中國儲能網(wǎng)訊：文/鐘永潔 紀(jì)陵 李靖霞 蔣衍君 吳世偉 王紫東，國電南京自動化股份有限公司，綜合智慧能源
在碳中和、碳達峰背景和目標(biāo)的驅(qū)動下，我國大力推動能源綠色轉(zhuǎn)型，以堅強智能電網(wǎng)為樞紐平臺，以源、網(wǎng)、荷、儲互動與多能互補集成為支撐，集中式發(fā)電與分布式發(fā)電結(jié)構(gòu)并舉，構(gòu)建以新能源為主體的更加清潔低碳、安全可控、靈活高效、智能友好、開放互動的新型電力系統(tǒng)。
然而，我國電力行業(yè)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，電力輸送將從傳統(tǒng)的“發(fā)、輸、配、用”向新型的“源、網(wǎng)、荷、儲”轉(zhuǎn)變。尤其是碳達峰、碳中和目標(biāo)確立后，分布式能源和分布式儲能的加入，讓原有的電力系統(tǒng)變得更加復(fù)雜。與此同時，新能源裝機比例及用戶側(cè)間歇性負(fù)荷的進一步增長，對電力系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)能力提出了越來越高的要求，傳統(tǒng)“源隨荷動”的運行模式亟須向“源荷互動”轉(zhuǎn)變。隨著碳中和、碳達峰目標(biāo)的持續(xù)推進，可再生能源、分布式發(fā)電的開發(fā)得到前所未有的重視，新能源發(fā)電大規(guī)模布局逐漸成為新業(yè)態(tài)。挖掘負(fù)荷側(cè)的靈活性資源和調(diào)節(jié)潛力，成為提升電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力和保障電力供應(yīng)的重要手段。
新型電力系統(tǒng)的發(fā)展成為未來趨勢，在新的發(fā)電、輸電、配電、用電新勢態(tài)下，“虛擬電廠”應(yīng)運而生，虛擬電廠是當(dāng)前國家開展新型電力系統(tǒng)建設(shè)，實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標(biāo)的一個重要建設(shè)方向，虛擬電廠在破解清潔能源消納難題、綠色能源轉(zhuǎn)型方面將發(fā)揮重要作用，它能夠提升能源服務(wù)，實現(xiàn)對分布式能源的響應(yīng)分配、靈活潛力挖掘、多元負(fù)荷預(yù)測、實時協(xié)調(diào)控制，參與電力交易市場和需求響應(yīng)。虛擬電廠作為新型電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型中的重要配置，在政策扶持、技術(shù)驗證、商業(yè)模式等方面都日趨成熟。可以預(yù)見，虛擬電廠將成為未來解決能源變革問題的重要手段，即將邁入快速增長期。
目前，國內(nèi)外學(xué)者在虛擬電廠的結(jié)構(gòu)特征、運行機制、優(yōu)化調(diào)度、發(fā)展應(yīng)用等方面已經(jīng)有了一些基礎(chǔ)性研究。文獻闡述了虛擬電廠的基礎(chǔ)概念與實現(xiàn)架構(gòu)，并從電動汽車、綜合能源、可再生能源3個視角介紹了虛擬電廠優(yōu)化調(diào)度相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)。文獻分析了虛擬電廠在協(xié)調(diào)控制、優(yōu)化調(diào)度、參與電力市場交易3個方面的研究現(xiàn)狀。文獻建立了基于多代理系統(tǒng)的虛擬電廠控制架構(gòu)，并提出了多虛擬電廠參與電力市場時的雙層協(xié)調(diào)運行機制。文獻從聚合、經(jīng)濟、運營3個維度研究了虛擬電廠協(xié)調(diào)優(yōu)化機理，并對虛擬電廠未來發(fā)展進行了合理展望。文獻提出了一個數(shù)據(jù)挖掘驅(qū)動的基于激勵需求響應(yīng)方案來模擬虛擬電廠及其參與者之間的電力交易，方案通過提供激勵來誘導(dǎo)消費者減少負(fù)荷并使分布式能源資源得到最大利用。文獻對上海電力市場現(xiàn)狀進行了研究，并以虛擬電廠為主體建立了其運營市場體系。
文獻根據(jù)虛擬電廠的組成單元特征構(gòu)建虛擬電廠源、荷、儲多元備用容量體系。綜合以上分析，已有研究相對缺乏從不同視角對虛擬電廠基礎(chǔ)特征內(nèi)涵的深度剖析及其發(fā)展現(xiàn)狀的綜合概述研究，亟須進一步開展相關(guān)方面研究分析。
基于此，文中接下來將對虛擬電廠的基礎(chǔ)內(nèi)涵、概念、特征開展簡要的闡述，并對我國虛擬電廠產(chǎn)生、發(fā)展背景及外部政策環(huán)境的支撐情況進行分析。進一步介紹當(dāng)前虛擬電廠的主流業(yè)務(wù)板塊，并結(jié)合虛擬電廠應(yīng)用案例進行分析，進而概括出虛擬電廠發(fā)展中所必需的幾個支撐要素。闡述虛擬電廠的3個發(fā)展階段，并對我國虛擬電廠發(fā)展中的現(xiàn)實問題進行了概況分析。最后對虛擬電廠在未來的發(fā)展進行合理展望。
1、虛擬電廠概念特征
1.1、虛擬電廠概念
