中國儲能網(wǎng)訊：虛擬電廠（Virtual Power Plant），是一種通過先進信息通信技術(shù)和軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)分布式電源、儲能系統(tǒng)、可控負荷、電動汽車等分布式能源的聚合和協(xié)調(diào)優(yōu)化，以作為一個特殊電廠參與電力市場和電網(wǎng)運行的電源協(xié)調(diào)管理系統(tǒng)。自2017年上海黃浦區(qū)商業(yè)建筑虛擬電廠示范工程建成以來，我國各地電網(wǎng)均因地制宜開展了虛擬電廠建設(shè)和運行；最廣為人知的一次實踐，是國家電網(wǎng)冀北電力公司建設(shè)、維護、優(yōu)化的虛擬電廠服務(wù)保障了2022北京冬奧會的電力綠色、安全供應(yīng)。近日，國內(nèi)虛擬電廠建設(shè)再次迎來突破。南方電網(wǎng)公司分布式源荷聚合服務(wù)平臺在廣東廣州、廣東深圳、廣西柳州三地同步開展虛擬電廠多功能聯(lián)合調(diào)控，在多省區(qū)同步實現(xiàn)了調(diào)頻、直控等快速響應(yīng)，標志著我國首個區(qū)域級虛擬電廠投入運行。
1、區(qū)域虛擬電廠實現(xiàn)能力和接入規(guī)模的飛躍
2019年以來，南方電網(wǎng)公司經(jīng)營區(qū)內(nèi)虛擬電網(wǎng)聚合范圍不斷擴大、管理技術(shù)不斷革新、調(diào)節(jié)能力不斷增強、應(yīng)用場景不斷豐富。
2019年起，依托已有的理論探索和國際上的實踐經(jīng)驗，南方電網(wǎng)開始規(guī)?；紤]虛擬電廠對電網(wǎng)的影響。2020年10月，全國首套自動化虛擬電廠系統(tǒng)在深圳試運行。2021年8—12月，廣州市、中山市虛擬電廠的運行標志著城市級虛擬電廠的成功嘗試；截至2021年底，廣東省聚合的283家虛擬電廠，平均總響應(yīng)容量約40兆瓦；2021年11月，國內(nèi)首個網(wǎng)地一體虛擬電廠運營管理平臺在深圳試運行。2022年3—4月，《南方電網(wǎng)電力并網(wǎng)運行管理實施細則》等3份文件引入了有資源聚合管理能力的負荷聚合商參與市場的相關(guān)規(guī)定；8月，國內(nèi)首家虛擬電廠管理中心在深圳掛牌成立；12月，深圳虛擬電廠管理中心簽訂了虛擬電廠建設(shè)六方合作協(xié)議，簽約36家聚合商；截止2022年底，聚合資源規(guī)模達7392兆瓦，最大可調(diào)節(jié)能力達到101萬千瓦。
2023年5月，深圳虛擬電廠管理中心對接虛擬電廠運營商累計66家，接入管理超30家，接入資源規(guī)模超過1500兆瓦，其中分布式光伏容量超400兆瓦，實時最大可調(diào)節(jié)負荷能力超300兆瓦；6月29日，深圳虛擬電廠管理平臺2.0上線試運行。依托三年多來累計聚合的資源，7月初，我國首個區(qū)域級虛擬電廠終于投入運行，是全國范圍內(nèi)虛擬電廠建設(shè)的一次大的進步。
從響應(yīng)能力和負荷類型上看，該虛擬電網(wǎng)平臺已聚合廣東、廣西區(qū)域內(nèi)新型儲能、電動汽車充換電設(shè)施、分布式光伏、非生產(chǎn)性空調(diào)、風光儲充微電網(wǎng)等各類分布式資源，相較于南方電網(wǎng)區(qū)域內(nèi)過往的實踐，此次區(qū)域級虛擬電廠實現(xiàn)了響應(yīng)能力的新突破：實現(xiàn)了大范圍、多資源參與直控型需求響應(yīng)、車網(wǎng)互動調(diào)節(jié)、二次調(diào)頻輔助服務(wù)等新突破，直控資源在30秒內(nèi)“聞令而動”，響應(yīng)能力已基本接近實體電廠。同時還面向用戶提供數(shù)字代維、智慧能管、市場交易等用能服務(wù)。
