中國儲能網(wǎng)訊：虛擬電廠(Virtual Power Plant,VPP)是將分布式發(fā)電機組、可控負荷和分布式儲能設(shè)施有機結(jié)合，通過配套的調(diào)控技術(shù)、通信技術(shù)實現(xiàn)對各類分布式能源進行整合調(diào)控的載體，以作為一個特殊電廠參與電力市場和電網(wǎng)運行。
這一特殊的運行模式，通過需求響應(yīng)和協(xié)調(diào)控制聚合海量、分散、多元的柔性負荷與分布式資源，形成大容量的統(tǒng)一靈活調(diào)節(jié)能力，對保障新型電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行至關(guān)重要。
虛擬發(fā)電廠可以看作是一種先進的區(qū)域性電能集中管理模式，實現(xiàn)電源側(cè)的多能互補和負荷側(cè)的靈活互動。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：“負荷類”虛擬電廠和“源網(wǎng)荷儲一體化”虛擬電廠。見表1。
一、虛擬電廠的興起
近年來，在電力市場化改革不斷推進和數(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)用在我國快速興起。
一是電力市場化建設(shè)加快推進，電力需求側(cè)改革正有序進行。2015年，《中共中央國務(wù)院關(guān)于進一步深化電力體制改革的若干意見》(中發(fā)[2015]9號)的頒布，標(biāo)志著新一輪電力市場化改革正式拉開帷幕。在國家總體戰(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，我國電力市場建設(shè)穩(wěn)步推進，取得了顯著成效，逐步構(gòu)建起了以中長期交易為“壓艙石”、輔助服務(wù)市場為“穩(wěn)定器”、現(xiàn)貨試點為“試驗田”的電力市場體系。同時，中發(fā)[2015]9號文明確指出，要積極開展電力需求側(cè)管理和能效管理，發(fā)揮市場機制的作用，促進電力供給側(cè)和需求側(cè)的平衡。2020年12月，中央政治局會議提出注重需求側(cè)改革，在中央經(jīng)濟工作會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態(tài)平衡。新形勢下電力市場化改革對電力行業(yè)市場化轉(zhuǎn)型發(fā)展提出了新要求。
二是“碳達峰、碳中和”對電力行業(yè)的綠色低碳發(fā)展提出了新的要求。2020年9月，習(xí)近平總書記在第75屆聯(lián)合國大會上首次提出我國“二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和”。次年3月，習(xí)近平總書記在中央財經(jīng)委員會第九次會議上指出，為實現(xiàn)碳達峰、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，將對集團公司的未來發(fā)展產(chǎn)生深遠影響。
三是新能源、分布式能源快速發(fā)展，為新型電力系統(tǒng)帶來新的機遇和挑戰(zhàn)。新能源往往具有很強的間歇及隨機特性，例如風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電因為受到氣候因素的影響，具有間歇性和波動性的特點，難以精確預(yù)測和控制。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)實時運行的供需不平衡，對發(fā)電計劃的制定、實時調(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)運行方式，不能實現(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)濟性，嚴(yán)重時甚至影響電力系統(tǒng)的安全平穩(wěn)運行。
四是電氣化和數(shù)字化引領(lǐng)電力需求側(cè)高速發(fā)展，靈活互動的需求側(cè)資源不斷增強電力柔性調(diào)節(jié)能力。在傳統(tǒng)電力市場中，電力需求側(cè)往往是被動且不可控的，不參與電力市場運行。近年來，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、儲能、電動汽車、可控負荷等靈活資源對市場信號做出積極響應(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)電公司的市場機制和盈利模式。
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、儲能、電動汽車、可控負荷等靈活性資源，有效激勵各類靈活資源參與電力市場，通過智能化運行的方式，降低用能成本，促進新能源消納，為電力市場運營提供服務(wù)，為資源聚合商提供新的盈利模式，助力實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”,在我國有著廣闊的發(fā)展前景。