虛擬電廠其實不是一個新概念或新事物，它的提出已有20余年。21世紀(jì)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(guān)注分布式能源的可靠并網(wǎng)，同時構(gòu)筑電力市場中穩(wěn)定的商業(yè)模式。近年來，我國虛擬電廠發(fā)展受到越來越多的關(guān)注和重視，且在日前邀約階段開展了一定程度上的示范實踐，緣由是我國電力系統(tǒng)和政策市場在發(fā)生變化，逐漸滿足了虛擬電廠誕生、發(fā)展的基礎(chǔ)土壤環(huán)境。
虛擬電廠顧名思義就是虛擬化的電廠，其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。它不是一個真實的物理電廠，但起到了電廠的作用：發(fā)出電能，參與能量市場；通過調(diào)節(jié)功率來參與輔助服務(wù)市場調(diào)峰、調(diào)頻等。
虛擬電廠內(nèi)部通過信息技術(shù)將發(fā)電、用電、儲能等資源進行梳理聚合，與外部集控系統(tǒng)、管理平臺配合進行協(xié)同控制、協(xié)同優(yōu)化，實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析、運行策略調(diào)整。虛擬電廠對外進行能量傳輸，根據(jù)市場變化需求進行碳市場、電力市場交易。因此，可以將虛擬電廠理解為一種能發(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(fù)電廠”接收系統(tǒng)的電力?！昂谙蛔印卑植际诫娫础⒍嘣獌δ茉O(shè)施、電動汽車、可控負(fù)荷等資源。但只有這些資源還不足以使之成為有效的能源系統(tǒng)，虛擬電廠還需要一套技術(shù)和系統(tǒng)來將它們智能的聚合起來。
虛擬電廠是一種通過先進信息通信技術(shù)和軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)分布式電源、儲能系統(tǒng)、可控負(fù)荷、微網(wǎng)、電動汽車等分布式能源資源的聚合和協(xié)調(diào)協(xié)同優(yōu)化，以作為一個特殊電廠參與電力市場和電網(wǎng)運行的電源協(xié)調(diào)管理系統(tǒng)。虛擬電廠通過分布式能源管理系統(tǒng)將分散安裝的清潔能源、可控負(fù)荷和儲能聚合作為一個特別的電廠參與電網(wǎng)運行。匯聚的資源可以是發(fā)電側(cè)的正電廠，也可以是用戶側(cè)的負(fù)電廠，還可以是發(fā)電用電都有的綜合電廠，其核心思想就是把各類分散可調(diào)電源、可控負(fù)荷、儲能聚合起來，通過數(shù)字化的手段形成一個虛擬的電廠來做統(tǒng)一的管理和調(diào)度，同時作為聚合主體參與電力市場。所以，虛擬電廠本質(zhì)上是一套軟件平臺系統(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，從而替代新建真實的物理電廠。
虛擬電廠是對大規(guī)模新能源電力進行安全高效利用的有效形式。以風(fēng)能和太陽能為代表的新能源具有顯著的間歇性和強隨機波動性，以此為一次能源的發(fā)電方式不僅會將這些特性繼承下來，還會隨時空范圍的變化產(chǎn)生規(guī)律性改變。因此，若將單一形式的多臺新能源發(fā)電機組規(guī)模化地接入大電網(wǎng)，將產(chǎn)生較嚴(yán)重的系統(tǒng)穩(wěn)定性問題，這將是制約新能源電力大規(guī)模開發(fā)利用的瓶頸。
虛擬電廠提供的新能源電力與傳統(tǒng)能源和儲能裝置集成的模式，能夠在智能協(xié)同調(diào)控和決策支持下對大電網(wǎng)呈現(xiàn)出穩(wěn)定的電力輸出特性，為新能源電力的安全高效利用開辟了一條新的路徑。
1.2、虛擬電廠特征
簡單來看，虛擬電廠和需求側(cè)響應(yīng)比較相似，本質(zhì)內(nèi)涵也比較一致，尤其是虛擬電廠參與日前邀約需求響應(yīng)實現(xiàn)削峰的目的時，表面特征比較類似。實際上，廣義來講，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，主要針對用戶負(fù)荷；虛擬電廠則是削峰和填谷兼顧，部分具有儲能特征，源、網(wǎng)、荷、儲都包含在內(nèi)。與需求響應(yīng)的調(diào)節(jié)方式相比，虛擬電廠由于接入了更多元化的用戶，如儲能、分布式發(fā)電、可控負(fù)荷等，在用戶參與調(diào)節(jié)時，不僅負(fù)荷側(cè)的用戶可以調(diào)節(jié)自身用電增減，還可以召集儲能側(cè)、電源側(cè)的用戶調(diào)節(jié)電能輸出，具有豐富的調(diào)節(jié)方式和手段。
從“黑匣子”視角來看，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(fù)荷（用電）等，因此可根據(jù)實際的組成將其劃分為電源型、負(fù)荷型、儲能型、混合型4類，具體特征如圖2所示。
虛擬電廠由可控機組、不可控機組，如風(fēng)、光等分布式能源、儲能、可控負(fù)荷、電動汽車、通信設(shè)備等聚合而成，并進一步考慮需求響應(yīng)、不確定性等要素，通過與控制中心、云中心、電力交易中心等進行信息通信，實現(xiàn)與大電網(wǎng)的能量互換。在更廣義的概念中，虛擬電廠是基于互聯(lián)網(wǎng)的能源高度聚合，以及以此為基礎(chǔ)而拓展出的多樣化衍生服務(wù)，其核心是“聚合”和“通信”。將資源進行聚合，并將接入的資源參與到電網(wǎng)互動中，互動內(nèi)容包括需求響應(yīng)、輔助服務(wù)、電力現(xiàn)貨交易等，優(yōu)化電網(wǎng)的運行狀態(tài)與電力市場的廣泛參與，是虛擬電廠近期和遠期所能提供的主要服務(wù)。根據(jù)虛擬電廠對外特征，不同類型特征的虛擬電廠具有不同的服務(wù)能力。
