中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：虛擬電廠(Virtual Power Plant,VPP)是將分布式發(fā)電機(jī)組、可控負(fù)荷和分布式儲(chǔ)能設(shè)施有機(jī)結(jié)合，通過(guò)配套的調(diào)控技術(shù)、通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)各類分布式能源進(jìn)行整合調(diào)控的載體，以作為一個(gè)特殊電廠參與電力市場(chǎng)和電網(wǎng)運(yùn)行。
這一特殊的運(yùn)行模式，通過(guò)需求響應(yīng)和協(xié)調(diào)控制聚合海量、分散、多元的柔性負(fù)荷與分布式資源，形成大容量的統(tǒng)一靈活調(diào)節(jié)能力，對(duì)保障新型電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。
虛擬發(fā)電廠可以看作是一種先進(jìn)的區(qū)域性電能集中管理模式，實(shí)現(xiàn)電源側(cè)的多能互補(bǔ)和負(fù)荷側(cè)的靈活互動(dòng)。其核心在于“聚合”和“通信”。按照虛擬電廠聚合優(yōu)化的資源類別、可控精度、調(diào)節(jié)能力和接入系統(tǒng)不同，將虛擬電廠分為兩大類：“負(fù)荷類”虛擬電廠和“源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化”虛擬電廠。見(jiàn)表1。
一、虛擬電廠的興起
近年來(lái)，在電力市場(chǎng)化改革不斷推進(jìn)和數(shù)字化技術(shù)水平快速發(fā)展的背景下，虛擬電廠的研究和應(yīng)用在我國(guó)快速興起。
一是電力市場(chǎng)化建設(shè)加快推進(jìn)，電力需求側(cè)改革正有序進(jìn)行。2015年，《中共中央國(guó)務(wù)院關(guān)于進(jìn)一步深化電力體制改革的若干意見(jiàn)》(中發(fā)[2015]9號(hào))的頒布，標(biāo)志著新一輪電力市場(chǎng)化改革正式拉開(kāi)帷幕。在國(guó)家總體戰(zhàn)略部署指導(dǎo)下，經(jīng)政府有關(guān)部門、電網(wǎng)企業(yè)、發(fā)電企業(yè)等各方主體共同努力，我國(guó)電力市場(chǎng)建設(shè)穩(wěn)步推進(jìn)，取得了顯著成效，逐步構(gòu)建起了以中長(zhǎng)期交易為“壓艙石”、輔助服務(wù)市場(chǎng)為“穩(wěn)定器”、現(xiàn)貨試點(diǎn)為“試驗(yàn)田”的電力市場(chǎng)體系。同時(shí)，中發(fā)[2015]9號(hào)文明確指出，要積極開(kāi)展電力需求側(cè)管理和能效管理，發(fā)揮市場(chǎng)機(jī)制的作用，促進(jìn)電力供給側(cè)和需求側(cè)的平衡。2020年12月，中央政治局會(huì)議提出注重需求側(cè)改革，在中央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議中又提出注重需求側(cè)管理，形成了需求牽引供給、供給創(chuàng)造需求的更高水平的動(dòng)態(tài)平衡。新形勢(shì)下電力市場(chǎng)化改革對(duì)電力行業(yè)市場(chǎng)化轉(zhuǎn)型發(fā)展提出了新要求。
二是“碳達(dá)峰、碳中和”對(duì)電力行業(yè)的綠色低碳發(fā)展提出了新的要求。2020年9月，習(xí)近平總書(shū)記在第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上首次提出我國(guó)“二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”。次年3月，習(xí)近平總書(shū)記在中央財(cái)經(jīng)委員會(huì)第九次會(huì)議上指出，為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)，要構(gòu)建清潔低碳安全高效的能源體系，深化電力體制改革，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的提出給能源電力行業(yè)的發(fā)展提出了更高的要求，將對(duì)集團(tuán)公司的未來(lái)發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。
