電力系統(tǒng)中，供需平衡是一項剛性約束，為了保障這種平衡，確保系統(tǒng)的安全可靠運行，我國針對需求側(cè)開展了大量的工作。早期由于供給側(cè)發(fā)電設備及電網(wǎng)的構(gòu)建相對于電力需求的增長總是存在相應的時滯，導致長期電力供應緊缺，為了解決供需矛盾，我國采用“三電辦”的管理模式，其主要是站在電力生產(chǎn)者的角度，通過行政命令手段開展用電管理工作，以減少用戶對電力、電量的需求，該時期內(nèi)用戶參與調(diào)控被當做一項義務。隨著時間的推移，我國電力供需形勢發(fā)生變化，“硬缺電”變?yōu)榱艘螂娋W(wǎng)運行方式不科學而造成的階段性、季節(jié)性缺電，在此背景下需求側(cè)管理的概念引入我國。與“三電辦”模式不同，其主要通過有效的激勵、引導措施，調(diào)動用戶的積極性去改變用電方式，滿足用戶相同用電功能的前提下，降低電能的消耗，提升終端用能效率，其目的不僅僅是彌補電力供應緊缺，更主要是為了最經(jīng)濟有效地利用能源資源，充分發(fā)揮電力在能源市場上的作用。再往后發(fā)展便進入了電力需求響應階段，從需求側(cè)管理到需求響應雖然有相關繼承性，但其存在本質(zhì)性的區(qū)別，需求響應重在通過釋放市場信號驅(qū)動用戶自愿響應，而非采用強制性的行政手段，用戶從剛性的“無機體”變?yōu)榱藦椥缘摹坝袡C體”，該時期參與需求響應的資源主體主要以可調(diào)負荷為主。
近幾年，在可再生能源和電能替代發(fā)展戰(zhàn)略下，電源端接入大量的可再生能源，供應側(cè)呈現(xiàn)復合多元化的特點，整個電網(wǎng)也處于向數(shù)字化、智能化的互聯(lián)互動轉(zhuǎn)型的過程之中。傳統(tǒng)需求側(cè)管理已從單純的能效和負荷管理拓展到了促進可再生能源消納與智能用電方面。這就需要更加穩(wěn)定、靈活性的技術(shù)來支撐系統(tǒng)轉(zhuǎn)型。隨著我國大規(guī)?？烧{(diào)負荷、分布式電源、儲能等靈活性資源在配用電側(cè)興起，通過虛擬電廠（virtual power plant，VPP）對其實現(xiàn)聚合管理，使他們具備參與電網(wǎng)調(diào)控的能力，更多以微網(wǎng)、局域能源互聯(lián)網(wǎng)的形式來做需求側(cè)資源。在我國能源低碳轉(zhuǎn)型的道路上，其也將作為支撐電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的一個重要抓手。
發(fā)展虛擬電廠是大勢所趨
VPP的基本概念
VPP的概念已提出20余年，本世紀初在德國、英國、法國、荷蘭等歐洲國家興起，并已有多個成熟的示范項目，其主要關注分布式能源的可靠并網(wǎng)，同時構(gòu)筑電力市場中穩(wěn)定的商業(yè)模式。同期北美地區(qū)推進相同內(nèi)涵的“電力需求響應”，可調(diào)負荷占據(jù)主要地位。
目前我國VPP發(fā)展處于起步階段，同時采用以上兩個概念，一般認為虛擬電廠的范疇含括需求響應，兩者本質(zhì)相同，是同時存在的兩個概念，區(qū)別主要在于包含主體的變化，前者是對后者的補充與拓展，后者是前者的子集。VPP不僅聚合了可調(diào)負荷，還重點關注近幾年正大規(guī)模發(fā)展的分布式電源（distributed generator，DG）及儲能。
