图文+案例解读：泛在电力物联网的典型应用——虚拟电厂

中国工程院院士杜祥琬

“虚拟电厂”不是传统意义上的发电厂，而是相当于一个电力“智能管家”。能在光伏等分布式能源有间歇性时，通过储能装置把它们组织起来，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。

原国家电网董事长舒印彪

打造新一代电力系统是能源转型的基础保障。分布式能源使得并网主体既是发电方、又是用电方，电网运行的复杂性、不确定性显著增加。“虚拟电厂”将为破解清洁能源消纳和绿色能源转型提供解决方案。推动传统电网向新一代电力系统升级成为趋势。

国网冀北电力交易中心副总经理王宣元

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。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。

英国布鲁内尔大学电气工程博士、森德里克公司全球技术与产品部副总裁王兴

虚拟电厂是一个看不见的电厂，是一个分散的能源聚合体。在这个聚合体中，电力用户是消费者，也可能是生产者。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、电价也较高时可以卖到电网。在这样一个聚合体内，发电和用电通过自我调节保持平衡。

2016年6月15日，江苏大规模源网荷友好互动系统初步建成，一期工程共接入810个大用户，该系统为2016年迎峰度夏期间西南水电通过复奉、锦苏及宾金等三回特高压直流2160万千瓦满功率输送时的电网安全稳定运行提供了有力支撑。其中苏州地区已实现1100 MW容量的快切负荷能力即“虚拟电厂”资源。

2017年5月24日，世界首套“大规模源网荷友好互动系统”在江苏投运，整个系统涉及华东区域的8个特高压直流子站，8个抽水蓄能子站，苏州南部地区1个江苏切负荷控制中心站、4个500 kV分区切负荷控制子站、252个电网侧变电站以及810个负荷用户控制终端。当天，按照华东电网实战演练安排，±800千伏锦苏特高压直流被人工闭锁，江苏电网瞬间缺少300万千瓦电力供应，通过“大规模源网荷友好互动系统”统一调度控制，实时填补了负荷缺口。该系统借助“互联网+”技术和智能电网技术的有机融合，在突发电源或电网紧急事故时，用电客户可化身“虚拟电厂”，参与保护大电网安全。

2017年12月，江苏大规模源网荷示范工程二期扩建投入运行。新增两个控制主站、8个500千伏控制子站、新增加518户终端。系统首次形成了由控制中心站—主站—子站—控制终端组成的分层分区完整架构，控制对象除了大用户外，还接入了燃煤电厂可中断辅机、南水北调翻水站抽水泵以及大型储能电站。电源类型多元化，控制对象更加丰富，毫秒级控制总容量达到200万千瓦。

2018年5月28日，由南瑞集团承担建设的国内首套“大规模源网荷友好互动系统”三期扩建工程投入试运行，标志着我国拥有了世界上最大规模的‘虚拟电厂’。该系统目前包含了二期大用户增补、三期新增500千伏秦淮、惠泉、茅山、访仙4个控制子站，23户燃煤电厂可中断辅机以及10户储能电站的毫秒级系统接入工作;还完成了所有签约用户的现场预置实验，系统改造后的现场整体联调工作及实切用户试验、实切时间测量实验等工作。“目前毫秒级控制总容量达到260万千瓦，控制对象共计2078户。

目前该工程可提升特高压直流送电能力154万千瓦，年增利润约8400万元。累计增供电量49.896亿千瓦时，累计新增销售额27.4428亿元，累计新增利润1.2474亿元，经济效益显著。在负荷控制能力方面，相当于4台百万千瓦火电机组，节省投资126.4亿元，环境效益显著。该系统在江苏电网成功应用，实现了快速负荷调控方式的根本性改变，起到了很好的示范作用。该成果已在山东、河南、上海、浙江、安徽、湖南6个省级电网推广应用。

此外，

10月11日，国网江苏与苏宁签署了合作协议，双方将在居民家庭电气化推广、智能家电高端应用、综合能源服务示范点等领域加强合作。项目鼓励客户利用家电海量微负荷参与电网互动，建立“虚拟电厂”。

