新型電力系統(tǒng)下虛擬電廠技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展建議

譚忠富，王冠然

（華北電力大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院, 北京 102206）

近年來(lái)，全球可再生能源發(fā)電占比不斷提升，世界能源格局正加快向風(fēng)光水氫等非化石能源轉(zhuǎn)型的步伐，我國(guó)也提出了構(gòu)建“低碳清潔、安全高效”的能源體系。截至2022 年底我國(guó)風(fēng)光裝機(jī)約7.6 億千瓦，約占發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘康?0%；但我國(guó)仍然是以火電為主、風(fēng)光水核等為補(bǔ)充的傳統(tǒng)電力系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)雙碳戰(zhàn)略，我國(guó)風(fēng)光裝機(jī)將升至70%，成為第一大電源主體，構(gòu)建與能源體系相適應(yīng)的新一代電力系統(tǒng)迫在眉睫。但大規(guī)模風(fēng)光并網(wǎng)將顯著影響電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，而虛擬電廠（Virtual Power Plant，VPP）作為新型分布式能源并網(wǎng)技術(shù)，可通過(guò)優(yōu)化機(jī)組出力、挖掘可控負(fù)荷調(diào)節(jié)潛力，緩解風(fēng)光出力隨機(jī)性影響，保證系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)[1]。在高比例清潔能源并網(wǎng)和建設(shè)新型電力系統(tǒng)背景下，加強(qiáng)對(duì)VPP 的開發(fā)利用，有助于提升電力系統(tǒng)的靈活性，保障電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定，助力我國(guó)雙碳戰(zhàn)略實(shí)現(xiàn)。

一、新型電力系統(tǒng)的關(guān)鍵特征與建設(shè)挑戰(zhàn)

（一） 新型電力系統(tǒng)的關(guān)鍵特征

新型電力系統(tǒng)是以電網(wǎng)為樞紐平臺(tái)，以清潔能源為供應(yīng)主體，以能源電力安全和新能源消納為運(yùn)行目標(biāo)，具有低碳清潔安全高效特點(diǎn)的新一代電力系統(tǒng)[2]，其關(guān)鍵特征與建設(shè)挑戰(zhàn)如圖1 所示。

圖1 新型電力系統(tǒng)的關(guān)鍵特征與建設(shè)挑戰(zhàn)

1. 新能源為主體、多種電網(wǎng)形態(tài)并存、源荷雙向互動(dòng)的物理結(jié)構(gòu)

從電源結(jié)構(gòu)來(lái)看，為實(shí)現(xiàn)電力行業(yè)碳中和，風(fēng)光等新能源將成為發(fā)電主體電量，而傳統(tǒng)化石能源將作為調(diào)節(jié)備用電源，發(fā)揮壓艙石作用。從電網(wǎng)形態(tài)來(lái)看，新能源“集中式+分布式”并重的開發(fā)模式，配網(wǎng)承擔(dān)系統(tǒng)平衡和安全穩(wěn)定作用凸顯，電網(wǎng)將呈現(xiàn)“大電網(wǎng)+主動(dòng)配電網(wǎng)+微電網(wǎng)”并存的局面。從用戶負(fù)荷來(lái)看，隨著儲(chǔ)能、制氫、多能轉(zhuǎn)換等技術(shù)的應(yīng)用，分布式能源和交互式設(shè)備增加，用戶和電網(wǎng)雙向互動(dòng)將成為常態(tài)。

2. 電力系統(tǒng)將具備強(qiáng)不確定性，加速向能源互聯(lián)網(wǎng)形態(tài)轉(zhuǎn)變

風(fēng)光發(fā)電的間歇性和波動(dòng)性特點(diǎn)，使得以新能源為主的新型電力系統(tǒng)充滿強(qiáng)不確定性，對(duì)系統(tǒng)調(diào)節(jié)和風(fēng)光消納能力提出新的要求。為建設(shè)適應(yīng)強(qiáng)不確定性的新型電力系統(tǒng)，一方面要加強(qiáng)通信技術(shù)與終端平臺(tái)的應(yīng)用，打通信息流、能量流，支撐源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)同運(yùn)行，提高新能源消納水平；另一方面則要建設(shè)分布式能源、可調(diào)節(jié)負(fù)荷的微網(wǎng)或主動(dòng)配電網(wǎng)，挖掘負(fù)荷側(cè)調(diào)節(jié)潛力，實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展形態(tài)[3]。

3. 圍繞能源全過(guò)程的支撐技術(shù)，實(shí)現(xiàn)源網(wǎng)荷儲(chǔ)高效經(jīng)濟(jì)的協(xié)同運(yùn)行

