新型電力系統(tǒng)視角下的虛擬電廠

在“雙碳”目標引領(lǐng)下,我國新能源裝機持續(xù)快速增長,以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)正加速構(gòu)建。新能源發(fā)電出力的隨機性、間歇性、波動性對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行產(chǎn)生影響。虛擬電廠作為一種聚合可調(diào)資源的新興市場主體，可通過響應電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻等需求提升電力系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)能力，在保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行、促進能源綠色低碳轉(zhuǎn)型方面意義重大，將會成為新型電力系統(tǒng)的重要組成部分。

1.什么是虛擬電廠

虛擬電廠不是傳統(tǒng)意義上的發(fā)電廠，沒有高聳的煙囪和高大的圍墻，而是一種基于先進能源智慧化管理技術(shù)的“看不見的電廠”，可以把工廠、商場甚至居民家的屋頂光伏、電鍋爐、電動汽車、空調(diào)等各類分散、可調(diào)節(jié)資源匯聚起來，統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制，這個虛擬的“電廠”可能安置在一間不大的房屋里，借助一個大屏幕和數(shù)臺電腦就能運作，如圖1示意。

圖1 虛擬電廠示意圖

山西省能源局印發(fā)的《虛擬電廠建設與運營管理實施方案》中提出了虛擬電廠的定義：虛擬電廠是能源與信息技術(shù)深度融合的重要方向，是將不同空間的可調(diào)節(jié)負荷，儲能側(cè)和電源側(cè)等一種或多種資源聚合起來，實現(xiàn)自主協(xié)調(diào)優(yōu)化控制，參與電力系統(tǒng)運行和電力市場交易的智慧能源系統(tǒng)，是一種跨空間的廣域源網(wǎng)荷儲的集成商。

國家發(fā)展改革委等部門印發(fā)的《電力需求側(cè)管理辦法（2023年版）》中進一步明確了虛擬電廠的含義：虛擬電廠是依托負荷聚合商、售電公司等機構(gòu)，通過新一代信息通信、系統(tǒng)集成等技術(shù)，實現(xiàn)電力需求側(cè)靈活資源的聚合、協(xié)調(diào)、優(yōu)化，形成規(guī)?；{(diào)節(jié)能力，支撐電力系統(tǒng)安全運行。

2.虛擬電廠的分層架構(gòu)

虛擬電廠系統(tǒng)物理架構(gòu)可以劃分為云、管、邊、端四個部分，如圖2示意。

云：虛擬電廠管控平臺，與運營商、電力交易平臺和邊緣服務器互聯(lián)，支撐資源管理、計劃實施與運營交易。

管：通信網(wǎng)絡，包括專網(wǎng)或公網(wǎng)，保障信息交互安全性、準確性、時效性。

邊：邊緣服務器，信息匯聚分析、本地自治或根據(jù)上級平臺生成調(diào)節(jié)控制策略。

端：監(jiān)測與調(diào)控裝置，采集電、熱、環(huán)境參數(shù)，執(zhí)行調(diào)節(jié)控制操作。

圖2  虛擬電廠系統(tǒng)物理架構(gòu)

3.虛擬電廠發(fā)展歷程

虛擬電廠源于1997年Shimon AwerbucE博士的著作《虛擬公共設施：新興產(chǎn)業(yè)的描述、技術(shù)及競爭力》。21世紀初，興起于德國、英國、西班牙、法國、丹麥等歐洲國家。全球首個虛擬電廠項目誕生于2000年，德國、荷蘭、西班牙等5國11家公司共同啟動虛擬電廠項目VFCPP，此后相關(guān)支持政策密集出臺。美國在2010年《需求響應國家行動計劃》將需求側(cè)響應上升到國家層面。2012年，Statkracft公司在德國建立了第一個商業(yè)虛擬發(fā)電廠，此后虛擬電廠開始了大規(guī)模的商業(yè)化應用。2016-2017年，ConEdison公司和Green Mountain Power公司開展虛擬電廠探索與平臺搭建。2021年，特斯拉在加州推出了虛擬電廠平臺的測試，探索新的商業(yè)模式。

