虚拟电厂蓄势待发，源网荷储联动是新型电力系统必然选择
时间：2024-12-16 阅读：93
一、虚拟电厂是什么
虚拟电厂是什么：分布式资源的聚合与优化
虚拟电厂概念起源于1997年《虚拟公共设施：新兴产业的描述、技术与竞争力》一书中对虚拟公共设施的定义， 虚拟公共设施即通过独立且以市场为驱动的实体间开展灵活合作，参与合作的实体无需拥有相应资产便可为消费者提供 所需服务，虚拟电厂便是在此概念基础上进行拓展延伸。
根据《虚拟电厂的概念和发展》一文，虚拟电 厂（virtual power plant，简称VPP）是通过先进信息通信技术和软件系统，实现分布式电 源、储能系统、可控负荷、电动汽车、充电桩等分布式能源的聚合和协调优化，以作为一个特殊电厂参与电力市场和电网运行的电源协调管理系统。虚拟电厂并不是真实存在的电厂，而是一种智能电网技术，应用分布式电力管理系统参与电网运行调度，实现“源-荷-网”聚合优化。
虚拟电厂是什么：结构——可调节性是资源层的核心
资源层的调节能力和质量决定虚拟电厂完成调度指令的能力，工商业储能作为调节资源之一，是虚拟电厂大发展的重要前提条件。
源：目前接入资源以分布式光伏为代表，自身不具备调节能力，可和工商业负荷视为整体，构成一个可调节负荷。
荷：可调节负荷各有自身能力限制，工业负荷往往受生产计划强制约，且响应速度慢；空调负荷在时间维度不可平移，基本没有填谷能力，且受用户体验和天气等因素限制，可调节范围有限；充电桩作为直接面向C端的负荷，其调节能力不可预测性较强。
储：可调节能力、响应速度和可靠性都较好的调节资源，同时具备削峰和填谷能力，虚拟电厂进行高频次大幅度响应的资源。
二、为什么需要虚拟电厂
为什么需要虚拟电厂：风光快速增加带来的填谷需求
风光装机快速增长，加剧电力系统不可控性。截至2023H1，我国风电装机389.21GW，太阳能装机470.67GW，风光合计占总装机的31.76%。其中，2023年H1我国风电新增装机22.99GW，对比22年同期新增12.94GW，同比+77.67% ；太阳能新增装机78.42GW，对比22年同期新增30.88GW，同比+153.95%，风、光均加速增长。新能源出力主要受来风、来光影响，人为干预作用小。因此，当新能源出力与负荷用电特性不吻合时，便存在新能源电力消纳问题，处理不当会引发电力系统安全事故，且造成投资的浪费。
光伏建设速度远超风电，分布式光伏成为主力。2022年我国光伏装机首ci超过风电，其中分布式功不可没。2022年分 布式光伏新增装机51.11GW，占当年全部光伏新增的58.48%；截至23H1，分布累计装机达198.23GW。分布式建设、选址简单，项目周期短，装机提升快。由于其出力时间高度集中，受电网调度管控程度相对低，消纳问题正在显现，山东、河南等分布式装机大省已出台分布式配储文件。
“鸭子曲线”变“峡谷曲线”，光伏增加带来填谷需求。“鸭子曲线”由美国加州电网运营商CAISO提出，即在光伏出力高峰的中午，净负荷曲线下降，随后在晚上光伏发电量下降时净负荷急剧上升。随着光伏装机增加，CAISO的净负荷曲线出现了向“峡谷曲线”的转变，即中午净需求更低，跌至零值甚至负值；傍晚负荷增加更加陡峭，其他电源需快速爬坡出力以适应负荷的急剧攀升。
（图片来自于华福证券虚拟电厂专题报告）
国内以山东为代表的部分省份同样有明显的填谷需求。山东装机结构与CAISO相似，截至22年底，光伏装机占比达到 22.5%。在2023年五一假期期间，山东省内用电负荷下降约15%，引发连续负电价现象。值得注意的是，4月29日-5月1日现货价格曲线形状类似鸭子曲线，期间10时-15时负电价出现尤为频繁，而该时段为光伏发电高峰。结合此前山东 将中午时段划分为电价深谷时段，新能源装机增加改变了原有的负荷曲线，使得新能源集中大发时段，电网净负荷出现了一个深谷，需要对负荷进行时间上的转移（填谷）以平滑变化、促进新能源消纳。
为什么需要虚拟电厂：充电桩等新型负荷使得负荷侧复杂程度提升
充电桩保有量随新能源汽车快速提升，改变配电网形态。截至2023H1，我国公共充电桩保有量为214.86万台，同比+40.63%。2023H1，新能源汽车销量同比+44.13%，保持快速增长，可以预见未来随新能源汽车销量继续快速提升，充电桩保有量将持续增加。充电桩的大量增加将对配电网产生冲击，相比于常规交流充电桩，快充直流桩由于功率更大、充电时间更短，产生冲击更大。
