虚拟发电厂.docx

摘要 近几年来，尤其是进入新世纪后，伴随着我国经济的快速发展，新兴技术在电力领域中不断涌现，电力系统各大环节（发、输、配、送）中的传统技术都将面临被新兴技术替代的命运，新兴技术将直接应用于电力的生产、传输、配送和使用。而整体的发展趋势就是以分布式发电为主的智能电网，智能电网技术的发展使得新型电源的无缝并网成为了可能，因为它将通信、高级传感、自动控制等技术有机得结合，能够实现自我管理及自我恢复，并有很强的兼容性。分布式电源接入电网后，通过合理的应用智能电网技术，实现实时互动和协调运行将能够成为现实。在此背景下，虚拟发电厂(Virtual Power Plant，VPP) 技术应运而生，所谓虚拟发电厂实际上是指智能电网中的一种运行方式，在分散管理系统的监管下，虚拟发电厂能够为发电厂以及用户带来更大的经济效益并提供更高质量的电能服务。 虚拟发电厂技术能够解决以往存在于分布式能源与清洁能源接入与控制环节中的难题。虚拟发电厂的概念起源于美国，已在欧美各国获得成功应用，被学术界认为是智能配电网的重要发展方向。 本文详细阐述虚拟发电厂技术，介绍其概念、结构，研究VPP中主要的分布式电源的特性以及并网影响；除此之外，本文还将对虚拟发电厂技术在智能电网特别是智能调度中的应用做进一步的研究与讨论；最后提出VPP未来的发展方向。关键词：虚拟发电厂；分布式电源；智能电网ABSTRACTWith the world's electricity consumption is growing, new technology will directly affect the electricity production, transmission, distribution and use. Meanwhile, with the advantages including high flexibility, low cost and low loss as well as energy storage, clean energy and Distribution generation (DG) are favorable to environment protection.Innovative power generation technology has a large spectrum including wind generator, fuel cells, biomass unit, micro gas turbine and combined heat and power units etc. However, the increasing number of DGs connected to the distribution network causes lots of difficult technical troubles in the monitoring and management of distribution system, therefore, it is of importance to research how to appropriately apply the smart grid technology to ensure the seamless connection between DGs and distribution network. To develop smart grids, active control of both distribution network and DG is needed, and that is how the “Virtual Power Plant” (VPP) concept is brought up.The VPP can be defined as “an information and communication system with control over an aggregation of distributed generation, controllable loads and storage devices”. Its main function is