中國儲能網(wǎng)訊：虛擬電廠利用先進(jìn)信息通信和計量控制技術(shù)，將分布在不同空間的分布式電源、可控負(fù)荷、儲能、電動汽車等進(jìn)行聚合和優(yōu)化調(diào)度，可以參與電力系統(tǒng)運(yùn)行，參與電力市場交易。虛擬電廠對提升新型電力系統(tǒng)靈活性、促進(jìn)可再生能源大規(guī)模消納具有積極作用。德國虛擬電廠從示范階段已走到了規(guī)模化發(fā)展階段，而我國正處在示范階段。本文分析德國作為先行者的經(jīng)驗，探討德國虛擬電廠發(fā)展中與公共管理、技術(shù)創(chuàng)新、電力供需相關(guān)的因果性規(guī)律，以及與新能源發(fā)展、電力市場改革相關(guān)的階段性規(guī)律，并基于這些規(guī)律針對我國虛擬電廠發(fā)展超前預(yù)判問題并提出解決思路建議。
德國虛擬電廠發(fā)展的經(jīng)驗
隨著可再生能源在電網(wǎng)中的滲透率增加，德國加快推進(jìn)研發(fā)示范虛擬電廠項目。2008年，德國聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)和技術(shù)部啟動了“E-Energy”計劃，目標(biāo)是建立一個能基本實現(xiàn)自我調(diào)控的智能化的電力系統(tǒng)，而其中虛擬電廠和需求側(cè)管理是重點。德國聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)技術(shù)部通過技術(shù)競賽選擇了6個試點項目。其中eTelligence是一個虛擬電廠研究項目，于2008年至2012年執(zhí)行。該項目中虛擬電廠將分布式電源與可控負(fù)荷聚合在一起，可以減少由于預(yù)測錯誤導(dǎo)致的15%的出力不平衡，降低電力購買費(fèi)用。德國虛擬電廠助力解決分布式電源并網(wǎng)和參與市場交易，有利于大規(guī)模分布式可再生能源的平衡消納，并提升電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，以及避免用電峰值增加導(dǎo)致的電網(wǎng)擴(kuò)容。德國虛擬電廠建設(shè)取得了較快發(fā)展，出現(xiàn)了一批知名的運(yùn)營商，例如歐洲最大虛擬電廠運(yùn)營商N(yùn)ext Karftwerke公司。
通過法律法規(guī)確保虛擬電廠的權(quán)利和義務(wù)
德國在《能源經(jīng)濟(jì)法》《可再生能源法》《電網(wǎng)加速擴(kuò)建法》等法律中提出了直接或間接促進(jìn)虛擬電廠發(fā)展的條款，為虛擬電廠聚合能源資源提供了法律保障。2016年，德國聯(lián)邦網(wǎng)絡(luò)局（BNetzA）提出“聚合商模式”，與相關(guān)市場主體共同對這個模式進(jìn)行討論，促使一項行業(yè)指導(dǎo)方針（BNetzAAZ.BK6-17-046）出臺，在其中將“聚合商”定義為市場參與者的角色。2021年7月《在能源法中落實歐盟要求和管理純氫網(wǎng)絡(luò)的法案》中德國政府對聚合商的角色、市場機(jī)會和義務(wù)進(jìn)行了法律界定。
虛擬電廠運(yùn)行模式的類型
根據(jù)所涉及的市場政策，虛擬電廠運(yùn)行模式可分為五類，即虛擬電廠運(yùn)營商可通過參與現(xiàn)貨電力市場、參與平衡市場、參與再調(diào)度、參與可中斷負(fù)荷投標(biāo)、提供平衡基團(tuán)管理等獲取收益。
一是虛擬電廠可參與現(xiàn)貨電力市場，尤其是日前市場和日間市場。德國《可再生能源法》修正案規(guī)定，所有100千瓦以上的新增可再生能源機(jī)組都必須進(jìn)行直接銷售，并鼓勵中型可再生能源發(fā)電機(jī)組接入到虛擬電廠，在批發(fā)市場上銷售電量。虛擬電廠運(yùn)營商為擁有可再生能源機(jī)組的發(fā)電方制定最優(yōu)發(fā)電計劃，優(yōu)化發(fā)電收入，憑借精準(zhǔn)預(yù)測能力參與現(xiàn)貨電力市場。在日前市場，在中午12時前對次日給定的某一小時電量報價出價。一旦出價被接受，發(fā)電商就計劃啟動電廠，并在前一天14時30分前將發(fā)電計劃提交給輸電系統(tǒng)運(yùn)營商。在日間市場，交割期較短，虛擬電廠可以提供15分鐘和1小時等短時間內(nèi)快速可控的靈活性產(chǎn)品。
