基于综合协调控制的虚拟电厂技术

  完成单位：国网上海市电力公司，东南大学

  主要完成人：郭明星、吕冉、兰莉、王素、莫阮清、刘盼盼、王晓晖、费斐、王建军、吴恩琦

一、研发背景

上海第三产业发达，负荷密度高、峰谷差大、年尖峰负荷持续时间短。截至2019年底，上海最高负荷3268万千瓦，最大峰谷差率为40%，年尖峰负荷持续时间仅十几小时。同时，以远距离直流输送的水电为主的外来电力占比高，调节能力差，2019年外来电力占最高用电负荷的53%，电网平衡能力捉襟见肘。此外，受控煤、占地及环保等因素制约，上海新建常规电厂极其困难。而负荷侧可调节资源却大量闲置，其中商业楼宇调节潜力巨大，经上海市电力公司营销部门测算，上海商业楼宇可调负荷潜力相当于一座2×100万千瓦电站。类似问题广泛存在于东部沿海发达省份，亟待充分挖掘商业建筑可调资源，提高系统综合运行效率。

虚拟电厂是构建规模化、常态化、精准化负荷可调能力的有效手段，是通过有效聚合、协调控制各类分布式资源形成具备常规电厂外特性且可被常态化调度的特殊电厂。商业建筑虚拟电厂是在商业建筑负荷领域开展大规模、精准化电力需求响应的实现方式，以中央空调等柔性负荷资源为聚合对象，对上参与电力市场交易并接受调度指令，对下协调用户侧设备运行，整合用户参与市场化交易获利。

二、发明团队介绍

国网上海经研院拥有一支多学科交叉、理论研究与工程技术相结合、老中青相结合、以年轻骨干为主体的高水平研究队伍，在公司重大科研项目中，发挥了重要和关键的作用。团队带头人为费斐，骨干成员为郭明星、吕冉、王素、兰莉、蓝国卉。

三、成果(专利)简介

以《一种基于综合协调控制的虚拟电厂调频运行方法》专利为核心，和《一种中央空调的柔性调峰方法》、《一种基于虚拟电厂调频控制策略的调频补偿分配方法》等5项专利形成专利群，涵盖虚拟电厂调峰技术、虚拟电厂调频技术、管理控制系统，具体内容如下：

1、 发明专利《一种基于综合协调控制的虚拟电厂调频运行方法》

公开了一种基于综合协调控制的虚拟电厂调频运行方法，步骤依次为：结合用户舒适度要求以及空调系统的基本参数，形成用户需求曲线，并进行聚合投标；采用市场控制方式形成虚拟控制信号，通过调整空调用户的设定温度实现二次调频；在传统虚拟下垂控制的基础上加入虚拟惯性环节，形成虚拟电厂的改进虚拟下垂曲线；计算并下发离散控制方式下每台空调的档位调节触发频率，通过调节室内机运行档位实现一次调频。本发明将不同调控方式下空调系统的功率响应特性在时序上与电网二次调频和一次调频的响应需求匹配起来，充分挖掘了空调系统的需求响应潜力，显著地减轻了电网调频负担。

2、 发明专利《一种中央空调的柔性调峰方法》

公开了一种中央空调的柔性调峰方法,涉及中央空调的调峰技术，属于供热、炉灶、通风的技术领域。该方法记录冷冻水温度从当前值上升至上限后中央空调功率达到稳定值所经历的时间以及从中央空调功率在冷冻水温度上限时稳定的初始时刻至室温达到上限所经历的时间,由中央空调在冷冻水温度当前值和上限值时稳定功率的差值与时间的关系拟合可削减功率与调控时长的函数关系，以调峰成本最小为目标函数并在总调峰任务约束、可削减功率与调控时长函数关系的约束及可削减功率极限值的约束下优化各中央空调的可削减功率得到成本最小的调峰任务分配方案，既能避免粗放式调峰方案忽略用户体现的缺陷，又能满足电网的实时调峰需求。

3、 发明专利《一种基于虚拟电厂调频控制策略的调频补偿分配方法》

公开了一种基于虚拟电厂调频控制策略的调频补偿分配方法，属于发电、变电或配电的技术领域。本发明依据电力系统中自动发电控制中心下发的自动发电控制信号,考虑虚拟电厂内新能源及负荷的随机性，以调频控制偏差最小为目标,制定虚拟电厂对内部的分布式能源及需求响应负荷的调频控制策略,基于所提出的虚拟电厂调频控制策略,考虑虚拟电厂调频控制策略给内部分布式能源及需求响应负荷的调频性能带来的影响,考虑虚拟电厂调频控制策略给内部分布式能源及需求响应负荷带来的不平衡能量,给出了一种能够公平合理地对虚拟由厂内部调频资源进行补偿并促进虚拟电厂内部调频资源提供调频辅助服务的方法。