新一代型電力系統(tǒng)需要圍繞能源生產(chǎn)、傳輸、消費(fèi)和儲(chǔ)存進(jìn)行一系列關(guān)鍵支撐技術(shù)的研究。這些技術(shù)包括多種清潔能源高效利用與煤電低碳化生產(chǎn)技術(shù)，高比例新能源并網(wǎng)后的支撐保護(hù)等傳輸技術(shù)，智能用電與供需互動(dòng)等利用技術(shù)，電熱冷氣氫等多重儲(chǔ)能技術(shù)[4]。在上述技術(shù)支撐下，統(tǒng)籌管控能源各環(huán)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)源側(cè)清潔低碳、網(wǎng)側(cè)安全高效、荷側(cè)靈活可控和儲(chǔ)側(cè)經(jīng)濟(jì)可靠的協(xié)同運(yùn)行效果。

4. 電力交易主導(dǎo)的全國(guó)統(tǒng)一、多級(jí)多層次協(xié)同運(yùn)行的市場(chǎng)機(jī)制

我國(guó)資源稟賦與能源需求存在逆向分布的特征，基于特高壓電網(wǎng)為骨干的堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)，建立全國(guó)統(tǒng)一的電力市場(chǎng)，健全交易時(shí)序、規(guī)則、結(jié)算和流程，是實(shí)現(xiàn)國(guó)家市場(chǎng)和省級(jí)市場(chǎng)協(xié)同運(yùn)行、全國(guó)電力資源優(yōu)化配置的必然選擇。此外，為保障系統(tǒng)穩(wěn)定、新能源消納、碳減排，我國(guó)將構(gòu)建現(xiàn)貨市場(chǎng)和輔助市場(chǎng)運(yùn)行為主，分布式發(fā)電交易、容量交易、綠電交易、碳權(quán)交易等多級(jí)多層次協(xié)同運(yùn)行的電力市場(chǎng)機(jī)制。

5. 低碳清潔、經(jīng)濟(jì)高效與安全穩(wěn)定統(tǒng)一融合的運(yùn)行理念

新型電力系統(tǒng)的首要目的是實(shí)現(xiàn)電力生產(chǎn)低碳化和清潔化，但大規(guī)模新能源并網(wǎng)，不僅對(duì)大電網(wǎng)和配電網(wǎng)運(yùn)行安全造成直接威脅，還需要系統(tǒng)提供更多的調(diào)節(jié)能力與備用容量。因此，新型電力系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)低碳清潔的同時(shí)，也將秉持安全穩(wěn)定的運(yùn)行理念，在電力市場(chǎng)上以最經(jīng)濟(jì)的形式實(shí)現(xiàn)對(duì)資源的協(xié)調(diào)利用，實(shí)現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)安全的統(tǒng)一。

（二） 建設(shè)新型電力系統(tǒng)的挑戰(zhàn)

相較于傳統(tǒng)電力系統(tǒng)，新型電力系統(tǒng)是結(jié)構(gòu)、形態(tài)、技術(shù)、機(jī)制和理念等全方位的升級(jí)，其轉(zhuǎn)型過(guò)程必然伴隨著新能源與傳統(tǒng)能源和電網(wǎng)之間的發(fā)展矛盾，面臨供需穩(wěn)定、安全運(yùn)行、市場(chǎng)機(jī)制、智能轉(zhuǎn)型等多重挑戰(zhàn)。

1. 新能源發(fā)電隨機(jī)性與系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力不足帶來(lái)的供需平穩(wěn)挑戰(zhàn)

以燃煤為主的傳統(tǒng)電力系統(tǒng)具備可控連續(xù)出力能力，可應(yīng)對(duì)用戶側(cè)負(fù)荷需求變化，然而，新能源出力不穩(wěn)定特性，使其有效供電能力不足。近年來(lái)我國(guó)電網(wǎng)呈現(xiàn)冬夏負(fù)荷雙峰特征，在新能源快速增長(zhǎng)，而系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力不足的情況下，如何保障電力供需穩(wěn)定成為新型電力系統(tǒng)建設(shè)的一大挑戰(zhàn)。

2. 高比例可再生能源與電力電子設(shè)備接入電網(wǎng)引起的安全穩(wěn)定挑戰(zhàn)

分布式可再生能源并網(wǎng)改變了電網(wǎng)運(yùn)行方式，出現(xiàn)雙向潮流、系統(tǒng)慣性減少等問(wèn)題，給功角、電壓、頻率等傳統(tǒng)系統(tǒng)穩(wěn)定造成挑戰(zhàn)，而電力電子新設(shè)備接入電網(wǎng)，將出現(xiàn)低頻、諧波等新型電磁振蕩現(xiàn)象[5]。面對(duì)雙高并網(wǎng)帶來(lái)系統(tǒng)的抗干擾性減弱、穩(wěn)定性降低，如何強(qiáng)化電力系統(tǒng)的防控措施，是保障電網(wǎng)安全運(yùn)行的另一大挑戰(zhàn)。

