中國儲能網(wǎng)訊：一、背景
虛擬電廠其實不是一個新東西，它的提出已有20余年，21世紀初在德國、英國、法國、荷蘭等歐洲國家興起，并已擁有多個成熟的示范項目，其主要關注分布式能源的可靠并網(wǎng)，同時構筑電力市場中穩(wěn)定的商業(yè)模式。
那么為什么我們國內(nèi)最近越來越多聽到呢？因為我們的電力系統(tǒng)和政策市場在發(fā)生變化，逐漸滿足虛擬電廠誕生環(huán)境了。
關注電力行業(yè)的同學們都知道，現(xiàn)在國內(nèi)正處于新老電力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型期，市場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”轉(zhuǎn)變。尤其是雙碳目標的確立后，分布式能源和儲能的加入，讓原有的電力系統(tǒng)變得更加復雜。而虛擬電廠就是一種相對省錢的解決思路。
例如：以往的電力系統(tǒng)削峰填谷，基本是通過火電廠實現(xiàn)的，根據(jù)測算，滿足5%的峰值負荷可能需要投資4000億的電廠和配套電網(wǎng)；而通過虛擬電廠實現(xiàn)，建設、運營、激勵等環(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，它不是一個物理真實的電廠，但起到了電廠的作用。
電廠有什么作用：一個是發(fā)出電能，參與能量市場；另一個就是通過調(diào)節(jié)功率來參與輔助服務市場（調(diào)峰調(diào)頻等）
因此，我們就可以得出結論：虛擬電廠就是一種能發(fā)揮電廠作用的某種“黑匣子”，它不需要新建一個電廠，但是對外既可以作為“正電廠”向系統(tǒng)供電，也可以作為“負電廠”消納系統(tǒng)的電力。
那“黑匣子”里到底裝了什么東西，能實現(xiàn)這么神奇的效果呢？
答案其實很簡單：分布式電源，儲能設施，可控負荷等資源。
但光有這些東西還不夠，虛擬電廠還需要一套技術和系統(tǒng)來將它們智能的聚合起來。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，并通過協(xié)同控制，參與電力市場，從而替代新建真實電廠。
到此我們給一個完整的定義：虛擬電廠是一種通過信息技術和軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)分布式電源、儲能、可控負荷、電動汽車等多種分布式資源的聚合和協(xié)同優(yōu)化，以作為一個特殊的電廠，參與電力市場和電網(wǎng)運行的協(xié)調(diào)管理系統(tǒng)。
聽上去虛擬電廠和需求側響應，好像比較相似，本質(zhì)內(nèi)涵也比較一致。
實際上，廣義來講，虛擬電廠是需求側響應的延伸版，需求側響應主要是削峰，主要針對用戶負荷；虛擬電廠則是削峰和填谷兼顧，源網(wǎng)荷儲都包含在內(nèi)。
三、組成
接下來，我們詳細拆解虛擬電廠的組成。先來看一張圖：
根據(jù)第二部分的定義的闡述，我們應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）、儲能（充電/放電）、 可控負荷（用電）等，因此可以根據(jù)實際的組成來劃分分類：
根據(jù)各自的特點，我們可以得出以下結論：
1）電源型：具有能量出售能力，可以參與能量市場；并視實際情形參與輔助服務市場
2）負荷型：具有功率調(diào)節(jié)能力，可以參與輔助服務市場；能量出售屬性不足
3）儲能型：可參與輔助服務市場，也可以部分時段通過放電來出售電能。
4）混合型：全能型選手。
在國外案例中，各國各有特點，日本和德國以儲能和分布式電源，作為虛擬電廠的主體，美國則是以可控負荷為主，規(guī)模已占尖峰負荷的5%以上。
我們展開來看：
1）可控負荷
可控負荷資源的重點領域主要包括工業(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，建筑領域中空調(diào)負荷最為重要；交通有岸電、公共交通和私家電動車等。
可控負荷資源在質(zhì)和量兩個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)及聚合成本性價比幾個維度來評判?？偟膩碚f，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，其次是電動交通和建筑空調(diào)。在量的方面，調(diào)節(jié)、聚合技術的發(fā)展和成本的下降都在不斷提升可調(diào)負荷資源量。
