综述：虚拟电厂：综述、机遇、挑战和未来方向

《Energy Strategy Reviews》：Comprehensive review of cutting-edge virtual power plant advancements for flexibility enhancement in future power grids

本文系统综述了虚拟电厂（VPP）的概念、结构、类型及其在能源和辅助服务市场中的参与策略。文章深入探讨了VPP在整合分布式能源（DERs）、管理不确定性（如随机规划、鲁棒优化）、实施需求响应（DRP）以及应用新兴技术（如车网互动V2G、电转气P2G）方面的关键作用，并分析了其在提升电网灵活性、可靠性和实现净零排放目标方面的潜力。同时，指出了VPP发展面临的监管、网络安全和多市场协调等挑战，为未来智能电网和可持续能源系统的发展提供了重要见解。

　　

虚拟电厂（Virtual Power Plant, VPP）作为未来能源系统的关键使能技术，正受到学术界和工业界的广泛关注。它通过先进的信息通信技术（ICT）和软件平台，将地理上分散的分布式能源（Distributed Energy Resources, DERs），如屋顶光伏（PV）、风力涡轮机（WT）、储能系统（Battery Storage System, BSS）、电动汽车（Electric Vehicles, EVs）以及柔性负荷（Flexible Loads, FLs）等聚合起来，作为一个单一、协调的实体参与电力市场运行，为电网提供支持。

VPP的基本结构与类型

VPP的核心结构通常包含商业虚拟电厂（Commercial VPP, CVPP）和技术虚拟电厂（Technical VPP, TVPP）两个层面。CVPP侧重于经济优化，负责在电力市场（如日前市场、实时市场）中进行投标，以最大化VPP运营商的利润。TVPP则确保CVPP制定的经济调度计划在技术上可行，并满足电网的安全约束，如频率稳定、电压控制等。

根据聚合资源和目标的不同，VPP可划分为多种类型：侧重于提供频率调节等电网支撑服务的技术型VPP（TVPP）；以参与电力批发市场、最大化经济收益为目标的商业型VPP（CVPP）；基于建筑楼宇资源聚合的建筑虚拟电厂（BVPP）；在居民社区层面形成的社区虚拟电厂；整合工业用户灵活资源的工业虚拟电厂（IVPP）；以及能够适应电网条件动态变化的动态虚拟电厂（DVPP）。

VPP在电力市场中的角色

VPP的核心价值在于其能够作为灵活的聚合资源，积极参与多种电力市场。在能量市场中，VPP通过优化内部DERs的调度，在电价低时充电（或减少发电），在电价高时放电（或增加发电），从而套利。在辅助服务市场，特别是频率控制辅助服务（Frequency Control Ancillary Services, FCAS）中，VPP中的快速响应资源（如电池、可控负荷）可以有效地提供调频服务，帮助系统运营商（如澳大利亚的AEMO）维持系统频率在标准范围（如49.85–50.15 Hz）内。此外，VPP还能提供电压支持、网络阻塞管理甚至系统黑启动（System Restart Ancillary Services, SRAS）等服务。

为了安全地整合VPP，配电系统运营商（Distribution Network Service Providers, DNSPs）提出了动态运行边界（Dynamic Operating Envelopes, DOEs）的概念。DNSP通过运行最优潮流等计算，向VPP发布其接入点的功率注入/吸收限值，VPP需在此边界内运行，以确保配电网络不出现过电压、线路过载等安全问题，同时保护用户隐私。

关键技术挑战与应对策略

1. 1.
   不确定性管理：VPP的运营严重依赖于具有间歇性的可再生能源和波动的负荷预测。对此，研究者们采用了多种不确定性建模方法。随机规划通过生成大量场景来捕捉不确定性，但计算量大；鲁棒优化寻求最坏情况下的最优解，计算效率较高，但结果可能保守；信息间隙决策理论（Information Gap Decision Theory, IGDT） 则是一种非概率方法，允许决策者在设定目标收益的前提下，评估参数不确定性对决策的影响，适用于风险厌恶或风险寻求型运营商。此外，机器学习（如深度学习）也被用于提升可再生能源和负荷的预测精度。
2. 2.
   需求响应（Demand Response, DR）的整合：VPP通过实施需求响应项目，激励用户调整用电行为，成为重要的灵活性资源。主要包括基于激励的程序（如直接负荷控制、可中断负荷）和基于电价的程序（如分时电价、实时电价）。特别是暖通空调（HVAC）系统和电动汽车充电负荷，由于其热惯性或可延迟特性，是实施DR的理想资源。
3. 3.
   多能源载体与新兴技术：
   • •
     车网互动（Vehicle-to-Grid, V2G）：电动汽车不仅是用电负荷，更可视为移动的分布式储能。V2G技术使得VPP可以在电网需要时，调动EV电池中的电能反馈给电网，提供调峰、调频等服务。
   • •
     电转气（Power-to-Gas, P2G）：当可再生能源发电过剩时，P2G技术利用电能电解水制取氢气（H₂）。氢气可以储存起来，在需要时通过燃料电池发电（气转电，Gas-to-Power, G2P），或注入天然气管道，甚至用于交通领域。这使VPP能够参与电力、天然气乃至氢能等多个市场，极大地提升了系统的灵活性和脱碳潜力。

VPP的效益与挑战

VPP的推广和应用带来多重效益：促进可再生能源消纳，减少弃风弃光；延缓电网升级投资，通过本地资源优化利用减轻输配电压力；提升电网可靠性与韧性，提供快速响应服务；为用户创造收益，通过参与VPP项目获得电费减免或激励。

然而，VPP的发展也面临诸多挑战：技术层面，需要解决海量DERs的协调控制、通信延迟与网络安全问题；市场与监管层面，需要设计适应VPP参与的新型市场机制和规则，明确各参与方的权责利；商业模式层面，需要探索可持续的盈利模式，吸引更多投资者和用户参与。

未来展望

未来的研究将聚焦于多个前沿方向：开发人工智能驱动的VPP控制策略，实现更智能、自适应的优化调度；探索区块链技术在VPP内部点对点（P2P）能源交易中的应用，提升交易透明度和效率；研究VPP在配电网恢复中的作用，提升电网韧性；深化多能源VPP（集成电、热、气、氢） 的协同优化和市场投标策略；进行储能技术（电池 vs. 氢储） 的技经比较研究；以及构建标准化的互操作框架，解决不同设备、系统之间的集成难题，推动VPP的大规模商业化应用。

虚拟电厂通过聚合“碎片化”的分布式资源，化零为整，实现了能源的协同优化和价值提升。它不仅是应对高比例可再生能源接入挑战的关键解决方案，也是构建清洁、低碳、安全、高效的新型电力系统的重要支柱。随着技术的不断成熟和市场机制的完善，VPP必将在全球能源转型浪潮中扮演愈发重要的角色。