二是虛擬電廠可參與再調(diào)度，解決電網(wǎng)阻塞，從阻塞費(fèi)用節(jié)省或者阻塞價格中獲利。為了解決電力批發(fā)市場上，電力交易與電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施所面臨的物理輸送之間的不一致問題，輸電系統(tǒng)運(yùn)營商根據(jù)平衡責(zé)任方提交的計劃對下一日的用電負(fù)荷趨勢做出分析，預(yù)測市場交易是否會導(dǎo)致阻塞及影響程度。在電網(wǎng)發(fā)生阻塞時，輸電系統(tǒng)運(yùn)營商可以要求進(jìn)行再調(diào)度，調(diào)整常規(guī)發(fā)電廠和可再生能源發(fā)電量，即下調(diào)一地的發(fā)電商交易協(xié)定的并網(wǎng)電量，同時上調(diào)另一地的發(fā)電商并網(wǎng)電量。虛擬電廠可以作為調(diào)度管理商支持可再生能源電廠運(yùn)營商提供靈活性，解決電網(wǎng)阻塞的問題。
三是虛擬電廠可參與平衡市場，提供二次控制備用和三次控制備用。虛擬電廠通過現(xiàn)貨交易或輸電系統(tǒng)運(yùn)營商招標(biāo)參與平衡市場，為平衡責(zé)任方提供備用服務(wù)，通過容量價格和平衡能量價格獲得收益。虛擬電廠在二次備用（5分鐘激活時間，最小投標(biāo)單位5兆瓦）和三次備用服務(wù)（15分鐘激活時間，最小投標(biāo)單位5兆瓦）尤其活躍。
四是虛擬電廠可參與可中斷負(fù)荷投標(biāo)，根據(jù)所提供的容量和能量得到補(bǔ)償?！犊芍袛嘭?fù)荷協(xié)議條例》允許輸電系統(tǒng)運(yùn)營商每周通過輸電系統(tǒng)運(yùn)營商的聯(lián)合招標(biāo)平臺發(fā)布750兆瓦的立即可中斷負(fù)荷和快速可中斷負(fù)荷招標(biāo)。容量補(bǔ)償基于競爭性拍賣的結(jié)果，每周最多為500歐元/兆瓦，能量補(bǔ)償最多為400歐元/兆瓦時。在提供可中斷負(fù)荷服務(wù)期間，負(fù)荷中斷信號由輸電系統(tǒng)運(yùn)營商直接或通過虛擬電廠發(fā)送給可提供中斷負(fù)荷的用戶。
五是虛擬電廠可幫助平衡基團(tuán)責(zé)任方減少平衡區(qū)內(nèi)發(fā)生的平衡偏差，幫助節(jié)省平衡偏差產(chǎn)生的相關(guān)費(fèi)用。在德國，每個發(fā)電廠和電力消費(fèi)者會被分配到平衡基團(tuán)，由平衡基團(tuán)責(zé)任方確保平衡區(qū)內(nèi)的總發(fā)電量加總外購電量與用電量相匹配。平衡基團(tuán)責(zé)任方必須以15分鐘為單位，為第二天做出準(zhǔn)確的電網(wǎng)供需預(yù)測，并向負(fù)責(zé)的輸電系統(tǒng)運(yùn)營商提交相應(yīng)的平衡計劃。若出現(xiàn)預(yù)測偏差，平衡基團(tuán)責(zé)任方需承擔(dān)平衡服務(wù)的費(fèi)用，即負(fù)擔(dān)平衡電量價格。平衡基團(tuán)旨在盡可能避免生產(chǎn)過剩和生產(chǎn)不足。虛擬電廠可以支撐平衡責(zé)任方對平衡區(qū)進(jìn)行管理，使其預(yù)測更加接近真實發(fā)電量和用電量，從而解決預(yù)測和次日實際計劃之間的偏差，有利于參與日間市場的電力交易。
虛擬電廠運(yùn)營商的類型
根據(jù)經(jīng)營業(yè)務(wù)范圍，虛擬電廠運(yùn)營商可分為三類。
一是獨立虛擬電廠運(yùn)營商。他們擁有信息和通信技術(shù)知識或能源管理技術(shù)，不具有分布式能源資源，不從事電力供應(yīng)業(yè)務(wù)，通常通過參與電力市場獲取收益。德國獨立運(yùn)營商的聚合規(guī)模相對較大。Next Kraftwerke、GETEC Energie、Entelios等三家獨立運(yùn)營商聚合規(guī)模已經(jīng)分別達(dá)到9016兆瓦、3000兆瓦以上、1000兆瓦以上。
