電力市場(chǎng)環(huán)境下虛擬電廠經(jīng)濟(jì)效益敏感因素分析

高政南，劉康平，張躍龍，周飛航，王 灝，姜 楠，陳啟鑫

（1. 內(nèi)蒙古電力交易中心有限公司，呼和浩特 010020；2. 電力系統(tǒng)及大型發(fā)電設(shè)備安全控制和仿真國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（清華大學(xué)），北京 100084）

0 引言

中央財(cái)經(jīng)委員會(huì)第九次會(huì)議提出加快構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的要求，明確了新型電力系統(tǒng)應(yīng)具備更強(qiáng)消納新能源的能力、開放互動(dòng)、靈活高效等基本特征［1］。虛擬電廠作為構(gòu)成新型電力系統(tǒng)的重要主體之一，能夠?qū)⒎植际诫娫?、?chǔ)能、電動(dòng)汽車等多種可調(diào)節(jié)資源有機(jī)結(jié)合，通過通信技術(shù)與控制技術(shù)，對(duì)可調(diào)節(jié)資源進(jìn)行調(diào)控以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部資源的整體優(yōu)化。分析影響虛擬電廠經(jīng)濟(jì)效益的投資運(yùn)營(yíng)成本、收益來源等多種敏感因素，將有利于虛擬電廠優(yōu)化建設(shè)運(yùn)營(yíng)，支撐長(zhǎng)效發(fā)展。

當(dāng)前對(duì)虛擬電廠經(jīng)濟(jì)效益的相關(guān)研究主要聚焦于4個(gè)方面。一是優(yōu)化虛擬電廠的內(nèi)部資源運(yùn)行方式以獲得更高收益。文獻(xiàn)［2］研究了確保虛擬電廠在日前市場(chǎng)收益最大化的內(nèi)部基礎(chǔ)配置組合策略；文獻(xiàn)［3］和文獻(xiàn)［4］研究了確保虛擬電廠成本效益最優(yōu)、風(fēng)險(xiǎn)可控的聚合風(fēng)、光、水等能源的內(nèi)部?jī)?yōu)化運(yùn)行方式。二是對(duì)虛擬電廠內(nèi)部資源利益的重新分配以提升總體效益。文獻(xiàn)［5］研究了基于改進(jìn)Shapley算法對(duì)風(fēng)電與聚合商合作博弈后的利益重新分配；文獻(xiàn)［6］基于時(shí)間尺度對(duì)虛擬電廠內(nèi)部合作博弈后的剩余利益分配因素進(jìn)行了探討。三是研究虛擬電廠參與電力市場(chǎng)的機(jī)制以獲得增量收益。文獻(xiàn)［7］研究了虛擬電廠參與現(xiàn)貨市場(chǎng)時(shí)兼顧風(fēng)險(xiǎn)、提升收益的交易策略；文獻(xiàn)［8］和文獻(xiàn)［9］研究了虛擬電廠通過參與調(diào)峰、調(diào)頻等輔助服務(wù)獲取收益補(bǔ)償?shù)姆绞?。四是研究了與虛擬電廠有關(guān)的效益影響條件。文獻(xiàn)［10］研究了多投資商虛擬電廠的容量配置對(duì)成本效益的影響；文獻(xiàn)［11］研究了分布式電源聚合狀態(tài)下的虛擬電廠成本效益以支撐電源規(guī)劃；文獻(xiàn)［12］建立了虛擬電廠的效益評(píng)價(jià)指標(biāo)體系并進(jìn)行了論證。

盡管上述文獻(xiàn)在對(duì)虛擬電廠的效益研究方面取得了一定進(jìn)展，但未能在虛擬電廠規(guī)?；七M(jìn)建設(shè)和運(yùn)營(yíng)過程中，對(duì)市場(chǎng)化環(huán)境下的經(jīng)濟(jì)效益影響因素展開充分研究，也缺乏算例分析與討論。為此，本文基于虛擬電廠在一定區(qū)域內(nèi)具備直接控制供能、用能和儲(chǔ)能等資源的特點(diǎn)，對(duì)電力市場(chǎng)環(huán)境下虛擬電廠經(jīng)濟(jì)效益的敏感因素展開分析。首先對(duì)虛擬電廠的建設(shè)投資成本、運(yùn)營(yíng)成本和收益來源進(jìn)行梳理，構(gòu)建了虛擬電廠經(jīng)濟(jì)效益模型；在此基礎(chǔ)上，從市場(chǎng)化收益的視角下選取影響敏感因素，提出虛擬電廠參與不同市場(chǎng)交易品種的經(jīng)濟(jì)效益分析方法；最后，通過算例驗(yàn)證，討論了虛擬電廠經(jīng)濟(jì)效益在不同敏感因素條件下的變化趨勢(shì)，并通過投資回收期等指標(biāo)對(duì)不同敏感因素進(jìn)行綜合考量。

