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關注丨我國虛擬電廠的建設發展與展望

2020-09-18 14:57:04 來源:中國電力企業管理

我國可供參與虛擬電廠運營的可控資源體量龐大,其中,可調負荷資源5000萬千瓦以上,用戶側儲能規模約100萬千瓦,電動汽車接近600萬輛(每輛按5千瓦計算,相當于3000萬千瓦儲能),分布式電源裝機規模超6000萬千瓦,這其中還未納入現存于各地區小型水電站的裝機容量,且這些資源規模都還處于快速上升期。

(來源:微信公眾號“中國電力企業管理”ID:zgdlqygl 作者:喬奕煒 王冬容)

電力系統中,供需平衡是一項剛性約束,為了保障這種平衡,確保系統的安全可靠運行,我國針對需求側開展了大量的工作。早期由于供給側發電設備及電網的構建相對于電力需求的增長總是存在相應的時滯,導致長期電力供應緊缺,為了解決供需矛盾,我國采用“三電辦”的管理模式,其主要是站在電力生產者的角度,通過行政命令手段開展用電管理工作,以減少用戶對電力、電量的需求,該時期內用戶參與調控被當做一項義務。隨著時間的推移,我國電力供需形勢發生變化,“硬缺電”變為了因電網運行方式不科學而造成的階段性、季節性缺電,在此背景下需求側管理的概念引入我國。與“三電辦”模式不同,其主要通過有效的激勵、引導措施,調動用戶的積極性去改變用電方式,滿足用戶相同用電功能的前提下,降低電能的消耗,提升終端用能效率,其目的不僅僅是彌補電力供應緊缺,更主要是為了最經濟有效地利用能源資源,充分發揮電力在能源市場上的作用。再往后發展便進入了電力需求響應階段,從需求側管理到需求響應雖然有相關繼承性,但其存在本質性的區別,需求響應重在通過釋放市場信號驅動用戶自愿響應,而非采用強制性的行政手段,用戶從剛性的“無機體”變為了彈性的“有機體”,該時期參與需求響應的資源主體主要以可調負荷為主。

近幾年,在可再生能源和電能替代發展戰略下,電源端接入大量的可再生能源,供應側呈現復合多元化的特點,整個電網也處于向數字化、智能化的互聯互動轉型的過程之中。傳統需求側管理已從單純的能效和負荷管理拓展到了促進可再生能源消納與智能用電方面。這就需要更加穩定、靈活性的技術來支撐系統轉型。隨著我國大規模可調負荷、分布式電源、儲能等靈活性資源在配用電側興起,通過虛擬電廠(virtual power plant,VPP)對其實現聚合管理,使他們具備參與電網調控的能力,更多以微網、局域能源互聯網的形式來做需求側資源。在我國能源低碳轉型的道路上,其也將作為支撐電力系統穩定運行的一個重要抓手。

發展虛擬電廠是大勢所趨

VPP的的基本概念

VPP的概念已提出20余年,本世紀初在德國、英國、法國、荷蘭等歐洲國家興起,并已有多個成熟的示范項目,其主要關注分布式能源的可靠并網,同時構筑電力市場中穩定的商業模式。同期北美地區推進相同內涵的“電力需求響應”,可調負荷占據主要地位。

目前我國VPP發展處于起步階段,同時采用以上兩個概念,一般認為虛擬電廠的范疇含括需求響應,兩者本質相同,是同時存在的兩個概念,區別主要在于包含主體的變化,前者是對后者的補充與拓展,后者是前者的子集。VPP不僅聚合了可調負荷,還重點關注近幾年正大規模發展的分布式電源(distributed generator,DG)及儲能。

結合已有研究和目前實踐情況,虛擬電廠可以理解為是將不同空間的可調負荷、儲能、微電網、電動汽車、分布式電源等一種或多種可控資源聚合起來,實現自主協調優化控制,參與電力系統運行和電力市場交易的智慧能源系統。它既可作為“正電廠”向系統供電調峰,又可作為“負電廠”加大負荷消納配合系統填谷;既可快速響應指令配合保障系統穩定并獲得經濟補償,也可等同于電廠參與容量、電量、輔助服務等各類電力市場獲得經濟收益。

需要注意的是,虛擬電廠并沒有改變現有資源與電網的連接方式,而是相當于一個智能的“電力管家”,通過通信技術與智能計量技術,進行有效聚合、優化控制和管理,形成更加穩定、可控的“大電廠”,實現發電和用電自我調節,為電網提供源網荷儲售一體化服務。這些可控資源不受電網運行調度中心的直接調度,而是通過資源聚合商參與到電網的運行和調度中。

