虚拟电厂交易机制与运营策略

近年来，世界各国逐渐向清洁、低碳的新型能源体系转型发展，新能源大规模接入电网。虚拟电厂作为聚合优化“源网荷储”清洁发展的新一代智能控制技术和互动商业模式，是能源互联网实现互动化、智能化的可行途径。本书通过阐述虚拟电厂在能源互联网发展背景下的重要作用，针对虚拟电厂中分布式资源的可调度特性、分布式资源聚合优化、虚拟电厂两级运营模式、虚拟电厂参与批发市场模式设计、虚拟电厂参与零售市场模式设计虚拟电厂的商业模式、虚拟电厂的可持续发展评价等方面阐述，重点强调虚拟电厂的交易机制与商业模式，实现虚拟电厂基于激励相容的商业化运营，多方共赢的可持续发展的能源互联网共享生态，促进虚拟电厂可持续发展。

加鹤萍，华北电力大学副教授，入选第七届中国科协青年人才托举工程，主要研究方向为面向新能源消纳的灵活资源建模及优化。王宣元，国网冀北电力有限公司科技创新部主任。刘敦楠，华北电力大学教授，主要研究方向为能源互联网、电力市场等，是《电力系统自动化》《电力建设》等期刊专栏主编。

“碳达峰、碳中和”目标进一步推动了新能源革命和能源结构多元化进程。新能源是能源电力领域实现“碳达峰、碳中和”目标的主力军，高比例新能源发电具有随机波动性，导致电力系统平衡压力增大，仅依赖电源侧、储能等维持电力平衡成本较高，且调节潜力有限。分布式发电、电动汽车、空调等用户侧分布式资源的建设、数字技术的发展为虚拟电厂聚合分布式资源向电网提供灵活调节能力提供了契机，研究虚拟电厂参与电力市场交易机制与运营策略是促进“碳达峰、碳中和”目标实现的重要推动力。

本书在梳理虚拟电厂与能源新业态关系的基础上，对虚拟电厂参与电力市场的交易模式、准入机制与增值服务进行介绍，提出虚拟电厂参与电力市场的运营策略，对新型电力系统建设背景下的虚拟电厂发展进行展望。本书共分为 10 章。第 1 章分析虚拟电厂与能源新业态之间的区别与联系，第 2 章对面向虚拟电厂的分布式资源特性进行分析，第 3 章、第 4 章和第 5 章分别对虚拟电厂参与电力市场的交易模式、准入机制与增值服务进行分析，第 6 章、第 7章分别提出虚拟电厂购售电博弈策略与动态定价方法，第 8 章对面向新能源发电曲线追踪的虚拟电厂聚合调控方法进行研究，第 9 章介绍“双碳”目标下虚拟电厂典型实践，第 10 章对新型电力系统平衡模式下的虚拟电厂进行展望。

在编著本书过程中，作者参阅和利用了很多国内外有关资料和文献，得到了行业知名专家的指导和帮助，华北电力大学硕士研究生华婧雯、赵宁宁、汪伟业、韩雅萱等对此书亦有贡献，在此表示衷心感谢！