二是同時是電力公司的虛擬電廠運(yùn)營商。他們具有發(fā)電資源、用戶負(fù)荷資源。他們將自己的分布式能源資源聚合到虛擬電廠中。作為平衡基團(tuán)責(zé)任方，此類運(yùn)營商可以利用靈活性資源以滿足用電客戶需求，從而無需在日間市場購電或售電，或為平衡電力付費(fèi)。
三是同時是裝備制造商的虛擬電廠運(yùn)營商，尤其是小規(guī)模分布式能源設(shè)備的制造商。他們主要將其業(yè)主的分布式能源資源聚合到虛擬電廠中。
德國虛擬電廠技術(shù)已取得國際影響力
聚合平臺技術(shù)是整個虛擬電廠控制系統(tǒng)的核心，部署于云端的先進(jìn)軟件平臺，主要是基于電網(wǎng)、資產(chǎn)和天氣狀況進(jìn)行可視化監(jiān)視和預(yù)測，開展集中智能決策，從而基于平衡運(yùn)行約束和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對各類分布式資源進(jìn)行智能管理與調(diào)度。
通信技術(shù)可快速上報分布式資源的運(yùn)行參數(shù)信息，并接收和反饋云端調(diào)度中心的調(diào)度指令。虛擬電廠聚合的每一個機(jī)組和可控負(fù)荷可通過4G公網(wǎng)與單元控制系統(tǒng)進(jìn)行雙向移動通信。
計量技術(shù)和控制技術(shù)可對分布式資源站進(jìn)行監(jiān)測和控制，使得負(fù)荷有序轉(zhuǎn)移、故障快速切斷和分布式資源即插即用控制。在計量方面，利用智能電表、廣域量測系統(tǒng)等高級量測技術(shù)對電站運(yùn)行情況、氣象數(shù)據(jù)、市場價格信號、電網(wǎng)情況等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。在控制方面，可通過分布式資源現(xiàn)地控制層、配電網(wǎng)控制層和云端協(xié)同控制層等三層協(xié)同控制技術(shù)，對分布式能源站的負(fù)荷、功率、頻率等進(jìn)行調(diào)控。
德國虛擬電廠發(fā)展經(jīng)驗帶來的啟示
德國虛擬電廠發(fā)展比較成熟，這與德國電力市場機(jī)制建設(shè)更成熟、分布式電源發(fā)電比例較高有關(guān)。我國虛擬電廠發(fā)展仍然處于導(dǎo)入期，距離成長期還需數(shù)年。只有市場機(jī)制和標(biāo)準(zhǔn)體系不斷完善，未來虛擬電廠才能規(guī)?；⒊B(tài)化、市場化發(fā)展。
一是法規(guī)文件方面，兩國均出臺了對虛擬電廠進(jìn)行明確定位和職責(zé)劃分的文件，但德國法律法規(guī)的強(qiáng)制要求更具有全國普遍性。另外，德國對分布式電源提出了強(qiáng)制要求，即要求分布式電源可控，要求可再生能源電廠，特別是100千瓦以上中型可再生能源電廠參與市場交易，允許通過市場紐帶將大量小型分布式電源聚合在一起，形成具備規(guī)模效應(yīng)并且可統(tǒng)一調(diào)控的有價值資源。目前我國個別省份出臺了鼓勵負(fù)荷側(cè)虛擬電廠、儲能虛擬電廠參與需求響應(yīng)項目的相關(guān)文件。然而缺乏在國家層面的針對虛擬電廠的法律法規(guī)、管理辦法，尤其缺乏關(guān)于分布式電源聚合型虛擬電廠的權(quán)利與義務(wù)的規(guī)定。
二是在商業(yè)模式方面，德國的虛擬電廠已實現(xiàn)商業(yè)化，德國虛擬電廠運(yùn)營商可以在現(xiàn)貨電能量市場的日前市場中銷售可再生能源的發(fā)電量，在日間市場中銷售生物質(zhì)發(fā)電和水電等靈活性較高機(jī)組的發(fā)電量。還可以參與平衡基團(tuán)管理、平衡市場和再調(diào)度。德國相對成熟的電力市場機(jī)制為虛擬電廠運(yùn)營帶來規(guī)?；⒊B(tài)化、市場化的贏利機(jī)會。目前我國僅在少數(shù)地區(qū)初步建立了虛擬電廠參與調(diào)峰、調(diào)頻機(jī)制。由于市場交易機(jī)制不健全，商業(yè)模式尚不成熟。
三是在聚合資源方面，德國虛擬電廠聚合較多的是分布式可再生能源，目前中國示范項目聚合較多的是可調(diào)節(jié)負(fù)荷資源，這與德國可再生能源中分布式比例較高有關(guān)。德國虛擬電廠可以更好地預(yù)測和平衡分布式可再生能源發(fā)電的波動，通過增加和減少可控分布式資源的出力或者負(fù)荷。它還使得分布式可再生能源通過聚合從而符合市場的最低投標(biāo)規(guī)模。
