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什么是虛擬電廠？
虛擬電廠（VPP, virtual power plant）是指利用物聯(lián)網和先進通信技術，聚合分布式電源、儲能系統(tǒng)、可控負荷等各類資源形成的電源協(xié)調管理系統(tǒng)。它本質上是將分布式電源（發(fā)電）、可控負荷（用電）、儲能等利用計算機通信網絡技術將其聚合成一個虛擬的集中式電廠，來為電網提供需求側響應。不同于微電網，虛擬電廠參與的需求側響應打破了空間的束縛，通過集控平臺進行調節(jié)響應。
虛擬電廠產業(yè)鏈包括上游基礎資源、中游系統(tǒng)平臺和下游電力需求方三個環(huán)節(jié)。上游基礎資源指可調負荷、分布式電源和儲能設備。中游系統(tǒng)平臺，主要是指依靠互聯(lián)網整合優(yōu)化供給和需求的信息，增強虛擬電廠的協(xié)調控制能力的資源聚合商。下游為電力需求方，由電網公司、售電公司和大用戶構成。
虛擬電廠可分為負荷側虛擬電廠、電源側虛擬電廠和源網荷儲一體化虛擬電廠三大類。當前我國虛擬電廠試點的多為負荷側虛擬電廠，冀北試點的虛擬電廠為國內鮮有的源網荷儲一體化虛擬電廠試點。負荷側虛擬電廠是指運營商聚合其綁定的具備負荷調節(jié)能力的市場化電力用戶（包括電動車、可調節(jié)負荷、可中斷負荷等）作為一個整體（呈現(xiàn)為負荷狀態(tài)）組建成虛擬電廠，對外提供負荷側靈活響應。電源側虛擬電廠是指在分布式電源發(fā)電側建立虛擬電廠。源網荷儲一體化虛擬電廠是指集合發(fā)電電源和負荷用電用戶，作為獨立市場主體參與電力市場，原則上不占用系統(tǒng)調峰能力。
虛擬電廠的作用和優(yōu)勢
虛擬電廠可在電力系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)發(fā)揮重要作用。在新型電力系統(tǒng)建設中，新能源發(fā)電的比重快速增長，但新能源發(fā)電具有很大的波動性，給電網安全穩(wěn)定運行帶來巨大挑戰(zhàn)。為了解決上述問題，我國大力發(fā)展儲能，而虛擬電廠在促進新能源消納、電網調頻調峰等方面同樣大有可為，是儲能的重要補充。在電網側，虛擬電廠可以為電網提供調頻調峰服務、負荷備用服務等，提高電網安全運行水平。在用戶側，電力用戶通過參與需求響應，用能效率大幅提升，在降低電費的同時，還可以獲取需求響應收益。如江蘇南京試點項目，平均提升用戶能效20%；無錫試點項目，提高園區(qū)整體綜合能源利用率約3個百分點，降低用能成本2%，年收益約300萬元。在電源側，虛擬電廠可以提供海量分布式電源精益化管理手段，促進新能源消納。
虛擬電廠是解決電網負荷的最具經濟性選項之一。根據國家電網的測算，通過火電廠實現(xiàn)電力系統(tǒng)削峰填谷，滿足5%的峰值負荷需要投資4000億，而通過虛擬電廠僅需投資500-600億元，成本僅為火電廠的1/8-1/7。
虛擬電廠的三個階段
虛擬電廠發(fā)展分為三個階段，邀約型，交易型和自治型。當前，由于我國目前儲能和分布式電源以及電力交易市場尚未發(fā)展成熟，虛擬電廠主要處于邀約型向市場型過渡的階段。
交易型階段：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電廠的形式，參與市場獲取收益。
邀約型階段：在沒有電力市場情況下，由政府機構牽頭，各個聚合商參與，共同完成邀約、響應和激勵流程。
