虛擬電廠參與現(xiàn)貨市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)研究

吳清普 ,翟亞婷 ,范文杰 ,吳 蔚

(國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司石家莊供電分公司a.營(yíng)銷服務(wù)中心;b.電力調(diào)度控制中心,河北 石家莊 050081)

在國(guó)家“碳達(dá)峰、碳中和”的目標(biāo)背景下,以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)正在加快構(gòu)建,隨著能源轉(zhuǎn)型的不斷深入,在促進(jìn)節(jié)能減排的同時(shí),也給電力系統(tǒng)平衡調(diào)節(jié)和電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了新的挑戰(zhàn).一是風(fēng)能、太陽(yáng)能等清潔可再生能源,具有隨機(jī)性、間歇性、波動(dòng)性特征,將其大規(guī)模、高比例接入電網(wǎng),將增大電力系統(tǒng)平衡調(diào)節(jié)的難度,調(diào)峰困難;二是分布式發(fā)電資源規(guī)模較小且布局分散,難以真正參與電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度,乃至電力市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng),難以通過(guò)市場(chǎng)發(fā)現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)價(jià)值[1].虛擬電廠技術(shù)形態(tài)與源網(wǎng)荷儲(chǔ)互動(dòng)運(yùn)營(yíng)模式作為破解清潔能源消納和綠色能源轉(zhuǎn)型的一種方案,能解決可再生能源大量接入帶來(lái)的電網(wǎng)調(diào)峰、消納難題,推動(dòng)新能源市場(chǎng)有序發(fā)展,為新能源參與電力市場(chǎng)交易提供途徑,為新能源消納提供保障,對(duì)我國(guó)能源戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型具有重大意義.

1 虛擬電廠發(fā)展現(xiàn)狀

2021年10月,國(guó)務(wù)院印發(fā)《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》,要求加快靈活調(diào)節(jié)電源建設(shè),引導(dǎo)虛擬電廠參與系統(tǒng)調(diào)節(jié)[2].2021—2022年,國(guó)家發(fā)改委、國(guó)家能源局6次提出推動(dòng)虛擬電廠建設(shè)并參與電網(wǎng)調(diào)節(jié).江蘇、浙江、重慶等12省市已出臺(tái)需求響應(yīng)市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)規(guī)則,安徽、北京、廣東等12省市將推動(dòng)虛擬電廠發(fā)展列入“十四五”能源發(fā)展規(guī)劃.2022年6月山西省能源局正式印發(fā)《虛擬電廠建設(shè)與運(yùn)營(yíng)管理實(shí)施方案》,明確虛擬電廠并網(wǎng)運(yùn)行技術(shù)規(guī)范和運(yùn)營(yíng)管理規(guī)范,啟動(dòng)了現(xiàn)貨市場(chǎng)環(huán)境下全國(guó)首個(gè)省級(jí)虛擬電廠市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)體系建設(shè)[3].2022年8 月,深圳市成立國(guó)內(nèi)首家虛擬電廠管理中心[4].2023年5 月,寧夏回族自治區(qū)出臺(tái)《虛擬電廠建設(shè)工作方案(試行)》[5].2021年深圳市新能源產(chǎn)業(yè)增加值約642億元,新能源發(fā)電裝機(jī)規(guī)模占全市總裝機(jī)容量的77%,在綠證交易、CCER 碳資產(chǎn)管理等方面也出臺(tái)了多項(xiàng)政策[6].2022年11月25日,國(guó)家能源局正式發(fā)布《電力現(xiàn)貨市場(chǎng)基本規(guī)則(征求意見稿)》《電力現(xiàn)貨市場(chǎng)監(jiān)管辦法(征求意見稿)》,明確提出“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”,這為虛擬電廠進(jìn)入現(xiàn)貨市場(chǎng)做好了政策頂層設(shè)計(jì)[7].

