編者按
分散式儲能、充電樁、暖通負荷等種類多樣、位置分散、形式泛在的靈活性資源規模與日俱增。以充電樁為例，截至2023年底，中國充電基礎設施累計數量為859.6萬臺，同比增加65%。伴隨著中國終端用能電氣化進程穩步推進和智能終端的發展，海量分散式靈活性資源逐漸能被電力系統實時感知和柔性控制，蘊含巨大調節潛力，具備了提高電力系統柔性、參與電力系統調度和實現從“源隨荷動”到“源荷互動”的客觀條件。
《中國電力》2024年第12期刊發了儀忠凱等撰寫的《市場環境下靈活性資源虛擬電廠聚合調控關鍵技術綜述》一文。文章將對電力市場環境下靈活性資源虛擬電廠全鏈路運營過程中面臨的技術挑戰、當前研究進展和未來攻關方向進行分析和總結，對靈活性資源虛擬電廠的聚合建模、競標報價、運行控制3個領域的技術進展開展綜述，將相關主流技術方法的模型特征、關聯關系和適用場景進行了系統性歸納，以期全面認識電力市場環境下靈活性資源虛擬電廠涉及的關鍵科學問題、核心理論方法和主流技術方案。
摘要
靈活性資源技術快速發展、數量與日俱增，為提升電力系統靈活性和經濟效益提供了巨大潛力。虛擬電廠通過對海量異構靈活性資源協調管理和聚合調控，為支撐海量異構分散式資源參與電力市場交易提供了有效手段。針對電力市場環境下虛擬電廠中多元海量異構靈活性資源的難以高效管控、不同運營主體之間存在效益沖突、能量和輔助服務之間具有耦合關系等問題，對電力市場環境下靈活性資源虛擬電廠全鏈路運營過程中面臨的技術挑戰、當前研究進展和未來攻關方向進行了分析和總結。從靈活性資源虛擬電廠的聚合建模、競標報價、運行控制3方面展開分析，對相關主流技術方法的模型特征、關聯關系和適用場景進行了系統性歸納，以此全面認識電力市場環境下靈活性資源虛擬電廠涉及的關鍵科學問題、核心理論方法和主流技術方案等，為靈活性資源虛擬電廠的未來研究方向和技術發展提供建議。
01
市場環境下靈活性資源虛擬電廠的技術體系和技術挑戰
1.1 市場環境下靈活性資源虛擬電廠技術體系
針對電力市場環境下的虛擬電廠技術已經展開了大量研究和綜述工作，涉及虛擬電廠聚合建模、競標報價、運行控制等多個方面。文獻[9]提出了數字孿生虛擬電廠的概念，深入闡述數字孿生虛擬電廠的內涵、架構和特征。文獻[10]圍繞虛擬電廠與需求響應互動的商業機制與市場運營模式，介紹了需求響應參與虛擬電廠運營的參與方式、組織框架、市場競價策略以及博弈方法的研究進展。文獻[18]系統梳理了規模化靈活資源虛擬電廠的理論框架，從資源運行特性、分層互動機理和虛擬電廠動態聚合等方面分析了分布式資源聚合互動調控的技術瓶頸。文獻[19]從區塊鏈的角度分析了虛擬電廠參與電力系統優化調度的關鍵技術，闡述了不同鏈下的虛擬電廠運營策略。文獻[20]分析了博弈論在協調虛擬電廠和分布式能源方面的優勢，從合作博弈和非合作博弈2方面綜述當前研究進展。文獻[21]探討了虛擬電廠參與電力市場的收益分配問題，詳細對比了主從博弈、Shapley值、競價機制等對虛擬電廠中各主體運營效益的影響。然而，針對含大規模、小容量、分散式靈活性資源的虛擬電廠，目前尚缺乏對其在電力市場環境中技術方法的系統性綜述。現有靈活性資源虛擬電廠示范項目初步實現了理論方法向實踐應用的跨越，驗證了虛擬電廠技術在實現降本增效、削峰填谷、緩解阻塞、降低電價等方面的優勢，為虛擬電廠從起步階段向推廣階段的過渡提供了先導性參考案例。在一系列示范工程和專題研究的牽引下，虛擬電廠與電力市場的基本互動模式已初步形成，其代表性虛擬電廠示范項目的建設和分布情況詳見文獻[24-27]。
值得注意的是，虛擬電廠技術發展趨勢在國內外存在差異，這些差異主要受國內外能源結構、市場環境、法規政策等因素的影響，具體差別如下。
