新型电力系统中虚拟电厂的技术创新与示范应用报告

新型电力系统中虚拟电厂 ERSITY的技术创新与示范应用 清华四川 康重庆教授 清华大学电机系主任清华四川能源互联网研究院院长 清华大学能源互联网创新研究院院长天府永兴实验室新型电力系统研究中心主任 山 新型电力系统中的灵活资源 “碳达峰、碳中和”目标面临的重大挑战 能源转型、市场改革、电能替代、分布式资源等的发展，为分布式资源快速增长 新型电力系统引入新型资源的同时带来灵活性增量需求。2030年分布式电源装机达5.05亿千瓦，占比 泸華大学 各行业电气化率发展趋势 我国分布式光伏发电装机容量数据统计 17%，电网稳定运行遭遇挑战 灵活资源规模庞大、利用率低 终端电气化率稳步提升，灵活资源规模庞大 2030年可达1.08亿千瓦。 ·电网实时平衡调节困难 我国开展削降需求响应情况（亿干瓦）我国电动汽车销量（万辆）电力系统“双高”特征明显，发电、负荷预 测难度增加，源荷平衡困难，2030年电网调峰容量缺口约2亿千瓦。 重大转变 20147 201年20170 2018年 18号2019年传统供需平衡：源侧调节为主 需求侧电气化水平加速上升需求侧灵活资源快速增长新型系统平衡：需求侧主动参与 2 新型电力系统中的虚拟电厂 虚拟电厂是应对新挑战的一种清洁低碳、安全高效的解决方案 分布式电源 泸華大学 虚拟电厂 储能 市场信息电力市场 资源协调优化 及配置利用 虚拟电厂稳定出力 运行平台电网 可调容量 柔性负荷能量交互 电动汽车 虚拟电厂(Virtual/PowerPlant，VPP)将柔性负荷、分布式电源、电动汽车和分布式储能等海量用户侧 资源，通过信息网络技术和市场化手段，将分布在不同地域和电网区域的资源进行聚合，摆脱地理空 间、电网拓扑约束，能够提升电网平衡调节能力、促进新能源消纳，具有显著的低碳特征。 3 虚拟电厂的“三性”与能源“不可能三角” 后 人究院 淮华大学 成本联网研 低廉规模性 能源虚拟电厂VPP"三性” “不可能三角” 能源环境灵活性低碳性 安全L友好 传统能源系统的能源"不可能三角”：虚拟电厂以规模性、灵活性、低碳性的能源安全、成本低廉、环境友好三者不资源有效提升电力能源系统的治理水平可兼得是解决能源“不可能三角”的有效手段 4 虚拟电厂的“三性”与“三化（三视角） 规模效应：海量分布式资源 轻资产化：互联网平台化特征下的虚 提升异构通信承载与风规模性拟电厂资源，无需重资产投资； 险评估水平，降低通信低成本化：投入资金要求低！运维依 风险损失赖数字化，人力资源投资少、交效率高 加强通信可靠性、时滞 泸羊大学 性信息管控技术，改善共享市场红利：引导电力 成本社会视角 响应成本信息视角用户资产响应电网指令 数字化低廉市场化 构建全局化电网、聚合共享电力市场社会福利 商、用户隐私防护技术协同新能源带来多元化调 体系节品种，实现运营成本的 物联网和区块链支撑下能源市场化传导，推动虚拟电 的高度自治和互信体系 “不可能三角”厂常态化运营 能源环境 安全友好聚合分布式绿色电源进行 拓展灵活资源边界：需求源网荷储协同 侧资源多样具有较大挖灵活性低碳性移峰填谷特性：用户行为 狂潜力提供灵活调节能力 安全保供能 够提供紧急控制、等求响 物理视角充分利用扁平化特征 应、调峰调频爬坡等不分布化强化多时间尺度聚合 听时序响应能力多时序调控技术 5 虚拟电厂：科学问题与研究框架 泸華大学 2021年立项，储能与智能电网”专项5.11动态豪合3灵活交易通信承规优化 武共保机利与人工 规模化灵活资源虚拟电厂聚合互动调控关键技术资酒集合主销分有 速联电厂时变可行以外况 选职电厂高交全可经国 与助志限会伏化通信网络架构 科学问题：合的化表证叉易手系线 课起3，虚相单厂分品互地 模式汽区块链可供交得技术 海量分布式资源运行特性、互动机理及其动态聚合问题农用电动态的性络识同络价直及时教业务承单 资源动态特性与响应能力量化分层互动与分布式可信交易 