結(jié)合已有研究和目前實踐情況，虛擬電廠可以理解為是將不同空間的可調(diào)負荷、儲能、微電網(wǎng)、電動汽車、分布式電源等一種或多種可控資源聚合起來，實現(xiàn)自主協(xié)調(diào)優(yōu)化控制，參與電力系統(tǒng)運行和電力市場交易的智慧能源系統(tǒng)。它既可作為“正電廠”向系統(tǒng)供電調(diào)峰，又可作為“負電廠”加大負荷消納配合系統(tǒng)填谷；既可快速響應指令配合保障系統(tǒng)穩(wěn)定并獲得經(jīng)濟補償，也可等同于電廠參與容量、電量、輔助服務等各類電力市場獲得經(jīng)濟收益。
需要注意的是，虛擬電廠并沒有改變現(xiàn)有資源與電網(wǎng)的連接方式，而是相當于一個智能的“電力管家”，通過通信技術(shù)與智能計量技術(shù)，進行有效聚合、優(yōu)化控制和管理，形成更加穩(wěn)定、可控的“大電廠”，實現(xiàn)發(fā)電和用電自我調(diào)節(jié)，為電網(wǎng)提供源網(wǎng)荷儲售一體化服務。這些可控資源不受電網(wǎng)運行調(diào)度中心的直接調(diào)度，而是通過資源聚合商參與到電網(wǎng)的運行和調(diào)度中。
VPP類比傳統(tǒng)電廠
虛擬電廠作為一類特殊的電廠參與電力系統(tǒng)的運行，具備傳統(tǒng)電廠的功能，能夠?qū)崿F(xiàn)精準的自動響應，機組特性曲線也可模擬常規(guī)發(fā)電機組，但與傳統(tǒng)電廠仍存在較大區(qū)別，歸結(jié)為幾點：一是形式不同。傳統(tǒng)電廠指具有傳統(tǒng)物理生產(chǎn)流程的集中式大型電廠。虛擬電廠不具有實體存在的電廠形式，相當于一個電力“智能管家”，由多種分布式能源聚合而成，等同于獨立的“電廠”在運營。二是電能量流動方向不同。傳統(tǒng)電廠能量流動是單向的，即電廠-輸電網(wǎng)-配電網(wǎng)-用戶。而虛擬電廠能量流動是雙向的，也就是說VPP市場主體可以與電力市場實現(xiàn)實時互動。三是負荷特征不同。傳統(tǒng)電廠的負荷通常是靜態(tài)可預測的，而虛擬電廠的需求端是動態(tài)可調(diào)整的，要求負荷端去適應電網(wǎng)，在高峰時段可緩解尖峰負荷。四是生產(chǎn)與消費的關系不同。傳統(tǒng)電廠的電力生產(chǎn)須遵循負荷端的波動變化，并通過調(diào)度集中統(tǒng)一調(diào)控。虛擬電廠參與主體的負荷端負荷可去適應電力生產(chǎn)，采用的是需求側(cè)管理模式。
VPP的應用現(xiàn)狀
目前虛擬電廠理論和實踐在發(fā)達國家已成熟，各國各有側(cè)重，其中美國以可調(diào)負荷為主，規(guī)模已超3千萬千瓦，占尖峰負荷的4%以上；以德國為代表的歐洲國家則以分布式電源為主，德國一家公司整合了9516個發(fā)用電單元，總?cè)萘?17萬千瓦，提供了全德二次調(diào)頻服務的10%市場份額；日本以用戶側(cè)儲能和分布式電源為主，計劃到2030年超過2500萬千瓦；澳大利亞以用戶側(cè)儲能為主，特斯拉公司在南澳建成了號稱世界上最大的以電池組為支撐的虛擬電廠。
“十三五”期間，我國江蘇、上海、河北、廣東等地開展了電力需求響應和虛擬電廠的試點。如江蘇省于2015年率先出臺了《江蘇省電力需求響應實施細則》，2016年開展了全球單次規(guī)模最大的需求響應，削減負荷352萬千瓦，2019年再次刷新紀錄達到402萬千瓦，削峰能力基本達到最高負荷的3%~5%。國家電網(wǎng)冀北公司高標準建設需求響應支撐平臺，優(yōu)化創(chuàng)新虛擬電廠運營模式，高質(zhì)量服務綠色冬奧，并參與了多個虛擬電廠國際標準制定。
VPP的社會經(jīng)濟效益
