智能調(diào)電：“虛擬電廠”火了

文/本刊記者 張程

具有智能調(diào)度和平衡作用的“虛擬電廠”越來越受到關(guān)注和重視

2022年夏天，全國多地出現(xiàn)35℃以上的連續(xù)高溫天氣，導(dǎo)致社會用電需求增長較快，部分地區(qū)出現(xiàn)電力供應(yīng)緊張的局面，為了應(yīng)對這種局面，提高電力調(diào)配能力成為討論的熱點。一種削峰填谷、維持電力供需平衡的解決方案——“虛擬電廠”進入了公眾視野，受到廣泛關(guān)注。

什么是“虛擬電廠”

1997年出版的《虛擬公共設(shè)施:新興產(chǎn)業(yè)的描述、技術(shù)及競爭力》一書是最早提出“虛擬電廠”概念的著作。這本書中指出，“虛擬電廠”可以使得受市場驅(qū)動的獨立實體間靈活合作，且能夠為消費者提供所需的高效電能服務(wù)而不必?fù)碛邢鄳?yīng)的資產(chǎn)。隨后這一概念被不斷發(fā)展和延伸，目前“虛擬電廠”被廣泛的認(rèn)為是一種利用軟件系統(tǒng)和信息通信技術(shù)，將分布式發(fā)電、需求側(cè)和儲能資源聚合并統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制，從而參與電力市場和電網(wǎng)輔助服務(wù)并獲取收益的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

“虛擬電廠”既可以作為“正電廠”向系統(tǒng)供電調(diào)峰，又可作為“負(fù)電廠”加大負(fù)荷消納能力，配合系統(tǒng)填谷；既可快速響應(yīng)指令，配合保障系統(tǒng)穩(wěn)定并獲得經(jīng)濟補償，也可等同電廠參與到電力市場交易、電力輔助服務(wù)交易等。

“虛擬電廠”的發(fā)展以三類可控資源的發(fā)展為前提，分別是可控負(fù)荷、分布式電源和儲能，以上三類電源在現(xiàn)實中往往糅合在一起，作為“虛擬電廠”的控制單元?？煽刎?fù)荷，即在電網(wǎng)高峰時段或緊急狀況下，電力用戶可以中斷的負(fù)荷部分，主要通過物聯(lián)網(wǎng)的布置，對商業(yè)樓宇或公共建筑上的用電設(shè)備進行監(jiān)測和控制。比如在夏季用電高峰時，大型商場、寫字樓的空調(diào)短時間停止運行，僅會導(dǎo)致溫度上升一兩度，人體感知差異較小，但是這些電量就可以對高峰期的電網(wǎng)形成有效的支撐，達(dá)到調(diào)峰的作用。不過，各類負(fù)荷資源能否參與“虛擬電廠”以及參與度的大小，受到負(fù)荷的調(diào)節(jié)能力影響，一般而言，使用頻次低、可調(diào)節(jié)時段長、響應(yīng)時間快，則負(fù)荷的調(diào)節(jié)能力較高。綜合來看，可控負(fù)荷資源潛力的大小由“可調(diào)節(jié)能力”和“價格敏感度”兩大因素決定，單個用戶可調(diào)節(jié)能力大、價格敏感度高，則具有規(guī)模開發(fā)的基本條件。

分布式電源是指在用戶現(xiàn)場或靠近用電現(xiàn)場配置較小的發(fā)電機組，以滿足特定用戶的需要，具有經(jīng)濟性、靈活性的特點。例如小型燃料發(fā)電機，光伏發(fā)電機，風(fēng)能發(fā)電機，燃料電池等。儲能是通過介質(zhì)把能量儲存起來，在需要的時候再進行釋放，儲能手段有電化學(xué)儲能、電磁儲能和機械儲能等。

