虚拟电厂：聚合分布式资源解锁电网灵活性的关键路径

《IEEE Power and Energy Magazine》：Virtual Power Plants: Unlocking Flexibility by Aggregating Distributed Resources

为应对高比例可再生能源并网带来的建模、运行与控制挑战，本期特刊聚焦虚拟电厂(VPP)技术，探讨了其数字孪生(DT)、动态聚合、电网协同及市场集成等核心主题。研究成果揭示了VPP在提升电网灵活性、可靠性与可持续性方面的巨大潜力，为能源转型提供了关键技术支撑。

　　

全球电力系统正经历一场由脱碳化和数字化双重驱动的前所未有的变革。随着应对气候变化的紧迫性加速了电网向高比例可再生能源渗透的转型，传统的电力消费者正演变为产消者(prosumer)，主动参与到能源消费与发电中。这一动态转变导致了多样化分布式能源资源(DERs)的显著激增。例如，根据国际能源署的报告，在2019年至2024年间，分布式太阳能光伏约占全球新增光伏安装量的45%。为了挖掘分布式能源资源的潜力，虚拟电厂(VPP)作为一种用于聚合、协调和优化的关键解决方案正在迅速崛起，从而提升电网的灵活性、韧性和可持续性。其关键作用得到了显著市场增长的印证：根据《财富商业洞察》的数据，全球VPP市场在2023年估值14.2亿美元，预计到2032年将飙升至239.8亿美元，在预测期间表现出37.70%的复合年增长率。

然而，向高比例DERs的转型给传统电力系统的建模、运行和控制带来了巨大挑战。与可再生能源和需求侧参与相关的固有可变性和不确定性，使得传统的物理建模和预测变得复杂。电网运行需要日益复杂的策略来平衡波动性发电（如鸭形曲线，该术语描述了净负荷曲线的形状，其特征是由于中午太阳能发电量高而急剧下降，并在傍晚时分出现陡峭的爬升）和多样化资源特性下的供需平衡。此外，确保电网稳定性和安全性正变得更加复杂。系统惯性传统上由大型同步发电机的旋转质量提供，对于在扰动期间稳定电网频率至关重要。随着这些发电机被基于逆变器的资源(IBRs)所取代，这种惯性会减弱，使得电网更容易受到更快动态过程的影响。因此，这种新的电网现实需要能够利用IBRs能力的先进控制解决方案。物联网、先进通信、云计算、大数据分析和人工智能(AI)等赋能技术，对于有效管理这种复杂性并通过VPP释放DERs的全部潜力至关重要。

本期特刊深入探讨了VPP的多方面世界，探索了其建模、运行、协调、市场集成和实际部署方面的关键进展。认识到需要弥合概念承诺与实际实施之间的差距，这里汇集的文章强调了技术创新、工业应用以及支持性市场政策的必要性，并特别关注实际案例研究和克服现有采用障碍的途径。

主要技术方法概述

研究人员围绕VPP的核心技术挑战，重点采用了以下几种关键方法进行探索：1) 提出基于数字孪生(DT)的标准化、模块化架构，以管理从设备到VPP层级的复杂性，并利用AI/机器学习增强数据处理和模型编排；2) 引入动态VPP概念，针对低惯性电网的快速动态和辅助服务需求，探讨集中式与分布式控制策略以及应对通信缺陷的方法；3) 研究独立于电网公司的VPP运行模式，开发AI驱动的能力曲线和基于DT的状态估计等技术，以在有限电网可见性下实现不确定性管理和在线控制；4) 从物理基础定义VPP灵活性，对比自上而下与自下而上的协调方法，并通过实际案例验证电网感知协调的必要性；5) 结合中国等地的实际大规模互联案例，分析驱动VPP部署的技术创新和商业模式。

研究结果

数字孪生在虚拟电厂中的关键作用

文章[A1]探讨了数字孪生(DT)在VPP实施中的关键角色。研究提出了一种标准化的模块化架构，旨在从设备层面开始管理复杂性，直至VPP整体层级。该研究强调了为协调DT集合而进行标准化数据接口的必要性，讨论了管理和版本化多样化多物理场仿真模型所面临的挑战，并详细阐述了AI/机器学习在增强数据处理、建模、控制以及DT功能整体编排方面的巨大潜力，这些功能同时服务于实时运行和长期规划。结论指出，DT是实现VPP高效、可靠部署的核心使能技术。

