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虚拟电厂:解决能源转型的实际难题

2018年10月09日作者:瞿剑来源:科技日报

  科技日报记者 瞿剑 近日,国际电工委员会(IEC)在北京召开“虚拟电厂”工作组会议,对中国国家电网有限公司发起的《虚拟电厂用例》和《虚拟电厂架构与功能要求》两项标准编制进行研讨。什么是虚拟电厂?与此相关的标准又意味着什么?参与在京举行的“能源转型”高端论坛的专家,对此进行了一一作答。

  可再生能源有“致命伤”

  IEC副主席、国网公司董事长舒印彪表示,能源转型对电网的功能作用、运行方式提出了“前所未有的挑战”——风能、太阳能等可再生能源,都具有随机性、间歇性、波动性特征,大规模、高比例接入电网,带来巨大调峰调频压力,导致系统转动惯量弱化,给电力系统平衡调节和电网安全稳定运行带来一系列新的挑战。而且,过去一个大中型电网,只需要接入几十个、几百个电厂,从生产侧到消费侧单向送电;现在随着新型能源技术发展和与数字技术的融合,电网将接入数以千计、甚至万计的各类电源和大量的新型交互式用能设备,许多并网主体兼具生产者与消费者双重身份,电网运行的复杂性、不确定性显著增加。

  如何应对此种挑战?舒印彪给出的解决之道是,适应能源转型需要,推动传统电网从功能上向能源互联网演进,从技术上向新一代电力系统升级。而所谓“新一代电力系统”,他解释,将是具有广泛互联、智能互动、灵活柔性、安全可控、开放共享特征的新型电力系统,其物理特性、结构形态、运行机理、控制方式与传统电力系统存在明显不同,“是影响能源转型持续纵深推进的关键”。

  “一切问题的根源,来自电力系统的发、供、用瞬时平衡特性。”国网冀北电力外联部副主任高会杰表示。由于电力大规模存储问题仍未解决,从电气发明至今,电力系统一直呈现“即发即用”的基本特征。也就是说,因为存不了,就必须发多少,用多少,发、供、用三个环节保持“瞬时平衡”。

  对火电等传统发电方式来说,这不是问题,因为火电出力多少、何时出力,可以人为调节自如。从电网角度,这叫电网友好型发电,“平滑出力”。

  而以风电、光伏发电为代表的可再生能源就完全不一样了——何时有风、何时有阳光,不以人的意志为转移,具有明显的随机性、间歇性特点;而且,可再生能源发电出力,往往跟用电负荷峰谷呈逆向分布,也就是说,“你不需要用电的时候(负荷谷底),它正好来劲;你最需要用电的时候(负荷高峰),它却没有了。”高会杰说,在储能技术完全突破之前,这是可再生能源的“致命伤”。

  看不见的电厂可能是更好的电厂

  迄今为止,所有针对可再生能源的技术努力,核心就是试图治愈这一“致命伤”;而“虚拟电厂”概念的提出及其实验,是这些努力中较新的一个,也是较有可能获终极突破的一个,所以被视为能源转型的“诗和远方”。

  虚拟电厂是什么?

  多年致力于能源转型战略研究的中国工程院原副院长杜祥琬院士指出,虚拟电厂不是传统意义上的电厂,它相当于一个电力“智能管家”,站在电网角度,把风电、光伏发电等分布式能源通过储能装置组织起来,形成稳定、可控的“大电厂”,便于处理与大电网之间的各种关系。

  国网冀北电力交易中心副总经理王宣元解释,所谓虚拟,体现在它并不具有实体存在的电厂形式,却真有一个电厂的功能,而且是远超传统实体电厂的功能,因为它打破了传统电力系统中发电厂之间、发电侧和用电侧之间的物理界限。王宣元如此定义虚拟电厂:它是互联网+源网荷储售服一体化(即电源、电网、负荷、储能、销售、服务的聚合体)的清洁智慧能源管理系统,是对多种分布式能源进行聚合、优化控制和管理,为电网提供调频、调峰等辅助服务,并能够参与电力市场交易的技术和商业模式。

  说白了,在这样一个“看不见的电厂”里,电力用户是消费者,也可能是生产者,也就是之前舒印彪所说“兼具生产者与消费者双重身份的”并网主体。比如一个拥有电动汽车的用户,晚上电力相对富余、电价也较低时给汽车充电;白天电力相对紧张、电价也较高时可以余电上网,再卖给公共电网,其实质是“激励混合型产消者与电网实现友好互动”。这就像电子商务平台,由于是在“互联网+”环境下,你看不见商场,却可以在上面从事各种交易。