1 經(jīng)濟(jì)效益構(gòu)成

典型的虛擬電廠通常包括分布式電源、儲(chǔ)能和可控負(fù)荷等資源，其經(jīng)濟(jì)效益通常需要考慮成本和收益兩個(gè)部分，成本主要包括建設(shè)投資成本和運(yùn)營(yíng)成本，收益主要來源于市場(chǎng)化交易和政策補(bǔ)貼等。

1.1 建設(shè)投資成本

初始建設(shè)投資成本包括土建成本、硬件設(shè)備安裝、軟件系統(tǒng)布控等成本?，F(xiàn)將全部成本統(tǒng)一考慮為綜合建設(shè)投資成本CT，即

式中：I1、I2和I3分別為分布式電源、儲(chǔ)能設(shè)備和電動(dòng)汽車的建設(shè)投資相關(guān)成本。

1.2 運(yùn)行維護(hù)成本

虛擬電廠的日常運(yùn)營(yíng)主要包括對(duì)軟硬件設(shè)備的維護(hù)和運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生的人力費(fèi)用和設(shè)備檢修費(fèi)用。一般運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本CO按年計(jì)算，即

式中：θ為運(yùn)行維護(hù)成本系數(shù)；Io為虛擬電廠的年運(yùn)維成本。

1.3 市場(chǎng)化收益

（1）調(diào)峰交易

虛擬電廠典型的收益方式是通過參與削峰填谷交易，以對(duì)應(yīng)的峰谷分時(shí)電價(jià)計(jì)算收益。此時(shí)，虛擬電廠可在價(jià)格高峰時(shí)段通過儲(chǔ)能設(shè)備放電、分布式電源發(fā)電獲取收益；在低谷時(shí)段通過儲(chǔ)能設(shè)備、電動(dòng)汽車充電降低成本。虛擬電廠調(diào)峰收益為

式中：γE為能量市場(chǎng)價(jià)格；E2為儲(chǔ)能消耗的電能。

（3）電能量現(xiàn)貨交易

在現(xiàn)貨交易啟動(dòng)后，調(diào)峰交易將自動(dòng)融入現(xiàn)貨電能量市場(chǎng)。虛擬電廠可通過參與現(xiàn)貨交易獲得電能量收益，通過峰谷價(jià)差獲利，模型與調(diào)峰類似。相對(duì)于調(diào)峰交易，虛擬電廠參與現(xiàn)貨交易后不得隨意退出，并且峰谷電價(jià)由市場(chǎng)化方式?jīng)Q定。

1.4 經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)

（1）項(xiàng)目?jī)衄F(xiàn)值NPV

凈現(xiàn)值（net present value，NPV）是反映虛擬電廠項(xiàng)目整體投資在全生命周期內(nèi)獲利能力的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)［13］。NPV可表示為

式中：T為項(xiàng)目運(yùn)行的周期；CI和Co分別為資金的流入和流出；m為對(duì)應(yīng)的時(shí)間；r為基準(zhǔn)收益率；NPV為評(píng)價(jià)項(xiàng)目盈利能力的絕對(duì)指標(biāo)。當(dāng)NPV＞0時(shí)，說明能夠得到超額收益；當(dāng)NPV=0 時(shí)，說明能夠滿足基準(zhǔn)收益率要求的盈利水平；當(dāng)NPV＜0 時(shí)，說明收益水平無法滿足基準(zhǔn)收益率要求，無法回收成本。

（2）內(nèi)部收益率IRR

內(nèi)部收益率（internal rate of return，IRR）是用來衡量項(xiàng)目盈利水平的指標(biāo)［14］。IRR為假設(shè)NPV為0時(shí)的貼現(xiàn)率取值，即當(dāng)r=IRR時(shí)，滿足

內(nèi)部收益率不需要任何前置參數(shù)就可以計(jì)算，表現(xiàn)的是項(xiàng)目本身的盈利能力，內(nèi)部收益率越高則項(xiàng)目的可行性越強(qiáng)。