2 虛擬電廠市場(chǎng)需求

(1)新能源主體優(yōu)勢(shì)初步顯現(xiàn)

以河北南部電網(wǎng)為例,截至2022年10月底,新能源裝機(jī)容量達(dá)2 872.39萬(wàn)k W·h,占總裝機(jī)容量的47.71%,其中分布式光伏裝機(jī)容量1 493.83萬(wàn)k W·h,占新能源裝機(jī)容量的52%.預(yù)計(jì)到2025年,僅石家莊市新能源裝機(jī)容量將達(dá)到970萬(wàn)k W·h,占新能源裝機(jī)容量的48%,分布式電源、儲(chǔ)能等交互式設(shè)備正逐步代替常規(guī)機(jī)組廣泛接入.[8]

(2)可調(diào)節(jié)負(fù)荷資源潛力較大

以河北南部電網(wǎng)為例,區(qū)域內(nèi)負(fù)荷側(cè)可調(diào)節(jié)資源儲(chǔ)量豐富,優(yōu)化控制空間巨大.2021年底,區(qū)域內(nèi)電動(dòng)汽車達(dá)18.7萬(wàn)輛,年充電量超3.3億k W·h,電采暖用戶118.2萬(wàn)戶,日最大負(fù)荷達(dá)180萬(wàn)k W·h,2021年空調(diào)用電負(fù)荷已超過(guò)1 600萬(wàn)k W·h[9].此外,抽水蓄能、分布式儲(chǔ)能、集中式儲(chǔ)能、冷熱雙蓄、智慧樓宇、靈活產(chǎn)能等可調(diào)節(jié)負(fù)荷在政策引導(dǎo)下也有較大的發(fā)展空間.

(3)虛擬電廠投資經(jīng)濟(jì)效益明顯

據(jù)統(tǒng)計(jì),在新能源為主體的電力系統(tǒng)中,通過(guò)火電廠滿足5%的峰值能力,約需投資4 000億元;而采用虛擬電廠模式,在建設(shè)、運(yùn)營(yíng)等環(huán)節(jié)的總投資僅需500億元至600億元[10].虛擬電廠建設(shè)不僅可促進(jìn)新能源消納,還可延緩電網(wǎng)升級(jí)投資建設(shè),并且隨著市場(chǎng)逐漸成熟,可帶動(dòng)電子信息、裝備制造等產(chǎn)業(yè)升級(jí),以及光伏、風(fēng)電、儲(chǔ)能等綠色能源的發(fā)展,進(jìn)一步為地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展注入新活力.

3 虛擬電廠的類型與商業(yè)模式

3.1 虛擬電廠的類型[11]

3.1.1 電源型

虛擬電廠經(jīng)營(yíng)方聚合市場(chǎng)化發(fā)電用戶,組建虛擬電廠,整體呈現(xiàn)為電源狀態(tài),可參與電能量市場(chǎng),視實(shí)際情況參與需求響應(yīng)和輔助服務(wù)市場(chǎng).此類電廠可聚合光伏、風(fēng)電等分布式電源,助力新能源消納.

3.1.2 負(fù)荷型

虛擬電廠經(jīng)營(yíng)方聚合具備負(fù)荷調(diào)節(jié)能力的市場(chǎng)化電力用戶,組建虛擬電廠,整體呈現(xiàn)為負(fù)荷狀態(tài),可參與市場(chǎng)需求響應(yīng)和輔助服務(wù)市場(chǎng),但出售電能量的能力不足.此類電廠可聚合電動(dòng)汽車充換電、樓宇空調(diào)等可調(diào)節(jié)負(fù)荷資源,助力電網(wǎng)削峰填谷.

3.1.3 儲(chǔ)能型

虛擬電廠經(jīng)營(yíng)方聚合儲(chǔ)能設(shè)備、電動(dòng)汽車等電力用戶,組建虛擬電廠,整體呈現(xiàn)負(fù)荷或電源狀態(tài),既可參與市場(chǎng)需求響應(yīng)和輔助服務(wù)市場(chǎng),也可在部分時(shí)段放電,以出售電能.此類電廠可聚合電化學(xué)儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能等儲(chǔ)能資源,通過(guò)峰谷價(jià)差來(lái)平衡收益,帶動(dòng)項(xiàng)目投資落地.