3. 新興主體和交易類型涌入電力市場(chǎng)促使的市場(chǎng)機(jī)制有序運(yùn)行挑戰(zhàn)

新型電力系統(tǒng)不僅涌現(xiàn)出新能源運(yùn)營(yíng)商、儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商、負(fù)荷聚合商等新興主體，還衍生出物理屬性外的綠電交易，誕生碳排放權(quán)市場(chǎng)、綠色證書市場(chǎng)等次級(jí)市場(chǎng)，各類主體參與市場(chǎng)交易的細(xì)則、機(jī)制錯(cuò)綜復(fù)雜。面對(duì)新形勢(shì)下的電力市場(chǎng)主體、交易品種，如何建成適應(yīng)新能源發(fā)展、實(shí)現(xiàn)有序銜接和協(xié)同運(yùn)行的市場(chǎng)機(jī)制是一大挑戰(zhàn)。

4. 云大物移智等數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用下的信息安全處理與智能管控挑戰(zhàn)

新型電力系統(tǒng)接入了大量智能終端采集設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)對(duì)新能源出力、用戶用能行為的預(yù)測(cè)，為優(yōu)化調(diào)度資源提供依據(jù)，然而如何高效處理海量數(shù)據(jù)并保證信息安全是一大挑戰(zhàn)。此外，還需打造智能控制運(yùn)營(yíng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)信息感知與智能控制，助力新能源并網(wǎng)運(yùn)行、配電網(wǎng)安全控制、新能源發(fā)電預(yù)測(cè)、用戶側(cè)負(fù)荷快速調(diào)節(jié)等多項(xiàng)場(chǎng)景應(yīng)用實(shí)現(xiàn)[6]。

二、虛擬電廠技術(shù)應(yīng)用于新型電力系統(tǒng)建設(shè)的優(yōu)勢(shì)

（一） 虛擬電廠發(fā)展歷程與概念定義

VPP 的概念最早由Dr. Shimon Awerbuch 博士提出，即市場(chǎng)環(huán)境下相互獨(dú)立的參與實(shí)體開展靈活合作實(shí)現(xiàn)實(shí)體之間的虛擬共享[7]。隨后歐洲開展了一系列分布式發(fā)電機(jī)組集中并網(wǎng)的試驗(yàn)，驗(yàn)證VPP 技術(shù)能否為區(qū)域用戶提供更加高效可靠的電力能源供應(yīng)。而美國(guó)、日本等國(guó)則開展電力需求響應(yīng)試驗(yàn)，集成負(fù)荷資源通過(guò)改變用戶需求來(lái)響應(yīng)電力供應(yīng)變化，保障電網(wǎng)運(yùn)行平穩(wěn)。我國(guó)將上述兩種形式統(tǒng)稱為VPP，先后在廣東、江蘇、上海、冀北、浙江等地開展相關(guān)技術(shù)應(yīng)用試驗(yàn)，VPP 發(fā)展歷程如圖2 所示。

圖2 虛擬電廠的發(fā)展歷程

有研究[8,9]認(rèn)為VPP 是一種能量管理系統(tǒng)，包括傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)、儲(chǔ)能系統(tǒng)、柔性負(fù)荷等資源，通過(guò)聚合方式達(dá)到電力市場(chǎng)交易準(zhǔn)入門檻，實(shí)現(xiàn)資源高效利用。因此，可以認(rèn)為VPP 是利用先進(jìn)信息、通信和控制技術(shù)聚合分布式能源和可控負(fù)荷，其調(diào)節(jié)性能達(dá)到常規(guī)電廠的性能參數(shù)指標(biāo)要求，可接受并響應(yīng)調(diào)度機(jī)構(gòu)下達(dá)的調(diào)度指令，在電力系統(tǒng)運(yùn)行的一類新興市場(chǎng)主體，其運(yùn)行結(jié)構(gòu)可由圖3 所示。

圖3 虛擬電廠運(yùn)行結(jié)構(gòu)

（二） 虛擬電廠技術(shù)對(duì)構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

未來(lái)電力系統(tǒng)存在眾多分布式能源、交互式用能設(shè)備，這些靈活資源具有容量小、數(shù)量多、參數(shù)各異等特點(diǎn)，難以直接參與電力系統(tǒng)運(yùn)行。而VPP 作為分布式能源并網(wǎng)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)分散靈活資源的監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)，以整體形式參與電能量交易和調(diào)峰、調(diào)頻、備用等輔助服務(wù)，促進(jìn)新型電力系統(tǒng)源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)互動(dòng)運(yùn)行。VPP 與其他并網(wǎng)技術(shù)對(duì)比如表1 所示。

根據(jù)表可知，相較于后兩者，VPP 重在主動(dòng)參與電力市場(chǎng)交易，在建設(shè)新型電力系統(tǒng)的背景下，發(fā)展VPP 有如下優(yōu)勢(shì)。

