随着可再生能源成为未来全球能源发展的主要方向，虚拟电厂成为一种实现可再生能源发电大规模接入电网的区域性多能源聚合模式。首先对虚拟电厂进行概述，其次对虚拟电厂的研究现状和国内外的虚拟电厂示范项目进行综述，最后提出了虚拟电厂的关键技术问题，包括多代理系统、聚合管理方式、通信技术，并从分布式能源的互补性、动态组合、大数据技术、市场环境和合作机制等方面对虚拟电厂的未来研究进行了展望。
0引言
随着电力需求的不断增长以及全球范围内能源紧缺和环境污染等问题的日益严峻，传统能源发电的弊端日趋凸显。在全球能源互联网概念下，"一带一路"、"一极一道"等战略建设均致力于解决能源问题。由于风能、太阳能等清洁性高、发电成本降低，可再生能源成为了未来全球能源发展的主要方向。随着全球能源互联网建设的推进，可再生能源的开发将迎来重大发展期。
分布式能源单独运行时，其出力随机性、间歇性和波动性较大。当分布式能源接入目前的传统大电网体系时，电网的安全性和供电可靠性将会受到威胁。为了实现分布式电源的协调控制与能量管理，可以通过虚拟电厂（virtualpowerplant，VPP）的形式实现对大量分布式电源的灵活控制，从而保证电网的安全稳定运行。虚拟电厂通过将分布式电源、可控负荷和储能系统聚合成一个整体，使其能够参与电力市场和辅助服务市场运营，实现实时电能交易，同时优化资源利用，提高供电可靠性。
本文先对虚拟电厂的定义及控制方式进行概述，然后介绍虚拟电厂在模型框架、优化调度、运行控制、市场竞价4个方面的研究现状，以及国内外虚拟电厂的示范工程，并进一步指出虚拟电厂发展的关键技术问题。最后对虚拟电厂的未来进行展望，分布式能源的互补性、虚拟电厂动态组合、大数据技术、市场环境和合作机制都使得虚拟电厂具有巨大的发展潜力。
1虚拟电厂概述
虚拟电厂的提出是为了整合各种分布式能源，包括分布式电源、可控负荷和储能装置等。其基本概念是通过分布式电力管理系统将电网中分布式电源、可控负荷和储能装置聚合成一个虚拟的可控集合体，参与电网的运行和调度，协调智能电网与分布式电源间的矛盾，充分挖掘分布式能源为电网和用户所带来的价值和效益。虚拟电厂主要由发电系统、储能设备、通信系统构成，见图1。
图1虚拟电厂的组成
1）发电系统主要包括家庭型（domesticdistributedgeneration，DDG）和公用型（publicdistributedgeneration，PDG）这2类分布式电源。DDG的主要功能是满足用户自身负荷，如果电能盈余，则将多余的电能输送给电网；如果电能不足，则由电网向用户提供电能。典型的DDG系统主要是小型的分布式电源，为个人住宅、商业或工业分部等服务。PDG主要是将自身所生产的电能输送到电网，其运营目的就是出售所生产的电能。典型的PDG系统主要包含风电、光伏等新能源发电装置。
2）能量存储系统可以补偿可再生能源发电出力波动性和不可控性，适应电力需求的变化，改善可再生能源波动所导致的电网薄弱性，增强系统接纳可再生能源发电的能力和提高能源利用效率。
3）通信系统是虚拟电厂进行能量管理、数据采集与监控，以及与电力系统调度中心通信的重要环节。通过与电网或者与其他虚拟电厂进行信息交互，虚拟电厂的管理更加可视化，便于电网对虚拟电厂进行监控管理。
根据虚拟电厂信息流传输控制结构的不同，虚拟电厂的控制方式可以分为：集中控制方式、分散控制方式、完全分散控制方式。①集中控制方式下的虚拟电厂可以完全掌握其所辖范围内分布式单元的所有信息，并对所有发电或用电单元进行完全控制。②分散控制方式下的虚拟电厂被分为多个层次。处于下层的虚拟电厂的控制协调中心控制辖区内的发电或用电单元，再由该级虚拟电厂的控制协调中心将信息反馈给更高一级虚拟电厂的控制协调中心，从而构成一个整体的层次结构。③在完全分散控制方式下，虚拟电厂控制协调中心由数据交换与处理中心代替，只提供市场价格、天气预报等信息。而虚拟电厂也被划分为相互独立的自治的智能子单元。这些子单元不受数据交换与处理中心控制，只接受来自数据交换与处理中心的信息，根据接受到的信息对自身运行状态进行优化。