VPP類比傳統電廠

虛擬電廠作為一類特殊的電廠參與電力系統的運行,具備傳統電廠的功能,能夠實現精準的自動響應,機組特性曲線也可模擬常規發電機組,但與傳統電廠仍存在較大區別,歸結為幾點:一是形式不同。傳統電廠指具有傳統物理生產流程的集中式大型電廠。虛擬電廠不具有實體存在的電廠形式,相當于一個電力“智能管家”,由多種分布式能源聚合而成,等同于獨立的“電廠”在運營。二是電能量流動方向不同。傳統電廠能量流動是單向的,即電廠-輸電網-配電網-用戶。而虛擬電廠能量流動是雙向的,也就是說VPP市場主體可以與電力市場實現實時互動。三是負荷特征不同。傳統電廠的負荷通常是靜態可預測的,而虛擬電廠的需求端是動態可調整的,要求負荷端去適應電網,在高峰時段可緩解尖峰負荷。四是生產與消費的關系不同。傳統電廠的電力生產須遵循負荷端的波動變化,并通過調度集中統一調控。虛擬電廠參與主體的負荷端負荷可去適應電力生產,采用的是需求側管理模式。

VPP的應用現狀

目前虛擬電廠理論和實踐在發達國家已成熟,各國各有側重,其中美國以可調負荷為主,規模已超3千萬千瓦,占尖峰負荷的4%以上;以德國為代表的歐洲國家則以分布式電源為主,德國一家公司整合了9516個發用電單元,總容量817萬千瓦,提供了全德二次調頻服務的10%市場份額;日本以用戶側儲能和分布式電源為主,計劃到2030年超過2500萬千瓦;澳大利亞以用戶側儲能為主,特斯拉公司在南澳建成了號稱世界上最大的以電池組為支撐的虛擬電廠。

“十三五”期間,我國江蘇、上海、河北、廣東等地開展了電力需求響應和虛擬電廠的試點。如江蘇省于2015年率先出臺了《江蘇省電力需求響應實施細則》,2016年開展了全球單次規模最大的需求響應,削減負荷352萬千瓦,2019年再次刷新紀錄達到402萬千瓦,削峰能力基本達到最高負荷的3%~5%。國家電網冀北公司高標準建設需求響應支撐平臺,優化創新虛擬電廠運營模式,高質量服務綠色冬奧,并參與了多個虛擬電廠國際標準制定。

VPP的社會經濟效益

近年來,我國電力峰谷差矛盾日益突出,各地年最高負荷95%以上峰值負荷累計不足50小時。據國家電網測算,若通過建設煤電機組滿足其經營區5%的峰值負荷需求,電廠及配套電網投資約4000億元;若建設虛擬電廠,建設、運維和激勵的資金規模僅為400億~570億元。可見,相對于供應側的電源建設成本,需求側資源要廉價得多。需求側資源開發得越充分,未來整體資源優化配置的效果就越好,既可降低電力成本,還能提升供電可靠性。

我國可供參與虛擬電廠運營的可控資源體量龐大,其中,可調負荷資源5000萬千瓦以上,用戶側儲能規模約100萬千瓦,電動汽車接近600萬輛(每輛按5千瓦計算,相當于3000萬千瓦儲能),分布式電源裝機規模超6000萬千瓦,這其中還未納入現存于各地區小型水電站的裝機容量,且這些資源規模都還處于快速上升期。若將這些分散資源進行有效聚合,相當于建設約140臺百萬千瓦級煤電機組,可有效滿足電力負荷增長和削峰填谷需求。

VPP的三類資源主體

虛擬電廠的發展是以三類可控資源的發展為前提的,分別是可調負荷、分布式電源、儲能。這是三類基礎資源,在現實中往往會糅合在一起,特別是可調負荷中間越來越多地包含自用型分布式能源和儲能,或者經過組合發展出微網、局域能源互聯網等形態,同樣可以作為虛擬電廠下的一個控制單元。

虛擬電廠按照主體資源的不同,可以分為需求側資源型、供給側資源型和混合資源型虛擬電廠三種。需求側資源型虛擬電廠以可調負荷以及用戶側儲能、自用型分布式電源等資源為主。供給側資源型虛擬電廠以公用型分布式發電、電網側和發電側儲能等資源為主。混合資源型虛擬電廠則由前兩者共同組成,通過能量管理系統的優化控制,實現能源利用的最大化和供用電整體效益的最大化。