2 敏感因素選取

根據(jù)虛擬電廠的經(jīng)濟(jì)效益構(gòu)成，可知初期建設(shè)成本為一次性投入，運(yùn)維成本相對(duì)固定，經(jīng)濟(jì)效益主要受到市場(chǎng)化交易和一次性政策補(bǔ)貼影響。由于各地對(duì)于虛擬電廠以及內(nèi)部資源的支持政策差異性較大，且一般為市場(chǎng)外一次性支付資金，政策補(bǔ)貼無法作為有規(guī)律的敏感因素進(jìn)行分析。因此，虛擬電廠的經(jīng)濟(jì)效益在考慮初期成本的基礎(chǔ)上，以參與不同市場(chǎng)化交易產(chǎn)生的收益作為主要敏感因素展開研究。

2.1 參與調(diào)峰交易

在市場(chǎng)化環(huán)境建立初期，虛擬電廠通過參與調(diào)峰交易獲取主要收益。內(nèi)部聚合的分布式電源出力具有反調(diào)峰特性，都不具備調(diào)峰能力，僅能通過發(fā)電成本較低的特點(diǎn)為虛擬電廠內(nèi)的儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車等資源充電，余量可返送電網(wǎng)。儲(chǔ)能設(shè)備具備充放電可控可調(diào)的特點(diǎn)，可通過谷時(shí)低價(jià)充電、在早晚用電高峰期放電提高收益獲取能力。電動(dòng)汽車主要起到需求響應(yīng)的調(diào)節(jié)作用，谷時(shí)低價(jià)購電，以降低虛擬電廠的市場(chǎng)化購電成本。此時(shí)，虛擬電廠參與調(diào)峰交易對(duì)應(yīng)峰谷時(shí)段調(diào)節(jié)電量的分配是影響經(jīng)濟(jì)效益的敏感因素。

2.2 參與調(diào)頻交易

虛擬電廠可參與大電網(wǎng)的調(diào)頻交易以支撐大電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。由于分布式電源不具備穩(wěn)定可控條件，虛擬電廠參與調(diào)頻多以聚合的儲(chǔ)能資源為主。當(dāng)虛擬電廠接受調(diào)度指令后，儲(chǔ)能資源具備較燃煤機(jī)組更精準(zhǔn)的響應(yīng)能力和更高效的響應(yīng)效率，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于系統(tǒng)負(fù)荷的跟蹤調(diào)整，從而獲得更高的調(diào)頻里程費(fèi)用和調(diào)頻容量費(fèi)用。此時(shí)，虛擬電廠內(nèi)儲(chǔ)能資源的參與量?jī)r(jià)是影響經(jīng)濟(jì)效益的敏感因素。

2.3 參與調(diào)峰和調(diào)頻交易

為了促使虛擬電廠的市場(chǎng)化收益水平最大化，需要將有限的內(nèi)部聚合資源有效應(yīng)用于調(diào)峰和調(diào)頻交易?？紤]到虛擬電廠中儲(chǔ)能是市場(chǎng)化收益的主要資源，由于季節(jié)氣候的影響，一年內(nèi)較大的峰谷價(jià)差時(shí)段有限，而參與調(diào)頻是一個(gè)長(zhǎng)期的過程，無法隨進(jìn)隨出，因此在虛擬電廠參與調(diào)峰與調(diào)頻的過程中需要以儲(chǔ)能的可循環(huán)次數(shù)為約束條件，合理分配參與調(diào)峰和調(diào)頻空間。

2.4 參與現(xiàn)貨交易

現(xiàn)貨交易啟動(dòng)后，虛擬電廠將參與到連續(xù)開市的市場(chǎng)化交易中。與調(diào)峰相比，市場(chǎng)價(jià)格將從相對(duì)固定的削峰填谷價(jià)格轉(zhuǎn)化為隨市場(chǎng)波動(dòng)的現(xiàn)貨出清價(jià)，價(jià)格水平隨行就市。主要約束條件在于儲(chǔ)能循環(huán)次數(shù)、充放（發(fā)用）電量和對(duì)應(yīng)的市場(chǎng)電價(jià)。經(jīng)濟(jì)效益的敏感因素在于現(xiàn)貨交易中不同價(jià)差日的電量分配。

2.5 參與現(xiàn)貨和調(diào)頻交易

虛擬電廠同時(shí)參與現(xiàn)貨和調(diào)頻兩種市場(chǎng)化交易品種，同樣應(yīng)將有限的資源合理分配在高收益的市場(chǎng)化交易中。此時(shí)經(jīng)濟(jì)效益的敏感因素需要考慮調(diào)頻交易高價(jià)周期和現(xiàn)貨交易高價(jià)差的周期分布，將可用資源全部分配至價(jià)格最高的交易品種，剩余資源再向次優(yōu)資源覆蓋。