to control the supply and manage the electrical energy flow not only within the cluster, but also in exchange with the main grid. It represents a single entity to the system operator and electricity markets and enables visibility and control over a cluster of distributed generation.This dissertation research focused on the virtual power plant technology ,The VPP technology is discussed in detailed. The major aspects that determine the design of a VPP are the technological possibilities, commercial and economical opportunities and regulatory constraints. In the following the major technical, commercial and regulatory aspects concerning the VPP design are discussed.Key Words: Smart Grid, Virtual Power Plant, Distributed Generation目 录摘要IABSTRACTII目 录III第1章 绪论11.1 选题背景和意义11.2 国内外研究现状21.3 多代理系统的基本原理41.3.1 多代理系统的基本概念41.3.2 多代理系统在虚拟电厂运行中的优点5第2章 虚拟发电厂技术62.1 引言62.2 虚拟发电厂的概念62.3 虚拟发电厂的结构72.4 虚拟发电厂的分类92.4.1 商业型虚拟电厂 CVPP92.4.2 技术型虚拟电厂 TVPP102.5 虚拟发电厂的控制方式112.6 虚拟发电厂的通信结构122.7 虚拟发电厂的运行 132.8 虚拟发电厂与微电网15第3章 多代理系统在虚拟发电厂中的应用研究173.1 引言173.2 多代理系统173.2.1 多代理系统概念173.2.2 MAS的结构分类183.2.3 MAS 的通讯机制与协调平台193.2.4 MAS 在虚拟电厂中的提出203.3 基于 MAS 的 VPP 协调控制系统设计223.3.1 基于 MAS 的 VPP 的控制框架223.3.2 VPP 研究模型233.3.3 仿真控制模式23第4章 虚拟发电厂在智能电网中的应用研究254.1 引言254.2 虚拟发电厂联网运行254.2.1 5 基于 MAS 的 VPP 之间、VPP 与上级电网的协调调度254.2.2 并网后 VPP 各 Agent 调整方案264.2.3 仿真结果及分析274.3 虚拟发电厂在电力市场中的应用274.3.1 VPP 在外部电力市场的运作模式284.3.2 基于 MAS 的 VPP 运行算法294.3.3 VPP 在内部市场的运作模式304.4 发展虚拟发电厂所需的智能电网技术344.4.1 数字化的量测体系344.4.2 先进的监控软件和辅助决策体系364.4.3 负荷预测与发电预测技术364.4.4 高级配电运行374.4.5 适应新能源接入的输变电系统无功电压控制技术37第5章 结论与展望405.1 结论405.2 展望40参考文献42致 谢45IV第1章 绪论1.1 选题背景和意义伴随社会的日益进步，全球经济持续发展，随之而产生的是新兴技术的不断涌现和人民生活水平开始不断提高。在此背景下，社会对电力及其他能源的需求都在持续增长。随之而来的是环境、气候等问题的逐渐凸显。电力系统事故也在全球范围内频繁发生，如2003年美加大停电、2005年莫斯科大停电、2006年伦敦大停电以及2008年我国南方因雪灾造成的多市县的电力供应中断事故等。加上能源的短缺，各国都已将节约能源，提高能源效率作为基本能源政策，并实施了一系列节能减排的措施。 