虚拟发电厂（VPP）架构全剖析：从理论到实践的智慧能源桥梁

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摘要 – 本文介绍了有关虚拟电厂（VPP）的信息。许多论文都提到了发电和能源管理的新概念。VPP概念是可再生能源（RES）装机数量不断增加的基础。智能控制分布式能源（DER）的概念值得考虑。本文回顾了VPP的一些想法，并对VPP进行了深入了解和概述。文中介绍了VPP的结构和控制方法，介绍了VPP的测试领域，最后对VPP做了一个简短的总结。

1.简介

虚拟发电厂是一个相对较新的概念，主要概念基于集中控制结构，连接、控制和可视化分布式发电机的工作。热电联产发电机、燃料电池、光伏、热泵、太阳能收集器和任何其他电力和热能来源可以在当地聚集并合作，这是利用可再生能源的一个好解决方案。目前，可再生能源在接入电网方面存在问题，这是由于电网中缺乏对可再生能源的传输能力，而且一些可再生能源的工作时间表不规律，例如风力涡轮机明显依赖风力，这给输电系统运营商带来了严重问题。可再生能源可能适合安装在家庭场所，其数千或数百万瓦的容量最终可能与现在风力发电厂等安装的容量相竞争。

虚拟发电厂为降低电网负荷提供了机会。更多的电力在本地生成，并由参与者共享，而无需在高压下长距离传输，因此一个能量损失因素要么最小化，要么消除。虚拟发电厂导致能源关系的巨大变化，参与者不再仅仅是被动用户，作为虚拟发电厂的一部分，意味着每个参与者都可以以积极的方式影响电力系统，当然，这只是在一定程度上，并不意味着参与者负责开关设备。

虚拟发电厂由分布式系统运营商（DSO）控制的计算机系统领导，这可以基于人工神经网络组织。事实上，任何家庭只要有像光伏、燃料电池、热电联产等发电机，且容量至少为1千瓦，就可以支持虚拟发电厂。在虚拟发电厂中，无论单个建筑物中安装了多少发电容量，最重要的特征是将所有来源连接在一起并以最有效的方式运行，以获得自我平衡状态。虚拟发电厂更关注本地发电，这意味着中央发电可以在更稳定的条件下运行。所有热和电力需求的峰值可以更容易地由分布式系统运营商优化。热或电的存储也应该被使用，这将有助于实现虚拟发电厂工作的适当条件。

2.主要概念

分布式能源资源（DER）包括分布式发电（DG）、能源存储甚至电动汽车。如果DER能够应对电力峰值，就可以在非峰值时利用电力容量生成额外的能源，并在能源市场上出售。DER可以由一个中央单元进行分组和管理，从而在能源市场上可见，并且适用于任何类型的发电技术。

VPP研究的主要焦点包括DER市场参与的可行性、VPP控制和协调优化以及VPP和电力系统的设计。

VPP的结构：

• CCVPP（集中控制虚拟发电厂）：所有控制逻辑都在VPP中，市场和生产规划的所有知识都与DER分开，这种设计的优点是VPP可以简单地利用DER满足市场需求。

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图1.CCVPP设计

• DCVPP（分布式控制虚拟发电厂）：引入了分层模型，通过在不同级别上定义VPP，本地VPP监督和协调有限数量的DER，并将某些决策向上委托给更高层次的VPP，这种设计有助于简化单个VPP的责任和通信。

图2.DCVPP设计

• FDCVPP（完全分布式控制虚拟发电厂）：每个DER作为独立和智能的代理参与并响应电力系统和市场的状态，这种设计有望提供动态和优化的电力系统。

图3.FDCVPP设计

VPP实施的挑战和解决方案：

• 挑战包括松散耦合、通用采用、可互换策略和安全稳健性。
• 解决方案包括引入“匹配制造者”模块、所有数据交换应根据一个标准进行（如XML）、系统应快速有效地反应以动态改变行为以适应情况、定义网络服务的安全标准和规范，在DER单元与VPP运营商失去连接的情况下，DER单元与“匹配制造者”连接以获取与另一个VPP运营商的新的、可实现的连接信息，并以动态方式建立连接。

3.VPP综述

欧洲联盟第五框架计划：该项目旨在开发、实施和测试VPP概念并展示结果，研究了将燃料电池作为VPP的分布式能源资源安装在家庭场所的可行性，项目取得了成功，但也存在一些问题需要解决，如降低成本、简化系统和提高热输出温度等。

EDISON项目：旨在将电动汽车车队与电力系统集成，通过VPP实现这一目标，解决可再生能源在电力系统中平衡的问题，该项目测试了两种VPP类型，即商业和技术VPP，并介绍了VPP的三个主要模块，包括优化、控制和数据收集模块。

FENIX项目：在欧洲，VPP被视为满足电力需求的新方法，该项目开发了技术VPP（TVPP）和商业VPP（CVPP）两个概念，并在西班牙和英国的网络中实施了VPP，展示了VPP在电压控制、网络应急、三级储备和参与日前能源市场等方面的作用。

图4.10个microCHPs聚类控制的现场试验结果

智能“热泵”：随着风电场容量的增加，平衡发电和需求的问题出现，“智能”热泵可以帮助平衡发电和需求，管理网络拥堵，在一些国家正在考虑这一概念，如德国和荷兰的相关项目。

