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虚拟电厂

Virtual Power Plant

wangzf / 2024-10-16

目录

虚拟电厂概述

虚拟电厂基本概念

虚拟电厂定义

虚拟电厂可以定义为：将不同空间的可调负荷、储能、微电网、电动汽车、 分布式电源等一种或多种可控资源聚合起来，实现自主协调优化控制， 参与电力系统运行的和电力市场交易的智慧能源系统。

它既可作为“正电厂”向系统 供电调峰，又可作为“负电厂”加大 负荷消纳，配合系统填谷； 既可快速响应指令，配合保障系统稳定并获得经济补偿，也可等同于电厂参与容量、 电量、辅助服务等各类电力市场获得经济收益。

虚拟电厂的构成与分类

虚拟电厂的发展是以三类可控资源的发展为前提的，分别是 可调负荷、 分布式电源、储能。

相应地，虚拟电厂按照主体资源的不同，可以分为 需求侧资源型、 供给侧资源型、混合资源型 虚拟电厂三种。

虚拟电厂的典型特征

  1. 虚拟电厂所包括的资源具有多样性；
  2. 虚拟电厂的构成资源具有环保性；
  3. 虚拟电厂的运营过程具有系统性；
  4. 虚拟电厂可促进电力市场的竞争；
  5. 虚拟电厂的管理控制具有智能化特征。

虚拟电厂与微电网

虚拟电厂于微电网都是实现分布式能源接入电网的有效形式， 且虚拟电厂于微电网都是对分布式电源进行整合，但是两者仍存在较大的区别：

  1. 两者对分布式能源聚合的有效区域不同；
  2. 两者接入配电网的位置不同；
  3. 两者于电网的连接方式不同；
  4. 两者的运行方式不同；
  5. 两者侧重的功能不同。

虚拟电厂与能效电厂

能效电厂的定位为：一定区域内，通过不同类型的节能措施，降低用户在此地区的电力消耗， 与建设或扩建发电厂的意义相当，将减少的电能消耗视为能效电厂提供的电能，因此， 能效电厂也被称为虚拟电厂。

虚拟电厂资源分析

可调负荷

用户资源潜力影响因素分析

在实际运行层面，各类用户资源能否参与虚拟电厂以及参与度的大小， 除了与外部刺激（主要是价格和激励信号）密切相关外，主要由其负荷特性决定。具体来说：

  1. 用户资源是否具有“可调节性”；
    • 不可调负荷
    • 可调负荷
  2. 可调负荷的“调节能力”；
    • 使用频次
    • 保留负荷
    • 可调节时段
    • 响应时间
    • 峰荷同时率

重点领域的资源潜力分析

  1. 工业领域
    • 连续生产电力用户
    • 非连续生产电力用户
  2. 建筑领域
    • 公共建筑
    • 商业建筑
    • 居民建筑
  3. 交通领域
    • 电动汽车
    • 港口岸电
    • 充电设施

移峰填谷和填谷潜力分析

  1. 移峰填谷
  2. 填谷

电动交通

分布式能源

目前分布式电源主要涵盖光伏利用、风能利用、生物质及沼气利用、天然气冷热电三联等多种形式。 分布式能源具有节能、减排、经济、安全、削峰填谷、促进循环经济发展等多种不可替代的优势。

储能

储能的类型

储能技术按照其能量转换机制主要分为三类：

从应用分布来看，主要分为三类：

储能的作用

储能的发展潜力

典型市场的储能应用

虚拟电厂概念介绍

虚拟电厂这个业务场景是跟电力这个行业息息相关的。 正是因为这个行业发生了变革才创造出了很多的行业机会与契机。

这里主要介绍一下到底什么是电力系统和电力市场， 什么是虚拟电厂，它到底有什么样的价值以及在海外是怎么成型的， 以及为什么要做虚拟电厂。

电力系统

从 “传统” 到 “新型” 发生的原理变化。

源网荷-源网荷储

“双碳” 目标下，电力系统正从传统 “源网荷” 向 “源网荷储” 发展。 原因是：

所以双碳目标下，发电侧从传统的火电机组变成了新能源，从一个个大烟囱变成了光伏板和风机， 所以 产生电的来源从可控变成了不可控。

刚性电网-柔性电网

传统的电网 是刚性的（类似于一个硬邦邦的水管）， 所以对于不可控发电的冲击（突然把水调大）以及波动（时关时开）的接受能力非常有限。 因此非常需要一个更加灵活而富有韧性的电网去承载， 这也就是所说的从 刚性主网 变成了 柔性电网。