1. 豐富電網(wǎng)調(diào)節(jié)資源，保障電力系統(tǒng)平衡運(yùn)行

可再生能源大規(guī)模并網(wǎng)，其隨機(jī)性和波動(dòng)性對(duì)系統(tǒng)平衡能力提出了更高的要求。而虛擬電廠作為源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)調(diào)技術(shù)，除過(guò)接入分布式風(fēng)光外，還可以對(duì)傳統(tǒng)火電、集中式新能源基地或其他形式能源進(jìn)行統(tǒng)籌優(yōu)化調(diào)度，通過(guò)發(fā)揮儲(chǔ)能和部分負(fù)荷的快速調(diào)節(jié)能力，保證系統(tǒng)功率-能量平衡，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)運(yùn)行。

2. 整合用戶側(cè)資源，挖掘負(fù)荷側(cè)資源可調(diào)節(jié)潛力

新型電力系統(tǒng)的終端負(fù)荷呈現(xiàn)碎片化、分散化、雙向互動(dòng)頻繁的特點(diǎn)，多能轉(zhuǎn)換技術(shù)使得電力成為能源樞紐，各類電轉(zhuǎn)設(shè)備均可視為可控負(fù)荷，但缺乏優(yōu)化管理。VPP 可聚合這些分散資源，作為具備一定規(guī)模、響應(yīng)調(diào)節(jié)能力突出的市場(chǎng)主體，利用市場(chǎng)價(jià)格激勵(lì)機(jī)制充分地挖掘用戶側(cè)資源調(diào)節(jié)潛力。

3. 具備規(guī)?；{(diào)節(jié)能力，降低電力系統(tǒng)投資建設(shè)成本

VPP 具備規(guī)?；{(diào)節(jié)能力可替代傳統(tǒng)機(jī)組系統(tǒng)平衡功能，據(jù)測(cè)算，若以VPP 形式建設(shè)滿足尖峰負(fù)荷5%的可調(diào)容量，可延緩設(shè)備投資3900 億元。此外，VPP 的單位可調(diào)容量投資建設(shè)成本低于傳統(tǒng)火電機(jī)組，節(jié)約的成本可以用于優(yōu)化電源、電網(wǎng)規(guī)劃，提高新型電力系統(tǒng)建設(shè)效率。

4. 作為新興市場(chǎng)主體，有助于推動(dòng)我國(guó)電力市場(chǎng)機(jī)制健全

新型電力系統(tǒng)下，負(fù)荷聚合商、儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商、分布式能源運(yùn)營(yíng)商等新興市場(chǎng)主體參與交易市場(chǎng)的準(zhǔn)入條件、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、交易機(jī)制、調(diào)度控制、結(jié)算機(jī)制尚待探索。VPP 借助物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等一系列軟硬件技術(shù)可以聚合不同類型的運(yùn)營(yíng)商，從而為其參與電力市場(chǎng)提供可能。研究VPP 參與電能量中長(zhǎng)期和現(xiàn)貨市場(chǎng)及輔助服務(wù)市場(chǎng)的交易細(xì)則，能夠推動(dòng)盡快健全適應(yīng)新型電力系統(tǒng)的市場(chǎng)機(jī)制。

三、典型虛擬電廠試點(diǎn)項(xiàng)目現(xiàn)狀分析

（一） 歐盟：分布式能源并網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化

歐洲作為VPP 試驗(yàn)最早地區(qū)，2009 年歐盟多國(guó)聯(lián)合開展FENIX 項(xiàng)目，提出商業(yè)型虛擬電廠（Commercial VPP，CVPP）和技術(shù)型虛擬電廠（Technical VPP，TVPP）兩種運(yùn)行模式。CVPP 結(jié)合用戶需求與發(fā)電潛力預(yù)測(cè)情況，靈活調(diào)節(jié)發(fā)、用電計(jì)劃并參與電能量現(xiàn)貨交易獲取收益，而TVPP 則充分考慮物理限制，主要為電力系統(tǒng)提供頻率控制、電能質(zhì)量等輔助服務(wù)。此外，德國(guó)E-Energy 計(jì)劃中的RegModHarz 項(xiàng)目開展分布式能源并網(wǎng)后VPP 與用戶互動(dòng)的響應(yīng)試驗(yàn)，該VPP 由分散式風(fēng)光電源、抽水蓄能電站和家庭用戶能源管理系統(tǒng)組成，引入動(dòng)態(tài)電價(jià)與獎(jiǎng)懲機(jī)制。能源管理系統(tǒng)記錄用戶根據(jù)電價(jià)改變自身用能行為，VPP 據(jù)此協(xié)助用電敏感程度高的用戶動(dòng)態(tài)調(diào)整用電時(shí)間與用電量，降低用戶用能成本并實(shí)現(xiàn)削峰填谷的效果。