1）國外虛擬電廠項目的發展相對較早，已經有一些商業化的示范項目，且聚焦于市場化運營和商業模式創新。相比之下，國內虛擬電廠項目目前處于快速發展階段，現有示范項目為虛擬電廠從起步階段向推廣階段的過渡提供了先導性參考案例。
2）國內針對調峰市場的虛擬電廠示范項目較多，調峰市場是中國特色且發展成熟，目前正逐步利用先進算法和數據分析工具挖掘調峰潛力；國外調峰市場與電能量市場未作區分，因此沒有針對調峰服務的虛擬電廠項目。
3）國外大部分虛擬電廠項目呈現分布式、小規模、服務特色場景的特點，著重面向實際的調節需求。相比而言，國內虛擬電廠朝向源網荷儲一體化趨勢發展，近年來中國鼓勵源網荷儲一體化方面的政策日益增多，國家能源局《2023年能源監管工作要點》明確鼓勵支持虛擬電廠運營商參與系統調節，鼓勵發展電力源網荷儲一體化。山西、深圳、廣東等地發布了大量虛擬電廠政策機制和統一運營平臺，引導虛擬電廠規范運行、統一發展。
通過對現有研究成果和示范項目歸納可知，目前國內外專家學者對市場環境下靈活性資源虛擬電廠的運營模式和技術體系已經達成了基本共識，形成了“4個階段、3類主體、2層管理、1套閉環”的運營管控模式，具體如圖1所示。其中，第1個層面是虛擬電廠與靈活性資源之間的能量管理和運行控制層；第2個層面是電力市場與虛擬電廠之間的市場運營和交易決策層。通過各主體和各階段的方案配合和協同管理，最終形成一整套技術閉合鏈路。
圖1 市場環境下靈活性資源虛擬電廠實施流程
Fig.1 Implementation procedure of the virtual power plant with flexible resources in the power market environment
為實現海量異構分散式靈活性資源在電力市場環境下高效統籌管理，虛擬電廠技術應聚焦靈活性資源運營調控的關鍵挑戰，在靈活性資源聚合建模、競標報價和運行控制3個技術領域進行重點突破，實現各類技術方法全鏈路協調配合，從而有效釋放靈活性資源的調控潛力。因此，本文結合3個技術領域的問題挑戰、研究進展和攻關方向進行重點總結和討論。
1.2 市場環境下靈活性資源虛擬電廠技術挑戰
本節對市場環境下靈活性資源虛擬電廠關鍵挑戰總結如下。
1）靈活性資源虛擬電廠聚合建模技術挑戰。
隨著分散式儲能、充電樁、暖通負荷等種類多樣、位置分散、形式泛在的靈活性資源規模與日俱增，虛擬電廠中靈活性資源設備往往數量巨大、種類繁雜，若對各設備逐個單獨建模，虛擬電廠管理者將面臨高維復雜的優化計算難題。因此，有必要對靈活性資源的聚合等值模型進行研究，助力虛擬電廠管理者對大規模的小容量靈活性資源進行統一管理和聚合調控。靈活性資源虛擬電廠聚合建模技術主要分為2個層面，其一是海量異構設備的節點級靈活性資源聚合；其二是考慮電網安全約束的網絡級虛擬電廠聚合。相關技術問題面臨的核心挑戰總結如下。
針對海量異構設備的節點級靈活性資源聚合問題，其挑戰在于如何對多元異構、參數異質、規模龐大的海量分布式靈活性資源的調控潛力進行聚合、等值和建模。從數學模型層面來說，每個可調設備的靈活性都可以表示為以多面體為邊界的可行域，一簇靈活性資源的聚合可行域等于所有單個設備可行域的閔可夫斯基和（Minkowski Sum）。然而，多面體閔可夫斯基和的計算是一個復雜的NP-hard難題，目前尚缺少通用的高效率求解方法，在靈活性資源數量龐大的場景中，該問題將變得愈加復雜和難以計算。
