讓風力發(fā)電與冷藏倉庫結合成為“虛擬電廠”

日本投入了大量預算用于實施所謂的智能社區(qū)業(yè)務。最初，是在美國奧巴馬政權開展智能電網(wǎng)業(yè)務的觸發(fā)下，作為智能電網(wǎng)實證項目進行了探討，不過由于是在電力制度改革之前等原因，而演變成了日本型業(yè)務。東日本大地震后，構筑分布型系統(tǒng)成為日本的重要課題，智能社區(qū)成為了最終解決方案。不過，智能社區(qū)的目的及模式目前均不明確。

智能電網(wǎng)的本質是在地區(qū)構筑利用低電壓網(wǎng)絡監(jiān)控電力供求的系統(tǒng)。日本也決定向實施電力系統(tǒng)改革及電力零售全面自由化轉移，雖然構筑智能電網(wǎng)的環(huán)境正日趨完善，但地產(chǎn)地消的模式尚不明確。這是因為電力系統(tǒng)改革本身尚不明朗，其實效性也不確定。

德國智能電網(wǎng)計劃“E-Energy”可以說是最易于理解的地產(chǎn)地消型模式。德國在2008年共選擇了6個實證項目，從2009年到2012年，用了4年時間實施，已經(jīng)取得了明顯成果。本文將介紹德國北部港口城市庫克斯港市(Cuxhaven)的智能電網(wǎng)工程“eTelligence”。將根據(jù)2013年發(fā)布的最終報告進行分析介紹。

港口城市的虛擬電廠(VPP)

庫克斯港市是一座面朝波羅的海、風景秀麗的港口城市，因漁業(yè)和觀光旅游而聞名。這里不僅適合風力發(fā)電，還設有很多冷藏倉庫基地，利用熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的溫泉療養(yǎng)設施等也非常多。最近還作為海上風力發(fā)電的候選基地備受關注。

在此開展的eTelligence工程由風力(600千瓦)發(fā)電、太陽能(80千瓦)發(fā)電、冷藏倉庫(250千瓦和260千瓦)、熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)(460千瓦和5.5千瓦)構成，是一個通過市場交易控制地區(qū)電力的實證項目。

其最大的特點在于，通過轉移冷藏倉庫的熱需求，來抵消風力發(fā)電的變動。通過整合風力發(fā)電、太陽能發(fā)電及冷藏倉庫的電力需求，能夠如同一座發(fā)電站一樣進行電力控制。這種電力控制機制被稱為“虛擬電廠”(Virtual Power Plant：VPP)。

冷藏倉庫即使切斷電源，溫度下降也非常慢，因此在不會導致儲藏物品質劣化的溫度范圍內(nèi)，可以隨意打開或關閉開關。在風力較強和電力市場價格較低時段，可打開開關，或降低設定溫度，以增加用電量。而在風力較弱和電力市場價格較高時段，可關閉開關，或降低設定溫度，以減少用電量。

如果偏離預期 則主動進行控制

資料2表示實地測試時(2012年3月11日)“250千瓦冷藏倉庫”、“太陽能發(fā)電”及“風力發(fā)電”的變動?？v軸表示輸出功率，0刻度以上表示風力和太陽能的發(fā)電量，0刻度以下表示冷藏倉庫的耗電量，離0刻度越遠表示耗電量越大。紅色線表示預期發(fā)電量，黃色線表示實際發(fā)電量，藍色的虛線表示預期耗電量，藍色實線表示實際耗電量。

發(fā)電量采用聯(lián)盟成員開發(fā)的模式進行預測。制定預測計劃(調(diào)度表)是虛擬電廠系統(tǒng)的關鍵技術。實際的發(fā)電量會受天氣影響，當與預期偏離較大時，就通過用電量進行調(diào)整。關于用電量，參考電力交易市場第二天的現(xiàn)貨價格及虛擬電廠的預期發(fā)電量，來決定其預期值，但當天的實際用電量是根據(jù)市場動向及發(fā)電情況自動進行控制。也就是說，虛擬電廠是通過改變冷藏倉庫的用電量來進行控制。

對預期發(fā)電量和預期用電量進行比較。按照預測，在0時～6點時，使用電量與發(fā)電量幾乎平衡(加強制冷)，在8點之前逐步減少電力使用量，之后用電量和發(fā)電量會在一定范圍內(nèi)穩(wěn)定變化。但實際上(當天)，則是稍微控制了0時以后的深夜用電，整天都使用電量平穩(wěn)變化。據(jù)推測其理由在于，預計白天發(fā)電量會減少，因此要做好準備，或者市場價格較高，因此減少消費以投入市場，等等。

從上圖可以看出，偏離發(fā)電量預期時，會主動控制電力需求。從5時到9時，在發(fā)電量低于預期時，沒有按照預期控制用電，而是維持電力消費。從15時到18時，發(fā)電量兩次高于預期，每次都減少了用電量。不過，此次的實證只集中使用了一個冷藏倉庫，是在有富余的供求情況下進行的。估計是在對獨立的系統(tǒng)進行實驗。