1（Demand Side Management, DSM），已成为继煤炭、石油、天然气和电力后的“第五能源”，重要性由此可见。强化DSM工作，可以全面的挖掘节电潜力，对节能减排有着显著的效果，地位重大。DSM的定义为：在相关法规和政策的支持下，采取有效的鼓励和引导措施，加以合理运作，通过发电企业、电网、能源服务企业、社会中介组织、相关产品供应商、用户等协调合作，以达到提高终端用电效率和改变用电方式的目的，在满足同样用电功能的同时减少电能损耗和需求，达到节约资源和保护环境的目的，实现社会效益最优化及成本最低化所进行的管理活动。 虚拟发电厂2（Virtual Power Plant,简称VPP）是电力需求侧管理的实际运用中的一个创新模式，它的运用可以实现在建设常规电厂和相应输配电系统的同时，提高电能利用效率。虚拟发电长较一般节能措施具有建设周期短，运营成本低，零土地占用，零污染等四大优势。VPP有着显著的节能减排效果，因此便于向社会推广，从而促使了DSM的开展和顺利实现节能减排的目标。VPP的建设，有利于约束污染源，并对气候恶化起到缓解作用，实现低碳绿色发展，有助于缓解电能紧缺，并能持续发挥作用；另一方面，VPP有利于企业降低成本，从而提高其竞争力。VPP是由能量管理系统和控制的小型和超小型分散发电机组成的一个集合性电站3。其拥有者和操作者可以通过由电脑运算得出的操作规划来获取技术、经济和生态方面的收益。在风力发电等分布式电源逐渐进入家庭之后，虚拟发电厂技术可以实现家庭或个体负载将多余电量反哺电网的可能，并且合理分配周期性分布式电源与可分派分布式电源的工作时间，有效协调地区电能需求和电力批发市场的电力需求。一旦智能电网技术投入运行，虚拟发电厂技术将会得到更大的应用空间，成为未来电网的发展趋势4。1.2 国内外研究现状目前，国内外在此项目及虚拟发电厂开展方面都有一定的发展，尤其国外在此方面已经有了较好的成功经验和案例。在欧洲，虚拟发电厂的提出成为了应对各类分布式电源控制问题的解决方案，在一些地区大规模的虚拟发电厂作为实验项目已经开始运行5。 德国慕尼黑电力公司通过其拥有的一座新建成的虚拟发电厂，同时运营了6台热电联产机组、5个水电站和一座风电场，其实际能效和实际经济效益均要高于单独运行这些电厂6。据了解，这些发电厂的总发电量可达到20 MW。此外，美国通过政府部门制定了虚拟政策及规则，以市场化运作模式，用过基于市场的财政激励政策，调动各方参与虚拟电厂建设的积极性，实现能效的提高；法国通过电价调节负荷。德国通过制定相应的政策法规等措施支持电力公司实施包括虚拟电厂在内的电力需求侧管理项目，提高用户终端能效7。对于可再生能源，由于有着很重要的地位，所以国内外对其都有着很多的法律条款。特别是欧洲，有着比较完整的政策体系。以德国为例，可再生能源和热电联产单元的法律规定在该国很受支持，例如可再生能源法和热电联产法。日本也是一个极其需要虚拟电厂的国家。由于日本破坏性的地震和海啸后，重建工作的时候面临的很严重的电力短缺局面。由福岛第一核电站危机和其他发电设施损坏所产生的一系列问题使该国丧失了几乎4%的电力基本荷载，轮流停电在东京周边成为很正常的现象，这严重阻碍了日本制造业的发展。所以为了弥补电力短缺，增加煤、石油和天然气厂的发电量，但同时造成了大量的经济损失，越来越高的重建成本。为了缓解这一现象，同时还要满足日本在京都议定书框架下减少温室气体，专家们相信，创建虚拟电厂比增加集中式发电厂更为快速有效的适应不断变化的能源需求8。高耗能一直是存在于我国经济生产及社会生活中的一个严峻问题。据相关部门统计，我国单位GDP的电能消耗为韩国的3.1倍，日本的11倍，到达世界平均水平的3.8倍。损耗严重、利用效率过低无疑是造成我国电力紧缺的症结之一。然而另一方面，能耗高就意味着节电市场潜力大，我国高耗能设备较多，包括照明、锅炉、制冷设备等都有待提高效率。据测算，我国终端用电设备的总节电潜能约为2000亿kWh。根据发改委的节能规划要求，到2020年，我国每万元GDP耗能要由2002年的2.68吨标准煤降到1.54吨标准煤，由此将形成14亿吨标准煤的节能能力，而这其中很大一部分需要通过节电来完成。