3.1.4 混合型

虛擬電廠經(jīng)營(yíng)方聚合具備負(fù)荷調(diào)節(jié)能力的市場(chǎng)化電力用戶、光伏、風(fēng)電、儲(chǔ)能設(shè)備、電動(dòng)汽車等電力用戶,組建虛擬電廠,整體呈現(xiàn)負(fù)荷或電源狀態(tài),既可參與市場(chǎng)需求響應(yīng)和輔助服務(wù)市場(chǎng),也可參與電能市場(chǎng).此類電廠可整合分布式光伏、風(fēng)電、電動(dòng)汽車充換電、樓宇空調(diào)、儲(chǔ)能等各類資源組成微電網(wǎng),形成全能型虛擬電廠.

3.2 虛擬電廠商業(yè)模式

虛擬電廠的主要營(yíng)收來(lái)源于聚合電力用戶參與市場(chǎng)交易中收益的分成.在中長(zhǎng)期市場(chǎng),虛擬電廠聚合分布式電源、儲(chǔ)能資源,作為市場(chǎng)化發(fā)電機(jī)組參與中長(zhǎng)期容量補(bǔ)償服務(wù),保證發(fā)電容量的充裕度,在限定的市場(chǎng)價(jià)格下,承諾在緊急情況下提供容量,虛擬電廠發(fā)電側(cè)資源可獲得容量補(bǔ)償.在電力現(xiàn)貨市場(chǎng),虛擬電廠參與現(xiàn)貨市場(chǎng)交易主要有3種:一是通過(guò)削峰解決當(dāng)負(fù)荷水平較高、發(fā)電容量不足時(shí)的容量短缺問(wèn)題;二是通過(guò)填谷解決當(dāng)負(fù)荷水平較低、因新能源大發(fā)導(dǎo)致電網(wǎng)負(fù)備用不足、影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的問(wèn)題;三是虛擬電廠可以作為“市場(chǎng)化發(fā)電機(jī)組”,將分布式電源、儲(chǔ)能等資源聚合參與日前市場(chǎng)交易申報(bào),通過(guò)低電價(jià)時(shí)段儲(chǔ)能用電,高電價(jià)時(shí)段儲(chǔ)能放電、分布式光伏發(fā)電平抑現(xiàn)貨市場(chǎng)價(jià)格.

4 虛擬電廠市場(chǎng)建設(shè)及管理

4.1 市場(chǎng)組建

由省級(jí)電力主管部門出臺(tái)虛擬電廠市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)規(guī)則、準(zhǔn)入和退出機(jī)制等政策,構(gòu)建虛擬電廠省級(jí)市場(chǎng),依托省級(jí)電網(wǎng)調(diào)度、交易部門開展并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)、計(jì)量計(jì)算、調(diào)度指揮、現(xiàn)貨交易、結(jié)算交易出清等工作,由省級(jí)電力主管部門授權(quán)省級(jí)電網(wǎng)企業(yè)建設(shè)省級(jí)虛擬電廠運(yùn)營(yíng)管理平臺(tái)和運(yùn)營(yíng)管理中心,市縣級(jí)供電公司按相應(yīng)層級(jí)電力主管部門授權(quán)成立市縣級(jí)運(yùn)營(yíng)管理中心,利用省級(jí)虛擬電廠運(yùn)營(yíng)管理平臺(tái),為市域內(nèi)虛擬電廠和負(fù)荷聚合商提供市場(chǎng)參與服務(wù).

4.2 虛擬電廠運(yùn)營(yíng)管理平臺(tái)建設(shè)

由省級(jí)電力主管部門授權(quán)在省級(jí)電網(wǎng)企業(yè),根據(jù)國(guó)家相關(guān)政策和市場(chǎng)需求,依托省級(jí)電網(wǎng)企業(yè)能源配置、用電數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)管理等資源優(yōu)勢(shì),在省級(jí)電力主管部門的指導(dǎo)和委托下,建設(shè)虛擬電廠管理服務(wù)子系統(tǒng),向調(diào)度源網(wǎng)荷儲(chǔ)系統(tǒng)、電力現(xiàn)貨交易系統(tǒng)報(bào)送聚合數(shù)據(jù),通過(guò)市場(chǎng)化售電系統(tǒng)向電力交易平臺(tái)及新一代電費(fèi)結(jié)算系統(tǒng)提供虛擬電廠現(xiàn)貨量?jī)r(jià)申報(bào)、現(xiàn)貨出清、價(jià)格結(jié)算、調(diào)控評(píng)估結(jié)果等信息,其交互關(guān)系見圖1.

