一文读懂虚拟电厂
一、背景
虚拟电厂其实不是一个新东西，它的提出已有20余年，21世纪初在德国、英国、法国、荷兰等欧洲国家兴起，并已拥有多个成熟的示范项目，其主要关注分布式能源的可靠并网，同时构筑电力市场中稳定的商业模式。那么为什么我们国内最近越来越多听到呢？因为我们的电力系统和政策市场在发生变化，逐渐满足虚拟电厂诞生环境了。关注电力行业的同学们都知道，现在国内正处于新老电力系统的转型期，市场主体将从单一化向多元化转变，电力输送将从“发输配用”向“源网荷储”转变。尤其是双碳目标的确立后，分布式能源和储能的加入，让原有的电力系统变得更加复杂。而虚拟电厂就是一种相对省钱的解决思路。例如：以往的电力系统削峰填谷，基本是通过火电厂实现的，根据测算，满足5%的峰值负荷可能需要投资4000亿的电厂和配套电网；而通过虚拟电厂实现，建设、运营、激励等环节的投资只需要500-800亿元。
二、概念
虚拟电厂（VirtualPower Plant，VPP）顾名思义就是虚拟化的电厂，它不是一个物理真实的电厂，但起到了电厂的作用。电厂有什么作用：一个是发出电能，参与能量市场；另一个就是通过调节功率来参与辅助服务市场（调峰调频等）因此，我们就可以得出结论：虚拟电厂就是一种能发挥电厂作用的某种“黑匣子”，它不需要新建一个电厂，但是对外既可以作为“正电厂”向系统供电，也可以作为“负电厂”消纳系统的电力。那“黑匣子”里到底装了什么东西，能实现这么神奇的效果呢？答案其实很简单：分布式电源，储能设施，可控负荷等资源。但光有这些东西还不够，虚拟电厂还需要一套技术和系统来将它们智能的聚合起来。所以，虚拟电厂本质上是一套软件系统，它聚合了现有的分布式资源，并通过协同控制，参与电力市场，从而替代新建真实电厂。到此我们给一个完整的定义：虚拟电厂是一种通过信息技术和软件系统，实现分布式电源、储能、可控负荷、电动汽车等多种分布式资源的聚合和协同优化，以作为一个特殊的电厂，参与电力市场和电网运行的协调管理系统。听上去虚拟电厂和需求侧响应，好像比较相似，本质内涵也比较一致。实际上，广义来讲，虚拟电厂是需求侧响应的延伸版，需求侧响应主要是削峰，主要针对用户负荷；虚拟电厂则是削峰和填谷兼顾，源网荷储都包含在内。
三、组成
接下来，我们详细拆解虚拟电厂的组成。先来看一张图：根据第二部分的定义的阐述，我们应该能比较清楚的看清图中的含义。虚拟电厂由于聚集了分布式能源（发电）、储能（充电/放电）、 可控负荷（用电）等，因此可以根据实际的组成来划分分类：1）电源型：具有能量出售能力，可以参与能量市场；并视实际情形参与辅助服务市场2）负荷型：具有功率调节能力，可以参与辅助服务市场；能量出售属性不足3）储能型：可参与辅助服务市场，也可以部分时段通过放电来出售电能。在国外案例中，各国各有特点，日本和德国以储能和分布式电源，作为虚拟电厂的主体，美国则是以可控负荷为主，规模已占尖峰负荷的5%以上。
- 可控负荷资源的重点领域主要包括工业、建筑和交通等。其中工业分连续性工业和非连续性工业；建筑包括公共、商业和居民等，建筑领域中空调负荷最为重要；交通有岸电、公共交通和私家电动车等。
- 可控负荷资源在质和量两个方面都存在较大的差别。在质的方面，可以从调节意愿、调节能力和调节及聚合成本性价比几个维度来评判。总的来说，非连续工业是意愿、能力、可聚合性“三高”的首选优质资源，其次是电动交通和建筑空调。在量的方面，调节、聚合技术的发展和成本的下降都在不断提升可调负荷资源量。