苏宁相关人士还就“虚拟电厂”的使用场景打了个比方。例如，晚上睡觉的时候，系统会自动根据室温调节空调温度;或者在用电高峰的时候，自动优化家中一些电器的用电量。有的功能可以通过苏宁的智能家居系统实现，有的可以通过国网电力的虚拟电厂系统实现，国网江苏与苏宁建立“虚拟电厂”系统后，就可以把两者的功能打通。

一不烧煤，二没设备，却能一年“发电”5万度。TA依靠能源互联网管理体系，精细化调解用户用电，从而省下了大量电力，相当于再造一个“电厂”。

2018年1月，位于黄浦区九江路上的宝龙大厦第八次参与了虚拟电厂试运行，“发电”能力达100千瓦。宝龙大厦仅仅是黄浦区虚拟电厂的一个项目。迄今，虚拟电厂最大规模的一次试运行，参与楼宇超过50栋，释放负荷约1万千瓦。

由上海市经信委牵头、上海经研院参与规划设计、上海腾天节能技术有限公司参与实施的《上海黄浦区商业建筑虚拟电厂示范项目》已于2016年获国家发改委批复，将在三年内全面完成。

黄浦区是上海商业建筑最密集的中心城区，大型商业建筑数量超过200幢，面积近1000万平方米，年耗电量约13亿千瓦时，峰值负荷近50万千瓦，楼宇能耗占全区总能耗的65%以上，方便对诸多分布式发电资源进行大范围集中控制。截至2月28日，黄浦区内像宝龙大厦这样对能耗实时在线监测的楼宇，总数已超过230栋，年监测用电量超过10亿千瓦时，占上海市社会领域用电总量的40%。

台风“温比亚”于8月17日在上海登陆，全市启动预警，国家级需求侧管理示范项目——黄浦区商业建筑“虚拟电厂”(一期)建设完成后的首次投运。8月17日12：00—13：00正值电力负荷高峰时段，黄浦区发改委承担建设的国家需求侧示范项目-“黄浦区虚拟电厂”正有条不紊地组织实施一次“虚拟发电”，通过虚拟电厂运营调度平台的一条条智能数据指令，区内104幢签约商业建筑，作为虚拟发电节点同一时间投入运转，合理调节各自空调、照明、动力使用负荷，削减高峰电力，保障安全的电力空间，1小时实际削减电力负荷20.12MW，其中科技京城削减负荷达到1095.8KW。

位于德国中北部的哈茨山脉的可再生能源示范项目——RegModHarz项目，就是将新能源最大化利用的典型案例，而其中最引人注目的就是虚拟电厂部分。该项目所选定的哈茨地区，在分布式电力供应方面拥有风能、抽水蓄能、太阳能、沼气、生物质能以及电动车等多种方式，在输配电方面主要有6家配电运营商、4家电力零售商以及1家输电商运营。项目中，虚拟电厂与分散式电源进行通讯连接，而与原有的传统大型发电场不同的是，新能源系统数据变化较快，安全、稳定性高的传输技术非常必要。所以在此项目中制定了统一的数据传输标准，使得虚拟电厂对于数据变化能够快速反应。在考虑发电端的同时，虚拟电厂同样关注的是用电侧的反应，在哈茨地区的试样中，家庭用户安装了能源管理系统，被称为“双向能源管理系统”(简称BEMI)。资料显示，用户安装的能源管理系统每15分钟储存用户用电数据，记录用户每天的用电习惯，并将这些数据通过网络传输到虚拟电厂的数据库中。同时，BEMI系统还可以通过无线控制开关的插座，当电价发生变动时，可以通过无线控制来调控用电时间和用电量。

莱茵集团开始运营第一家商用规模的“虚拟电厂”，利用电力设备的无线链接和工程巨头西门子公司设计的一套能源管理系统，莱茵集团可以将数十个小型绿色能源设备的输出组合在一起，将可再生能源发电机组产生的电力打包成较大的供应量，再通过计算机进行交易，实现稳定供电，并获得补贴。。在满负荷生产时，其虚拟电厂的发电量可达80兆瓦。这些电力由该公司在欧洲最大的能源交易市场，位于莱比锡的欧洲能源交易所进行销售。莱茵-鲁尔地区是人口密度最高的区域。这里着风力涡轮机、屋顶太阳能电池板以及其他一些可再生能源设备。而在多特蒙德发电厂操作员就可以一个办公大楼里的电脑屏幕前，统筹安排这些设备的能量输出。

