中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：一、背景
虛擬電廠其實(shí)不是一個(gè)新東西，它的提出已有20余年，21世紀(jì)初在德國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、荷蘭等歐洲國(guó)家興起，并已擁有多個(gè)成熟的示范項(xiàng)目，其主要關(guān)注分布式能源的可靠并網(wǎng)，同時(shí)構(gòu)筑電力市場(chǎng)中穩(wěn)定的商業(yè)模式。
那么為什么我們國(guó)內(nèi)最近越來(lái)越多聽(tīng)到呢？因?yàn)槲覀兊碾娏ο到y(tǒng)和政策市場(chǎng)在發(fā)生變化，逐漸滿足虛擬電廠誕生環(huán)境了。
關(guān)注電力行業(yè)的同學(xué)們都知道，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)正處于新老電力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型期，市場(chǎng)主體將從單一化向多元化轉(zhuǎn)變，電力輸送將從“發(fā)輸配用”向“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”轉(zhuǎn)變。尤其是雙碳目標(biāo)的確立后，分布式能源和儲(chǔ)能的加入，讓原有的電力系統(tǒng)變得更加復(fù)雜。而虛擬電廠就是一種相對(duì)省錢(qián)的解決思路。
例如：以往的電力系統(tǒng)削峰填谷，基本是通過(guò)火電廠實(shí)現(xiàn)的，根據(jù)測(cè)算，滿足5%的峰值負(fù)荷可能需要投資4000億的電廠和配套電網(wǎng)；而通過(guò)虛擬電廠實(shí)現(xiàn)，建設(shè)、運(yùn)營(yíng)、激勵(lì)等環(huán)節(jié)的投資只需要500-800億元。
二、概念
虛擬電廠（VirtualPower Plant，VPP）顧名思義就是虛擬化的電廠，它不是一個(gè)物理真實(shí)的電廠，但起到了電廠的作用。
電廠有什么作用：一個(gè)是發(fā)出電能，參與能量市場(chǎng)；另一個(gè)就是通過(guò)調(diào)節(jié)功率來(lái)參與輔助服務(wù)市場(chǎng)（調(diào)峰調(diào)頻等）
因此，我們就可以得出結(jié)論：虛擬電廠就是一種能發(fā)揮電廠作用的某種“黑匣子”，它不需要新建一個(gè)電廠，但是對(duì)外既可以作為“正電廠”向系統(tǒng)供電，也可以作為“負(fù)電廠”消納系統(tǒng)的電力。
那“黑匣子”里到底裝了什么東西，能實(shí)現(xiàn)這么神奇的效果呢？
答案其實(shí)很簡(jiǎn)單：分布式電源，儲(chǔ)能設(shè)施，可控負(fù)荷等資源。
但光有這些東西還不夠，虛擬電廠還需要一套技術(shù)和系統(tǒng)來(lái)將它們智能的聚合起來(lái)。所以，虛擬電廠本質(zhì)上是一套軟件系統(tǒng)，它聚合了現(xiàn)有的分布式資源，并通過(guò)協(xié)同控制，參與電力市場(chǎng)，從而替代新建真實(shí)電廠。
到此我們給一個(gè)完整的定義：虛擬電廠是一種通過(guò)信息技術(shù)和軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)分布式電源、儲(chǔ)能、可控負(fù)荷、電動(dòng)汽車等多種分布式資源的聚合和協(xié)同優(yōu)化，以作為一個(gè)特殊的電廠，參與電力市場(chǎng)和電網(wǎng)運(yùn)行的協(xié)調(diào)管理系統(tǒng)。
