圖文+案例解讀：泛在電力物聯網的典型應用——虛擬電廠

中國工程院院士杜祥琬

“虛擬電廠”不是傳統意義上的發電廠，而是相當于一個電力“智能管家”。能在光伏等分布式能源有間歇性時，通過儲能裝置把它們組織起來，形成穩定、可控的“大電廠”，便于處理與大電網之間的各種關系。

原國家電網董事長舒印彪

打造新一代電力系統是能源轉型的基礎保障。分布式能源使得并網主體既是發電方、又是用電方，電網運行的復雜性、不確定性顯著增加。“虛擬電廠”將為破解清潔能源消納和綠色能源轉型提供解決方案。推動傳統電網向新一代電力系統升級成為趨勢。

國網冀北電力交易中心副總經理王宣元

所謂虛擬，體現在它并不具有實體存在的電廠形式，卻真有一個電廠的功能，而且是遠超傳統實體電廠的功能，因為它打破了傳統電力系統中發電廠之間、發電側和用電側之間的物理界限。它是互聯網+源網荷儲售服一體化(即電源、電網、負荷、儲能、銷售、服務的聚合體)的清潔智慧能源管理系統，是對多種分布式能源進行聚合、優化控制和管理，為電網提供調頻、調峰等輔助服務，并能夠參與電力市場交易的技術和商業模式。

英國布魯內爾大學電氣工程博士、森德里克公司全球技術與產品部副總裁王興

虛擬電廠是一個看不見的電廠，是一個分散的能源聚合體。在這個聚合體中，電力用戶是消費者，也可能是生產者。比如一個擁有電動汽車的用戶，晚上電力相對富余、電價也較低時給汽車充電，白天電力相對緊張、電價也較高時可以賣到電網。在這樣一個聚合體內，發電和用電通過自我調節保持平衡。

2016年6月15日，江蘇大規模源網荷友好互動系統初步建成，一期工程共接入810個大用戶，該系統為2016年迎峰度夏期間西南水電通過復奉、錦蘇及賓金等三回特高壓直流2160萬千瓦滿功率輸送時的電網安全穩定運行提供了有力支撐。其中蘇州地區已實現1100 MW容量的快切負荷能力即“虛擬電廠”資源。

2017年5月24日，世界首套“大規模源網荷友好互動系統”在江蘇投運，整個系統涉及華東區域的8個特高壓直流子站，8個抽水蓄能子站，蘇州南部地區1個江蘇切負荷控制中心站、4個500 kV分區切負荷控制子站、252個電網側變電站以及810個負荷用戶控制終端。當天，按照華東電網實戰演練安排，±800千伏錦蘇特高壓直流被人工閉鎖，江蘇電網瞬間缺少300萬千瓦電力供應，通過“大規模源網荷友好互動系統”統一調度控制，實時填補了負荷缺口。該系統借助“互聯網+”技術和智能電網技術的有機融合，在突發電源或電網緊急事故時，用電客戶可化身“虛擬電廠”，參與保護大電網安全。

2017年12月，江蘇大規模源網荷示范工程二期擴建投入運行。新增兩個控制主站、8個500千伏控制子站、新增加518戶終端。系統首次形成了由控制中心站—主站—子站—控制終端組成的分層分區完整架構，控制對象除了大用戶外，還接入了燃煤電廠可中斷輔機、南水北調翻水站抽水泵以及大型儲能電站。電源類型多元化，控制對象更加豐富，毫秒級控制總容量達到200萬千瓦。

2018年5月28日，由南瑞集團承擔建設的國內首套“大規模源網荷友好互動系統”三期擴建工程投入試運行，標志著我國擁有了世界上最大規模的‘虛擬電廠’。該系統目前包含了二期大用戶增補、三期新增500千伏秦淮、惠泉、茅山、訪仙4個控制子站，23戶燃煤電廠可中斷輔機以及10戶儲能電站的毫秒級系統接入工作;還完成了所有簽約用戶的現場預置實驗，系統改造后的現場整體聯調工作及實切用戶試驗、實切時間測量實驗等工作。“目前毫秒級控制總容量達到260萬千瓦，控制對象共計2078戶。

目前該工程可提升特高壓直流送電能力154萬千瓦，年增利潤約8400萬元。累計增供電量49.896億千瓦時，累計新增銷售額27.4428億元，累計新增利潤1.2474億元，經濟效益顯著。在負荷控制能力方面，相當于4臺百萬千瓦火電機組，節省投資126.4億元，環境效益顯著。該系統在江蘇電網成功應用，實現了快速負荷調控方式的根本性改變，起到了很好的示范作用。該成果已在山東、河南、上海、浙江、安徽、湖南6個省級電網推廣應用。