（1）電源型虛擬電廠：具有能量出售的能力，可以參與能量市場，并視實際情形參與輔助服務(wù)市場。
（2）負(fù)荷型虛擬電廠：具有功率調(diào)節(jié)能力，可以參與輔助服務(wù)市場，能量出售屬性不足。
（3）儲能型虛擬電廠：可參與輔助服務(wù)市場，也可以部分時段通過放電來出售電能。
（4）混合型虛擬電廠：全能型角色。
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(fù)荷為主，規(guī)模已占尖峰負(fù)荷的5%以上。
根據(jù)上述可知，虛擬電廠就是虛擬化的發(fā)電廠，它并不具備實體發(fā)電廠物理屬性，而是一種管理模式或者說是一套系統(tǒng)，通過配套的技術(shù)把分散在不同空間的小型太陽能、風(fēng)能等新能源發(fā)電裝置、儲能電池和各類可控制、可調(diào)節(jié)的用電設(shè)備、負(fù)荷整合集成，協(xié)調(diào)控制，對外等效形成一個可控電源，輔助電力系統(tǒng)運行，并可參與電力市場交易，同時優(yōu)化資源利用，維護區(qū)域內(nèi)，甚至跨區(qū)域的用電穩(wěn)定與用電安全。它既可以有計劃地接收電力系統(tǒng)的電力，又可以向電力系統(tǒng)反向輸出電力，更靈活高效地進行“削峰填谷”等作業(yè)，并獲得可觀的經(jīng)濟收益。
2、虛擬電廠產(chǎn)生背景
目前，我國電力系統(tǒng)主要是以火力發(fā)電為主，水電、風(fēng)電、光伏發(fā)電、核電等發(fā)電形式作為補充的電力能源系統(tǒng)。傳統(tǒng)電力能源生態(tài)系統(tǒng)和虛擬電廠能源生態(tài)系統(tǒng)示意如圖3所示。傳統(tǒng)電力能源生態(tài)系統(tǒng)總體上圍繞電力的生產(chǎn)和消耗，大體上可分為發(fā)電側(cè)、輸配側(cè)、用電側(cè)；傳統(tǒng)電力能源生態(tài)系統(tǒng)發(fā)電、輸電、配電、用電界限較為清晰，生產(chǎn)者與消費者關(guān)系也是相對明確，能源系統(tǒng)為典型的“源隨荷動”運行模式。
相對于傳統(tǒng)電力能源生態(tài)系統(tǒng)，虛擬電廠的能源生態(tài)系統(tǒng)出現(xiàn)了明顯變化，發(fā)電、輸電、配電、用電界限相互交叉，同時兼具生產(chǎn)者與消費者的角色，根據(jù)需求可以改變角色身份特征，運行方式特征為“源荷互動”。虛擬電廠系統(tǒng)和服務(wù)平臺將發(fā)、輸、配、用電綜合聚合一起，內(nèi)部的每一部分都是一個小能源系統(tǒng)，虛擬電廠豐富了智能電網(wǎng)的內(nèi)涵，也擴展了智能電網(wǎng)的外延，為保證安全、可靠、優(yōu)質(zhì)、高效的電力供應(yīng)，滿足經(jīng)濟社會發(fā)展對電力的多樣化需求，解決能源與環(huán)保問題提供了可行的解決方案。
電網(wǎng)對運行安全有著嚴(yán)格要求，而電網(wǎng)安全的首要目標(biāo)就是保證發(fā)用電的實時平衡，需要發(fā)電側(cè)的不斷調(diào)節(jié)去擬合負(fù)荷曲線。但是，新能源發(fā)電嚴(yán)重依賴于光照強度、風(fēng)力強度等自然資源特性指標(biāo)，具有隨機性、間歇性和波動性的特點，對負(fù)荷的支撐能力不足。
若規(guī)?；苯硬⑷腚娋W(wǎng)發(fā)電，將會對電網(wǎng)造成巨大沖擊，威脅電力系統(tǒng)安全以及供電的穩(wěn)定性。另外，由于小型分布式新能源發(fā)電設(shè)施、儲能設(shè)施、可控制用電設(shè)備、電動汽車等的持續(xù)發(fā)展普及，在用電側(cè)，很多電力用戶也從單一的消費者轉(zhuǎn)變?yōu)榛旌闲螒B(tài)的產(chǎn)銷者，并且各類激增的大功率用電設(shè)備，如充電樁所消耗的電也讓電網(wǎng)供應(yīng)尖峰負(fù)荷時壓力倍增，顯然不能任由尖峰負(fù)荷“一哄而上”。因而，新的發(fā)用電勢態(tài)下，“虛擬電廠”應(yīng)運而生，為電力能源的安全高效利用開辟了一條新的路徑。
隨著分布式能源發(fā)電技術(shù)的逐步成熟與推廣，越來越多的分布式能源被廣泛運用于電力系統(tǒng)用戶側(cè)，作為配網(wǎng)中不可或缺的清潔能源，分布式能源的加入既有效降低了用戶側(cè)的碳排放水平又緩解了電力供需間的不平衡現(xiàn)象。另外，如何實現(xiàn)“源、網(wǎng)、荷、儲”電力電量平衡、儲能管理、策略運營和優(yōu)化協(xié)調(diào)運行等功能成了未來價值投資的關(guān)鍵技術(shù)，而虛擬電廠作為分布式能源管理的重要技術(shù)手段在工業(yè)界和學(xué)術(shù)界都得到了廣泛的研究和運用，其以技術(shù)可行、經(jīng)濟合理、互利共贏的模式實現(xiàn)低碳、經(jīng)濟轉(zhuǎn)型，助力實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展、推動碳達峰、碳中和目標(biāo)的實施。