从本质上来看，今天从 “源网荷” 到 “源网荷储” 的转变过程中， 是为了让我们的整个电力系统具备更多的调节能力和适应能力。

因为 储能 就是一个源荷双性： 既可以用来装电又是可以用来送电的调节工具（因为这个灵活的水箱具备一个双向的阀门开关， 既可以装水又可以放水）。而这个具备调节能力的储能工具可以放在各个环节， 有放在源侧（新能源配储）、网侧（共享储能），也有被放在用户侧的储能， 正因为 用户侧储能 和 分布式光伏 的出现， 使得在用户侧由原来一个被动的消费者变成了一个具备主动性的产消者， 这是由于电能流动原来只是一个单向的过程：从高压的输电网络到低压配电网络再流向千家万户， 但现在在 10KV 以下配电侧，一些用户用光伏可以低压上网，可以理解为反向给主网充电。

电力市场

为什么这个电力行业要进行市场化的改革，本质上是因为我们我们从传统的电力系统到今天的新型电力系统， “计划用电” 已不再适用，为了更好的去适应这整个系统的革命性变化， 必须就要引入“市场”这个抓手来增加其调节性和灵活性。 换言之在一个市场化的环境中，我们越灵活调节能力越强，就越能适应新的电力系统和市场变革。

一开始，电力这个行业是具有天然的 “垄断性”，然后大家可以看到的是逐渐把发电侧分开了， 就是我们所说的厂网分离，而现在我们所说的“放开两头管住中间”其实通俗来讲就是， 让发电侧和用户侧在市场中通过电力交易市场来形成电的购售， 因为在电力市场中，从上游侧的发电到下游侧的用电这中间就是靠“交易”链接起来的。

电能的生产和利用都具有时间连续性，无论对于发电商还是电力负荷， 销售或购买的商品都是具有一定持续时间的 “能量块”（energy block）。 “能量块”的面积即电量，火电厂的变动成本（煤耗）主要取决于所生产的能量（电量）， 而用户也主要关注不同时间段内电量的使用。

一直以来，电力系统规划和运行的中心问题都是电力电量平衡，电力市场机制建设没有改变这个中心问题， 只是对发用电计划和调度计划的形成过程作出调整，由原来政府、电网制定发用电计划， 变成市场成员通过双边协商自主确定，或通过交易平台报价，并根据相应的市场规则形成市场出清价和出清电量。

电力电量平衡在市场机制下可用图 2 负荷曲线下不同的 “能量块”（整体负荷曲线由多个“能量块”堆积而成）来表示。 纵向绿色和少部分横向蓝色的“能量块”对应于现货市场交易， 为燃气轮机、抽水蓄能等调峰电源和需求侧响应提供合理的经济激励（体现电能交易的“最后一公里”的价值）， 主要目标是以市场手段实现电力平衡。 下面较长的深蓝色“能量块”对应于中长期市场交易， 为电能量交易的主要方式，主要目标是以市场手段实现电量平衡。（中长期是奠基石）

“能量块”交易方式在欧洲电力市场中已普遍采用。德国的现货市场设计了一种平衡基团的机制。 平衡基团是一个虚拟的市场基本单元，在此单元中，发电和用电量必须达到平衡。 江西省是我国首个将“能量块”交易引入电力中长期交易的省份， 采用适合中国国情的简化“能量块”——分时段电量作为交易标的物。 2022 年 3 月，广州电力交易中心对试点送电类别开展 24 时段分时结算（即 24 小时“能量块”结算）。

能源领域本就存在着很多资源错配，从宏观的层面来讲我国的资源富集地和负荷聚集地是逆势分布的， 从一个很微观的角度来看为什么会产生尖峰平谷这样的价格现象，大家思考一下这个本质原因， 是因为某个时间段大家都在高频用电但是发电侧的供给是有限的甚至是不足的， 比如夏天对一些高耗能企业会拉闸限电等等这样的现象。 所以需要用价格信号来反向引导调节一些用户行为。大家都知道“价格”会直接影响人的行为方式， 市场经济是由实时的供需关系反应的的价格信号为主导。 更重要的是要让能源大模型去实现一个资源能量的时空转化和调配，形成一个个局部最优解。 比如通过能源大模型生成的策略（电价高充电，电价低放电）帮我省掉了电费的同时， 还因为有备用电源从而增加了用电稳定性和连续性（使得企业不受拉闸限电之苦）减少了用电成本的同时， 考虑了生产连续性从而增加了用户的经济价值，比如在智算中心和一些基站的场景， 通过以能源大模型为技术底座的备储一体方案保障了其用电的连续性，增加其安全价值。

