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為什么需要虛擬電廠？

什么是虛擬電廠？
虛擬電廠是將不同空間的可調(diào)節(jié)負(fù)荷、儲(chǔ)能和分布式電源等一種或多種資源聚合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)自主協(xié)調(diào)優(yōu)化控制，參與電力系統(tǒng)運(yùn)行和電力市場(chǎng)交易的智慧能源系統(tǒng)。它既可作為“正電廠”向系統(tǒng)供電或控制可調(diào)負(fù)荷調(diào)峰；又可作為“負(fù)電廠”加大負(fù)荷消納，配合系統(tǒng)填谷；既能快速響應(yīng)指令，配合保障系統(tǒng)穩(wěn)定并獲得經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償，也可等同于電廠參與容量、電量、輔助服務(wù)等各類電力市場(chǎng)獲得經(jīng)濟(jì)收益。

虛擬電廠產(chǎn)業(yè)鏈包括：上游資源側(cè)、中游負(fù)荷聚合商和下游客戶。1）上游資源側(cè)：“正/負(fù)”資源與儲(chǔ)能電站?！罢?負(fù)”資源中“正”指發(fā)電側(cè)，含分布式光伏、小型水電站與少數(shù)集中式發(fā)電廠；“負(fù)”指用電側(cè)，含居民、工業(yè)、充電樁、換電站與商業(yè)和建筑物等。2）中游負(fù)荷聚合商：通過(guò)專業(yè)技術(shù)評(píng)估用戶的需求響應(yīng)潛力，整合分散的需求響應(yīng)資源來(lái)參與電力系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)?？蔀榭蛻籼峁┬枨髠?cè)響應(yīng)、參與電力市場(chǎng)進(jìn)行價(jià)差套利與降低偏差考核費(fèi)用三項(xiàng)服務(wù)。3）下游客戶：主要含電網(wǎng)調(diào)度、用電用戶、售電公司與新能源電站四類客戶。

按照實(shí)際的組成，可將虛擬電廠劃分為電源型、負(fù)荷型、儲(chǔ)能型、混合型四類。1）電源型虛擬電廠：具有能量出售的能力，可以參與能量市場(chǎng)，并視實(shí)際情形參與輔助服務(wù)市場(chǎng)。2）負(fù)荷型虛擬電廠：具有功率調(diào)節(jié)能力，可以參與輔助服務(wù)市場(chǎng)，能量出售屬性不足。3）儲(chǔ)能型虛擬電廠：可參與輔助服務(wù)市場(chǎng)，部分時(shí)段也可以通過(guò)放電來(lái)出售電能。4）混合型虛擬電廠：全能型角色。

虛擬電廠：聚合正/負(fù)資源，在電力系統(tǒng)中尋找“套利”機(jī)會(huì)

靈活性：調(diào)峰、消納能力突出，盈利模式多元。虛擬電廠是將不同空間的可調(diào)節(jié)負(fù)荷、儲(chǔ)能和分布式電源等一種或多種資源聚合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)自主協(xié)調(diào)優(yōu)化控制，參與電力系統(tǒng)運(yùn)行和電力市場(chǎng)交易的智慧能源系統(tǒng)。它既可作為“正電廠”向系統(tǒng)供電或控制可調(diào)負(fù)荷調(diào)峰；又可作為“負(fù)電廠”加大負(fù)荷消納，配合填谷；還能快速響應(yīng)指令，保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。能夠有效保障配電網(wǎng)側(cè)新能源的聚合管理、就地消納及電力系統(tǒng)需求的及時(shí)響應(yīng)。除配合電網(wǎng)輔助電力調(diào)度外（當(dāng)前主要盈利模式），現(xiàn)貨市場(chǎng)逐步推廣后虛擬電廠的收入會(huì)更多元，包括直接參與市場(chǎng)交易、幫助新能源電站/售電公司/電力用戶降低偏差考核從而開(kāi)源節(jié)流，當(dāng)然這些盈利模式本質(zhì)取決于電力體制改革的進(jìn)程。

