国家电网：虚拟电厂在新型电力系统的应用（45页 PPT）

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虚拟电厂在新型电力系统中的应用与思考 国家电网 STATE GRID 国网电力科学研究院 STATE GRID ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE 政策背景 虚拟电厂 相关系统 典型案例 目 录 CONTENT 01 02 03 04 关于推进电力源网荷储一体化和多能互补发展的指导意见 ( 发 改 能源规〔 2021 〕 280 号 ) 中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和 2035 年 远景目标纲要 关于加快推动新型储能发展的指导意见 ( 征求意见稿 ) 关于进一步完善抽水蓄能价格形成机制的意见 严 控 煤 电 大 力 发 展 风 电 和 光 伏 风 光 水 火 储 、 多 能 互 补 和 源 网 荷 储 一 体 化 发 展 大 力 发 展 储 能 技 术 全国碳排放权交易市场建设方案 ( 发电行业 ) 关于统筹和加强应对气候变化与生态环境保护相关工作的指导意 见 ( 环综合〔 2021 〕 4 号 ) 2021 年 2 月 2 日 2021 年 2 月 24 日 2021 年 2 月 25 日 2021 年 3 月 12 日 2021 年 4 月 22 日 国家能源局、国家发展和改革 委员会、财政部、中国人民银关于引导加大金融支持力度促进风电和光伏发电等行业健康有 行、中国银行保险监督委员会序发展的通知 ( 发改运行〔 2021 〕 266 号 ) 国家能源局、国家 发展和改革委员会 国务院 发改委、能源局 发展改革委 国务院关于加快建立健全绿色低碳循环发展经济体系的指导意见 ( 国发〔 2021 〕 4 号 ) 文件名称 《新时代的中国能源发展》白皮书 2020 年 12 月 31 日生态环 境部 2021 年 1 月 11 日生态环 境部 发布机关 国务院新闻办公室 发布时间 2020 年 12 月 相关政策 国务院 3 拓展配电自动化主站分布式光伏功能应用，推进台区智 能融合终端与光伏并网断路器、光伏逆变器、 智能电能 表的就地交互及深化应用，实现中、低压并网光伏的可 观、可测与就地调控。 深化配电物联网建设应用，深化融合终端与智能断路器 、 智能电表等交互，实现台区全景监测、故障精准研判 、 分布式光伏并网监控、 电动汽车有序充电等功能规模 应 用。 强化电力平衡管理，建立考虑负荷类型和分布式能源 的负荷预测机制。 加强日内平衡管理，动态分析风光 水煤气蓄等资源的发电能力和全网增供潜力，提前预 判日内平衡风险。 落实公司支持服务分布式光伏规模化开发工作方案， 在“三华”地区建设基于调控云的分布式电源调度管 理 功能，强化分布式电源的国 - 网 - 省 - 地纵向管理， 实现分钟级数据采集功能，试点建设县域分布式光伏 功率预测与监视系统。 提出分布式电源集群参与调频、调压、调峰的协同调控 方法。 提升新能源功率预测水平和气象预测预警水平，加 强 风电、光伏预测功能建设。 研究分布式资源安全接入的实现方法，研发适应分布式 资源高比例接入的边缘终端扩展应用支撑模块。 开展台区级低压分布式电源功率自主平衡试点，提 升 分布式电源调节能力。 国 调 中 心 2 年 重 点 工 作 设 备 部 2 年 重 点 工 作 相关政策 4 另一方面，能源系统的清洁化和用能成本约束使得电力系统运行可靠性面临严峻挑战。 风电、太阳能发电的出力具有明显的波动性和间歇性特征，大规模接入将使得电力系统的电压稳定、功率平衡等 面 临严峻挑战，而我国现有电力系统灵活性调峰资源的缺失和柔性控制与系统调度能力的短板难以应对大规模新 能 源接入。必须投入大量资金用于系统灵活性资源的建设、改造以及电网基础设施的升级，从而带来用能成本的 变 化，亟需从系统层面协调大规模新能源接入与用能成本、系统运行可靠性三者的协调问题。 一方面，能源系统的清洁化和供能可靠性要求，使得社会用能成本的降低面临较大压力。