可調負荷

可調負荷資源的重點領域主要包括工業、建筑和交通等。其中工業分連續性工業和非連續性工業;建筑包括公共、商業和居民等,建筑領域中空調負荷最為重要;交通有岸電、公共交通和私家電動車等。可調負荷資源潛力受調節意愿和調節能力約束,調節意愿主要受激勵和價格機制決定,同時也受調節能力影響,調節能力則主要隨技術進步而不斷提升。對工業負荷而言,其主要的可調節潛力來自于非生產性負荷和輔助生產負荷,根據工業行業的不同,其負荷可調潛力均有較大差異。對商業和公共建筑負荷而言,其可調負荷主要是樓宇的空調、照明、動力負荷,占整個樓宇負荷的25%左右。對居民負荷而言,其可調負荷主要包括分散式空調、電熱水器、電冰箱、充電樁等,占家庭負荷的25%~50%左右,但受分布散、單點容量小影響,聚合難度較大。

可調負荷資源在質和量兩個方面都存在較大的差別。在質的方面,可以從調節意愿、調節能力、調節及聚合成本性價比幾個維度來評判。總的來說,非連續工業是意愿、能力、可聚合性“三高”的首選優質資源,其次是電動交通和建筑空調。在量的方面,調節、聚合技術的發展和成本的下降,激勵力度的增加都有助于資源量的開發。去年國家電網組織完成了建筑、工業、居民、新興負荷四大領域22類典型行業負荷特性分析。研究表明,在政策、技術、補貼到位且客戶自愿條件下,可調節負荷潛力巨大,如鋼鐵、水泥、電解鋁、樓宇、居民用電負荷中的可調節比例分別可達20%、24%、22%、30%、50%。經測算,國家電網經營區可調節負荷遠期理論潛力可達9000萬千瓦;未來三到五年,通過加強技術研發、完善補貼政策和交易機制,可力爭實現4000~5000萬千瓦,約占最大負荷的5%。

分布式電源(分布式發電)

根據GB/T 33593-2017定義,分布式電源指的是接入35千伏及以下電壓等級電網、位于用戶附近,在35千伏及以下電壓等級就地消納為主的電源。包括太陽能、天然氣、生物質能、風能、水能、氫能、地熱能、海洋能、資源綜合利用發電(含煤礦瓦斯發電)和儲能等類型。

當前我國對分布式電源的界定和統計還處在不夠嚴謹的狀態。據初步統計,截至2018年底,我國分布式電源裝機約為6000萬千瓦,其中,分布式光伏約5000萬千瓦;分布式天然氣發電約為300萬千瓦,分散式風電約為400萬千瓦。在這里,一些符合條件的小水電未被納入,小型背壓式熱電也因爭議大暫未被作為分布式發電。而實際上站在虛擬電廠的角度,對分布式發電資源的界定在于調度關系,凡是調度關系不在現有公用系統的,或者可以從公用系統脫離的發電資源,都是可以納入虛擬發電的資源。從這個意義上來說,實際上所有自備電廠都是虛擬電廠潛在的資源,事實上在國際上這也是常用做法。

分布式燃機在國際上是分布式發電的主力軍,但在我國的發展因受氣源和電網兩頭壓制而舉步維艱,與2020年達到1500萬千瓦的規劃目標差距較大。據一些文獻資料,2025年我國分布式電源技術可開發潛力約16億千瓦。其中光伏、風電、天然氣發電和生物質發電占比分別為79.9%、15.5%、3.1%和1.5%;經濟可開發潛力約2億千瓦。

目前我國分布式發電發展較好的是江蘇和廣東兩省。江蘇省截至2019年底,分布式光伏664萬千瓦,天然氣分布式能源項目已核準46個、發電裝機總容量122萬千瓦,其中區域式分布式能源項目11個、發電裝機總容量105萬千瓦,樓宇式分布式能源項目35個、發電裝機總容量17萬千瓦,但由于氣價、電價等相關因素,部分天然氣分布式能源項目存在停建、建成停運狀況。

截至2019年底,南方電網經營區域內分布式能源總裝機容量約545萬千瓦。其中,分布式光伏裝機容量395萬千瓦,分散式風電裝機容量0.7萬千瓦,天然氣分布式發電裝機容量149萬千瓦,占天然氣發電裝機容量的6.2%,主要分布在廣東珠三角地區。

儲能

儲能是電力能源行業中最具革命性的要素。儲能技術經濟特性的快速發展,突破了電能不可大規模經濟儲存的限制,也改變了行業控制優化機制。按照存儲形式的區別,儲能設備大致可分為四類:一是機械儲能,如抽水蓄能、飛輪儲能等;二是化學儲能,如鉛酸電池、鈉硫電池等;三是電磁儲能,如超級電容、超導儲能等;四是相變儲能。據中關村儲能產業技術聯盟不完全統計,截至2019年12月,全球已投運電化學儲能累計裝機為809萬千瓦,我國171萬千瓦,初步形成電源側、電網側、用戶側“三足鼎立”新格局。

