什么是虚拟电厂

一、虚拟电厂概述

1、虚拟电厂产生的背景

降碳成为全球共识。多个国家和地区先后签署了《联合国气候变化框架公约》、《巴黎协定》等，旨在控制气候变化，而绿色低碳的可持续发展理念已逐渐成为全球共识。全球主要国家相继针对碳排放问题提出了相应的计划和措施，并对能耗做出具体要求。我国中央财经委员会在2021年第九次会议指出力争2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和；计划至2025年，单位国内生产总值能耗比2020年下降13.5%；单位国内生产总值二氧化碳排放比2020年下降18%。

电能将取代化石燃料作为主要的终端用能形式，风电、太阳能发电占比逐年提升。能源危机的日益加深及化石燃料带来的环境污染，使可再生能源逐步在全球范围内得到广泛应用。目前多国选择通过提升电能占终端用能的比例来实现降低碳排放的目标，全球范围内以风电、太阳能为主的新能源装机量及发电量占比显著提升。国际能源署发布的《2023年可再生能源》年度市场报告显示，2023年全球可再生能源新增装机容量达510吉瓦。国际能源署预测，在现有政策和市场条件下，预计全球可再生能源装机容量在2023年至2028年间将达到7300吉瓦。

风电、太阳能发电可预测性有限，峰谷差问题催生更多储能资源需求。与传统火电、水电相比，风电及太阳能布点分散，易受天气等环境因素影响，因此发电功率呈现明显的间歇性和波动性特征。随着风电、太阳能并网比例提升，电网消纳及电力调度面临挑战，系统调峰调频需求提升。储能技术改变了电能生产、输送和使用同步完成的模式，随着风、光为主的新能源大规模并网，储能将覆盖电力生产及调配的各个环节，是削峰填谷的重要途径之一。截至2023年，全球储能项目累计装机规模为289.2GW，其中抽水蓄能装机容量177.8GW，电化学储能装机容量为15.3GW。储能资源接入电网，一方面实现了削峰填谷的功能，另一方面也为电网统筹调度增添了难度，需要通过信息技术手段来优化储能资源的调度配置。

分布式电源兼具环保与经济性，发展迅速，但对电网提出了更高的要求。分布式电源指分布在用户侧的能源利用系统，通常功率较低，与环境兼容，用以满足电力系统和用户特定的要求。目前，分布式电源根据使用技术的不同，可分为热电冷联产发电、内燃机组发电、燃气轮机发电、小型水力发电、分布式光伏、分布式风电等。分布式电源通常为中小型模块化设备，具有投资规模小、建设周期短、维护方便的特点，能够广泛利用当地资源实现密集分布型用户的低耗降损和灵活调节，因此近年来在欧洲、美国、日本等国家有力的政策支持下增长迅猛。根据全球能源智库Ember的最新报告:2023 年,得益于太阳能和风力发电量的增长,可再生能源发电量在全球发电量中的占比达到了前所未有的30%。分布式电源的灵活性和环保性特征使其被认为是实现电力削峰填谷以及解决电力供应紧张问题的有效途径之一，例如，在负荷高峰期夏季/冬季，采用分布式热电冷联产发电可解决供冷/供热需要，同时也产生电力，可对电网起到削峰填谷作用。

虚拟电厂聚合发电、储能资源，并进行统一优化调度，是解决峰谷差的有效形式。风电、太阳能等发电形式将对电网出力端形成较大的冲击，影响到电力系统的稳定性维护。同时，峰谷差问题催生的储能、分布式电源的大规模装机也增加了出力资源的数量，调度复杂度大幅提升。虚拟电厂（VPP）能够有效聚合分布式电源和储能电站等资源，依靠物联网等技术，处理风电、光伏等出力端带来的不确定性，帮助电网实现协调优化控制，加强新型电力系统内部各单元间的协同，从而提升电力系统的灵活性与稳定性。

2、什么是虚拟电厂

虚拟电厂技术（VPP，VirtualPowerPlant），是将电源、可控负荷和储能系统有机结合，通过虚拟电厂的控制中心，合并作为一个特别整体参与电网运行。在虚拟电厂中，每一部分均与控制中心相连，通过智能电网的双向信息传送，进行统一调度协调机端潮流、受端负荷以及储能系统，以达到降低发电损耗、减少温室气体排放、优化资源利用、降低电网峰值负荷和提高供电可靠性的目的。

