战。由于稳健优化的保守性与随机优化的激进性之间存在冲突，过于激进或保守的应用策略都会导致虚拟电厂的利润降低。因此，结合两者优缺点的分布式稳健优化模型在虚拟电厂中得到广泛应用[23]。该方案融合了数据驱动、锥规划等模型，计算效率将给虚拟电厂的总体评估带来一定的挑战。目前，虚拟电厂不确定性带来的实时平衡问题尚未凸显，相关技术的仿真验证和实际调试还有待进一步研究。
3 虚拟电厂组织及资源池管理技术
虚拟电厂并不是任意、随机组建的，不同牵头单位、不同组建目标下组建的虚拟电厂具有不同的特点。
3.1 虚拟发电厂参与多个电力市场
最早的调峰需求响应技术基于“邀请-响应-激励”模式，提前与电网签约，由卖方市场统一挂牌。文献[24]通过需求侧负荷转移实现削峰填谷，构建了分布式优化调度模型，提出了多区域协同优化的迭代计算框架。
在不同牵头单位和市场推动下，虚拟电厂组织方式由邀请制虚拟电厂逐步向市场化虚拟电厂转变。2019年底，济北虚拟电厂通过参与调峰市场实现盈利。2020年底，山东在虚拟电厂参与的现货电能市场、备用容量市场和辅助服务市场相继启动交易，标志着我国虚拟电厂建设由单一市场逐步走向参与联合电力市场、多个电力市场。
市场型虚拟电厂在电力市场建设完成后参与市场交易。电力市场的建设直接决定了虚拟电厂的申报和竞价策略，其参与市场交易的流程如图3所示。文献[22]提出了市场信息未知和市场信息已知的虚拟电厂的竞价策略。当市场信息未知时，发电容量只能通过预测的方法分多轮上市或报价。文献[25]提出虚拟电厂在市场竞争过程中的竞价策略取决于发电成本，考虑到可再生能源发电系统的波动性，采用多时段滚动调度策略降低不确定性影响。文献[26]提出参与多个电力市场，兼顾经济性和安全性，为虚拟电厂带来可观的经济效益。文献[27]不仅研究了可再生能源的波动性，还研究了参与联合电力市场时实时市场电价预测的不确定性模型。 在最终生成竞价策略时，也采用多轮竞价方式以获得更好的收益；文献[28]将上级虚拟电厂视为价格制定者，在市场出清后改变各虚拟电厂的策略投标系数，以获得更高的收益。
图3 虚拟电厂参与电力市场流程
当部分信息已知时，通过更加精细化的报价和报价方式，可以获得最优利润。参考文献[22]提出了在调节电量已知的情况下，最大化响应率然后分级上报的策略，充分利用了虚拟电厂所聚合的各类资源的发电能力。当价格信号已知时，虚拟电厂可以先计算出最大调节容量，然后再计算出单位调节量的价格上报，从而充分发挥各类资源的调节能力。
3.2虚拟电厂资源池管理技术
未来虚拟电厂的资源管理将是动态的，内部资源拥有自主选择权，平台也有自主决策权。内部资源可以根据电价决定是否参与虚拟市场、参与何种虚拟电厂。例如，在电价或收益激励的手段下，可以建立云租赁储能[29]、共享储能[30]、混合储能[31]等模式。它们可以通过出租自己的峰谷套利来参与辅助服务市场，参与虚拟电厂的波动平滑，参与虚拟电厂提供的调频服务。
同时虚拟电厂拥有自主决策权，自主决策权的意义在于形成不同比例的虚拟电厂，不同容量比例的虚拟电厂会影响虚拟电厂的收益[8]。在虚拟电厂平台与内部资源交互时，文献[27]将具有调节能力的先进节点视为上层领导者模型，上层模型以参与市场的收益最大化为目标，其余资源作为下层跟随者模型出租自有电力，形成两层博弈模型。文献[32]构建了合作伙伴选择机制，提出了一种基于合作网络的虚拟电厂资源选择方法。
4 新型电力系统中虚拟电厂的关键问题
我国将建立以新能源为主体的新型电力体系。随着信息化和物理平台建设能力的大幅提升，虚拟电厂具备多元化资源的聚合管理技术，具有良好的灵活性、可靠性和适用性，为电网提供多元化高效、可靠、清洁的电力服务。目前虚拟电厂技术已日趋成熟和广泛应用，相关技术的可行性已在众多工程实践中得到验证。但作为电力市场与分布式资源之间的平台，风险管理、外部环境与市场推进、涉及多方的安全问题等尚需进一步深入研究。
4.1虚拟电厂规划与运行风险管理
虚拟电厂对当前电力市场有较好的适应性，但以商业盈利为目的的虚拟电厂需要关注建设发展的风险。具体到何时何地建设何种类型的虚拟电厂，其规划应是一个考虑聚合资源、网络拓扑、多主体、多时间尺度、多系统、多区域特点的规划投资模型[33]。
在运行方面，应具备良好的数据采集与通信、大数据分析和复杂优化计算能力，通过储能设备、用户调节、多能互补等手段制定合适的风险管理方案。运行风险管理需继续对以下问题开展相关研究：