近日，英国Limejump公司已获得英国能源管理局(Ofgem)的准许，在国家电网的平衡机制中运行虚拟电厂(VPP)。一套由Anesco公司在Derbyshire开发的10兆瓦Breach Farm电池储能系统已经首次为平衡机制系统供电，为国家电网在电力供应紧张期间提供额外的电源。而后壳牌新能源大举支出，收购了该公司Limejump。收购完成后，Limejump将成为壳牌的全资子公司。

南澳大利亚州政府表示提供209万美元资金支持和3000万贷款，将通过3个阶段为5万家庭免费提供太阳能板和特斯拉电池，将民居变成相互连接的巨大虚拟发电厂。如果这座发电厂建成，这将是世界上最大的电池、太阳能热电厂，也是世界上最大的储电厂。

第一阶段是在1100户家庭进行试验，免费安装5千瓦太阳能电池板和13.5千瓦特斯拉Powerwall2电池，并通过售电进行融资。之后，该系统将在2.4万个家庭中展开。最后，整个南澳大利亚州的家庭都将纳入这一虚拟发电厂。州政府将为该项目。根据该计划，全州5万户低收入家庭最终将获得250兆瓦的太阳能电力和6.5千瓦时的电池存储能力。项目第一阶段参与的家庭报告称，他们的电网消耗减少了70%，电费也降低了。第二阶段将为另外1000个低收入家庭提供服务。

除了既有的蓄电设备之外，数量越来越多的电动车，也能以V2G方式，成为虚拟电厂之储能系统的一环。当电力来源的某一方突然停止供电，与虚拟电厂系统连接的蓄电池与电动车等，可瞬间填补电力需求。日本正在推广这种虚拟电厂的应用。

九州电力总合研究所的团队，于2018年12月下旬~2019年1月，与日产汽车、三菱电机合作进行V2G实验，将5辆电动车的蓄电池，透过充电桩连上输配电网，每辆电动车能以最高6kW的电力进行充放电。日产的电动车Leaf也将与办公大楼或住商混合大楼的电力设备相连，测试办公室或住家如何透过电动车的蓄电池调动电力，以降低尖峰时段的电费。

东北电力也在2018年12月~2019年2月，与日产、三井物产、三菱地所合作，在仙台市的仙台皇家公园酒店，以2辆日产电动车Leaf与专用充电桩，透过远距遥控系统控制充放电，并监控蓄电池的电力剩余存量。东北电力将本次实验的资料，与既有的再生能源发电的资料，以及气候条件等相结合，分析如何用电动车的蓄电池来调节易受天候影响的再生能源发电。

中部电力则于2018年11、12月，与丰田汽车旗下子公司丰田通商在爱知县丰田市合作，以2辆电动车蓄电池连接上输配电网，透过控制系统进行充放电实验，检视电动车蓄电池充放电对于电力系统的影响，以及系统发出指令到实际运行的间隔时间等课题。

东京电力公司将向项目参与人员透露电网需求量较低的时间段，便于在该时间段内为其爱车充电，并基于其充电的电量获得相关的激励。该项目将统计用户改变其充电时间段的人数及变化幅度，帮助平稳用电需求波动，所采集到的信息将有助于确定电动车充电最高效的时间段，有助于维持电网稳定的用电需求。

未来，可再生能源的应用将进一步拓展，这是向低碳社会转型的重要内容。为了能够以平稳、高效的方式使用可再生能源，该项目将研发“虚拟电厂(virtual power plants)”，整合并控制用户端分散的能源资源。电动车潜力巨大，是重要的虚拟电量资源，但需要协调车主与电网的充放电时间段。

该合作项目将利用当前的电网基础设施。该项目将用到日产的车载资通讯系统，该服务可便于电动车车主远程监控其车辆情况，并利用智能手机应用掌控车辆的充电操作。该项目还将用到EVsmart应用，为车辆搜索充电网点，收集并管控相关的信息。