- 分布式电源指的是在用户现场或靠近用电现场配置较小的发电机组，包括小型燃机、小型光伏和小型风电、水电、生物质、燃料电池等或者这些发电的组合。
- 站在虚拟电厂的角度，对分布式发电资源的界定在于调度关系，凡是调度关系不在现有公用系统的，或者可以从公用系统脱离的发电资源，都可以纳入虚拟发电资源。从这个意义上说，所有自备电厂都是虚拟电厂潜在的资源。
- 储能是电力能源行业中最具革命性的要素。储能技术经济性的快速提升，使电能突破了不可大规模经济储存的限制，也改变了行业控制优化机制。
- 按照存储形式的区别，储能设备大致可分为四类：一是机械储能，如抽水蓄能、飞轮储能等；二是化学储能，如铅酸电池、钠硫电池等；三是电磁储能，如超级电容、超导储能等；四是相变储能。
四、商业模式
虚拟电厂在聚合多类资源后，最终是要参与到电力市场中来才能获得收益。一般分为：虚拟电厂可以作为售电企业与用户直接交易，或从火电厂购买发电权。虚拟电厂通过负荷低谷时减少出力（增加负荷）或在负荷高峰时增加出力（削减负荷）来参与调峰服务交易，以及类似参与调频等服务市场。
五、运行和案例
2020年，上海黄浦区虚拟电厂项目。迄今最大规模的一次试运行，参与楼宇超过50栋，释放负荷约1万千瓦。怎么实现的？在用电高峰时段，系统对虚拟电厂区域内，相关建筑中央空调的温度、风量、转速等多个特征参数，进行自动调节，且对用户体验影响不大。技术层面是有一些工作量的，包括控制、计量、调度、交易等等，以往的能源调控颗粒度比较大，虚拟电厂针对的是设备级，而且要求自动响应的话，复杂程度就很高了。用户怎么参与虚拟电厂项目，实现收益？以上海项目为例，还是在系统平台上，负荷集成商进行竞价。三级的架构，平台、负荷集成商、用户。补贴价格根据响应时间，也是有区分。用户在30分钟之内进行削峰，给你的补贴就是3倍的价格（有一个基准值），30分钟到2小时之间是2倍，时间更长就更低。补贴的来源，目前主要是来源于各省的跨省区可再生能源电力现货交易购电差价的盈余部分，所以还是有一些制约，很多省份还没有开始现货交易。2021年11月，由南方电网深圳供电局、南方电网科学研究院联合研发，国内首个网地一体虚拟电厂运营管理平台（以下简称“虚拟电厂平台”）近日在深圳试运行。深圳供电局通过该平台向10余家用户发起电网调峰需求，深圳能源售电公司代理的深圳地铁集团站点、深圳水务集团笔架山水厂参与响应。随后，深圳地铁、深圳水务在保证正常安全生产的前提下，按照计划精准调节用电负荷共计3000千瓦，相当于2000户家庭的空调用电。Next Kraftwerke是德国一家大型的虚拟电厂运营商，同时也是欧洲电力交易市场(EPEX)认证的能源交易商，参与能源的现货市场交易。除了虚拟电厂相关的一切业务，从技术、电力交易、电力销售、用户结算等，同时也可以为其他能源运营商提供虚拟电厂的运营服务。截止2018年，NextKraftwerke管理了6854个客户资产，容量超过5987MW。Next Kraftwerke管理的单个客户资源平均只有0.87MW，单个资源规模偏小且零散，调度和交易难度大、成本高，很难通过市场交易获利。Next Kraftwerke公司通过其高超的资源聚合能力和创新的商业模式，创造了惊人的发展速度和优异的经营业绩。2009年才成立的Next Kraftwerke公司目前员工总数149人，实现销售收入3.82亿欧元，人均256万，交易电量140GWh。