充电桩加剧居民生活用电负荷峰值提升。充电桩对配电网的影响主要包括：（1）充电桩用电高峰同样是居民原有用电高峰，会导致原有负荷峰值继续提升，产生时间短、量级高的尖峰负荷；（2）按尖峰负荷配置变压器容量，导致其余时间资源闲置；（3）充电负荷波动带来网络损耗等。
因此，充电桩的发展导致了削峰填谷需求的增加，但同时充电桩和新能源汽车本身是良好的可调节负荷，如能通过虚拟电厂进行聚合和优化，是降低充电成本和降低电网投资的双赢之选。
为什么需要虚拟电厂：需求侧响应能力力争达到至大负荷的3%-5%
需求侧响应能力建设目标明确。十四五前，虚拟电厂停留在个别地区、项目试点阶段，一是新能源装机占比不高，电力系统对灵活 性资源需求不强；二是缺乏量化目标。2022年，《“十四五”现代能源体系规划 》提出，力争到2025年，电力需求侧响应 能力达到至大负荷的 3%～5%，其中华东、华中、南方等地区达到至大负荷的5%左右。
虚拟电厂政策密集发布，成为新型电力系统建设的重要一环，政策力度有望持续加大。7月11日，深化改革委员会第二次会议召开，审议通过了《关于深化电力体制改革 加快构建新型电力系统的指导意见》。会议强调，要健全适应新型电力系统的体制机制，推动加强电力技术创新、市场机制创新、 商业模式创新。虚拟电厂作为促进新能源消 纳的重要环节和电力商业模式创新的重要形式，后续政策支持力度有望持续加大。
三、虚拟电厂如何创造收益
虚拟电厂如何创造收益：需求侧响应
虚拟电厂的三个收益来源：需求侧响应、辅助服务市场、电力现货市场 。当前我国虚拟电厂处于邀约型向市场型过渡阶段。邀约型阶段主要由政府部门或调度机构牵头组织，发出邀约信号，虚拟电厂组织资源进行响应，并获得容量/电量补贴。我国多个省份出台了需求响应细则，其中以江苏、上海、广东等省市开展得较好。需求侧响应补贴单价高但频率低，市场化程度低。需求响应以削峰为主，主要发生在迎峰度夏期间，主要目的在于保供。以广东省为例，2022年全年开展9次日前邀约型市场化需求响应（均发生在7月和8月）；至大削峰负荷277万千瓦，至大响应申报量609万千瓦；有效响应调用收益1.63亿元。可以看到，虽然补至至高达到5元/千瓦时（可中断负荷），但需求响应并非常态化进行，发生频率较低，有很强的计划色彩。因此随着我国电力市场体制建设逐渐完善，虚拟电厂也正从邀约型阶段向市场型阶段过渡。
虚拟电厂如何创造收益：辅助服务市场
新型电力系统持续催生对辅助服务的需求。传统电源（火电、水电等）具备一定的调节能力，而新能源存在出力波动、无功缺失等特性，导致高比例新能源装机电力系统对电力辅助服务的需求提升。根据国家能源局数据，2019H1我国辅助服务费用占总电费比例为1.47%；根据中国能源报，这一比例在近两年上升至2.5%；根据国际经验，辅助服务费用一般占社会总电费的3%以上，随着新能源大规模接入还将不断增加。因此，预计辅助服务市场规模将以高于用电量增速的速度增长。
虚拟电厂主要发挥调峰、调频作用。2021年12月，国家能源局修订发布《电力辅助服务管理办法》，确指出电力用户可通过委托虚拟电厂代理的形式参与电力辅助服务市场，此后多地在电力辅助服务细则中对虚拟电厂/负荷聚合商参与辅助服务的条件、补偿方式予以明确。当前，虚拟电厂主要功能是电能量的时间转移，对应调峰服务；未来随着工商业储能渗透率提升，虚拟电厂有望在调频服务取得更大突破。从2023H1全国辅助服务运行数据看，调峰、调频是辅助服 务费用的主体，费用合计占比达到80%。
四、虚拟电厂市场规模测算
虚拟电厂市场空间测算：预计到2025年投资规模为330-550亿元