3、虚拟电厂的特点

（1）分散化：虚拟电厂由多个分散的电力资源组成，这些资源可以是分布式电源、可控负荷、储能。

（2）动态调度：虚拟电厂通过智能控制系统实现对各个电力资源的动态调度和管理。根据市场需求和能源供给情况，虚拟电厂可以灵活地调整各个资源的运行状态，实现最优的能源利用效率，重点就是将“难以管理”变成可“管理”。

（3）规模化：虚拟电厂是分布式资源的规模化体现,只有规模化才可与传统机组一样参与大系统运行调度。

（4）市场参与：虚拟电厂可以参与电力市场的交易和运营。通过与电力系统的互联互通，虚拟电厂可以根据市场需求和价格信号，灵活地调整电力资源的运行状态，实现经济效益的最大化。

图1：虚拟电厂架构图

4、虚拟电厂产业链

虚拟电厂产业链包括：上游基础资源、中游系统平台和下游电力需求方。

（1）上游基础资源：可调负荷、分布式电源和储能设备。可控负荷重点是工业、商业和公共建筑、居民等，不同应用场景负荷可调潜力差异较大，商业和公共建筑可调负荷主要是空调、照明、动力，约占楼宇负荷的25%；居民可调负荷分布散、单点容量小、聚合难度较大。分布式电源指的是小型分布式光伏、风电、火电、水电等机组。储能包括机械储能、化学储能等。

（2）中游资源聚合商：主要是依靠互联网整合优化供给和需求的信息，增强虚拟电厂的协调控制能力。

（3）下游为电力需求方：由电网公司、售电公司和大用户构成。

5、虚拟电厂的作用

削峰填谷、减轻日益增加的电网负荷是虚拟电厂最主要的作用。

（1）电网侧：为电网提供削峰填谷、减轻电网负荷。碳中和的大背景下，随着风电和光伏的大量接入、电力电子装备增加、对电力系统的平衡调节造成了巨大压力，将需求侧分散资源聚沙成塔，发展虚拟电厂，与电网进行灵活、精准、智能化互动响应，有助于平抑电网峰谷差，提升电网安全保障水平。

（2）用户侧：降低用户侧用能成本。从江苏等地试点看，参与虚拟电厂后用户用能效率大幅提升，在降低电费的同时，还可以获取需求响应收益。如江苏南京试点项目平均提升用户能效20%；无锡试点项目提高园区整体综合能源利用率约3个百分点，降低用能成本2%，年收益约300万元。

（3）发电侧：促进新能源消纳。部分时段部分地区的弃风弃光现象仍比较严重，发展虚拟电厂，将大大提升系统调节能力，降低“三弃”电量。

6、虚拟电厂的类型

虚拟电厂主要分为三大类：负荷型虚拟电厂、电源侧虚拟电厂和源网荷储一体化虚拟电厂。

（1）负荷型：虚拟电厂运营商聚合其绑定的具备负荷调节能力的市场化电力用户（包括电动车、可调节负荷、可中断负荷等）作为一个整体（呈现为负荷状态）组建成虚拟电厂，对外提供负荷侧灵活响应。

（2）电源侧虚拟电厂：顾名思义，在分布式电源发电侧建立虚拟电厂。

（3）源网荷储一体化虚拟电厂：集合发电电源和负荷用电用户，作为集中式电厂，作为独立市场主体参与电力市场，原则上不占用系统调峰能力。当前我国虚拟电厂试点多为负荷型虚拟电厂，冀北试点的虚拟电厂为国内鲜有的源网荷储一体化虚拟电厂试点。