四是在運(yùn)營主體方面，中國虛擬電廠示范項目主要由電網(wǎng)企業(yè)建設(shè)運(yùn)營，運(yùn)營主體相對單一。近期發(fā)電企業(yè)逐漸顯示出投資運(yùn)營的興趣。而德國運(yùn)營主體更加多元化、市場化，包括獨立虛擬電廠運(yùn)營商，具有分布式電源資源的電力公司，以及設(shè)備制造商等。
五是在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)方面，德國在網(wǎng)、源、荷方面均建立了堅強(qiáng)的技術(shù)基礎(chǔ)和標(biāo)準(zhǔn)體系，涉及了信息和通信技術(shù)、能源管理技術(shù)，以及智能電表、遠(yuǎn)程控制和自動化系統(tǒng)等硬件設(shè)備等。我國虛擬電廠智能終端標(biāo)準(zhǔn)、采集計量標(biāo)準(zhǔn)、信息接口及通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)、并網(wǎng)調(diào)度標(biāo)準(zhǔn)等較缺乏，可能導(dǎo)致出現(xiàn)數(shù)據(jù)交互壁壘高，信息傳輸實時性、可靠性不夠等問題。
我國虛擬電廠發(fā)展的現(xiàn)狀與趨勢
我國虛擬電廠發(fā)展處于試點示范應(yīng)用階段。“十三五”期間，我國江蘇、上海、河北、廣東等地相繼開展了虛擬電廠項目試點。如江蘇省于2017年投運(yùn)負(fù)荷型虛擬電廠；上海市于2017年建成黃浦區(qū)商業(yè)建筑虛擬電廠示范工程；冀北地區(qū)建設(shè)聚合了分布式光伏、空氣源熱泵、民用及工業(yè)空調(diào)機(jī)組、電動汽車充電站等的虛擬電廠，并參與了華北輔助服務(wù)市場進(jìn)行調(diào)峰。
在管理規(guī)范方面，部分地區(qū)在虛擬電廠專項文件，或者需求響應(yīng)政策文件中對虛擬電廠提出了要求。例如，2021年7月廣州市發(fā)布《廣州市虛擬電廠實施細(xì)則》，響應(yīng)產(chǎn)品豐富，包括日前邀約、提前4小時邀約和實時需求響應(yīng)。2021年6月，山東省發(fā)布《2021年全省電力需求響應(yīng)工作方案》指出需求響應(yīng)的參與主體包括虛擬電廠運(yùn)營商等各類互動資源主體，并要求虛擬電廠建有自有控制平臺并接入國網(wǎng)山東省級智慧能源服務(wù)平臺，響應(yīng)能力通過測試。
在市場機(jī)制方面，部分地區(qū)正在建立虛擬電廠參與調(diào)峰、調(diào)頻、轉(zhuǎn)動慣量、爬坡等規(guī)則。地方政府因地制宜提出差異化的要求。參與調(diào)峰方面，目前冀北、上海、江蘇等地電力市場已經(jīng)明確虛擬電廠可作為獨立主體參與調(diào)峰市場，均規(guī)定虛擬電廠聚合容量需達(dá)到最低門檻并且能夠?qū)崿F(xiàn)用電信息采集、接入虛擬電廠運(yùn)行與監(jiān)控平臺、接入調(diào)度控制平臺等。參與調(diào)頻方面，江蘇、重慶等地已明確虛擬電廠可以參加省調(diào)頻輔助服務(wù)市場。在轉(zhuǎn)動慣量、爬坡方面，國家能源局南方監(jiān)管局印發(fā)《南方區(qū)域電力輔助服務(wù)管理實施細(xì)則》（南方監(jiān)能市場〔2022〕91號），積極推動虛擬電廠等市場主體納入考核補(bǔ)償管理，研究增加轉(zhuǎn)動慣量、爬坡等新的輔助服務(wù)品種。
虛擬電廠發(fā)展趨勢呈現(xiàn)資源類型多元化、運(yùn)營模式市場化、應(yīng)用需求長期化的特點。
在資源類型方面，虛擬電廠不僅聚合負(fù)荷資源，而且將聚合儲能和分布式電源。例如山西省能源局 2022年6月發(fā)布的《虛擬電廠建設(shè)與運(yùn)營管理實施方案》指出虛擬電廠聚合電源側(cè)、負(fù)荷側(cè)和儲能側(cè)三類資源，其中電源側(cè)資源包括光伏、風(fēng)電、生物質(zhì)發(fā)電等。
