“双碳”目标下虚拟电厂关键技术及其建设

“双碳”目标下虚拟电厂关键技术及其

建设

摘要：随着新型电力系统建设不断推进，以及“碳达峰”和“碳中和”战略目标的提出，大规模接入了以风电、光电为代表的可再生能源，为电力系统的安全高效运行带来诸多挑战。在实现“双碳”目标期间，风、光力发电等分布式可再生能源并入电网的比例逐渐增高，但是，由于其波动性、间歇性的特点，给电网系统安全、平稳地运行带来了较大影响。而虚拟电厂的提出可综合平衡电力供给侧和需求侧，有效解决上述问题。基于此，本文首先对虚拟电厂的相关概念进行了介绍，其次探究了“双碳”目标下虚拟电厂的关键技术及其建设，以期能为相关工作带来参考。

关键词：“双碳”目标；虚拟电厂；关键技术；建设

引言

随着“碳达峰、碳中和”目标的提出，在中国电网中分布式清洁能源已经成为不可缺少的重要组成部分，同时，在高比例分布式可再生能源的接入下，也要求电网要具有更高的运行水平和调控能力。虚拟电厂作为一种新型电力系统管理模式，可以在可再生能源装机容量不断提升的背景下，掌握各分布式能源的聚类特性和灵活性特征，实现对各类分布式新能源的有效聚合和灵活调控，减小其出力间歇性、随机性和波动性对电网的冲击。但是，从目前已经开展的虚拟电厂技术研究和实践来看，虚拟电厂关键技术研究的广度和深度还不足，其主要问题如下：虚拟电厂的智能计量，虚拟电厂关键技术研究不足，信息通信和协调控制技术水平较低，其运行的实时性和自动化无法得到保障；没有形成虚拟电厂的生态圈，虚拟电厂的基础设备欠缺，通信、支撑计量以及控制的设备生产水平较为落后，虚拟电厂绿色低碳化运行方式有待开发，特别是在碳达峰、碳中和目标背景下，高比例新能源电网为虚拟电厂低碳运行带来了诸多问题，而且都没有得到有效解决。

1、虚拟电厂的基本概念

1.1虚拟电厂的定义

现阶段，对虚拟电厂的定义，行业内并没有统一。通过欧洲和美国等国对虚

拟电厂的实践应用，其应用模式和方向大致可分为两种，分别是以美国为代表的

优化需求响应计划，兼顾可再生能源综合高效利用为原则的模式，以及以欧洲等

国为代表的、针对实现分布式能源安全平稳并网和电力市场灵活运营的目标为原

则的模式[1]。与以上两种应用模式相结合，可以得知虚拟电厂是虚拟化的，不具

备实际发电厂的物理属性，但是，具有实际发电厂功能的一种管理模式或一套管

理系统。通过对互联网等技术的应用，整合分散的风力、光力发电等分布式发电

装置、储能设备和各种可调可控的终端负荷，并通过系统的协调控制，集合为可

控电源，参与电力系统的运行。与此同时，可以参与电力市场的交易，优化利用

资源，以此维护区域内安全，确保平稳用电。通过预测终端负荷用电情况，有计

划地向电网系统下载或上传电量，不仅可以发挥削峰填谷的效果，还可以获得经

济效益。

1.2虚拟电厂的结构组成

虚拟电厂平台的主要模块分为云计算中心、远程控制中心、交易服务中心、

以及资源管理中心等。而虚拟电厂就是基于云技术的分散式电厂，其是通过设计

软件构架，利用远程控制、互联网通信等技术实现储能系统、电动汽车、分布式

能源、可控负荷等各类分布式设备的有限聚合，实现资源的交换共享及合理配置，对外表现出与电厂类似特性，实现稳定供能。虚拟电厂智慧运营系统基于上述基

础结构，涵盖交易服务管理、资源利用管理、设备设施管理以及运营运行管理等

主要功能。

2、“双碳”目标下虚拟电厂关键技术

2.1协调控制技术

根据电源组成方式与运行模式的差异，虚拟电厂的控制模式可以分为集中－

分散式控制、集中式控制以及完全分散控制三种。首先，集中－分散式控制模式

能够对集中式控制模式下，数据拥堵和计算困难的问题进行进一步的缓解，通过

在本地控制中心中，下放一部分虚拟电厂控制中心的功能，以此实现分层控制，虚拟电厂控制中心负责虚拟电厂整体任务的制定和分解，而本地控制中心则着

重于制定每个单元的调度指令。其次，集中式控制模式就是指虚拟电厂内部的控

制中心掌握所有分布式资源的数据信息，调度控制所有资源。集中式控制模式下，虚拟电厂的调控能力相对较强，且控制手段灵活，但同时也会因为通信流量集中、计算较复杂，而导致虚拟电厂就能具有较好的兼容性与扩展性。最后，完全分散

控制模式是指虚拟电厂被划分为多个子系统，不再拥有单独的控制中心，子系统

可以根据内部运行情况，自行调度分配本系统内分布式资源，同时各子系统之间

的相互通信，需要通过信息通信技术进行，以此来让各子系统之间协作运行。这

种控制模式能够让虚拟电厂具有更好的可扩展性，但是，对虚拟电厂通信和控制

的要求会更高，而且其子系统需要具备协调管理、故障响应与诊断能力。虚拟电

厂的协调控制技术主要分为两个方面，分别是调度和控制。现如今，已有较多文

献对虚拟电厂的协调调度与联合运行进行了研究，所涉及成本最小、运行风险

最小、收益最大、负荷需求最小、新能源消纳能力最强、出力波动最小等优化目

标有。

2.2信息通信技术

通信关键技术主要包括边缘计算、云计算、D2D（设备到设备）通信和时延

控制技术等，能够满足虚拟电厂通信的高性能要求。在虚拟电厂中，先进成熟

的信息通信技术是必不可少的重要元素之一。其能够快速汇聚各分布式资源运

行状态的实时监控和运行数据。信息通信技术需要在虚拟电厂控制中心与各个

单元之间建立双向通信通道，以此实时传输计量、监测和控制数据。虚拟电厂通

信系统具有分层结构，包括接入层、平台层、骨干层、终端层。接入层：其主要

由通信设备组成，包括接入终端、路由器和网关等，主要承担虚拟电厂通信的衔

接作用。平台层：是虚拟电厂的控制中心，由智能算法实现虚拟电厂内部各种

分布式资源的协同运行，对内给分布式资源下达调度指令，对外制定参与电力市

场的交易策略。骨干层：其是虚拟电厂通信系统的骨干网络，主要负责虚拟电厂

多个平台、系统的信息交互，骨干层不仅能够依赖于4G或5G公用通信网络，还

能够通过光纤专网和无线专网实现。对于骨干层而言，接入层主要负责业务数据