3、虛擬電廠政策環(huán)境
2021年，中央深改委通過了《關(guān)于加快建設(shè)全國統(tǒng)一電力市場體系的指導(dǎo)意見》，電力市場改革再提速，虛擬電廠作為市場主體，通過參與市場交易完成商業(yè)活動，獲得經(jīng)濟收益。2022年，國家發(fā)展改革委和國家能源局發(fā)布的《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》中提出，大力推進電源側(cè)儲能發(fā)展，合理配置儲能規(guī)模，改善新能源場站出力特性，支持分布式新能源合理配置儲能系統(tǒng)，開展工業(yè)可調(diào)節(jié)負(fù)荷、樓宇空調(diào)負(fù)荷、大數(shù)據(jù)中心負(fù)荷、用戶側(cè)儲能、電動汽車與電網(wǎng)能量互動等各類資源聚合的虛擬電廠示范。
2022年，國家能源局南方監(jiān)管局發(fā)布了《2022年南方區(qū)域電力市場監(jiān)管工作要點》，組織修訂南方區(qū)域“兩個細(xì)則”，推動儲能、虛擬電廠等更多市場主體納入“兩個細(xì)則”考核補償管理，研究增加轉(zhuǎn)動慣量、爬坡等新的輔助服務(wù)品種。組織調(diào)度機構(gòu)制定新型儲能、虛擬電廠等第三方的主體并網(wǎng)調(diào)度運行規(guī)程、規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。
2022年廣東省能源局和國家能源局南方監(jiān)管局發(fā)布了《廣東省市場化需求響應(yīng)實施細(xì)則（試行）》，建立以市場為主的需求響應(yīng)補償機制，引入有資源聚合管理能力的負(fù)荷聚合商，拓寬電力需求響應(yīng)實施范圍，挖掘傳統(tǒng)高載能工業(yè)負(fù)荷、工商業(yè)可中斷負(fù)荷、用戶側(cè)儲能、電動汽車充電設(shè)施、分布式發(fā)電、智慧用電設(shè)施等各類需求側(cè)資源并組織其參與需求響應(yīng)，逐步形成年度最大用電負(fù)荷5%的響應(yīng)能力，發(fā)揮需求側(cè)資源削峰填谷、促進電力供需平衡和適應(yīng)新能源電力運行的作用，助力能源消費向綠色低碳轉(zhuǎn)型。
國家碳達峰、碳中和“1+N”政策體系相關(guān)文件，以及《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》均提出對電力需求側(cè)響應(yīng)能力的要求。無論從政策規(guī)范、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)還是市場機制，這些政策的相繼出臺都將推動虛擬電廠發(fā)展提到了重要位置。
4、虛擬電廠業(yè)務(wù)板塊
總體來看，虛擬電廠的業(yè)務(wù)板塊主要體現(xiàn)在以下3個方面。
4.1、“注源控流”業(yè)務(wù)板塊
為電力系統(tǒng)注入新的電力來源。使得更多的分布式發(fā)電有組織、有規(guī)律地接入系統(tǒng)和服務(wù)平臺，進行統(tǒng)一協(xié)調(diào)運維管理，形成一定規(guī)模合力，相對可調(diào)可控，最終實現(xiàn)并入電網(wǎng)運行。與此同時，控制調(diào)節(jié)負(fù)荷側(cè)的電力流向及流量。盡可能多地接入可調(diào)節(jié)用電負(fù)荷，使其有序、有規(guī)律地按計劃用電，并提升綜合能效管理，在最大限度地不影響生產(chǎn)生活用電的情況下，綜合考慮外部電網(wǎng)供電情況、內(nèi)部自發(fā)電情況、各類用電成本、電網(wǎng)需求側(cè)智能管控等因素，科學(xué)合理并按最優(yōu)經(jīng)濟性安排用電計劃。
4.2、“電力儲備”業(yè)務(wù)板塊
多元化儲能是實現(xiàn)“注源控流”的關(guān)鍵支撐。對分散的分布式小型新能源發(fā)電進行聚合，實現(xiàn)“小溪入大河、大河入大?！保瑢崿F(xiàn)聚合多元化資源更有力量、更易調(diào)控、更具操作空間。同時，聚合資源統(tǒng)一服從上級調(diào)令在聚合資源圈內(nèi)配套需要的儲能系統(tǒng)。對于“控流業(yè)務(wù)”同樣需要配置配套的儲能系統(tǒng)才能更靈活、便捷地制定最佳用電方案。簡而言之，一個可靠、穩(wěn)定的虛擬電廠離不開一套高效穩(wěn)定的儲能系統(tǒng)。
4.3、商業(yè)業(yè)務(wù)板塊
虛擬電廠在聚合多類資源后，最終要參與到電力市場中來才能獲得收益。商業(yè)業(yè)務(wù)模式主要有2種：其一，電力交易虛擬電廠可作為售電企業(yè)與用戶直接交易，或從火電廠購買發(fā)電權(quán)；其二，輔助服務(wù)市場虛擬電廠通過負(fù)荷低谷時減少出力或增加負(fù)荷、在負(fù)荷高峰時增加出力或削減負(fù)荷來參與調(diào)峰服務(wù)交易，以及類似參與調(diào)頻等服務(wù)市場。
5、虛擬電廠應(yīng)用案例