更活应低力量北分析宽取电厂海量用物然端车 与评结干系线研发建报电厂云动协间 MR 建界电广均贸自话 送照1：定招电厂分易分 区动态构建与联点能力 调控于系线研发 清调座及安全防护技术 深区4-报电厂分高式协课盟2：虚机审广通信资 终端安全接入和隐私数据保护 云边协同调度及分布式控制 量化分析接术同互动调与递行控制投术 原果应用 大规模分布式资源参与电网5元范验证 新江告强广城成程电厂示市工程上海超大城市级盘标电厂示施工程 互动调节应用需求课能5：虚报电厂协网互动请押系统继承造证与示范应用 6 主线 规模化灵活资源虚拟电厂聚合互动调控关键技术 关键技术攻关核心装备示范验证应用案例 物理视角信息视角社会视角 研 消华大学 分层分区 安全接入 通信模组浙工江示程范各地工程 H 动态聚合市场策哈 上工海示程范 典型案例 解聚合 信息控制交易技术运营系统 协同控制隐私防护可信体系 信息 推动虚拟电厂关键技术体系构建、核心装备研 传递发、技术标准引领、示范推广应用，全面实现虚拟电厂技术体系的贯通融合，推动虚拟电厂加速发展。 7 物理视角：虚拟电厂分层分区受邀在知名杂志T&DWorld上发表《TheUnique 羊大学 虚拟电厂分层分区调度组织模式与聚合分析理论 Opportunity(andChallenges)ofVPpImplementation》 建立基于“伪测量“的配网状态感知能力与分区并行计算的拓扑变化辨识模型，支撑基于配网实时运行状态估计的虚拟电厂分区聚合，提出考虑“接入电压等级-市场代理关系-通信网络分区"的“信息-物理-社会”多维互动的灵活资源分层组织规则，为分层分区的虚拟电厂调度资源动态组合提供分析理论 M店 指导分区 文用RH 估计效率提升 配网拓扑辨识 BRH 求解精度提升 8 泸華大学 物理视角：虚拟电厂动态聚合研究成果《UpdateSchedulingforADMM-BasedEnergySharing 虚拟电厂的关键特征提炼与外特性规范化表征受到国外知名工程学网站<AdvancesInEngineering>的报道 提出虚拟电厂动态构建与可信量化分析理论及关键技术体系，形成规模化灵活资源虚拟电广外特性的通用指标评估 几 体系及规范化建模方法，实现对源、储、荷侧共11类资源的建模和异质性统以及考虑不确定性的精度刻画提升 业务场景明应时长调节容量电应速车网络模型DERs模型外部据 需求响应氧决于合购或老通 内，10分胖别1小时 通需在分静级别 通常要求能速理供输 0需求响应股大客 通常对虚于几小实我惠锋值需求提供相对快的响虚速车网络范扑、参数/运行 15分特别30分钟内数据 长时同尺度下类调 功事可行减，动力学 方程、能量联利、 爆约束、调节能力 P力V,，WT气出温 新能源消然光平分用的清取决于新能源的始需在几分钠内调整 网络拓扑关系DER调度灵活性模DER多时阅尺度调节 出围灵活性模型 虚拟物理 资源资源 聚合聚合 所4 标准型化模 聚合 安全约束 高维多面体向考虑不确输出喘口 端口安量空间定多面体调宽灵活 投影可以作为性范图P和 机会约束多时间尺 引入优化度训节灵 精度可达90.29% 动态聚合关键技术体系外特性评估体系规范化建模方法及不确定性表征 9 物理视角：虚拟电厂运行优化 虚拟电厂云侧协同优化基于动态鲁棒优化的虚拟电厂调峰优化模型 针对虚拟电厂运营商参与调峰辅助服务市场的日前调度阶段，构建了一种刻画虚拟电厂参与调峰辅助服务市场的可调空间统一模型，提出了基于动态鲁棒优化的虚拟电厂参与调峰目前运行优化模型，有效提高了虚拟电厂运营经济性，保证了电力系统运行可靠性 泸華大学 主能量市场 APm(t) 电价 辅助服务市场 [△P,(t) 可再生能源出力被观测前，根据出力预测预先确定调度策略× 顶层调调频指令生成 市场机制(x,6.y)=d'y(r,o)yeY(r.o) 虚拟电厂聚合商联合博弃Vecw 双测到不确定性 运行基线可调空间根据实际值和预调度策路 所采取补偿措施）Cind' 