近年來，我國電力峰谷差矛盾日益突出，各地年最高負荷95%以上峰值負荷累計不足50小時。據(jù)國家電網(wǎng)測算，若通過建設煤電機組滿足其經(jīng)營區(qū)5%的峰值負荷需求，電廠及配套電網(wǎng)投資約4000億元；若建設虛擬電廠，建設、運維和激勵的資金規(guī)模僅為400億~570億元?？梢?，相對于供應側(cè)的電源建設成本，需求側(cè)資源要廉價得多。需求側(cè)資源開發(fā)得越充分，未來整體資源優(yōu)化配置的效果就越好，既可降低電力成本，還能提升供電可靠性。
我國可供參與虛擬電廠運營的可控資源體量龐大，其中，可調(diào)負荷資源5000萬千瓦以上，用戶側(cè)儲能規(guī)模約100萬千瓦，電動汽車接近600萬輛（每輛按5千瓦計算，相當于3000萬千瓦儲能），分布式電源裝機規(guī)模超6000萬千瓦，這其中還未納入現(xiàn)存于各地區(qū)小型水電站的裝機容量，且這些資源規(guī)模都還處于快速上升期。若將這些分散資源進行有效聚合，相當于建設約140臺百萬千瓦級煤電機組，可有效滿足電力負荷增長和削峰填谷需求。
VPP的三類資源主體
虛擬電廠的發(fā)展是以三類可控資源的發(fā)展為前提的，分別是可調(diào)負荷、分布式電源、儲能。這是三類基礎資源，在現(xiàn)實中往往會糅合在一起，特別是可調(diào)負荷中間越來越多地包含自用型分布式能源和儲能，或者經(jīng)過組合發(fā)展出微網(wǎng)、局域能源互聯(lián)網(wǎng)等形態(tài)，同樣可以作為虛擬電廠下的一個控制單元。
虛擬電廠按照主體資源的不同，可以分為需求側(cè)資源型、供給側(cè)資源型和混合資源型虛擬電廠三種。需求側(cè)資源型虛擬電廠以可調(diào)負荷以及用戶側(cè)儲能、自用型分布式電源等資源為主。供給側(cè)資源型虛擬電廠以公用型分布式發(fā)電、電網(wǎng)側(cè)和發(fā)電側(cè)儲能等資源為主。混合資源型虛擬電廠則由前兩者共同組成，通過能量管理系統(tǒng)的優(yōu)化控制，實現(xiàn)能源利用的最大化和供用電整體效益的最大化。
可調(diào)負荷
可調(diào)負荷資源的重點領域主要包括工業(yè)、建筑和交通等。其中工業(yè)分連續(xù)性工業(yè)和非連續(xù)性工業(yè)；建筑包括公共、商業(yè)和居民等，建筑領域中空調(diào)負荷最為重要；交通有岸電、公共交通和私家電動車等?？烧{(diào)負荷資源潛力受調(diào)節(jié)意愿和調(diào)節(jié)能力約束，調(diào)節(jié)意愿主要受激勵和價格機制決定，同時也受調(diào)節(jié)能力影響，調(diào)節(jié)能力則主要隨技術(shù)進步而不斷提升。對工業(yè)負荷而言，其主要的可調(diào)節(jié)潛力來自于非生產(chǎn)性負荷和輔助生產(chǎn)負荷，根據(jù)工業(yè)行業(yè)的不同，其負荷可調(diào)潛力均有較大差異。對商業(yè)和公共建筑負荷而言，其可調(diào)負荷主要是樓宇的空調(diào)、照明、動力負荷，占整個樓宇負荷的25%左右。對居民負荷而言，其可調(diào)負荷主要包括分散式空調(diào)、電熱水器、電冰箱、充電樁等，占家庭負荷的25%~50%左右，但受分布散、單點容量小影響，聚合難度較大。