20世紀(jì)90年代以來，虛擬電廠受到北美、歐洲多個國家和地區(qū)的廣泛關(guān)注。歐洲各國虛擬電廠側(cè)重于分布式電源和儲能資源，主要考慮實現(xiàn)分布式發(fā)電的可靠并網(wǎng)、智能互動和參與電力市場，打造持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的商業(yè)模式；北美地區(qū)則基于需求響應(yīng)發(fā)展演化，兼顧可再生能源的利用，希望通過自主需求響應(yīng)和能效管理來提高綜合能源的利用效率，因此可控負(fù)荷占主體。我國秉承“兼容并包、博采眾長”的優(yōu)良傳統(tǒng)，同時吸收2種技術(shù)和模式，兩手都抓。這一定程度上也是我們的后發(fā)優(yōu)勢。聚焦國內(nèi)市場，自2019年開始，陸續(xù)有虛擬電廠的示范項目落地，在經(jīng)濟效益和社會效益兩方面都卓有成效。
5.1、德國NextKraftwerke公司虛擬電廠
NextKraftwerke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認(rèn)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(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，同時也可以為其他能源運營商提供虛擬電廠的運營服務(wù)。截至2018年，NextKraftwerke管理了超過6854個客戶資產(chǎn)（如分布式發(fā)電設(shè)備和儲能設(shè)備），包括生物質(zhì)發(fā)電裝置、熱電聯(lián)產(chǎn)、水電站、靈活可控負(fù)荷、風(fēng)能和太陽能光伏電站等，容量超過5987MW。NextKraftwerke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。
NextKraftwerke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NextKraftwerke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256萬歐元，交易電量140GW?h。
其主要盈利模式有3個。
模式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交易。
模式2：利用每次15min，每天96次的電力市場價格波動，虛擬電廠調(diào)節(jié)分布式電源的出力、需求響應(yīng)，實現(xiàn)低谷用電、高峰售電，獲取最大經(jīng)濟利潤。
模式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(wù)，獲取收益。
盈利途徑背后是NextKraftwerke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(shù)手段并用，查缺補漏、優(yōu)勢互補，既包含“量”的整合，更具有“質(zhì)”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(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、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)2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(wù)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。
5.2、上海黃浦區(qū)虛擬電廠項目
2021年，國家電網(wǎng)在上海黃浦區(qū)開展了國內(nèi)首次基于虛擬電廠技術(shù)的電力需求響應(yīng)行動，迄今最大規(guī)模的一次試運行，參與樓宇超過50棟，釋放負(fù)荷約10MW，僅僅1h的測試，就能產(chǎn)生150MW·h的電量。在這次測試中，累計調(diào)節(jié)電網(wǎng)負(fù)荷562MW·h，消納清潔能源電量1236MW·h，減少碳排放量約336t。實現(xiàn)途徑為：在用電高峰時段，系統(tǒng)對虛擬電廠區(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(shù)層面是有一些工作量的，包括控制、計量、調(diào)度、交易等，以往的能源調(diào)控顆粒度比較大，虛擬電廠針對的是設(shè)備級，而且要求自動響應(yīng)的話，復(fù)雜程度就很高了。以上海項目為例，還是在系統(tǒng)平臺上，負(fù)荷集成商進行競價。三級的架構(gòu)，即平臺、負(fù)荷集成商、用戶。補貼價格根據(jù)響應(yīng)時間，也有區(qū)分。用戶在30min之內(nèi)進行削峰，補貼是基準(zhǔn)價格的3倍，30min到2h之間是基準(zhǔn)價格的2倍，時間更長補貼就更低。補貼的來源目前主要是各省的跨省區(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。
5.3、南方電網(wǎng)深圳虛擬電廠實踐項目
2021年，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)，國內(nèi)首個“網(wǎng)地一體虛擬電廠運營管理平臺”在深圳試運行。該平臺部署于南方電網(wǎng)調(diào)度云，網(wǎng)省兩級均可直接調(diào)度，為傳統(tǒng)“源隨荷動”調(diào)度模式轉(zhuǎn)變?yōu)椤霸春苫印毙履Ｊ教峁┝私鉀Q方案。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(wù)集團筆架山水廠參與響應(yīng)。
