中國儲能網(wǎng)訊：在碳中和、碳達峰背景和目標的驅(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)變得更加復雜。與此同時，新能源裝機比例及用戶側(cè)間歇性負荷的進一步增長，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”應運而生，虛擬電廠是當前國家開展新型電力系統(tǒng)建設，實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標的一個重要建設方向，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，實現(xiàn)對分布式能源的響應分配、靈活潛力挖掘、多元負荷預測、實時協(xié)調(diào)控制，參與電力交易市場和需求響應。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、技術驗證、商業(yè)模式等方面都日趨成熟?？梢灶A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)展應用等方面已經(jīng)有了一些基礎性研究。文獻闡述了虛擬電廠的基礎概念與實現(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)度相關的關鍵技術。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消費者減少負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方面研究分析。
基于此，文中接下來將對虛擬電廠的基礎內(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。進一步介紹當前虛擬電廠的主流業(yè)務板塊，并結(jié)合虛擬電廠應用案例進行分析，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(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市場調(diào)峰、調(diào)頻等。
虛擬電廠內(nèi)部通過信息技術將發(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“負電廠”接收系統(tǒng)的電力。“黑匣子”包含分布式電源、多元儲能設施、電動汽車、可控負荷等資源。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和軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)分布式電源、儲能系統(tǒng)、可控負荷、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)?；亟尤氪箅娋W(wǎng)，將產(chǎn)生較嚴重的系統(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)響應的延伸版，需求側(cè)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，部分具有儲能特征，源、網(wǎng)、荷、儲都包含在內(nèi)。與需求響應的調(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、可控負荷等，在用戶參與調(diào)節(jié)時，不僅負荷側(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）、可控負荷（用電）等，因此可根據(jù)實際的組成將其劃分為電源型、負荷型、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、光等分布式能源、儲能、可控負荷、電動汽車、通信設備等聚合而成，并進一步考慮需求響應、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，以及以此為基礎而拓展出的多樣化衍生服務，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、輔助服務、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。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市場。
（2）負荷型虛擬電廠：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）儲能型虛擬電廠：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，美國則是以可控負荷為主，規(guī)模已占尖峰負荷的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)，通過配套的技術把分散在不同空間的小型太陽能、風能等新能源發(fā)電裝置、儲能電池和各類可控制、可調(diào)節(jié)的用電設備、負荷整合集成，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，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)對運行安全有著嚴格要求，而電網(wǎng)安全的首要目標就是保證發(fā)用電的實時平衡，需要發(fā)電側(cè)的不斷調(diào)節(jié)去擬合負荷曲線。但是，新能源發(fā)電嚴重依賴于光照強度、風力強度等自然資源特性指標，具有隨機性、間歇性和波動性的特點，對負荷的支撐能力不足。
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)電設施、儲能設施、可控制用電設備、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備，如充電樁所消耗的電也讓電網(wǎng)供應尖峰負荷時壓力倍增，顯然不能任由尖峰負荷“一哄而上”。因而，新的發(fā)用電勢態(tài)下，“虛擬電廠”應運而生，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鍵技術，而虛擬電廠作為分布式能源管理的重要技術手段在工業(yè)界和學術界都得到了廣泛的研究和運用，其以技術可行、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、碳中和目標的實施。
3 虛擬電廠政策環(huán)境
2021年，中央深改委通過了《關于加快建設全國統(tǒng)一電力市場體系的指導意見》，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)負荷、樓宇空調(diào)負荷、大數(shù)據(jù)中心負荷、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“兩個細則”，推動儲能、虛擬電廠等更多市場主體納入“兩個細則”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)范和標準。
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實施細則（試行）》，建立以市場為主的需求響應補償機制，引入有資源聚合管理能力的負荷聚合商，拓寬電力需求響應實施范圍，挖掘傳統(tǒng)高載能工業(yè)負荷、工商業(yè)可中斷負荷、用戶側(cè)儲能、電動汽車充電設施、分布式發(fā)電、智慧用電設施等各類需求側(cè)資源并組織其參與需求響應，逐步形成年度最大用電負荷5%的響應能力，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)響應能力的要求。無論從政策規(guī)范、技術標準還是市場機制，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)務板塊
總體來看，虛擬電廠的業(yè)務板塊主要體現(xiàn)在以下3個方面。
4.1 “注源控流”業(yè)務板塊
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)務板塊
多元化儲能是實現(xiàn)“注源控流”的關鍵支撐。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?！?，實現(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”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，輔助服務市場虛擬電廠通過負荷低谷時減少出力或增加負荷、在負荷高峰時增加出力或削減負荷來參與調(diào)峰服務交易，以及類似參與調(diào)頻等服務市場。
5 虛擬電廠應用案例