2） 分布式電源
分布式電源指的是在用戶現(xiàn)場或靠近用電現(xiàn)場配置較小的發(fā)電機組，包括小型燃機、小型光伏和小型風電、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，對分布式發(fā)電資源的界定在于調(diào)度關系，凡是調(diào)度關系不在現(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。從這個意義上說，所有自備電廠都是虛擬電廠潛在的資源。
3）儲能
儲能是電力能源行業(yè)中最具革命性的要素。儲能技術經(jīng)濟性的快速提升，使電能突破了不可大規(guī)模經(jīng)濟儲存的限制，也改變了行業(yè)控制優(yōu)化機制。
按照存儲形式的區(qū)別，儲能設備大致可分為四類：一是機械儲能，如抽水蓄能、飛輪儲能等；二是化學儲能，如鉛酸電池、鈉硫電池等；三是電磁儲能，如超級電容、超導儲能等；四是相變儲能。
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中來才能獲得收益。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，或從火電廠購買發(fā)電權。
2）輔助服務市場
虛擬電廠通過負荷低谷時減少出力（增加負荷）或在負荷高峰時增加出力（削減負荷）來參與調(diào)峰服務交易，以及類似參與調(diào)頻等服務市場。
五、運行和案例
案例一：
2020年，上海黃浦區(qū)虛擬電廠項目。迄今最大規(guī)模的一次試運行，參與樓宇超過50棟，釋放負荷約1萬千瓦。怎么實現(xiàn)的？在用電高峰時段，系統(tǒng)對虛擬電廠區(qū)域內(nèi)，相關建筑中央空調(diào)的溫度、風量、轉(zhuǎn)速等多個特征參數(shù)，進行自動調(diào)節(jié)，且對用戶體驗影響不大。
技術層面是有一些工作量的，包括控制、計量、調(diào)度、交易等等，以往的能源調(diào)控顆粒度比較大，虛擬電廠針對的是設備級，而且要求自動響應的話，復雜程度就很高了。
用戶怎么參與虛擬電廠項目，實現(xiàn)收益？以上海項目為例，還是在系統(tǒng)平臺上，負荷集成商進行競價。三級的架構，平臺、負荷集成商、用戶。
補貼價格根據(jù)響應時間，也是有區(qū)分。用戶在30分鐘之內(nèi)進行削峰，給你的補貼就是3倍的價格（有一個基準值），30分鐘到2小時之間是2倍，時間更長就更低。
補貼的來源，目前主要是來源于各省的跨省區(qū)可再生能源電力現(xiàn)貨交易購電差價的盈余部分，所以還是有一些制約，很多省份還沒有開始現(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)科學研究院聯(lián)合研發(fā)，國內(nèi)首個網(wǎng)地一體虛擬電廠運營管理平臺（以下簡稱“虛擬電廠平臺”）近日在深圳試運行。深圳供電局通過該平臺向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站點、深圳水務集團筆架山水廠參與響應。隨后，深圳地鐵、深圳水務在保證正常安全生產(chǎn)的前提下，按照計劃精準調(diào)節(jié)用電負荷共計3000千瓦，相當于2000戶家庭的空調(diào)用電。
德國Next Kraftwerke公司虛擬電廠
Next Kraftwerke是德國一家大型的虛擬電廠運營商，同時也是歐洲電力交易市場(EPEX)認證的能源交易商，參與能源的現(xiàn)貨市場交易。除了虛擬電廠相關的一切業(yè)務，從技術、電力交易、電力銷售、用戶結算等，同時也可以為其他能源運營商提供虛擬電廠的運營服務。
截止2018年，NextKraftwerke管理了6854個客戶資產(chǎn)，容量超過5987MW。Next Kraftwerke管理的單個客戶資源平均只有0.87MW，單個資源規(guī)模偏小且零散，調(diào)度和交易難度大、成本高，很難通過市場交易獲利。
Next Kraftwerke公司通過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)營業(yè)績。2009年才成立的Next Kraftwerke公司目前員工總數(shù)149人，實現(xiàn)銷售收入3.82億歐元，人均256萬，交易電量140GWh。其主要盈利模式有如下幾個：