從接入規(guī)模上看，該虛擬電網(wǎng)平臺聚合分布式資源規(guī)模10751兆瓦，其中可調(diào)節(jié)能力1532兆瓦，相當于投產(chǎn)7座220千伏變電站。相比之下，現(xiàn)存國內(nèi)其他區(qū)域的單個虛擬電網(wǎng)試點規(guī)模均在500兆瓦以下，可調(diào)節(jié)能力均在100兆瓦以下。例如，浙江金華金華供電公司“全域”虛擬電已聚合資源容量286.9兆瓦，可調(diào)節(jié)容量66.1兆瓦（2023年6月）；合肥電網(wǎng)虛擬電廠共接入光伏電站、電動汽車充換電站(樁)、儲能站、商業(yè)樓宇等多種負荷類型220兆瓦（2023年5月）；廈門虛擬電廠項目聚合社會可調(diào)節(jié)負荷資源366.1兆瓦（2023年5月）；山西首批9家售電主體申報的15家虛擬電廠平均聚合容量為123.16兆瓦，可調(diào)節(jié)平均容量26.13兆瓦（2023年2月）。南方電網(wǎng)建設(shè)的區(qū)域虛擬電網(wǎng)，在接入規(guī)模和響應(yīng)規(guī)模上實現(xiàn)了單個虛擬電廠數(shù)量級的巨大提升。
從公開信息來看，本次區(qū)域虛擬電廠參與調(diào)度的主要途徑有兩種：一是替代部分備用機組，直接參與調(diào)峰，有效削峰填谷；二是替代部分發(fā)電機組、變電站參與一次、二次調(diào)頻等電力輔助服務(wù)，增強電網(wǎng)安全性。這些途徑能有效節(jié)約容量投資，降低發(fā)電成本、阻塞成本和輔助服務(wù)成本，降低電力系統(tǒng)碳排放，促進新能源消納，形成合力賦能新型電力市場的建設(shè)。具體來講：
第一，區(qū)域虛擬電廠能降低容量投資成本。在傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)中，為了保證系統(tǒng)的可靠性，各區(qū)域必須各自進行發(fā)電能力投資，以滿足電力需求，為保證響應(yīng)的可靠性，這一投資實際上是對化石燃料電廠投資。虛擬電廠通過儲能、柔性負荷等接入負荷降低高峰負荷，進而降低維持可靠性所需的容量投資（建造、運營和管理化石燃料發(fā)電廠的投資），由此產(chǎn)生的代價是虛擬電網(wǎng)的并網(wǎng)成本、管理系統(tǒng)的建設(shè)成本等。根據(jù)國家電網(wǎng)的測算，如果通過火電廠實現(xiàn)電力系統(tǒng)的削峰填谷，滿足5%的峰值負荷需要投資4000億元，而通過虛擬電廠實現(xiàn)這一目標僅需投資500億~600億元，即火電廠成本的1/8~1/7。由此可見，虛擬電廠提供了一個成本更低的可靠性建設(shè)替代方案。
第二，區(qū)域虛擬電廠能降低發(fā)電成本。在一個完全競爭的電力市場中，不考慮技術(shù)約束時，調(diào)度發(fā)電機組出力的順序與各類邊際機組的成本升序一致，在這樣的市場中，保持可再生能源發(fā)電不變，電力供應(yīng)的邊際成本預(yù)計將隨著負荷的增加而增加。換句話說，峰時電力的邊際成本預(yù)期大于非峰時電力的邊際成本。
因此，虛擬電廠通過聚合新型儲能、電動汽車充換電設(shè)施、非生產(chǎn)性空調(diào)、分布式光伏等風光儲充微電網(wǎng)等各類分布式資源，在用電谷時做“用電負荷”，用電網(wǎng)的電并儲存起來；在用電峰時做“電源”，降低用電需求或者向電網(wǎng)放電；將負荷從峰時轉(zhuǎn)移到谷時，降低發(fā)電總成本。
第三，區(qū)域虛擬電廠能降低傳輸阻塞成本。第二點中的理想市場同時因為傳輸和發(fā)電的約束而產(chǎn)生變化。一方面，當沒有足夠的傳輸容量來支持所有傳輸服務(wù)請求時，傳輸擁塞就發(fā)生了。為了保證可靠性，傳輸系統(tǒng)運營商必須重新調(diào)度發(fā)電，或者在受限制的情況下拒絕其中的一些請求，以防止傳輸線過載。阻塞成本是由于輸電擁塞造成的社會福利損失。
具體來說，電力需求的高峰時段更容易出現(xiàn)輸電能力約束和發(fā)電容量約束；電力需求從谷時到峰時快速爬升時，容易出現(xiàn)爬坡約束。峰時，由于虛擬電廠聚合的發(fā)電/儲能/用電設(shè)備具有地理上分布廣泛的特征，既能緩解傳輸和發(fā)電的容量約束，又能降低約束發(fā)生的可能性。從谷時到峰時變化時，虛擬電廠一方面可以分擔調(diào)度機組的瞬時發(fā)電壓力，另一方面可以平抑峰谷需求差異，降低爬坡約束發(fā)生的可能性?？偠灾?，虛擬電廠空間上分布廣泛，時間上調(diào)度迅速，機制上“源荷互動”的特征能有效降低傳輸阻塞成本。
