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編者按
疏散式儲能、充電樁、熱通負荷等種類多樣、地位疏散、情勢泛在的靈活性資源規模與日俱增。以充電樁為例，截至2023年末，中國充電基礎設施累計數量為859.6萬臺，同比增添65%。伴隨著中國終端用能電氣化進程穩步推進和智能終真個發展，海量疏散式靈活性資源逐漸能被電力系統實時感知和柔性把持，蘊含宏大調節潛力，具備了進步電力系統柔性、參與電力系統調度和實現從“源隨荷動”到“源荷互動”的客觀條件。
《中國電力》2024年第12期刊發了儀忠凱等撰寫的《市場環境下靈活性資源虛擬電廠聚合調控關鍵技術綜述》一文。文章將對電力市場環境下靈活性資源虛擬電廠全鏈路運營過程中面臨的技術挑戰、當前研討進展和未來攻關標的目的進行剖析和總結，對靈活性資活動佈置源虛擬電廠的聚合建模、競標報價、運行把持3個領域的技術進展開展綜述，將相關主流技術方式的模子特征、關聯關系和適用場景進行了系統性歸納，以期周全認識電力市場環境下靈活性資源虛擬電廠觸及的關鍵科學問題、焦點理論方式和主流技術計劃。
摘要
靈活性資源技術疾速發展、數量與日俱增，為晉陞電力系統靈活性和經濟效益供給了宏大潛力。虛擬電廠通過對海量異構靈活性資源協調治理和聚合調控，為支撐海量異構疏散式資源參與電力市場買賣供給了有用手腕。針對電力市場環境下虛擬電廠中多元海量異構靈活性資源的難以高效管控、分歧運營主體之間存在效益沖突、能量和輔助服務之間具有耦合關系等問題，對電力市場環境下靈活性資源虛擬電廠全鏈路運營過程中面臨的技術挑戰、當前研討進展和未來攻關標的目的進行了剖析和總結。從靈活性資源虛擬電廠的聚合建模、競標報價、運行把持3方面展開剖析，對相關主流技術方式的模子特征、關聯關系和適用場景進行了系統性歸納，以此周全認識電力市場環境下靈活性資源虛擬電廠觸及的關鍵科學問題、焦點理論方式和主流技術計劃等，為靈活性資源虛擬電廠的未來研討標的目的和技術發展供給建議。
01
市場環境下靈活性資源虛擬電廠的技術體系和技術挑戰
1.1 市場環境下靈活性資源虛擬電廠技術體系
針對電力市場環境下的虛擬電廠技術已經展開了大批研討和綜述任務，觸及虛擬電廠聚合建模、競標報價、運行把持等多個方面。文獻[9]提出了數字孿生虛擬電廠的概念，深刻闡述數字孿生虛擬電廠的內涵、架構和特征。文獻[10]圍繞虛擬電廠與需求響應互動的商業機制與市場運營形式，介紹了需求響應參與虛擬電廠運營的參與方法、組織框架、市場競價戰略以及博弈方式的研討進展。文獻[18]系統梳理了規模化靈活資源虛擬電廠的理論框架，從資源運行特徵、分層互動機理和虛擬電廠動態聚合等方面剖析了分布式資源聚合互動調控的技術瓶頸。文獻[19]從區塊鏈的角度剖析了虛擬電廠參與電力系統優化調度的關鍵技術，闡述了分歧鏈下的虛擬電廠運營戰略。文獻[20]剖析了博弈論在協調虛擬電廠和分布式動力方面的優勢，從一起配合博弈和非一起配合博弈2方面綜述當前研討進展。文獻[21]探討了虛擬電舞台背板廠參與電力市場的收益分派問題，詳細對比了主從博弈、Shapley值、競價機制等對虛擬電廠中各主體運營效益的影響。但是，針對含年夜規模、小容量、疏散式靈活性資源的虛擬電廠，今朝尚缺少對其在電力市場環境中技術方式的系統性綜述。現有靈活性資源虛擬電廠示范項目初步實現了理論方式向實踐應用的跨越，驗證了虛擬電廠技術在實現降本增效、削峰填谷、緩解梗阻、下降電價等方面的優勢，為虛擬電廠從起步階段向推廣階段的過渡供給了先導性參考案例。在一系列示范工程和專題研討的牽引下，虛擬電廠與電力市場的基礎互動形式已初步構成，其代表性虛擬電廠示范項目標建設和分布情況詳見文獻[24-27]。