目前儲能發展較好的省份包括河北、江蘇和廣東,也正好是幾個開展了虛擬電廠試點的省份。

資源聚合商是VPP的關鍵市場主體

資源聚合商在虛擬電廠中屬于中間環節也是關鍵環節,是虛擬電廠架構中最重要的參與主體,主要依靠互聯網、大數據技術,整合、優化、調度、決策來自各層面的數據信息,增強虛擬電廠的統一協調控制能力。

作為專業的“授權代理機構”,可為用戶提供的服務類型歸納如下:一是可以通過調節用戶負荷來提供削峰填谷等輔助服務,調配各種可控資源來提供發電容量,為市場提供更多、更靈活的服務和技術。根據數量值、速度要求,以投標的方式獲得提供輔助服務并取得相應補償的約定。在響應時刻通過負荷的柔性調節,或者通過風電、光伏等分布式電源的協調控制策略來共同完成目標。二是可為終端用戶提供智能用電方案,優化生產方式,達到節能增效的目的。聚合商可以代理可控負荷的購電業務,以可控負荷的用能成本最小化為目標,引導用戶優化響應行為。同時,聚合商還需對電能量市場價格波動進行預測,決策可控負荷的用電行為,達到降低電費的目標。三是引導分布式電源、儲能等分布式能源以最佳的方式參與電力市場交易。包括簽訂交易合約、確定競價方式等問題,并要達到預期的利潤水平。

資源聚合商把可控資源集合起來,去參與電力市場,相比單獨的個體去參與市場效率更優,這就為資源聚合商帶來了業務空間。對于盈利模式,可以大概理解為其類似于一個交易中間平臺,一方面其可以向可控資源收取一定的服務費來幫助其參與電力市場交易;另一方面也可以獲得一定的需求響應補償費用差價。另外值得重視的一點是,資源聚合商通過這種方式還可以更快速地獲得用戶資源,事實上,優秀的資源聚合商在市場化環境下,不斷挖掘有效資源,尋找與用戶的黏性,這才是能源服務市場的核心競爭力。很多大型電力用戶都可能是資源聚合商的目標客戶。單純地參與電力市場或許利潤不會太高,但卻能因此更深入地挖掘用戶,進而開發出更多的能源服務項目。

虛擬電廠的三個發展階段

虛擬電廠的三類基礎資源都在快速發展,所以虛擬電廠自身的發展空間也在快速拓寬。但并不是有了資源虛擬電廠就自然發展出來了,而是要有必要的體制機制條件為前提。依據外圍條件的不同,我們把虛擬電廠的發展分為三個階段。

第一個階段我們稱之為邀約型階段。這是在沒有電力市場的情況下,由政府部門或調度機構牽頭組織,各個聚合商參與,共同完成邀約、響應和激勵流程。第二個階段是市場型階段。這是在電能量現貨市場、輔助服務市場和容量市場建成后,虛擬電廠聚合商以類似于實體電廠的模式,分別參與這些市場獲得收益。在第二階段,也會同時存在邀約型模式,其邀約發出的主體是系統運行機構。第三個階段是未來的虛擬電廠,我們稱之為跨空間自主調度型虛擬電廠。隨著虛擬電廠聚合的資源種類越來越多,數量越來越大,空間越來越廣,實際上這時候應該要稱之為“虛擬電力系統”了,其中既包含可調負荷、儲能和分布式電源等基礎資源,也包含由這些基礎資源整合而成的微網、局域能源互聯網。

我國虛擬電廠發展展望

從整個行業的發展來看,原來固有的大機組、超高壓的供應側的資源發展已經到了頂峰,取而代之的將是大規模的需求側資源,這部分資源潛力巨大,是實實在在的,未來在電力系統中,需求側資源大概率將成為主角。同時,它們不會以零散的形式存在,聚合商的作用也因此會越來越強,它可將供給側和需求側分散式的資源全部聚合起來,最終成為整個行業和生態的主角。

從電力系統的控制和優化方式來看,當需求側資源不斷引入之后,接下來我們在能源互聯網概念中提出的,以使用者為中心,將會越來越充分地實現,從而我國傳統的自上而下的五級調度體系很可能將不復存在了。所有的聚合商、配電系統運營商,都成為同種性質的運營單位,他們聚合大量的需求側資源,相當于是一個共享服務平臺,從而代理這些資源在配電網側實現平衡后再與大電網發生關系。所以,聚合商最終將成為一種跨空間的、廣域的源網荷儲的集成商,系統控制和優化的方式可變為自下而上的一種組織形態。

本文刊載于《中國電力企業管理》2020年08期,作者供職于國家電投中電國際政研室

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