聽(tīng)上去虛擬電廠和需求側(cè)響應(yīng)，好像比較相似，本質(zhì)內(nèi)涵也比較一致。
實(shí)際上，廣義來(lái)講，虛擬電廠是需求側(cè)響應(yīng)的延伸版，需求側(cè)響應(yīng)主要是削峰，主要針對(duì)用戶負(fù)荷；虛擬電廠則是削峰和填谷兼顧，源網(wǎng)荷儲(chǔ)都包含在內(nèi)。
三、組成
接下來(lái)，我們?cè)敿?xì)拆解虛擬電廠的組成。先來(lái)看一張圖：
根據(jù)第二部分的定義的闡述，我們應(yīng)該能比較清楚的看清圖中的含義。
虛擬電廠由于聚集了分布式能源（發(fā)電）、儲(chǔ)能（充電/放電）、 可控負(fù)荷（用電）等，因此可以根據(jù)實(shí)際的組成來(lái)劃分分類：
根據(jù)各自的特點(diǎn)，我們可以得出以下結(jié)論：
1）電源型：具有能量出售能力，可以參與能量市場(chǎng)；并視實(shí)際情形參與輔助服務(wù)市場(chǎng)
2）負(fù)荷型：具有功率調(diào)節(jié)能力，可以參與輔助服務(wù)市場(chǎng)；能量出售屬性不足
3）儲(chǔ)能型：可參與輔助服務(wù)市場(chǎng)，也可以部分時(shí)段通過(guò)放電來(lái)出售電能。
4）混合型：全能型選手。
在國(guó)外案例中，各國(guó)各有特點(diǎn)，日本和德國(guó)以儲(chǔ)能和分布式電源，作為虛擬電廠的主體，美國(guó)則是以可控負(fù)荷為主，規(guī)模已占尖峰負(fù)荷的5%以上。
我們展開(kāi)來(lái)看：
1）可控負(fù)荷
可控負(fù)荷資源的重點(diǎn)領(lǐng)域主要包括工業(yè)、建筑和交通等。其中工業(yè)分連續(xù)性工業(yè)和非連續(xù)性工業(yè)；建筑包括公共、商業(yè)和居民等，建筑領(lǐng)域中空調(diào)負(fù)荷最為重要；交通有岸電、公共交通和私家電動(dòng)車等。
可控負(fù)荷資源在質(zhì)和量?jī)蓚€(gè)方面都存在較大的差別。在質(zhì)的方面，可以從調(diào)節(jié)意愿、調(diào)節(jié)能力和調(diào)節(jié)及聚合成本性價(jià)比幾個(gè)維度來(lái)評(píng)判?？偟膩?lái)說(shuō)，非連續(xù)工業(yè)是意愿、能力、可聚合性“三高”的首選優(yōu)質(zhì)資源，其次是電動(dòng)交通和建筑空調(diào)。在量的方面，調(diào)節(jié)、聚合技術(shù)的發(fā)展和成本的下降都在不斷提升可調(diào)負(fù)荷資源量。
2） 分布式電源
分布式電源指的是在用戶現(xiàn)場(chǎng)或靠近用電現(xiàn)場(chǎng)配置較小的發(fā)電機(jī)組，包括小型燃機(jī)、小型光伏和小型風(fēng)電、水電、生物質(zhì)、燃料電池等或者這些發(fā)電的組合。
站在虛擬電廠的角度，對(duì)分布式發(fā)電資源的界定在于調(diào)度關(guān)系，凡是調(diào)度關(guān)系不在現(xiàn)有公用系統(tǒng)的，或者可以從公用系統(tǒng)脫離的發(fā)電資源，都可以納入虛擬發(fā)電資源。從這個(gè)意義上說(shuō)，所有自備電廠都是虛擬電廠潛在的資源。
3）儲(chǔ)能
儲(chǔ)能是電力能源行業(yè)中最具革命性的要素。儲(chǔ)能技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的快速提升，使電能突破了不可大規(guī)模經(jīng)濟(jì)儲(chǔ)存的限制，也改變了行業(yè)控制優(yōu)化機(jī)制。