此外，

10月11日，國網江蘇與蘇寧簽署了合作協議，雙方將在居民家庭電氣化推廣、智能家電高端應用、綜合能源服務示范點等領域加強合作。項目鼓勵客戶利用家電海量微負荷參與電網互動，建立“虛擬電廠”。

蘇寧相關人士還就“虛擬電廠”的使用場景打了個比方。例如，晚上睡覺的時候，系統會自動根據室溫調節空調溫度;或者在用電高峰的時候，自動優化家中一些電器的用電量。有的功能可以通過蘇寧的智能家居系統實現，有的可以通過國網電力的虛擬電廠系統實現，國網江蘇與蘇寧建立“虛擬電廠”系統后，就可以把兩者的功能打通。

一不燒煤，二沒設備，卻能一年“發電”5萬度。TA依靠能源互聯網管理體系，精細化調解用戶用電，從而省下了大量電力，相當于再造一個“電廠”。

2018年1月，位于黃浦區九江路上的寶龍大廈第八次參與了虛擬電廠試運行，“發電”能力達100千瓦。寶龍大廈僅僅是黃浦區虛擬電廠的一個項目。迄今，虛擬電廠最大規模的一次試運行，參與樓宇超過50棟，釋放負荷約1萬千瓦。

由上海市經信委牽頭、上海經研院參與規劃設計、上海騰天節能技術有限公司參與實施的《上海黃浦區商業建筑虛擬電廠示范項目》已于2016年獲國家發改委批復，將在三年內全面完成。

黃浦區是上海商業建筑最密集的中心城區，大型商業建筑數量超過200幢，面積近1000萬平方米，年耗電量約13億千瓦時，峰值負荷近50萬千瓦，樓宇能耗占全區總能耗的65%以上，方便對諸多分布式發電資源進行大范圍集中控制。截至2月28日，黃浦區內像寶龍大廈這樣對能耗實時在線監測的樓宇，總數已超過230棟，年監測用電量超過10億千瓦時，占上海市社會領域用電總量的40%。

臺風“溫比亞”于8月17日在上海登陸，全市啟動預警，國家級需求側管理示范項目——黃浦區商業建筑“虛擬電廠”(一期)建設完成后的首次投運。8月17日12：00—13：00正值電力負荷高峰時段，黃浦區發改委承擔建設的國家需求側示范項目-“黃浦區虛擬電廠”正有條不紊地組織實施一次“虛擬發電”，通過虛擬電廠運營調度平臺的一條條智能數據指令，區內104幢簽約商業建筑，作為虛擬發電節點同一時間投入運轉，合理調節各自空調、照明、動力使用負荷，削減高峰電力，保障安全的電力空間，1小時實際削減電力負荷20.12MW，其中科技京城削減負荷達到1095.8KW。

位于德國中北部的哈茨山脈的可再生能源示范項目——RegModHarz項目，就是將新能源最大化利用的典型案例，而其中最引人注目的就是虛擬電廠部分。該項目所選定的哈茨地區，在分布式電力供應方面擁有風能、抽水蓄能、太陽能、沼氣、生物質能以及電動車等多種方式，在輸配電方面主要有6家配電運營商、4家電力零售商以及1家輸電商運營。項目中，虛擬電廠與分散式電源進行通訊連接，而與原有的傳統大型發電場不同的是，新能源系統數據變化較快，安全、穩定性高的傳輸技術非常必要。所以在此項目中制定了統一的數據傳輸標準，使得虛擬電廠對于數據變化能夠快速反應。在考慮發電端的同時，虛擬電廠同樣關注的是用電側的反應，在哈茨地區的試樣中，家庭用戶安裝了能源管理系統，被稱為“雙向能源管理系統”(簡稱BEMI)。資料顯示，用戶安裝的能源管理系統每15分鐘儲存用戶用電數據，記錄用戶每天的用電習慣，并將這些數據通過網絡傳輸到虛擬電廠的數據庫中。同時，BEMI系統還可以通過無線控制開關的插座，當電價發生變動時，可以通過無線控制來調控用電時間和用電量。

