中國儲能網(wǎng)訊：隨著我國可再生能源裝機占比過半，電力系統(tǒng)的分鐘級快速靈活調(diào)節(jié)能力已成為我國新型電力系統(tǒng)建設(shè)的必然要求。德國作為能源體系快速轉(zhuǎn)型、實現(xiàn)高比例新能源接入的典型代表國家，其虛擬電廠深度參與電力平衡市場的機制對我國具有重要借鑒意義：一方面，虛擬電廠通過數(shù)字化、智能化手段能實現(xiàn)快速、深度挖掘靈活性資源，這一天然技術(shù)特性與平衡市場對調(diào)節(jié)資源的快速響應(yīng)要求高度契合；另一方面，平衡市場的收益結(jié)構(gòu)包含容量預(yù)留補償與執(zhí)行能量補償，為虛擬電廠提供了顯著且可預(yù)期的經(jīng)濟激勵，成為其規(guī)?；l(fā)展和可持續(xù)運營的關(guān)鍵驅(qū)動力。
為此，本文將系統(tǒng)剖析德國平衡市場為有效容納虛擬電廠參與而建立的適應(yīng)性規(guī)則框架，包括產(chǎn)品技術(shù)特征設(shè)計分別考慮正負向調(diào)節(jié)能力、設(shè)置容量市場確保穩(wěn)定激勵、確立聚合商的市場主體地位并設(shè)定合理的參與門檻、以及構(gòu)建支持資源高效聚合與協(xié)同的多層級調(diào)度架構(gòu)等。通過厘清德國平衡市場與虛擬電廠的協(xié)同機制，旨在為我國破解新能源高比例接入下的系統(tǒng)調(diào)節(jié)瓶頸、優(yōu)化市場機制設(shè)計及推動虛擬電廠商業(yè)化運營提供可操作的經(jīng)驗借鑒。
01
德國虛擬電廠模式
在德國，虛擬電廠是指一種通過數(shù)字化、智能化技術(shù)手段協(xié)調(diào)各類分布式資源參與市場交易的場外組織模式。德國電力市場并不單獨為儲能、虛擬電廠、微電網(wǎng)等各類主體設(shè)置特殊交易賬戶和機制，各參與主體（涵蓋發(fā)電企業(yè)、售電公司、大用戶以及負荷聚合商）均通過管理或加入一個或多個平衡結(jié)算單元的方式，參與電能量市場和平衡市場。虛擬電廠運營商可以注冊為平衡責(zé)任主體直接參與能量市場，可以向輸電運營商（TSO）申請成為平衡服務(wù)主體參與平衡市場，也可以為其他平衡結(jié)算單元提供可調(diào)資源、電網(wǎng)平衡等服務(wù)，還可以為中小發(fā)電廠參與再調(diào)度提供技術(shù)服務(wù)。
德國虛擬電廠可以聚合各類分布式資源，但其中可調(diào)節(jié)資源主要是生物質(zhì)發(fā)電、小型水電、儲能等“電源型”資源。德國現(xiàn)有虛擬電廠的常見商業(yè)模式是將分布式可再生能源、靈活性機組、儲能、負荷等聚合成一個規(guī)模較大的組合來參與市場，利用可調(diào)節(jié)資源在運行過程中調(diào)整出力來獲利。其中發(fā)揮重要作用的可調(diào)節(jié)資源類型主要是儲能、生物質(zhì)發(fā)電和小型水電。
02
德國平衡市場機制
德國虛擬電廠一個重要的收益是參與平衡市場。在成熟的電力市場中，針對因電力系統(tǒng)故障、供需預(yù)測產(chǎn)生偏差等原因造成的頻率不穩(wěn)定問題，一般會設(shè)立“市場化平衡管理機制”，即由輸電運營商通過市場手段獲取平衡資源，并對造成平衡偏差的市場主體進行偏差考核，以覆蓋系統(tǒng)平衡調(diào)節(jié)成本。不同國家或地區(qū)關(guān)于市場化平衡管理機制的名稱有所不同，例如中國會采用輔助服務(wù)市場的概念。而德國根據(jù)歐盟法規(guī)，采用“平衡市場”的概念。德國的四大輸電系統(tǒng)運營商運營一個聯(lián)合平衡市場，并參與歐洲合作項目，跨國采購平衡服務(wù)。
（一）德國平衡市場的產(chǎn)品種類
