在上海市中心黃浦區(qū)，一座不同尋常的電廠正在悄然建設中。它不建廠房，不燒煤、不燒氣，預計今年年末，它能在用電高峰時段釋放出約5萬千瓦電力來“削峰填谷”。這座明確寫入上海市電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃，由眾多分布式儲能設備集合而成的黃埔區(qū)商業(yè)建筑虛擬電廠，正成為上海市電力體制改革、智能電網(wǎng)建設的獨特案例。
今年1月，位于黃浦區(qū)九江路上的寶龍大廈第八次參與了虛擬電廠試運行，“發(fā)電”能力達100千瓦。寶龍大廈僅僅是黃浦區(qū)虛擬電廠的一個項目。迄今，虛擬電廠最大規(guī)模的一次試運行，參與樓宇超過50棟，釋放負荷約1萬千瓦。
什么是虛擬電廠?
發(fā)電和用電保持動態(tài)平衡，是電網(wǎng)平穩(wěn)運行的重要保障。近年來，隨著上海產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和生活水平提高，電力峰谷差不斷加大。為了保證高峰期供電安全，上海電網(wǎng)不得不保留大量的冗余發(fā)電能力，造成資源浪費。虛擬電廠的出現(xiàn)解決了這個問題。
虛擬電廠(VirtualPowerPlant，VPP)是由不同類型的分布式能源組成的一類特殊類型的發(fā)電廠。它通過先進的控制、通信技術(shù)，將眾多用電設備削減負荷的能力視為虛擬出力，將需求響應資源視為在負荷側(cè)接入系統(tǒng)的虛擬發(fā)電機組，從而參與市場和電網(wǎng)運行。
“這個原理說來也簡單。”上海經(jīng)研院規(guī)劃評審中心(以下簡稱“規(guī)評中心”)楊建林博士告訴筆者，“以寶龍大廈為例，在冬夏兩季用電高峰期，我們的系統(tǒng)只需對大廈各樓層中央空調(diào)的預設溫度、風機轉(zhuǎn)速、送風量等參數(shù)進行一定的柔性調(diào)節(jié)，就能夠通過減負為電網(wǎng)釋放出100千瓦電能。”
目前，黃浦區(qū)內(nèi)95%以上符合安裝要求的公共建筑(包括辦公樓、商場、醫(yī)院、學校、政府機關(guān)等)都實現(xiàn)了能耗在線監(jiān)測。由上海市經(jīng)信委牽頭、上海經(jīng)研院參與規(guī)劃設計、上海騰天節(jié)能技術(shù)有限公司參與實施的《上海黃浦區(qū)商業(yè)建筑虛擬電廠示范項目》已于2016年獲國家發(fā)改委批復，將在三年內(nèi)全面完成。
柔性負荷響應系統(tǒng)既可“削峰”，也可“填谷”
“辦公樓的發(fā)電原理看似簡單，具體實現(xiàn)卻不容易，這里面涉及眾多電力參數(shù)與空調(diào)參數(shù)的對應與算法。”楊建林博士介紹，“這也就是虛擬電廠比傳統(tǒng)需求響應資源調(diào)用更為先進的地方。”
傳統(tǒng)的需求響應資源調(diào)用，如負荷控制平臺，實際上相當于一個備用調(diào)峰機組。在用電高峰期，電網(wǎng)調(diào)度部門啟動該平臺，向協(xié)議用戶下達手動削減負荷指令，或遠程拉閘限電“關(guān)開關(guān)”。這種方式簡單粗放，用戶體驗感受也較差。
而虛擬電廠要實現(xiàn)的，是柔性負荷控制，柔性負荷在一定時間內(nèi)靈活可變，可在基本不影響用戶的前提下，達到削減或增加負荷的目的。
目前，可參與需求響應的柔性負荷種類繁多。上海經(jīng)研院規(guī)劃評審中心具體研究了柔性負荷調(diào)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成、工作原理、參數(shù)設置、功率調(diào)節(jié)以及聚合方法等內(nèi)容，設計了柔性負荷響應系統(tǒng)。楊建林介紹，“以商用大樓寶龍大廈的中央空調(diào)為例，在夏季用電高峰期，我們的響應系統(tǒng)依托精密的信息技術(shù)，通過對空調(diào)的預設溫度、風機轉(zhuǎn)速、送風量、新風量、冷凍水泵流量、冷凍水進水溫度等幾十個特性參數(shù)變量的控制，可以在不停機、不影響用戶使用的前提下，達到柔性調(diào)節(jié)空調(diào)負荷的目的。”
柔性負荷響應系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)‘削峰’的作用，還能實現(xiàn)‘填谷’的功能。同樣以夏季空調(diào)制冷為例，在系統(tǒng)檢測到電網(wǎng)的負荷進入低谷期后，利用空調(diào)所屬房間儲熱能力，自動調(diào)整幾十個特性參數(shù)變量，增加空調(diào)負荷，可提前儲存一部分冷量，使電力系統(tǒng)的利用率增高。
在線實時調(diào)頻像真正的“電廠”一樣運行
電力系統(tǒng)運行調(diào)度的核心是功率平衡，若需求響應資源本身具備在線功率調(diào)節(jié)功能，則可以發(fā)揮更顯著的系統(tǒng)調(diào)節(jié)作用。然而傳統(tǒng)的負荷控制平臺只能參與離線調(diào)峰安排，條件和技術(shù)都難以達到接入系統(tǒng)的要求。
“虛擬電廠要達到的目標，不僅僅是收集分散的電能數(shù)據(jù)、控制負荷量，而是像一個真正的發(fā)電廠一樣，可以參與系統(tǒng)調(diào)度，提供調(diào)峰、調(diào)頻輔助服務和電力市場交易等。”上海經(jīng)研院規(guī)評中心主任費斐介紹，“從這個角度看，上海黃浦區(qū)具有建立虛擬電廠得天獨厚的條件。”
黃浦區(qū)是上海商業(yè)建筑最密集的中心城區(qū)，大型商業(yè)建筑數(shù)量超過200幢，面積近1000萬平方米，年耗電量約13億千瓦時，峰值負荷近50萬千瓦，樓宇能耗占全區(qū)總能耗的65%以上，方便對諸多分布式發(fā)電資源進行大范圍集中控制。截至2月28日，黃浦區(qū)內(nèi)像寶龍大廈這樣對能耗實時在線監(jiān)測的樓宇，總數(shù)已超過230棟，年監(jiān)測用電量超過10億千瓦時，占上海市社會領域用電總量的40%。
同時，上海經(jīng)研院規(guī)評中心于2017年開展了《虛擬電廠集控運行平臺設計研究》，于2018年1月完成了《黃浦區(qū)商業(yè)建筑虛擬電廠規(guī)范化建設方法研究》課題。該課題對包括集控運行平臺的功能模塊設計、模塊間的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、虛擬機組與EMS數(shù)據(jù)交換需求及平臺架構(gòu)等方面進行了詳細研究。經(jīng)過項目驗收組檢測，該平臺已可以實現(xiàn)像發(fā)電廠一樣在線識別調(diào)頻指令并可靠響應的功能。
目前，該項目正在有序推進中。根據(jù)規(guī)劃，今年上海黃浦區(qū)將建成預期具有5萬千瓦容量、1萬千瓦自動需求響應能力、0.2萬千瓦二次調(diào)頻能力，年虛擬發(fā)電運行時間不少于50小時的商業(yè)建筑虛擬電廠，總“發(fā)電”能力將達到5萬千瓦。按此推算，如果上海其他區(qū)域也能推廣這種模式，就相當于在不增加資源消耗的情況下新建一座大型電廠。