  当然,“电力交易只是虚拟电厂诸多功能中的一个。”王宣元强调,核心是源网荷储售服一体化,其中的电源,既可以是传统的火电,也可以是新兴的风电、光伏、生物质发电;既可以是大规模集中式发电,也可以是分布式零散发电,还可以是冷、热、储能等其他能源形式。虚拟电厂把它们“串联”起来,基于互联网和大数据、云计算、人工智能等技术,实现发电和用电自我调节,保持瞬时平衡。比如,在繁华的城市楼宇群,虚拟电厂可以实时监测中央空调、电动汽车等柔性可控负荷,环境参数以及分布式能源出力,围绕用户和系统需求,自动调节并优化响应质量,减少电源和电网建设投资,在创造良好舒适生活环境的同时,实现用户和系统、技术和商业模式的双赢。

  首批国际标准将花落中国

  虚拟电厂概念自1997年提出以来,受到了欧洲、北美和澳洲等广泛关注;随着近年来信息通讯技术(ICT)、分布式协调控制技术和智能计量技术的提高,分布式电源、储能、电动汽车的快速发展,工业领域逐渐表现出对虚拟电厂的极大需求并付诸工程实践。

  由于虚拟电厂应用前景广泛,全球主要国家都在抢占先机,争取战略主动。其中,相关标准制订成为主导国际话语权的必争之地,正如舒印彪所言:“没有标准化,能源转型不可能成功。”

  此前的2017年10月,国网旗下冀北电力公司和中国电科院组成的专家团队,代表中国向IEC提交了《虚拟电厂用例》和《虚拟电厂架构与功能要求》两项标准提案;经过激烈竞争,顺利通过了投票,并获得德、英、法、瑞等成员国的加盟支持,于2018年3月获批正式立项,成为IEC首批立项的虚拟电厂国际标准,意味着虚拟电厂首批标准将花落中国。

  IEC 1906年在伦敦成立,是最具权威性的国际电工标准化机构。一个多世纪以来,IEC累计发布电工领域国际标准7713项,为促进电力及能源可持续发展作出了重要贡献。近年来,IEC专门成立了一系列与能源转型相关的技术委员会,围绕特高压、新能源、高压直流输电、智能电网、电动汽车等,制定了一批重要标准,为全球能源转型提供有力支撑。

  国家市场监管总局标准创新管理司司长崔钢认为,国际标准作为世界的“通用语言”,是各国间互联互通的基本规范、是技术合作的基础条件,在推动能源转型方面的作用越来越重要。“世界需要标准协同发展,标准促进世界互联互通。”崔钢表示,虚拟电厂国际标准提案获批立项,标志着国家电网在新一代电力系统的虚拟电厂领域处于国际领跑地位,提升了我国制定能源转型国际标准的话语权,具有十分重要的现实意义和长远的战略价值。

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  各显神通抢滩虚拟电厂

  从世界范围看,王宣元介绍,欧洲虚拟电厂聚焦于“源”,主要目标是提高分布式电源并网友好智能互动性,打造持续稳定发展的商业模式。先后在欧盟第六、第七框架计划下开展了FENIX项目和TWENTIES项目,前者将大量的分布式电源聚合成虚拟电厂,提高欧盟电力系统的经济性、可控性和安全性;后者的示范重点在于如何利用虚拟电厂实现热电联产、分布式电源和负荷的智能管理。

  北美虚拟电厂则起源于“荷”,通过自动需求响应和能效管理,提高综合能源的利用效率。比如,美国纽约州在能源改革愿景(REV)战略指导下开展了ConEd VPP项目,旨在将用户侧“太阳能+储能”系统集群友好并网,降低居民用电成本,提高电网调峰调频和应急响应能力;加利福尼亚州探索分布式光伏的管理方式,包括虚拟电厂和分布式能源供应商(DERP)如何参与电网运营和电力市场。

  澳洲近年投运了多项虚拟电厂示范工程,主要目标是降低用电成本,促进清洁能源消纳,提高澳洲电网稳定性,并与特斯拉公司联合打造AGL VPP示范工程,意在聚合大量光伏电源和储能设备,应对分布式电源高渗透率带来的挑战,降低基础设施投资成本。


编辑:赵晓宇