其主要盈利模式有如下几个：（1）将风电、光伏等零或低边际成本的发电资源参与电力市场交易。（2）利用每15minー次，每天96次的电力市场价格波动，虚拟电厂调节分布式电源出力、需求响应，实现低谷用电、高峰售电，获取最大利润。（3）利用微燃机、生物质发电等启动速度快、出力灵活的特点，参与电网的辅助服务，获取收益。盈利途径背后是Next Kraftwerke的资源聚合能力，不同的客户资源各有其特点，虚拟电厂通过市场、技术手段并用，查缺补漏、优势互补，既包含“量”上的整合，更具有“质”上的提升，实现了分布式资源拥有方、虚拟电厂运营方甚至电网方的各方利益共赢。比如，风电、光伏等可再生能源，由于采用逆变器输出形式，缺乏足够的惯量，具有间歇性的固有属性，呈现出波动、不可控的外部特性。尽管发电边际成本低，但单独参与电能量市场，尤其是合约市场，存在一定的难度。分布式燃机、生物质等同步发电机输出形式的发电资源，与大电网友好、兼容，具有灵活、可调的优势。但与大机组相比，边际成本偏高，在电力市场中先天不足。虚拟电厂可以实现两种发电资源的整合，扬长避短，能以较大的竞争优势参与电力市场，获取最大收益。再比如，虚拟电厂通过聚合资源，量变上升为质变，以聚合后资源参与电能量市场和辅助服务市场，提高议价能力，在获取最大收益的同时为电网安全稳定运行贡献力量。目前，Next Kraftwerke公司占据了德国二次调频市场10%的份额。
六、发展阶段和面临问题
依据外围条件的不同，我们把虚拟电厂的发展分为三个阶段。第一个阶段我们称之为邀约型阶段。这是在没有电力市场的情况下，由政府部门或调度机构牵头组织，各个聚合商参与，共同完成邀约、响应和激励流程。第二个阶段是市场型阶段。这是在电能量现货市场、辅助服务市场和容量市场建成后，虚拟电厂聚合商以类似于实体电厂的模式，分别参与这些市场获得收益。在第二阶段，也会同时存在邀约型模式，其邀约发出的主体是系统运行机构。第三个阶段是未来的虚拟电厂，我们称之为跨空间自主调度型虚拟电厂。随着虚拟电厂聚合的资源种类越来越多，数量越来越大，空间越来越广，实际上可称之为“虚拟电力系统”，其中既包含可调负荷、储能和分布式能源等基础资源，也包含由这些基础资源整合而成的微网、局域能源互联网。虚拟电厂的发展除了自身能力充足之外，还需要考虑外部大环境。一是盈利模式。跨省区可再生能源现货交易购电差价盈余作为资金池，只是当前权宜之计，还是要形成商业模式，且不是那种被动的补贴模式：虚拟电厂使得电网、电厂投资减少了，就去找他们出钱。这种模式很难推广，不好核定，没人愿意出钱，需要形成市场化行为，电力市场里面，有人愿意买单，自然不愁没人主动去做。二是场景延伸。例如充电桩站用这样的元素，能否充分融合进来，充电桩可调节性能很强，对时间和舒适度要求不高，发展体量很大，需要统筹规划。现在很多案例，都是以空调负荷为主，受到到很多制约，单个楼宇空调需求响应项目改造投资较大，但可调负荷有限，性价比不高，难以回收投资。三是成本问题。目前虚拟电厂平台、终端成本还是很高的，自控、信息设备都很花钱，如何优化成本，对于案例的市场化复制，也是至关重要的。
总结
虚拟电厂具有多样性，协同性，灵活性等技术特点，满足未来新型电力系统诸如绿色，灵活，多元互动，高度市场化的运行需求，是一种重要的技术支撑，同时也为储能行业的发展提供充分的参与机制。在双碳目标的确定性远景之下，虚拟电厂在国内势必会迎来良好的发展。
