中國儲能網(wǎng)訊：隨著我國可再生能源裝機(jī)占比過半，電力系統(tǒng)的分鐘級快速靈活調(diào)節(jié)能力已成為我國新型電力系統(tǒng)建設(shè)的必然要求。德國作為能源體系快速轉(zhuǎn)型、實現(xiàn)高比例新能源接入的典型代表國家，其虛擬電廠深度參與電力平衡市場的機(jī)制對我國具有重要借鑒意義：一方面，虛擬電廠通過數(shù)字化、智能化手段能實現(xiàn)快速、深度挖掘靈活性資源，這一天然技術(shù)特性與平衡市場對調(diào)節(jié)資源的快速響應(yīng)要求高度契合；另一方面，平衡市場的收益結(jié)構(gòu)包含容量預(yù)留補(bǔ)償與執(zhí)行能量補(bǔ)償，為虛擬電廠提供了顯著且可預(yù)期的經(jīng)濟(jì)激勵，成為其規(guī)?；l(fā)展和可持續(xù)運(yùn)營的關(guān)鍵驅(qū)動力。
為此，本文將系統(tǒng)剖析德國平衡市場為有效容納虛擬電廠參與而建立的適應(yīng)性規(guī)則框架，包括產(chǎn)品技術(shù)特征設(shè)計分別考慮正負(fù)向調(diào)節(jié)能力、設(shè)置容量市場確保穩(wěn)定激勵、確立聚合商的市場主體地位并設(shè)定合理的參與門檻、以及構(gòu)建支持資源高效聚合與協(xié)同的多層級調(diào)度架構(gòu)等。通過厘清德國平衡市場與虛擬電廠的協(xié)同機(jī)制，旨在為我國破解新能源高比例接入下的系統(tǒng)調(diào)節(jié)瓶頸、優(yōu)化市場機(jī)制設(shè)計及推動虛擬電廠商業(yè)化運(yùn)營提供可操作的經(jīng)驗借鑒。
01
德國虛擬電廠模式
在德國，虛擬電廠是指一種通過數(shù)字化、智能化技術(shù)手段協(xié)調(diào)各類分布式資源參與市場交易的場外組織模式。德國電力市場并不單獨(dú)為儲能、虛擬電廠、微電網(wǎng)等各類主體設(shè)置特殊交易賬戶和機(jī)制，各參與主體（涵蓋發(fā)電企業(yè)、售電公司、大用戶以及負(fù)荷聚合商）均通過管理或加入一個或多個平衡結(jié)算單元的方式，參與電能量市場和平衡市場。虛擬電廠運(yùn)營商可以注冊為平衡責(zé)任主體直接參與能量市場，可以向輸電運(yùn)營商（TSO）申請成為平衡服務(wù)主體參與平衡市場，也可以為其他平衡結(jié)算單元提供可調(diào)資源、電網(wǎng)平衡等服務(wù)，還可以為中小發(fā)電廠參與再調(diào)度提供技術(shù)服務(wù)。
德國虛擬電廠可以聚合各類分布式資源，但其中可調(diào)節(jié)資源主要是生物質(zhì)發(fā)電、小型水電、儲能等“電源型”資源。德國現(xiàn)有虛擬電廠的常見商業(yè)模式是將分布式可再生能源、靈活性機(jī)組、儲能、負(fù)荷等聚合成一個規(guī)模較大的組合來參與市場，利用可調(diào)節(jié)資源在運(yùn)行過程中調(diào)整出力來獲利。其中發(fā)揮重要作用的可調(diào)節(jié)資源類型主要是儲能、生物質(zhì)發(fā)電和小型水電。
02
德國平衡市場機(jī)制
德國虛擬電廠一個重要的收益是參與平衡市場。在成熟的電力市場中，針對因電力系統(tǒng)故障、供需預(yù)測產(chǎn)生偏差等原因造成的頻率不穩(wěn)定問題，一般會設(shè)立“市場化平衡管理機(jī)制”，即由輸電運(yùn)營商通過市場手段獲取平衡資源，并對造成平衡偏差的市場主體進(jìn)行偏差考核，以覆蓋系統(tǒng)平衡調(diào)節(jié)成本。不同國家或地區(qū)關(guān)于市場化平衡管理機(jī)制的名稱有所不同，例如中國會采用輔助服務(wù)市場的概念。而德國根據(jù)歐盟法規(guī)，采用“平衡市場”的概念。德國的四大輸電系統(tǒng)運(yùn)營商運(yùn)營一個聯(lián)合平衡市場，并參與歐洲合作項目，跨國采購平衡服務(wù)。