3 算例分析

本文以某地新建虛擬電廠為例，該虛擬電廠對(duì)內(nèi)部分布式光伏、電化學(xué)儲(chǔ)能和電動(dòng)汽車等資源采取直控方式。首先設(shè)定虛擬電廠投資成本、運(yùn)維成本及電價(jià)等基本參數(shù)，作為經(jīng)濟(jì)性分析邊界條件；其次，以虛擬電廠消耗電能由內(nèi)部資源供給的比例為閾值，即用電（充電）分別由內(nèi)部資源100%、60%、20%供給，對(duì)調(diào)峰、調(diào)頻和現(xiàn)貨等獨(dú)立交易場(chǎng)景、組合交易場(chǎng)景下虛擬電廠的市場(chǎng)化收益敏感因素展開分析；最后，結(jié)合經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)得出相應(yīng)敏感因素分析結(jié)果。

3.1 虛擬電廠參數(shù)

設(shè)定聚合的分布式光伏總?cè)萘? MW，儲(chǔ)能電站為5 MW/10 MWh磷酸鐵鋰電池［15］，電動(dòng)汽車總?cè)萘?.3 MW［16—17］，具體參數(shù)如表1所示。

表1 虛擬電廠基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of VPP

3.2 市場(chǎng)電價(jià)設(shè)置

參考某省現(xiàn)貨交易啟動(dòng)前的調(diào)峰交易歷史價(jià)格，調(diào)峰交易結(jié)果最高價(jià)格為900元/MWh，交易均價(jià)為360元/MWh。根據(jù)某省調(diào)頻市場(chǎng)的出清結(jié)果，調(diào)頻里程出清價(jià)格范圍為2～12元/MW，全年調(diào)頻里程出清均價(jià)5元/MW，調(diào)頻里程最高均價(jià)9元/MW，調(diào)頻里程最低均價(jià)3 元/MW，調(diào)頻容量補(bǔ)償12 元/MWh，具體參數(shù)如表2所示。

表2 調(diào)頻里程價(jià)格場(chǎng)景Table 2 Price scenarios of frequency modulation mileage

某省現(xiàn)貨啟動(dòng)后，市場(chǎng)出清電價(jià)范圍為0～1.5元/kWh，按照某省歷次現(xiàn)貨出清價(jià)格規(guī)律設(shè)定價(jià)格場(chǎng)景如表3所示。

表3 現(xiàn)貨交易價(jià)格場(chǎng)景Table 3 Price scenarios of spot market

3.3 市場(chǎng)化收益敏感因素分析

（1）分別參與調(diào)峰和調(diào)頻交易的收益

在市場(chǎng)建設(shè)初期，虛擬電廠以參與調(diào)峰交易為主，具備條件后可進(jìn)一步參與調(diào)頻交易。表4 為虛擬電廠分別參與調(diào)峰和調(diào)頻交易的整體收益。在參與調(diào)峰交易中，虛擬電廠聚合分布式電源利用成本低的優(yōu)勢(shì)，在價(jià)格低谷時(shí)段為儲(chǔ)能和電動(dòng)汽車充電；儲(chǔ)能資源利用充放可控的優(yōu)勢(shì)，在一天內(nèi)通過兩次滿充滿放循環(huán)，在峰時(shí)放電、谷時(shí)充電獲取收益；電動(dòng)汽車在低谷時(shí)充電降低虛擬電廠綜合成本。在參與調(diào)頻交易時(shí)，虛擬電廠聚合的儲(chǔ)能資源提供了里程和容量的響應(yīng)，內(nèi)部供電的成本主要來自電動(dòng)汽車充電。總體來看，調(diào)頻交易的收益顯著優(yōu)于調(diào)峰交易，并且在市場(chǎng)價(jià)格較為穩(wěn)定的當(dāng)前階段，推動(dòng)分布式電源更多參與外部市場(chǎng)，可獲取的收益將高于向內(nèi)部供電。

表4 虛擬電廠分別參與調(diào)峰、調(diào)頻的收益Table 4 Incomes of VPP participating in peak shaving and frequency moduling萬元

（2）同時(shí)參與調(diào)峰和調(diào)頻的收益

在尚未開展現(xiàn)貨交易的地區(qū)，調(diào)峰交易與調(diào)頻交易同步開展。表5為虛擬電廠同時(shí)參與調(diào)峰和調(diào)頻的整體收益情況。設(shè)定兩種交易場(chǎng)景：①虛擬電廠在高價(jià)時(shí)段參與削峰、在其余時(shí)段參與調(diào)頻交易；②在調(diào)頻高價(jià)周內(nèi)響應(yīng)調(diào)頻信號(hào)、在其余時(shí)段仍參與調(diào)峰交易。通過收益的對(duì)比，可知虛擬電廠在參與調(diào)頻交易時(shí)大量規(guī)避了從市場(chǎng)購電的成本支出，以調(diào)頻為主的場(chǎng)景收益要大幅高于以調(diào)峰為主的場(chǎng)景。