因此，VPP的解决方案无疑在我国有着非常大的市场潜力，对于面临“电力紧张和能效偏低矛盾”的中国来说，VPP无疑是一种好的选择9。自2005年以来，全国范围内，包括江苏、广东、上海等省市地区相继开展了虚拟电厂的试点工作。同时，北京、河北等地也正积极探讨虚拟电厂的建设并形成了一定的规模。同年，我国也由第十届人大第十四次会议审议通过了可再生能源法，并于2006年开始实施。可再生能源法主要对以下几个方面做出了明确的规定：1.发展可再生能源总量目标制度；2.可再生能源并网发电和全额收购制度；3.可再生能源分类上网电价与费用分摊制度；4.支持农村可再生能源的发展；5.财政税收鼓励措施。然而，虚拟电厂工作在我国仍处于探索和试运营阶段，相关实施机制、技术措施、配套政策及组织模式等均有待完善。开展虚拟电厂及其应用的研究，可以对政府、电网企业、电力用户、能源公司以及包括金融机构，节能认证机构等都产生积极的作用，所以促进我国在虚拟电厂中的发展，对国家有着十分积极的意义10。各国对绿色能源都相当的重视，并且努力实施和开展其项目，虽然有很多虚拟电厂行业尚未完全规范，这恰恰使我们在未来的探索道路中可以获得更大的成就。从整体来讲，对于VPP的研究和应用仍处于起步阶段，尤其在应用方面，由于现有的建设主要基于大型电力机组，只有一些机组通过普通的远程终端设备11(RTU, Remote Terminal Units)连接到电力管理系统。随着小型机的组建设和投运逐渐增多，VPP的结构也将发生变化。机组的数量将增加，通信也需要变得更简单和更便宜。通过使用小型热电联产机组，虚拟电厂将可以包含有几百个发电机组。然而，VPP的控制方式一直是存在于研究中的重难点。首先，其特殊结构造成了在运用数学模型进行最优化计算过程中的困难。模型需要非常精确，因为不精确的模型可能会导致电力系统无法实现最优化结果，而且，最优化中的余量只有当此优化方法在所定的时间段中能确定解决方案时才能使用。其次，由于VPP必须提供分散机组在线控制的自动化方式，例如对不平衡电能的补偿，目前尚没有操作者能对结果进行实时检查和改正。本文提出利用多代理系统技术来改进虚拟发电厂的控制与运行，并通过算例分析智能仪表与通信技术如何改进虚拟发电厂的控制方式12。1.3 多代理系统的基本原理将多代理技术引入虚拟发电厂（VPP），可以充分满足电力系统分布化的趋势，协调控制虚拟发电厂和智能电网中各级电网的关系，优化电能质量，从而进一步加强对智能电网的支撑、改善电网的可靠性、合理利用分布式电源的目的。1.3.1 多代理系统的基本概念多代理系统( Multi Agent System, MAS)13-15处理模式是近年来各领域研究的热点之一。相比现有系统，多代理系统具有很好的自主性和启发性，其主要目的是将大的复杂系统划分成较小且能够彼此相互通信及协调、易于管理的系统。多代理系统的设计包含了化整为零的理念，在这样的模式下，过去需要整个系统集中完成的任务，可以通过分配给几个子系统来完成，再通过子系统之间的通讯来整合。不同子系统之间既相对独立又有相互联系，各个子系统独立的工作和运行，他们相互之间只有信息的交流，通过协同合作的方式进行工作。VPP 与智能电网的交互是一个分散式的控制系统。这其中涉及到状态预测、信息传递、指令计算和执行等。为了提高分布式电源之间、电网之间的协调与控制，Multi Agent 系统的支撑显得尤为重要。此模式下，以往需要整个系统集中完成的任务，现在可以通过几个子系统来完成。各个子系统之间既相对独立又相互联系。相互之间仅存在信息交流，通过协同合作的方式完成工作。1.3.2 多代理系统在虚拟电厂运行中的优点与传统的协调控制相比，Multi Agent 有以下几方面优势：1. 多代理技术的技术优势能够适应电力系统分布化的趋势，达到分布电源并加以合理利用的目的。2. 通过多代理系统的应用达到对虚拟电厂和智能电网之间、虚拟电厂与虚拟电厂之间的协调控制。3. 通过多代理系统的应用达到对电网电能质量的优化。4. 通过多代理系统的应用加强虚拟电厂对智能配电网的支撑能力从而改善电网的可靠性。38第2章 虚拟发电厂技术2.1 引言虚拟发电厂概念的提出有效的协调了分布式电源与智能电网间的矛盾，分布式能源为用户和电网带来的效益和价值得到了进一步的挖掘。VPP在并入智能电网后，能为发电企业和供电公司和带来更多新机会。