调峰外特性 i().Pf(t)ARO)AP,(t)Y(r,o)=(y[By≤bCo4x) 半控型资源，可控型资源 分布式资源出力指令生成 (xo)=,dy 两阶段零和博弃 不性现 xe.r 预决策 VPPO各分布式资源优化出力 10 可调空间描述云边协同调峰指令分解流程动态鲁棒模型框架 物理视角：虚拟电厂协同控制 虚拟电厂云边协同互动灵活调度-云边协同二次调频优化架构 明确了云边协同二次调频优化流程及功能，首先提出基于联邦学习的边侧资源调频潜力分析方法，而后考虑功率基线、等值模型和成本函数，构建基于闵可夫斯基和的同构多面体内逼近功率可行域聚合方法，其次建立云侧二次调频优化模型，在边侧分解调频指令，经仿真边侧控制响应时延为33ms Step1：边侧资源调频潜力分析Step2：边侧虚拟电厂聚合模型 基于联邦学习的模型训练功率基线：虚拟电厂根据当前各设备运行状态计算不参加调控时虚拟电厂功率基准值 等值模型：结合各设备实时状态与调频潜力，确定虚拟电厂整体调频能力约束 泸華大学 服务器 模型印练MD 成本函数：根据各设备上报的二次调频响应成本 新求解虚拟电厂聚合响应成本闵可夫斯基和 参数Step3：云侧二次调频优化模型Step4：边侧指令分解 运营商发布二次调频服务需求目标函数：用户收益、用 多种类型的规模化灵洁活资滤共同参与调户满意度综合最优 目标函数：运营商调控成本最低、社会福利最优约束条件：各类灵活资通 本地模型训练MED本地模型以练MgD本地模型训练MgD 约束条件：功率平衡约束、源侧机组约束、虚拟调频能力约束、用户满意 Worker1WorkeriWorkerN电厂调频能力约束遇频时间约束等度约束、总调频量约束等 11 羊大学 物理视角：上海工程面向二次调频的辅助服务测试 探索安全一区+APC、5G切片等多种方式接入的虚拟电厂调频能力，通过实时负荷变化趋势由电网D5000发送调节指令，为电力系统的安全稳定运行提供二次调频服务 上电服份虚拟电厂实时曲线 上海市虚拟电厂的调频响应实证 12 泸華大学 信息视角：虚拟电厂安全接入 虚拟电厂海量异构智能终端实时安全接入技术 提出基于被动式设备指纹的电力物联网终端接入认证方法，采用双向长短期记忆网络实现终端身份识别 并采用固定窗口滑动采样机制和SMOTE采样方法解决特征矩阵维度不一致和样本不平衡问题，从而提高 了终端身份识别的准确率。 提出面向虚拟电厂海量异构智能终端的轻量级安全接入方法采用标识公钥生成技术进行密钥生成与轻量 级管理，实现终端设备标识与公钥的绑定，有效降低传统PKi认证方式密钥管理难度及建设成本。 特接入 特现权量：*（二 ENR 可关系有基于改进TOPSIS的适配性打分 平均准确度比其他同类方法提升0，7% 透配维净分 方寓1万第2方第4万幕6 HPLC+电力 WAPI+光以大网+光纤HPLC双R稳功丰无线+ RS-48+5G 无线专用 专网+4G 热信电台 性端安全认证 86.65083.13075.56093.12091.05088.500方期5,3 座4 89.50084.10083.25078.50088.04086.350方第1.4 接端安全提入77.15685.94381.66086.25389.19883.426方6，3 分析适配性结果适配方案与虚拟电厂用户通信现网应用一致 c,(6)[c,=(Ne) 泸华大学 信息视角：虚拟电厂信息控制 虚拟电厂通信资源按需调配及确定性网络低时延控制技术 面向虚拟电厂细粒度网络状态感知需求，设计了多源协同时间同步及混合互补网络测量方法，提出的基于1376.1 协议改造的业务通道带内测量方案可实现us级时延测量精度。构建了软件定义通信控制架构，在控制层研究流量 高精度预测方法、通信资源调度方法，支撑网络资源调配及低时延控制 字节格式 名称 混合互补网给性能测量字节 分布式资源累合调控平台通信调度于系线 OD BCD驿 业务传编时蓬需家 卫星对时同步 1376.1 牛位个