动态虚拟电厂应对低惯性电网挑战

文章[A2]引入了动态VPP的概念，旨在解决未来由可再生能源资源(RES)主导的低惯性电网的快速动态和辅助服务需求。研究讨论了控制挑战，从集中式与分布式方法的比较，到通信不完善问题，以及针对换流器接口资源提出的新颖复合频率概念。最终，该文主张将动态VPP作为基于RES的电网支撑的鲁棒解决方案。结论表明，动态VPP能够有效应对因系统惯性降低而加剧的电网稳定问题。

独立于电网公司的虚拟电厂运营架构

文章[A3]提出了独立于电网公司的VPP概念，其作为独立的市场实体运行，而非由电网公司直接控制。这种模式意味着VPP必须在有限的电网可见性下（通常仅拥有互联点的数据）管理其聚合的资源，并依赖自身先进的能力进行不确定性管理、在线监测和控制。研究进一步探讨了实现这种运营模式的关键使能特性，例如使用AI衍生的能力曲线、复杂的DER协调以抑制振荡，以及DT在VPP自身平台内通过实现基于模型的状态估计来减轻通信负担的作用。结论认为，这种模式为VPP参与市场提供了更大的独立性和灵活性。

虚拟电厂灵活性的物理基础与协调方法

文章[A4]强调了支撑VPP灵活性的基本设备和电网物理特性，通过可达-保持能力和爬坡速率等参数来定义灵活性，同时考虑服务质量的影响。研究对比了自上而下与自下而上的协调方法，讨论了随着DER规模扩大，为确保可靠性而进行电网感知协调的必要性，并通过实际案例研究阐明了这些原理，同时突出了开放挑战，包括数据共享、标准化以及在动态的、物理感知的VPP运行中管理延迟和不确定性。结论指出，对底层物理的深入理解是VPP有效协调和安全集成的基础。

中国虚拟电厂的大规模实践与市场增长

文章[A5]以中国为主要案例，研究了VPP的快速部署和市场增长。研究分析了驱动技术创新的因素，特别是在物理、通信和价值维度上的大规模互联和异构协调。文章分享了上海和深圳等重要大规模用例的实际成就和见解。结论表明，强有力的政策支持和技术创新是推动VPP大规模应用的关键。

虚拟电厂的全球视野与未来架构

文章[A6]对当前VPP landscape提供了更广阔的视角，回顾了全球试点项目、多样化商业模式和电网服务。研究批判性地审视了阻碍VPP发挥其全部潜力的技术、监管和用户采纳挑战，特别强调了互操作性、网络安全和市场准入（如FERC Order 2222）等问题，同时提出了下一代VPP架构和测试平台的作用。结论呼吁需要解决这些障碍以加速VPP的普及。

社区电池作为虚拟电厂的互补性储能方案

文章[A7]探讨了聚合户用居民电池的VPPs往往面临高消费者成本和低资产利用率的问题。针对此，研究提出了社区电池(CBs)作为电网边缘协同储能的互补方法。研究认为，CBs可能在利用率、规模经济和商业可行性方面提供优势，并利用Power Melbourne项目论证了监管演变如何能够释放CBs的价值，将其定位为一种更具可扩展性和包容性的存储解决方案。结论指出，CBs为分布式储能提供了另一种有前景的路径。

研究结论与意义

本期特刊的文章共同强调了VPP在引领能源转型过程中所扮演的关键角色。研究表明，通过数字孪生、动态控制、独立运营模式、物理感知协调以及大规模异构集成等技术创新，VPP能够有效应对高比例可再生能源电网带来的建模、运行和稳定性挑战。同时，研究也明确指出，技术、市场设计和政策之间复杂的相互作用仍然是需要解决的首要问题。来自中国等地的实际案例证明了VPP在实现碳减排和安全供电方面的巨大潜力。然而，互操作性、网络安全、市场规则和用户接受度等障碍仍需克服。未来的发展依赖于持续的技术创新、支持性的监管框架以及跨领域的合作。相信通过这些努力，将加速VPP的广泛采用，为建设更加灵活、可靠、高效和可持续的能源未来铺平道路。