王飞,王歌,徐飞./面向系统响应能力提升的虚拟电厂聚合特性及交易机制综述/2024,48(18):87-103.
研究背景
新型电力系统背景下，系统频率动态品质下降给电力系统安全稳定运行带来了巨大挑战。目前，尽管负荷侧分布式资源具备提供频率支撑的潜力，但由于其聚合响应特性尚不明确、现有辅助服务市场交易品种单一、参与频率支撑辅助服务市场交易机制尚未建立等原因，负荷侧分布式资源频率支撑能力利用率低下，无法充分发挥其对提升新型电力系统频率响应能力的支撑作用。本文首先从时间、空间、成本3个维度提炼了虚拟电厂的频率响应聚合特性；其次，从产品设计、出清定价、贡献量化、结算考核4个关键环节综述了虚拟电厂提升系统频率响应能力的市场交易机制；然后，探讨了虚拟电厂聚合响应特性与市场交易机制间的交互作用关系；最后，展望了虚拟电厂提升系统频率响应能力的未来研究重点。本文整体框架如图1所示。
图1 本文整体框架
研究内容
2.1 虚拟电厂频率响应聚合特性分析
虚拟电厂频率响应聚合特性是制定市场交易机制的理论依据。通过与同步发电机组对比分析，从时间、空间、成本3个维度提炼了虚拟电厂的频率响应聚合特性。
首先，虚拟电厂在时间维度上呈现出惯量支撑的连续性。通过设计控制策略，负荷侧分布式储能、电动汽车等分布式资源可以提供虚拟惯量。虚拟惯量大小与控制策略中虚拟惯量时间常数大小有关，是可以设计的参数。因此，虚拟电厂可以更精细、灵活地响应系统对惯量服务需求的变化，以更平滑、连续的方式为系统提供惯量支撑，不受单一设备启停状态的限制，从而有效补充和弥补同步发电机“块状”惯量的不足。
其次，考虑同步发电机接入节点、惯量参数、开停机状态、新能源机组接入节点、电网拓扑结构等因素，电力系统的惯量并非处处相等，而是具有空间分布特性。具体来说，同步电源集中分布的区域惯量高，电力电子设备集中接入的区域惯量低。当系统受到扰动时，频率也呈现时空分布特性。在设计市场时，需要考虑系统频率响应空间分布差异，以扰动后各节点功率不平衡最小为优化目标，确定各节点的虚拟惯量配置与市场出清量。
最后，由于虚拟电厂为系统提供虚拟惯量时，需要提前储备能量，多次连续响应的性能较差，且储能设备的能量预留会占用其可用容量，影响其参与其他市场的能力，产生的机会成本会导致虚拟电厂提供频率支撑的成本结构较为复杂，从而使其在成本特性上呈现出成本结构的复杂性。因此，在电力市场中，惯量支撑辅助服务产品的设计需要考虑同步发电机组、虚拟电厂提供惯量的服务成本、利用效率的差异。
2.2 虚拟电厂提升系统频率响应能力的市场交易机制设计
本文设计的虚拟电厂提升新型电力系统频率响应能力的市场交易机制主要包括产品设计、出清定价、贡献量化以及考核机制4个关键环节，各环节涉及的关键要素如图2所示。其中，产品设计是指围绕系统典型频率响应能力缺额场景，结合虚拟电厂提供频率响应的特点，设计虚拟电厂提供的频率响应产品类型，是交易机制的核心；出清定价是指考虑市场供需、成本补偿、价值贡献等因素，为上述各类频率响应产品制定的定价机制；贡献量化是指通过建立模型量化虚拟电厂在频率支撑中的贡献，具体包括对系统频率稳定性的改善、减少旋转备用需求等；考核机制是指设立考核标准和激励措施，确保虚拟电厂按约定提供频率响应服务，如准确率、响应时间、连续性等。
图2 市场交易机制关键要素
2.3 聚合特性与市场机制交互作用关系分析
一方面，虚拟电厂在时间、空间、成本方面的聚合响应特性，共同决定了虚拟电厂在市场中的竞争力和价值；另一方面，考虑市场交易机制是虚拟电厂参与电力市场并获取经济利益的关键环节，市场交易机制的设计直接影响虚拟电厂的运营策略和收益水平。虚拟电厂聚合响应特性与市场交易机制设计的交互影响关系如图3所示。
图3 聚合响应特性与市场交易机制间的交互作用关系
产品设计需要考虑虚拟电厂聚合响应的时间、空间特性。不同于传统同步机组启停的离散性，虚拟电厂提供的惯量、频率支撑可以进行连续调整。因此，针对虚拟电厂的频率支撑产品设计可以更灵活多样。另外，由于分布式能源资源在地理上的分散性，产品设计需考虑如何优化资源的空间布局，确保虚拟电厂能够在广泛的地理区域内有效聚合资源，实现区域间的互补与平衡。
出清定价需要同时考虑时间、空间、成本特性。虚拟电厂频率支撑在时间上的连续性决定了在出清定价机制方面需要考虑传统出清机制是否适用、能否与离散性的传统机组同时出清等问题。考虑到电网不同区域的供需状况和传输限制，出清定价还需考虑地理位置因素，确保价格能反映特定地点的资源稀缺性和系统服务价值。定价机制的设计还需涵盖虚拟电厂的运营成本，包括资源聚合、维护、通信和控制成本，确保价格既能吸引资源参与，又能覆盖成本，维持虚拟电厂运营商的经济可行性。