2虚拟电厂的研究现状
2.1模拟框架问题
对于虚拟电厂的模型框架构造方面，国内外的学者们进行了一系列的研究。虚拟电厂通常是一系列分布式电源的聚合。文献［4］将虚拟电厂定义为分散在中压配电网的各点处的不同分布式电源的聚合。为了确保虚拟电厂的安全稳定运行，学者们建立考虑储能系统、可控负荷、需求响应等的虚拟电厂模型。文献［5］将区域风力发电机组和常规水、火电机组及储能设备聚合为虚拟电厂，建立虚拟电厂数据模型，并采用实际电网运行数据验证了方案的可行性。文献［6］对电动汽车、可控负荷和热电联产发电系统以虚拟电厂方式聚合管理，进行频率二次调整，提供负荷频率控制功能。文献［7］在虚拟电厂模型中加入储存能量的设备作为附加能源或电能的缓冲装置，以提高供电质量，校正电压波动和闪变或稳定系统频率。文献［8］在虚拟电厂模型中增加可控负荷，通过调节可控负荷应对可再生能源发电出力的随机波动或突发故障，平衡电能供需，从而提高系统的稳定性和安全性。文献［9］按照需求响应的不同机理，考虑需求响应的不确定性，分别建立基于激励的和基于价格的需求响应虚拟电厂模型。
2.2优化调度问题
虚拟电厂的优化调度问题可以分为2种：①内部调度，虚拟电厂对自身内部多个电源的容量配置或出力进行优化调度；②外部调度，由电网将虚拟电厂当成一个整体进行优化调度。对于内部优化调度问题，文献［10］提出将虚拟电厂可再生能源出力随机性映射到一般投资组合模型。考虑价格随机性，建立了考虑多个可再生能源发电电源不确定性的容量配置模型。文献［11］考虑储能设备和需求响应，建立虚拟电厂的日前优化调度模型，采用混合整数线性规划进行最优调度结果的求解。文献［12］建立基于机会约束规划的虚拟电厂经济调度模型。该模型以最大化虚拟电厂经济效益为目标、旋转备用约束为机会约束，求解虚拟电厂的最优调度结果和风险水平。对于外部优化调度问题，文献［13］采用场景抽样生产与缩减技术处理风电和光伏出力的不确定性，根据合作博弈理论，建立基于场景分析的虚拟电厂单独调度、与配电公司联合调度模型，分析含风光水的虚拟电厂与配电公司的合作空间以及利益公平分配问题。文献［14］基于多变量非线性自适应控制思想，建立了含虚拟电厂的区域配电网优化模型。该模型的目标函数包括最小化系统频率偏差、联络线功率偏差、电压偏差、监测线路的线路功率波动、系统损耗、发电成本、弃风功率，通过近似动态规划方法，得到电网中发电机的有功功率和电压值、带变流器的可控电源及负荷的优化调度结果。
2.3运行控制问题
虚拟电厂的控制方式有集中控制方式、分散控制方式和完全分散控制方式。文献［15］中包括微型热电联产单元、风电和光伏等可再生能源的虚拟电厂采用集中控制结构参与配电网的运行调度。文献［16］中的虚拟电厂采用分散控制结构，基于混合整数规划对虚拟电厂接入时包括热电联产、热锅炉和热储备的本地热供应系统进行控制管理。文献［17］由可再生能源、储能设备、热力发电机和需求侧响应组成虚拟电厂，各单元采用分散控制方式，建立了虚拟电厂日前调度模型。文献［18］基于多代理结构建立了虚拟电厂内部的调度模型，模型中采用完全分散控制方式对各单元进行控制与调度。虚拟电厂采用集中控制方式时，所有单元的信息都需要通过控制协调中心进行处理和双向通信，所以集中控制方式的扩展性和兼容性受到很大局限。分散控制方式能使虚拟电厂模块化，改善集中控制方式下的通信堵塞和兼容性差的问题。完全分散控制方式使得虚拟电厂具有很好的扩展性和开放性，更适合参与电力市场。