三是新能源、分布式能源快速發(fā)展，為新型電力系統(tǒng)帶來(lái)新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。新能源往往具有很強(qiáng)的間歇及隨機(jī)特性，例如風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電因?yàn)槭艿綒夂蛞蛩氐挠绊?，具有間歇性和波動(dòng)性的特點(diǎn)，難以精確預(yù)測(cè)和控制。這是制約高效利用分布式可再生能源電源的主要瓶頸之一。高滲透率的可再生能源電源可造成系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行的供需不平衡，對(duì)發(fā)電計(jì)劃的制定、實(shí)時(shí)調(diào)度以及備用安排等產(chǎn)生不利影響，若不能合理安排電網(wǎng)運(yùn)行方式，不能實(shí)現(xiàn)有效整合，將出現(xiàn)不必要的棄風(fēng)、棄光，影響資源聚合商的經(jīng)濟(jì)性，嚴(yán)重時(shí)甚至影響電力系統(tǒng)的安全平穩(wěn)運(yùn)行。
四是電氣化和數(shù)字化引領(lǐng)電力需求側(cè)高速發(fā)展，靈活互動(dòng)的需求側(cè)資源不斷增強(qiáng)電力柔性調(diào)節(jié)能力。在傳統(tǒng)電力市場(chǎng)中，電力需求側(cè)往往是被動(dòng)且不可控的，不參與電力市場(chǎng)運(yùn)行。近年來(lái)，隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷轉(zhuǎn)型和人民生活水平的不斷提高，以及能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展使得分布式發(fā)電、儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車、可控負(fù)荷等靈活資源對(duì)市場(chǎng)信號(hào)做出積極響應(yīng)逐漸成為可能。聚合此類靈活性資源可以提供巨大的響應(yīng)資源，參與電力市場(chǎng)并提供眾多類型的電力服務(wù)，將在極大程度上改變傳統(tǒng)發(fā)電公司的市場(chǎng)機(jī)制和盈利模式。
虛擬電廠作為一種綜合能源服務(wù)業(yè)務(wù)新模式，可聚合分布式發(fā)電、儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車、可控負(fù)荷等靈活性資源，有效激勵(lì)各類靈活資源參與電力市場(chǎng)，通過(guò)智能化運(yùn)行的方式，降低用能成本，促進(jìn)新能源消納，為電力市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)提供服務(wù)，為資源聚合商提供新的盈利模式，助力實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”,在我國(guó)有著廣闊的發(fā)展前景。
二、國(guó)外虛擬電廠政策與商業(yè)模式
國(guó)外在電力市場(chǎng)機(jī)制、調(diào)度運(yùn)行規(guī)則、電力企業(yè)監(jiān)管等方面，為VPP的產(chǎn)生和發(fā)展提供了有利的土壤環(huán)境。基于不同市場(chǎng)條件和發(fā)展環(huán)境，各國(guó)都在探索適合本國(guó)的VPP商業(yè)模式。由于各國(guó)資源稟賦以及市場(chǎng)規(guī)則各有不同，虛擬電廠理論和實(shí)踐在發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)成熟且各有側(cè)重。
日本以用戶側(cè)儲(chǔ)能和分布式電源為主，計(jì)劃到2030年超過(guò)2500萬(wàn)干瓦；澳大利亞以用戶側(cè)儲(chǔ)能為主，特斯拉公司在南澳建成了號(hào)稱世界上最大的以電池組為支撐的虛擬電廠。