德國平衡市場的產(chǎn)品種類包括：頻率控制備用（The Frequency Containment Reserve，F(xiàn)CR），即一次調(diào)頻，保證系統(tǒng)頻率穩(wěn)定在額定頻率的±0.1赫茲內(nèi)；自動頻率恢復(fù)備用（The automatic Frequency Restoration Reserve，aFRR），通常在FCR之后啟動，用于進一步糾正頻率偏差，主要通過自動頻率控制系統(tǒng)實現(xiàn)；手動頻率恢復(fù)備用（The manual Frequency Restoration Reserve，mFRR），是15分鐘內(nèi)響應(yīng)的備用服務(wù)。
表1 平衡服務(wù)種類技術(shù)特征表1
表1給出了三種平衡服務(wù)的技術(shù)特征，其中，“容量市場/能量市場可用性”是指該平衡服務(wù)招標(biāo)中是否包含容量市場/能量市場，F(xiàn)CR僅在容量市場招標(biāo)，而aFRR和mFRR包括容量市場和能量市場；“對稱/非對稱”是指是否要求向上和向下調(diào)節(jié)能力絕對值相等，F(xiàn)CR是一個對稱產(chǎn)品，這意味著提供者必須能夠提供同等正負向的調(diào)節(jié)能力，aFRR和mFRR則正負向調(diào)節(jié)能力單獨統(tǒng)計。
從上述三類產(chǎn)品的設(shè)計特征可以看出，其規(guī)則制定顯著增強了對虛擬電廠參與的適應(yīng)性。一方面，市場結(jié)構(gòu)設(shè)計兼顧穩(wěn)定收益與靈活響應(yīng)價值。除FCR僅通過容量市場招標(biāo)外，aFRR和mFRR均設(shè)置了容量市場與能量市場的雙重機制。三種產(chǎn)品均設(shè)計了容量市場招標(biāo)，為參與者提供了基礎(chǔ)性的、可預(yù)期的固定收益保障，降低了市場風(fēng)險，有利于虛擬電廠長期投資與穩(wěn)定運營。另一方面，資源能力要求體現(xiàn)包容性與針對性。aFRR和mFRR產(chǎn)品明確允許參與資源無需同時具備絕對值相等的向上和向下調(diào)節(jié)能力。這一規(guī)則極大拓寬了可參與資源的范圍，使得虛擬電廠能夠靈活聚合僅具備特定單向調(diào)節(jié)優(yōu)勢的分布式資源，例如易于削減發(fā)電的新能源機組，或易于削減用電、即增加等效發(fā)電能力的可控負荷。這種設(shè)計充分考慮了分布式資源的異質(zhì)性，有效降低了虛擬電廠參與平衡服務(wù)的門檻。
（二）平衡市場的認證和采購過程
歐盟正在推動建立一個整合歐洲控制區(qū)域的平衡市場，并已在德國、荷蘭等部分地區(qū)實現(xiàn)了統(tǒng)一調(diào)用，德國的輸電運營商可以在德國電網(wǎng)區(qū)域內(nèi)以及與鄰國部分合作的情況下向虛擬電廠等平衡服務(wù)主體采購平衡服務(wù)，這擴大了虛擬電廠資源可以參與的市場區(qū)域范圍。
招標(biāo)過程是在聯(lián)邦反壟斷局的指導(dǎo)下，按照聯(lián)邦網(wǎng)絡(luò)局的規(guī)定以及歐洲的規(guī)定和方法，在一個開放、透明和非歧視的過程中進行。平衡服務(wù)的基本采購過程分為四個步驟：預(yù)資格認證、市場招標(biāo)、調(diào)節(jié)能力調(diào)用和資源調(diào)節(jié)、平衡容量和平衡能量的結(jié)算。
1.第一步：預(yù)資格認證
在參與平衡市場之前，平衡服務(wù)提供者必須通過輸電運營商認證，四大輸電運營商會統(tǒng)計預(yù)先審核合格的資源。不同類型的發(fā)用電資源都可以參與預(yù)資格認證。同時，明確了“聚合商”法律地位，允許其作為平衡單元以外的獨立主體參與平衡市場投標(biāo)，最小投標(biāo)門檻降至5兆瓦，這有助于充電樁運營商等各類型虛擬電廠技術(shù)服務(wù)商在市場中發(fā)揮作用并獲利。德國不同類型平衡服務(wù)種類和平衡資源按容量的統(tǒng)計如表2。
表2 德國不同平衡服務(wù)種類各類型資源預(yù)審核合格的容量統(tǒng)計2