再有，光伏风电这些新能源发出的电被称为”绿电”，那么我们在对其调度的过程中也促进了他们的消纳， 从这个维度来说，我们还考虑了用电的绿色价值。所以我们大模型赋能的价值是多重的， 之前传统的电力系统中仅站在安全的一个价值维度没有考虑用户的经济价值。

虚拟电厂

在这个背景之下，虚拟电厂作为了能源大模型顶层的一个应用，那到底什么是虚拟电厂呢？

虚拟电厂：虚拟电厂并不是一个物理意义上的电厂，它既不消耗大量的煤炭资源，也没有引人注目的“大烟囱”， 而是通过数字化手段和调节策略搭建起的一套系统，这套系统将所有的碎片化负荷资源集中灵活调配， 参与电网的调节（增加其灵活性）。

“一平台”“两大脑”，构成了全域虚拟电厂的能力底座，让其既有智能电网特性——会“思考”， 对可调负荷资源进行智能管控，助力多层级全时段电力供需平衡。也有市场化体现——会“赚钱”， 与电力交易中心互通，将聚合后的多种资源统一代理参与市场报价，获取经济报酬。

虚拟电厂对上是市场需求的承接者，对下是各类资源的分配者，位于信息、业务、产业生态交互的枢纽中心， 为“光伏运营商”“充换储服务商”“负荷聚集商”提供决策评估、协同控制、预测报价等增值服务，提高运营商经济效益。 电力交易中心和调控中心是需求的发起端，具备将各类资源的使用价值转化为经济价值的功能， 包含电力现货市场、电力中长期市场、辅助服务市场和需求响应等价值兑现平台。

其中，空调冷库负荷、工业负荷、用户侧储能作为资源池调节主力军，可在毫秒级实现“无感”调节， 在网供高峰时段进行“削峰”调节。而充电桩、公共照明设施等响应过程较长的资源， 则可作为负荷调节的辅助平稳手段进行削峰填谷。针对电网瞬时和长时段的需求选取不同资源进行调节， 就好像开水泡面和慢慢煮饭，一个可以迅速补充能量，一个则是缓慢补充能量

欧洲-以发电资源聚合为主

欧洲是虚拟电厂发源地，目前虚拟电厂已进入商业化阶段，

欧洲虚拟电厂通常由独立 VPP 运营商、发电企业或部分输电网运营商（TSO）提供服务。 从产业链角度看，欧洲的电力系统分为发电、输电、配电和售用电环节， 而电网运营主体可以划分为输电网运营商（TSO）和配电网运营商（DSO）。 Next-Kraftwerke 是欧洲最大的虚拟电厂运营商之一。

通过三种方式实现盈利：

  1. 虚拟平台向 可再生能源发电企业 提供服务
    • 由于可再生能源发电的随机性和波动性，发电商经常无法准时向 TSO 提供之前承诺的电量， 一旦发生这种情况， 发电商将会承受所有平衡电量所需的成本，例如从其它发电商购买昂贵的电力。 虚拟电厂可以通过帮助发电商实时监测发电情况，避免出现发电量预测不准的情况， 节省发电商的成本。
    • 此外，虚拟电厂实时监控可再生能源价格，协助发电商优化电力产品结构， 帮助发电商扩大盈利，进而为聚合商赚取辅助收益。
  2. 虚拟平台向 电网侧提供短期柔性储能服务
    • 在接收到电网运营商发出的提高或降低发电量的信号后， 虚拟电厂的中央控制系统将该信号传递给各个可调度的可再生能源发电厂， 考虑到响应时间、充电站容量、发电量等方面的限制，对发电量进行调整以支持电网频率， 并抵消虚拟电厂中其他单元（光伏太阳能和风能）造成的波动。 虚拟电厂通过向 TSO 提供来自发电侧的调峰、调频服务来赚取收益。
  3. 参与需求响应并获取收益
    • 由于发电量的增加和用电量的减小对于电网产生的调峰调频效果是一致的， 因此虚拟平台可以通过对需求侧的控制来对电网侧进行辅助服务，进而赚取辅助费用。
    • 此外，虚拟电厂可以将电网侧的消耗分配到现货市场上的低价时段，从而降低电力的采购成本。