二、我国虚拟电厂发展现状

我国虚拟电厂起步“十三五”，目前已有响应细则出台并建成多个试点项目。“十三五”期间，我国江苏、上海、河北等地开展了电力需求响应和虚拟电厂的试点工作。其中，江苏省率先于2015年出台官方文件《江苏省电力需求响应的实施细则》指导电力需求的调控。此后，中国虚拟电厂进入研发、探索阶段，2019年，国家电网提出“泛在电力物联网”，并建成国内首个虚拟电厂“国网冀北虚拟电厂”，实现了发电和用电的自我调节。到目前为止，北京、上海、广东、江苏、浙江等地先后开展虚拟电厂项目试点。2022年6月，《北京市“十四五”时期电力发展规划》首次将虚拟电厂的建设纳入电力发展规划中。我国可供参与虚拟电厂运营的控制资源体量庞大，可调负荷资源超过5000万千瓦，虚拟电厂也随基础资源的快速发展而受到重视。

三、虚拟电厂的运营模式及收益分析

虚拟电厂盈利来源可分为三大部分：电力需求响应；电力辅助服务市场（如调频、备用）；电能量市场（中长期市场、现货市场）。

1、电力需求响应

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。

（1）参与形式：邀约型虚拟电厂阶段，由政府机构牵头，各个聚合商参与，共同完成邀约、响应和激励流程。

（2）各地补偿政策：2021年以来，各省均明确了需求侧响应的补贴政策，目前补贴方法均以电量或负荷作为计量单位。以电量为计量单位的地区目前补贴强度约为2-5元/kWh，以电力为计量单位的地区目前补贴强度约为1-20元/kW/次。

（3）服务案例：以上海为例。上海2023年补贴政策削峰基准价3元/kWh，填谷基准价1.2元/kWh，按通知时间调整价格，调整系数具体如下所示：

测算案例：

某虚拟电厂参加一次削峰快速调用，提前半小时通知，调用时间2小时。交易出清基准价为3元/kWh，那么本次补贴价为6元/kWh。该虚拟电厂此次执行调用有效认定电量2000kWh，补贴12000元。

上海已有12家虚拟电厂接入上海虚拟电厂运行管理与监控平台，虚拟电厂初步形成1000MW发电能力。上海黄浦区约50%商业建筑接入虚拟电厂平台，响应资源约60MW。2018年起，黄浦区商业建筑虚拟电厂累计发电调度超过1200幢次，累计响应削峰负荷超200MW，单次调峰收益超过170万元。

2、电力辅助服务市场

（1）参与形式：国内电力市场辅助服务模式在不同地区存在差异。目前，目前主要采用的是调度辅助服务模式，由调度控制中心进行调度和控制，并通过招标等方式购买辅助服务。

（2）交易品种：电力辅助服务市场的交易品种包括：调峰、调频、备用等多个品种。

（3）建设方向：通过单独出清或联合出清的方式实现与电力现货市场的衔接。

（4）服务案例：以浙江为例。浙江省2023年1月开展了省内首次第三方独立主体参与电力辅助服务结算试运行，虚拟电厂可参与提供调频、调峰和备用辅助服务。按交易周期分为中长期、日前和日内交易方式，日前和日内采用市场申报、集中出清的方式。至2023年1月底，浙江省共组织11场填谷调峰交易，最大需求为100兆瓦，日均出清容量为49.4兆瓦，日均出清价格在288-320元/兆瓦时。

3、电能量市场

（1）交易品种：在电力现货市场,虚拟电厂参与现货市场交易主要有3种：一是通过削峰解决当负荷水平较高、发电容量不足时的容量短缺问题。二是通过填谷解决当负荷水平较低、因新能源大发导致电网负备用不足、影响电网安全稳定运行的问题。三是虚拟电厂可以作为“市场化发电机组”,将分布式电源、储能等资源聚合参与日前市场交易申报,通过低电价时段储能用电,高电价时段储能放电、分布式光伏发电平抑现货市场价格。

（2）服务案例：以山西为例。山西完成首批9家售电主体申报的15家虚拟电厂建设，共聚合容量184.74万千瓦，可调节容量39.2万千瓦。在电力供应紧张时期，每天可释放出156.8万千瓦时电量，可满足22.4万户家庭的日用电需求。山西电力现货市场价差范围为0-1500元/MWh，给虚拟电厂盈利带来巨大空间。

山西某虚拟电厂聚合资源10万千瓦，可调节量约2万千瓦，可调时长2h，综合调节系数0.8（每天可调节2*2*0.8=3.2万千瓦时）。虚拟电厂运营商与代理用户采用3：7的收益比例分成。测算收益如下：