經(jīng)濟(jì)性：投入成本約為火電廠的 1/8~1/7。2023 年全國(guó)電力供需呈現(xiàn)緊平衡態(tài)勢(shì)，電力峰谷差矛盾日益突出。峰谷差問(wèn)題可以依靠多種手段緩解，但總體來(lái)看，隨著虛擬電廠技術(shù)日漸成熟，其將成為削峰填谷投資成本最低的手段。據(jù)國(guó)家電網(wǎng)測(cè)算，通過(guò)火電廠實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)削峰填谷，滿足其經(jīng)營(yíng)區(qū) 5%的峰值負(fù)荷需要投資 4000 億，而通過(guò)虛擬電廠，在建設(shè)、運(yùn)營(yíng)、激勵(lì)等環(huán)節(jié)投資僅需 500~600 億元。

為什么過(guò)去不需要，但現(xiàn)在需要虛擬電廠？
供給側(cè)：新能源發(fā)電比例日益提升，對(duì)電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)靈活性要求更高

2022 年我國(guó)電力裝機(jī)結(jié)構(gòu)中新能源占比已達(dá) 30%，且未來(lái)仍有提升空間，電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)壓力增大。順應(yīng)雙碳政策，近些年我國(guó)電力結(jié)構(gòu)中新能源占比不斷提升，風(fēng)電、光伏發(fā)電裝機(jī)容量占比由 2013 年的 7%提升至 2022 年的 30%。發(fā)電量方面，據(jù)國(guó)家能源局，2022年全國(guó)風(fēng)電、光伏發(fā)電量創(chuàng)新高，首次突破 1 萬(wàn)億千瓦時(shí)，達(dá) 1.19 萬(wàn)億千瓦時(shí)，占總用電量的 13.8%，已接近全國(guó)城鄉(xiāng)居民生活用電量。風(fēng)光發(fā)電隨機(jī)性、間歇性和波動(dòng)性的特點(diǎn)，以及分布式新能源系統(tǒng)數(shù)量的增長(zhǎng)，均對(duì)電力系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)能力提出更高要求。

需求側(cè)：第三產(chǎn)業(yè)+居民用電占比持續(xù)提升，電力系統(tǒng)調(diào)峰能力迎來(lái)挑戰(zhàn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整進(jìn)行時(shí)，電網(wǎng)面臨最高負(fù)荷繼續(xù)攀升、峰谷差不斷拉大的挑戰(zhàn)?！笆濉币詠?lái)，我國(guó)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)持續(xù)調(diào)整，第三產(chǎn)業(yè)及城鄉(xiāng)居民用電量占比不斷提升，已由 2016 年的27%提升至 2022 年的 33%。與第二產(chǎn)業(yè)相比，第三產(chǎn)業(yè)和居民生活用電日負(fù)荷曲線的日負(fù)荷率更低、峰谷差更大。故隨著用電結(jié)構(gòu)調(diào)整，我國(guó)用電側(cè)日內(nèi)負(fù)荷的最高值與峰谷差都在不斷增大，電力系統(tǒng)調(diào)峰能力迎來(lái)挑戰(zhàn)。

2022 年以來(lái)各省市規(guī)劃不斷落地，政策催化虛擬電廠發(fā)展

虛擬電廠有關(guān)政策進(jìn)入密集發(fā)布期，行業(yè)發(fā)展加速。2021 年國(guó)務(wù)院發(fā)布的《2030 年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》中提出，引導(dǎo)虛擬電廠參與新型電力系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)。2022 年 1 月，發(fā)改委、能源局發(fā)布的《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》指出要“開(kāi)展各類資源聚合的虛擬電廠示范?！?。
此后各地虛擬電廠政策催化顯著加速。2022 年 6 月，山西省能源局發(fā)布《虛擬電廠建設(shè)與運(yùn)營(yíng)管理實(shí)施方案》，為國(guó)內(nèi)首份省級(jí)虛擬電廠運(yùn)營(yíng)管理文件，引導(dǎo)虛擬電廠規(guī)范入市。隨后，深圳、山東、上海、天津、湖南等地均出臺(tái)相關(guān)政策，加速推進(jìn)虛擬電廠的建設(shè)進(jìn)程。
2023 年 5 月，發(fā)改委發(fā)布《電力需求側(cè)管理辦法（征求意見(jiàn)稿）》、《電力負(fù)荷管理辦法（征求意見(jiàn)稿）》，提出到 2025 年，各省需求響應(yīng)能力達(dá)到最大用電負(fù)荷的 3%-5%，其中年度最大用電負(fù)荷峰谷差率超過(guò) 40%的省份達(dá)到 5%或以上，其中“5%或以上”為首次提及。