4、 发明专利《一种虚拟电厂内部的调频方法》

公开一种虚拟电厂内部的调频方法，包括如下步骤:步骤1,根据终端装置实时上传至虚拟电厂AGC的功率信号,计算出虚拟电厂整体的实时功率缺额;步骤2,将计算出的实时功率缺额,转换为对应的调频信号增量,加入下一时刻虚拟电厂接受到的AGC调频信号中;步骤3，虚拟电厂内提供调频服务的源、储、荷终端装置接受到虚拟电厂下发的修正调频信号后，对修正后的信号进行响应。此种方法通过修正调频控制策略而平抑虚拟电厂短时快速的随机波动，能够有效平抑虚拟电厂的随机出力波动，改善虚拟电厂整体调频性能,增加虚拟电厂在调频市场中调频性能补偿收益的部分，具有良好的应用前景。

5、 实用新型专利《一种基于虚拟电厂的分布式电能管理控制系统》

本实用新型涉及一种基于虚拟电厂的分布式电能管理控制系统,包括依次设置的主站控制层、虚拟电厂层、用户层和设备层,所述主站控制层通过虚拟电厂对设备层的各响应终端进行调度控制及数据计算；所述虚拟电厂层包括多个虚拟电厂,且各虚拟电厂与主站控制层之间、用户层之间分别建立信息双向互通,用以响应双向调控；所述用户层包括多个能源体系,各能源体系分别连接多个相应的响应服务器,各个响应服务器通过有线或无线的方式连接设备层的多个响应终端。与现有技术相比,本实用新型具有缩短系统计算及信息传输时间,操作智能、准确等优点。

四、成果（专利）转化情况介绍

以《一种基于综合协调控制的虚拟电厂调频运行方法》专利为核心，和《一种中央空调的柔性调峰方法》、《一种基于虚拟电厂调频控制策略的调频补偿分配方法》等5项专利形成专利群，涵盖虚拟电厂调峰技术、虚拟电厂调频技术、管理控制系统等技术内容。

专利群成果在上海落地应用。国网上海市电力公司搭建了调度-交易-运管一体化的虚拟电厂运营体系架构，运用多时间尺度协调优化调度方法进行虚拟电厂的资源管理及常态化调度。累计培育虚拟电厂12家，包括上海蔚来汽车虚拟电厂、黄浦商业建筑虚拟电厂、铁塔基站储能虚拟电厂、上海明华综合能源虚拟电厂、上海特来电充电桩虚拟电厂、国网上海综合能源公司虚拟电厂等；接入虚拟电厂容量超过100万千瓦（建筑楼宇10万千瓦，5G铁塔基站储能3万千瓦，能源站3万千瓦，电动汽车3万千瓦，一般工商业自动控制80万千瓦），小时级调度容量超过10万千瓦，分钟级调度容量超过6万千瓦，秒级调度容量超过3万千瓦；覆盖空调、电动汽车、铁塔基站、三联供、水泵、照明、储能、空压机、电热锅炉等多种可控资源，可调节系统/设备19183个。根据应用场景和时间维度的不同，设计了虚拟电厂中长期备用交易、中长期调峰交易、新能源发电曲线调节交易及替代调峰交易四个交易品种，明确了虚拟电厂参与市场交易的市场准备和市场交易过程流程，2019年-2021年共组织21次虚拟电厂市场化交易，虚拟电厂参与电网调峰单次收益超过170万元，提升了虚拟电厂参与电网市场化调节的能力和积极性。

建成世界首座商业建筑虚拟电厂——黄浦商业建筑虚拟电厂。目前已接入楼宇130幢，发电容量59.6兆瓦，调度容量超过区域总负荷的15%，最大单体建筑峰值削减率超过30%。被上海市经信委誉为商业建筑虚拟电厂建设运营标准范式，推动虚拟电厂建设写入上海电力发展“十三五”规划；被余贻鑫院士领衔的鉴定委员会评价“总体达到国际领先水平”。作为2019世界人工智能大会典型项目被CCTV-1专门报道，与华为麒麟810芯片等被列为大会四大亮点。

五、经济效益与社会效益介绍

经济效益方面：上海腾天节能技术有限公司通过“平台开发+楼宇改造”等方式新增销售额6160.40万元，利润1896万元。总计新增销售额53066.77万元，利润7273.52万元。

社会效益方面：一是有助于减少电源和电网建设投资，提高现有资产利用率。二是有助于保障电力系统安全高效运行。三是有助于“双碳”目标的实现，推动全社会节能减排。四是创新了海量用户参与供需互动的综合能源服务新业态。五是有助于国内电力需求侧领域的技术水平提升和装备升级。