2.4市场竞价问题
对于虚拟电厂的竞标模型与策略，国内外展开了广泛的研究。虚拟电厂的市场竞价问题包含单一日前市场竞价和联合市场竞价。文献［19］建立了单一日前市场下虚拟电厂优化竞价的随机规划模型。文献［20］提出了一种虚拟电厂在电力能源和热备用市场中的非线性混合整数规划的联合竞价模型，考虑虚拟电厂的电力供需平衡和安全约束。针对虚拟电厂的不确定性，国内外也展开了考虑不确定性时虚拟电厂竞价策略的研究。文献［21］采用点估计法处理电力市场价格和新能源发电的不确定性，提出一种虚拟电厂在日前电力市场中的竞标策略。文献［22］建立虚拟电厂鲁棒随机竞标模型，模型中采用随机规划的方法处理电价的不确定性，采用鲁棒优化的方法处理新能源出力的不确定性。文献［23］考虑电动汽车数量和风电出力的不确定性，建立虚拟电厂参与日前能量市场和调节市场的联合竞价策略的鲁棒优化模型。
3虚拟电厂的示范项目
3.1国外示范项目
基于虚拟电厂的理论研究，国外相继开展了一系列虚拟电厂工程示范项目。2005～2009年，在欧盟第6框架计划下，由来自欧盟8个国家的20个研究机构和组织合作实施和开展了FENIX项目，旨在将大量的分布式电源聚合成虚拟电厂并使未来欧盟的供电系统具有更高的稳定性、安全性和可持续性。
EDISON是由丹麦、德国等国家的7个公司和组织开展的虚拟电厂试点项目，研究如何聚合电动汽车成为虚拟电厂，实现接入大量随机充电或放电单元时电网的可靠运行。2012～2015年，在欧盟第7框架计划下，由比利时、德国、法国、丹麦、英国等国家联合开展了TWENTIES研究项目，其中对于虚拟电厂的示范重点在于如何实现热电联产、分布式电源和负荷的智能管理。WEB2ENERGY项目同样是在欧盟第7框架计划下开展的，以虚拟电厂的形式聚合管理需求侧资源和分布式能源。德国库克斯港的eTelligence项目建立了能源互联网示范地区，其核心是建立一个基于互联网的区域性能源市场。而虚拟电厂技术是实现区域能源互联聚合的一种重要模式。
3.2国内示范项目
国内对于虚拟电厂工程示范的建设处于快速发展阶段。随着国内能源互联网行动计划的推进，上海首个能源互联网试点项目在2015年初投产。该项目将实现区域内屋顶光伏分阶段全覆盖和充电桩分阶段全覆盖的目标，并借助"互联网+"建成功能强大的虚拟电厂，从而完成清洁替代和实现区域冷热电三联供。能源互联网行动计划中的另一个重点项目是张家口的奥运项目。该项目将在张家口市建立可再生能源示范区，实现高比例的风电、光伏等可再生能源，其中，虚拟电厂技术成为解决可再生能源规模化开发的关键技术。
4虚拟电厂的关键技术问题
4.1基于多代理系统对虚拟电厂进行协调控制
多代理系统（multiagentsystem，MAS）是由多个相互独立、可以双向互动通信的智能代理组合形成的，通过确定每个代理在系统中扮演的角色以及相互配合时的行为准则，使系统易于控制与管理。基于多代理系统的虚拟电厂协调控制逻辑关系图见图2。通过各个代理之间的双向通信，可以实现虚拟电厂的协调控制和能量优化管理；各个代理的行为具有自治性和独立性，可以根据电网的环境适当做出改变以满足电网的需求，充分提高分布式电源的利用率。
图2基于多代理系统的虚拟电厂协调控制逻辑关系图
4.2采用高效聚合方法实现互补合作
由于分散在电网中的分布式电源容量有限，其出力的随机性、波动性、间歇性也较大，需研究对不同区域的虚拟电厂以及虚拟电厂内不同发电单元的高效聚合方法。通过将不同区域的虚拟电厂进行高效聚合，解决分布式能源出力的随机性、波动性、间歇性，实现分布式能源的互补。根据不同的优化目标，利用智能算法实现虚拟电厂内部的多目标优化调度，充分利用虚拟电厂内的分布式能源。