我國(guó)虛擬電廠正在由邀約型向市場(chǎng)型過(guò)渡，虛擬電廠試點(diǎn)項(xiàng)目加速建設(shè)

虛擬電廠的發(fā)展可分為三個(gè)階段，收入來(lái)源隨之不斷豐富。第一個(gè)階段為邀約型階段，在沒(méi)有電力市場(chǎng)的情況下，由政府部門或調(diào)度機(jī)構(gòu)牽頭組織，各個(gè)聚合商參與，共同完成邀約、響應(yīng)和激勵(lì)流程。第二個(gè)階段是市場(chǎng)型階段，在電能量現(xiàn)貨市場(chǎng)、輔助服務(wù)市場(chǎng)和容量市場(chǎng)建成后，虛擬電廠聚合商以類似于實(shí)體電廠的模式，分別參與這些市場(chǎng)獲得收益。
第三個(gè)階段是未來(lái)的虛擬電廠，可稱之為跨空間自主調(diào)度型虛擬電廠。隨著虛擬電廠聚合的資源種類越來(lái)越多、數(shù)量越來(lái)越大、空間越來(lái)越廣，其中既包含可調(diào)負(fù)荷、儲(chǔ)能和分布式電源等基礎(chǔ)資源，也包含由這些基礎(chǔ)資源整合而成的微網(wǎng)、局域能源互聯(lián)網(wǎng)。

我國(guó)虛擬電廠起步于“十三五”時(shí)期，已建成多個(gè)試點(diǎn)項(xiàng)目，正由邀約型向市場(chǎng)型過(guò)渡。“十三五”期間我國(guó)江蘇、上海、河北、山東等地相繼開(kāi)展了需求響應(yīng)和虛擬電廠的試點(diǎn)項(xiàng)目。

該階段的虛擬電廠主要通過(guò)政府機(jī)構(gòu)或電力調(diào)度機(jī)構(gòu)發(fā)出邀約信號(hào)，由負(fù)荷聚合商、虛擬電廠組織資源進(jìn)行削峰、填谷等需求響應(yīng)，最后獲取激勵(lì)補(bǔ)償。“十四五”期間，我國(guó)各地虛擬電廠試點(diǎn)項(xiàng)目建設(shè)明顯加速，正逐步實(shí)現(xiàn)向市場(chǎng)型階段轉(zhuǎn)變，聚合“正/負(fù)”資源與儲(chǔ)能電站，參與輔助服務(wù)市場(chǎng)或現(xiàn)貨市場(chǎng)交易并獲得收入。

海外經(jīng)驗(yàn)：他山之石，可以攻玉

虛擬電廠自 21 世紀(jì)初在德國(guó)、英國(guó)、西班牙、法國(guó)、丹麥等歐洲國(guó)家開(kāi)始興起，同期北美推進(jìn)相同內(nèi)涵的“電力需求響應(yīng)”。目前虛擬電廠理論與實(shí)踐在發(fā)達(dá)國(guó)家已成熟，且各國(guó)各有側(cè)重。美國(guó)以可控負(fù)荷為主；以德國(guó)為代表的歐洲國(guó)家以分布式電源為主；澳大利亞以用戶側(cè)儲(chǔ)能為主。
德國(guó)：以分布式電源為主，主要通過(guò)電力交易獲取收入