按照存儲(chǔ)形式的區(qū)別，儲(chǔ)能設(shè)備大致可分為四類：一是機(jī)械儲(chǔ)能，如抽水蓄能、飛輪儲(chǔ)能等；二是化學(xué)儲(chǔ)能，如鉛酸電池、鈉硫電池等；三是電磁儲(chǔ)能，如超級(jí)電容、超導(dǎo)儲(chǔ)能等；四是相變儲(chǔ)能。
四、商業(yè)模式
虛擬電廠在聚合多類資源后，最終是要參與到電力市場(chǎng)中來(lái)才能獲得收益。一般分為：
1）電力交易
虛擬電廠可以作為售電企業(yè)與用戶直接交易，或從火電廠購(gòu)買(mǎi)發(fā)電權(quán)。
2）輔助服務(wù)市場(chǎng)
虛擬電廠通過(guò)負(fù)荷低谷時(shí)減少出力（增加負(fù)荷）或在負(fù)荷高峰時(shí)增加出力（削減負(fù)荷）來(lái)參與調(diào)峰服務(wù)交易，以及類似參與調(diào)頻等服務(wù)市場(chǎng)。
五、運(yùn)行和案例
案例一：
2020年，上海黃浦區(qū)虛擬電廠項(xiàng)目。迄今最大規(guī)模的一次試運(yùn)行，參與樓宇超過(guò)50棟，釋放負(fù)荷約1萬(wàn)千瓦。怎么實(shí)現(xiàn)的？在用電高峰時(shí)段，系統(tǒng)對(duì)虛擬電廠區(qū)域內(nèi)，相關(guān)建筑中央空調(diào)的溫度、風(fēng)量、轉(zhuǎn)速等多個(gè)特征參數(shù)，進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，且對(duì)用戶體驗(yàn)影響不大。
技術(shù)層面是有一些工作量的，包括控制、計(jì)量、調(diào)度、交易等等，以往的能源調(diào)控顆粒度比較大，虛擬電廠針對(duì)的是設(shè)備級(jí)，而且要求自動(dòng)響應(yīng)的話，復(fù)雜程度就很高了。
用戶怎么參與虛擬電廠項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)收益？以上海項(xiàng)目為例，還是在系統(tǒng)平臺(tái)上，負(fù)荷集成商進(jìn)行競(jìng)價(jià)。三級(jí)的架構(gòu)，平臺(tái)、負(fù)荷集成商、用戶。
補(bǔ)貼價(jià)格根據(jù)響應(yīng)時(shí)間，也是有區(qū)分。用戶在30分鐘之內(nèi)進(jìn)行削峰，給你的補(bǔ)貼就是3倍的價(jià)格（有一個(gè)基準(zhǔn)值），30分鐘到2小時(shí)之間是2倍，時(shí)間更長(zhǎng)就更低。
補(bǔ)貼的來(lái)源，目前主要是來(lái)源于各省的跨省區(qū)可再生能源電力現(xiàn)貨交易購(gòu)電差價(jià)的盈余部分，所以還是有一些制約，很多省份還沒(méi)有開(kāi)始現(xiàn)貨交易。
案例二：
2021年11月，由南方電網(wǎng)深圳供電局、南方電網(wǎng)科學(xué)研究院聯(lián)合研發(fā)，國(guó)內(nèi)首個(gè)網(wǎng)地一體虛擬電廠運(yùn)營(yíng)管理平臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱“虛擬電廠平臺(tái)”）近日在深圳試運(yùn)行。深圳供電局通過(guò)該平臺(tái)向10余家用戶發(fā)起電網(wǎng)調(diào)峰需求，深圳能源售電公司代理的深圳地鐵集團(tuán)站點(diǎn)、深圳水務(wù)集團(tuán)筆架山水廠參與響應(yīng)。隨后，深圳地鐵、深圳水務(wù)在保證正常安全生產(chǎn)的前提下，按照計(jì)劃精準(zhǔn)調(diào)節(jié)用電負(fù)荷共計(jì)3000千瓦，相當(dāng)于2000戶家庭的空調(diào)用電。
德國(guó)Next Kraftwerke公司虛擬電廠