值得留意的是，虛擬電廠技術發展趨勢在國內外存在差異，這些差異重要受國內外動力結構、市場環境、法規政策等原因的影響，具體差別如下。
1）國外虛擬電廠項目標發展相對較早，已經有一些商業化參展的示范項目，且聚焦于市場化運營和商業形式創新。比擬之下，國內虛擬電廠項目今朝處于疾速發展階段，現有示范項目為虛擬電廠從起步階段向推廣階段的過渡供給了先導性參考案例。
2）國內針對調峰市場的虛擬電廠示范項目較多，調峰市場是中國特點且發展成熟，今朝正慢慢應用先進算法和數據剖析東西發掘調峰潛力；國外調峰市場與電能量市場未作區分，是以沒有針對調峰服務的虛擬電廠項目。
3）國外年夜部門虛擬電廠項目呈現分布式、小規模、服務特點場景的特點，著重面向實際的調節需求。比擬而言，國內虛擬電廠朝向源網荷儲一體化趨勢發展，近年來中國鼓勵源網荷儲一體化方面的政策日益增多，國家動力局《2023年動力監督工作要點》明確鼓勵支撐虛擬電廠運營商參與系統調節，鼓勵發展電力源網荷儲一體化。山西、深圳、廣東等地發布了大批虛擬電廠政策機制和統一運營平臺，引導虛擬電廠規范運行、統一發展。
通過對現有研討結果和示范項目歸納可知，今朝國內外專家學者對市場環境下靈活性資源虛擬電廠的運營形式和技術體系已經達成了基礎共識，構成了“4個階段、3類主體、2層治理、1套閉環”的運營管控形式，具體如圖1所示。此中，第1個層面是虛擬電廠與靈活性資源之間的能量治理和運行把持層；第2個層面是電力市場與虛擬電廠之間的市場運營和買賣決策層。通過各主體和各階段的計劃共同和協同治理，最終構成一整套技術閉合鏈路。
圖1 市場環境下靈活性資源虛擬電廠實施流程
Fig.1 Implementation procedure of the virtual power plant with flexible resources in the power market environment
為實現海量異構疏散式靈活性資源在電力市場環境下高效統籌治理，虛擬電廠技術應聚焦靈活性資源運營調控的關鍵挑戰，在靈活性資源聚合建模、競標報價和運行把持3個技術領域進行重點衝破，實現各類廣告設計技術方式全鏈路協調共同，從而有用釋放靈活性資源的調控潛力。包裝設計是以，本文結合3個技術領域的問題挑戰、研討進展和攻關標的目的進行重點總結和討論。
1.2 市場環境下靈活性資源虛擬電廠技術挑戰
本節對市場環境下靈活性資源虛擬電廠關鍵挑戰總結如下。
1）靈活性資源虛擬電廠聚合建模技術挑戰。
隨著疏散式儲能、充電樁、熱通負荷等種類多樣、地位疏散、情勢泛在的靈活性資源規模與日俱增，虛擬電廠中靈活性資源設備往往數量宏大、種類繁雜，若對各設備逐個單獨建模，虛擬電廠治理者將面臨高維復雜的優化計算難題。是以，有需要對靈活性資源的聚合等值模子進行研討，助力虛擬電廠治理者對年夜規模的小容量靈活性資源進行統一治理和聚合調控。靈活性資源虛擬電廠聚合建模技術重要分為2個層面，其一是海量異構設備的節點級靈活性資源聚合；其二是考慮電網平安約束的網絡級虛擬電廠聚合。相關技術問題面臨的焦點挑戰總結如下。