（一）德國平衡市場的產(chǎn)品種類
德國平衡市場的產(chǎn)品種類包括：頻率控制備用（The Frequency Containment Reserve，F(xiàn)CR），即一次調(diào)頻，保證系統(tǒng)頻率穩(wěn)定在額定頻率的±0.1赫茲內(nèi)；自動頻率恢復(fù)備用（The automatic Frequency Restoration Reserve，aFRR），通常在FCR之后啟動，用于進(jìn)一步糾正頻率偏差，主要通過自動頻率控制系統(tǒng)實現(xiàn)；手動頻率恢復(fù)備用（The manual Frequency Restoration Reserve，mFRR），是15分鐘內(nèi)響應(yīng)的備用服務(wù)。
表1 平衡服務(wù)種類技術(shù)特征表1
表1給出了三種平衡服務(wù)的技術(shù)特征，其中，“容量市場/能量市場可用性”是指該平衡服務(wù)招標(biāo)中是否包含容量市場/能量市場，F(xiàn)CR僅在容量市場招標(biāo)，而aFRR和mFRR包括容量市場和能量市場；“對稱/非對稱”是指是否要求向上和向下調(diào)節(jié)能力絕對值相等，F(xiàn)CR是一個對稱產(chǎn)品，這意味著提供者必須能夠提供同等正負(fù)向的調(diào)節(jié)能力，aFRR和mFRR則正負(fù)向調(diào)節(jié)能力單獨(dú)統(tǒng)計。
從上述三類產(chǎn)品的設(shè)計特征可以看出，其規(guī)則制定顯著增強(qiáng)了對虛擬電廠參與的適應(yīng)性。一方面，市場結(jié)構(gòu)設(shè)計兼顧穩(wěn)定收益與靈活響應(yīng)價值。除FCR僅通過容量市場招標(biāo)外，aFRR和mFRR均設(shè)置了容量市場與能量市場的雙重機(jī)制。三種產(chǎn)品均設(shè)計了容量市場招標(biāo)，為參與者提供了基礎(chǔ)性的、可預(yù)期的固定收益保障，降低了市場風(fēng)險，有利于虛擬電廠長期投資與穩(wěn)定運(yùn)營。另一方面，資源能力要求體現(xiàn)包容性與針對性。aFRR和mFRR產(chǎn)品明確允許參與資源無需同時具備絕對值相等的向上和向下調(diào)節(jié)能力。這一規(guī)則極大拓寬了可參與資源的范圍，使得虛擬電廠能夠靈活聚合僅具備特定單向調(diào)節(jié)優(yōu)勢的分布式資源，例如易于削減發(fā)電的新能源機(jī)組，或易于削減用電、即增加等效發(fā)電能力的可控負(fù)荷。這種設(shè)計充分考慮了分布式資源的異質(zhì)性，有效降低了虛擬電廠參與平衡服務(wù)的門檻。
（二）平衡市場的認(rèn)證和采購過程
歐盟正在推動建立一個整合歐洲控制區(qū)域的平衡市場，并已在德國、荷蘭等部分地區(qū)實現(xiàn)了統(tǒng)一調(diào)用，德國的輸電運(yùn)營商可以在德國電網(wǎng)區(qū)域內(nèi)以及與鄰國部分合作的情況下向虛擬電廠等平衡服務(wù)主體采購平衡服務(wù)，這擴(kuò)大了虛擬電廠資源可以參與的市場區(qū)域范圍。
招標(biāo)過程是在聯(lián)邦反壟斷局的指導(dǎo)下，按照聯(lián)邦網(wǎng)絡(luò)局的規(guī)定以及歐洲的規(guī)定和方法，在一個開放、透明和非歧視的過程中進(jìn)行。平衡服務(wù)的基本采購過程分為四個步驟：預(yù)資格認(rèn)證、市場招標(biāo)、調(diào)節(jié)能力調(diào)用和資源調(diào)節(jié)、平衡容量和平衡能量的結(jié)算。
1.第一步：預(yù)資格認(rèn)證