針對考慮電網安全約束的網絡級虛擬電廠聚合問題，其挑戰在于如何針對虛擬電廠內部潮流、電壓等網絡約束對并網接口功率的影響進行建模，進而刻畫虛擬電廠并網接口的調控潛力，評估考慮網絡拓撲和潮流約束情況下虛擬電廠的整體靈活性。由于海量異構分散式靈活性資源的模型和參數存在顯著差異，難以統籌表征和統一建模，且靈活性資源的功率響應和調控指令之間往往存在不可避免的偏差，該場景下各靈活性資源對虛擬電廠并網接口的影響難以量化表征，如何刻畫出一個安全、可信、經濟的虛擬電廠并網接口等值模型是當前研究面臨的核心問題。
相比傳統電廠，虛擬電廠聚合建模綜合考慮了多種資源的協同效應，其模型須適應異構資源的需求。這與傳統電廠主要聚焦于單一能源資源的穩定出力和調控不同。此外，虛擬電廠聚合建模須應對多源不確定性和模型參數難以準確獲取問題，在建模時不僅要考慮系統的整體優化，還要動態調整以應對市場規則和電力系統需求的變化。而傳統電廠模型則更多關注于維護單一電廠的穩定運行，調度較為簡單，靈活性和市場適應性要求較低。
2）靈活性資源虛擬電廠競標報價技術挑戰。
在全國統一大市場的建設推進下，無論虛擬電廠，亦或是傳統市場主體，均要通過電力市場交易中心的統一組織和協調參與市場運營，其市場交易實施流程都應包括參與者投標、市場出清、經濟調度、收益結算等過程，市場主體都需要考慮和管理相關風險，如能源價格波動風險、供需不平衡風險等，都追求經濟效益和盈利，通過優化能源運營和交易決策來實現利潤最大化。然而，考慮到虛擬電廠的特殊性，其市場競標策略相比傳統市場主體之間還存在一定差異。虛擬電廠通過智能控制系統實現多種能源資源的協同運營和管理，具有高度靈活性和可調度性，可以根據市場需求和能源供需情況進行優化調整。而傳統市場主體通常采取一種或少數幾種能源資源進行運營，運營模式相對固定。相比傳統市場主體，虛擬電廠在市場交易中更多扮演中間載體的功能，更多是負責一種多級協同配合的市場架構，既要負責向上參與市場交易，又要負責權衡底層靈活性資源設備的運營效益。
相比傳統電廠，靈活性資源虛擬電廠將面對更加多元的電力市場環境，可以同時參與多類輔助服務市場，能夠做到調峰、調頻、備用、調壓多服務協同供給。此外，虛擬電廠需要為電力市場交易中心、靈活性資源所屬者等多類主體提供服務，不同運營主體之間存在利益沖突，如何設計合理的市場競標策略，以實現電力市場、虛擬電廠、靈活性資源之間協調配合和利益均衡是當前研究的重要挑戰。
3）靈活性資源虛擬電廠運行控制技術挑戰。
無論是虛擬電廠還是傳統發電廠，其能量管理與運行控制方法都應與電力系統的多時間尺度調度相互配合。因此，在電力市場環境下，靈活性資源虛擬電廠的能量管理與運行控制方法同樣應包括日前調度-日內滾動-實時校正等環節，且應與傳統電廠一樣為電網提供柔性調節能力，滿足電力系統的供能需求。
相比傳統電廠，虛擬電廠內部資源種類更多，參與主體數量更大，不同主體之間存在效益分配和利益沖突問題。因此，虛擬電廠的能量管理和運行控制面臨著系統整體優化和各主體利益訴求之間協調和均衡的挑戰。此外，虛擬電廠實際運行中面對多源不確定性問題，虛擬電廠的運行控制需要考慮分布式電源出力和負荷預測的不確定性。
02
靈活性資源虛擬電廠聚合建模方法
靈活性資源虛擬電廠的聚合建模方法主要分為面向海量異構設備的節點級靈活性資源聚合方法和考慮電網安全約束的網絡級虛擬電廠聚合方法2類，其聚合架構形式如圖2所示。
圖2 靈活性資源虛擬電廠聚合架構
Fig.2 Aggregated architecture of flexible resource virtual power plants
2.1 節點級靈活性資源虛擬電廠聚合建模方法
針對海量異構設備的節點級靈活性資源聚合問題，為避免求解海量靈活性資源的精確聚合可行域，專家學者提出了一系列低復雜度算法對靈活性資源聚合模型進行近似，具體可以細分為3類。
1）外包近似法。