限于作者水平，本书难免存在疏漏与不足之处，恳请广大读者批评指正。

作者

2023 年 8 月

前言

第 1 章 虚拟电厂与能源新业态 1

1.1 虚拟电厂与能源互联网 2

1.1.1 能源互联网2

1.1.2 虚拟电厂6

1.1.3 虚拟电厂与能源互联网的关系10

1.2 虚拟电厂与微电网13

1.3 虚拟电厂与分布式综合能源系统15

第 2 章 面向虚拟电厂的分布式资源特性分析17

2.1 分布式资源特性分析17

2.1.1 风电出力模型17

2.1.2 光伏出力模型18

2.1.3 微燃机出力模型 19

2.1.4 储能模型20

2.1.5 可中断负荷模型 21

2.2 分布式资源灵活性品质评估 22

2.2.1 灵活性需求品质评估指标22

2.2.2 灵活性需求分级体系 24

2.2.3 分布式资源品质评估 28

第 3 章 虚拟电厂参与电力市场的交易模式37

3.1 虚拟电厂参与电力市场价值 37

3.2 体现电网调节价值的虚拟电厂交易模式38

3.2.1 参与辅助服务38

3.2.2 参与需求侧响应 39

3.3 体现灵活互动价值的虚拟电厂交易模式41

3.3.1 低谷弃电曲线追踪 41

3.3.2 新能源与用户偏差替代42

3.4 体现电量电力价值的虚拟电厂交易模式43

3.4.1 分布式能源与储能灵活性应用43

3.4.2 兼顾现货的带曲线中长期交易45

3.5 虚拟电厂参与电力市场的发展路径46

第 4 章 虚拟电厂的“N+X”多层次多级准入机制 48

4.1 国内外电力市场准入现状分析48

4.1.1 国内电力市场准入现状分析48

4.1.2 国外电力市场准入现状分析56

4.2 虚拟电厂多层次准入标准体系62

4.2.1 虚拟电厂多层次准入体系概述62

4.2.2 物理层63

4.2.3 信息层64

4.2.4 价值层65

4.3 虚拟电厂“N+X”多级准入机制 66

第 5 章 面向零售市场的虚拟电厂增值服务68

5.1 考虑用户负荷特性的增值服务68

5.1.1 用户负荷特性研究 68

5.1.2 基于负荷特性的能源增值服务研究 79

5.2 增值服务下面向零售市场的需求响应机制 82

5.2.1 需求响应实施机制 83

5.2.2 用户需求响应特性分析86

5.2.3 基于需求价格弹性的需求响应模型 90

5.3 面向需求响应的虚拟电厂零售套餐定价分析 96

5.3.1 考虑需求响应的零售套餐模式96

5.3.2 虚拟电厂或负荷聚合商收益影响因素分析98

5.3.3 基于需求响应的零售套餐定价模型 108

5.4 算例分析111

5.4.1 数据基础及参数设置111

5.4.2 仿真结果分析 116

5.4.3 优化对比分析122

第 6 章 基于多智能体强化学习的虚拟电厂购售电博弈策略128

6.1 基于强化学习算法的虚拟电厂博弈方法128

6.1.1 强化学习原理128

6.1.2 基于确定性策略梯度算法的强化学习方法 131

6.1.3 基于多智能体强化学习算法的虚拟电厂博弈方法135

6.2 虚拟电厂参与多市场非合作博弈模型138

6.2.1 多市场主体策略行为博弈机理138

6.2.2 面向虚拟电厂购售电的非合作博弈模型 139

6.3 虚拟电厂购售电博弈算例分析142

6.3.1 算法收敛效用对比 143

6.3.2 不同主体博弈收益对比145

6.3.3 交易结果分析146

6.3.4 最优月度竞价成交结果分析149

第 7 章 基于深度确定性策略梯度算法的虚拟电厂动态定价方法151

7.1 基于价值函数的分布式资源弹性系数分析151

7.2 基于深度确定性策略梯度算法的虚拟电厂动态定价模型152

7.3 虚拟电厂动态定价策略分析 153

7.3.1 算法收敛效用对比 154

7.3.2 定价结果分析154

7.3.3 虚拟电厂聚合负荷变化分析156

7.3.4 虚拟电厂收益变化分析157

第 8 章 面向新能源发电曲线追踪的虚拟电厂聚合调控方法160

8.1 面向新能源发电曲线追踪的虚拟电厂交易机制 160

8.1.1 市场机制160

8.1.2 交易流程161

8.1.3 报价机制163

8.2 面向新能源发电曲线追踪的市场主体收益分析 164

8.2.1 新能源发电企业收益分析164

8.2.2 虚拟电厂收益分析 165

8.2.3 共享储能运营商收益分析165

8.3 虚拟电厂参与新能源发电曲线追踪的聚合调控优化模型166

8.3.1 聚合调控优化建模流程166

8.3.2 数据预测与分析 167

8.3.3 虚拟电厂内部聚合资源可调节特性分析 168

8.3.4 聚合调控优化模型 170

8.4 虚拟电厂参与协同消纳交易算例分析170

8.4.1 算例概况及参数设置171

8.4.2 计算结果分析 174

8.4.3 效益对比分析 185

第 9 章 “双碳”目标下虚拟电厂典型实践188

9.1 面向超大城市的上海虚拟电厂实践188

9.1.1 上海虚拟电厂发展历程189

9.1.2 上海虚拟电厂运营架构190

9.1.3 上海虚拟电厂运营情况191

9.2 面向绿色冬奥的冀北虚拟电厂实践192

9.2.1 冀北虚拟电厂运营架构192

9.2.2 冀北虚拟电厂运营分析195

第 10 章 新型电力系统平衡模式下虚拟电厂发展展望 199

10.1 基于平衡单元的新型电力市场平衡模式 199

10.1.1 平衡单元概述 199

10.1.2 基于平衡单元的新型电力市场平衡模式202

10.1.3 平衡单元在新型电力系统中的重要作用204

10.2 虚拟电厂参与平衡单元的运营模式204

10.2.1 虚拟电厂参与平衡单元的优势204

10.2.2 虚拟电厂参与平衡单元运营的商业模式205

10.2.3 虚拟电厂参与平衡单元运营的发展建议206

10.3 虚拟电厂参与平衡单元运营的发展展望 207

参考文献 208