隨后，深圳地鐵集團站點、深圳水務(wù)集團筆架山水廠在保證正常安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)前提下，按照計劃精準(zhǔn)調(diào)節(jié)用電負(fù)荷共計3MW，相當(dāng)于2000戶家庭的空調(diào)用電負(fù)荷量。
5.4、國家電網(wǎng)冀北虛擬電廠示范項目
2019年年底，國家電網(wǎng)冀北虛擬電廠示范項目投運。公開數(shù)據(jù)顯示，到2020年，冀北電網(wǎng)夏季空調(diào)負(fù)荷將達6GW，10%空調(diào)負(fù)荷通過虛擬電廠進行實時響應(yīng)，相當(dāng)于少建一座600MW的傳統(tǒng)電廠?！懊焊碾姟弊畲筘?fù)荷將達2GW，蓄熱式電采暖負(fù)荷通過虛擬電廠進行實時響應(yīng)，預(yù)計可增發(fā)清潔能源720GW·h，減排63.65萬t二氧化碳。
6、虛擬電廠發(fā)展支撐要素
在碳中和、碳達峰的背景下，新型電力系統(tǒng)的發(fā)展成為未來趨勢，如何消納廣泛的清潔能源成為技術(shù)創(chuàng)新和商業(yè)模式的重點。拋開市場環(huán)境做業(yè)務(wù)步履維艱，虛擬電廠能夠從設(shè)計到成功落地，離不開可控資源、關(guān)鍵技術(shù)和電力市場機制的合力支撐。
6.1、可控資源
虛擬電廠的自動化調(diào)度屬性決定了需要聚合可控資源作為基礎(chǔ)，其中包括發(fā)電側(cè)的可調(diào)節(jié)發(fā)電資源和用戶側(cè)的可控負(fù)荷資源，以及參與到整體協(xié)同效應(yīng)的各類型調(diào)度資源。整體虛擬電廠的業(yè)務(wù)是以可控資源為核心池，涵蓋融合其他資源，如光伏風(fēng)能、抽水蓄能、充電樁、電動汽車、微電網(wǎng)、家庭用能等。
6.2、關(guān)鍵技術(shù)
基于虛擬電廠的需求側(cè)響應(yīng)、調(diào)頻服務(wù)、電力輔助服務(wù)、電力市場交易、偏差考核補償服務(wù)、能效管理等業(yè)務(wù)場景。做到分鐘級、秒級響應(yīng)是虛擬電廠發(fā)展的必然趨勢和要求，即虛擬電廠控制的實時性、可靠性以及交易性。通常涉及以下幾個方面的關(guān)鍵技術(shù)。
6.2.1、實時快速響應(yīng)的協(xié)調(diào)控制技術(shù)
在虛擬電廠控制各種分布式能源發(fā)電設(shè)備、儲能系統(tǒng)以及可控負(fù)荷的過程中，對他們的協(xié)調(diào)控制是關(guān)鍵的部分，其控制方式又分為集中控制方式、分散控制方式和完全分散控制方式，從而參與多種電力市場的運營模式及調(diào)度框架，對發(fā)電資源的廣泛優(yōu)化配置起到積極的促進作用。同時因為電力的穩(wěn)定依賴于發(fā)電側(cè)和用戶側(cè)的供需實時平衡，虛擬電廠再響應(yīng)電網(wǎng)調(diào)控時需要確保偏差準(zhǔn)確，實現(xiàn)精準(zhǔn)的需求側(cè)響應(yīng)以及調(diào)頻服務(wù)等。而虛擬電廠聚合各類可控負(fù)荷、分布式發(fā)電資源種類繁多、數(shù)量巨大，需要對每個分布式資源進行快速響應(yīng)的實時協(xié)調(diào)控制?？梢哉f虛擬電廠是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在高靈敏實時響應(yīng)方向的應(yīng)用領(lǐng)域之一。
6.2.2、高效的智慧管控平臺
虛擬電廠平臺主要可分為資源中心、控制中心、能量管理中心、計算中心和交易中心等，虛擬電廠平臺架構(gòu)如圖4所示。資源中心負(fù)責(zé)對用戶和資源的管理。控制中心完成對資源的控制。能量管理中心實現(xiàn)基于資源狀態(tài)和市場信息的資源監(jiān)視和控制策略制定。計算中心完成對資源的可調(diào)度潛力分析等分析計算功能。交易中心負(fù)責(zé)虛擬電廠與電力交易中心以及虛擬電廠與資源用戶的交易管理，競價策略制定和申報等功能。
虛擬電廠總體技術(shù)路線包括1個平臺、2張網(wǎng)絡(luò)、4大中心和多方應(yīng)用。1個平臺即虛擬電廠智慧管控平臺，基于云平臺部署。4大中心包括資源管理中心、計算分析中心、運行控制中心和交易管理中心，根據(jù)業(yè)務(wù)分類，基于“微應(yīng)用”服務(wù)架構(gòu)的多方應(yīng)用分別部署于各中心，支持應(yīng)用彈性伸縮即快速部署和快速下線。平臺基于電力物聯(lián)網(wǎng)可接入風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、柴油發(fā)電、燃?xì)獍l(fā)電，儲能燈分布式電源和電動汽車等負(fù)荷，同時基于平臺的運行控制中心，可控制電力能量的合理流動。同時，平臺支持和調(diào)度中心、電力市場交易管理中心進行信息交互。