在運(yùn)營模式方面，虛擬電廠不僅參與需求響應(yīng)邀約，而且逐漸參與輔助服務(wù)市場?？烧{(diào)節(jié)負(fù)荷資源參與需求響應(yīng)邀約的政策相對較成熟。在此基礎(chǔ)上多地試點了虛擬電廠參與邀約響應(yīng)。而儲能與可調(diào)節(jié)負(fù)荷資源參與輔助服務(wù)市場的政策出臺相對較晚。僅有冀北試點了虛擬電廠參與市場。2022年2月《關(guān)于完善能源綠色低碳轉(zhuǎn)型體制機(jī)制和政策措施的意見》明確要求，支持虛擬電廠運(yùn)營商參與電力市場交易和系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)節(jié)。近年來多地陸續(xù)出臺了虛擬電廠參與電力市場的政策，預(yù)計未來相關(guān)運(yùn)營實踐將增加。
在應(yīng)用需求方面，電力系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻對虛擬電廠的需求更長期化。2021年10月出臺的《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)2030年前碳達(dá)峰行動方案的通知》中明確要求，引導(dǎo)虛擬電廠等參與系統(tǒng)調(diào)節(jié)，提升電網(wǎng)安全保障水平。一方面因為新能源發(fā)電具有顯著的間歇性、波動性、隨機(jī)性特征，且接入位置分散，導(dǎo)致負(fù)荷高峰時段電力支撐能力明顯不足，另一方面煤炭供應(yīng)和極端天氣等不確定因素導(dǎo)致安全保供壓力增大。虛擬電廠可以緩解煤炭價格高企、極端天氣、新能源出力等不確定因素導(dǎo)致的電力平衡壓力。
我國虛擬電廠發(fā)展的建議
進(jìn)一步明確虛擬電廠在電力系統(tǒng)中的法定責(zé)任和義務(wù)。完善法律法規(guī)或管理辦法，規(guī)定虛擬電廠參與現(xiàn)貨電能量市場、輔助服務(wù)市場和邀約需求響應(yīng)項目的市場角色、機(jī)會和義務(wù)，保障其參與調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)壓、轉(zhuǎn)動慣量等市場交易的合法性。探索明確要求分布式電源通過參與聚合資源實現(xiàn)可預(yù)測可控制。
加快建設(shè)虛擬電廠參與輔助服務(wù)市場和現(xiàn)貨電能量市場的機(jī)制。完善虛擬電廠參與電力市場的投資管理、市場準(zhǔn)入、交易模式、結(jié)算模式、運(yùn)行補(bǔ)貼等規(guī)則。按“誰受益、誰出資”的原則，建立面向電能量交易、調(diào)峰、調(diào)頻等不同場景的交易機(jī)制，豐富交易品種與模式，形成合理穩(wěn)定的激勵資金來源。探索分散式平衡模式，一定程度對平衡壓力和責(zé)任進(jìn)行下放。
完善虛擬電廠標(biāo)準(zhǔn)體系，統(tǒng)一接口和通信協(xié)議。建立終端監(jiān)控設(shè)備、通信接口、聚合控制管理等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，打通采集終端、虛擬電廠運(yùn)營平臺、電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)、交易系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)和控制通道。建議調(diào)度、交易的主管部門出臺虛擬電廠并網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行規(guī)程、規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。
鼓勵有關(guān)企業(yè)提前布局，超前開展聚合調(diào)控和精準(zhǔn)預(yù)測等核心技術(shù)研發(fā)，結(jié)合自身優(yōu)勢參與試點建設(shè)與標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)，以及通過其他能源服務(wù)建立和保持終端客戶黏性。（本文僅代表作者個人觀點，不代表所在單位意見）
作者：
三峽集團(tuán)戰(zhàn)略與發(fā)展研究中心 霍沫霖
國網(wǎng)能源研究院 譚清坤 鄭海峰
本文刊載于《中國電力企業(yè)管理》2022年第10期