可調(diào)負荷資源在質(zhì)和量兩個方面都存在較大的差別。在質(zhì)的方面，可以從調(diào)節(jié)意愿、調(diào)節(jié)能力、調(diào)節(jié)及聚合成本性價比幾個維度來評判。總的來說，非連續(xù)工業(yè)是意愿、能力、可聚合性“三高”的首選優(yōu)質(zhì)資源，其次是電動交通和建筑空調(diào)。在量的方面，調(diào)節(jié)、聚合技術(shù)的發(fā)展和成本的下降，激勵力度的增加都有助于資源量的開發(fā)。去年國家電網(wǎng)組織完成了建筑、工業(yè)、居民、新興負荷四大領域22類典型行業(yè)負荷特性分析。研究表明，在政策、技術(shù)、補貼到位且客戶自愿條件下，可調(diào)節(jié)負荷潛力巨大，如鋼鐵、水泥、電解鋁、樓宇、居民用電負荷中的可調(diào)節(jié)比例分別可達20%、24%、22%、30%、50%。經(jīng)測算，國家電網(wǎng)經(jīng)營區(qū)可調(diào)節(jié)負荷遠期理論潛力可達9000萬千瓦；未來三到五年，通過加強技術(shù)研發(fā)、完善補貼政策和交易機制，可力爭實現(xiàn)4000~5000萬千瓦，約占最大負荷的5%。
分布式電源（分布式發(fā)電）
根據(jù)GB/T 33593-2017定義，分布式電源指的是接入35千伏及以下電壓等級電網(wǎng)、位于用戶附近，在35千伏及以下電壓等級就地消納為主的電源。包括太陽能、天然氣、生物質(zhì)能、風能、水能、氫能、地熱能、海洋能、資源綜合利用發(fā)電（含煤礦瓦斯發(fā)電）和儲能等類型。
當前我國對分布式電源的界定和統(tǒng)計還處在不夠嚴謹?shù)臓顟B(tài)。據(jù)初步統(tǒng)計，截至2018年底，我國分布式電源裝機約為6000萬千瓦，其中，分布式光伏約5000萬千瓦；分布式天然氣發(fā)電約為300萬千瓦，分散式風電約為400萬千瓦。在這里，一些符合條件的小水電未被納入，小型背壓式熱電也因爭議大暫未被作為分布式發(fā)電。而實際上站在虛擬電廠的角度，對分布式發(fā)電資源的界定在于調(diào)度關系，凡是調(diào)度關系不在現(xiàn)有公用系統(tǒng)的，或者可以從公用系統(tǒng)脫離的發(fā)電資源，都是可以納入虛擬發(fā)電的資源。從這個意義上來說，實際上所有自備電廠都是虛擬電廠潛在的資源，事實上在國際上這也是常用做法。
分布式燃機在國際上是分布式發(fā)電的主力軍，但在我國的發(fā)展因受氣源和電網(wǎng)兩頭壓制而舉步維艱，與2020年達到1500萬千瓦的規(guī)劃目標差距較大。據(jù)一些文獻資料，2025年我國分布式電源技術(shù)可開發(fā)潛力約16億千瓦。其中光伏、風電、天然氣發(fā)電和生物質(zhì)發(fā)電占比分別為79.9%、15.5%、3.1%和1.5%；經(jīng)濟可開發(fā)潛力約2億千瓦。
目前我國分布式發(fā)電發(fā)展較好的是江蘇和廣東兩省。江蘇省截至2019年底，分布式光伏664萬千瓦，天然氣分布式能源項目已核準46個、發(fā)電裝機總?cè)萘?22萬千瓦，其中區(qū)域式分布式能源項目11個、發(fā)電裝機總?cè)萘?05萬千瓦，樓宇式分布式能源項目35個、發(fā)電裝機總?cè)萘?7萬千瓦，但由于氣價、電價等相關因素，部分天然氣分布式能源項目存在停建、建成停運狀況。
截至2019年底，南方電網(wǎng)經(jīng)營區(qū)域內(nèi)分布式能源總裝機容量約545萬千瓦。其中，分布式光伏裝機容量395萬千瓦，分散式風電裝機容量0.7萬千瓦，天然氣分布式發(fā)電裝機容量149萬千瓦，占天然氣發(fā)電裝機容量的6.2%，主要分布在廣東珠三角地區(qū)。
儲能