二、國外虛擬電廠政策與商業(yè)模式
國外在電力市場機制、調(diào)度運行規(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?；诓煌袌鰲l件和發(fā)展環(huán)境，各國都在探索適合本國的VPP商業(yè)模式。由于各國資源稟賦以及市場規(guī)則各有不同，虛擬電廠理論和實踐在發(fā)達國家已經(jīng)成熟且各有側(cè)重。
日本以用戶側(cè)儲能和分布式電源為主，計劃到2030年超過2500萬干瓦；澳大利亞以用戶側(cè)儲能為主，特斯拉公司在南澳建成了號稱世界上最大的以電池組為支撐的虛擬電廠。
歐洲大部分國家分布式能源比較普及，目前虛擬電廠已進入商業(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調(diào)虛擬電廠在輔助市場的功能，以分布式電源、儲能資源的整合，并形成統(tǒng)一調(diào)配，降低棄風(fēng)棄電、負電價損失為主要目標(biāo)，重點解決可再生能源消納和電網(wǎng)平衡問題。
在德國，VPP項目已經(jīng)基本實現(xiàn)了商業(yè)化。德國《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)電項目必須參與電力市場交易銷售，因此很多分布式可再生能源項目傾向于選擇交由VPP運營。德國VPP運營商主要業(yè)務(wù)是在電力批發(fā)市場銷售100千瓦以上的可再生能源項目所生產(chǎn)的電量，協(xié)助其在日前市場優(yōu)化售電，提升市場效益。此外，VPP聚合生物質(zhì)發(fā)電、水電等靈活性較高的機組從日內(nèi)市場和平衡市場獲利。從參與方看，項目主要由獨立運營商、售電公司主導(dǎo)開發(fā)運營。規(guī)模最大的Next Kraftwerke公司VPP項目，所聚合容量、營收金額近幾年快速提升，至2018年，總?cè)萘恳堰_到600萬千瓦，年營收6.18億歐元(約合44億元人民幣)。
美國虛擬電廠更注重整合用電需求側(cè)的資源。美國目前是世界上實施需求響應(yīng)項目最多、種類最齊全的國家，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”的虛擬電廠項目，擁有Powerwall的用戶可以自愿通過特斯拉應(yīng)用程序注冊加入該虛擬電廠項目。特斯拉通過提供低價儲能電池或現(xiàn)金，換取家庭一部分電力的控制權(quán)，必要時給零售商提供電力，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)提供一千瓦電時即可獲得2美元收益，遠高于加州平均住宅電價25美分/千瓦時電。
國外案例分析表明，VPP的發(fā)展不存在技術(shù)上的障礙。雖然各國的發(fā)展程度并不均衡，但總體上還處于技術(shù)試點和商業(yè)模式探索階段，距離實現(xiàn)商業(yè)化還有一定的距離，尚無完全成熟的經(jīng)驗可以借鑒。
三、我國虛擬電廠發(fā)展趨勢和商業(yè)模式
我國在電力系統(tǒng)供需平衡形勢日益嚴(yán)峻的背景下廣泛開展了VPP的試點應(yīng)用，但虛擬電廠商業(yè)模式仍不清晰，均處于探索階段，更多的是通過價格補償或政策引導(dǎo)來參與市場。江蘇主要參與需求響應(yīng)，進行削峰填谷，在實踐規(guī)模、次數(shù)、品種等方面均位居國內(nèi)前列；上海主要參與需求響應(yīng)、備用和調(diào)峰三個交易品種，是國內(nèi)參與負荷類型最多、填谷負荷比例最高、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，以促進消納風(fēng)電、光伏等可再生能源的填谷服務(wù)為主，是少有的完全市場化運營模式；廣東主要參與需求響應(yīng)市場，盡管其調(diào)頻輔助市場已經(jīng)運行，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；山東試點主要參與現(xiàn)貨能量、備用和輔助服務(wù)市場交易，完成報價保量參與日前現(xiàn)貨、需求側(cè)管理機制的銜接，逐步從政策補貼向市場化過渡。見表2。
VPP的價值主張包含兩點：1)為系統(tǒng)運營商提供高效安全、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)或市場交易的機會，使其獲得一定的收益。VPP的價值主張與其資源組成經(jīng)營模式和成本收益密切相關(guān)，是VPP優(yōu)化運營的核心。不同的DER投資組合方式，經(jīng)動態(tài)聚合后可以形成不同的聯(lián)盟，決定了VPP的經(jīng)營模式，是其參與不同類型電力市場交易和為系統(tǒng)運營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)營模式包括參與不同類型市場交易或者為系統(tǒng)運營商提供各類服務(wù)。經(jīng)營模式不僅決定了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)營模式。VPP的成本收益經(jīng)效益評估后將通過資金鏈的傳導(dǎo)反作用于VPP的經(jīng)營模式，并影響DER聯(lián)盟的利益分配。