风电、太阳能发电较之 传统煤电的发电成本仍然较高，并且为了保障风电、太阳能发电顺利并网，需配套建设大量调峰资源以保障系统 运行的安全性，风电、太阳能发电仍不具备 取 代煤电的经济性。 同时，我国风、光等自然资源与负荷中心 存 在显著的逆向分布特征，大量的新能源电力需要通过特高压通道输送 消纳，大规模的输电通道投资和固有的输电损耗也进一步降低了风电、太阳能发电开发的经济性。 大力发展风电、太阳能发电，提升非化石能源在终端能源消费中的占比，是实现“ 30.60” 双碳目标的题中之一。 然而，推动能源系统的清洁化转型，必然会对全社会用能的经济性、可靠性带来挑战，能源系统的“清洁化、经 济性、可靠性”是不可忽略的“能源三角形”问题。 政策背景 5 新型电力系统构建分为转型期、建设期、成熟期三个阶段。 2021-2030 年是转型期，传统电力系统向新型电力系 统 升级，新能源发电装机成为第一大电源；分布式、微网加快发展，跨省区输电继续增长；火电灵活性改造全面实 施 , 新能源主动支撑、虚拟电厂、柔性输电、系统安全运行和控制等技术逐步成熟并推广应用。 2031-2045 年 是建设 期 ，新型电力系统基本建成，新能源逐步成为电量供应的主体，主动承担系统调节和电力保障责任；分布式、 微网 和综合能源网络广泛存在，就近消纳以新能源为主的分布式电源；“西电东送”趋于饱和，大电网发展步入稳定 期 ; 大容量电化学储能、电制氢、 CCUS 、直流组网等技术取得突破，并推广应用。 2046-2060 年是成熟期， 新型电 力系统全面建成，新能源全面具备主动支撑能力，成为电力、电量主体，并在系统中发挥主体作用；大电网 与分布 式电源、微电网等多形态并存，源、网、荷、储等多要素互动，电、气、冷、热、氢等多能互补； CCUS 、 电制氢、 可控核聚变、超导输电等颠覆性技术广泛应用。 构建可调节负荷资源库。可调节负荷资源全部纳入省级智慧能源服务平台统一管理。配合政府科学编制有序用电方 案，达到最大负荷 20% 以上且覆盖各省最大电力缺口。建设新型负荷管理系统。 构建新型电力系统运行控制体系。提升极端天气情况下预测精度。开展新一代调度技术支持系统研发和试点建设， 在公司系统内全面推广。优化调度方式，统筹全网备用资源共享、省间余缺互济等手段，提升资源优化配置能力。 推进辅助服务市场建设。国家主管部门应研究制定系统调峰、调频、备用等辅助服务交易体制，建立灵活性资源市 场主体参与市场的机制。在高比例新能源地区，推进灵活爬坡、系统惯量、无功服务等新型辅助服务交易品种。按 照“谁受益、谁承担”原则，建立用户与发电共同参与的辅助服务分担共享机制。 推动电力市场与碳市场协同发展。研究碳达峰、碳中和目标下电力市场体系，建立适应绿色能源发电特性的交易组 织、合同签订、交易结算方式，做好绿电交易试点建设和推广工作。研究绿色电力消纳认证关键技术，建立绿色消 纳认证体系，为市场主体提供权威绿电消费证明，深化碳交易等应用。优先开展清洁能源替代交易。依托车桩网协 同平台，打通碳交易 - 车联网 - 运营商 - 车企 - 电力 - 监管等多数据渠道，深化绿电溯源功能建设。 政策背景 6 政策背景 虚拟电厂 相关系统 典型案例 目 录 CONTENT 01 02 03 04 广义上来讲，虚拟电厂可以不局限在对分散式能源资源的整合构建层面，还可以站在另外的某个视角来看待，比 如：站在电力交易的角度看，以独立身份参与电力交易的市场主体就可以作为一个“虚拟电厂” , 尽管它可以包含分散 式 能源、火电厂、水电厂、集中式风电、光伏等；站在电网调度调峰的角度，一条并网线路上所有电源及可控负荷、储 能、充电桩、蓄电池组等都可以构成一个“虚拟电厂”。 因此，从这个意义上讲，虚拟电厂是一种管理模式或者说是一套系统，通过配套的技术把分散在不同空间的发电装 置、发电厂、储能电池和各类可控制 ( 调节 ) 的用电设备 ( 负荷 ) 整合集成，协调控制，对外等效形成一个可控电源 系 统。主要包括三种形式： 1 、集中式发电厂形式，在某个区域实现分散式能源资源 ( 分布式电源、储能系统、可控 负荷 、电动汽车等 ) 的聚合，形成一个虚拟电厂主体，参与电力交易及调峰调频等辅助服务； 2 、某个综合能源基地 形式， 包括火电厂、分散式光伏、分散式风电、储能、充电桩等“电源”聚合，形成一个虚拟电厂主体，参与电力交易及调峰 调 频等辅助服务； 3 、虚拟电力公司形式，某个省级发电公司、售电公司可以将相关签约独立电厂、虚拟电厂等整合为 一个大型的“虚拟电厂”市场主体，参与电力交易及辅助服务。 