清研智谈 | 为何虚拟电厂在全球兴起热潮？
虚拟电厂是一种通过先进信息通信技术和软件系统，实现DG、储能系统、可控负荷、电动汽车等DER的聚合和协调优化，以作为一个特殊电厂参与电力市场和电网运行的电源协调管理系统。虚拟电厂具有低成本、高效率、易推广的特征，不仅聚合可调节资源，而且可将负荷侧的调节能力纳⼊电网调度运⾏，高效提升电力系统灵活调度能⼒，此外还可参与市场运营中获得市场现货交易的盈利。清研集团能源电力研究团队通过分析虚拟电厂的时代背景、发展概况、国内外实践案例，进而阐明发展虚拟电厂的现实意义。
虚拟电厂再度兴起的“零碳背景”
全球气候变暖问题日益加剧，为控制气候变化，多个国家先后签署了《联合国气候变化框架公约》、《巴黎协定》等，“绿色低碳”的可持续发展理念已然成为全球共识。为了人类社会长期可持续发展，实现国家能源独立，践行清洁低碳能源是必经之路。近几年，全球主要国家还相继出台了关于碳排放的政策，虚拟电厂（virtual power plant，VPP）就是在“零碳时代”的大背景下再度兴起的。
2020年9⽉，在第七十五届联合国大会上，习近平主席宣布了我国的“双碳”目标，即2030年前达到“碳达峰”、2060年达到“碳中和”。2021年3⽉，在中央财经委员会第九次会议上，明确提出“要构建清洁、低碳、安全、高效的能源体系”，“构建以新能源为主体的新型电力系统”。
目前，新能源发展势头强劲，但其有能量密度低、稳定性差的缺点，还有波动性、间歇性、反调峰性等特点，这会导致电力系统在电源侧、需求侧、储能侧的调节能力不足，而虚拟电厂恰能弥补上述缺点。例如，在冀北电网中，当风电日最大出力约80%以上时，会出现负荷的低谷期，而且统调供热火电机组比例也呈逐年增高的态势。由于区域负荷、电网外送能力增长不及预期，新能源的消纳空间就会被压缩，长此以往，传统⽕电资源的调节能力难以达到系统的需求值。此时，虚拟电厂通过聚合管理、智能协同、资源调配等功能，剩下大量电力，便可解决区域“供电不足”的燃眉之急。
虚拟电厂的概念与特征
概念发展
虚拟电厂，最早由Shimon Awerbuch博士于1997年在《虚拟公共设施:新兴产业的描述、技术及竞争力》中提出，认为虚拟电厂受市场驱动的独立实体间灵活合作，且能够为消费者提供所需的高效电能服务，但不必拥有相应的资产。
目前，普遍认为虚拟电厂是一种利用软件系统和信息通信技术，可实现分布式电源、储能、可控负荷，它参与电力市场和电网运行的协调管理系统，既作为“正电厂”向系统供电，亦作为“负电厂”通过负荷侧响应以配合系统填谷。
从全球发展看，虚拟电厂可分为三阶段：合约型、市场型、自主型。目前，欧美国家已进入“市场型”阶段，并积极探索自主型模式，而国内尚处于“合约型”阶段。但向“市场型”迈进是各国必由之路。
基本特征
“源、网、荷、储”，实现一体化
虚拟电厂不同于依赖化石燃料的传统物理电厂，它升级了电厂的关键作用：发出电能，参与能量市场；通过调节功率来参与辅助服务市场调峰、调频等，通过先进的智能技术。
“配电+售电”，聚合终端削峰填谷
虚拟电厂是一种软件系统，其职能本质为配电，辅助电网削峰填谷;竞争壁垒本质为售电，参与电网调度运行，聚合用电终端资源。它协调智能电网与分布式电源之间的矛盾，挖掘分布式能源为电网及用户所带来的价值和利益。
“自治+共享”，安全稳健运行
虚拟电厂通过对内运营管理，实现有效聚合、市场运行与精准调控，达到“自治”的目的。同时，扩大云储能设备的服务覆盖范围，实现多种异构分布式资源的协作共享、利益共赢，这就是高级的互联网能源“共享”经济模式。
“虚拟电厂”国内外实践及案例
电力系统在由传统“源随荷动”运行模式，向“源荷互动”升级过程中，虚拟电厂对电力供给侧、需求侧以及国家能源战略目标实现都有重要意义。因此，各国正在积极推动虚拟电厂的实践与应用。
国外应用实践