通过这虚拟电厂生产的电能，可直接在德国莱比锡欧洲能源交易所交易，亦可销往其它电力市场。VPP不仅为供电公司提供新的电力销售方式，更使其运营的灵活性得到提高。此外，虚拟发电厂还可以提供紧急的备用电力，使得电网的稳定性得到有效增强。 本章将对虚拟发电厂技术的概念、特点、控制方式详细介绍，并对虚拟发电厂在实际应用中所需要的技术进行解析。2.2 虚拟发电厂的概念虚拟发电厂技术（VPP，Virtual Power Plant）16-18，是指通过虚拟控制中心将可控负荷、分布式电源（DER）和储能系统有机结合起来，让它们在电网中以特别电厂的身份参与运行。VPP的每一部分均与控制中心相连，通过智能电网实现信息双向传送，对机端潮流、负载端负荷以及储能系统进行统一调度，以达到最终降低发电损耗，降低电网峰值负荷，优化资源利用，减少温室气体排放及提高供电可靠性的目的。VPP 能够灵活整合各类分布式电源，学者们旨在利用它整合各种具有不同发电方式的分布式电源，并且结合各类分布式电源的功能特性，在综合空间的条件下来合理得将一系列分布式电源组合成一个整体，其基本结构如图2-1 所示。目前投入运营的 VPP 多利用的是能量管理系统（EMS）作为控制中心。为了给 EMS 系统提供来自发电机端和受端负荷的精确信息，虚拟电厂需要一个全新的同步测量系统，以及为运行人员提供的可视化的高级电网监控界面。目前可行的方法是利用 PMU 测量技术，在系统的重要节点处安装测量装置，通过全球定位系统（GPS）获取精确信息，测量和计算各节点动态电压以及故障数据，监测系统的异步运行、频率波动、低频振荡、同步发电机短时失磁异步运行等动态过程。VPP通过利用电力系统同步向量测量（PMU） 技术，为电网实时动态监控提供一个信息平台，并能对互联电网的动态过程特性进行进一步的分析和评估，辨识系统的失稳现象，给调度及运行部门提供预警、预防控制的在线决策和紧急控制决策，从而提高电网安全运行水平。事实上，虚拟发电厂在现今而言依然处于一个理论与实验阶段，在文字上并没有对它有一个确定的定义。在各类文献论述中，虚拟发电厂被描述成了不同的概念，类似多站点异构实体或者一个自主的微电网。但是，大多数假设都集中在“聚合”这个概念，对于虚拟发电厂的结构和形成论述并不多。图 2-1 虚拟电厂基本结构Fig. 2-1 The Basic Structure of the Virtual Power Plant2.3 虚拟发电厂的结构虽然，如今大多数研究都针对虚拟发电厂在低压电网的应用。笔者认为，未来的虚拟电厂应当可以涵盖低压和中压两种配电网络中的分布式电源。这些分布式电源应可以分为两类：（1）公用分布式电源：这类电源包含了风力、水力等发电站，这些发电站本身就是以投放电力近于电网为目的而建造的，但是由于其发电量的变化和难以预测性而需要通过虚拟发电站来整合。（2）家庭分布式电源：这是一类小型的，为个人住宅、商业或工业分部服务的分布式电源。这些电源在自主负责的电力需求满足之后，如果有盈余，可以将多余的电力反哺给电网；同时，若此类电源无法满足个体的用电需求时，电网也可以向个体提供能源。一般来说，这些分布式电源都会自带能量储存电池。公用分布式电源通常会连接着一个连接至低压配电网的路径或者储能电池作为负载；而家庭分布式电源一般被看作一个只能连接至中压电网的电力储能元件。这两种分布式电源有以下不同：（1）目的：家庭分布式电源其运营者的首要目的是满足其本身的电力和供暖需求，同时保证其服务的可靠性。他们并不了解电力市场的运行情况。但是，公用分布式电源的运营目的就是出售其生产的电能。（2）地位：一般来说，家庭分布式电源的生产能力相比公用分布式电源会小很多，因此，家庭分布式电源是无法作为一个独立的生厂商参与电力市场运营的，但是，公用分布式电源在电力市场是一个重要的能源供应商。随着家庭分布式电源逐渐融入电网，这些分布式电源可以自行组合成为一个微电网。而这些微电网，都需要一个中央控制系统来协调其组成部分的运作。使用虚拟发电厂的概念，每个微电网以及分布式电源可以作为一个整体运行，并且在系统管理任务中可以正常调用。一些分布式电源具有周期性的特性，比如：风能、没有储能设备的光伏发电系统；而另一些分布式电源，比如燃料电池和微型涡轮机，是可分派的，他们可以迅速、方便地改变运作机能。