虚拟电厂定义 8 客户侧的现状 存在大量电动汽车和可调 节负荷 存在弱可观性、弱可测性 和弱可控性 分布式资源商业模式欠缺 难以参与市场化交易 是否存在有 效方案 ? > 增加了负荷预测准确性的难度 随着规模增加，影响力度增加 对传统调度计划方式提出挑战 威胁实时电网运行的安全稳定 发电和负荷，呈双侧随机性 稳定的优质电源不足，弱化了调控能力负荷 提高负荷预测精 度 提升紧急状态规模 精细修订发电计划 增加实时备用容 量 随机性 规模化 不可预测性 不可控制性 新能源的特点 对电网的影响 虚拟电厂建设意义 高成本 高难度 传统解决方案 9 火电厂 水电站 F 子 } 光伏电站 风电场 大 电 网 虚拟电厂 ( 机组 ) 反聚合 W 传统负荷 分布式储能 传统负荷 新型负荷 分布式电源 虚拟电厂将来根据相关政策导向 , 聚合以及运营形式不同，智慧管 理、控制、运营支撑的应用系统也 不同， 一般包括以下主要系统： 1 、集中监控系统 2 、 AGC/AVC 及一次调频系统 3 、电力交易辅助决策分析系统 4 、成本及运营核算系统 5 、智慧检修运维调度系统 6 、统计分析结算系统 虚拟电厂智慧管控系统 十 调控中心 风电场 聚合 10 W 虚拟电厂智慧管控系统 聚合和协调优化 虚拟电厂系统 分布式电源 储能装置 可控负荷 可聚合 可交易 可调配 多种类型用户共同参与 系 统 从 调 度 可 见 、 满 足 电 力 市 场 准 入 并 开 展 交 易 出 发 ，模 拟 常 规 发 电 机 组 外 特 性 参 数， 制 订 虚 拟 电 厂 各 类 资 源 调 用 方 式 ， 能 够 进 一 步挖 掘 闲 散 冗 余 资 源， 由 虚 拟 电 厂 平 台 分 类 聚 合 ， 使 虚 拟 电 厂 的 机 组 爬 坡 率 等 特 性 曲 线 与 常 规 发 电 机组近似，方便调度实时调用。 商业建筑虚拟电 工业自动响应 三联 供 分布式能源 冰蓄冷装置 电动车充电 桩 园区微电 网 储能系 筑 11 交易系统 出清结果 调控结果 智慧能源控制 SCADA 可调资源 资源调控 互动安全 聚合 策略 分析 调节能力 控制目标 电网调度控制主站 ( 国分级 ) 调节能力 控制目标 电网调度控制主站 ( 省地级 ) 系 统 需 求 容 量 基础 辅助 服 务 有 偿 服务 一次调频 基本调峰 基本无功调节 自 动 发 电 控 制 AGC 旋 转 备 用 热备用 有偿调峰 有 偿 无 功 调 节 黑启动 分 布 式 储 能 充 电 桩 电 锅 炉 三 联 供 分 布 式 光 伏 安全接入区 ( 纵向加密 安全接入区 ( 纵向加密 ) 交易申报 4) 出清结果 聚合调节能力 聚合控制指令 虚拟电厂运营模式 - 辅助服 务 调度数据网 光纤和 4G 专网 光纤 /4G 公网 / 小无线 / 以太网 等 主 站 层 聚 合 层 用 户 层 综合能源 负荷 公司 集成商 用户调节能力 用户控制指令 用户结算 系 统 资 源 提 供 用 户 资 源 提 供 居 民 空 调 中 央 空 调 工业企业及 园区用户 电网 集中式 储 能 大型 新能源 电 厂 设备调节能力 设备控制指令 商业楼宇 用户 用户 聚合体 辅助服务种类 社 区 用户 设 备 层 常规 电厂 新 增 直 控 负 荷 可 中 断 负 荷 设备 控制 指令 设备 调节 能力 蓄 冷 蓄 热 车联网 结算结果 12 . . 由 于能 源及负荷 结 构各 异 ， 各 区 域 、 省 份 的 辅 助 服 务 市 场 的 发 展 侧 重 点 也 各 不 相 同 。 