表5 虛擬電廠同步參與調(diào)峰和調(diào)頻的收益Table 5 Incomes of VPP participating in peak shaving and frequency moduling simultaneously萬元

（3）參與現(xiàn)貨、聯(lián)合調(diào)頻的收益

在現(xiàn)貨交易啟動(dòng)后，市場(chǎng)主體一般以參與單一交易品種起步，逐步完善聯(lián)合參與條件。表6 為虛擬電廠參與單一現(xiàn)貨交易和參與現(xiàn)貨、調(diào)頻聯(lián)合交易的收益分析。總體上，將資源更多分配于參與調(diào)頻交易，會(huì)創(chuàng)造更高的收益?，F(xiàn)貨交易以市場(chǎng)化方式激勵(lì)峰谷差繼續(xù)拉大，收益高于參與調(diào)峰。同時(shí)參與現(xiàn)貨與調(diào)頻交易，是目前全部場(chǎng)景中虛擬電廠可獲得收益效果最優(yōu)的情況。

表6 虛擬電廠參與現(xiàn)貨、調(diào)頻的收益Table 6 Incomes of VPP participating in spot market and frequency moduling萬元

3.4 經(jīng)濟(jì)效益敏感因素分析

考慮虛擬電廠凈現(xiàn)值NPV=0 的條件下，內(nèi)部收益率IRR水平。虛擬電廠參與各類市場(chǎng)化交易的經(jīng)濟(jì)效益如表7所示。

表7 虛擬電廠經(jīng)濟(jì)效益分析Table 7 Economic benefit analysis of VPP

在對(duì)虛擬電廠市場(chǎng)化收益敏感因素分析的基礎(chǔ)上，考慮儲(chǔ)能資源的生命周期較短，因此以優(yōu)先回收儲(chǔ)能投資為邊界條件，通過對(duì)虛擬電廠建設(shè)成本、運(yùn)營(yíng)成本、市場(chǎng)收益等總體考慮，以IRR判斷虛擬電廠經(jīng)濟(jì)效益的敏感度因素?？梢缘贸觯孩偬摂M電廠單獨(dú)參與調(diào)頻交易比單獨(dú)參與調(diào)峰交易的收益率更高、成本收回年限更短；②參與調(diào)頻的資源占比越高，收益率越高，但由于當(dāng)前虛擬電廠建設(shè)成本仍處于高位，成本回收周期變化不大；③現(xiàn)貨市場(chǎng)啟動(dòng)后將較調(diào)峰交易顯著縮短成本回收周期；④全部時(shí)段參與調(diào)頻、高價(jià)時(shí)段參與現(xiàn)貨表現(xiàn)出較好的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

為了探索影響虛擬電廠經(jīng)濟(jì)效益的敏感因素，本文基于我國(guó)推進(jìn)虛擬電廠參與市場(chǎng)化交易的現(xiàn)實(shí)需要，構(gòu)建了虛擬電廠經(jīng)濟(jì)效益模型，并討論分析了虛擬電廠參與多種市場(chǎng)化交易品種對(duì)經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生影響的敏感因素。

虛擬電廠的經(jīng)濟(jì)效益往往涉及投資建設(shè)成本、運(yùn)營(yíng)成本、市場(chǎng)化購電成本和市場(chǎng)化收益等多個(gè)方面，與虛擬電廠內(nèi)部聚合資源、參與的交易品種密切相關(guān)，對(duì)經(jīng)濟(jì)效益的敏感度分析方法已經(jīng)成為虛擬電廠規(guī)劃、建設(shè)、落地及運(yùn)營(yíng)需要面臨的關(guān)鍵技術(shù)問題。

虛擬電廠無論是通過單一交易獲取收益，還是參與多種交易組合的模式，為優(yōu)化經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)盡可能多地將可控資源投入收益較高的交易品種。通過衡量外部?jī)r(jià)格與內(nèi)部?jī)r(jià)格水平，在外部?jī)r(jià)格顯著低于內(nèi)部?jī)r(jià)格或較為穩(wěn)定的階段，將剩余資源全部投入，可規(guī)避價(jià)格波動(dòng)產(chǎn)生的收益風(fēng)險(xiǎn)，穩(wěn)定成本回收。D