在參與平衡市場之前，平衡服務(wù)提供者必須通過輸電運(yùn)營商認(rèn)證，四大輸電運(yùn)營商會統(tǒng)計預(yù)先審核合格的資源。不同類型的發(fā)用電資源都可以參與預(yù)資格認(rèn)證。同時，明確了“聚合商”法律地位，允許其作為平衡單元以外的獨(dú)立主體參與平衡市場投標(biāo)，最小投標(biāo)門檻降至5兆瓦，這有助于充電樁運(yùn)營商等各類型虛擬電廠技術(shù)服務(wù)商在市場中發(fā)揮作用并獲利。德國不同類型平衡服務(wù)種類和平衡資源按容量的統(tǒng)計如表2。
表2 德國不同平衡服務(wù)種類各類型資源預(yù)審核合格的容量統(tǒng)計2
（單位：萬千瓦）
2.第二步：市場招標(biāo)
通過預(yù)資格認(rèn)證的平衡服務(wù)提供者可以參與平衡服務(wù)的招標(biāo)。德國的平衡市場分為平衡容量市場與平衡能量市場，平衡容量按“可用容量（兆瓦）”為標(biāo)的進(jìn)行交易，報價被出清的平衡服務(wù)提供者需要在實時運(yùn)行中保留相應(yīng)的容量供輸電運(yùn)營商調(diào)度，即使不被調(diào)用也可獲得報酬。平衡能量以電量（兆瓦時）為交易標(biāo)的，按運(yùn)行中實際被調(diào)用的電量進(jìn)行結(jié)算，不進(jìn)行容量補(bǔ)償，僅具有電量屬性。
3.第三步：啟動調(diào)節(jié)能力和調(diào)節(jié)能源
如果平衡服務(wù)提供者已經(jīng)中標(biāo)，他們必須在中標(biāo)時間段內(nèi)保留相應(yīng)的容量或?qū)嶋H調(diào)用電量。FCR根據(jù)電網(wǎng)頻率偏差自動激活。aFRR和mFRR由輸電運(yùn)營商實時向市場發(fā)送需求，提供者自動或手動激活。
4.第四步：平衡容量和平衡能量的結(jié)算
在平衡服務(wù)類型中，F(xiàn)CR只獲得容量補(bǔ)償，由中標(biāo)合約容量乘以中標(biāo)價格。aFRR和mFRR能夠同時參與容量市場和能量市場兩個市場，并同步獲得容量和電量的補(bǔ)償，容量補(bǔ)償是基于在平衡電力容量市場上授予的容量乘以相應(yīng)的競標(biāo)價格，電量補(bǔ)償由啟動服務(wù)后實際被調(diào)用的電量和電量電價進(jìn)行結(jié)算，TSO每15分鐘確定一次不平衡價格。
03
對于中國的借鑒意義分析
類似于德國，我國虛擬電廠當(dāng)前的收益模式主要有參與現(xiàn)貨市場，或者利用調(diào)節(jié)能力參與需求響應(yīng)和輔助服務(wù)市場。例如在2019年，冀北虛擬電廠作為全國首個以市場化方式運(yùn)營的示范項目參與華北調(diào)峰輔助服務(wù)市場。
從輔助服務(wù)市場建設(shè)情況來看，當(dāng)前國內(nèi)輔助服務(wù)市場基本實現(xiàn)全國全覆蓋。電力輔助服務(wù)市場實現(xiàn)7大區(qū)域、33個省級電網(wǎng)的全覆蓋，統(tǒng)一的電力輔助服務(wù)體系基本形成。從電力輔助服務(wù)品種開展情況看，當(dāng)前南方區(qū)域以備用、調(diào)頻為主，華北、西北、西南區(qū)域以調(diào)峰為主，華東、華中、東北區(qū)域以調(diào)峰、備用為主；山東等地探索快速爬坡類輔助服務(wù)新品種，以更好適應(yīng)高比例新能源接入。
隨著新型電力系統(tǒng)和全國統(tǒng)一電力市場建設(shè)的進(jìn)程深入推進(jìn)，電力系統(tǒng)對靈活性調(diào)節(jié)資源的需求與日俱增，尤其在新能源高比例接入背景下，保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行與促進(jìn)新能源高效消納成為核心訴求。為充分釋放源網(wǎng)荷儲各環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)潛力，亟須從市場機(jī)制設(shè)計和虛擬電廠運(yùn)營模式創(chuàng)新兩方面協(xié)同發(fā)力。