從技術(shù)端來看，“虛擬電廠”需要用到計量技術(shù)、通信技術(shù)、智能調(diào)度決策技術(shù)和信息安全防護技術(shù)等。精準(zhǔn)的計量是“虛擬電廠”建立的基礎(chǔ)，可靠的通信是“虛擬電廠”可靠運行的條件，智能調(diào)度決策技術(shù)是“虛擬電廠”發(fā)揮作用的重要保證，而信息防護技術(shù)是保證“虛擬電廠”安全穩(wěn)定運行的保障。

簡單理解，“虛擬電廠”類似于電力“智能管家”的角色，可以智能調(diào)配電力，輔助電網(wǎng)更高效的運行。

“虛擬電廠”為何火了

“虛擬電廠”其實并不是新概念，在國外早就有了，甚至很多國家早就在運用這一技術(shù)。之所以近年來在國內(nèi)日益受到重視，主要是來自兩方面的原因。一方面是因為近年來中國在風(fēng)電、光伏發(fā)電等新能源領(lǐng)域發(fā)展迅速，而這些新能源發(fā)電方式往往具有分散性的特點，尤其是光伏發(fā)電，這就需要一個智能動態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)來進行調(diào)節(jié)。另一方面是第三產(chǎn)業(yè)和城市居民用電量占比不斷提高，二者相比于工業(yè)用電，時段性強，波動性較大，這就使得電力峰谷值差距擴大，需要一個智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)來削峰填谷。

中央財經(jīng)委員會2021年第九次會議指出，力爭2030年前實現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年前實現(xiàn)碳中和；計劃至2025年，單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能耗比2020年下降13.5%；單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2020年下降18%。在這種大背景之下，發(fā)展新能源是大勢所趨。在眾多新能源中，風(fēng)能和太陽能被認(rèn)為是最有潛力的清潔能源，因此多國選擇通過提升風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電等電能占終端用能的比例來實現(xiàn)降低碳排放的目標(biāo)。近年來，全球范圍內(nèi)以風(fēng)電、太陽能為主的新能源裝機量及發(fā)電量占比顯著提升。2011—2021年全球風(fēng)電、太陽能裝機量年復(fù)合增長率分別為13.51%和29.69%。風(fēng)電和太陽能作為清潔能源和可再生能源的重要組成部分，將成為降低碳排放，實現(xiàn)全球氣候可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的重要抓手。然而，與傳統(tǒng)火電、水電相比，風(fēng)電及太陽能布點分散，易受天氣等環(huán)境因素影響，因此發(fā)電功率呈現(xiàn)明顯的間歇性和波動性特征。隨著風(fēng)電、太陽能并網(wǎng)比例提升，電網(wǎng)消納及電力調(diào)度面臨挑戰(zhàn)，系統(tǒng)調(diào)峰調(diào)頻需求提升。這需要通過信息技術(shù)手段來優(yōu)化這些分布式電源和儲能資源的調(diào)度配置。

在用電端，數(shù)據(jù)顯示，2021年中國全社會用電量為8.31萬億千瓦時，同比增長10.30%，繼續(xù)保持增長態(tài)勢。用電結(jié)構(gòu)方面，2021年第三產(chǎn)業(yè)、城鄉(xiāng)居民生活用電占比分別為17.12%和14.13%，分別較2011年提升6.26和2.18個百分點。第三產(chǎn)業(yè)和居民生活用電的占比均不斷增加，而第三產(chǎn)業(yè)和居民生活用電均具有顯著的時段性，導(dǎo)致電力負(fù)荷曲線出現(xiàn)惡化，主要表現(xiàn)為用電峰谷差拉大，尖峰負(fù)荷拔高且短暫。隨著用電負(fù)荷特性持續(xù)惡化，電網(wǎng)負(fù)荷尖峰短而高，如果單純依靠增加電源來滿足100%的負(fù)荷需求要付出極大的代價。根據(jù)國家電網(wǎng)測算，通過建設(shè)煤電機組滿足其經(jīng)營區(qū)內(nèi)5%的峰值負(fù)荷，需要投資4000億元建設(shè)電廠和配套電網(wǎng)，而通過合理調(diào)配需求側(cè)資源滿足峰值負(fù)荷需求，投資規(guī)模僅約400億—500億元，“虛擬電廠”在削峰填谷方面的經(jīng)濟優(yōu)勢明顯。