我國上海市黃浦區(qū)在2015年開始需求響應試點工作。在試點過程中，針對一年中的采暖季、制冷季、過渡季分別進行了需求響應嘗試，充分驗證了需求響應的可行性與潛力。由于黃浦區(qū)需求響應試點工作效果顯著，2016年8月，國家發(fā)改委批復了上海市城區(qū)（黃浦）商業(yè)建筑需求側(cè)管理國家示范項目，同年商業(yè)建筑虛擬電廠啟動，這也是全國首家商業(yè)建筑虛擬電廠。2018年，由國家電網(wǎng)主導的“虛擬電廠”標準獲得國際電工委員會（IEC）批準立項，成為這一領(lǐng)域全球首批國際標準，填補了空白。2019年，國網(wǎng)冀北電力的虛擬電廠示范工程投運，參與華北（京津唐）調(diào)峰輔助服務市場。年底經(jīng)國家能源局批復，華北能源監(jiān)管局印發(fā)了《第三方獨立主體參與華北電力調(diào)峰輔助服務市場規(guī)則（試行）》，國網(wǎng)冀北電力虛擬電廠作為我國首個以市場化方式運營的虛擬電廠示范工程投運。2022年5月20日，部署于國電投深圳能源的虛擬電廠通過試點獲利，成為國內(nèi)首個虛擬電廠調(diào)度用戶負荷參與電力現(xiàn)貨市場盈利的案例。

4.虛擬電廠作用和建設意義

虛擬電廠對緩解極端天氣下電力供需矛盾，提升新型電力系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)能力，促進分布式新能源并網(wǎng)消納，開展電力用戶優(yōu)質(zhì)能源服務，推動全社會節(jié)能減排具有重要的作用和意義。

（1）有利于緩解極端天氣下電力供需矛盾。虛擬電廠聚合多元用戶的海量異構(gòu)資源，通過提取資源響應速度、響應時長、響應容量等特征參數(shù)，在極端天氣或發(fā)電側(cè)出力不足等場景下，調(diào)度內(nèi)部資源主動參與需求響應市場邀約、調(diào)峰輔助服務交易，最大程度支撐電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行和電力可靠供應。

（2）有利于提升新型電力系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)能力。大規(guī)模波動性可再生能源接入后，傳統(tǒng)“源隨荷動”的電網(wǎng)運行調(diào)節(jié)方式受到挑戰(zhàn)，靈活性調(diào)節(jié)資源容量不足。按照2025年風光新能源裝機10億千瓦測算，據(jù)測算將產(chǎn)生5.62億千瓦的調(diào)節(jié)缺口。虛擬電廠可提升系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)能力，減小電力平衡壓力。

（3）有利于促進分布式新能源并網(wǎng)消納。分布式新能源出力存在不確定性，低電壓等級分布式電源出力數(shù)據(jù)獲取不充分，其大規(guī)模分散并網(wǎng)后將影響負荷預測精度，增大負荷側(cè)時空不確定性。利用虛擬電廠技術(shù)，可開展分布式新能源本地交易，同時也可依托現(xiàn)貨市場開展集中交易，以最大限度提升分布式新能源的消納能力。

（4）有利于提升區(qū)域能源系統(tǒng)經(jīng)濟性。通過開展虛擬電廠多能源信息化、自動化、智能化建設，實現(xiàn)以電能為中心，多種儲能形式為補充，能源消費品類多樣化，各能源子系統(tǒng)互聯(lián)互通，橫向貫通電、熱、氣、儲，縱向貫通能源供給和需求，實現(xiàn)區(qū)域多能流源網(wǎng)荷儲協(xié)同優(yōu)化，提升區(qū)域能源供給品質(zhì)和利用效率，提高用能經(jīng)濟性。

（5）有利于落實國家節(jié)能減排戰(zhàn)略。圍繞工業(yè)園區(qū)多能源優(yōu)化運行能力、多能耦合互動調(diào)控能力和低碳高效協(xié)同能力建設，在多能負荷參與電網(wǎng)友好互動方面實現(xiàn)全面技術(shù)創(chuàng)新。推動工業(yè)園區(qū)高能耗、高碳排企業(yè)多能源系統(tǒng)積極參與節(jié)能減排，提高清潔能源在終端能源消費中的比重，進而提高全社會綜合能源效率。

