日本虛擬電廠的發(fā)展現(xiàn)狀與市場展望
周 杰
（國際清潔能源論壇（澳門）秘書長、武漢新能源研究院研究員）
2019年日本可再生能源發(fā)電占比達到了18.5%（含水），預計可提前完成2030年占比達到22%~24%的目標?？稍偕茉创笠?guī)模增長和高比例接入對現(xiàn)有電網(wǎng)可靠性以及電能質量帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)。而虛擬電廠（Virtual Power Plant，簡稱VPP）不僅可以低成本實現(xiàn)電網(wǎng)供需平衡，助力解決高比例可再生能源消納問題，還可通過需求響應（Demand Response，簡稱DR）發(fā)揮移峰填谷的作用，同時還兼具防災減災的多重效益。因此，隨著數(shù)字化電力技術進步和分布式能源發(fā)展，日本以VPP為生態(tài)的新技術、新業(yè)態(tài)和新模式迅速崛起，VPP商業(yè)化發(fā)展將在2021年之后迎來一個高光時期。
一、日本VPP的概念與范疇
虛擬電廠廣泛利用大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能、區(qū)塊鏈、移動互聯(lián)、物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計算等信息與智能技術，通過優(yōu)化運行控制與市場交易，實現(xiàn)電源側多能互補與負荷側靈活互動，為電網(wǎng)提供電能、調峰、調頻、備用等服務，是能源電力領域迅速實現(xiàn)數(shù)字化轉型的典型應用。但由于各國電力結構不同和推廣目的不同，VPP的概念與范疇并無統(tǒng)一規(guī)定，原因是各國VPP定義、側重點和電力市場環(huán)境有所不同。歐洲大多數(shù)國家分布式能源較為普及，重點要解決可再生能源消納和電網(wǎng)平衡問題，因此從發(fā)展分布式能源思路更加強調VPP在輔助市場的功能；而美國電力需求旺盛，需要建設大量配套電站作為備用電源，為解決備用電源的經(jīng)濟性問題，從電源需求側管理出發(fā)更加強調DR在容量市場的作用；而日本由于能源短缺，從節(jié)能角度出發(fā)更加重視兩者融合發(fā)展，故要兼顧容量市場與輔助市場。
圖1 日本利用VPP/DR構建的ERAB商業(yè)模式
VPP與DR既有聯(lián)系，又有區(qū)別。實際上VPP是利用物聯(lián)網(wǎng)技術聚合分布式電源及其需求側零散電源，通過需求響應方式調節(jié)電力供給和電網(wǎng)平穩(wěn)的一項技術。因此，DR是VPP發(fā)展的基礎。如圖1所示，VPP的重點在于增加供給，會產(chǎn)生逆向潮流現(xiàn)象；DR則重點強調削減負荷，不會發(fā)生逆向潮流現(xiàn)象，是否會造成電力系統(tǒng)產(chǎn)生逆向潮流是VPP和DR兩者最主要區(qū)別之一。日本將狹義上的VPP范疇定義為需求側分散電源（Demand Side Resource，簡稱DSR）和分布式電源（Distributed Energy Resources，簡稱DER），DSR包括需求側的發(fā)電、儲能和用電設備，DER則包括可直接并網(wǎng)的可再生能源發(fā)電設備和儲能裝置，兩者統(tǒng)稱為“虛擬發(fā)電電廠”，而廣義上的VPP范疇還包括被稱之為“虛擬節(jié)電電廠”的激勵協(xié)議型DR。
“需求響應”主要分為價格誘導型和激勵協(xié)議型兩種類型。以分時電價、尖峰電價等為主的傳統(tǒng)價格誘導型DR并不在VPP范疇之列。盡管其操作簡單，用戶比較容易操控，但節(jié)能只能任憑用戶的自覺行為，隨意性很強、實際效果并不佳，日本各種數(shù)據(jù)表明尖峰時間的用電負荷并不會通過價格調節(jié)減少，而且還往往很難做到快速響應。而激勵協(xié)議型的新型DR完全實現(xiàn)了自動調控，在電力供應緊張時，自動向用戶發(fā)出削減負荷的DR信號，居民或企業(yè)等用戶自動接收DR信號，通過自己的能量管理系統(tǒng)控制調整用電，并對DR結果自動進行報告。新型DR能夠實現(xiàn)迅速、高效和精準的電力實時動態(tài)調控，能有效解決電力供給側可再生能源發(fā)電帶來的巨大不確定性，因而被列入廣義VPP的范疇。