第四，區(qū)域虛擬電廠能降低碳排放和減少排放權(quán)購入成本。一方面，虛擬電廠可以通過調(diào)度分布式新能源削峰填谷，減少總排放量和排放權(quán)購入成本。另一方面，如果峰時的邊際機組比谷時的邊際機組具有更高的發(fā)電成本和更低的排放率，除了上述途徑外，虛擬電網(wǎng)還可以通過調(diào)度獨立儲能、充電樁，將峰時的低排放的電“存”起來，轉(zhuǎn)移到谷時使用，替代本來谷時需要以高排放為代價才能發(fā)出的火電。兩者均能降低碳排放和減少排放權(quán)購入成本。
第五，區(qū)域虛擬電廠能降低輔助服務(wù)成本。輔助業(yè)務(wù)是指通過平衡電力供需、調(diào)節(jié)頻率和電壓水平，以及在發(fā)生干擾時恢復(fù)系統(tǒng)，保證電網(wǎng)可靠穩(wěn)定運行的業(yè)務(wù)。區(qū)域虛擬電廠通過“源荷互動”的特性平抑負荷需求曲線波動，通過直接調(diào)度海量分散的充電樁、空調(diào)、儲能等用電資源，降低用電功率，直接提供調(diào)頻服務(wù)，使得電網(wǎng)更容易平衡，從而降低輔助服務(wù)成本。
第六，區(qū)域虛擬電廠可以通過促進新能源消納，降低新能源發(fā)電的影子成本。新能源具有典型的間歇性特征，出力隨機波動性強，供需在時空維度的巨大差異，棄風、棄光現(xiàn)象頻發(fā)。虛擬電廠可以通過對分散的新能源資源進行集成和管理，實現(xiàn)對新能源的接入和有效利用，降低新能源并網(wǎng)運行成本，加速新能源容量投資回收速度。
隨著區(qū)域虛擬電廠的投運，為了真正讓上述社會福利得以實現(xiàn)，一個面向未來的核心問題是如何設(shè)計一個可持續(xù)的“虛擬電廠參與電力市場”的機制，使得各利益相關(guān)方——接入虛擬電廠的“分布式資源”、具備規(guī)模用電負荷集合和控制能力的“負荷聚合商”、進行管理調(diào)度的電網(wǎng)，三方依據(jù)自身目標最大化制定的決策，正好與社會最優(yōu)化目標吻合，避免系統(tǒng)外部的政府監(jiān)管部門不得不干預(yù)市場，在經(jīng)濟學中，這種機制就是“激勵相容”的。
為了實現(xiàn)這一目標，首先應(yīng)當明確社會的最優(yōu)目標是什么。答案是顯而易見的，那就是習近平總書記在2021年3月中央財經(jīng)委員會第九次會議上提出的“構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)”，接下來要考慮各利益相關(guān)方有差別的目標，設(shè)計能使各方做出有利于新型電力系統(tǒng)建設(shè)的決策，具體來說：
第一類利益相關(guān)方是各種分布式資源。作為虛擬電廠系統(tǒng)中最基礎(chǔ)、最核心、最關(guān)鍵的一環(huán)，它們既有共同點，又有顯著區(qū)別，因此在市場實際中要堅持既有共同點、又有區(qū)分的設(shè)計原則。從共同點來說，由于聚合資源不受地理位置等條件制約，因此虛擬電廠參與輔助服務(wù)市場有一定優(yōu)勢，相較之下，由于電能量市場通過價格信號引導市場主體參與調(diào)節(jié)，對虛擬電廠被聚合對象的價格敏感性、地理屬性和出清結(jié)果的可執(zhí)行性要求更高，虛擬電廠參與電能量市場的難度更大。
從區(qū)別來說，按照能否自主發(fā)電、能否儲能、自身是否有負荷，可以大致把分布式資源分為四類，一是具有“不能發(fā)電，能儲能放，無需負荷”特點的各類獨立儲能；二是具有“不能發(fā)電，能儲能放，自身負荷”特點的電動汽車充換電設(shè)施、風光儲充微電網(wǎng)；三是具有“能夠發(fā)電，不能儲只能放，無需負荷”特點的“分布式光伏”；四是具有“不能發(fā)電，不能儲只能放，自身負荷”特點的“非生產(chǎn)經(jīng)營性空調(diào)”。
以第一類儲能為例進行分析，儲能的價值實現(xiàn)的途徑主要是共享租賃賺取租金，直接接受政府的各種補貼或減免政策（一次性容量補貼、市場參與補貼、免除輸配電價和政府性基金及附加等），通過電能量現(xiàn)貨市場峰谷價差套利，參與調(diào)峰、調(diào)頻（包括一次調(diào)頻、二次調(diào)頻）等輔助服務(wù)市場賺取充電補償，執(zhí)行備用火電的功能獲取兜底容量電價這幾類。在市場設(shè)計中，應(yīng)當明確希望此類分布式資源發(fā)揮的具體作用，從而在適當?shù)氖袌錾?，給予其獨立的主體地位，引導其以特定的方式實現(xiàn)盈利。