因此，不论是公共分布式电源还是家庭分布式电源都可以分成周期性和可分派性两种分类。虚拟发电厂还应该配备一些可控负荷，比如：储能电池或者可分派发电机，以应对分布式电源的随机波动。为了保证虚拟发电站一直带着负荷进行发电，虚拟电厂可以签署一些传统的电力销售协议19。整个虚拟电厂由中央能源单元管理和控制。中央管理系统可以进一步细分成更小的单元，一些学者将其称为本地管理系统，这些本地控制单元一方面与中央控制单元想联系，同时和负责协调和控制各自辖区范围内的负荷和发电机，本地控制单元也会参与中央控制单元的决策。2.4 虚拟发电厂的分类根据功能不同，虚拟电厂（VPP）被全球学者主要分为两种20，分别称为商业型虚拟电厂（Commercial VPP，CVPP）和技术型虚拟电厂（Technical VPP，TVPP）。2.4.1 商业型虚拟电厂 CVPP商业型虚拟电厂 CVPP 旨在提供一种通用途径，将 VPP 中的分布式电源（DER）接入到电力市场中，可以理解为 VPP 连接至电力市场的功能划分协调模块21。对于在投资组合中的，这种方法降低了 DER 在市场上孤独的运作失衡的风险，通过聚合所取得的效益还能提供了多样性的资源和提高能力。在市场的 DER可以获得规模经济的效益，而从电力市场的参与情报中又可以最大限度地提高收入的机会，而 DER 单独运作所面临的风险，又可以被自我调节型的智能电网所承担。为了达到这些目标，CVPP 的设计也应根据电力市场规则，确保将 VPP内部的微型电力市场和外部电网进行无缝连接。图 2-2 给出了 CVPP 的输入输出。每个在 CVPP 组合的 DER 提交资料，说明其运行参数，边际成本等特点。这些输入汇集到单一的 VPP 并创建文件，每个文件都代表了每一个投资组合的DER 的结合能力。CVPP 的主要功能有：1.规划所有的有关能量和传播流动的花费、收益和约束。依据设定的电力交易时段（15、30min 或 1h）的时间分辨率，并考虑 17 天的情况。规划功能根据人工输人或是自动开启来进行循环操作 (例如一天一次或者一天多次)。2.负荷预测。提供多种类型负荷的预测计算。其中包含所需的基本数据，即在规划功能中决定的时间分辨率范围内的连续的历史测量负荷值。负荷预测建立分段线性模型用以模拟影响功能变化的行为。例如，日期、天气变化或是工业负荷的生产计划等。模型方程系数每天在有新的测量值时循环计算。3.根据市场情报，优化潜在收入的有价证券，制作合同中的电力交换和远期市场，控制经营成本，并提交 DER 进度、经营成本等信息至系统运营商。4.编制交易计划、确定市场价格、实现实时市场交易18。2.4.2 技术型虚拟电厂 TVPP技术型虚拟电厂 TVPP 是技术角度的 VPP22。TVPP 是由负荷和分布式电源共同组成的系统，它可同时提供电能和热量；其内部的电源主要由电力电子器件负责能量的转换，并提供必需的控制。在其连接到传输系统的角度，可以被看成是一个带有传输系统的发电厂，具有与相连电厂相同的参数。下表列出了表征 VPP的主要参数。下图总结了所需的输入和输出来表征 TVPP 的活动，通过 CVPP 提供的输入信息，TVPP 改善 DER 对系统操作员的可观性，同时提供实时或接近实时的网络管理功能以及预定配套服务。为加强在传输电一级的 DER 活动管理，系统操作员通过虚拟电厂控制中心获得 DER 的操作位置、运行参数、网络拓扑结构和成本数据等限制信息，然后通过智能中心在线优化协调 DER，从而形成 TVPP。TVPP 的主要功能有23-26：1.提供可视化操作界面，并允许对系统做出贡献的 DER 活动，同时增强 DER的可控性，提供系统以最低的成本运营。2.整合所有 DER 的输入，为每个 DER 建模（内容包括可控负荷，电网区域网络，以及变电站操作等）3.提供发电管理，监督VPP的所有发电及电能存储机组，再根据每个机组各自的控制方式 (独立、人工、计划或控制)和机组参数(最小最大能量输出、功率梯度及能量内容)，它通过命令界面计算和传输机组的实际状态(起动、在线、遥控、扰动)、机组的实际能量输出及机组起动停止命令和机组能量设定点。此外，此功能根据机组状态变化监督和发信号给命令响应和设定点。