日本將廣義VPP的概念和范疇定義為ERAB（Energy Resource Aggregation Business）商業(yè)模式。ERAB商業(yè)模式主要有三大類交易產(chǎn)品：為售電企業(yè)提供“正瓦特”，為售電企業(yè)提供“負瓦特”，為系統(tǒng)運營商提供“正瓦特或負瓦特”。VPP具有提供電力供給、備用服務和平衡服務三大基本功能，并分別在批發(fā)市場、容量市場和輔助市場實現(xiàn)其價值。
VPP的分布式電源主要包括如下幾類：（1）發(fā)電設備，包括屋頂光伏、燃料電池、自備電廠、熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)、可再生能源發(fā)電設備等；（2）儲能設備，包括家用蓄電池、車載蓄電池、固定式蓄電池、冷藏冷凍倉庫、熱泵、蓄熱空調、電子熱水器等；（3）節(jié)電設備，包括空調和照明設備等。日本推廣VPP/DR的重點集中在居民住宅、辦公大樓、工廠、商業(yè)設施、學校、醫(yī)院等公用事業(yè)部門以及電動汽車等七大領域，“光伏+儲能”為主要形式。據(jù)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省推算，到2030年日本VPP可利用的分布式電源裝機容量將達到3770萬千瓦，相當于37座百萬千瓦級大型火電廠。因此，日本VPP/DR商業(yè)化規(guī)模潛力巨大。
二、VPP技術與市場發(fā)展現(xiàn)狀
（一）“負荷集成商”成為VPP市場的主體
面對分布式能源體系的普及和擴張的新形勢，電力產(chǎn)業(yè)結構和商業(yè)模式正在不斷變革。VPP市場興起就是這種變革的體現(xiàn)，因而電力市場誕生了“負荷集成”新業(yè)態(tài)。日本VPP負荷集成商一般分為兩類，一是負荷集成調度商（Aggregation Coordinator，簡稱AC），與系統(tǒng)運營商、售電企業(yè)和可再生能源發(fā)電企業(yè)直接進行交易，提供需求側負荷的集成調度服務；二是負荷集成代理商（Resource Aggregator，簡稱RA）與居民住宅和工廠等需求側用戶直接簽訂VPP服務協(xié)議，負責聚合用戶的各類負荷，兩者兼而有之也屢見不鮮。
負荷集成商通過聚合調控分散式電源獲取市場利益，為售電企業(yè)提供電力供給和電網(wǎng)平衡服務；為系統(tǒng)運營商提供系統(tǒng)平衡、備用以及保障電力質量服務；為可再生能源發(fā)電提供富余電力消納服務；為需求側用戶提供能源管理服務。
（二）數(shù)字通信技術與響應速度是支撐VPP商業(yè)化發(fā)展的技術要因
日本從2011年至2014年在橫濱、豐田、京阪奈學研（京阪奈學研位于橫跨京都、大阪、奈良3府縣的文化和學術研究基地）、北九州建立了四個智慧能源城市示范工程，當時DR技術并未得到特別重視，只在單點上測試了DR技術的可靠性和經(jīng)濟性，但測試發(fā)現(xiàn)了一個意外結果：響應時間最快可達到10分鐘左右，500個測試用戶響應量竟達到11萬千瓦，相當于一座較小規(guī)模電站的容量。于是，日本開始高度重視DR技術開發(fā)和推廣應用。
2015年6月，日本政府出臺了“日本再興戰(zhàn)略（2015）”，首次明確提出推廣VPP政策。2016年4月，《能源革新戰(zhàn)略》又進一步提出了推動VPP技術開發(fā)的示范項目計劃（2016-2020），該計劃的政府補助金額從2016年度的26.5億日元提高到2020年度的70億日元，并計劃到2020年實現(xiàn)VPP商業(yè)化目標。因此，今年是日本VPP技術開發(fā)示范項目的收官之年，近五年來，日本VPP技術研發(fā)取得了長足的進步和成效。