20世紀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和能效管理來提高綜合能源的利用效率，因此可控負荷占主體。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(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。截至2018年，NextKraftwerke管理了超過6854個客戶資產(chǎn)（如分布式發(fā)電設備和儲能設備），包括生物質(zhì)發(fā)電裝置、熱電聯(lián)產(chǎn)、水電站、靈活可控負荷、風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，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，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的電力需求響應行動，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，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。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(gòu)，即平臺、負荷集成商、用戶。補貼價格根據(jù)響應時間，也有區(qū)分。用戶在30min之內(nèi)進行削峰，補貼是基準價格的3倍，30min到2h之間是基準價格的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、深圳水務集團筆架山水廠參與響應。
隨后，深圳地鐵集團站點、深圳水務集團筆架山水廠在保證正常安全生產(chǎn)的基礎前提下，按照計劃精準調(diào)節(jié)用電負荷共計3MW，相當于2000戶家庭的空調(diào)用電負荷量。
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)負荷將達6GW，10%空調(diào)負荷通過虛擬電廠進行實時響應，相當于少建一座600MW的傳統(tǒng)電廠?！懊焊碾姟弊畲筘摵蓪⑦_2GW，蓄熱式電采暖負荷通過虛擬電廠進行實時響應，預計可增發(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創(chuàng)新和商業(yè)模式的重點。拋開市場環(huán)境做業(yè)務步履維艱，虛擬電廠能夠從設計到成功落地，離不開可控資源、關鍵技術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，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)的可控負荷資源，以及參與到整體協(xié)同效應的各類型調(diào)度資源。整體虛擬電廠的業(yè)務是以可控資源為核心池，涵蓋融合其他資源，如光伏風能、抽水蓄能、充電樁、電動汽車、微電網(wǎng)、家庭用能等。
6.2 關鍵技術
基于虛擬電廠的需求側(cè)響應、調(diào)頻服務、電力輔助服務、電力市場交易、偏差考核補償服務、能效管理等業(yè)務場景。做到分鐘級、秒級響應是虛擬電廠發(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鍵技術。
6.2.1 實時快速響應的協(xié)調(diào)控制技術
在虛擬電廠控制各種分布式能源發(fā)電設備、儲能系統(tǒng)以及可控負荷的過程中，對他們的協(xié)調(diào)控制是關鍵的部分，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，虛擬電廠再響應電網(wǎng)調(diào)控時需要確保偏差準確，實現(xiàn)精準的需求側(cè)響應以及調(diào)頻服務等。而虛擬電廠聚合各類可控負荷、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的實時協(xié)調(diào)控制?？梢哉f虛擬電廠是物聯(lián)網(wǎng)技術在高靈敏實時響應方向的應用領域之一。
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。資源中心負責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。交易中心負責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。
虛擬電廠總體技術路線包括1個平臺、2張網(wǎng)絡、4大中心和多方應用。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)務分類，基于“微應用”服務架構(gòu)的多方應用分別部署于各中心，支持應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)可接入風力發(fā)電、光伏發(fā)電、柴油發(fā)電、燃氣發(fā)電，儲能燈分布式電源和電動汽車等負荷，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)基于基礎平臺，在安全I區(qū)、安全IV區(qū)建設虛擬電廠智慧運營系統(tǒng)相關應用功能所示。根據(jù)網(wǎng)絡安全要求，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)一的基礎支撐平臺和“資源管理”“設備管理”“運行監(jiān)視”“協(xié)同控制”“運營管理”“交易管理”“綜合評估”“網(wǎng)絡安全”等8大功能模塊。各功能應用模塊基于基礎平臺提供的服務總線、消息總線等公共服務實現(xiàn)各應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)響應相關信息，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
虛擬電廠需要將分布式能源聚合為可控的負荷資源，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。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、預測電力負荷和調(diào)節(jié)、調(diào)控的負荷，高效完成響應分配。作為“正電廠”向電網(wǎng)供電削峰，也可作為“負電廠”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。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，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、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)展階段通常可分為邀約型階段、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荷為主進行響應，共同完成邀約、響應和激勵流程。
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，由負荷聚合商、虛擬電廠組織資源進行削峰、填谷等需求響應。當前我國以廣東、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)務上稱之為需求響應。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，按照需求響應優(yōu)先、有序用電保底的原則，進一步探索市場化需求響應競價模式，以日前邀約型需求響應起步，逐步開展需求響應資源常態(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、輔助服務市場和容量市場建成后或已建設成熟，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)和可控負荷等基礎資源，也囊括由這些基礎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?？梢造`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、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)負荷為主，受到很多制約，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。
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。
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，運用了信息技術和軟件技術，綜合了需求響應、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)務板塊也應運出現(xiàn)。
（4）良好的發(fā)展基礎背景，有利的外部政策環(huán)境，加上逐漸成熟的業(yè)務板塊成功引導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)展及應用離不開可控資源、關鍵技術、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，可以預期，將迎來快速發(fā)展。
在“雙碳”目標的確定性遠景之下，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，是重要的技術支撐，可以預期，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、人工智能技術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)技術使得分布式資源的規(guī)模化聚合問題得以解決，可以預測，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。
文/鐘永潔 紀陵 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
論文原文：虛擬電廠基礎特征內(nèi)涵與發(fā)展現(xiàn)狀概述