（1）將風電、光伏等零或低邊際成本的發(fā)電資源參與電力市場交易。
（2）利用每15minー次，每天96次的電力市場價格波動，虛擬電廠調(diào)節(jié)分布式電源出力、需求響應，實現(xiàn)低谷用電、高峰售電，獲取最大利潤。
（3）利用微燃機、生物質(zhì)發(fā)電等啟動速度快、出力靈活的特點，參與電網(wǎng)的輔助服務，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，虛擬電廠通過市場、技術手段并用，查缺補漏、優(yōu)勢互補，既包含“量”上的整合，更具有“質(zhì)”上的提升，實現(xiàn)了分布式資源擁有方、虛擬電廠運營方甚至電網(wǎng)方的各方利益共贏。
比如，風電、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、不可控的外部特性。盡管發(fā)電邊際成本低，但單獨參與電能量市場，尤其是合約市場，存在一定的難度。分布式燃機、生物質(zhì)等同步發(fā)電機輸出形式的發(fā)電資源，與大電網(wǎng)友好、兼容，具有靈活、可調(diào)的優(yōu)勢。但與大機組相比，邊際成本偏高，在電力市場中先天不足。虛擬電廠可以實現(xiàn)兩種發(fā)電資源的整合，揚長避短，能以較大的競爭優(yōu)勢參與電力市場，獲取最大收益。
再比如，虛擬電廠通過聚合資源，量變上升為質(zhì)變，以聚合后資源參與電能量市場和輔助服務市場，提高議價能力，在獲取最大收益的同時為電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行貢獻力量。目前，Next Kraftwerke公司占據(jù)了德國二次調(diào)頻市場10%的份額。
六、發(fā)展階段和面臨問題
1）三個階段
依據(jù)外圍條件的不同，我們把虛擬電廠的發(fā)展分為三個階段。
第一個階段我們稱之為邀約型階段。這是在沒有電力市場的情況下，由政府部門或調(diào)度機構牽頭組織，各個聚合商參與，共同完成邀約、響應和激勵流程。
第二個階段是市場型階段。這是在電能量現(xiàn)貨市場、輔助服務市場和容量市場建成后，虛擬電廠聚合商以類似于實體電廠的模式，分別參與這些市場獲得收益。在第二階段，也會同時存在邀約型模式，其邀約發(fā)出的主體是系統(tǒng)運行機構。
第三個階段是未來的虛擬電廠，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越多，數(shù)量越來越大，空間越來越廣，實際上可稱之為“虛擬電力系統(tǒng)”，其中既包含可調(diào)負荷、儲能和分布式能源等基礎資源，也包含由這些基礎資源整合而成的微網(wǎng)、局域能源互聯(lián)網(wǎng)。
2）問題
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)貨交易購電差價盈余作為資金池，只是當前權宜之計，還是要形成商業(yè)模式，且不是那種被動的補貼模式：虛擬電廠使得電網(wǎng)、電廠投資減少了，就去找他們出錢。
這種模式很難推廣，不好核定，沒人愿意出錢，需要形成市場化行為，電力市場里面，有人愿意買單，自然不愁沒人主動去做。
二是場景延伸。例如充電樁站用這樣的元素，能否充分融合進來，充電樁可調(diào)節(jié)性能很強，對時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)負荷為主，受到到很多制約，單個樓宇空調(diào)需求響應項目改造投資較大，但可調(diào)負荷有限，性價比不高，難以回收投資。
三是成本問題。目前虛擬電廠平臺、終端成本還是很高的，自控、信息設備都很花錢，如何優(yōu)化成本，對于案例的市場化復制，也是至關重要的。
總結
虛擬電廠具有多樣性，協(xié)同性，靈活性等技術特點，滿足未來新型電力系統(tǒng)諸如綠色，靈活，多元互動，高度市場化的運行需求，是一種重要的技術支撐，同時也為儲能行業(yè)的發(fā)展提供充分的參與機制。在雙碳目標的確定性遠景之下，虛擬電廠在國內(nèi)勢必會迎來良好的發(fā)展。
參考：
儲能與虛擬電廠 李揚教授 東南大學
怎么去深入理解虛擬電廠？嚴同
我國虛擬電廠發(fā)展研究 王冬容 中電國際政策研究室