Next Kraftwerke是德國(guó)一家大型的虛擬電廠運(yùn)營(yíng)商，同時(shí)也是歐洲電力交易市場(chǎng)(EPEX)認(rèn)證的能源交易商，參與能源的現(xiàn)貨市場(chǎng)交易。除了虛擬電廠相關(guān)的一切業(yè)務(wù)，從技術(shù)、電力交易、電力銷售、用戶結(jié)算等，同時(shí)也可以為其他能源運(yùn)營(yíng)商提供虛擬電廠的運(yùn)營(yíng)服務(wù)。
截止2018年，NextKraftwerke管理了6854個(gè)客戶資產(chǎn)，容量超過(guò)5987MW。Next Kraftwerke管理的單個(gè)客戶資源平均只有0.87MW，單個(gè)資源規(guī)模偏小且零散，調(diào)度和交易難度大、成本高，很難通過(guò)市場(chǎng)交易獲利。
Next Kraftwerke公司通過(guò)其高超的資源聚合能力和創(chuàng)新的商業(yè)模式，創(chuàng)造了驚人的發(fā)展速度和優(yōu)異的經(jīng)營(yíng)業(yè)績(jī)。2009年才成立的Next Kraftwerke公司目前員工總數(shù)149人，實(shí)現(xiàn)銷售收入3.82億歐元，人均256萬(wàn)，交易電量140GWh。其主要盈利模式有如下幾個(gè)：
（1）將風(fēng)電、光伏等零或低邊際成本的發(fā)電資源參與電力市場(chǎng)交易。
（2）利用每15minー次，每天96次的電力市場(chǎng)價(jià)格波動(dòng)，虛擬電廠調(diào)節(jié)分布式電源出力、需求響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)低谷用電、高峰售電，獲取最大利潤(rùn)。
（3）利用微燃機(jī)、生物質(zhì)發(fā)電等啟動(dòng)速度快、出力靈活的特點(diǎn)，參與電網(wǎng)的輔助服務(wù)，獲取收益。
盈利途徑背后是Next Kraftwerke的資源聚合能力，不同的客戶資源各有其特點(diǎn)，虛擬電廠通過(guò)市場(chǎng)、技術(shù)手段并用，查缺補(bǔ)漏、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，既包含“量”上的整合，更具有“質(zhì)”上的提升，實(shí)現(xiàn)了分布式資源擁有方、虛擬電廠運(yùn)營(yíng)方甚至電網(wǎng)方的各方利益共贏。
比如，風(fēng)電、光伏等可再生能源，由于采用逆變器輸出形式，缺乏足夠的慣量，具有間歇性的固有屬性，呈現(xiàn)出波動(dòng)、不可控的外部特性。盡管發(fā)電邊際成本低，但單獨(dú)參與電能量市場(chǎng)，尤其是合約市場(chǎng)，存在一定的難度。分布式燃機(jī)、生物質(zhì)等同步發(fā)電機(jī)輸出形式的發(fā)電資源，與大電網(wǎng)友好、兼容，具有靈活、可調(diào)的優(yōu)勢(shì)。但與大機(jī)組相比，邊際成本偏高，在電力市場(chǎng)中先天不足。虛擬電廠可以實(shí)現(xiàn)兩種發(fā)電資源的整合，揚(yáng)長(zhǎng)避短，能以較大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)參與電力市場(chǎng)，獲取最大收益。
再比如，虛擬電廠通過(guò)聚合資源，量變上升為質(zhì)變，以聚合后資源參與電能量市場(chǎng)和輔助服務(wù)市場(chǎng)，提高議價(jià)能力，在獲取最大收益的同時(shí)為電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行貢獻(xiàn)力量。目前，Next Kraftwerke公司占據(jù)了德國(guó)二次調(diào)頻市場(chǎng)10%的份額。
