新型電力系統(tǒng)視角下的虛擬電廠

在“雙碳”目標(biāo)引領(lǐng)下,我國(guó)新能源裝機(jī)持續(xù)快速增長(zhǎng),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(jī)性、間歇性、波動(dòng)性對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)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(chǎng)主體，可通過(guò)響應(yīng)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(yùn)行、促進(jìn)能源綠色低碳轉(zhuǎn)型方面意義重大，將會(huì)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(méi)有高聳的煙囪和高大的圍墻，而是一種基于先進(jìn)能源智慧化管理技術(shù)的“看不見(jiàn)的電廠”，可以把工廠、商場(chǎng)甚至居民家的屋頂光伏、電鍋爐、電動(dòng)汽車(chē)、空調(diào)等各類分散、可調(diào)節(jié)資源匯聚起來(lái)，統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制，這個(gè)虛擬的“電廠”可能安置在一間不大的房屋里，借助一個(gè)大屏幕和數(shù)臺(tái)電腦就能運(yùn)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(shè)與運(yùn)營(yíng)管理實(shí)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(fù)荷，儲(chǔ)能側(cè)和電源側(cè)等一種或多種資源聚合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)自主協(xié)調(diào)優(yōu)化控制，參與電力系統(tǒng)運(yùn)行和電力市場(chǎng)交易的智慧能源系統(tǒng)，是一種跨空間的廣域源網(wǎng)荷儲(chǔ)的集成商。

國(guó)家發(fā)展改革委等部門(mén)印發(fā)的《電力需求側(cè)管理辦法（2023年版）》中進(jìn)一步明確了虛擬電廠的含義：虛擬電廠是依托負(fù)荷聚合商、售電公司等機(jī)構(gòu)，通過(guò)新一代信息通信、系統(tǒng)集成等技術(shù)，實(shí)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(yùn)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(gè)部分，如圖2示意。

云：虛擬電廠管控平臺(tái)，與運(yùn)營(yíng)商、電力交易平臺(tái)和邊緣服務(wù)器互聯(lián)，支撐資源管理、計(jì)劃實(shí)施與運(yùn)營(yíng)交易。

管：通信網(wǎng)絡(luò)，包括專網(wǎng)或公網(wǎng)，保障信息交互安全性、準(zhǔn)確性、時(shí)效性。

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

端：監(jiān)測(cè)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(shè)施：新興產(chǎn)業(yè)的描述、技術(shù)及競(jìng)爭(zhēng)力》。21世紀(jì)初，興起于德國(guó)、英國(guó)、西班牙、法國(guó)、丹麥等歐洲國(guó)家。全球首個(gè)虛擬電廠項(xiàng)目誕生于2000年，德國(guó)、荷蘭、西班牙等5國(guó)11家公司共同啟動(dòng)虛擬電廠項(xiàng)目VFCPP，此后相關(guān)支持政策密集出臺(tái)。美國(guó)在2010年《需求響應(yīng)國(guó)家行動(dòng)計(jì)劃》將需求側(cè)響應(yīng)上升到國(guó)家層面。2012年，Statkracft公司在德國(guó)建立了第一個(gè)商業(yè)虛擬發(fā)電廠，此后虛擬電廠開(kāi)始了大規(guī)模的商業(yè)化應(yīng)用。2016-2017年，ConEdison公司和Green Mountain Power公司開(kāi)展虛擬電廠探索與平臺(tái)搭建。2021年，特斯拉在加州推出了虛擬電廠平臺(tái)的測(cè)試，探索新的商業(yè)模式。