从投资端看虚拟电厂规模：计算逻辑：假设需求侧响应投资和虚拟电厂投资等效，投资规模=全社会至大用电负荷*需求侧响应能力占比*需求侧响应能力单位投资。（1）根据中电联预测，到2025年全社会至大用电负荷为16.3亿千瓦；（2）根据《“十四五”现代能源体系规划》，力争到 2025 年，电力需求侧响应能力达到至大负荷的 3%～5%，假设保守情况下2025年需求侧响应能力达到至大负荷的3%，乐观情况下达到至大负荷的5%；（3）根据国家电网测算，如果通过火电厂满足5%的峰值负荷需要投资4000亿元，而通过虚拟电厂实现这一目标仅需投资500亿-600亿元。假设满足5%的峰值负荷需要虚拟电厂投资550亿元，倒算得到需求侧响应单位投资为675元/千瓦。测算得到，到2025年，保守情况下虚拟电厂/需求侧响应总投资额为330亿元，乐观情况下总投资额为550亿元。
虚拟电厂市场空间测算：预计2025年运营规模在百亿元级别
从运营端看虚拟电厂规模：电力现货市场下：（1）根据中电联预测，到2025年全社会用电量为9.5亿千瓦时；（2）假设现货交易电量占全社会用电量的10%；（3）现货市场并非时时存在价差，假设虚拟电厂单日可进行4小时电量的套利（参考工商业2h储能系统两充两放 策略），参考近期代理购电峰谷价差，假设平均峰谷价差为0.7元/千瓦时；（4）假设虚拟电厂套利电量占现货市场可套利电量的20%；（5）假设虚拟电厂运营商分成比例取20%-80%。测算得到，通过电力现货市场获利模式下，当虚拟电厂运营商分成比例为50%时，虚拟电厂2025年运营市场规模为111 亿元。辅助服务和电力现货两种获利途径存在部分重合关系，电力现货基本对至大的辅助服务品种——调峰服务形成替代。无论通过哪种途径获得收益，我们测算当运营商分成比例为50%时，2025年虚拟电厂运营市场规模均在百亿元级别。
五、安科瑞智慧能源管理平台助力虚拟电厂快速发展
安科瑞智慧能源管理平台
AcrelEMS 智慧能源管理平台是针对企业微电网的能效管理平台，对企业微电网分布式电源、市政电源、储能系统、充电设施以及各类交直流负荷的运行状态实时监视、智能预测、动态调配，优化策略，诊断告警，可调度源荷有序互动、能源全景分析，满足企业微电网能效管理数字化、安全分析智能化、调整控制动态化、全景分析可视化的需求，完成不同策略下光储充资源之间的灵活互动与经济运行，为用户降低能源成本，提高微电网运行效率。AcrelEMS 智慧能源管理平台可以接受虚拟电厂的调度指令和需求响应，是虚拟电厂平台的企业级子系统。
图1 AcrelEMS 智慧能源管理平台主界面
平台结构
系统覆盖企业微电网“源-网-荷-储-充”各环节，通过智能网关采集测控装置、光伏、储能、充电桩、常规负荷数据，根据负荷变化和电网调度进行优化控制，促进新能源消纳的同时降低对电网的至大需量，使之运行安全。
图2 AcrelEMS 智慧能源管理平台结构
平台功能
1.能源数字化展示
通过展示大屏实时显示市电、光伏、风电、储能、充电桩以及其它负荷数据，快速了解能源运行情况。
2.优化控制
直观显示能源生产及流向，包括市电、光伏、储能充电及消耗过程，通过优化控制储能和可控负载提升新能源消纳，削峰填谷，平滑系统出力，并显示优化前和优化后能源曲线对比等。
3.智能预测
结合气象数据，历史数据对光伏、风力发电功率和负荷功率进行预测，并与实际功率进行对比分析，通过储能系统和负荷控制实现优化调度，降低需量和用电成本。
4.能耗分析
采集企业电、水、天然气、冷/热量等各种能源介质消耗量，进行同环比比较，显示能源流向，能耗对标，并折算标煤或碳排放等。
5.有序充电
系统支持接入交直流充电桩，并根据企业负荷和变压器容量，并和变压器负荷率进行联动控制，引导用户有序充电，保障企业微电网运行安全。
6.运维巡检
系统支持任务管理、巡检/缺陷/消警/抢修记录以及通知工单管理，并通过北斗定位跟踪运维人员轨迹，实现运维流程闭环管理。
设备选型
除了智慧能源管理平台外，还具备现场传感器、智能网关等设备，组成了完整的“云-边-端”能源数字化体系，具体包括高低压配电综合保护和监测产品、电能质量在线监测装置、电能质量治理、照明控制、充电桩、电气消防类解决方案等，可以为虚拟电厂企业级的能源管理系统提供一站式服务能力。
安科瑞系统解决方案还包含电力运维云平台、能源综合计费管理平台、环保用电监管云平台、充电桩运营管理云平台、智慧消防云平台、电力监控系统、微电网能量管理系统、智能照明控制系统、电能质量治理系统、电气消防系统、隔离电源绝缘监测系统等系统解决方案，覆盖企业微电网各个环节，打造准确感知、边缘智能、智慧运行的企业微电网智慧能源管理系统。