如果有机组扰动，发电管理功能会根据环境变化，同时考虑到所有的限制条件，自行起动机组组合计算来强制重新计划其他剩下的机组。4.在线优化和协调DER。在线优化和协调功能将整体的功率校正值分配给在控制方式中运行的所有的单独的发电机组、储存机组和柔性负荷。分配算法根据以下的原则运行：首先，必须考虑机组的实际限制(如最小、最大功率，储存内容，功率调整限制等)。其次，整体功率校正值必须尽可能快的达到。再次，最便宜的机组应该首先用于控制操作中。这里的“最便宜”是以机组在其计划运行点附近所增加的电能控制费用作为参考依据。每个独立机组增加的功率控制费用根据各自的调度计划由机组组合功能计算出。每个机组各自的功率校正值输出到发电管理功能和负荷管理功能来实现。依据TVPP的具体要求，DEMS软件包被研发出来并用于虚拟发电厂的智能管理中心27。在DEMS中，VPP的各组成部分以及它们的能量流动拓扑通过模型元中的一些类来表示，如揉性负荷及转换器等。DEMS机组组合功能能计算最优化的调度计划从而应用于所有的柔性单元，比如发电机组、存储和柔性需求等。目标函数是收益和成本的差值，即利润。此计划需要考虑模型元的参数和它们之间的拓扑连接。这个连接表示了经济信息，虚拟电厂的技术、环境和合同参数以及限制。机组组合通过运用混合整数线性规划(MILP，Mixed Integer Linear Programming) 的方法来得出最优化方案。DEMS是基于普遍装有Windows操作系统的计算机，并配有标准的界面和协议的软件。因此，它很容易随着新的模型而扩大，并保证了拥有者对虚拟电厂的继续投资。2.5 虚拟发电厂的控制方式如今，分布式发电技术已逐渐渗透到全世界的各个地方，造成这个趋势的主要原因是，人们在寻求一种能保持可持续发展的能源生产方式，同时也要兼顾减环境污染这一全球性问题，人们目前在寻求的是，更多元化的获取能源方式，以及更高效的能源利用率。VPP 按照其结构以及其相关的信息指示方式不同，可以分成以下三种不同的基本控制方式28：（1）集中控制。在此控制方式下的虚拟电厂称为“集中控制的虚拟发电厂（Centralized Controlled VPP, CCVPP）”。这一结构下的 VPP，要求发电厂对涉及分布式运行的每一个单位的信息可以完整的掌握，同时，其操作设置需要满足当地电力系统的不同需求。这一类型的 VPP，在达到最佳的运行模式时，会有很大的潜力。但是，往往由于具体的运行实际的限制，具有有限的可扩展性和兼容性。（2）分散控制。在此控制方式下的虚拟电厂称为“分散控制的虚拟发电站（Decentralized Controlled VPP, DCVPP）”。在分散控制中，VPP 被分为多个层次。本地 VPP 控制着辖区内有限的 DER，再由本地 VPP 将信息反馈给上一级 VPP，从而构成一个整体的层次结构。相对于上一种集中控制模式中的弱点，DCVPP 利用模块化的本地运行模式和信息收集模式有效地改进了这一缺陷。然后，运行时的中央控制系统仍然需要位于整个分散控制的虚拟发电系统的最顶端，以确保系统运行的安全性和整体运行的经济性。（3）完全分散控制。在此控制方式下的虚拟电厂称为“完全分散控制的虚拟发电站（Fully Decentralized Controlled VPP, FDCVPP）”：这种运行模式，可以认为是分散式制的一种延伸。分散式控制模式中的中央控制系统由数据交换处理器代替，这些数据交换代理提供例如：市场价格、天气预报以及数据记录等有价值的信息。对于分散控制模式中的小单位来说，由于 FDCVPP 模式下的即插即用能力（plug and play ability），在此模式下运行，相比之前的两种模式，会具有很好的可扩展性和开放性。基于以上三种模式的运行特点，完全分散控制的 VPP 应该是更适合于在市场中投入运行的模式。一个由欧盟研究委员会规划设计的未来电力系统网络模型中，就拟将一个完全分散控制的虚拟发电站视作是分布式发电成功迈向全面运营的基础20，在这个规划中，电网中的每一个节点都是激活的，反应灵敏，对于周围环境的变化敏感，并且可以智能调整价格。而由本文中提出的基于多代理系统控制下的虚拟电厂则可满足完全分散控制的特性和要求，其具体内容将在接下来的几章中得到更加详尽的阐述。2.6 虚拟发电厂的通信结构虚拟电厂的通信依赖于分散电力机组和电力管理系统控制之间的双向通信。