文獻[34-35]通過對設備容量參數求和，近似求解靈活性資源的群體可調范圍。文獻[36-37]求解了靈活性資源可行域的最小外包多面體，使得近似后的靈活性資源靈活性完全不受損失。然而，外包近似法會擴大靈活性資源的原始可行域，存在分解后的指令不可行風險。因此，這類方法往往需要設計額外的校正策略對設備分解指令進行修正，從而保障下發的調控指令不違背設備的物理模型約束，這必然會增加系統的通信負擔和計算復雜度。
2）內接近似法。
目前，主流的內接近似方法可以分為調節范圍評估和多面體內接近似2類。其中，多面體內接近似方法又可以分為盒狀近似方法、對稱多面體近似方法和虛擬儲能模型近似方法。文獻[44]提出了一種基于分布魯棒機會約束的可行域內接近似理論，將無序分布式能源轉換成有序靈活性資源，顯著提升調控中心建模和計算效率。內接近似方法雖然會在一定程度上犧牲設備的調控靈活性，但其可以確保分解指令嚴格滿足各設備物理模型的可行域約束。因此，如何兼顧不同種類資源的模型特征，擴大內接近似模型的可行域，挖掘和釋放海量靈活性資源的調控潛力亟需進一步解決。
3）參數近似法。
參數近似法針對靈活性資源集群的聚合問題構建一個物理意義更加明確的聚合參考模型，并提出了評估靈活性資源集群可調節能力的量化指標體系，從而能夠在特定的應用場景下快速計算得到相應的聚合集群靈活性量化指標。文獻[45]提出了評估靈活性資源集群可調節能力的量化指標體系。文獻[46]基于參數辨識評估溫控負荷集群的響應能力，評估算法考慮了響應功率和響應時長2個能力指標。參數近似法基于物理意義明確的等效模型，通過參數估計和數據擬合等研究手段，獲得規模化靈活性資源的等效近似參數，其缺陷在于各類靈活性資源的物理模型存在一定差異，參數近似法難以實現對海量、異構、多元化可調資源的靈活性進行統一建模和表征。
2.2 網絡級靈活性資源虛擬電廠聚合建模方法
針對考慮電網安全約束的網絡級虛擬電廠聚合問題，如何刻畫虛擬電廠并網端口的調控潛力，是學術界的研究熱點。具體可以分為以下3類。
1）抽樣仿真法。
結合靈活性資源和分布式能源的出力特征和功率分布，采用蒙特卡洛等抽樣方法，生成大批量虛擬電廠運行場景，輔以虛擬電廠內部生產模擬和運行仿真技術，可以評估和擬合得到虛擬電廠并網接口的有功功率與無功功率關聯關系和分布范圍。
2）優化評估法。
考慮虛擬電廠內部潮流安全和電壓范圍約束，以最大化有功功率調節范圍為目標，通過優化計算可以給出不同無功功率或不同功率因數下有功功率的最大/最小調節范圍，輔以描點計算和曲線擬合方法，從而評估出虛擬電廠并網接口的功率調節范圍。
3）邊界收縮法。
首先構建符合規范化形狀的外接多面體，然后通過對該外接多面體進行形體放縮或邊界搜索，獲得并網點處等效發電機設備或等效儲能設備的調節范圍。常見的計算方法包括高維立方體法、內切高維橢球法、高維多面體投影及邊界收縮算法。
值得注意的是，抽樣仿真和優化評估方法的優勢在于，當抽樣和仿真場景充足的情況下，可以無限逼近精確的虛擬電廠聚合可行域，缺陷在于計算負擔較大。相比之下，邊界收縮的優勢在于計算負擔相比前2類方法更小，缺點是會造成一定程度的靈活性損失。
03
靈活性資源虛擬電廠競標報價策略
根據虛擬電廠的競標報價方案是否會對電力市場的出清電價產生影響，虛擬電廠的市場競標方法可以分為2類。第1類方法將虛擬電廠建模為價格接受者，常用于虛擬電廠體量較小的場景；第2類方法將虛擬電廠建模為定價參與者，常用于虛擬電廠體量相對較大，足以影響市場價格的場景。虛擬電廠參與市場運營模式如圖3所示。
圖3 虛擬電廠參與市場運營模式
Fig.3 Market operation model of the virtual power plants
3.1 虛擬電廠作為價格接受者的競標報價方法