最后，新能源汽車的普及也可能對電網(wǎng)帶來潛在的沖擊。近年來，新能源電動車保有量持續(xù)上升，充電需求為電網(wǎng)帶來大量負(fù)荷。截至2021年，全球新能源汽車銷量達(dá)630萬輛，同比增長94.44%。大量電車同時充電將會為電網(wǎng)帶來更大的負(fù)荷需求。以家用充電為例，在傍晚的用電高峰期，大規(guī)模的電車充電需求將拉大電網(wǎng)的峰谷差，甚至引發(fā)電力供應(yīng)不足的問題；而應(yīng)用“虛擬電廠”技術(shù)，可以將新能源汽車的用電時間推后，在不影響充電效果的情況下適當(dāng)降低充電速度，減小電力峰谷差。因此，“虛擬電廠”能夠在電能消費側(cè)有效緩解無序充放電給電網(wǎng)產(chǎn)生的負(fù)面影響，豐富電力系統(tǒng)的運行和控制手段，并參與系統(tǒng)削峰填谷、提供頻率穩(wěn)定和備用容量等輔助服務(wù)。

綜合上述原因，具有智能調(diào)度和平衡作用的“虛擬電廠”越來越受到關(guān)注和重視。

政策持續(xù)加碼

早在“十三五”期間，我國江蘇、上海、河北等地就開展了電力需求響應(yīng)和“虛擬電廠”的試點工作。其中，江蘇省率先于2015年出臺官方文件《江蘇省電力需求響應(yīng)的實施細(xì)則》，指導(dǎo)電力需求的調(diào)控。此后，中國“虛擬電廠”進入研發(fā)、探索階段，2019年，國家電網(wǎng)提出建設(shè)“泛在電力物聯(lián)網(wǎng)”，并建成國內(nèi)首個“虛擬電廠”——國網(wǎng)冀北虛擬電廠，實現(xiàn)了發(fā)電和用電的自我調(diào)節(jié)。到目前為止，北京、上海、廣東、江蘇、浙江等地先后開展“虛擬電廠”項目試點。2022年6月，《北京市“十四五”時期電力發(fā)展規(guī)劃》首次將“虛擬電廠”的建設(shè)納入電力發(fā)展規(guī)劃中。我國可供參與“虛擬電廠”運營的控制資源體量龐大，可調(diào)負(fù)荷資源超過5000萬千瓦，“虛擬電廠”也隨基礎(chǔ)資源的快速發(fā)展而受到重視。

2022年3月發(fā)布的《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》進一步提出，開展工業(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)儲能、新能源汽車與電網(wǎng)能量互動等各類資源聚合的“虛擬電廠”示范。

目前全國多地“虛擬電廠”建設(shè)已經(jīng)在逐步落地。2022年8月，國內(nèi)首家“虛擬電廠”管理中心在深圳揭牌。據(jù)悉，深圳“虛擬電廠”已接入分布式儲能、數(shù)據(jù)中心、充電站、地鐵等類型負(fù)荷聚合商14家，接入容量達(dá)87萬千瓦，接近一座大型煤電廠的裝機容量。未來深圳“虛擬電廠”管理中心將加快推動分布式光伏、用戶側(cè)儲能、V2G（新能源汽車與電網(wǎng)能量互動）等分布式能源接入“虛擬電廠”集中管理。

機構(gòu)預(yù)計2025年國內(nèi)“虛擬電廠”的運營市場規(guī)模將達(dá)到968億元，2030年將超過4500億元。