贡献量化需要考虑时间、空间特性。贡献量化机制设计的复杂性在于在缺乏直接表计计量的情况下，如何科学、公正地反映虚拟电厂对系统频率支撑的贡献。因此，需要考虑虚拟电厂聚合响应的时间连续性和空间分布特性，构建合理的贡献量化评估模型，保证贡献量化评估结果的准确性和公正性。
结算考核主要考虑成本特性。通过精细的结算评估机制和适当的激励措施，评估虚拟电厂调控效果与调控信号的契合程度，激发虚拟电厂参与频率调节等辅助服务的积极性。结算考核机制的设计需要剖析虚拟电厂的成本特性，同时结合其对电网的实际贡献，既能反映其真实价值，又能促使其提升运营效率。
2.4 未来研究重点展望
随着新型电力系统建设的逐步推进，未来虚拟电厂将呈现如下3个特征：1）智能调控；2）广域聚合；3）市场运营。本文从系统频率响应新型控制算法、多类型异构资源广域聚合、新型辅助服务市场运营3个方面对虚拟电厂提升统频率响应能力的未来研究重点进行了展望。
/ 引文信息
王飞,王歌,徐飞.面向系统响应能力提升的虚拟电厂聚合特性及交易机制综述[J].电力系统自动化,2024,48(18):87-103.
Review on Aggregation Characteristics and Trading Mechanisms of Virtual Power Plant for Enhancing System Response Capability[J]. Automation of Electric Power Systems, 2024, 48(18):87-103.
作者简介
Introduction to the Authors
王 飞
华北电力大学电力工程系教授、博士生导师，全球前2%顶尖科学家，爱思唯尔“中国高被引学者”，华北电力大学“双一流”建设团队项目负责人、电力系统自动化研究所所长、智慧能源网络综合运营研究（SENIOR）团队负责人，美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校访问教授；国际电工委员会可再生能源预测国际标准工作组专家，中国电机工程学会能源气象专委会、中国电机工程学会用电侧低压直流系统专委会与中国电工技术学会氢能产业与装备专委会委员；三次作为第1完成人获省部级一等奖：2018年度河北省技术发明一等奖（光伏发电功率多时空尺度预测关键技术及应用）、2020年度河北省科技进步一等奖（高比例新能源发电‘源网荷’协同互动消纳关键技术与装备）与2022年度新疆维吾尔自治区科技进步一等奖（基于新疆气候地貌特征的多时空风光功率预测与系统平衡调控关键技术及应用）。主要研究领域为新能源功率预测/负荷/电量/电价预测、能源气象、电力市场、虚拟电厂与需求响应、综合能源与智能微网，关于新能源预测的研究成果及应用情况被国际顶级期刊《自然》科技亮点专栏报道。目前担任IEEE Transactions on Systems Man and Cybernetics: System（SCI，IF=8.7）、IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems（SCI，IF=8.5）等多本国际顶级期刊副主编和编委；发表SCI论文130篇（高被引论文15篇，累次被引近万次）、一级学报/中文核心/Ei论文200多篇，出版学术专著2部，授权/申请发明专利36项；作为核心专家主导制订了世界首部可再生能源预测IEC国际标准，作为副主编出版了国内首部可再生能源预测专题技术报告，主持国家、省部级纵向与企业委托横向科技项目50多项，与30多所海外知名高校与研究机构有长期密切合作。E-mail：feiwang@ncepu.edu.cn
王 歌
华北电力大学博士研究生，主要研究方向：需求响应与电力市场。E-mail：gewang@ncepu.edu.cn
徐 飞
华北电力大学智慧能源网络综合运营研究（SENIOR）团队现有成员60名，包括教师、博士后和博硕士研究生；主要研究方向包括：新能源功率预测、负荷/电量/电价预测、电力市场与综合能源需求响应与虚拟电厂等。牵头获省部级一等奖3项；发表SCI论文136篇、一级学报/中文核心/Ei论文200多篇，出版中文学术专著2部，授权/申请发明专利36项；承担国家重点研发计划、国家自然科学基金等纵向与国家电网有限公司、中国南方电网有限责任公司等企业委托横向科技项目60项，承担国家科技部高端外国专家国际合作项目8项，与30多所海外知名高校与研究机构有长期密切合作。
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