當虛擬電廠體量較小，不足以影響電力市場的出清電價時，虛擬電廠通常被建模為價格接受者參與電力市場交易。在這種場景下，由于虛擬電廠對電力市場出清價格的影響較小，虛擬電廠運營者往往采用“只報量”競標方法策略，向上級市場提交分時電量曲線。在該模式下，通過對不同類別的靈活性資源協調調度，結合電價和靈活性資源的預測結果，虛擬電廠向上級電力市場遞交的競標方案，以達到市場套利的目的。文獻[56]考慮可調設備和網絡拓撲安全約束，以最大化運營利潤或最小化運營成本為目標，通過多時段聯合優化獲得虛擬電廠向上級電力市場的申報功率曲線。文獻[57-58]建立了虛擬電廠產消者模型，利用遺傳算法對非線性混合整數規劃問題進行了求解，通過調節內部分布式發電機組和儲能裝置的發電和用電功率，向上級電力市場提供能量和備用服務。邊際成本定價理論是虛擬電廠運用經濟學中的一種邊際分析原理，決策基于每增加單位產出所帶來的額外收益與成本。文獻[59]基于邊際成本函數的解析表征方法，計算了多參數與成本的分段映射關系，進而參與市場交易。需求響應也是虛擬電廠調節內部資源的有效途徑，文獻[60-61]將虛擬電廠作為價格接受者時的柔性負荷進行需求響應，獲取調峰收益。
3.2 虛擬電廠作為定價參與者的競標報價方法
當虛擬電廠體量較大，足夠影響電力市場的出清電價時，虛擬電廠可以被建模為定價參與者參與電力市場交易。在這種場景下，虛擬電廠運營者可以采用更加靈活性的“報量報價”競標策略，同時向上級市場提交分時電量申報范圍和分段報價曲線。“報量報價”常用競標方法有以下3種。
1）基于成本函數分段線性化的競標方法。
通過將虛擬電廠的聚合成本函數分段線性化，可以獲得與虛擬電廠邊際運行成本一致的分段成本曲線。基于真實的分段成本曲線進行競標報價可以保障虛擬電廠收益的穩定，確保市場參與者不虧損。在實際成本曲線基礎上進行報價調整，可以一定程度上影響市場出清結果，進一步增加虛擬電廠競標收益。此外，這種競標方法對于電力市場運營者而言是最佳的，若所有市場參與者都根據其真實的發電成本進行報價，整個電力市場的運營效益可以達到最佳。
2）基于分層優化的競標方法。
分層優化方法常用于制定虛擬電廠“報量報價”競標方案，以提高虛擬電廠在電力市場中的收益為目標，上層模型用于優化虛擬電廠競標策略，下層模型用于評估虛擬電廠不同競標方案下的運營效益。基于分層優化方法對配網公司、儲能設備、工業大用戶和多能聚合商參與電力市場的競標方案進行優化，能明顯提高市場參與者的決策靈活性和運營效益。文獻[68]在零售市場下對聚合商的報量報價策略進行建模，提出了基于雙層優化的電力聚合商競標模型。文獻[65]針對由需求側響應和可再生能源機組組成的虛擬電廠，提出了一種考慮市場結算過程的多參與者競標策略，對不同場景中的風險收益和應用效果進行了分析。文獻[69]提出了考慮購售風險的虛擬電廠內層資源與外層市場的雙層競標策略。這些方法的應用進一步提升了分層優化的效果，使得虛擬電廠能夠根據實時市場信號、負荷預測和市場價格進行高效的調整，從而提高了電力系統的經濟性和可靠性。在大規模的電力系統調控中，分層優化的競標方法使虛擬電廠在面對電力需求波動、市場價格變化及系統的不確定性時，能夠靈活調整競標策略和資源配置。
3）基于價格配額曲線的競標方法。
價格配額曲線反映了電量與電價之間的關聯關系，已被用于柔性負荷聚合商、可再生能源發電商、儲能裝置和電池設備等多類靈活性資源的競標模型中。通過引入整數變量和分段線性化方法，可以將價格配額曲線轉換成競標優化問題中的混合整數線性約束，進而模擬市場參與者在不同競標行為下的市場出清結果，極大地簡化了對電力市場出清過程的建模。此外，這種方法對市場中競爭對手信息的依賴程度低，適合在參與者眾多、競爭激烈的大規模電力市場環境中應用。