針對海量異構設備的節點級靈活性資源聚合問題，其挑戰在于若何對多元異構、參數異質、規模龐年夜的海量分布式靈活性資源的調控潛力進行聚合、等值和建模。從數學模子層面來說，每個可調設備的靈活性都可以表現為以多面體為邊界的可行域，一簇靈活性資源的聚合可行域等于一切單個設備可行域的閔可夫斯基和（Minkowski Sum）。但是，多面體閔可夫斯基和的計算是一個復雜的NP-hard難題，今朝尚缺乏通用的高效力求解方式，在展場設計靈活性資源數量龐年夜的場景中，該問題將變得愈加復雜和難以計算。
針對考慮電網平安約束的網絡級虛擬電廠聚合問題，其挑戰在于若何針對虛擬電廠內部潮水、電壓等網絡約束對并網接口功率的影響進行建模，進而刻畫虛擬電廠并網接口的調控潛力，評估考慮網絡拓撲和潮舞台背板水約束情況下虛擬電廠的整體靈活性。由于海量異構疏散式靈活性資源的模子和參數存在顯著差異，難以統籌表征和統一建模，且靈活性資源的功率響應和調控指令之間往往存在不成防止的誤差，該場景下各靈活性資源對虛擬電廠并網接口的影響難以量化表征，若何刻畫出一個平安、可托、經濟的虛擬電廠并網接口等值模子是當前研討面臨的焦點問題。
比擬傳統電廠，虛擬電廠聚合建模綜合考慮了多種資源的協同效應，其模子須適應異構資源的需求。這與傳統電廠重要聚焦于單一動力資源的穩定出力和調控分歧。此外，虛擬電廠聚合建模須應對多源不確定性和模子參場地佈置數難以準確獲取問題，在建模時不僅要考慮系統的大圖輸出整體優化，還要動態調整以應對市場規則和電力系統需求的變化。而傳統電廠模子則更多關注于維護單一電廠的穩定運行，調度較為簡單，靈活性和市場適應性請求較低。
2）靈活性資源虛擬電廠競標報價技術挑戰。
在全國統一年夜市場的建設推進下，無論虛擬電廠，亦或是傳統市場主體，均要通過電力市場買賣中間的統一組織和協調參與市場運營，其市場買賣實施流程都應包含參與者投標、市場出清、經濟調度、收益結算等過程，市場主體都需求考慮和治理相關風險，如動力價格波動風險、供需不服衡風險等，都尋求經濟效益和盈利，通過優化動力運營和買賣決策來實現利潤最年夜化。但是，考慮到虛擬電廠的特別性，其市場競標戰略比擬傳統市場主體之間還存在必定差異。虛擬電廠通過智能把持系統實現多種動力資源的協同運營和治理，具有高度靈活性和可調度性，可以根據市場需互動裝置乞降動力供需情況進行優化調整。而傳統市場主體凡是采取一種或少數幾種動力資源進行運營，運營形式相對固定。比擬傳統市場主體，虛擬電廠在市場買賣中更多飾演中間載體的效能，更多是負責一種多級協同共同的市場架構，既要負責向上參與市場買賣，又要負責權衡底層靈活性資源設備的運營效益。
比擬傳統電廠，靈活性資源虛擬電廠將面對加倍多元的電力市場環境，可以同時參與多類輔助服務市場，能夠做到調峰、調頻、備用、調壓多服務協同供給。此外，虛擬電廠需求為電力市場買賣中間、靈活性資源所屬者等多類主體供給服務，分歧運營主體之間存在好處沖突，若何設計公道的市場競標戰略，以實現電力市場、虛擬電廠、靈活性資源之間協調共同和好處平衡是當前研討的主要挑戰。
3）靈活性資源虛擬電廠運行把持技術挑戰。
無論是虛擬電廠還是傳統發電廠，其能量治理與運行把持方式都應與電力系統的多時間標準調度彼此共同。是以，在電力市場環境下，靈活性資源虛擬電廠的能量治理與運行把持方式同樣應包含日前調度-日內滾動-實時校訂等環節，且應與傳統電廠一樣為電網供給柔性調節才能，滿足電力系統的供能需求。
比擬傳統電廠，虛擬電廠內部資源種類更多，參與主體數量更年夜，分歧主體之間存在效益分派和好處沖突問題。是以，虛擬電廠的能量治理和運行把持面臨著系統整體優化和各主體好處訴求之間協調和平衡的挑戰。此外，虛擬電廠實際運行中面對多源不確定性問題，虛擬電廠的運行把持需求考慮分布式電源出力和負荷預測的不確定性。
02
靈活性資源虛擬電廠聚合建模方式
