“十二五”国家重点图书出版规划项目 智能电网研究与应用丛书 虚拟电厂 ——能源互联网的终极组态 Ｖｉｒｔｕａｌ　Ｐｏｗｅｒ　Ｐｌａｎｔｓ： ｔｈｅ　Ｕｌｔｉｍａｔｅ　Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｉｎｔｅｒｎｅｔ 艾芊编著 斜学出版社 “十二五”国家重点图书出版规划项目 智能电网研究与应用丛书 虚拟电厂 ——能源互联网的终极组态 Ｖｉｒｔｕａｌ　Ｐｏｗｅｒ　Ｐｌａｎｔｓ：ｔｈｅ　Ｕｌｔｉｍａｔｅ　Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｏｆ　ｔｈｅ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｉｎｔｅｒｎｅｔ 艾芊编著 斜学出版社 北京 内容简介 本书首先论述虚拟电厂的起源、基本概念与组成成员，其次对虚拟电 厂构建和运行中的关键技术、通信技术需求及调度框架进行总结和分析； 然后从技术角度对虚拟电厂多时空尺度优化策略以及内部成员的精确控制 进行详细的分析和建模，并从经济角度分析论述虚拟电厂参与电力能量和 辅助服务市场的竞价策略、调度优化、成本分摊机制及典型的商业模式； 最后分析虚拟电厂对我国能源战略的影响及其未来发展趋势。 本书可作为工科院校电气及相关专业的研究生教材和参考用书，也可 供从事电力系统交易、运行、规划等工作的相关人员参考阅读。 图书在版编目（ＣＩＰ）数据 虚拟电厂：能源互联网的终极组态＝Ｖｉｒｔｕａｌ　Ｐｏｗｅｒ　Ｐｌａｎｔｓ：　ｔｈｅ　Ｕｌｔｉｍａｔｅ Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｉｎｔｅｒｎｅｔ／艾芊编著．—北京：科学出版社，２０１８．８ （智能电网研究与应用丛书） ＩＳＢＮ　９７８－７－０３－０５８５６９－１ １．①虚…Ⅱ．①艾…Ⅲ．①数字技术一发电厂一研究ＩＶ．①ＴＭ６２ 中国版本图书馆ＣＩＰ数据核字（２０１８）第１９４４４５号 责任编辑：范运年王楠楠／责任校对：彭涛 责任印制：师艳茹／封面设计：陈敬 辞学出服社出版 北京东黄城根北街１６号 邮政缩码：１００７１７ ｈｉｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｓｃｉｅｎｃｅｐ．ｃｏｍ 河北聪间印刷有限公司印刷 科学出版社发行各地新华书店经销 ＊ ２０１８年８月第一版开本：７２０×１０００１／１６ ２０１８年８月第一次印刷印张：２１１／４ 字数：４１０－０００ 定价：１６８．００元 （如有印装质量问题，我社负责调换） 《智能电网研究与应用丛书》编委会 主编：周孝信 编委：（按姓氏拼音排序） 蔡旭（上海交通大学） 卢强（清华大学） 梅生伟（清华大学） 曹一家（湖南大学） 穆钢（东北电力大学） 陈希（中国电力科学研究院） 程浩忠（上海交通大学） 饶宏（南方电网科学研究院 有限责任公司） 程时杰（华中科技大学） 丁立健（国家自然科学基金委员会） 荣命哲（西安交通大学） 董新洲（清华大学） 孙元章（武汉大学） 王成山（天津大学） 白晓民（中国电力科学研究院） 董旭柱（南方电网科学研究院有限 责任公司） 宋永华（浙江大学） 王锡凡（西安交通大学） 段献忠（华中科技大学） 郭剑波（中国电力科学研究院） 王益民（国家电网公司） 肖立业（中国科学院电工研究所） 韩英铎（清华大学） 何湘宁（浙江大学） 薛禹胜（国家电网公司） 杨奇逊（华北电力大学） 胡学浩（中国电力科学研究院） 杨勇平（华北电力大学） 鞠平（河海大学） 余贻鑫（天津大学） 李立涅（华南理工大学） 张保会（西安交通大学） 廖瑞金（重庆大学） 张伯明（清华大学） 刘建明（国家电网公司） 赵争鸣（清华大学） 《智能电网研究与应用丛书》序 迄今为止，世界电网经历了“三代”的演变。