六、發(fā)展階段和面臨問(wèn)題
1）三個(gè)階段
依據(jù)外圍條件的不同，我們把虛擬電廠的發(fā)展分為三個(gè)階段。
第一個(gè)階段我們稱之為邀約型階段。這是在沒(méi)有電力市場(chǎng)的情況下，由政府部門(mén)或調(diào)度機(jī)構(gòu)牽頭組織，各個(gè)聚合商參與，共同完成邀約、響應(yīng)和激勵(lì)流程。
第二個(gè)階段是市場(chǎng)型階段。這是在電能量現(xiàn)貨市場(chǎng)、輔助服務(wù)市場(chǎng)和容量市場(chǎng)建成后，虛擬電廠聚合商以類似于實(shí)體電廠的模式，分別參與這些市場(chǎng)獲得收益。在第二階段，也會(huì)同時(shí)存在邀約型模式，其邀約發(fā)出的主體是系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)構(gòu)。
第三個(gè)階段是未來(lái)的虛擬電廠，我們稱之為跨空間自主調(diào)度型虛擬電廠。隨著虛擬電廠聚合的資源種類越來(lái)越多，數(shù)量越來(lái)越大，空間越來(lái)越廣，實(shí)際上可稱之為“虛擬電力系統(tǒng)”，其中既包含可調(diào)負(fù)荷、儲(chǔ)能和分布式能源等基礎(chǔ)資源，也包含由這些基礎(chǔ)資源整合而成的微網(wǎng)、局域能源互聯(lián)網(wǎng)。
2）問(wèn)題
虛擬電廠的發(fā)展除了自身能力充足之外，還需要考慮外部大環(huán)境。
一是盈利模式?？缡^(qū)可再生能源現(xiàn)貨交易購(gòu)電差價(jià)盈余作為資金池，只是當(dāng)前權(quán)宜之計(jì)，還是要形成商業(yè)模式，且不是那種被動(dòng)的補(bǔ)貼模式：虛擬電廠使得電網(wǎng)、電廠投資減少了，就去找他們出錢(qián)。
這種模式很難推廣，不好核定，沒(méi)人愿意出錢(qián)，需要形成市場(chǎng)化行為，電力市場(chǎng)里面，有人愿意買(mǎi)單，自然不愁沒(méi)人主動(dòng)去做。
二是場(chǎng)景延伸。例如充電樁站用這樣的元素，能否充分融合進(jìn)來(lái)，充電樁可調(diào)節(jié)性能很強(qiáng)，對(duì)時(shí)間和舒適度要求不高，發(fā)展體量很大，需要統(tǒng)籌規(guī)劃。
現(xiàn)在很多案例，都是以空調(diào)負(fù)荷為主，受到到很多制約，單個(gè)樓宇空調(diào)需求響應(yīng)項(xiàng)目改造投資較大，但可調(diào)負(fù)荷有限，性價(jià)比不高，難以回收投資。
三是成本問(wèn)題。目前虛擬電廠平臺(tái)、終端成本還是很高的，自控、信息設(shè)備都很花錢(qián)，如何優(yōu)化成本，對(duì)于案例的市場(chǎng)化復(fù)制，也是至關(guān)重要的。
總結(jié)
虛擬電廠具有多樣性，協(xié)同性，靈活性等技術(shù)特點(diǎn)，滿足未來(lái)新型電力系統(tǒng)諸如綠色，靈活，多元互動(dòng)，高度市場(chǎng)化的運(yùn)行需求，是一種重要的技術(shù)支撐，同時(shí)也為儲(chǔ)能行業(yè)的發(fā)展提供充分的參與機(jī)制。在雙碳目標(biāo)的確定性遠(yuǎn)景之下，虛擬電廠在國(guó)內(nèi)勢(shì)必會(huì)迎來(lái)良好的發(fā)展。
參考：
儲(chǔ)能與虛擬電廠 李揚(yáng)教授 東南大學(xué)
怎么去深入理解虛擬電廠？嚴(yán)同
我國(guó)虛擬電廠發(fā)展研究 王冬容 中電國(guó)際政策研究室