（單位：萬千瓦）
2.第二步：市場招標(biāo)
通過預(yù)資格認證的平衡服務(wù)提供者可以參與平衡服務(wù)的招標(biāo)。德國的平衡市場分為平衡容量市場與平衡能量市場，平衡容量按“可用容量（兆瓦）”為標(biāo)的進行交易，報價被出清的平衡服務(wù)提供者需要在實時運行中保留相應(yīng)的容量供輸電運營商調(diào)度，即使不被調(diào)用也可獲得報酬。平衡能量以電量（兆瓦時）為交易標(biāo)的，按運行中實際被調(diào)用的電量進行結(jié)算，不進行容量補償，僅具有電量屬性。
3.第三步：啟動調(diào)節(jié)能力和調(diào)節(jié)能源
如果平衡服務(wù)提供者已經(jīng)中標(biāo)，他們必須在中標(biāo)時間段內(nèi)保留相應(yīng)的容量或?qū)嶋H調(diào)用電量。FCR根據(jù)電網(wǎng)頻率偏差自動激活。aFRR和mFRR由輸電運營商實時向市場發(fā)送需求，提供者自動或手動激活。
4.第四步：平衡容量和平衡能量的結(jié)算
在平衡服務(wù)類型中，F(xiàn)CR只獲得容量補償，由中標(biāo)合約容量乘以中標(biāo)價格。aFRR和mFRR能夠同時參與容量市場和能量市場兩個市場，并同步獲得容量和電量的補償，容量補償是基于在平衡電力容量市場上授予的容量乘以相應(yīng)的競標(biāo)價格，電量補償由啟動服務(wù)后實際被調(diào)用的電量和電量電價進行結(jié)算，TSO每15分鐘確定一次不平衡價格。
03
對于中國的借鑒意義分析
類似于德國，我國虛擬電廠當(dāng)前的收益模式主要有參與現(xiàn)貨市場，或者利用調(diào)節(jié)能力參與需求響應(yīng)和輔助服務(wù)市場。例如在2019年，冀北虛擬電廠作為全國首個以市場化方式運營的示范項目參與華北調(diào)峰輔助服務(wù)市場。
從輔助服務(wù)市場建設(shè)情況來看，當(dāng)前國內(nèi)輔助服務(wù)市場基本實現(xiàn)全國全覆蓋。電力輔助服務(wù)市場實現(xiàn)7大區(qū)域、33個省級電網(wǎng)的全覆蓋，統(tǒng)一的電力輔助服務(wù)體系基本形成。從電力輔助服務(wù)品種開展情況看，當(dāng)前南方區(qū)域以備用、調(diào)頻為主，華北、西北、西南區(qū)域以調(diào)峰為主，華東、華中、東北區(qū)域以調(diào)峰、備用為主；山東等地探索快速爬坡類輔助服務(wù)新品種，以更好適應(yīng)高比例新能源接入。
隨著新型電力系統(tǒng)和全國統(tǒng)一電力市場建設(shè)的進程深入推進，電力系統(tǒng)對靈活性調(diào)節(jié)資源的需求與日俱增，尤其在新能源高比例接入背景下，保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行與促進新能源高效消納成為核心訴求。為充分釋放源網(wǎng)荷儲各環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)潛力，亟須從市場機制設(shè)計和虛擬電廠運營模式創(chuàng)新兩方面協(xié)同發(fā)力。
（一）面向市場機制的意見建議
對于市場機制而言，建議打破省間壁壘，建立跨區(qū)域協(xié)同機制；擴大準(zhǔn)入范圍，明確納入新型靈活性資源；分離容量與能量市場，提供容量補償以保障投資回收，并完善價格疏導(dǎo)機制。
一是完善跨區(qū)域跨省的輔助服務(wù)組織模式，借鑒德國參與歐洲大市場的經(jīng)驗，統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（如響應(yīng)速度、性能要求）和交易規(guī)則（如市場耦合、聯(lián)合出清）。打破省間壁壘，允許富余省調(diào)峰、調(diào)頻、備用等資源參與緊缺省份的日前、日內(nèi)甚至實時輔助服務(wù)市場交易。開發(fā)跨區(qū)域聯(lián)合優(yōu)化出清算法，綜合考慮各區(qū)域電網(wǎng)約束與資源稟賦，實現(xiàn)跨省資源最優(yōu)協(xié)同調(diào)度，提升整體電網(wǎng)安全經(jīng)濟性，為新能源高比例滲透下的區(qū)域互濟奠定基礎(chǔ)。