从国际来看，欧洲、北美、澳大利亚等国家早已开展了虚拟电厂的示范项目建设。总体上，欧洲的虚拟电厂侧重于电源侧，北美的侧重于需求管理侧，而澳大利亚的侧重于储能侧。
欧洲起源，聚焦电源侧
在欧洲，2000年诞生了全球首个虚拟电厂，德国、荷兰、西班牙等5个国家的11所公司共启 VFCPP项目。目前，欧洲虚拟电厂以发电资源聚合为主，已进入商业化阶段，德国Next Kraftwerke是其代表企业。
美国发展，管理需求侧
在美国，虚拟电厂以用电侧资源聚合为主，需求侧响应成为解决供电紧张的重要举措，通过自动需求和效能管理，提高综合能源利用率。居民积极参与需求侧响应，可并获取补贴收益。Tesla与Power wall的使用者签订协议是这一模式的典型代表。
澳洲示范，革新储能侧
澳大利亚能源市场运营商（Australian Energy Market Operator，AEMO）与美国Tesla公司联合开展了虚拟电厂，不仅聚合分布式光伏和储能系统参与澳大利亚电力市场，还进行了紧急频率响应试验，这为电网提供了调频辅助服务，且降低了用电成本。
国内应用实践
从国内来看，虚拟电厂的发展主要经历了4个阶段：能效电厂、紧急切负荷、基于经济补贴的需求侧管理、新型虚拟电厂，江苏、广东、上海、冀北等地区初步开展了试点实践。
第一阶段：提升用电设备效能
通过对商业、民用建筑中制冷和照明设备、工业电机设备、家用器具等高耗能设备进行改造，提升用电能效，可收取费用来偿还贷款。“能效电厂试点”在江苏、广东开展实践，但存在配套政策不健全、缺乏持续稳定支持资金、商业模式不完善等问题，这导致“能效电厂”在我国发展放缓。
第二阶段：实时精准切负荷
面对电力平衡出现大缺口的紧急情况，江苏从传统的“拉闸限电”模式升级为精准实时的“切负荷”模式，已建成大规模源网荷友好互动系统；为应对特高压直流闭锁导致的受端电网频率跌落，采用紧急切除相应数量负荷的方式，保证电网频率稳定。
第三阶段：完善需求侧管理
为解决电网尖峰负荷问题，上海、广东通过经济补贴、强制法律、营销宣传等需求侧管理，利用虚拟电厂通过短信等方式提前向用户发出邀约，调整用电模式，引导科学用电来降低尖峰期电力负荷，并给予负荷相应的政策补贴。
第四阶段：投入商业运营
冀北地区的虚拟电厂已投入商业运营，为了提升电力系统灵活调节能力，通过聚合可调节资源来参与电网调控、市场运营，为电力系统提供了连续、柔性的灵活调节能力，也增强了新能源消纳能力。
虚拟电厂的现实意义
调度用电供需，实时性速度增快
今年夏天，由于持续高温，各国电网用电负荷陡增。虚拟电厂快速响应需求，通过工业互联网技术，实现了用户侧资源与电网供需互动，通过对聚合的资源精准画像、分级分类，动态预测资源响应潜力，自主分解电网需求指令，实现了实时调节。
调控用电负荷，经济性立竿见影
虚拟电厂通过通信技术和软件算法优化电力调度，聚合分布式发电、储能、可控负荷资源，使得电力交易收益最大化。相比传统电厂，虚拟电厂的投入成本约为火电厂的1/8，具有成本低、效率高的经济优势。此外，在实践中，欧洲的虚拟电厂模式还可兼得电企“服务费”和“电力交易费”的分成。
调节能源结构，环保性助力零碳
虚拟电厂正逐渐改变以化石燃料为主导的能源结构，通过充分开发利用光伏、风力新能源电力来缓解电网负荷压力，不仅可以保障电力系统安全运行，还有助于实现国家“双碳”能源战略目标。
参考文献
①王宣元等.虚拟电厂参与电网调控与市场运营的发展与实践[J].电力系统自动化,2022,46(18):158-168
②钟永浩.《虚拟电厂基础特征内涵与发展现状概述》2022
③开源证券《虚拟电厂风起，蓝海市场开启》
④天风证券研究所《电力IT：共沐虚拟电厂大时代机遇》2022
⑤殷爽睿等.虚拟电厂分层互动模式与可信交易框架研究与展望[J].电力系统自动化,2022,46(18):119-128
⑥东北证券《虚拟电厂：豹变前夜》2022
撰稿 | 刘永红 清研集团能源电力研究部研究员
编辑 | 陈泽玺