作為生產(chǎn)消費者獨立參與市場交易

資料3也是現(xiàn)場測試的結果，顯示了虛擬電廠(VPP)的操作過程。兩個冷藏倉庫的總輸出功率為510千瓦，需求量更大。發(fā)電量與使用量均為實測值。在縱軸零刻度的上方，草綠色的區(qū)域是太陽能發(fā)電，藍色是風力發(fā)電的發(fā)電量。零刻度下方的灰色區(qū)域是冷藏倉庫的用電量。

白色的實線代表網(wǎng)絡電量隨供求關系發(fā)生的變化，“+”表示向電力市場供電，“-”表示從市場買電。虛擬電廠是集發(fā)電要素與需求要素于一體的主體，因此是產(chǎn)消者。

從冷藏需求來看，13時～15時，消費量(200千瓦程度)遠大于發(fā)電量。之后，發(fā)電與消費基本保持平衡(虛擬電廠正負為零)。在較早的時段進行冷卻，待充分冷卻后，維持(虛擬電廠的)供需匹配。虛擬電廠是以此為基本思路，利用需求變化調(diào)整發(fā)電方不規(guī)則的動態(tài)。在15時～18時，需求降低到預想以下，到18時重新恢復到了150～200千瓦。

從需求變化的轉折點來看，在時段①，按照日程表，關閉冷藏倉庫的開關，降低溫度。在時段②，鑒于風勢大于預期，打開倉庫的開關，加強冷卻效果。在時段③，風勢保持預期水平，因此繼續(xù)使倉庫的溫度降低。

如上所述，通過按照風力發(fā)電的運行情況，調(diào)整冷藏倉庫的溫度設置，就可以配合雙方的情況，實現(xiàn)穩(wěn)定的電力輸出。通過實驗，預測能力得到提升，預測與實際情況的差距縮小到了3分之1。而且，由虛擬電廠進行控制時，用于調(diào)節(jié)風力變化的電能減少了約15%。

并且，通過參與市場交易，冷藏倉庫需要的電力成本減少了6～8%。這是整年的節(jié)約效果，在電力價格變化劇烈、室外寒冷的冬季，效果尤為明顯。通過實驗，越來越多的冷藏倉庫企業(yè)開始考慮采用該系統(tǒng)。與下面介紹的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)相比，組合利用可再生能源與可變熱需求的虛擬電廠控制起來更加簡單。

熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)作為發(fā)電企業(yè)參與市場交易

同時供應電能與熱能的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)也可以通過利用本地市場提高收益性。要實現(xiàn)有效利用，需要事先整理思路，確定應當優(yōu)先供熱還是供電。中低壓的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)生產(chǎn)的熱能比例大于電能，一般是按照熱需求運行，在生產(chǎn)熱能的同時輸出一定的電能。因此，為了提高效率，熱需求需要超過一定量，其額定值由熱需求決定。

另一方面，歐洲擁有完善的電力交易市場。因此有這樣一種思路，就是根據(jù)市場動向，充分利用“熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)作為分布型電源”。 eTelligence工程對熱主導運轉與市場(即電力)主導運轉進行了對比。德國通過法律為熱電聯(lián)產(chǎn)提供了優(yōu)惠政策，其對象為熱主導運轉。從比較結果來看，市場主導運轉具有更高的收益性。

但二者之間差別不大，與整合了風力、太陽光及冷熱需求的虛擬電廠相比，熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)更難作出以市場交易為先的判斷。尤其是在冬季熱需求大的時候，難以實現(xiàn)靈活運行。另外，在設置了熱水儲水設備的模擬中，通過按照市場需求操作、控制熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，效率和經(jīng)濟效益都有明顯上升。

現(xiàn)場測試利用了用于溫泉療養(yǎng)設施(SPA)和用于辦公設施的兩種熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，均使用天然氣。辦公設施所用系統(tǒng)由聯(lián)盟帶頭人EWE公司提供。這些系統(tǒng)可以作為虛擬電廠統(tǒng)一控制，但在此次項目中是作為發(fā)電設備單獨參與市場交易。另外，在實證項目中，對于庫克斯港市使用天然氣和生物燃氣的污水處理設備熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，包括應如何運轉生物燃氣工廠在內(nèi)，還將進一步進行探討。

這一次，在德國的6項智能電網(wǎng)實證項目中，本文介紹了智能電網(wǎng)工程項目。著重介紹了由可再生能源和產(chǎn)業(yè)用能源需求組成的虛擬電廠的系統(tǒng)和功能。虛擬電廠是產(chǎn)業(yè)產(chǎn)消者，其能源的供求通過在地區(qū)市場交易進行調(diào)整。這些分散資源不是各自為戰(zhàn)，而是作為一個整體進行控制，在此基礎上融入地區(qū)市場。這樣一來，就可以確保足以與一級市場交易的電量。通過根據(jù)市場價格的變化改變需求，以調(diào)整總輸出功率，從而提高收益性。

下次，筆者將為大家介紹eTelligence工程的地區(qū)市場功能。地區(qū)市場才是分布型能源系統(tǒng)、地產(chǎn)地消模式的基礎。