二是拓寬輔助服務(wù)參與主體范圍，明確將新型分散式靈活性資源納入市場準(zhǔn)入主體清單。這包括：分布式儲能、規(guī)?；芍袛喙I(yè)負荷、電動汽車充換電設(shè)施、中小型生物質(zhì)/垃圾發(fā)電、虛擬電廠、智能微電網(wǎng)等，建立科學(xué)的聚合商資質(zhì)認證、注冊、計量與結(jié)算機制，并出臺針對不同技術(shù)類型資源的性能測試標(biāo)準(zhǔn)、基線計算規(guī)范與參與規(guī)則，確保各類主體能合規(guī)、公平參與市場。
三是分別組織輔助服務(wù)容量市場和能量市場。借鑒德國平衡容量市場理念，為提供特定性能等級輔助服務(wù)能力的資源提供容量補償，保障其基礎(chǔ)投資回收。深化輔助服務(wù)能量市場，允許資源同時或分時參與電能量市場和多種輔助服務(wù)市場競價，實現(xiàn)其運營價值最大化，設(shè)計合理的市場耦合機制，鼓勵資源在能量與輔助服務(wù)市場間靈活切換，明確價格形成與成本疏導(dǎo)機制，確保新增收益來源具有可持續(xù)性。
（二）面向虛擬電廠運營商的意見建議
對于虛擬電廠運營而言，建議聚合發(fā)用兩側(cè)多元化資源；構(gòu)建秒級至小時級多層次響應(yīng)能力；挖掘雙向調(diào)節(jié)能力，支撐電網(wǎng)安全與新能源消納。
一是拓寬聚合資源類型，在現(xiàn)有聚合基礎(chǔ)上，重點納入具備高度靈活性和精細控制潛力的新型資源。包括：用戶側(cè)分布式儲能、電動汽車充換電站/V2G充電樁、小型燃氣輪機/沼氣發(fā)電，以及生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)等可再生能源發(fā)電單元。深入研究不同類型資源的響應(yīng)特性、控制接口、優(yōu)化潛力與交易偏好，開發(fā)針對性的控制策略與激勵機制，實現(xiàn)資源的有效整合與協(xié)同控制。
二是聚合多時間尺度資源，構(gòu)建層次化的響應(yīng)能力體系。整合具備不同響應(yīng)速度（秒級、分鐘級、小時級）和控制精度（連續(xù)調(diào)節(jié)、離散開關(guān)）的資源。通過算法對資源在多時間尺度上的響應(yīng)能力進行精準(zhǔn)建模、優(yōu)化調(diào)度與協(xié)同聚合，滿足電網(wǎng)從頻率穩(wěn)定、備用需求到能量平衡的多元化、精細化輔助服務(wù)需求，最大化虛擬電廠的聚合價值。
三是強化“雙向”調(diào)節(jié)能力挖掘，以支撐保供與消納雙重目標(biāo)。結(jié)合價格信號（如能量價格、輔助服務(wù)價格）和調(diào)度指令，動態(tài)優(yōu)化聚合資源在雙向調(diào)節(jié)之間的分配策略，開發(fā)智能交易算法，精準(zhǔn)響應(yīng)電網(wǎng)的實時調(diào)節(jié)需求。電力供應(yīng)緊張時（如極端天氣、負荷高峰），通過削減可控負荷、調(diào)用儲能放電、減少充電功率（甚至V2G反送電）等方式，減輕電網(wǎng)壓力，保障供電安全。在新能源大發(fā)時期（如風(fēng)光出力高峰），利用可調(diào)負荷提升用電、儲能系統(tǒng)充電、減少生物質(zhì)/小水電發(fā)電等方式，主動增加用電負荷，有效吸納富余新能源電量，緩解棄風(fēng)棄光壓力，促進綠色能源消納。
注：
1.信息和數(shù)據(jù)均來源于市場信息公開平臺www.regelleistung.net。
2.數(shù)據(jù)以德國四大輸電運營商2024年2月數(shù)據(jù)為參考。