4.3建立开放可靠的通信系统
在虚拟电厂内，各发电单元与负荷均直接或间接与控制协调中心相连接。控制协调中心不仅要能够接收每一单元的当前状态信息，而且能够向控制目标发送控制信号。而虚拟电厂中的各单元不仅要能够发送自身的当前状态信息，而且能够接收控制协调中心发送的控制信号。因此，需要研发开放、可靠的融合能源流和信息流的双向通信技术，加强电力传输与信息处理的融合。
5虚拟电厂的展望
随着国家对清洁能源和新兴技术的发展的大力推动，虚拟电厂将成为智能电网和全球能源互联网建设中重要的能源聚合形式，具有广阔的发展空间。
1）分布式电源的互补性减少出力的不确定性。
由于可再生能源出力存在较大的随机性、波动性、间歇性，分布式电源的动态组合问题亟待解决。随着全球能源互联网建设的推进，三部委针对可再生能源联合发布了"一带一路"和"一极一道"发展战略，"一带一路"沿线各国都具有丰富的风能和太阳能资源，"一极一道"更是推进了大型可再生能源基地电力送出以及各大洲之间电力交换。能源互联网战略推进跨境电力与输电通道建设，积极开展区域电网升级改造合作，充分发挥不同区域内分布式电源的时差互补和季节互补特性，提高可再生能源的利用率和虚拟电厂的效益。
2）多个分布式单元灵活地进行动态组合组成虚拟电厂。
虚拟电厂与微电网的最大区别在于构成虚拟电厂的多个分布式发电单元不一定在同一个地理区域内，其聚合范围以及与市场的交互取决于通信能力和可靠性。多个分布式发电单元按照一定的规则或目标进行聚合，以一个整体参与电力市场或辅助服务市场，最后将利益分配给每个分布式发电单元。虚拟电厂作为中介，根据动态组合算法或动态博弈理论等规则对多个分布式发电单元灵活地进行动态组合。动态组合的实时性和灵活性可以避免实时不平衡所带来的成本问题以及由于电厂停机、负荷和可再生能源出力预测失误时所导致的组合偏差问题。
3）大数据对可再生能源进行预测，提高虚拟电厂数据处理速度。
大数据是指无法在可承受的时间内用传统的IT技术、软硬件工具和数学分析方法进行感知、获取、管理、处理和分析的数据集合。大数据技术可进行负荷预测和可再生能源出力预测，包括风能和太阳能。风能预测非常必要，因为数据显示在用电高峰期，风电场的实际产能变化幅度很大。准确预测太阳能和风能需要分析大量数据，包括风速、云层等气象数据。同时，利用大数据技术处理虚拟电厂内的各种信息，能有效提高数据交换与处理中心的处理速度，为虚拟电厂的数据交换与处理中心提供各子系统实时、精确的数据信息流。
4）虚拟电厂参与多种市场进行优化调度和竞价。
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，既可以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。
5）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，认为虚拟电厂内的所有发电和用电单元和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和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。
6结语
本文对虚拟电厂的概念、发展现状进行综述，指出虚拟电厂亟待解决的问题，包括基于多代理系统对虚拟电厂进行协调控制，采用高效聚合管理方法实现虚拟电厂间的协同合作，建立开放可靠的信息交互系统，并对虚拟电厂的未来发展进行展望。
原标题:【特别策划】虚拟电厂发展综述