第一代电网是第二次世界大战 前以小机组、低电压、孤立电网为特征的电网兴起阶段；第二代电网是第二次世 界大战后以大机组、超高压、互联大电网为特征的电网规模化阶段；第三代电网 是第一、二代电网在新能源革命下的传承和发展，支持大规模新能源电力，大幅 度降低互联大电网的安全风险，并广泛融合信息通信技术，是未来可持续发展的 能源体系的重要组成部分，是电网发展的可持续化、智能化阶段。 同时，在新能源革命的条件下，电网的重要性日益突出，电网将成为全社会 重要的能源配备和输送网络，与传统电网相比，未来电网应具备如下四个明显特 征：一是具有接纳大规模可再生能源电力的能力；二是实现电力需求侧响应、分 布式电源、储能与电网的有机融合，大幅度提高终端能源利用的效率；三是具有 极高的供电可靠性，基本排除大面积停电的风险，包括自然灾害的冲击；四是与 通信信息系统广泛结合，实现覆盖城乡的能源、电力、信息综合服务体系。 发展智能电网是国家能源发展战略的重要组成部分。目前，国内已有不少科 研单位和相关企业做了大量的研究工作，并且取得了非常显著的研究成果。在智 能电网研究与应用的一些方面，我国已经走在了世界的前列。为促进智能电网研 究和应用的健康持续发展，宣传智能电网领域的政策和规范，推广智能电网相关 具体领域的优秀科研成果与技术，在科学出版社“中国科技文库”重大图书出版 工程中隆重推出《智能电网研究与应用丛书》这一大型图书项目，本丛书同时入 选“十二五”国家重点图书出版规划项目。 《智能电网研究与应用丛书》将围绕智能电网的相关科学问题与关键技术， 以国家重大科研成就为基础，以奋斗在科研一线的专家、学者为依托，以科学出 版社“三高三严”的优质出版为媒介，全面、深入地反映我国智能电网领域最新 的研究和应用成果，突出国内科研的自主创新性，扩大我国电力科学的国内外影 响力，并为智能电网的相关学科发展和人才培养提供必要的资源支撑。 我们相信，有广大智能电网领域的专家、学者的积极参与和大力支持，以及 编委的共同努力，本丛书将为发展智能电网，推广相关技术，增强我国科研创新 能力做出应有的贡献。 ・ｉｉ・ 虚拟电厂 最后，我们衷心地感谢所有关心丛书并为丛书出版尽力的专家，感谢科学出 版社及有关学术机构的大力支持和赞助，感谢广大读者对丛书的厚爱；希望通过 大家的共同努力，早日建成我国第三代电网，尽早让我国的电网更清洁、更高效、 更安全、更智能！ 前　　　言 当今，中国能源消费供给、能源结构转型、能源系统形态呈现新的发展趋势。 能源供需体系向绿色、低碳、高效转型，能源互联网建设朝集中式发电与分布式 发电协同发展。以“大智移云”（大数据、智能化、移动互联网、云计算）为代表 的信息技术的发展，也为能源体系变革提供了新的手段和动力。虚拟电厂作为能 源供给与能源消费的融合点，通过信息技术对能量单元的动态测控、互联互通， 提高能源效率，降低能源成本，促进能源低碳化，推动分布式能源和智能电网的 发展。这和我国提出的“能源互联网”的思想，在方向上是高度一致的。 顾名思义，虚拟电厂并不是实体存在的常规电厂，它打破了传统电力系统中 物理上发电厂之间以及发电侧和用电侧之间的界限。事实上，虚拟电厂既可以作 为配电网的主动管理单元，也可以作为辅助机组向电网提供辅助服务。