04
靈活性資源虛擬電廠運行控制方法
根據虛擬電廠運營者與靈活性資源所屬者的從屬關系，虛擬電廠能量管理和運行控制方法可以分為2類。第1類是當二者歸屬同一主體情況下的經濟調度方法，第2類是當二者分屬不同主體情況下的協同運營方法。虛擬電廠項目通過集成多種分布式能源資源，如太陽能、風能、儲能等，利用智能控制系統進行協同運營和管理。無論虛擬電廠還是傳統發電廠，其能量管理與運行調控方法都應與電力系統的多時間尺度調度相互配合，都采用時序遞進的調控模式，虛擬電廠時序遞進調控模式如圖4所示。
圖4 虛擬電廠時序遞進調控模式
Fig.4 Progressive control mode of virtual power plants in time series
4.1 同主體場景下虛擬電廠運行控制方法
當靈活性資源設備歸虛擬電廠運營者統一管理時，虛擬電廠運營者與靈活性資源所屬者具有相同的利益訴求，虛擬電廠可以直接向各靈活性資源設備下發調度指令。文獻[76]提出了一種考慮建筑物室內溫度需求約束的日前負荷調度方法，為商業建筑帶來更多利潤。文獻[34-35]分別基于數據驅動方法提出了面向需求側資源聚合商的定價策略和競標策略，實現負荷聚合商靈活性運行。文獻[57-58]分別建立了虛擬電廠和配電網的優化調度模型，通過對可中斷負荷、儲能裝置和分布式電源協調調度，實現在能量市場和旋轉備用市場中套利。對需求側響應和插拔式電動汽車充電負荷的能量管理結果表明，虛擬電廠是實現規模化靈活性資源的協調高效運營，提升系統經濟效益的有效手段。
此外，由于靈活性資源種類繁多且能為電力系統提供多類服務，虛擬電廠的能量和輔助服務聯合調度方法成為近年來的研究熱點。文獻[81-82]考慮了能量市場、旋轉備用市場和調頻市場的耦合關系，賦能儲能裝置為電力系統提供多類服務。文獻[63]以最小化配電系統運營成本為目標，設計配電網內部多種設備協同調度方案，為上級電網提供功率平衡和旋轉備用服務。文獻[83]提出了包含聚合、調控、分解、校正全鏈路實施流程的虛擬電廠多時間尺度調度模式，在保障虛擬電廠運營收益的同時顯著降低了系統計算負擔。考慮能量市場與輔助服務市場的耦合約束，兼顧輔助服務調頻指令不確定性對虛擬電廠內部潮流安全的影響，文獻[84]提出了計及潮流安全約束的虛擬電廠能量和輔助服務聯合魯棒經濟調度模型，降低支路潮流/節點電壓越限概率。此外，虛擬電廠參與電-碳市場、電-綠證市場聯合交易與調度方面的研究同樣是近年來的熱點。文獻[85]引入綠證-碳排等價抵消機制以實現綠證交易和碳交易的銜接，提出一種考慮電-碳-綠證市場耦合的園區綜合能源系統日前優化調度模型。文獻[86]將綠證-碳交易引入電轉氣設備和含碳捕集電廠的綜合能源系統調度。文獻[87]量化新能源供能碳減排大小，利用綠證聯動綠證和碳市場，引入歷史配額完成度及預測精確度以衡量配額分配和綠證獲取。
虛擬電廠參與電-碳市場、電-綠證市場聯合交易與調度會帶來3方面的影響。在目標函數方面，電-碳聯合調度會在原電調度的基礎增加與碳排放相關的目標函數，增加多目標優化問題的復雜度，目標函數還須考慮對碳交易、碳排放補償和碳排放損失的增量建模；在約束條件方面，優化調度模型在約束條件方面還須增加對碳排放約束和收益約束的建模；在求解方法方面，虛擬電廠參與電-碳市場、電-綠證市場聯合交易與調度增大模型復雜度，引入更多混合整數變量，對模型及算法的求解效率提出了更高要求，文獻[88]建立的階梯制碳交易機制引入了3個新的參數包括碳交易基價、價格增長率和區間長度，引入了更多整數變量將原始優化問題變為更大規模的混合整數規劃問題。亟需研究混合整數規劃的分支定界法、啟發式方法等更高效率的方法進行求解。