虛擬電廠智慧運營系統(tǒng)基于基礎(chǔ)平臺，在安全I區(qū)、安全IV區(qū)建設(shè)虛擬電廠智慧運營系統(tǒng)相關(guān)應(yīng)用功能所示。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)安全要求，在安全I區(qū)、安全IV區(qū)之間配置正反向物理隔離。虛擬電廠智慧運營系統(tǒng)提供統(tǒng)一的基礎(chǔ)支撐平臺和“資源管理”“設(shè)備管理”“運行監(jiān)視”“協(xié)同控制”“運營管理”“交易管理”“綜合評估”“網(wǎng)絡(luò)安全”等8大功能模塊。各功能應(yīng)用模塊基于基礎(chǔ)平臺提供的服務(wù)總線、消息總線等公共服務(wù)實現(xiàn)各應(yīng)用功能之間的信息交互。虛擬電廠智慧運營系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。
虛擬電廠智慧運營管控系統(tǒng)對上提供與調(diào)控中心和電力市場交易中心的接口，接受調(diào)度的控制指令，下發(fā)資源執(zhí)行，同時與電力交易中心通信，交互電力市場信息，包括需求側(cè)響應(yīng)相關(guān)信息，參與電力市場，獲取經(jīng)濟收益。
虛擬電廠平臺管理的資源數(shù)量多，地理位置分散，虛擬電廠智慧運營系統(tǒng)對下支持通過無線公網(wǎng)、專網(wǎng)或光纖通道等多種方式實現(xiàn)與各類型資源站端的智能終端實現(xiàn)信息交互，并經(jīng)過安全接入?yún)^(qū)接入系統(tǒng)平臺。支持通過微信公眾號、手機App等方式，實現(xiàn)用戶注冊、資源注冊、電價發(fā)布、申報競價、合同簽訂、狀態(tài)查詢等信息的智慧交互。
6.2.3、先進的人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)
虛擬電廠需要將分布式能源聚合為可控的負(fù)荷資源，然后通過虛擬電廠調(diào)配電力資源。參與電力現(xiàn)貨交易市場和輔助服務(wù)市場，實現(xiàn)資源最大化價值利用離不開先進的人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)。虛擬電廠運行會不斷產(chǎn)生能源和交易數(shù)據(jù)，人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)能夠幫助虛擬電廠存儲和處理海量的電力數(shù)據(jù)，分析、預(yù)測電力負(fù)荷和調(diào)節(jié)、調(diào)控的負(fù)荷，高效完成響應(yīng)分配。作為“正電廠”向電網(wǎng)供電削峰，也可作為“負(fù)電廠”消納電力填谷，在收到電力調(diào)度中心的指令后快速下發(fā)給用戶，實現(xiàn)高效的電力調(diào)配。
6.3、市場機制
市場機制關(guān)乎虛擬電廠的生存與發(fā)展，政府部門和市場主體對虛擬電廠體系和商業(yè)模式進行了積極的探索，推進虛擬電廠參與電力輔助服務(wù)。培育出適宜的市場環(huán)境，讓入局企業(yè)打造良性的商業(yè)模式，有自我造血能力，獲得較好的收益，才能推動行業(yè)良性發(fā)展、產(chǎn)業(yè)持續(xù)進步。從虛擬電廠本身的經(jīng)濟效益來看，能夠為能源投資者提供高回報、高收益。通過虛擬電廠，不僅能夠節(jié)省大量投入，而且能夠有效應(yīng)對拉閘限電、綜合能效雙控等管控，有利于新型電力系統(tǒng)建設(shè)，有利于提升經(jīng)濟效益和社會效益。
在不同的電力市場機制下，虛擬電廠的自主調(diào)度應(yīng)用場景略有不同。在未來隨著中國電力市場的逐步開放，調(diào)頻服務(wù)、發(fā)電偏差考核、電力交易均會被納入到虛擬電廠的業(yè)務(wù)之中。
7、虛擬電廠發(fā)展階段
依據(jù)外圍條件的不同和市場發(fā)展規(guī)律，虛擬電廠的發(fā)展階段通?？煞譃檠s型階段、市場化階段、自主調(diào)度型階段。
7.1、邀約型階段
第1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(gòu)牽頭組織，通過政府部門或電力調(diào)度機構(gòu)發(fā)出邀約信號，各個聚合商、虛擬電廠參與組織資源以可控負(fù)荷為主進行響應(yīng)，共同完成邀約、響應(yīng)和激勵流程。
我國虛擬電廠主要處于邀約型階段，在邀約階段主要通過政府機構(gòu)或電力調(diào)度機構(gòu)發(fā)出邀約信號，由負(fù)荷聚合商、虛擬電廠組織資源進行削峰、填谷等需求響應(yīng)。當(dāng)前我國以廣東、江蘇、上海等省市為代表的試點項目就是以邀約型為主，業(yè)務(wù)上稱之為需求響應(yīng)。廣東省有較好的電力市場環(huán)境，該省發(fā)布了具體實施方案，按照需求響應(yīng)優(yōu)先、有序用電保底的原則，進一步探索市場化需求響應(yīng)競價模式，以日前邀約型需求響應(yīng)起步，逐步開展需求響應(yīng)資源常態(tài)參與現(xiàn)貨電能量市場交易和深度調(diào)峰，有力促進源、網(wǎng)、荷、儲友好互動，提升電力系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力，推動能源消費的高質(zhì)量發(fā)展。
7.2、市場化階段