自治型階段：跨空間自主調度型虛擬電廠。隨著電廠聚合的資源種類越來越多，數量越來越大，空間越來越廣，形成“虛擬電力系統(tǒng)”，既包括可調負荷、儲能和分布式電源等基礎資源，也包括這些基礎資源整合而成的微網、局域能源互聯(lián)網。
虛擬電廠盈利來源
1.可再生能源發(fā)電的預測和監(jiān)控
可再生能源的進給難以控制，導致電力現(xiàn)貨市場價格變動時公用事業(yè)公司難以及時調整電力投資組合，從而導致1）現(xiàn)貨市場電價轉為負值時，可再生能源供給不能及時削減，從而帶來虧損；2）電力平衡機構的需求變動大，公用事業(yè)公司依靠傳統(tǒng)手段難以了解和預測可再生能源發(fā)電水平，導致因事后修正電力投資組合而承受昂貴的平衡成本。
公用事業(yè)公司投資組合中的所有可再生能源通過遠程控制單元聯(lián)網，以實時顯示不同發(fā)電站的發(fā)電總量，從而能夠直接控制特定可再生能源發(fā)電的交易。此外，虛擬電廠還能夠綜合不同發(fā)電站的發(fā)電數據和外部導入的氣象數據來幫助預測可再生能源的發(fā)電量。
盈利方式：
1）增強了對電力投資組合的預測能力和控制，幫助公用事業(yè)公司節(jié)省因投資組合和實際需要不同帶來的平衡成本。
2）當可再生能源電價降到負值時，公用事業(yè)公司可以及時削減售電組合中可再生能源發(fā)電的占比。
3）如果可再生能源投資組合包含生物能源或水電（或地熱等其他可調度的可再生能源），公用事業(yè)公司可以使用虛擬電廠來優(yōu)化和控制這些資產的發(fā)電計劃，例如在預計電價上漲時增加這些資產的發(fā)電，從而在短期市場上擊敗平均價格，帶來額外收入。
4）在可再生能源份額較高的能源市場中，電價往往由光伏和風電驅動，因此通過更好地了解自己的可再生能源投資組合，公用事業(yè)公司可以更多地了解整個電力市場的情況以及現(xiàn)貨市場價格走向，從而提高交易安全性和盈利能力。
2.電網彈性聚合
虛擬電廠參與電網輔助服務，提高電網彈性。在收到來自電網運營商的增加或減少發(fā)電量的信號后，虛擬電廠的中央控制系統(tǒng)結合各個可調度的可再生能源電廠的響應時間限制、運行狀態(tài)等因素，將運營商的信號拆分為多個單獨的子信號，發(fā)送到各個可再生能源電廠。這些信號會進一步被自動發(fā)送到電廠中的各個聯(lián)網單元，通過綜合調控虛擬電廠下的不同發(fā)電單元的，從而實現(xiàn)總體的調峰調頻效果。
盈利方式：虛擬電廠運營商通過容量招標及輔助服務盈利。
3.需求響應聚合
虛擬電廠聚合需求側的電力消耗單元，統(tǒng)一進行負荷管理，從而提供需求響應服務，獲取輔助服務收入。此外，在部分市場，虛擬電廠還參與容量招標，獲得中標容量的結算費用。此時虛擬電廠的作用在于提高電力消費的領活動。
盈利方式：通過輔助服務市場競標收入、降低電力采購成本盈利。
4.戶用虛擬電廠
將電池儲能、戶用光伏和電動汽車充電連接到一個綜合的家庭能源系統(tǒng)中，實現(xiàn)戶用能源調配。降低電網使用，避免配電堵塞，實現(xiàn)調峰，增加電網獨立性，增加電表后資產靈活性，提高對電網使用的控制。
盈利方式：用戶增加電力自用，聚合商提供輔助服務盈利，公用事業(yè)公司通過減少電網升級費用增加收入。
虛擬電廠典型案例
實踐案例1：德國獨立虛擬電廠運營商NEXT
NextKraftwerke（NEXT）成立于2009年，是歐洲建立最早、規(guī)模最大的虛擬電廠之一，同時也是歐洲電力現(xiàn)貨市場認證的能源交易商，參與能源的現(xiàn)貨市場交易。
截至2022年Q3，公司已有14841個聚合單元，11182兆瓦聯(lián)網裝機容量，其中包括沼氣電廠、熱電聯(lián)產廠、水電、光伏、電池儲能、電轉氣、電動汽車、參與需求側響應的工業(yè)負荷。