歐洲大部分國(guó)家分布式能源比較普及，目前虛擬電廠已進(jìn)入商業(yè)化階段，并以發(fā)電資源聚合為主。從發(fā)展分布式能源思路更加強(qiáng)調(diào)虛擬電廠在輔助市場(chǎng)的功能，以分布式電源、儲(chǔ)能資源的整合，并形成統(tǒng)一調(diào)配，降低棄風(fēng)棄電、負(fù)電價(jià)損失為主要目標(biāo)，重點(diǎn)解決可再生能源消納和電網(wǎng)平衡問(wèn)題。
在德國(guó)，VPP項(xiàng)目已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。德國(guó)《可再生能源法》明確規(guī)定，所有100千瓦以上可再生能源發(fā)電項(xiàng)目必須參與電力市場(chǎng)交易銷售，因此很多分布式可再生能源項(xiàng)目?jī)A向于選擇交由VPP運(yùn)營(yíng)。德國(guó)VPP運(yùn)營(yíng)商主要業(yè)務(wù)是在電力批發(fā)市場(chǎng)銷售100千瓦以上的可再生能源項(xiàng)目所生產(chǎn)的電量，協(xié)助其在日前市場(chǎng)優(yōu)化售電，提升市場(chǎng)效益。此外，VPP聚合生物質(zhì)發(fā)電、水電等靈活性較高的機(jī)組從日內(nèi)市場(chǎng)和平衡市場(chǎng)獲利。從參與方看，項(xiàng)目主要由獨(dú)立運(yùn)營(yíng)商、售電公司主導(dǎo)開(kāi)發(fā)運(yùn)營(yíng)。規(guī)模最大的Next Kraftwerke公司VPP項(xiàng)目，所聚合容量、營(yíng)收金額近幾年快速提升，至2018年，總?cè)萘恳堰_(dá)到600萬(wàn)千瓦，年?duì)I收6.18億歐元(約合44億元人民幣)。
美國(guó)虛擬電廠更注重整合用電需求側(cè)的資源。美國(guó)目前是世界上實(shí)施需求響應(yīng)項(xiàng)目最多、種類最齊全的國(guó)家，約有28GW的需求側(cè)資源參與其中，約占高峰需求的6%。
“Emergency Load Reduction Program”的虛擬電廠項(xiàng)目，擁有Powerwall的用戶可以自愿通過(guò)特斯拉應(yīng)用程序注冊(cè)加入該虛擬電廠項(xiàng)目。特斯拉通過(guò)提供低價(jià)儲(chǔ)能電池或現(xiàn)金，換取家庭一部分電力的控制權(quán)，必要時(shí)給零售商提供電力，從而獲取輔助服務(wù)收益。2022年，所有參與計(jì)劃的Powerwall的用戶在電網(wǎng)面臨巨大壓力的緊急情況下，每向電網(wǎng)提供一千瓦電時(shí)即可獲得2美元收益，遠(yuǎn)高于加州平均住宅電價(jià)25美分/千瓦時(shí)電。
國(guó)外案例分析表明，VPP的發(fā)展不存在技術(shù)上的障礙。雖然各國(guó)的發(fā)展程度并不均衡，但總體上還處于技術(shù)試點(diǎn)和商業(yè)模式探索階段，距離實(shí)現(xiàn)商業(yè)化還有一定的距離，尚無(wú)完全成熟的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒。
三、我國(guó)虛擬電廠發(fā)展趨勢(shì)和商業(yè)模式
我國(guó)在電力系統(tǒng)供需平衡形勢(shì)日益嚴(yán)峻的背景下廣泛開(kāi)展了VPP的試點(diǎn)應(yīng)用，但虛擬電廠商業(yè)模式仍不清晰，均處于探索階段，更多的是通過(guò)價(jià)格補(bǔ)償或政策引導(dǎo)來(lái)參與市場(chǎng)。江蘇主要參與需求響應(yīng)，進(jìn)行削峰填谷，在實(shí)踐規(guī)模、次數(shù)、品種等方面均位居國(guó)內(nèi)前列；上海主要參與需求響應(yīng)、備用和調(diào)峰三個(gè)交易品種，是國(guó)內(nèi)參與負(fù)荷類型最多、填谷負(fù)荷比例最高、參與客戶最多的；冀北主要參與調(diào)峰為主的輔助服務(wù)市場(chǎng)，以促進(jìn)消納風(fēng)電、光伏等可再生能源的填谷服務(wù)為主，是少有的完全市場(chǎng)化運(yùn)營(yíng)模式；廣東主要參與需求響應(yīng)市場(chǎng)，盡管其調(diào)頻輔助市場(chǎng)已經(jīng)運(yùn)行，但由于技術(shù)難題尚未解決，用戶側(cè)資源仍未納入到調(diào)頻輔助服務(wù)中；山東試點(diǎn)主要參與現(xiàn)貨能量、備用和輔助服務(wù)市場(chǎng)交易，完成報(bào)價(jià)保量參與日前現(xiàn)貨、需求側(cè)管理機(jī)制的銜接，逐步從政策補(bǔ)貼向市場(chǎng)化過(guò)渡。見(jiàn)表2。