考慮到虛擬電廠中聚納了不同種類的源、荷資源，其不確定性來源包括電源和負荷2個層面。因此，應結合源荷資源的各自特征和不確定性特點，分別提出應對方法。現有研究針對虛擬電廠中源、荷不確定性的應對方法主要如下。
1）針對虛擬電廠中風電、光伏等新能源出力隨機波動帶來的電源側不確定性問題，現有虛擬電廠運行控制方法主要采用魯棒優化、隨機優化、機會約束等方法。在魯棒優化方面，傳統的單階段魯棒優化調度結果無法保證極端情況下的經濟性，因此學術界產生了兩階段魯棒優化調度模型。文獻[90]將兩階段魯棒優化調度方法應用于虛擬電廠的實際調度，使得虛擬電廠調度決策更能適應風光出力的不確定性；在隨機優化方面，文獻[91]采用隨機優化處理多源不確定性問題，用拉丁超立方法生成海量隨機場景，構建考慮多種隨機因素的虛擬電廠經濟調度模型。在機會約束方面，文獻[92]建立了基于雙層模糊機會約束規劃的虛擬電廠優化調度模型。文獻[93]采用機會約束規劃建模來描述由隨機變量帶來的不確定性，針對機會約束規劃處理中所伴隨的失負荷風險，并建立風險量化指標。
2）針對虛擬電廠中柔性負荷模型參數不準確、響應與指令之間存在偏差的問題，現有虛擬電廠運行控制方法主要采用魯棒優化、滾動更新、反饋校正等方法。魯棒優化方法主要是保證一定置信水平下模型的可靠性，通過穩健的調度方案來應對負荷側不確定性。為應對充電站儲能能量管理策略中充電負荷不確定造成的影響，文獻[94]提出了考慮負荷預測不確定性的儲能魯棒實時控制策略，滾動更新主要是用多時間尺度調度的方法來應對負荷側的不確定性，此種方法不以犧牲經濟性為代價來保證魯棒性。文獻[95]中虛擬電廠滾動修正其聚合模型，每15 min更新一次超短期預測數據用于計算下一個周期的負荷側設備靈活性，反饋校正方法則根據虛擬電廠設備的實時運行狀態動態更新模型，從而應對負荷側響應與指令之間存在偏差的問題。文獻[96]中反饋校正模型的目標函數為日前及日內優化結果和實時AGC控制指令之間優化誤差懲罰最小，進而實時跟蹤負荷需求的波動。
4.2 多主體場景下虛擬電廠運行控制方法
當靈活性資源設備和虛擬電廠分屬不同的所有者時，二者之間存在利益沖突，為尊重不同運營主體的利益訴求，須分別構建虛擬電廠和靈活性資源設備的效益模型，利用合理的價格激勵策略和利益分配機制實現二者的協同優化。
將虛擬電廠運營優化模型和各靈活性資源控制優化模型分別置于不同的優化層，構建分層優化問題，是實現不同利益主體之間協同運營的常用方法。現有分層優化問題可以分為以下2類。
1）若將虛擬電廠優化模型置于下層，各靈活性資源控制優化模型置于上層，獲得多領導者-單追隨者的多階段博弈模型，通過上下層之間的交替迭代，搜索令所有參與者均滿意的納什均衡點，常用于解決多參與者之間的協同交易和競標報價問題。
2）若將虛擬電廠優化模型置于上層，各靈活性資源控制優化模型置于下層，獲得單領導者-多追隨者的主從博弈模型，通過設計動態的交易價格，實現上下層決策方案在最優價格點達到均衡，激勵下層的靈活性資源自發主動地追蹤上層虛擬電廠的調度計劃。在文獻[66-67]中，聚合商通過制定時變的能源價格，調整多類分布式發電設備的能源供給曲線，實現供需匹配。
隨著社會各類資本逐步涌入電力市場，未來不同虛擬電廠將分屬于不同的市場利益方，各自追求自身利益的最大化，傳統的優化調度方法可能面臨缺乏協調領導的問題，將很難適用未來多虛擬電廠的市場場景。如何協調多個虛擬電廠的利益，實現多虛擬電廠的聯合調控運行，是一個值得研究的問題。多虛擬電廠聯合管理與調控具有多主體效益沖突及利益協調、多主體之間信息隱私保護、求解方法主要基于分布式優化和博弈論方法等特點。涉及到的分層調控與多階段博弈問題，須注意以下2個問題。