靈活性資源虛擬電廠的聚合建模方式重要分為面向海量異構設備的節點級靈活性資源聚合方式和考慮電網平安約束的網絡級虛擬電廠聚合方式2類，其聚合架構情勢如圖2所示。
圖2 靈活性資源虛擬電廠聚合架構
Fig.2 Aggregated architecture of flexible resource virtual power plants
2.1 節點級靈活動佈置活性資源虛擬電廠聚合建模方式
針對海量異構設備的節點級靈活性資源聚合問題，為防止求解海量靈活性資源的精互動裝置確聚合可行域，專家學者提出了一系列低復雜度算法對靈活性資源聚合模子進行近似，具體可以細分為3類。
1）外包近似法。
文獻[34-35]通過對設備容量參數乞降，近似求解靈活性資源的群體可調范圍。文獻[36-37]求解了靈活性資源可行域的最小外包多面體，使得近似后的靈活性資源靈活性完整不受損掉。但是，外包近似法會擴年夜靈活性資源的原始可行域，存在分化后的指令不成行風險。是以，這類奇藝果影像方式往往需求設計額外的校訂戰略對設備分化指令進行修改，從而保證下發的調控指令不違背設備的物理模子約束，這必定會增添系統的通訊負擔和計算復雜度。
2）內接近似法。
今朝，主流的內接近似方式可以分為調節范圍評估和多面體內接近似2類。此中，多面體內接近似方式又可以分大圖輸出為盒狀近似方式、對稱多面體近似方式和虛擬儲能模子近似方式。文獻[44]提出了一種基于分布魯棒機會約束的可行域內接近似理論，將無序分布式動力轉換成有序靈活性資源模型，顯著晉陞調控中間建模和計算效力。內接近似方式雖然會在必定水平上犧牲設備的調控靈活性，但其可以確保分化指令嚴格滿足各設備物理模子的可行域約束。策展是以，若何兼顧分歧種類資源的模子特征，擴年夜內接近似模子的可行域，發掘和釋放海量靈活性資源的調控潛力亟需進一個步驟解決。
3）參數近似法。
參數近似法針對靈活性資源集群的聚合問題構建一個物理意義加倍明確的聚合參考模子，并提出了評估靈活性資源集群可調節才能的量化指標體系，從而能夠在特定的應用場景下疾速計算獲得相應的聚合集群靈活性量化指標。文獻[45]提出了評估靈活性資源集群可調節才能的量化指標體系。文獻[46]基于參數辨識評估溫控負荷集群的響應才能，評預算法考慮了響應功率和響應時長2個才能指標。參數近似法基于物理意義明確的等效模子，通過參數估計和數據擬合等研討手腕，獲得規模化靈活性資源的等效近似參數，其缺點在于各類靈活性資源的物理模子存在必定差異，參數場地佈置近似法難以實現對海量、異構、多元化可調資源的靈活性進行統一建模和表征。
2.2 網絡級靈活性資源虛擬電廠聚合建模方式
針對考慮電網平安約束的網絡級虛擬電廠聚合問題，若何刻畫虛擬電廠并網端口的調控潛力，是學術界的研討熱點。具體可以分為以下3類。
1）抽樣仿真法。
結合靈活性資源和分布式動力的出力特征和功率分布，采用蒙特卡洛等抽樣方式，天生大量量虛擬電廠運行場景，輔以虛擬電廠內部生產模擬和運行仿真技術，可以評估和擬合獲得虛擬電廠并網接口的有功功率與無功功率關聯關系和分平面設計布范圍。
2）優化評估法。
考慮虛擬電廠內部潮水平安和電壓范圍約束，以【穿越/重生】紅刺北《用美貌勾搭大佬》【已完結+番外】最年夜化有功功率調節范圍為目標，通過優化計算可以給出分歧無功功率或分歧功率因數下有功功率的玖陽視覺最年夜/最小調節范圍，輔以描點計算和曲線擬合方式，從而評估出虛擬電廠并網接口的功率調節范圍。
3）邊界收縮法。