1.驗證了50兆瓦以上虛擬電廠技術的可靠性。制定了OpenADR 2.0b（負荷集成商與用戶）、ECHONET Lite（用戶與機器）等通信技術規(guī)范和相關接口標準。目前通信協(xié)議常用的有廣為普及的互聯(lián)網(wǎng)HTTPS協(xié)議，也有應用于物聯(lián)網(wǎng)的MQTT協(xié)議以及應用于工業(yè)領域的Modbus協(xié)議，正在推進新的節(jié)能型LPWA無線通信協(xié)議。
2.加快DR響應時間的技術開發(fā)。示范項目計劃設定了各類需求響應時間目標，快速響應須在5分鐘內完成，平衡需求響應須在15~30分鐘內完成，備用需求響應須在1~3個小時內完成。目前日本已經(jīng)完成了DR的小時級和分鐘級需求側響應的可靠性試驗，正在進行秒級需求側響應的測試。
3.開發(fā)電動汽車車載蓄電池群的調控技術。V2G是利用車載電池充放電滿足電力系統(tǒng)需求的一項技術，是VPP最具市場前景的技術之一。2019年度東京電力公司聚合了59臺EV/PHEV，成功地實現(xiàn)了電動汽車蓄電池群如何通過充放電與電網(wǎng)融通的技術應用。目前正在開發(fā)基于電力批發(fā)市場價格聯(lián)動的動態(tài)定價充電系統(tǒng)，以實現(xiàn)電動汽車的有序充電和削峰填谷效應。
4.聚合大規(guī)模儲能裝置，積極開發(fā)電轉氣技術（P2G），以擴大光伏、風電消納。2019年度關西電力公司聚合了1萬臺蓄電池，成功地實現(xiàn)了秒級充放電的遠程精準控制，首次檢驗了大規(guī)模蓄電池群參與可再生能源調頻的有效性。
5.開發(fā)家用燃料電池熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)等分布式電源的聚合優(yōu)化調控技術。2020年度大阪燃氣公司聚合1500臺搭載IoT系統(tǒng)的家用燃料電池熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)參與VPP技術開發(fā)實驗，而東京燃氣公司則整合“光伏+燃氣+蓄電池”，驗證如何精準遠程調控分散電源，以及VPP系統(tǒng)的安全可靠性和逆向潮流的計量方法等項目。
（三）經(jīng)濟性是影響VPP/DR規(guī)?；l(fā)展的首要原因
隨著電力市場自由化改革的深入，從2017年度開始起，系統(tǒng)運營商采購調節(jié)電源實行公開競標制度，調節(jié)競價市場是VPP參與競標的主要平臺。如圖2所示，日本調節(jié)電源分為三類：電源Ⅰ為系統(tǒng)運營商用于實時平衡的調節(jié)電源，電源側同時收取裝機容量費和度電費。其中電源Ⅰ-a的響應時間限定5分鐘內，須具備調頻功能；電源Ⅰ-b響應時間為15分鐘內，非調頻電源；電源Ⅰ'為冬夏兩季峰荷備用電源（削峰型DR）；電源Ⅱ為售電企業(yè)可在線調度的調節(jié)電源，電源側僅計量收費；電源Ⅲ為系統(tǒng)運營商不可在線調度的調節(jié)電源。
圖2 削峰型DR參與調節(jié)電源競標的坐標位置
2017年度系統(tǒng)運營商調節(jié)電源首次實行公開競價招標，電源Ⅰ'中標容量合計為132萬千瓦，其中DR資源中標容量為95.8萬千瓦，遠高于發(fā)電廠中標容量36.1萬千瓦，DR資源平均中標價格為3609日元/千瓦，遠低于發(fā)電廠的5210日元/千瓦，DR協(xié)議總價為35.93億日元。如圖3所示，2018年度電源Ⅰ交易總額為1297.93億日元，其中Ⅰ-a占85%，Ⅰ-b占11%，Ⅰ'僅占4%。受響應速度影響，DR資源目前還參與不了Ⅰ-a市場的競爭，Ⅰ-a中標價格為10971日元/千瓦，而Ⅰ'中標價格不足一半，僅為4085日元/千瓦。電源Ⅰ'中標容量的DR資源為96.1萬千瓦，約占全部的70%左右，協(xié)議總價約36億日元。從最新完成的2020年度競標情況來看，盡管DR參與電源Ⅰ'中標容量為128.9萬千瓦，DR平均中標價格升到5916日元/千瓦，協(xié)議總價也翻番達到66億日元，但DR所占份額則大幅下降?？傮w來說，DR資源平均占電源Ⅰ'中標容量的一半以上，DR平均中標價格約低于發(fā)電廠的30%左右。