（二） 美國(guó)：電力需求響應(yīng)模式

美國(guó)電力需求旺盛，需要興建大量配套電源保證系統(tǒng)平衡，主要通過(guò)在用戶側(cè)開展電力需求響應(yīng)轉(zhuǎn)移負(fù)荷需求來(lái)解決備用電源的經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題。PJM 和NYISO 等區(qū)域電力市場(chǎng)均有多種需求響應(yīng)服務(wù)，自備電廠、電力大用戶和負(fù)荷聚合商等主體可以參與負(fù)荷削減、容量交易獲益。近年來(lái)，分布式能源在美國(guó)多起停電事故中扮演重要角色，2020 年9 月美國(guó)聯(lián)邦能源管理委員會(huì)通過(guò)2222 號(hào)令，允許分布式能源參與電力市場(chǎng)交易，將推動(dòng)美國(guó)VPP 向分布式能源并網(wǎng)形式發(fā)展。當(dāng)前，美國(guó)多個(gè)州的公用事業(yè)公司與家庭用戶簽署儲(chǔ)電池協(xié)議，通過(guò)控制電池提供容量、頻率等服務(wù)。

（三） 日本：負(fù)荷聚合商參與需求響應(yīng)

日本VPP 已形成能源資源聚合商（Energy Resource Aggregation Business，ERAB）的商業(yè)模式，ERAB 中，負(fù)荷集成商作為虛擬電廠運(yùn)營(yíng)主體，聚合工商業(yè)、居民等負(fù)荷參與電力市場(chǎng)交易，為系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商等企業(yè)提供正、負(fù)瓦特服務(wù)獲益，即填谷、削峰類型的需求響應(yīng)，其運(yùn)營(yíng)模式如圖4 所示。此外，日本由于能源短缺，除過(guò)削減負(fù)荷、電網(wǎng)平衡輔助服務(wù)外，還重視虛擬電廠的備用容量效果，力圖實(shí)現(xiàn)發(fā)電容量合理規(guī)模與電力穩(wěn)定供應(yīng)的平衡。

圖4 日本虛擬電廠ERAB 模式

（四） 澳大利亞：光伏與儲(chǔ)電池聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)

得益于豐富的光照資源，澳大利亞擁有規(guī)?？捎^的工商業(yè)、家庭住宅光伏發(fā)電系統(tǒng)和蓄電池系統(tǒng)，如南澳大利亞州在2017 年打造了光伏20MW、儲(chǔ)能54MWh 的虛擬發(fā)電廠。澳洲的VPP 實(shí)際上是光儲(chǔ)一體化的管理系統(tǒng)，通過(guò)協(xié)調(diào)分布式光伏與儲(chǔ)能出力，解決光伏發(fā)電時(shí)間與能源需求不匹配、傍晚用電需求快速增加的問(wèn)題，使用戶用電經(jīng)濟(jì)的同時(shí)維護(hù)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

（五） 中國(guó)若干虛擬電廠應(yīng)用形式

我國(guó)各省根據(jù)自身能源稟賦、電網(wǎng)運(yùn)行和電力需求等情況，開展了多種VPP 形式：

1. 浙江：高彈性電網(wǎng)保證電力供需平衡

浙江受資源稟賦與空間局限性，電網(wǎng)運(yùn)行安全與新能源消納矛盾凸顯，為此，正構(gòu)建多元融合高彈性電網(wǎng)，包括建設(shè)虛擬電廠以促進(jìn)網(wǎng)源荷儲(chǔ)互動(dòng)、實(shí)現(xiàn)省內(nèi)資源統(tǒng)一調(diào)度，應(yīng)對(duì)大規(guī)模新能源和高比例外來(lái)電帶來(lái)的不確定性風(fēng)險(xiǎn)。目前，麗水已建成小水電聚合成的綠色型虛擬電廠，并接入高彈性電網(wǎng)智慧調(diào)度平臺(tái)，通過(guò)控制水電站出力來(lái)響應(yīng)全省電力供需平衡；在平湖建成縣域范圍內(nèi)的VPP，聚合11 類共計(jì)200 兆瓦可調(diào)節(jié)資源，其余試點(diǎn)建設(shè)情況如圖5 所示。

圖5 浙江省虛擬電廠試點(diǎn)建設(shè)情況

2. 江蘇：大規(guī)模源網(wǎng)荷友好互動(dòng)系統(tǒng)