从 各 区 域 的 电 力 辅 助 服 务 补 偿 费 用 的 类 型 来 看 ： 华 北 区 域 以 调 频 和 调 峰 为 主 ， 其 中 调 频 补 偿 力 度 最 大 ， 占 比 5 2 % , 补 偿 费 用 也 是 全 国 最 高 ， 为 9 .6 亿元，华北区域调峰补偿力度略低于调频服务，占比 45%; 东北区域以调峰补偿为主，占比 98%, 补偿费用也是全国最高，为 24.5 亿元； 西北区域调频、调峰、备用分布较为均衡，占比分别为 31% 、 25% 、 30%, 此外还有 14% 的调压费用； 华东及华中区域均是调峰占比最高，分别为 42% 及 47%, 其次是调频，占比分别为 34% 及 23%; 南方区域备用补偿力度最大，占比 80%, 补偿费用全国最高，为 37.2 亿元。 各区域辅助服务市场 ■ 调峰 ■备用 ■调压 ■其他 13 政策背景 虚拟电厂 相关系统 典型案例 目 录 CONTENT 01 02 03 04 调 度 需 求 电力交易平台 出 清 结 果 总体调用信息 响应信息 准入审核结果 虚 拟 电 厂 管 理 平 台 ( 依托需求响应、 负 荷 控 制 平 台 ) 准入审核结果 执行认定结果 分解调用信息 响应信息 虚拟电厂平台 聚 合 协 调 以电为核心的智慧能源体系 6 科技产业园区 响 应 终 端 国国国… 国 国回国…回 储能装置电锅 炉 动力与照明 ! 空 调 工业设备空调 动力与照明 可调节负荷资源集控中台 准入条件满足情况 接入方案 虚拟电厂外特性 虚 拟 电 厂 档 案 燃气轮机 蓄冷机 光伏板 虚拟电厂外特性 执 行 认 定 结 果 注册信息 报 价 信 息 合同信息 出 清 结 果 结 算 信 息 虚拟电厂平台 调度平台 虚拟电厂平台 商 业 楼 字 出清结果 能 源 站 15 6 ◎ 省级智慧能源服务平台 省级平台分基础应用、高级应用、管理应用三大类，包括能效管理、智能运维、需求响应、有序用电、 能源大数据、能源生态圈、项目管理、档案管理、智慧能源控制 SCADA 九大功能及碳交易服务、实用化监 测 拓展功能。 能源生态圈 客户需求资源池 服务响应资源库 运营支撑体系 能源服务 客户管理 实用化监测 监测总览 核心业务监测 公共档案 客户档案管理 用能用户管理 需求响应 响应资源管理 响应能力预测 响应邀约 响应执行 响应效果评估 响应激励结算 能效管理 能耗分析 能效分析 成本分析 能效对标 节能潜力分析 能源大数据 设备画像 用户画像 行业能效 区域能效 能源数据服务 有序用电 有序用电指标 目标客户检查 有序用电方案 有序用电执行 执行监测 考核评价 项目管理 工程建设服务管理 资产管理 碳交易服务 电碳模型 电碳画像 核算报告 碳能力评估 碳 e 融 电碳地图 智慧能源控制 SCADA 能源监测 操作控制 智能运维 运行监视 故障研判 设备巡检 故障抢修 缺陷管理 服务评价 服务商管理 设备档案管理 销售服务管理 项目分析评价 客户信息管理 资产运维 明细数据查询 参数配置 商机管理 供应商管理 数据交互 数据处理 告警监视 策略管理 高 级 应 用 管 理 应 用 基 础 应 用 16 需求响应 事件信号 直接参与需求响应用户 能源控制器 计量电表 关口计量数据 方式 1- 虚拟电厂运营管理系统 需求响应 需求响应 事件信号 代理参与需求响应用户 居民配变台区 能源控制器 智能插座 计量电表 计量电表 关口计量数据 用户如何更好响应 系统 需求 管理信息大区Ⅲ区 省级智慧能源服务平台 虚拟电厂服务功能 绿色国网 APP 短信平台 需求响应 事件通知 需求响应 事件通知 引入聚合负荷集成商 / 虚拟电 厂 虚拟电厂服务 计量数据 数据中台 业务 目标 绿色国网 web 需求响应 事件通知 / 响应确认 互联网大区 可调负荷 运行状态 可调负荷 运行状态 需求响应 事件信号 用采系统 可 调 负 荷 可 调 负 荷 可 调 负 荷 用户管理员 事件信号 17 4 4 虚拟电厂 1 虚拟电厂 2 虚拟电厂 3 公共资源库 H 可调节负荷 分布式发电资源库 社区多能 CPS 商业楼宇用能 CPS i I 田 现货交易平台 中长期电力 交易平台 第三方 CPS 平台 N ◎ 能源 控制器 需求响应运营平台 4 虚拟电厂 N 虚拟电厂可调节负荷聚合 交易出清，需求发布 交易代理 申报 交易出清 需求发布 交易代理申报 执行反馈 工业企业及园区 CPS 丘 备 用 服 务 调 频 服 务 调 峰 服 务 储能资源库 电动汽车资源库 社会第