我國(guó)上海市黃浦區(qū)在2015年開(kāi)始需求響應(yīng)試點(diǎn)工作。在試點(diǎn)過(guò)程中，針對(duì)一年中的采暖季、制冷季、過(guò)渡季分別進(jìn)行了需求響應(yīng)嘗試，充分驗(yàn)證了需求響應(yīng)的可行性與潛力。由于黃浦區(qū)需求響應(yīng)試點(diǎn)工作效果顯著，2016年8月，國(guó)家發(fā)改委批復(fù)了上海市城區(qū)（黃浦）商業(yè)建筑需求側(cè)管理國(guó)家示范項(xiàng)目，同年商業(yè)建筑虛擬電廠啟動(dòng)，這也是全國(guó)首家商業(yè)建筑虛擬電廠。2018年，由國(guó)家電網(wǎng)主導(dǎo)的“虛擬電廠”標(biāo)準(zhǔn)獲得國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）批準(zhǔn)立項(xiàng)，成為這一領(lǐng)域全球首批國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，填補(bǔ)了空白。2019年，國(guó)網(wǎng)冀北電力的虛擬電廠示范工程投運(yùn)，參與華北（京津唐）調(diào)峰輔助服務(wù)市場(chǎng)。年底經(jīng)國(guó)家能源局批復(fù)，華北能源監(jiān)管局印發(fā)了《第三方獨(dú)立主體參與華北電力調(diào)峰輔助服務(wù)市場(chǎng)規(guī)則（試行）》，國(guó)網(wǎng)冀北電力虛擬電廠作為我國(guó)首個(gè)以市場(chǎng)化方式運(yùn)營(yíng)的虛擬電廠示范工程投運(yùn)。2022年5月20日，部署于國(guó)電投深圳能源的虛擬電廠通過(guò)試點(diǎn)獲利，成為國(guó)內(nèi)首個(gè)虛擬電廠調(diào)度用戶負(fù)荷參與電力現(xiàn)貨市場(chǎng)盈利的案例。

4.虛擬電廠作用和建設(shè)意義

虛擬電廠對(duì)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(jìn)分布式新能源并網(wǎng)消納，開(kāi)展電力用戶優(yōu)質(zhì)能源服務(wù)，推動(dòng)全社會(huì)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(guò)提取資源響應(yīng)速度、響應(yīng)時(shí)長(zhǎng)、響應(yīng)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(chǎng)景下，調(diào)度內(nèi)部資源主動(dòng)參與需求響應(yīng)市場(chǎng)邀約、調(diào)峰輔助服務(wù)交易，最大程度支撐電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行和電力可靠供應(yīng)。

（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(dòng)性可再生能源接入后，傳統(tǒng)“源隨荷動(dòng)”的電網(wǎng)運(yùn)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(fēng)光新能源裝機(jī)10億千瓦測(cè)算，據(jù)測(cè)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(jìn)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(jí)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(fù)荷預(yù)測(cè)精度，增大負(fù)荷側(cè)時(shí)空不確定性。利用虛擬電廠技術(shù)，可開(kāi)展分布式新能源本地交易，同時(shí)也可依托現(xiàn)貨市場(chǎng)開(kāi)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(jì)性。通過(guò)開(kāi)展虛擬電廠多能源信息化、自動(dòng)化、智能化建設(shè)，實(shí)現(xiàn)以電能為中心，多種儲(chǔ)能形式為補(bǔ)充，能源消費(fèi)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(chǔ)，縱向貫通能源供給和需求，實(shí)現(xiàn)區(qū)域多能流源網(wǎng)荷儲(chǔ)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(jì)性。

（5）有利于落實(shí)國(guó)家節(jié)能減排戰(zhàn)略。圍繞工業(yè)園區(qū)多能源優(yōu)化運(yùn)行能力、多能耦合互動(dòng)調(diào)控能力和低碳高效協(xié)同能力建設(shè)，在多能負(fù)荷參與電網(wǎng)友好互動(dòng)方面實(shí)現(xiàn)全面技術(shù)創(chuàng)新。推動(dòng)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(fèi)中的比重，進(jìn)而提高全社會(huì)綜合能源效率。