美国-以用电侧资源聚合为主

背景：美国太阳能资源较多，2021 年美国家用光伏装机容量已达到 22.5GW，可实现家庭电力的自发自用， 需求侧响应成为了美国应对电力供应紧张的主要措施，所以，美国虚拟电厂是在需求响应（DR）的基础上建立的， 即通过控制电力价格、电力政策的动态变化来引导电力用户暂时改变其固有的习惯用电模式， 从而降低用电负荷或获取电力用户手中的储能来保证电网系统稳定性。 其中代表企业为 Tesla，其与 Powerwall 使用者签订协议，参与需求侧响应并获取补贴收益 美国电力市场运营商高度分散，虚拟电厂计划通常由公共事业企业（Utility）或能源零售商运营。

这主要与美国电力市场的情况有关。美国联邦政府对于电力市场的监管相对缺乏， 长期的私有化、市场化改革造就了如下格局：

  1. 约 40% 的区域（中西部为主）由公共事业企业垄断一体化运营，即发输配售垂直管理。
  2. 约 60% 的区域由七大独立系统运营商（ISO）管理，电力产业链分散为发电主体、 输配电主体和能源零售商三个环节。

美国七大 ISO（包括 PJM、MISO、ERCOT、SPP、CAISO、NYISO 和 ISO-NE）负责调度、 发电、输电规划以及系统的运行安全和发电端-输配 电端（批发市场）、 输配电端-零售端（零售市场）市场运行的管辖。

ISO 的成立打破了公共事业企业对发电-输配电环节的垄断， 允许各独立储电主体参与到与输配电网的交易中，进而催生了虚拟电厂的需求。 现有美国虚拟电厂计划由公共事业公司或能源零售商承担运营职能。

美国虚拟电厂脱胎于需求侧响应，聚焦负荷端资源统一调配。

由于美国电价过去 20 年上涨了 59%，且美国太阳能资源丰富， 因此在大量政府补贴和激励政策下， 家用光伏系统逐渐成为消费者降低电价成本的替代选择， 从而实现电力的自发自用。

根据 Statista，2021 年美国家用光伏装机容量达到 22.5GW， 同比增长 20.9%，因此美国存在大量与用电侧直接相连的分布式太阳能资源。

随着户用光伏等需求量的增长，美国逐渐开始实行需求侧响应， 以应对用电高峰时期的供应紧张情况，并逐渐将需求侧响应演化为虚拟电厂计划。 具体表现为，能源零售商开展虚拟电厂计划，通过提供低价储能电池或现金， 换取家庭一部分电力的控制权，必要时给零售商提供电力， 零售商的虚拟电厂聚合这些储能并在用电峰期提供给需要的用户，从而获取辅助服务收益。

代表企业：美国 Tesla，依靠 Powerwall 与 Utility 企业开展虚拟电厂合作。

中国

中国虚拟电厂目前还处于探索初期，而从能源结构和市场机制的特征来看， 中国有望结合欧洲、美国两种模式，探索出 兼顾分布式电源、可控负荷以及储能资源的模式。 

电力系统

从能源结构看，我国风电、光伏及电网系统更接近于欧洲模式。

因此，我国虚拟电厂的早期实践案例聚合了较多风电、光伏资源，与欧洲模式具有较强的相似性。

电力市场

从市场机制看，我国电力交易市场尚处于试点起步阶段， 虚拟电厂的运营仍以邀约制下的需求侧响应为主要模式， 因此，当前情况下更接近于美国模式。

欧洲虚拟电厂利用软件算法设定电力现货市场的竞价策略，实现交易收益的最大化。 但我国电力市场处于起步阶段，目前仅有广东省对电力现货交易实行了试点， 当电力供给出现缺口或存在调峰调频需求时，通常依靠电网公司牵头邀约， 实现需求侧响应或辅助服务，因此目前用户侧资源以参与需求侧响应为主，与美国模式更为接近。

虚拟电厂

虚拟电厂发展分为三个阶段，邀约型，交易型和自治型。

当前，由于我国目前储能和分布式电源以及电力交易市场尚未发展成熟， 虚拟电厂主要处于邀约型向市场型过渡的阶段。

欧洲、美国、与我国虚拟电厂的发展对比：

参考