对于大型机组，可以使用基于 IEC 608705101 或 IEC 608705104 协议的普通遥测系统。而在不久的将来，通信渠道和通信协议也将随着小型分散电力机组数量的怎家而起到越发重要的作用。而常见的遥测技术很有可能会因为价格过高而被其他基于简单的 TC PIP 适配器或电力线路载波的技术所替代29。处于现阶段的虚拟发电厂，其主要的特点是其内各发电单元与负荷均直接或间接得与能量管理中心（EMS）相连。因此，虚拟电厂的通信系统构架十分重要，需要一个性能极佳的计算机处理中心提供最快的处理速度以及最小的延迟时间，并有足够容量接纳可能安装的新装置，为 EMS 系统提供各子系统实时、精确的数据信息流。然而，虚拟电厂内过多的冗余信息会使 EMS 系统的处理速度大大降低，为保证系统正常工作，EMS 所接收的数据应按照特殊格式与特殊协议发送，一种可行的方案协议是 IEC61850 标准。需要指出的是，智能电网中几乎所有的信息传输和交互都必须依可靠性较高的高速光纤网来实现。每个现场测控装置和数据库都是以太网的节点，它们各自拥有固定的 IP 地址，所有的信息都将在光纤网络中传输。如图 2-9 所示。图 2-9 智能电网通信系统的光纤通讯Fig.2-9 The fiber communication system of Smart Grid2.7 虚拟发电厂的运行 VPP一般在短期内成本最低时调用它的各个机组投入工作。基于此目的，它需要解决一个最优化程序，其目标函数是每个小时与电网交易的电能中的热、电收益之和以及热电联产燃料消耗所构成的投资收益比，其约束函数则是电、热能在VPP的电源和负载之间的平衡。同时虚拟发电厂需要和配网运营商协调以得出其最优化策略来维持配电网的安全配网运营商的主要责任之一。它需要操控网络以达到每天母线的电压偏差都可见并且避免任意一条线路的过载。事实上，如果虚拟发电厂的最优化策略没有得到配电网运营商的统一管理，即VPP的操作者擅自使它的所有短期成本最小化，包括生产成本和与电网的交易成本，从而强行提供他们的热能和电力，这将会导致配电网的电压和电流超出允许范围。为虚拟发电厂在电力市场中的运行建议了一种可行的框架。在这个计划中，分布式发电机组向虚拟发电厂运行者提供他们的能量销售建议，由虚拟发电厂的运行者在电力市场中进行谈判或者直接与用户进行沟通。在确定了公司的商业战略后，虚拟发电厂在电力市场中进行谈判，然后由电力市场运行者决定最后的商业交易。而市场的结果需要系统操作员进行验证。当技术上的约束被排除后，应该向电力的生产者和用户公示，并且允许他们与另一供应商进行比较和裁定。显然，如果某一虚拟发电厂的供电受到技术上的约束，当有很多虚拟发电厂时和仅有单一的虚拟发电厂的状况是完全不一样的，因为此时其他发电厂可以改变日程表甚至改变机组投入的地点，以减少发生技术问题的地点的发电机组台数。这对虚拟发电厂来说也是很重要的信用指标。如果技术分析上并没有问题，系统操作员会就此与市场的操作员进行沟通，允许他注意这样的汇报。在进行市场交易的时期，虚拟发电厂必须承担起对每个生产者输送到网络的电能进行长期的控制，以对因技术不能接受调度的发电机组进行补偿。在此框架中，虚拟发电厂在电力市场中角逐的同时，其内部也有一个由所有分布式电源组成的充分竞争的市场。我们可以推断这个框架并没有考虑在内，因为存在一些分布式电源特别是那些属于普通居民和小型商业用户的机组容量并不大，并且其拥有者对电力交易知之甚少。另一方面，哪些市场考虑在此框架内以及这些市场的特点同样没有说明。由虚拟发电厂的概念和运行模式可以很容易知道，为了达到虚拟发电厂技术、经济和生态的效益，一台虚拟发电厂至少需要以下一些设备30：(1)电力管理系统：监视，计划和优化分散电力机组的操作。(2)负荷预测系统：预测短时间(1h)和较短时间(至7天)的负荷。(3)可再生能源机组的发电预测：此预测必须能够根据天气预报来预测风力发电和光电发电。(4)电力数据管理系统：收集和保存优化和预测中所需的数据，如发电量和负荷的情况以及用户需求的合约数据。(5)强大的前端平台：实现有分散电力机组的电力管理系统内的通信。首先，VPP依赖于分散电力机组和电力管理系统控制中心之间的双向通信。其次，所有计划工作和调度操作都必须保证预测有足够精确