江蘇大規(guī)模源網(wǎng)荷友好互動(dòng)系統(tǒng)已經(jīng)完成三期工程，系統(tǒng)接入了全省樓宇空調(diào)負(fù)荷、居民家電負(fù)荷等各類可中斷負(fù)荷資源。當(dāng)出現(xiàn)電源斷供或緊急事故時(shí)，將通過(guò)削減負(fù)荷需求保障電力系統(tǒng)能源供應(yīng)可靠。此外，江蘇電網(wǎng)正與蘇寧公司合作打通蘇寧智能家居系統(tǒng)與虛擬電廠系統(tǒng)的功能數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)居民家用電器的海量微負(fù)荷參與電網(wǎng)互動(dòng)，緩解電網(wǎng)峰谷差。

3. 上海：商業(yè)建筑型虛擬電廠參與需求響應(yīng)

2019 年5 月上海市首次開展虛擬電廠參與需求響應(yīng)試驗(yàn)，后續(xù)還接入了電動(dòng)汽車、工商業(yè)負(fù)荷等資源。上海VPP 以商業(yè)建筑型為主，其實(shí)質(zhì)是對(duì)空調(diào)負(fù)荷、充電樁等可調(diào)資源進(jìn)行精細(xì)化規(guī)?；{(diào)節(jié)，保證電網(wǎng)平穩(wěn)運(yùn)行。VPP 由運(yùn)營(yíng)平臺(tái)與用戶負(fù)荷管理系統(tǒng)組成，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與通信專網(wǎng)，對(duì)各類資源進(jìn)行柔性控制，實(shí)現(xiàn)更高效、更智能的需求響應(yīng)效果，其運(yùn)行結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 上海樓宇商廈虛擬待電廠運(yùn)行構(gòu)成

4. 冀北：泛在虛擬電廠參與調(diào)峰服務(wù)市場(chǎng)

2019 年12 月冀北泛在虛擬電廠正式投運(yùn)，該VPP 利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)打造的“泛電平臺(tái)”接入了秦皇島、張家口和唐山多地的分布式風(fēng)光、可調(diào)節(jié)工商業(yè)、智慧樓宇等可調(diào)資源，參與華北調(diào)峰輔助服務(wù)市場(chǎng)。VPP 會(huì)根據(jù)電力系統(tǒng)的調(diào)峰需求，調(diào)整自身出力或負(fù)荷，如在新能源出力較多時(shí)，引導(dǎo)負(fù)荷需求增加或降低可控機(jī)組出力，提升新能源消納水平，獲得相應(yīng)的調(diào)峰收益。

（六） 各類虛擬電廠項(xiàng)目應(yīng)用對(duì)比

上述各地虛擬電廠項(xiàng)目在建設(shè)背景、聚合資源類型與技術(shù)應(yīng)用等方面對(duì)比如表2 所示。整體來(lái)看，虛擬電廠通過(guò)需求響應(yīng)管理和分布式能源優(yōu)化兩種形式，實(shí)現(xiàn)了荷隨源動(dòng)運(yùn)行模式的轉(zhuǎn)變，在實(shí)現(xiàn)最大化可再生能源消納的同時(shí)，保證電能量與負(fù)荷需求的功率平衡，能夠滿足新型電力系統(tǒng)對(duì)靈活性資源需求。

表2 典型國(guó)家和地區(qū)的虛擬電廠對(duì)比總結(jié)

四、虛擬電廠發(fā)展關(guān)鍵問(wèn)題及建議

（一） 虛擬電廠應(yīng)用形式多樣，亟需探索合理的補(bǔ)償機(jī)制與發(fā)展模式

經(jīng)過(guò)多年實(shí)踐，我國(guó)虛擬電廠已經(jīng)從示范階段發(fā)展到探索階段，但由于各地的應(yīng)用形式不同，虛擬電廠的成本回收、市場(chǎng)機(jī)制、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)尚不明確，一定程度上制約了虛擬電廠的發(fā)展與推廣。為此，建議探索虛擬電廠成本回收機(jī)制，盡快健全政策機(jī)制、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和發(fā)展模式，推動(dòng)其推廣應(yīng)用。

1. 探索虛擬電廠受益方的補(bǔ)償機(jī)制

虛擬電廠通過(guò)削減或增加可控負(fù)荷需求，不僅提高新能源消納水平，還保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定。新能源運(yùn)營(yíng)商與電網(wǎng)系統(tǒng)商作為虛擬電廠調(diào)節(jié)服務(wù)的直接受益方，應(yīng)根據(jù)可控負(fù)荷實(shí)際響應(yīng)量，補(bǔ)償相應(yīng)費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)虛擬電廠成本合理回收。此外，隨著工商業(yè)用戶參與市場(chǎng)化交易，可探索由用戶側(cè)承擔(dān)可控負(fù)荷調(diào)節(jié)費(fèi)用機(jī)制。