圖1 虛擬電廠運(yùn)營(yíng)管理平臺(tái)與電網(wǎng)企業(yè)其他平臺(tái)的交互關(guān)系

由圖1可知,在市縣供電公司層面,服務(wù)屬地虛擬電廠和負(fù)荷聚合商委托代建的虛擬電廠聚合運(yùn)營(yíng)子系統(tǒng)或用戶自建的技術(shù)支持系統(tǒng)接入虛擬電廠管理服務(wù)子系統(tǒng),提供并網(wǎng)、負(fù)荷預(yù)測(cè)、電價(jià)預(yù)測(cè)等服務(wù).

虛擬電廠市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)由市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)層、系統(tǒng)平臺(tái)層、通信網(wǎng)絡(luò)層、設(shè)備資源層組成.系統(tǒng)平臺(tái)層虛擬電廠主站側(cè)主要包含管理服務(wù)子系統(tǒng)和仿真檢測(cè)子系統(tǒng),虛擬電廠子站側(cè)主要包含聚合運(yùn)營(yíng)子系統(tǒng)、社會(huì)第三方技術(shù)支持系統(tǒng)(用戶自建).虛擬電廠運(yùn)營(yíng)平臺(tái)架構(gòu)圖見圖2.

圖2 虛擬電廠運(yùn)營(yíng)平臺(tái)架構(gòu)圖

其中,市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)層主要功能是開展需求響應(yīng)和輔助服務(wù)、電能量市場(chǎng)運(yùn)營(yíng),負(fù)責(zé)建設(shè)、維護(hù)、指揮電網(wǎng)正常秩序,并進(jìn)行響應(yīng)邀約、數(shù)據(jù)交互、費(fèi)用結(jié)算等工作.系統(tǒng)平臺(tái)層包括管理服務(wù)子系統(tǒng)、仿真檢測(cè)子系統(tǒng)、聚合運(yùn)營(yíng)子系統(tǒng),主要功能是實(shí)現(xiàn)虛擬電廠接入及管理,構(gòu)建虛擬電廠參與市場(chǎng)的技術(shù)能力測(cè)試和安全性測(cè)試體系,服務(wù)于廣大虛擬電廠運(yùn)營(yíng)商,負(fù)責(zé)聚合優(yōu)化、協(xié)調(diào)控制運(yùn)營(yíng)商所代理的用戶側(cè)資源,實(shí)現(xiàn)資源聚合、協(xié)調(diào)控制、輔助決策、運(yùn)營(yíng)支撐等.通訊網(wǎng)絡(luò)層幫助各類虛擬電廠和負(fù)荷聚合商通過(guò)4G/5G 通信、邊緣計(jì)算等信息技術(shù)和軟件系統(tǒng)與系統(tǒng)平臺(tái)層進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,接受市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)指令進(jìn)行負(fù)荷調(diào)節(jié).設(shè)備資源層儲(chǔ)存各類光伏、儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車充換電、建筑空調(diào)等可調(diào)節(jié)資源的電力用戶數(shù)據(jù).

4.3 虛擬電廠運(yùn)營(yíng)管理中心建設(shè)

在電力主管部門指導(dǎo)下,建立省市兩級(jí)虛擬電廠運(yùn)營(yíng)管理中心,負(fù)責(zé)轄區(qū)內(nèi)虛擬電廠市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)管理,主要包括政策研究、標(biāo)準(zhǔn)制定、準(zhǔn)入管理、秩序維護(hù)等.