圖3 2018年度系統(tǒng)運營商調節(jié)電源招標結果
VPP/DR交易價格決定市場的活躍程度。從過去近十年的電力批發(fā)市場來看，全國平均電價均為20日元/千瓦?時以下，即使福島核事故發(fā)生后的計劃停電時期，市場交易價格也沒有超過40日元/千瓦?時。據(jù)2015年日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省“發(fā)電成本核算工作組”計算，燃油發(fā)電的成本在不同燃料發(fā)電成本的核算中為最高，也僅達到了40日元/千瓦?時。因此，VPP聚合的電力價格必須控制在40日元/千瓦?時以下，否則就沒有任何競爭力。但根據(jù)響應次數(shù)和實際持續(xù)時間轉換為度電單價時發(fā)現(xiàn)其價格仍高于電力批發(fā)市場均價。從交易價格來看，VPP當前還沒有太多的經(jīng)濟性優(yōu)勢，如果沒有大規(guī)模高頻次交易很難生存。但是，VPP經(jīng)濟性不能只與批發(fā)市場或火電調峰價格去攀比高低，當前更重要的還是更多地吸引用戶參與到電力交易中來，才能發(fā)展和壯大這一市場。
（四）建立和完善市場機制是VPP/DR可持續(xù)發(fā)展的關鍵
日本一年內僅1%時間啟用的備用電站建設和運維費用竟占整個電力系統(tǒng)運維費的10%。因此，2014年6月的“第4次能源基本計劃”提出：為推動用戶側有效開展節(jié)電，要積極創(chuàng)造條件引進新型“需求響應”模式，通過用戶側需求管理，維持發(fā)電容量的合理規(guī)模，實現(xiàn)電力穩(wěn)定供給。“日本再興戰(zhàn)略（2016）”提出到2030年負瓦特交易量要實現(xiàn)與美國相同水平，達到最大電力需求6%的目標。日本最大電力需求峰值約為160吉瓦，按6%計算則為10吉瓦，相當于10座百萬千瓦級火電機組。DR響應電量在電力批發(fā)市場（JEPX）上市交易，開創(chuàng)了日本電力市場的先河，故2017年被稱為日本的“DR元年”。2017年4月，日本負瓦特市場正式啟動。
近幾年的負瓦特市場實踐表明，減少負荷與增加度電具有相同效用和價值。于是，日本電力市場改革開始重新評估市場各方的利益和價值。保障電力供給所必需的容量價值和調節(jié)供需平衡以及維持電能質量的實時平衡價值應當顯性化，即從電能本身的能量價值中獨立出來。為此，2020年日本啟動了容量市場，這一市場將成為DR的主戰(zhàn)場，對DR資源的基本要求是：參與交易的最小單位1000千瓦，響應時間3個小時，持續(xù)時間3個小時，每年發(fā)起12次。
2021年日本還將開啟供需調節(jié)市場，系統(tǒng)運營商的調節(jié)電源公開競價將平移到這一市場，目前正在完善一次、二次和三次調節(jié)服務產(chǎn)品的基本要件。需求調節(jié)市場設計的服務產(chǎn)品根據(jù)響應速度和持續(xù)時間長短各有其用，新市場的創(chuàng)設為VPP/DR資源直接參與交易提供了可能。一次調節(jié)要求為響應時間10秒以內，持續(xù)時間5分鐘以上，適合發(fā)電設備、蓄電池參與；二次調節(jié)要求為響應時間5分鐘之內，持續(xù)時間15分鐘以上，適合發(fā)電設備、DR、蓄電池參與；三次調節(jié)要求響應時間15~45分鐘，持續(xù)時間3小時以上，適合發(fā)電設備、DR和個人用戶剩余電力參與。
市場機制的完善使VPP/DR在不同市場環(huán)境下形成調度和競價，從而在批發(fā)市場、容量市場、供需調節(jié)市場更具有廣泛的適用性和多重效益性。因此，在市場剛啟動之初，如何用好對于響應速度要求不高、交易量比較大的VPP資源對于培育市場具有重大意義。VPP/DR將從響應速度要求不高的三次調節(jié)開始參與，今后逐步擴展到響應速度要求高的一次、二次調節(jié)服務后才能彰顯其經(jīng)濟性。
三、VPP未來市場展望