2. 建立發(fā)展體系支撐，因地制宜開發(fā)虛擬電廠

現(xiàn)行電力市場(chǎng)與調(diào)度體系難以滿足虛擬電廠實(shí)際運(yùn)行要求，為此，應(yīng)該根據(jù)本地改革進(jìn)度、電源結(jié)構(gòu)、供需情況和能源規(guī)劃等，制定適應(yīng)當(dāng)?shù)匕l(fā)展的虛擬電廠模式，確定準(zhǔn)入市場(chǎng)、容量規(guī)模、響應(yīng)速率、調(diào)節(jié)持續(xù)時(shí)間等標(biāo)準(zhǔn)。如在城市峰谷差高且可調(diào)節(jié)負(fù)荷充裕的地區(qū)構(gòu)建可控負(fù)荷為主的虛擬電廠，參與電網(wǎng)削峰填谷提供備用容量服務(wù)。而在鄉(xiāng)鎮(zhèn)郊區(qū)可興建大量分布式能源、儲(chǔ)能為主的虛擬電廠，為系統(tǒng)提供調(diào)峰輔助服務(wù)并保證供電穩(wěn)定。

（二） 海量靈活性資源接入虛擬電廠，亟需提高系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)度水平

新型電力系統(tǒng)對(duì)靈活性調(diào)節(jié)能力提出了更高的要求，為此，虛擬電廠需要進(jìn)一步整合分散式靈活性資源，實(shí)現(xiàn)規(guī)?；?、高效化、市場(chǎng)化運(yùn)行。但不同類型、不同區(qū)域的海量靈活性資源接入，容易造成信息交互缺乏、資源調(diào)度不均等問(wèn)題，對(duì)虛擬電廠控制能力提出了新的要求。為此建議建立靈活開放的靈活性資源參與交易機(jī)制，引入“云-群-端”架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)虛擬電廠集群化管控模式。

1. 制定靈活性資源準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)，提高運(yùn)行效率

不同靈活性資源響應(yīng)特性與規(guī)模各異，為充分挖掘可調(diào)節(jié)潛力、提高資源利用效率，需要制定靈活性資源的市場(chǎng)準(zhǔn)入、接入方式、交易流程和結(jié)算機(jī)制等，建議允許靈活性資源直接接入虛擬電廠或經(jīng)由負(fù)荷聚合商的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)其管控，提升運(yùn)行效率。

2. 引入“云-群-端”架構(gòu)模式，提高智能化運(yùn)行水平

針對(duì)海量靈活性資源接入虛擬電廠，打造云端管控平臺(tái)、聚類集群和終端設(shè)備的“云-群-端”架構(gòu)模式[10]。該架構(gòu)下，虛擬電廠接入的分布式能源終端以自然聚合或聚類方式形成不同資源集群，再將最優(yōu)調(diào)度模型信息上傳至云端平臺(tái)，平臺(tái)計(jì)算求解后對(duì)終端設(shè)備下達(dá)指令，實(shí)現(xiàn)集群化管控，提升虛擬電廠智能運(yùn)行水平。

（三） 虛擬電廠社會(huì)投資動(dòng)力不足，健全盈利、增量分配機(jī)制保證長(zhǎng)期發(fā)展

現(xiàn)階段我國(guó)虛擬電廠仍然是行政主導(dǎo)的邀約型發(fā)展模式，即由政府、電網(wǎng)主導(dǎo)，通過(guò)建設(shè)財(cái)政補(bǔ)貼資金池，對(duì)參與響應(yīng)用戶給予補(bǔ)償。受市場(chǎng)機(jī)制限制，虛擬電廠無(wú)法通過(guò)隔墻售電和電價(jià)調(diào)整手段獲益，導(dǎo)致社會(huì)投資參與響應(yīng)薄弱，商業(yè)化進(jìn)程遲滯?；诟鞣嚼嬖V求，建議設(shè)計(jì)合理投資模式、配套激勵(lì)和分配機(jī)制，保證虛擬電廠發(fā)展。

1. 以混合投資+委托運(yùn)營(yíng)模式加快虛擬電廠試點(diǎn)建設(shè)

由政府、電網(wǎng)和社會(huì)投資者組成合作聯(lián)盟，以混合投資的形式委托專業(yè)運(yùn)營(yíng)公司運(yùn)作。一方面符合當(dāng)前混合所有制改革形勢(shì)，引入社會(huì)資本激發(fā)項(xiàng)目運(yùn)作效率，另一方面則由政府、電網(wǎng)提供政策、機(jī)制上的保障，積極推動(dòng)需求響應(yīng)試驗(yàn)，并結(jié)合當(dāng)?shù)仉娏κ袌?chǎng)機(jī)制建設(shè)情況，盡快探索輔助服務(wù)市場(chǎng)和電能量市場(chǎng)的交易機(jī)制。該運(yùn)營(yíng)模式如圖7 所示。