5.虛擬電廠政策發(fā)布情況

近幾年，我國有關(guān)虛擬電廠領(lǐng)域的政策密集發(fā)布，國家發(fā)改委、能源局在新型儲能、電力市場體系、電力現(xiàn)貨市場、需求側(cè)管理、新型電力系統(tǒng)等方面政策中，均明確提到支持虛擬電廠的發(fā)展。

（1）國家層面

2021年3月，國家發(fā)改委、能源局發(fā)布《關(guān)于推動電力源網(wǎng)荷儲一體化和多能互補發(fā)展的指導意見》，依托“云大物移智鏈”等技術(shù)，進一步加強源網(wǎng)荷儲多向互動，通過虛擬電廠等一體化聚合模式，參與電力中長期、輔助服務、現(xiàn)貨等市場交易，為電力系統(tǒng)提供調(diào)節(jié)支撐能力。研究建立源網(wǎng)荷儲靈活、高效互動的電力運行與市場體系，充分發(fā)揮區(qū)域電網(wǎng)的調(diào)節(jié)作用，落實電源、電力用戶、儲能、虛擬電廠參與市場機制。

2021年7月，國家發(fā)改委、能源局發(fā)布《關(guān)于加快推動新型儲能發(fā)展的指導意見》，積極支持用戶側(cè)儲能多元化發(fā)展。鼓勵圍繞分布式新能源、微電網(wǎng)、大數(shù)據(jù)中心、5G基站、充電設施、工業(yè)園區(qū)等其它終端用戶，探索儲能融合發(fā)展新場景。鼓勵聚合利用不間斷電源、電動汽車、用戶側(cè)儲能等分散式儲能設施，依托大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能、區(qū)塊鏈等技術(shù)，結(jié)合體制機制綜合創(chuàng)新，探索智慧能源、虛擬電廠等多種商業(yè)模式。

2022年1月，國家發(fā)改委、能源局發(fā)布《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》，開展工業(yè)可調(diào)節(jié)負荷、樓宇空調(diào)負荷、大數(shù)據(jù)中心負荷、用戶側(cè)儲能、新能源汽車與電網(wǎng)（V2G）能量互動等各類資源聚合的虛擬電廠示范。

2022年1月，國家發(fā)改委、能源局發(fā)布《關(guān)于完善能源綠色低碳轉(zhuǎn)型體制機制和政策措施的意見》，拓寬電力需求響應實施范圍，通過多種方式挖掘各類需求側(cè)資源并組織其參與需求響應，支持用戶側(cè)儲能、電動汽車充電設施、分布式發(fā)電等用戶側(cè)可調(diào)節(jié)資源，以及負荷聚合商、虛擬電廠運營商、綜合能源服務商等參與電力市場交易和系統(tǒng)運行調(diào)節(jié)。

2022年1月，國家發(fā)改委、能源局發(fā)布《關(guān)于加快建設全國統(tǒng)一電力市場體系的指導意見》，提出因地制宜建立發(fā)電容量成本回收機制，鼓勵抽水蓄能、儲能、虛擬電廠等調(diào)節(jié)電源的投資建設。

2022年3月，國家能源局發(fā)布《2022年能源工作指導意見》，健全分時電價、峰谷電價，支持用戶側(cè)儲能多元化發(fā)展，充分挖掘需求側(cè)潛力，引導電力用戶參與虛擬電廠、移峰填谷、需求響應。