基于先进 的控制、计量、通信等技术，虚拟电厂聚合分布式电源、可控负荷、储能系统、 电动汽车等不同类型的分布式资源，并通过更高层面的软件构架实现多个分布式 能源的协调优化运行，使其能够参与电力市场和辅助服务市场运营，实现电能交 易，同时优化资源利用，极大地提高供电可靠性。 不少人可能认为虚拟电厂就是一种“发电厂”，然而虚拟电厂的内涵角色实 质上可以更加丰富多元。在电力体制一体化的模式下，虚拟电厂可以通过配电公 司参与到电力系统整体的运行调度之中；在电力批发市场竞争模式下，虚拟电厂 可以作为负荷聚合商，且当负荷聚合商达到一定规模时可以作为独立的辅助服务 提供商；在电力市场零售竞争模式下，虚拟电厂可以作为零售商和负荷聚合商参 与到电力零售市场；甚至，虚拟电厂可以充当协调方的角色，协调发电端和零售 商以及最后到用户端之间的交易。 虚拟电厂是当今电力行业最具创新性的领域，目前很多“能源互联网”、“智 慧能源”、“互联网＋”等概念工程都可以见到虚拟电厂的影子。虚拟电厂的发展将 推动能源（特别是电力）技术、管理、体制和商业模式的一系列变革与创新，而分 布式能源“产消者”（生产者与消费者合一）的出现、“智慧低碳社区”的建设，将 带来能源互联网中“细胞”的发展，意义不可低估。或许，未来需求侧最好的商 业模式就是虚拟电厂。派克研究部高级分析师彼得・阿斯穆斯（Ｐｅｔｅｒ　Ａｓｍｕｓ）甚至 说：“虚拟电厂代表着能源互联网。” 虽然虚拟电厂的概念在行业内已流传甚广，特别是２０１７年７月江苏省关于“最 大规模虚拟电厂”的报道，更是让虚拟电厂走到了国内大众的视野内。然而，遗 ・ｉｖ・ 虚拟电厂 憾的是，目前国内尚无系统地介绍虚拟电厂的书籍，初学者在刚涉足该领域时， 经常需要花费极大的精力与时间来搜集整理相关资料。因此作者希望通过系统介 绍虚拟电厂的发展历程、技术特征、运营模式、优化策略、应用场景等，能够帮 助初学者少走一些弯路，同时帮助公众更加全面地了解与认识虚拟电厂。 需要说明的是，本书借鉴了国内外电力系统同行的大量经验与观点，参考了 很多有关资料和文献，得到了很多启发，书后列出的参考文献仅是其中一部分， 在此向这些文献的作者表示衷心的感谢。 本书在全面总结虚拟电厂及其在工程技术、商业运营领域国内外研究进展的 基础上，同时介绍作者承担的国家自然科学基金项目（Ｕ１７６６２０７，５１５７７１１５）、国 家重点研发计划（２０１６ＹＦＢ０９０１３０２）等有关课题所取得的最新研究成果。本书所涉 及的内容包括上海交通大学博士研究生范松丽、姜子卿、周晓倩、高扬、肖斐、 郝然，硕士研究生方艳琼、刘思源、季阳、苑仁峰、何齐琳、杨思渊、王皓、王 玥、殷爽睿、李昭昱、张宇帆等的研究成果，在此一并向他们表示感谢。 本书共１０章。第１、２章对虚拟电厂的研究背景、概念框架、功能特征等进 行基本介绍；第３、４章讨论虚拟电厂发展过程中需配套的软硬件技术，包括计量 体系、通信需求及决策支持等技术；第５、６章侧重分析虚拟电厂的调度框架及多 维时空尺度的优化调度模式；第７章探讨虚拟电厂内部成员的精确控制方法；第 ８章详细阐述虚拟电厂的互动机制、交易策略与结算模式，第９章进一步设想虚 拟电厂的交易平台与商业模式；第１０章探讨虚拟电厂的未来发展趋势。 本书完稿后，虽经多番详细审阅，但难免仍有不足之处，加之作者编写水平 有限，恳请广大读者批评指正。 艾芊 ２０１７年１１月于上海 目录 《智能电网研究与应用丛书》序 前言 第１章虚拟电厂的起源、原动力与建设目标…………………………………………１ １．１虚拟电厂的发展历程………………………………………………………………………１ １．２虚拟电厂的应用现状………………………………