圖7 混合投資+委托運(yùn)營(yíng)模式示意圖

2. 根據(jù)資源特性制定針對(duì)性的激勵(lì)措施

不同聚合資源在行為習(xí)慣、響應(yīng)特性存在較大差異，統(tǒng)一的補(bǔ)償方式難以激發(fā)主體參與動(dòng)力。為此，可開展差異化接入方式、制定針對(duì)性激勵(lì)措施，提高資源參與響應(yīng)意愿，對(duì)外獲得更多的經(jīng)濟(jì)利益，具體如表3 所示。對(duì)于增量收益，建議考慮聚合資源的實(shí)際響應(yīng)率、虛擬電廠總響應(yīng)曲線與調(diào)節(jié)總效益之間的關(guān)系，根據(jù)各聚合資源在不同時(shí)段對(duì)總收益的邊際貢獻(xiàn)度進(jìn)行合理分配。

表3 不同類型資源接入虛擬電廠方式與激勵(lì)措施

（四） 各地電力市場(chǎng)建設(shè)進(jìn)度不一，分階段分地區(qū)逐步開展交易

虛擬電廠作為對(duì)電力需求側(cè)升級(jí)的重要手段，借助峰谷電價(jià)、尖峰電價(jià)等機(jī)制，發(fā)揮價(jià)格杠桿來(lái)實(shí)現(xiàn)用戶自平衡。然而受各地市場(chǎng)建設(shè)進(jìn)度不一，并且部分省份電改存在滯后，電價(jià)難以根據(jù)市場(chǎng)需求做出較大幅度變動(dòng)。此外，負(fù)荷側(cè)市場(chǎng)價(jià)格信號(hào)不明晰，難以發(fā)揮可調(diào)節(jié)資源價(jià)值。為此，開展虛擬電廠市場(chǎng)化交易應(yīng)該根據(jù)市場(chǎng)建設(shè)情況分階段分地區(qū)逐步開展，開拓多種盈利方式實(shí)現(xiàn)健康發(fā)展。

1. 根據(jù)市場(chǎng)建設(shè)進(jìn)度，分場(chǎng)景分地區(qū)開展

虛擬電廠可持續(xù)盈利來(lái)源為電力市場(chǎng)交易，而我國(guó)正處于電力市場(chǎng)改革期，根據(jù)各地的試點(diǎn)進(jìn)度，大致可劃分為起步、發(fā)展和成熟三階段，不同階段的市場(chǎng)機(jī)制成熟不一，存在需求響應(yīng)、輔助服務(wù)和電能量市場(chǎng)三種場(chǎng)景。因此，建議分階段分應(yīng)用場(chǎng)景開展虛擬電廠相關(guān)業(yè)務(wù)，以提升其盈利能力，具體如表4 所示。

表4 典型應(yīng)用場(chǎng)景下的虛擬電廠

2. 圍繞能源管理和次級(jí)市場(chǎng)，探索收益可行性開拓盈利途徑

VPP 的優(yōu)化控制能力除過(guò)為調(diào)節(jié)能力提供支撐外，還可以從能源管理入手，為內(nèi)部的可控負(fù)荷用戶提供節(jié)能服務(wù)、能源監(jiān)測(cè)等增值服務(wù)。此外，區(qū)塊鏈技術(shù)的成熟，為碳排放、綠色證書的溯源追蹤提供技術(shù)支撐，VPP 可探索電-碳-綠聯(lián)合市場(chǎng)交易，開拓虛擬電廠盈利渠道，實(shí)現(xiàn)新型電力系統(tǒng)的綠色電力消納可持續(xù)運(yùn)營(yíng)。

五、總結(jié)

隨著雙碳戰(zhàn)略的持續(xù)推進(jìn)，我國(guó)能源體系正逐步從傳統(tǒng)化石能源向綠色清潔能源轉(zhuǎn)型。建設(shè)新型電力系統(tǒng)，適應(yīng)風(fēng)光為主體的新能源發(fā)展，是實(shí)現(xiàn)雙碳戰(zhàn)略和能源轉(zhuǎn)型的必由路徑。但高比例風(fēng)光并網(wǎng)，不僅改變了電網(wǎng)物理結(jié)構(gòu)，還引發(fā)了運(yùn)行形態(tài)理念等變化，給建設(shè)新型電力系統(tǒng)帶來(lái)了電力供需平衡安全穩(wěn)定等多方面挑戰(zhàn)。虛擬電廠能夠增強(qiáng)系統(tǒng)靈活性和調(diào)節(jié)能力，應(yīng)對(duì)未來(lái)電力系統(tǒng)的不確定性，是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的有效手段。但目前虛擬電廠發(fā)展前景仍不明朗，未來(lái)可通過(guò)探索合理補(bǔ)償機(jī)制與發(fā)展模式、健全盈利分配機(jī)制等方式，發(fā)揮其對(duì)新型電力系統(tǒng)建設(shè)的重要作用。