4.VPP控制方法

欧姆电阻控制方法：

• 虚拟发电厂可被视为分布式发电机集群，连接到电信网络。
• 考虑了发电和供热的微热电联产，其总效率高。家庭典型的供热系统包括集成在中央供热系统中的热电联产和在冬季峰值时使用的附加燃烧器以及热水箱。
• 定义了热驱动和功率驱动两种运行模式，热水存储可用于改善整个系统的运行，并根据热存储状态在运行模式之间切换。
• 低压网络的欧姆电阻可用于确定功率负载最大的区域，信号可确定VPP系统中每个热电联产单元的负载，当馈入节点的电压低于特定水平时，增加热电联产单元的发电，反之亦然。

边际成本：

• VPP的关键优势之一是实时供应电力需求以平衡电力系统，储备功率由输电系统运营商和分布式系统运营商支配，VPP以最具成本效益的方式管理所有单元并最小化总平衡成本。
• VPP需要接收输入因素，如单个DER单元的边际电力成本，边际电力成本高度依赖于当地环境并随时间变化。
• 文章提出了三种投标策略：完全基于边际成本的策略（适用于仅包含分布式发电机的VPP系统）、完全基于价格历史的策略（适用于使用存储设备的情况）和混合策略（适用于具有额外热源和热存储单元的热电联产单元）。
• DER单元以投标公式或需求曲线的形式向VPP发送边际成本信息，曲线图中的负值表示DER单元能够在设定价格水平上产生额外的电力。

CHP优化：

• 描述了CHP优化的算法，其目标是使所有设备的设置最大化系统运行的收益，基于电力价格的变化和热需求预测。
• 热可由锅炉、CHP或热存储罐产生，热存储罐提供了将电力生产与热生产分离的机会，CHP可在没有用户热需求的情况下运行，以产生剩余电力并在市场上销售。
• 算法最大化剩余电力销售的收益并处理热供应，同时存在边界条件，建议使用统计方法和经验函数来拟合负载，使用MILP方法优化目标函数。
• 通过实验表明该算法具有成本节约和减少能量损失的潜力，存在优化管理的巨大潜力。

图5.热电联产系统基于预测的优化算法结构

图6.VPP的结构

降低发电成本：

• 新的电源类型如可再生能源的出现导致了新的问题，由于它们连接到低或中压网络，这些问题位于低或中压网络级别，表现为能量流方向的改变、网络过载、频率和平衡问题。
• 需要中央能源管理系统（EMS）模块，每个VPP必须直接或间接与EMS连接以交换重要数据，EMS实时控制整个交换过程。
• VPP系统应具有本地性、快速反应和连接新单元的能力，网络层次结构应根据用户数量进行调整。
• 能量流的测量需要改变，应在需求侧进行实时测量，需要安装测量设备和实施数据传输的特殊协议。
• EMS的目标函数是最小化能源发电成本、总成本和传输损失，边界是网络过载，使用德国能源系统的数据进行了测试，发现存在特定的风电场容量使VPP的总运行成本最小。

图7.优化后控制流程图

5.VPP管理的决策支持软件

决策支持软件介绍：文章介绍了虚拟电力生产商的决策支持工具ViProd，该工具用于VPP管理。作者强调，就DER生产而言，长距离能源传输是不合理的，所生产能源的所有消耗都发生在生产现场或附近，DER单元与配电网连接，由于RES的增加，未来来自这些分散式能源的能源生产将显著增加，因此需要设计一个解决方案来有效利用可再生能源，为此需要收集关于各种DER单元的广泛知识，开发一个系统来协调所有单元，实现共同目标。

ViProd工具特点：ViProd由两部分组成，负责VPP模拟及其与市场的互动，第一部分计算提前一天的能源生产，第二部分模拟发电，可以模拟风力涡轮机、小型水力发电和光伏电站的能源生产，需要真实的外部数据进行正确计算，该工具考虑了本地需求、峰值和影响生产的因素的时间变化等特征，模拟结果可以减少预测误差，应用程序负责在一个特定的VPP结构中运行所有集群单元，根据销售能源、生产成本和可用功率在多个DER单元之间合理分配功率，并创建关于每个单元备用功率的报告。

软件测试结果：使用Matlab/Simuling开发了ViProd，并进行了软件测试，以确定备用功率是否足以应对电网中的不平衡，测试表明VPP能够应对风电场突然关闭的问题，以及在VPP平衡不足时会发生电网不平衡的情况。

结论：适当设计的VPP结构可以消除能源生产预测的不确定性、不平衡罚款、市场上小型能源生产商的缺乏、二氧化碳市场的问题和高管理成本等，下一步将把ViProd连接到能源市场模拟器MASCEM。

6.总结

随着时间的推移，小型分布式能源资源（DER）单元的数量将增加。目前，世界主要由大型发电厂供电，但由于可再生能源等因素，这种情况将发生改变，中央电源将转变为分散式电源，这一趋势在丹麦已经显现，近年来小型热电联产（CHP）单元的数量显著增加。为了适应这种变化，需要一个合适的管理系统，虚拟发电厂（VPP）能够应对管理大量不同类型的DER单元。

VPP的最大优势是其模块化结构，可以连接到电力系统并包含多个DER单元。根据需求，可以添加额外的模块来优化系统、确保传输和/或报告结果，VPP具有积木式的灵活性。

正如文章中所重申的，每个VPP系统在细节上都有所不同，对于VPP概念有许多方法，每个涉及的科学家和工程师都有自己对VPP的愿景，但核心思想是相同的，即聚集并管理尽可能多的DER单元，以实现更好、更具成本效益和环境友好的结果。

图8.VPP的功能示意图