起首構建合適規范化形狀的外接多面體，然后通過對該外接多面體進行形體放縮或邊界搜刮，獲得并網點處等效發電機設備或等效儲能設全息投影備的調節范圍。常見的計算方式包含高維立方體法、內切高維橢球法、高維多面體投影及邊界收縮算法。
值得留意的是，抽樣仿真和優化評估方式的優勢在于，當抽樣和仿真場景充分的情況下，可以無限迫近精確的虛擬電廠聚合可行域，缺點在于計算負擔較年夜。比擬之下，邊界收縮的優勢在于計算負擔比擬前2類方式更小，缺點是會形成必定水平的靈活性損掉。
03
靈活性資源虛擬電廠競標報價戰略
根據虛擬電廠的競標報價計劃能否會對電力市場的出清電價產生影響，虛擬電廠的市場競標方式可以分為2類。第1類方式將虛擬電廠建模為價格接收者，常用于虛擬電廠體量較小的場景；第2類方式將虛擬電廠建模為定價參與者，常用于虛擬電廠體量相對較年夜，足以影響市場價格的場景。虛擬電廠參與市場運營形式如圖3所示。
圖3 虛擬電廠參與市場運營形式
Fig.3 Market operation model of the virtual power plants
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3.1 虛擬電廠作為價格接收者的競標報價方式
當虛擬電廠體量較小，缺乏以影響電力市場的出清電價時，虛擬電廠凡是被建模為價格接收者參與電力市場買賣。在這種場景下，由于虛擬電廠對電力市場出清價格的影響較小，虛擬電廠運營者往往采用“只報量”競標方式戰略，向上級市場提交分時電量曲線。在該形式下，通過對分歧類別的靈活性資源協調調度，結合電價和靈活性資源的預測結果，虛擬電廠向上級電力市場遞交的競標計劃，以達到市場套利的目標。文獻[56]考慮可調設備和網絡拓撲平安約束，以最年夜化運營利潤或最小化運營本錢為目標，通過多時段聯合優化獲得虛擬電廠向上級電力市場的申報功率曲線。文獻[57-58]樹立了虛擬電廠產消者模子，應用遺傳算法對非線性混雜整數規劃問題進行了求解，通過調節內部門布式發電機組和儲能裝置的發策展電和用電功率，向上級電力市場供給能量和備用服務。邊際本錢定價理論是虛擬表格內容繁多，包括她的個人信息、聯絡方式、貓的電廠運用經濟學中的一種邊際剖析道理，決策基于每增添單位產出所帶來的額外收益與本錢。文獻[59]基于邊攤位設計際本錢函數的解析表征方式，計算了多參數與本錢的分段映射關系，進而參與市場買賣。需求響應也是虛擬電廠調節內部資源的有用途徑，文獻[60-61]將虛擬電廠作為價格接收者時的柔性負荷進行需求響應，獲取調峰收益攤位設計。
3.2 虛擬電廠作為定價參與者的競標報價方式
當虛擬電廠體量較年夜，足夠影響電力市場的出清電價時，虛擬電廠可以被建模為定價參與者參與電力市場買賣。在這種場景下，虛擬電廠運營者可以采用加倍靈活性的“報量報價”競標戰略，同時向上級市場提交分時電量申報范圍和分段報價曲線。“報量報價”常用競標方式有以下3種。
1）基于本錢函數分段線性化的競標方式。
通過將虛擬電廠的聚分解本函數分段線性化，可以獲得與虛擬電廠邊際運行本錢分歧的分段本錢曲線。基于真實的分段本錢曲線進行競標報價可以保證虛擬電廠收益的穩定，確保市場參與者不虧損。在實際本錢曲線基礎上進行報價調整，可以必定水平上影響市場出清結果，進一個步驟增添虛擬電廠競標收益。此外，這種競標方式對于電力市場運營者而言是最佳的，若一切市場參與者都根據其真實的發電本錢進行報價，整個電力市場的運營效益可以達到最佳。
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