VPP的價(jià)值主張包含兩點(diǎn)：1)為系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商提供高效安全、快速爬坡的靈活性；2)為海量、分散、多元、異構(gòu)的DER創(chuàng)造參與系統(tǒng)調(diào)節(jié)或市場(chǎng)交易的機(jī)會(huì)，使其獲得一定的收益。VPP的價(jià)值主張與其資源組成經(jīng)營(yíng)模式和成本收益密切相關(guān)，是VPP優(yōu)化運(yùn)營(yíng)的核心。不同的DER投資組合方式，經(jīng)動(dòng)態(tài)聚合后可以形成不同的聯(lián)盟，決定了VPP的經(jīng)營(yíng)模式，是其參與不同類型電力市場(chǎng)交易和為系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商提供不同種類服務(wù)的基礎(chǔ)，也是其成本收益的結(jié)算主體。VPP的經(jīng)營(yíng)模式包括參與不同類型市場(chǎng)交易或者為系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商提供各類服務(wù)。經(jīng)營(yíng)模式不僅決定了VPP的成本收益，而且反作用于DER的優(yōu)化選擇，如新增或淘汰DER成員，使成員更好地服務(wù)于VPP當(dāng)前的經(jīng)營(yíng)模式。VPP的成本收益經(jīng)效益評(píng)估后將通過(guò)資金鏈的傳導(dǎo)反作用于VPP的經(jīng)營(yíng)模式，并影響DER聯(lián)盟的利益分配。
我國(guó)VPP整體仍處于發(fā)展初期，政策機(jī)制不甚健全，項(xiàng)目以研究示范為主并由政府引導(dǎo)、電網(wǎng)實(shí)施，且普遍聚焦于需求側(cè)響應(yīng)模式。未來(lái)，隨著集中及分布式(如整縣制光伏)新能源快速發(fā)展，用戶側(cè)儲(chǔ)能及電動(dòng)汽車等新型負(fù)荷不斷普及，電力市場(chǎng)機(jī)制愈發(fā)健全、建設(shè)進(jìn)程不斷加快，VPP有望成為電力系統(tǒng)和電力市場(chǎng)的主要參與主體之一。
四、市場(chǎng)化環(huán)境下虛擬電廠商業(yè)模式設(shè)計(jì)
虛擬電廠對(duì)內(nèi)整合零售市場(chǎng)，對(duì)外參與電力批發(fā)市場(chǎng)。其市場(chǎng)化運(yùn)營(yíng)以電力市場(chǎng)規(guī)則、電力系統(tǒng)運(yùn)行需求、內(nèi)部成員利益等方面條件驅(qū)動(dòng)，融合了物理、信息、價(jià)值等多種要素，在要素重組的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)價(jià)值增值。從商業(yè)畫(huà)布的角度出發(fā)，虛擬電廠的關(guān)鍵業(yè)務(wù)包括基礎(chǔ)業(yè)務(wù)、延伸業(yè)務(wù)和增值業(yè)務(wù)。
基礎(chǔ)業(yè)務(wù)：
(1)需求側(cè)響應(yīng)服務(wù)。通過(guò)聚合電力用戶可調(diào)負(fù)荷，利用可控負(fù)荷進(jìn)行需求側(cè)響應(yīng)，獲取響應(yīng)補(bǔ)貼和容量補(bǔ)貼，虛擬電廠運(yùn)營(yíng)商獲得收入后與電力用戶進(jìn)行分成。
(2)代理購(gòu)售電。開(kāi)展分布式發(fā)電就近消納，代理微小用戶參與批發(fā)市場(chǎng)交易。該部分業(yè)務(wù)的利潤(rùn)來(lái)源于購(gòu)售電價(jià)差，虛擬電廠作為資源聚合商，能夠以售電主體身份參與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)獲取更多利潤(rùn)。
(3)提供輔助服務(wù)。充分利用聚合的靈活性資源能力，為電網(wǎng)提供調(diào)頻、調(diào)壓、備用等輔助服務(wù)，并獲取合理的輔助服務(wù)收益或一定的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償。