例如，前文提及的《南方電網(wǎng)電力并網(wǎng)運行管理實施細則》等3份文件，將獨立儲能電站作為新主體納入管理，進一步提升獨立儲能補償標準，借此引導獨立儲能參與輔助服務(wù)市場盈利；《廣州市黃埔區(qū)、廣州開發(fā)區(qū)促進新型儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展辦法》通過有上限的容量補貼、放電量補貼，在市場機制尚不完善的時候，內(nèi)部化儲能的正外部性收益，形成正向激勵；與之相反，為了更好促進儲能參與市場，作為兜底性手段的容量電價并沒有被廣泛應(yīng)用。
此外，在實際中，不同種類的分布式資源的特征可能融于一身，比如“光儲充”一體化充電等，此時，更需要良好的市場設(shè)計為這種資源提供參與電力市場的激勵。
第二類利益相關(guān)方是負荷聚合商。其對于電力系統(tǒng)的貢獻是通過電價信號參與需求側(cè)響應(yīng)，將充電負荷曲線和電網(wǎng)負荷曲線疊加，從而顯著縮小峰谷差，保持電網(wǎng)平衡。在實踐中，聚合商也經(jīng)常由售電企業(yè)和電網(wǎng)擔任。其盈利方式主要包括：預(yù)測可再生能源發(fā)電，直接控制特定分布式能源發(fā)電的交易從而盈利；需求響應(yīng)聚合，依據(jù)“優(yōu)序原則”調(diào)配分布式能源，降低發(fā)電成本從而盈利；參與電力輔助服務(wù)市場競標，通過調(diào)度負荷用電功率參與調(diào)頻市場。
可以看出，聚合商和分布式資源的盈利首先是相輔相成的，只有更多地參與到電力市場中，才能獲得更大利潤；之后就涉及到利益分配問題。壟斷競爭理論指出，隨著聚合市場的市場化程度提高，聚合商的市場勢力會逐漸消失，聚合商的數(shù)量會逐漸增多，其超額利潤率會逐漸降低并最終趨于零。然而，與傳統(tǒng)理論相悖的是，隨著聚合商數(shù)量的增加，可能出現(xiàn)單個聚合商資源不足的情況，這對于邀約型的需求反應(yīng)是不利的，會出現(xiàn)總聚合可調(diào)負荷超過邀約規(guī)模，但是卻無“人”應(yīng)邀的尷尬局面。
要破解這一問題，可以通過“技術(shù)聚合”、市場調(diào)節(jié)等手段?！凹夹g(shù)聚合”也就是依托5G+通信技術(shù)，實現(xiàn)更大范圍內(nèi)負荷的直接調(diào)動，拒絕中間商賺差價，實現(xiàn)管理平臺和柔性負荷的直接對接，南方電網(wǎng)本次區(qū)域虛擬電廠的建設(shè)就是走的這條路徑。另一個可能的路徑是從“邀約型”虛擬電廠完全“進化”成交易型、自治型虛擬電廠，以市場化手段解決這一問題，由于聚合商具有的網(wǎng)絡(luò)特征，此時社會最優(yōu)的聚合商規(guī)模，應(yīng)當考慮科斯所講的企業(yè)最優(yōu)邊界和可能的網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)，在一定水平上動態(tài)波動。
第三類利益相關(guān)方是電網(wǎng)公司。由于電網(wǎng)公司同時經(jīng)營售電業(yè)務(wù)，有條件聚合分布式資源建設(shè)虛擬電廠。因此，可能出現(xiàn)電網(wǎng)優(yōu)先調(diào)度自身或自身的子公司建設(shè)的虛擬電廠，而非按照“優(yōu)序原則”調(diào)度或給與其他虛擬電廠平等的市場參與機會，這會降低市場效率。
要破解這一問題，要持續(xù)推動電力系統(tǒng)深化改革，通過設(shè)計虛擬電廠參與需求側(cè)響應(yīng)的調(diào)度順序機制，明確參與調(diào)頻市場的獨立平等主體地位，加強電網(wǎng)系統(tǒng)各項工作之間的獨立性。
總而言之，要實現(xiàn)虛擬電廠參與電力市場可持續(xù)發(fā)展，就要錨定新型電力市場建設(shè)的總目標，通過機制設(shè)計而非直接干預(yù)的手段，厘清、協(xié)調(diào)各方利益訴求，用良好的制度設(shè)計引導各利益主體參與市場競爭，在市場“看不見的手”的作用下，促使虛擬電廠賦能新型電力市場建設(shè)。