5.虛擬電廠政策發(fā)布情況

近幾年，我國(guó)有關(guān)虛擬電廠領(lǐng)域的政策密集發(fā)布，國(guó)家發(fā)改委、能源局在新型儲(chǔ)能、電力市場(chǎng)體系、電力現(xiàn)貨市場(chǎng)、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(guó)家層面

2021年3月，國(guó)家發(fā)改委、能源局發(fā)布《關(guān)于推動(dòng)電力源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化和多能互補(bǔ)發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》，依托“云大物移智鏈”等技術(shù)，進(jìn)一步加強(qiáng)源網(wǎng)荷儲(chǔ)多向互動(dòng)，通過(guò)虛擬電廠等一體化聚合模式，參與電力中長(zhǎng)期、輔助服務(wù)、現(xiàn)貨等市場(chǎng)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(chǔ)靈活、高效互動(dòng)的電力運(yùn)行與市場(chǎng)體系，充分發(fā)揮區(qū)域電網(wǎng)的調(diào)節(jié)作用，落實(shí)電源、電力用戶、儲(chǔ)能、虛擬電廠參與市場(chǎng)機(jī)制。

2021年7月，國(guó)家發(fā)改委、能源局發(fā)布《關(guān)于加快推動(dòng)新型儲(chǔ)能發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》，積極支持用戶側(cè)儲(chǔ)能多元化發(fā)展。鼓勵(lì)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(shè)施、工業(yè)園區(qū)等其它終端用戶，探索儲(chǔ)能融合發(fā)展新場(chǎng)景。鼓勵(lì)聚合利用不間斷電源、電動(dòng)汽車(chē)、用戶側(cè)儲(chǔ)能等分散式儲(chǔ)能設(shè)施，依托大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能、區(qū)塊鏈等技術(shù)，結(jié)合體制機(jī)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(guó)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(kāi)展工業(yè)可調(diào)節(jié)負(fù)荷、樓宇空調(diào)負(fù)荷、大數(shù)據(jù)中心負(fù)荷、用戶側(cè)儲(chǔ)能、新能源汽車(chē)與電網(wǎng)（V2G）能量互動(dòng)等各類資源聚合的虛擬電廠示范。

2022年1月，國(guó)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(jī)制和政策措施的意見(jiàn)》，拓寬電力需求響應(yīng)實(shí)施范圍，通過(guò)多種方式挖掘各類需求側(cè)資源并組織其參與需求響應(yīng)，支持用戶側(cè)儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施、分布式發(fā)電等用戶側(cè)可調(diào)節(jié)資源，以及負(fù)荷聚合商、虛擬電廠運(yùn)營(yíng)商、綜合能源服務(wù)商等參與電力市場(chǎng)交易和系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)節(jié)。

2022年1月，國(guó)家發(fā)改委、能源局發(fā)布《關(guān)于加快建設(shè)全國(guó)統(tǒng)一電力市場(chǎng)體系的指導(dǎo)意見(jiàn)》，提出因地制宜建立發(fā)電容量成本回收機(jī)制，鼓勵(lì)抽水蓄能、儲(chǔ)能、虛擬電廠等調(diào)節(jié)電源的投資建設(shè)。

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

2022年6月，國(guó)家能源局南方監(jiān)管局發(fā)布《南方區(qū)域電力并網(wǎng)運(yùn)行管理實(shí)施細(xì)則》、《南方區(qū)域電力輔助服務(wù)管理實(shí)施細(xì)則》（南方監(jiān)能市場(chǎng)〔2022〕91號(hào)），在附件《南方區(qū)域可調(diào)節(jié)負(fù)荷并網(wǎng)運(yùn)行及輔助服務(wù)管理實(shí)施細(xì)則》中提出直控型可調(diào)節(jié)負(fù)荷包括直控型電力用戶和直控型聚合平臺(tái)（含負(fù)荷聚合商、虛擬電廠等形式聚合，目前僅允許對(duì)同一地市管轄范圍內(nèi)的多個(gè)電力用戶進(jìn)行聚合）兩類。納入該細(xì)則管理的直控型可調(diào)節(jié)負(fù)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(shí)間不低于0.5小時(shí)，可以參與一次調(diào)頻服務(wù)、自動(dòng)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(chǔ)。