1）异构资源概率预测与优化方法的有机集成，提高了决策方法在实际应用中的适应性，同时兼顾计算速度等。
2）目前各类优化方法都注重源极和负荷的不确定性，同时需要考虑竞争对手和电力市场预测的不确定性，这对虚拟电厂的竞价策略具有重要价值。
3）未来园区级虚拟电厂可能将综合能源纳入市场，需研究含有综合能源的虚拟电厂的不确定性解。
4.2 电力市场推动虚拟电厂建设和管理
电力市场的建设与发展对虚拟电厂的组织形式有着积极的作用和意义。市场机制的完善，一方面有利于提高参与市场的虚拟电厂的利润，减少投资压力；另一方面有利于维护市场参与者的公平性，两方面共同提高了参与者的参与意愿。虚拟电厂内的资源具有极大的灵活性，除了可以参与传统虚拟电厂参与的中长期、现货电力市场获取利润外，市场还可以根据地区情况开辟临时交易以应对极端气候，并通过激励虚拟电厂提高配电网的灵活性。同时，碳电联合市场也将提高新能源和资源的内在价值，同时促进虚拟电厂的发展。
市场机制还需要充分保障虚拟电厂、电网、发电资源各方利益的分配，确保利益分配的公平性。另一方面，还应考虑虚拟电厂的竞争博弈策略，避免价值浪费。同时，市场还应基于电价、惩罚机制等发挥引导作用，避免虚拟电厂出现虚报、寡头垄断等不诚信行为。
4.3 多主体资源参与的安全性
未来虚拟电厂与内部资源将归属于不同的主体，市场化建设后，第三方将在利益驱动下聚合资源、参与电网调度运行。众多第三方投资虚拟电厂，整合海量资源，具有提供多种服务、共担风险、增加用户参与度等优势。但独立的第三方虚拟电厂也会给电网整体运行带来诸多安全挑战。
1）虚拟电厂安全验证技术
电网型虚拟电厂也可看作分布式能源管理聚合平台，由于内部资源归属于电网部门，能够掌握容量、类型、位置、可控性、未来出力预测等基本信息和其他运行容量信息，相对容易申报、下达指令，实现安全运行。但独立的第三方虚拟电厂如何进行内部验证有待进一步探讨。由于第三方虚拟电厂对拓扑结构具有不可知性，主电网验证后反馈的出清方案为虚拟电厂总量，且虚拟电厂为多口馈电，当安全验证失败时，第三方虚拟电厂如何调整内部资源出力值得进一步研究。
2）通信与信息安全技术
虚拟电厂的控制功能依赖通信技术进行传输，大部分数据涉及状态采集和控制模块，对实时性、可靠性和安全性有严格的要求。5G技术的低时延、高可靠性有助于实现可靠的实时精准控制。由于海量可调资源的聚合，海量终端也对虚拟电厂提出了大容量的信息传输要求。此外，由于虚拟电厂的主体不同，用户隐私需要加密保护。区块链不仅可以实现信息安全，还可以构建可信的能源互联智能合约体系，安全可靠地实现控制和交易技术的公开透明，从而提高用户的响应能力和参与度[34]。
5 结论
本文讨论了参与运营，调度和电力市场运营的虚拟发电厂的技术，并在未来的动机中分析了动态聚合建模技术，组织方法和资源池管理技术，在各种市场的激励措施下，虚拟发电厂将基于依赖和范围的范围，依赖于范围的范围，依赖于范围的资源，依靠范围，并将电力交易中心和其他平台，并以相对分散的地理位置在某个领域的地理位置进行了协调的控制，并结合我国家的新电力系统的发展，该论文阐明了建立虚拟发电厂的重要性和作用，并根据一定的动力来促进促进和市场的促进，并在某些方面促进了动力的发展。
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VPP的权力和
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周WEI3
（1.State Grid Power Co.，Ltd.，中国； 2.国家电网，中国； 3.，，，，中国）
：通过功率网格和功率，功率（VPP）在a，for的纸张上，并在VPP上使用。
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引用这篇文章：李·彭（Li Peng），江（Deng Yifan）等人。
作者资料：Li Peng（1974），Male，教授级高级工程师，他的主要研究方向是智能分销网络，分布式电网连接以及微电网操作和控制技术。
作者资料：Deng Yifan（1995），男性，硕士学位，研究方向是新的能源计划和操作控制技术。
基金信息：州电网智格电力有限公司的科学技术项目（）
中国图书馆分类号：TM734
文章编号：1007-1881（2022）06-0008-07
文件标识代码：b