中國儲能網(wǎng)訊：在過去的幾十年里，電網(wǎng)經(jīng)歷了轉向更小、更間歇性發(fā)電資源的變革，主要以風能和太陽能發(fā)電為主，以及更小的并網(wǎng)電池儲能。這給電網(wǎng)管理帶來了一個重大問題——對供需的精細管理。最近，“虛擬電廠”(VPP) 這個術語廣為人知，它用來描述將這些分散的資源聚合成某種東西，表面上看可以將其視為一個常規(guī)的可調(diào)度電廠，能夠根據(jù)需求增加或減少輸出。
盡管虛擬電廠 (VPP) 并非真正的單一發(fā)電廠，但支持者稱，通過使虛擬電廠發(fā)揮類似傳統(tǒng)發(fā)電廠的作用，它可以提供大型電廠（如燃氣輪機）的優(yōu)勢，而成本卻只是后者的一小部分，并且冗余度更高，因為單個發(fā)電機或電池的故障很容易在系統(tǒng)內(nèi)得到補償。
然而，問題在于這個前提是否真正成立，或者是否存在被營銷掩蓋的隱性成本。
01
無功功率
功率三角形，顯示了有功功率、視在功率和無功功率之間的關系。（來源：維基百科[1]）
基于交流電 (AC) 的電網(wǎng)是一個精密的系統(tǒng)，需要持續(xù)且非常謹慎地保持平衡[2]，以確保其電流和電壓不會出現(xiàn)過大的相位差，否則電網(wǎng)頻率和電壓會開始變化，遠遠超出容差范圍。幾十年來，大規(guī)模停電事件已充分證明了這種錯誤造成的后果，其中最嚴重的一次就是 2025 年伊比利亞半島大停電事件[3]，該事件導致整個西班牙和葡萄牙陷入黑暗。在此次停電事件發(fā)生之前，系統(tǒng)運行人員試圖減少系統(tǒng)中無功功率，但其各種嘗試都以失敗告終，安全措施開始在這些國家電網(wǎng)中啟動。
這也是虛擬發(fā)電廠 (VPP) 理念面臨現(xiàn)實考驗的地方，因為電網(wǎng)運營商（輸電系統(tǒng)運營商，簡稱 TSO）建議所有接入電網(wǎng)的重要發(fā)電機都應具備構網(wǎng)能力。這意味著，與普通逆變器不同，虛擬電廠應該能夠吸收或發(fā)出無功功率，而不是像當前風電或光伏太陽能裝置的逆變器輸出僅跟隨電網(wǎng)頻率和電壓變化。
同樣，人們也在考慮添加本地儲能，其想法似乎是，你可以用分布式跟網(wǎng)逆變器和并網(wǎng)電池組（以人們整個房屋的電池的形式）以及任何目前接入電網(wǎng)的支持車輛到電網(wǎng)(V2G)的電動汽車來解決這個問題[4]。
理論上，只要有足夠多的分布式發(fā)電和儲能元件，再加上一些并網(wǎng)逆變流器和遠程控制負載（例如電動汽車充電器和空調(diào)機組），就可以模擬普通火力發(fā)電站或水力發(fā)電站的效果。問題在于它能否運行良好？并且，誰最終為這些設施買單？
02
電池租賃
2001年至2024年各類型發(fā)電情況。（來源：加州能源委員會[5]）
加利福尼亞州就是一個此類虛擬發(fā)電廠 (VPP) 的實際應用案例，加州太平洋燃氣與電力公司（PG&E）和其他公司最近正在進行一項測試[6]。重點關注的是家用電池，它們在測試中電池用于調(diào)峰，電池所有者將獲得向外部輸出電力的補償。在一份由 Sunrun 和特斯拉能源贊助、Brattle Group 撰寫的報告中描述了該系統(tǒng)[7]，其中的需求側電網(wǎng)支持 (DSGS) 計劃被譽為一項重大革命。
其理念是，常規(guī)并網(wǎng)用戶安裝電池儲能系統(tǒng)，電網(wǎng)運營商可以利用這些儲能系統(tǒng)，從而彌補加州日益增多的不可調(diào)度、非電網(wǎng)化發(fā)電資源。需要注意的是，電網(wǎng)規(guī)模的儲能系統(tǒng)[9]永遠無法提供足夠的、長時段儲能容量，因此，該方案主要是為了替代昂貴的調(diào)峰電廠，而加州目前已經(jīng)擁有大量的這種調(diào)峰電廠。