我國VPP整體仍處于發(fā)展初期，政策機制不甚健全，項目以研究示范為主并由政府引導(dǎo)、電網(wǎng)實施，且普遍聚焦于需求側(cè)響應(yīng)模式。未來，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)儲能及電動汽車等新型負荷不斷普及，電力市場機制愈發(fā)健全、建設(shè)進程不斷加快，VPP有望成為電力系統(tǒng)和電力市場的主要參與主體之一。
四、市場化環(huán)境下虛擬電廠商業(yè)模式設(shè)計
虛擬電廠對內(nèi)整合零售市場，對外參與電力批發(fā)市場。其市場化運營以電力市場規(guī)則、電力系統(tǒng)運行需求、內(nèi)部成員利益等方面條件驅(qū)動，融合了物理、信息、價值等多種要素，在要素重組的基礎(chǔ)上實現(xiàn)價值增值。從商業(yè)畫布的角度出發(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)。通過聚合電力用戶可調(diào)負荷，利用可控負荷進行需求側(cè)響應(yīng)，獲取響應(yīng)補貼和容量補貼，虛擬電廠運營商獲得收入后與電力用戶進行分成。
(2)代理購售電。開展分布式發(fā)電就近消納，代理微小用戶參與批發(fā)市場交易。該部分業(yè)務(wù)的利潤來源于購售電價差，虛擬電廠作為資源聚合商，能夠以售電主體身份參與市場競爭獲取更多利潤。
(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)濟補償。
(4)新能源消納與節(jié)能減排。通過虛擬電廠技術(shù)助力分布式光伏、分散式風(fēng)電等新能源項目建設(shè)和市場化消納，通過虛擬電廠價格信號推動工業(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)備運維等服務(wù)并收取服務(wù)費用。
(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、設(shè)備及用戶的各類信息，提供能耗分析、電價優(yōu)化等服務(wù)。
隨著全國統(tǒng)一電力市場體系的不斷完善，虛擬電廠可參與電力市場的模式包括：需求響應(yīng)、輔助服務(wù)、曲線追蹤、偏差替代、帶曲線中長期和現(xiàn)貨市場等。
五、我國虛擬電廠的市場需求與前景
隨著可再生能源大規(guī)模的接入，我國電網(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)備用容量缺口將達到2億千瓦。
預(yù)計“十四五”期間電網(wǎng)負荷最大日峰谷差率達到36%,“十五五”期間達到40%,電網(wǎng)調(diào)峰壓力持續(xù)增加。電力系統(tǒng)時段性、靈活性調(diào)節(jié)能力不足現(xiàn)象進一步加劇，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，2024年，全國最大負荷14.5億干瓦，按照5%的可調(diào)節(jié)能力測算約為7250萬干瓦可調(diào)負荷能力。用戶側(cè)可調(diào)節(jié)負荷資源類型豐富、潛力巨大?？烧{(diào)節(jié)負荷資源主要包括樓宇用戶、工業(yè)用戶、居民用戶、電動汽車、儲能等新興負荷。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%;新興負荷用戶中電動汽車調(diào)節(jié)比例為40%,儲能設(shè)備調(diào)節(jié)比例為100%。
隨著未來終端電氣化的快速提升，用電量和最大負荷將呈現(xiàn)雙極增長。據(jù)權(quán)威機構(gòu)預(yù)計2025年、2030年全社會用電量達9.2、10.3萬億千瓦時，而最大負荷將達到15.7、17.7億千瓦，最大負荷增速高于用電量增速。從可調(diào)負荷需求看，按照在全國構(gòu)建不少于最大負荷5%的可調(diào)節(jié)負荷資源庫，預(yù)計到2025年，需構(gòu)建可調(diào)負荷資源庫約7850萬干瓦。
到2030年底，由于可再生能源占比提高，需構(gòu)建的可調(diào)負荷資源響應(yīng)能力提高，按6%計算屆時資源庫容量為10620萬干瓦?？紤]項目可行性，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/千瓦計算，預(yù)計2025年、2030年虛擬電廠投資規(guī)模分別為785億元和1062億元。