萊茵集團開始運營第一家商用規模的“虛擬電廠”，利用電力設備的無線鏈接和工程巨頭西門子公司設計的一套能源管理系統，萊茵集團可以將數十個小型綠色能源設備的輸出組合在一起，將可再生能源發電機組產生的電力打包成較大的供應量，再通過計算機進行交易，實現穩定供電，并獲得補貼。。在滿負荷生產時，其虛擬電廠的發電量可達80兆瓦。這些電力由該公司在歐洲最大的能源交易市場，位于萊比錫的歐洲能源交易所進行銷售。萊茵-魯爾地區是人口密度最高的區域。這里著風力渦輪機、屋頂太陽能電池板以及其他一些可再生能源設備。而在多特蒙德發電廠操作員就可以一個辦公大樓里的電腦屏幕前，統籌安排這些設備的能量輸出。

近日，英國Limejump公司已獲得英國能源管理局(Ofgem)的準許，在國家電網的平衡機制中運行虛擬電廠(VPP)。一套由Anesco公司在Derbyshire開發的10兆瓦Breach Farm電池儲能系統已經首次為平衡機制系統供電，為國家電網在電力供應緊張期間提供額外的電源。而后殼牌新能源大舉支出，收購了該公司Limejump。收購完成后，Limejump將成為殼牌的全資子公司。

南澳大利亞州政府表示提供209萬美元資金支持和3000萬貸款，將通過3個階段為5萬家庭免費提供太陽能板和特斯拉電池，將民居變成相互連接的巨大虛擬發電廠。如果這座發電廠建成，這將是世界上最大的電池、太陽能熱電廠，也是世界上最大的儲電廠。

第一階段是在1100戶家庭進行試驗，免費安裝5千瓦太陽能電池板和13.5千瓦特斯拉Powerwall2電池，并通過售電進行融資。之后，該系統將在2.4萬個家庭中展開。最后，整個南澳大利亞州的家庭都將納入這一虛擬發電廠。州政府將為該項目。根據該計劃，全州5萬戶低收入家庭最終將獲得250兆瓦的太陽能電力和6.5千瓦時的電池存儲能力。項目第一階段參與的家庭報告稱，他們的電網消耗減少了70%，電費也降低了。第二階段將為另外1000個低收入家庭提供服務。

除了既有的蓄電設備之外，數量越來越多的電動車，也能以V2G方式，成為虛擬電廠之儲能系統的一環。當電力來源的某一方突然停止供電，與虛擬電廠系統連接的蓄電池與電動車等，可瞬間填補電力需求。日本正在推廣這種虛擬電廠的應用。

九州電力總合研究所的團隊，于2018年12月下旬~2019年1月，與日產汽車、三菱電機合作進行V2G實驗，將5輛電動車的蓄電池，透過充電樁連上輸配電網，每輛電動車能以最高6kW的電力進行充放電。日產的電動車Leaf也將與辦公大樓或住商混合大樓的電力設備相連，測試辦公室或住家如何透過電動車的蓄電池調動電力，以降低尖峰時段的電費。

東北電力也在2018年12月~2019年2月，與日產、三井物產、三菱地所合作，在仙臺市的仙臺皇家公園酒店，以2輛日產電動車Leaf與專用充電樁，透過遠距遙控系統控制充放電，并監控蓄電池的電力剩余存量。東北電力將本次實驗的資料，與既有的再生能源發電的資料，以及氣候條件等相結合，分析如何用電動車的蓄電池來調節易受天候影響的再生能源發電。

中部電力則于2018年11、12月，與豐田汽車旗下子公司豐田通商在愛知縣豐田市合作，以2輛電動車蓄電池連接上輸配電網，透過控制系統進行充放電實驗，檢視電動車蓄電池充放電對于電力系統的影響，以及系統發出指令到實際運行的間隔時間等課題。

東京電力公司將向項目參與人員透露電網需求量較低的時間段，便于在該時間段內為其愛車充電，并基于其充電的電量獲得相關的激勵。該項目將統計用戶改變其充電時間段的人數及變化幅度，幫助平穩用電需求波動，所采集到的信息將有助于確定電動車充電最高效的時間段，有助于維持電網穩定的用電需求。

未來，可再生能源的應用將進一步拓展，這是向低碳社會轉型的重要內容。為了能夠以平穩、高效的方式使用可再生能源，該項目將研發“虛擬電廠(virtual power plants)”，整合并控制用戶端分散的能源資源。電動車潛力巨大，是重要的虛擬電量資源，但需要協調車主與電網的充放電時間段。

該合作項目將利用當前的電網基礎設施。該項目將用到日產的車載資通訊系統，該服務可便于電動車車主遠程監控其車輛情況，并利用智能手機應用掌控車輛的充電操作。該項目還將用到EVsmart應用，為車輛搜索充電網點，收集并管控相關的信息。