預計到 2040 年家用電池容量將達到 4 吉瓦，如果電網(wǎng)運營商可以使用這些電池，而不是運行特殊的調(diào)峰機組，或者像（PG&E 運營的）莫斯蘭丁電池儲能設施那樣安裝更多大型電池，那么這將為他們節(jié)省大量現(xiàn)金[10]。
順便提一句，莫斯蘭丁的電池儲能設施曾多次發(fā)生火災，這凸顯了電網(wǎng)運營商可能節(jié)省的另一項重大開支，因為此類事件的后果將由電池運營商承擔，而對于需求側電網(wǎng)支持計劃來說，也就是房主。目前，遠程調(diào)節(jié)空調(diào)似乎還不是討論的重點，但考慮到這種方式可以顯著節(jié)省電力，即使像需求側電網(wǎng)支持計劃那樣僅僅依靠付費志愿者，這似乎只是時間問題。
03
市場失靈的跡象
雖然想象通過讓當?shù)仉娋W(wǎng)運營商接入昂貴的家用電池或電動汽車來賺錢似乎很誘人，但與更早的V2G討論中一樣，也存在同樣的普遍問題。不僅存在電池損耗的問題，而且如上所述，還有保險方面的考慮，以及家用電池和純電動汽車通常位于遠離實際需要使用地點的地方的問題。像莫斯蘭丁這樣的地點可以直接接入大型輸電系統(tǒng)，而家用電池則連接到一些當?shù)嘏潆娋W(wǎng)，這使得電力調(diào)度變得相當困難。
在美國能源部閱讀虛擬電廠（VPP）文章[11]時產(chǎn)生的印象。伊利諾伊州的一項虛擬電廠計劃針對的是大型商業(yè)和社區(qū)太陽能發(fā)電企業(yè)，而非住宅用戶。如果他們愿意承擔安裝[可調(diào)節(jié)？譯注]跟網(wǎng)變流器的費用，將獲得補貼[12]，而這很可能需要一定程度的現(xiàn)場儲能。分布式能源的一個主要問題是其分布式特性，這使得任何規(guī)劃或選址都無法直接滿足需求，例如建設發(fā)電廠或抽水蓄能電站，并通過直接輸電線路連接到需要的地方。
2040 年預計發(fā)電組合。（來源：標普全球公司[13]）
最近的一項研究得出結論[13]，僅在美國，到 2040 年的電力需求就可能比現(xiàn)在激增 35-40%，這需要極快地擴建額外的發(fā)電資源，而這些資源的電力結構與現(xiàn)在基本相同。預計到 2024 年，美國的電力需求將達到 5.5-6 TWh ，而目前約為 4 TWh（估計數(shù)據(jù)錯誤，應該是 4000TWh，譯注），并且不可調(diào)度發(fā)電機的發(fā)電量將大幅增加。因此，在某種國家級虛擬電廠 (VPP) 系統(tǒng)中，家用電池和少量支持 V2G 的電動汽車能在多大程度上支持這一努力，這似乎值得質(zhì)疑。
04
核心問題
盡管人們常說“分布式發(fā)電”代表著未來，但很少有人量化其背后的原因。只需看看交流電網(wǎng)的工作原理，并追蹤地圖上連接所有分布式發(fā)電所需的長達數(shù)公里的配電線路，就足以讓人深思。顯而易見，電網(wǎng)中存在大量分布式、不可調(diào)度、不并網(wǎng)的發(fā)電機組也會帶來問題，尤其是在今年伊比利亞半島大停電事件之后。
通過讓終端用戶支付電池儲能和構網(wǎng)型變流器的費用來解決這個問題，并稱之為虛擬電廠 (VPP)，這聽起來有些不夠真誠。一個更合理的模式，那就是為家庭或企業(yè)配備本地儲能，其作用僅僅是減少電網(wǎng)需求。當電價非常低時，這些電池可以充電，從而對電網(wǎng)產(chǎn)生平衡作用，而無需通過輸電系統(tǒng)運營商 (TSO) 進行遠程控制或類似的復雜操作。
最終看來，歐洲輸電系統(tǒng)運營商（ENTSO-E）致力于淘汰跟網(wǎng)型型變流器并要求采用構網(wǎng)型變流器的做法是正確的。畢竟，如果每個風電或太陽能發(fā)電裝置實際上都充當著一個可調(diào)度的發(fā)電機，能夠吸收和產(chǎn)生無功功率，那么整個可變電廠（VPP）的爭論以及大部分電網(wǎng)儲能的爭論就變得無關緊要了。這只意味著這些可變電廠的投資者將不得不投入更多資金，而不是將這些成本當作某種“大買賣”轉嫁給最終用戶。