2019年參與電力交易規(guī)模達到15.1TWh，2020年營業(yè)收入5.95億歐元，并于2021年被殼牌公司收購，殼牌預計將幫助NEXT實現(xiàn)到2030年每年銷售約560TWh電力的目標。
NEXT提供的業(yè)務模式主要包括可再生能源發(fā)電的預測和監(jiān)控、電網彈性聚合和需求響應聚合。NEXT使用基于大數據（例如電廠運行情況、天氣數據、市場價格信號、電網數據）的智能算法，提高可再生能源發(fā)電機組和工業(yè)用戶對價格信號的響應速度；在發(fā)電機組上安裝遠程控制裝置NextBox，通過虛擬電廠平臺對聚合的各個電源進行控制，從而參與電力市場交易并獲取利潤分成；利用生物質發(fā)電和水電啟動速度快、出力靈活的特點，參與電網的二次調頻和三次調頻，從而獲取附加收益。
實踐案例2：德國能源電力公司E.ON
E.ON在德國和英國開發(fā)的虛擬電廠業(yè)務包括150家電廠（600MW）。E.ON為其所擁有的包括發(fā)電機組、能源用戶（工業(yè)負荷、水泵、熱電聯(lián)產）和儲能設施（如電池）等提供控制設備，從而實現(xiàn)對電廠的遠程管理，以優(yōu)化電廠的收入，并幫助電廠參與平衡市場增加收入。
E.ON還與工業(yè)企業(yè)合作，讓其參與電力市場。例如，E.ON和thyssenkrupp合作，將其制氫工廠通過虛擬電廠連接到德國電力市場中。在E.ON虛擬電廠的自動控制下，如果電網有高需求，thyssenkrupp的工廠將關閉氫氣生產，將電解所需的能量提供給電網；相反，如果電網中的電能超過配電需求，那么工廠就會增加氫氣產量，以此獲得平衡服務和輔助服務收入。
實踐案例3：特斯拉
特斯拉推出自主研發(fā)的能源資產實時交易和控制平臺Autobidder，能夠向用戶提供虛擬電廠服務，聚合負荷資源參與能量交互響應，該產品具備價格預測、負荷預測、發(fā)電量預測、智能競價及優(yōu)化調度等功能。
2022年，特斯拉與加州公用事業(yè)公司PG&E合作開展緊急減負荷計劃（Emergency Load Reduction Program），以通過虛擬電廠的方式減少電網在需求高峰時期承受壓力時的發(fā)電需求。
具體方案是，當加州電網因為天氣炎熱而需要額外的電力供應時，特斯拉Powerwall的用戶可以通過將他們儲存的電量返回電網，以獲得每千瓦時2美元的報酬。
截至2022年7月，特斯拉已經邀請約25000名擁有Powerwall的PG＆E客戶加入虛擬電廠；2022年8月，加州的虛擬電廠項目已成功啟動了首次緊急響應演練，在活動中，共有2342位Powerwall用戶參與，共計輸出了多達16兆瓦的電力。
在該項目中，PG&E通過以低于用電高峰期批發(fā)電價的金額向Powerwall用戶購電節(jié)省成本，Powerwall用戶通過售電獲得收入，而特斯拉能獲得儲能和發(fā)電產品的需求提升，以及未來可能的售電差價及虛擬電廠服務費用。
國內：
我國虛擬電廠尚處于早期試點階段，各地積極開展試點，江蘇、浙江、上海、冀北等地均出現(xiàn)了大型的虛擬電廠試點。2021年2月10日，廣東廣州市工信廳發(fā)布《廣州市虛擬電廠實施細則（征求意見稿）》征求意見，實施目標是引導用戶通過開展需求響應，實現(xiàn)削峰填谷，逐步形成約占廣州市統(tǒng)調最高負荷3％左右的需求響應能力。2022年6月23日，山西省能源局發(fā)布《虛擬電廠建設與運營管理實施方案》，地方權威性綱領陸續(xù)出臺。
表1 我國虛擬電廠實踐案例