2022年11月，國(guó)家能源局發(fā)布《電力現(xiàn)貨市場(chǎng)基本規(guī)則（征求意見(jiàn)稿）》，推動(dòng)儲(chǔ)能、分布式發(fā)電、負(fù)荷聚合商、虛擬電廠和新能源微電網(wǎng)等新興市場(chǎng)主體參與交易。

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

2023年1月，國(guó)家能源局發(fā)布《新型電力系統(tǒng)發(fā)展藍(lán)皮書(shū)（征求意見(jiàn)稿）》，積極培育電力源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化、負(fù)荷聚合服務(wù)、綜合能源服務(wù)、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(yīng)資源，打造具備實(shí)時(shí)可觀、可測(cè)、可控能力的需求響應(yīng)系統(tǒng)平臺(tái)與控制終端參與電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行，提升用戶側(cè)靈活調(diào)節(jié)能力。

2023年1月，國(guó)家能源局發(fā)布《2023年能源監(jiān)管工作要點(diǎn)》，加快推進(jìn)輔助服務(wù)市場(chǎng)建設(shè)，建立電力輔助服務(wù)市場(chǎng)專項(xiàng)工作機(jī)制，研究制定電力輔助服務(wù)價(jià)格辦法，建立健全用戶參與的輔助服務(wù)分擔(dān)共享機(jī)制，推動(dòng)調(diào)頻、備用等品種市場(chǎng)化，不斷引導(dǎo)虛擬電廠、新型儲(chǔ)能等新型主體參與系統(tǒng)調(diào)節(jié)，探索推進(jìn)“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”協(xié)同共治。

2023年2月，工信部等六部門(mén)發(fā)布《關(guān)于推動(dòng)能源電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》，探索開(kāi)展源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化、多能互補(bǔ)的智慧能源系統(tǒng)、智能微電網(wǎng)、虛擬電廠建設(shè)，開(kāi)發(fā)快速實(shí)時(shí)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(dòng)技術(shù)，加快適用于智能微電網(wǎng)的光伏產(chǎn)品和儲(chǔ)能系統(tǒng)等研發(fā)，滿足用戶個(gè)性化用電需求。

（2）省級(jí)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(yīng)補(bǔ)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(yīng)參與主體；云南、江蘇、山東等省份則已提出儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商參與需求響應(yīng)的準(zhǔn)入條件。各省補(bǔ)貼政策的出臺(tái)，除了激發(fā)需求側(cè)資源主體參與市場(chǎng)的積極性，一定程度上也提升了虛擬電廠、用戶側(cè)儲(chǔ)能的經(jīng)濟(jì)性。

伴隨我國(guó)電力市場(chǎng)建設(shè)的持續(xù)深入，價(jià)格機(jī)制作用將愈發(fā)凸顯，帶動(dòng)電力市場(chǎng)建設(shè)朝著更加市場(chǎng)化、規(guī)范化和科學(xué)化的方向邁進(jìn)，以現(xiàn)貨市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的虛擬電廠將逐步成為調(diào)控主體，電力供需互動(dòng)形態(tài)會(huì)發(fā)生根本性轉(zhuǎn)變。未來(lái)，或許需要通過(guò)統(tǒng)一規(guī)范各行業(yè)用能與電網(wǎng)的互動(dòng)接口標(biāo)準(zhǔn)建立資源聚合平臺(tái)、虛擬電廠等第三方運(yùn)營(yíng)主體，實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、家電云平臺(tái)、車(chē)聯(lián)網(wǎng)等平臺(tái)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(yùn)行。