目前全球DR市場規(guī)模只占電力消費的1%左右，據(jù)IEA預測，到2040年將達到電力消費的18%。2019年度日本國內的ERAB市場規(guī)模約44億日元，隨著容量市場和供需調節(jié)市場的開設，ERAB市場將進入大發(fā)展軌道，2021、2025、2030年的VPP/DR收入總額預計將分別達到75億、365億和730億日元。
加快發(fā)展VPP商業(yè)化，首先必須進一步擴大電源聚合優(yōu)化調控規(guī)模，從目前的數(shù)十萬千瓦擴展到數(shù)百萬千瓦的水平；其次要加強VPP相關技術開發(fā)的資金投入，降低蓄電池和電動汽車的成本，擴大可調資源規(guī)模；再次要提高VPP交易平臺的快捷性、安全性和可靠性，獲得用戶的高度認可與信賴才能吸引更多用戶參與；最后要完善需求調節(jié)等各類市場的基礎設施，改革現(xiàn)有的單向潮流的計價制度，以優(yōu)化VPP/DR準入交易的市場環(huán)境。隨著數(shù)字化發(fā)展和電力技術創(chuàng)新，根據(jù)VPP本身特性，市場還將產(chǎn)生多種多樣的VPP商業(yè)模式。日本未來可以預期的重點市場領域有：
第一，為FIT期滿的光伏用戶提供聚合增值服務。2019年11月首批戶用光伏補貼到期，出現(xiàn)了200~300萬千瓦非FIT的光伏資源，之后每年還會有百萬千瓦的增量，預計到2023年達到670萬千瓦。對于進入零補貼時代的光伏用戶來說，為實現(xiàn)光伏收益最大化，一般居民用戶會加購成本不斷下降的家用固定型蓄電池或發(fā)揮車載蓄電池的作用，“光伏+蓄電池”的VPP模式仍為主要形式。今后隨著商用光伏以及風電項目補貼到期，此類商業(yè)模式將進一步擴大。
第二，蓄電池成為VPP/DR最重要的分布式電源。蓄電池的普及與利用直接關系到ERAB市場能否擴大，特別是搭載蓄電池的電動汽車，利用V2X（V2H、V2B、V2G）技術可以擴大VPP/DR的應用場景。到2030年電動汽車普及目標要占新車的20%~30%，因此電動汽車蓄電池的容量將會遠遠超過家用固定式蓄電池的容量。此外自備發(fā)電機、大型卡車、建設機械、農(nóng)業(yè)機械、船舶等動力燃料基本使用柴油，若將這些設備和交通工具實現(xiàn)蓄電池替代，VPP市場潛力將更加巨大。
第三，激活備用電源資源。日本目前全國擁有的防災備用發(fā)電機6193臺，裝機容量約1吉瓦。熱電聯(lián)產(chǎn)設備約有1.7萬臺，其中民用1.29萬臺，工業(yè)用4673臺，裝機容量約10.6吉瓦。公共設施和大樓還設有大量的防災專用蓄電池，將這些平日閑置的資源投入市場交易，將大大擴大VPP市場規(guī)模，特別是100千瓦以上的天然氣熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)擁有8吉瓦的裝機容量，未來有可能成為VPP市場的主力軍。
第四，用戶側之間實現(xiàn)P2P直接交易新模式。為加強VPP交易的公平性、安全性和準確性，以P2P直接交易為特點的VPP平臺主要基于區(qū)塊鏈技術開發(fā)，VPP平臺可自動調控逆向潮流，采用區(qū)塊鏈技術可實現(xiàn)分布式電源出力的精確核查、點對點電力交易的撮合等革命性應用，讓電力生產(chǎn)者、售電部門和消費者可以實現(xiàn)“直連”，未來個人用戶的光伏發(fā)電無須經(jīng)過電力公司就可直接交易上網(wǎng)，此舉將大幅降低電力交易成本，提升交易效率。
第五，提供VPP平臺的增值服務。如同智能手機一樣，利用VPP平臺可提供安保、醫(yī)療、保健等能源領域之外的多種服務，為客戶創(chuàng)造新價值。分布式能源具有多源、多點及與需求側密切互動的特點，是一個開放式的能源系統(tǒng)，特別適合構建具有能源互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟特征的商業(yè)生態(tài)，因此，分布式能源互聯(lián)網(wǎng)市場必將產(chǎn)生更多的新商業(yè)模式。
原文首發(fā)于《電力決策與輿情參考》2020年7月31日第29、30期