在省發(fā)改委統(tǒng)一部署下,各地市將形成本區(qū)域市場(chǎng)、由市發(fā)改委委托市供電公司建設(shè)虛擬電廠運(yùn)營(yíng)管理中心,應(yīng)用虛擬電廠運(yùn)營(yíng)管理平臺(tái)為區(qū)域內(nèi)聚合商、用戶等市場(chǎng)主體提供參與電力市場(chǎng)交易的途徑,為電網(wǎng)提供調(diào)峰、調(diào)頻、備用等輔助服務(wù),同時(shí)開展數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)查詢、虛擬電廠并網(wǎng)審批等管理服務(wù).為政府提供精準(zhǔn)決策、高效管理和政策下達(dá)服務(wù),不斷提高能源市場(chǎng)化配置效率.

5 現(xiàn)貨市場(chǎng)下的交易過(guò)程

現(xiàn)貨市場(chǎng)下虛擬電廠市場(chǎng)交易過(guò)程主要分為交易準(zhǔn)備、市場(chǎng)交易、交易執(zhí)行、交易結(jié)算4個(gè)階段,在交易準(zhǔn)備階段,虛擬電廠根據(jù)代理協(xié)議對(duì)所代理用戶的資源進(jìn)行準(zhǔn)備,對(duì)用戶資源進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與資源聚合,傳輸至電網(wǎng)調(diào)度源網(wǎng)荷儲(chǔ)系統(tǒng);在市場(chǎng)交易階段,虛擬電廠通過(guò)電力交易平臺(tái)查詢現(xiàn)貨交易公告,對(duì)現(xiàn)貨分段量?jī)r(jià)曲線進(jìn)行申報(bào),通過(guò)調(diào)度源網(wǎng)荷儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行安全校核,形成有約束的交易結(jié)果,并通過(guò)電力交易平臺(tái)推送回虛擬電廠;在交易執(zhí)行階段,虛擬電廠生成用電總計(jì)劃曲線及調(diào)控策略,將指令下發(fā)至用戶設(shè)備,用戶設(shè)備響應(yīng)后,虛擬電廠進(jìn)行運(yùn)行情況分析評(píng)估;在交易結(jié)算階段,電力交易平臺(tái)發(fā)布交易結(jié)算結(jié)果,虛擬電廠為所代理用戶中的響應(yīng)用戶開展結(jié)算,并進(jìn)行運(yùn)行狀況統(tǒng)計(jì).交易過(guò)程示意圖見圖3.

6 虛擬電廠市場(chǎng)化運(yùn)營(yíng)的優(yōu)勢(shì)

(1)有利于虛擬電廠運(yùn)營(yíng)管理體系持續(xù)完善

開展虛擬電廠市場(chǎng)化運(yùn)營(yíng),可以推動(dòng)虛擬電廠市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)先行先試,建立屬地政府與電網(wǎng)企業(yè)工作協(xié)同機(jī)制;可以推動(dòng)虛擬電廠市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)和試點(diǎn)項(xiàng)目建設(shè),開展虛擬電廠發(fā)展規(guī)劃、準(zhǔn)入和退出機(jī)制、市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范研究,進(jìn)一步釋放市場(chǎng)潛能.

(2)助力能源保障供應(yīng)

虛擬電廠可聚合光伏、風(fēng)電、儲(chǔ)能等分布式電源資源參與需求響應(yīng)市場(chǎng)和電能量市場(chǎng)運(yùn)營(yíng),提供分布式新能源消納途徑,優(yōu)化電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)管理方式,緩解接入受限情況,減少新能源棄限,助力電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行.

(3)有利于規(guī)劃市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)

近年來(lái)由于分布式新能源市場(chǎng)的快速發(fā)展,市場(chǎng)規(guī)劃不充分導(dǎo)致部分能源接入受限.隨著虛擬電廠市場(chǎng)的初步形成,市場(chǎng)能源需求逐步增加,合理規(guī)劃虛擬電廠建設(shè),對(duì)市場(chǎng)合理、有序發(fā)展,保障新能源消納具有重要的積極作用.