1）分層調控應充分考慮虛擬電廠內部柔性資源的物理特性，不僅從經濟角度，還應從技術角度考慮虛擬電廠對配電網的影響，經濟最優的最優化策略可能會對本地配電網安全運行造成危害。
2）多階段博弈應將配電網運營商加入多虛擬電廠的博弈之中，通過調整電價引導虛擬電廠調整出力，多虛擬電廠之間的博弈也會影響配電網運營商電價的制定。
05
現有研究不足和未來攻堅方向
現有理論方法和技術手段仍然存在以下局限性和研究難點，亟待進一步解決。
1）目前靈活性資源聚合方式以加裝具備采集和控制功能的硬件連接設備為主，考慮電力系統海量異構靈活性資源的設備種類多元、數量規模龐大、接入方式多樣，設備改造和聚合接入成本較高，給靈活性資源聚合管理模式的推廣帶來了巨大成本。為突破此窘境，一方面可以考慮引入適當的補償機制，激勵設備生產商的積極性，打通與運營商設備管理云平臺的資源對接，從而降低資源聚合接入的改造和運營成本；另一方面可以推進與即時通訊和智能感知技術的融合，提高靈活性資源設備和智能可調終端的可接入范圍和可觀可控能力。對于存在大量模型和參數不準確的可調資源和異構終端，在聚合建模層面，應攻克基于實況狀態即時反饋和機器學習方法的海量異構資源群體動態規律認知技術，對虛擬電廠可調能力和可行域的動態建模和精準評估，獲得上級市場或調控中心可信的安全調節空間，提高模型與現實物理環境的貼合度。
2）隨著電力市場全面開放和輔助服務市場類別的日益增加，有必要對計及能量-輔助服務市場耦合關系和不同主體利益訴求的虛擬電廠競標策略、定價方法和分配機制進行統籌考慮，結合靈活性資源虛擬電廠在多元電力市場環境的盈利訴求，構建虛擬電廠全鏈路多周期協調運營模式，引導虛擬電廠向多元協同和多功能互補的趨勢發展。此外，由于虛擬電廠中海量分散式靈活性資源主要來源于配電網，如何實現電力市場、配電網管控中心、虛擬電廠運營商和靈活性資源設備所屬者各自效益的統籌考慮和多層級協調優化亟需進一步開展。
3）虛擬電廠在實際運行中，可調資源的實際出力和控制指令之間往往存在不可避免的偏差。在運行控制層面，應側重于虛擬電廠多時間尺度調度配合，進一步提出模型數據交互驅動的虛擬電廠能量管理和運行控制方法，結合可調資源的生產規律和實測狀態對靈活性資源的調控模型滾動更新和在線校正，提出統籌虛擬電廠多元資源模型差異、功率響應偏差和復雜運行環境的靈活性資源協調控制方法。現有靈活性資源虛擬電廠示范項目為虛擬電廠從起步階段向推廣階段的過渡提供了先導性參考案例。然而，現有示范工程中海量小容量的靈活性終端設備（分散式異構儲能裝置和電池、小型充電樁、溫控設備、智能家居設備等）調控潛力仍未被完全激活，有必要結合即時通訊技術，進一步打造挖掘大規模小容量異構資源靈活性的虛擬電廠軟件系統、實踐平臺和樣板案例，助力虛擬電廠技術朝向普及應用發展。
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結語
市場環境下靈活性資源虛擬電廠的聚合調控問題近年來成為學術研究和工程實踐的熱點，本文對靈活性資源虛擬電廠的聚合建模、競標報價、運行控制3個技術領域的最新進展進行了系統性分類、體系化綜述和總結性梳理，詳細論述了各類理論方法的技術特點和適配場景。最后，總結了靈活性資源虛擬電廠仍然面臨的一些技術問題，給出了靈活性資源虛擬電廠未來理論研究和技術突破方向。通過本文對靈活性資源虛擬電廠相關技術方法的梳理，可幫助相關研究領域的學術界研究人員和產業界工程設計人員全面了解虛擬電廠領域的各類技術方法，為未來研究方向和技術方案的選擇提供參考。
注：本文內容呈現略有調整，如需要請查看原文。