2022年6月，國家能源局南方監(jiān)管局發(fā)布《南方區(qū)域電力并網(wǎng)運行管理實施細則》、《南方區(qū)域電力輔助服務管理實施細則》（南方監(jiān)能市場〔2022〕91號），在附件《南方區(qū)域可調(diào)節(jié)負荷并網(wǎng)運行及輔助服務管理實施細則》中提出直控型可調(diào)節(jié)負荷包括直控型電力用戶和直控型聚合平臺（含負荷聚合商、虛擬電廠等形式聚合，目前僅允許對同一地市管轄范圍內(nèi)的多個電力用戶進行聚合）兩類。納入該細則管理的直控型可調(diào)節(jié)負荷容量不低于30兆瓦，向上或向下調(diào)節(jié)能力不低于5兆瓦，持續(xù)時間不低于0.5小時，可以參與一次調(diào)頻服務、自動功率控制、調(diào)峰（填谷、削峰）、旋轉(zhuǎn)備用等，給虛擬電廠的發(fā)展提供了良好的政策基礎。

2022年11月，國家能源局發(fā)布《電力現(xiàn)貨市場基本規(guī)則（征求意見稿）》，推動儲能、分布式發(fā)電、負荷聚合商、虛擬電廠和新能源微電網(wǎng)等新興市場主體參與交易。

2022年12月，國家科技部、發(fā)改委、工信部發(fā)布《科技支撐碳達峰碳中和實施方案（2022-2030）》，實施先進低碳零碳示范工程；建設大規(guī)模高效光伏、漂浮式海上風電示范工程，在可再生能源分布集中區(qū)域建設“風光互補”等示范工程；建立一批適用于分布式能源的“源-網(wǎng)-荷-儲-數(shù)”綜合虛擬電廠。

2023年1月，國家能源局發(fā)布《新型電力系統(tǒng)發(fā)展藍皮書（征求意見稿）》，積極培育電力源網(wǎng)荷儲一體化、負荷聚合服務、綜合能源服務、虛擬電廠等貼近終端用戶的新業(yè)態(tài)、新模式，整合分散需求響應資源，打造具備實時可觀、可測、可控能力的需求響應系統(tǒng)平臺與控制終端參與電網(wǎng)調(diào)度運行，提升用戶側(cè)靈活調(diào)節(jié)能力。

2023年1月，國家能源局發(fā)布《2023年能源監(jiān)管工作要點》，加快推進輔助服務市場建設，建立電力輔助服務市場專項工作機制，研究制定電力輔助服務價格辦法，建立健全用戶參與的輔助服務分擔共享機制，推動調(diào)頻、備用等品種市場化，不斷引導虛擬電廠、新型儲能等新型主體參與系統(tǒng)調(diào)節(jié)，探索推進“源網(wǎng)荷儲”協(xié)同共治。

2023年2月，工信部等六部門發(fā)布《關(guān)于推動能源電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導意見》，探索開展源網(wǎng)荷儲一體化、多能互補的智慧能源系統(tǒng)、智能微電網(wǎng)、虛擬電廠建設，開發(fā)快速實時微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)和多元用戶友好智能供需互動技術(shù)，加快適用于智能微電網(wǎng)的光伏產(chǎn)品和儲能系統(tǒng)等研發(fā)，滿足用戶個性化用電需求。

（2）省級層面

截至目前已有17省及其下屬部分地市明確了需求響應補貼政策，其中貴州、廣東、天津、山東已將虛擬電廠列入需求響應參與主體；云南、江蘇、山東等省份則已提出儲能運營商參與需求響應的準入條件。各省補貼政策的出臺，除了激發(fā)需求側(cè)資源主體參與市場的積極性，一定程度上也提升了虛擬電廠、用戶側(cè)儲能的經(jīng)濟性。

伴隨我國電力市場建設的持續(xù)深入，價格機制作用將愈發(fā)凸顯，帶動電力市場建設朝著更加市場化、規(guī)范化和科學化的方向邁進，以現(xiàn)貨市場驅(qū)動的虛擬電廠將逐步成為調(diào)控主體，電力供需互動形態(tài)會發(fā)生根本性轉(zhuǎn)變。未來，或許需要通過統(tǒng)一規(guī)范各行業(yè)用能與電網(wǎng)的互動接口標準建立資源聚合平臺、虛擬電廠等第三方運營主體，實現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、家電云平臺、車聯(lián)網(wǎng)等平臺的融合，從而常態(tài)化參與系統(tǒng)調(diào)節(jié)，支撐新型電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。