德國(guó)虛擬電廠起源于 2000 年，聚焦分布式電源。全球首個(gè)虛擬電廠誕生于 2000 年，德國(guó)、荷蘭、西班牙等 5 國(guó) 11 家公司共同啟動(dòng)虛擬電廠項(xiàng)目 VFCPP，搭建了由 31 個(gè)分散且獨(dú)立的居民燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)（CHP）系統(tǒng)構(gòu)成的虛擬電廠。德國(guó)高分布式能源占比的特點(diǎn)決定了其虛擬電廠以分布式電源的聚合為主。
電力系統(tǒng)拆分為虛擬電廠發(fā)展提供良好環(huán)境，德國(guó)虛擬電廠運(yùn)營(yíng)商主要分為獨(dú)立虛擬電廠運(yùn)營(yíng)商、大型電力公司和新型市場(chǎng)參與者，可參與歐洲所有平衡市場(chǎng)。德國(guó)《能源經(jīng)濟(jì)法》提出了電力系統(tǒng)拆分的要求，將發(fā)電、輸電、配電和售電分開(kāi)，為新的市場(chǎng)參與者提供了公平的環(huán)境。獨(dú)立虛擬電廠運(yùn)營(yíng)商指獨(dú)立聚合商，不隸屬于傳統(tǒng)電力供應(yīng)商。大型電力公司則將自己的發(fā)電資源以及可能的負(fù)荷用戶和發(fā)電機(jī)組聚合到虛擬電廠當(dāng)中。新型市場(chǎng)參與者如小規(guī)模分布式能源資源的制造商，主要將其用戶的資源聚合到虛擬電廠當(dāng)中。運(yùn)營(yíng)范圍方面，歐洲有約 20 家電力交易所，在統(tǒng)一電力市場(chǎng)框架下，各國(guó)電網(wǎng)調(diào)度與交易獨(dú)立運(yùn)營(yíng)，而電力交易中心一般采用多國(guó)聯(lián)合的方式。歐洲互聯(lián)電網(wǎng)已經(jīng)連接整個(gè)歐洲和鄰近大陸的部分地區(qū)。

Next Kraftwerke：歐洲最大的虛擬電廠。
公司創(chuàng)立于 2009 年，前身是德國(guó)清潔技術(shù)公司 Next Kraftwerke GmbH，主營(yíng)業(yè)務(wù)為應(yīng)急發(fā)電機(jī)、風(fēng)力渦輪機(jī)和沼氣發(fā)電廠的聚合工作，從而彌補(bǔ)電網(wǎng)波動(dòng)。2011 年，公司研發(fā)的虛擬電廠平臺(tái)首次投入測(cè)試，完成了從可再生能源到輸電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商的儲(chǔ)能運(yùn)輸控制。2020年，公司和東芝成立合資企業(yè)，拓寬虛擬電廠在日本的業(yè)務(wù)布局。2021 年，公司被殼牌公司以現(xiàn)金全資收購(gòu)。據(jù)公司官網(wǎng)，截至 4Q22，公司共運(yùn)營(yíng) 15346 個(gè)分布式能源單元，接入發(fā)電裝機(jī)容量 12294 兆瓦，2019 年參與電力交易量 15.1TWh。2020 年公司實(shí)現(xiàn)近 6 億歐元收入，2013~2020 年復(fù)合增速為 29%。

公司的盈利模式主要為：1）作為可再生能源電力交易商，將風(fēng)電、光伏等零或低邊際成本的發(fā)電資源參與中長(zhǎng)期、現(xiàn)貨等電力市場(chǎng)交易；2）基于日前市場(chǎng) 24 次、日內(nèi)市場(chǎng) 96 次的價(jià)格波動(dòng)，調(diào)節(jié)分布式電源的出力、負(fù)荷用電時(shí)間，實(shí)現(xiàn)高峰售電、低谷用電；3）利用微燃機(jī)、生物質(zhì)發(fā)電等啟動(dòng)速度快、出力靈活的特點(diǎn)，在七個(gè)歐洲輸電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商（TSO）區(qū)域提供調(diào)頻等電網(wǎng)輔助服務(wù)獲取收益。

美國(guó)：以可控負(fù)荷為主，主要通過(guò)需求響應(yīng)獲取收益

美國(guó)虛擬電廠起步于 90 年代初，強(qiáng)調(diào)需求響應(yīng)。美國(guó)在 21 世紀(jì) 80 年代就開(kāi)始了對(duì)電力市場(chǎng)的改革，首個(gè)虛擬電廠出現(xiàn)于 90 年代初。由于零售電價(jià)不斷提升，光伏成本下行趨勢(shì)下戶用光伏裝機(jī)占比提高，故美國(guó)虛擬電廠聚焦于需求響應(yīng)，即通過(guò)控制電力價(jià)格、根據(jù)電力政策的動(dòng)態(tài)變化引導(dǎo)電力用戶改變其固有的習(xí)慣用電模式，從而降低用電負(fù)荷或獲取用戶手中的儲(chǔ)能，保證電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性。

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