儲能是電力能源行業(yè)中最具革命性的要素。儲能技術(shù)經(jīng)濟特性的快速發(fā)展，突破了電能不可大規(guī)模經(jīng)濟儲存的限制，也改變了行業(yè)控制優(yōu)化機制。按照存儲形式的區(qū)別，儲能設備大致可分為四類：一是機械儲能，如抽水蓄能、飛輪儲能等；二是化學儲能，如鉛酸電池、鈉硫電池等；三是電磁儲能，如超級電容、超導儲能等；四是相變儲能。據(jù)中關村儲能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟不完全統(tǒng)計，截至2019年12月，全球已投運電化學儲能累計裝機為809萬千瓦，我國171萬千瓦，初步形成電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、用戶側(cè)“三足鼎立”新格局。
目前儲能發(fā)展較好的省份包括河北、江蘇和廣東，也正好是幾個開展了虛擬電廠試點的省份。
虛擬電廠的三個發(fā)展階段
虛擬電廠的三類基礎資源都在快速發(fā)展，所以虛擬電廠自身的發(fā)展空間也在快速拓寬。但并不是有了資源虛擬電廠就自然發(fā)展出來了，而是要有必要的體制機制條件為前提。依據(jù)外圍條件的不同，我們把虛擬電廠的發(fā)展分為三個階段。
第一個階段我們稱之為邀約型階段。這是在沒有電力市場的情況下，由政府部門或調(diào)度機構(gòu)牽頭組織，各個聚合商參與，共同完成邀約、響應和激勵流程。第二個階段是市場型階段。這是在電能量現(xiàn)貨市場、輔助服務市場和容量市場建成后，虛擬電廠聚合商以類似于實體電廠的模式，分別參與這些市場獲得收益。在第二階段，也會同時存在邀約型模式，其邀約發(fā)出的主體是系統(tǒng)運行機構(gòu)。第三個階段是未來的虛擬電廠，我們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越多，數(shù)量越來越大，空間越來越廣，實際上這時候應該要稱之為“虛擬電力系統(tǒng)”了，其中既包含可調(diào)負荷、儲能和分布式電源等基礎資源，也包含由這些基礎資源整合而成的微網(wǎng)、局域能源互聯(lián)網(wǎng)。
我國虛擬電廠發(fā)展展望
從整個行業(yè)的發(fā)展來看，原來固有的大機組、超高壓的供應側(cè)的資源發(fā)展已經(jīng)到了頂峰，取而代之的將是大規(guī)模的需求側(cè)資源，這部分資源潛力巨大，是實實在在的，未來在電力系統(tǒng)中，需求側(cè)資源大概率將成為主角。同時，它們不會以零散的形式存在，聚合商的作用也因此會越來越強，它可將供給側(cè)和需求側(cè)分散式的資源全部聚合起來，最終成為整個行業(yè)和生態(tài)的主角。
從電力系統(tǒng)的控制和優(yōu)化方式來看，當需求側(cè)資源不斷引入之后，接下來我們在能源互聯(lián)網(wǎng)概念中提出的，以使用者為中心，將會越來越充分地實現(xiàn)，從而我國傳統(tǒng)的自上而下的五級調(diào)度體系很可能將不復存在了。所有的聚合商、配電系統(tǒng)運營商，都成為同種性質(zhì)的運營單位，他們聚合大量的需求側(cè)資源，相當于是一個共享服務平臺，從而代理這些資源在配電網(wǎng)側(cè)實現(xiàn)平衡后再與大電網(wǎng)發(fā)生關系。所以，聚合商最終將成為一種跨空間的、廣域的源網(wǎng)荷儲的集成商，系統(tǒng)控制和優(yōu)化的方式可變?yōu)樽韵露系囊环N組織形態(tài)。
本文刊載于《中國電力企業(yè)管理》2020年08期，作者供職于國家電投中電國際政研室