(4)新能源消納與節(jié)能減排。通過(guò)虛擬電廠技術(shù)助力分布式光伏、分散式風(fēng)電等新能源項(xiàng)目建設(shè)和市場(chǎng)化消納，通過(guò)虛擬電廠價(jià)格信號(hào)推動(dòng)工業(yè)、商業(yè)樓宇等節(jié)能減排，提高能源綠色水平和利用效率。
增值服務(wù)：
(1)電能管理服務(wù)。提供用能解決方案、電能質(zhì)量管理與定制、設(shè)備運(yùn)維等服務(wù)并收取服務(wù)費(fèi)用。
(2)節(jié)能改造服務(wù)。提供能效管理、節(jié)能改造等節(jié)能服務(wù)。
(3)能源金融服務(wù)。與銀行、保險(xiǎn)等行業(yè)合作，提供能源金融服務(wù)。
(4)大數(shù)據(jù)增值服務(wù)。分析平臺(tái)、設(shè)備及用戶的各類信息，提供能耗分析、電價(jià)優(yōu)化等服務(wù)。
隨著全國(guó)統(tǒng)一電力市場(chǎng)體系的不斷完善，虛擬電廠可參與電力市場(chǎng)的模式包括：需求響應(yīng)、輔助服務(wù)、曲線追蹤、偏差替代、帶曲線中長(zhǎng)期和現(xiàn)貨市場(chǎng)等。
五、我國(guó)虛擬電廠的市場(chǎng)需求與前景
隨著可再生能源大規(guī)模的接入，我國(guó)電網(wǎng)“雙高”、“雙峰”特性明顯，備用容量不足。極端情況下，2030年電網(wǎng)備用容量缺口將達(dá)到2億千瓦。
預(yù)計(jì)“十四五”期間電網(wǎng)負(fù)荷最大日峰谷差率達(dá)到36%,“十五五”期間達(dá)到40%,電網(wǎng)調(diào)峰壓力持續(xù)增加。電力系統(tǒng)時(shí)段性、靈活性調(diào)節(jié)能力不足現(xiàn)象進(jìn)一步加劇，需要多措并舉提升系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力，保障供需平衡。中電聯(lián)預(yù)測(cè)，2024年，全國(guó)最大負(fù)荷14.5億干瓦，按照5%的可調(diào)節(jié)能力測(cè)算約為7250萬(wàn)干瓦可調(diào)負(fù)荷能力。用戶側(cè)可調(diào)節(jié)負(fù)荷資源類型豐富、潛力巨大?？烧{(diào)節(jié)負(fù)荷資源主要包括樓宇用戶、工業(yè)用戶、居民用戶、電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能等新興負(fù)荷。工業(yè)用戶中水泥、鋼鐵、電解鋁、陶瓷、玻璃等行業(yè)可調(diào)節(jié)潛力較大。其中，水泥行業(yè)調(diào)節(jié)比例達(dá)30%;樓宇用戶調(diào)節(jié)比例為30%~40%;居民用戶調(diào)節(jié)比例為50%;新興負(fù)荷用戶中電動(dòng)汽車調(diào)節(jié)比例為40%,儲(chǔ)能設(shè)備調(diào)節(jié)比例為100%。
隨著未來(lái)終端電氣化的快速提升，用電量和最大負(fù)荷將呈現(xiàn)雙極增長(zhǎng)。據(jù)權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)計(jì)2025年、2030年全社會(huì)用電量達(dá)9.2、10.3萬(wàn)億千瓦時(shí)，而最大負(fù)荷將達(dá)到15.7、17.7億千瓦，最大負(fù)荷增速高于用電量增速。從可調(diào)負(fù)荷需求看，按照在全國(guó)構(gòu)建不少于最大負(fù)荷5%的可調(diào)節(jié)負(fù)荷資源庫(kù)，預(yù)計(jì)到2025年，需構(gòu)建可調(diào)負(fù)荷資源庫(kù)約7850萬(wàn)干瓦。
到2030年底，由于可再生能源占比提高，需構(gòu)建的可調(diào)負(fù)荷資源響應(yīng)能力提高，按6%計(jì)算屆時(shí)資源庫(kù)容量為10620萬(wàn)干瓦?？紤]項(xiàng)目可行性，虛擬電廠可構(gòu)建的可調(diào)資源潛力按照響應(yīng)能力需求容量、投資成本按1000元/千瓦計(jì)算，預(yù)計(jì)2025年、2030年虛擬電廠投資規(guī)模分別為785億元和1062億元。