第2階段是市場化階段。這是在電能量現(xiàn)貨市場、輔助服務(wù)市場和容量市場建成后或已建設(shè)成熟，虛擬電廠聚合商以類似于實體電廠的模式，基于自身商業(yè)模式分別參與這些市場獲得收益。在第2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(gòu)。如歐洲的NextKraftwerke公司運營的虛擬電廠。
7.3、自主調(diào)度型階段
第3階段是（跨空間）自主調(diào)度型階段。隨著可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“虛擬綜合電力系統(tǒng)”，既包含分散各地的分布式能源、儲能系統(tǒng)和可控負(fù)荷等基礎(chǔ)資源，也囊括由這些基礎(chǔ)資源進一步組合而成的微網(wǎng)、主動配電網(wǎng)、多能互補多能源系統(tǒng)、局域能源互聯(lián)網(wǎng)等。可以靈活制定運行策略，或參與能夠跨區(qū)域的電力市場交易獲得利潤分成，或參與需求響應(yīng)、二次調(diào)頻等電力輔助獲取補償收益，并可使內(nèi)部的能效管理更具操作性，實現(xiàn)發(fā)用電方案的持續(xù)優(yōu)化。
8、虛擬電廠現(xiàn)實問題
虛擬電廠的發(fā)展除了自身能力要充足之外，還需要考慮外部大環(huán)境。
8.1、盈利模式
跨省區(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(dāng)前的權(quán)宜之計，亟須形成商業(yè)模式，而不是長期處于被動的補貼模式：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，沒有企業(yè)或個體愿意出錢，需要形成市場化行為，電力市場里面有主體愿意買單，自然不愁主體主動去做。
8.2、場景延伸
例如充電樁這樣的元素，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?，F(xiàn)在很多案例，都是以空調(diào)負(fù)荷為主，受到很多制約，單個樓宇空調(diào)需求響應(yīng)項目改造投資較大，但可調(diào)負(fù)荷有限，性價比不高，難以回收投資。
8.3、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(shè)備都很花錢，如何優(yōu)化成本，對于案例的市場化復(fù)制，也是至關(guān)重要的。
9、總結(jié)與展望
本文從虛擬電廠的內(nèi)涵概念和總體特征2個方面對虛擬電廠進行了總體概述。
（1）虛擬電廠概念是電廠概念的衍生，運用了信息技術(shù)和軟件技術(shù)，綜合了需求響應(yīng)、電力市場、能源調(diào)度等機制，能源高度聚合且具有多場景、多樣化服務(wù)能力新型能源生態(tài)系統(tǒng)。
（2）虛擬電廠能源生態(tài)系統(tǒng)是在傳統(tǒng)電力能源生態(tài)系統(tǒng)基礎(chǔ)背景下產(chǎn)生的。
（3）輔加國內(nèi)的有利政策環(huán)境的不斷出臺支持，虛擬電廠的主流業(yè)務(wù)板塊也應(yīng)運出現(xiàn)。
（4）良好的發(fā)展基礎(chǔ)背景，有利的外部政策環(huán)境，加上逐漸成熟的業(yè)務(wù)板塊成功引導(dǎo)了一批示范實踐項目的順利開展。
（5）虛擬電廠的穩(wěn)定發(fā)展及應(yīng)用離不開可控資源、關(guān)鍵技術(shù)、市場機制等發(fā)展支撐要素保駕護航。
（6）虛擬電廠的發(fā)展軌跡為從邀約階段開始，經(jīng)市場化階段過渡，最終達到自主調(diào)度型階段。
（7）虛擬電廠的發(fā)展除了自身能力要充足之外，還亟須解決現(xiàn)實發(fā)展中的盈利模式、場景延伸、成本等問題，現(xiàn)實問題的有效解決，將進一步推動虛擬電廠的快速發(fā)展。
在深化電力體制改革背景下，能源轉(zhuǎn)型催生“源荷互動”“源、網(wǎng)、荷、儲協(xié)同”的需求和更加數(shù)字化、智能化的電力系統(tǒng)，而虛擬電廠作為協(xié)調(diào)分布式資源參與電力交易市場和需求響應(yīng)的能源數(shù)字化平臺，在產(chǎn)業(yè)政策和市場需求不斷加碼的現(xiàn)期，可以預(yù)期，將迎來快速發(fā)展。
在“雙碳”目標(biāo)的確定性遠景之下，虛擬電廠具有多樣性、協(xié)同性、靈活性等技術(shù)特點，滿足未來新型電力系統(tǒng)在“綠色、靈活、多元互動、高度市場化”方面的運行需求，是重要的技術(shù)支撐，可以預(yù)期，虛擬電廠在國內(nèi)勢必會迎來良好的發(fā)展。
隨著數(shù)字革命的推進，大數(shù)據(jù)、云計算、邊緣技術(shù)、人工智能技術(shù)使得虛擬電廠獲得了智能化資源識別、場景資源適配、廣域調(diào)度能力，移動互聯(lián)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使得分布式資源的規(guī)?；酆蠁栴}得以解決，可以預(yù)測，數(shù)字化、智能化、云共享、人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等方面的發(fā)展都會推動虛擬電廠的發(fā)展。