（一）面向市場機(jī)制的意見建議
對于市場機(jī)制而言，建議打破省間壁壘，建立跨區(qū)域協(xié)同機(jī)制；擴(kuò)大準(zhǔn)入范圍，明確納入新型靈活性資源；分離容量與能量市場，提供容量補(bǔ)償以保障投資回收，并完善價格疏導(dǎo)機(jī)制。
一是完善跨區(qū)域跨省的輔助服務(wù)組織模式，借鑒德國參與歐洲大市場的經(jīng)驗，統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（如響應(yīng)速度、性能要求）和交易規(guī)則（如市場耦合、聯(lián)合出清）。打破省間壁壘，允許富余省調(diào)峰、調(diào)頻、備用等資源參與緊缺省份的日前、日內(nèi)甚至實時輔助服務(wù)市場交易。開發(fā)跨區(qū)域聯(lián)合優(yōu)化出清算法，綜合考慮各區(qū)域電網(wǎng)約束與資源稟賦，實現(xiàn)跨省資源最優(yōu)協(xié)同調(diào)度，提升整體電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)性，為新能源高比例滲透下的區(qū)域互濟(jì)奠定基礎(chǔ)。
二是拓寬輔助服務(wù)參與主體范圍，明確將新型分散式靈活性資源納入市場準(zhǔn)入主體清單。這包括：分布式儲能、規(guī)模化可中斷工業(yè)負(fù)荷、電動汽車充換電設(shè)施、中小型生物質(zhì)/垃圾發(fā)電、虛擬電廠、智能微電網(wǎng)等，建立科學(xué)的聚合商資質(zhì)認(rèn)證、注冊、計量與結(jié)算機(jī)制，并出臺針對不同技術(shù)類型資源的性能測試標(biāo)準(zhǔn)、基線計算規(guī)范與參與規(guī)則，確保各類主體能合規(guī)、公平參與市場。
三是分別組織輔助服務(wù)容量市場和能量市場。借鑒德國平衡容量市場理念，為提供特定性能等級輔助服務(wù)能力的資源提供容量補(bǔ)償，保障其基礎(chǔ)投資回收。深化輔助服務(wù)能量市場，允許資源同時或分時參與電能量市場和多種輔助服務(wù)市場競價，實現(xiàn)其運(yùn)營價值最大化，設(shè)計合理的市場耦合機(jī)制，鼓勵資源在能量與輔助服務(wù)市場間靈活切換，明確價格形成與成本疏導(dǎo)機(jī)制，確保新增收益來源具有可持續(xù)性。
（二）面向虛擬電廠運(yùn)營商的意見建議
對于虛擬電廠運(yùn)營而言，建議聚合發(fā)用兩側(cè)多元化資源；構(gòu)建秒級至小時級多層次響應(yīng)能力；挖掘雙向調(diào)節(jié)能力，支撐電網(wǎng)安全與新能源消納。
一是拓寬聚合資源類型，在現(xiàn)有聚合基礎(chǔ)上，重點(diǎn)納入具備高度靈活性和精細(xì)控制潛力的新型資源。包括：用戶側(cè)分布式儲能、電動汽車充換電站/V2G充電樁、小型燃?xì)廨啓C(jī)/沼氣發(fā)電，以及生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)等可再生能源發(fā)電單元。深入研究不同類型資源的響應(yīng)特性、控制接口、優(yōu)化潛力與交易偏好，開發(fā)針對性的控制策略與激勵機(jī)制，實現(xiàn)資源的有效整合與協(xié)同控制。
二是聚合多時間尺度資源，構(gòu)建層次化的響應(yīng)能力體系。整合具備不同響應(yīng)速度（秒級、分鐘級、小時級）和控制精度（連續(xù)調(diào)節(jié)、離散開關(guān)）的資源。通過算法對資源在多時間尺度上的響應(yīng)能力進(jìn)行精準(zhǔn)建模、優(yōu)化調(diào)度與協(xié)同聚合，滿足電網(wǎng)從頻率穩(wěn)定、備用需求到能量平衡的多元化、精細(xì)化輔助服務(wù)需求，最大化虛擬電廠的聚合價值。
三是強(qiáng)化“雙向”調(diào)節(jié)能力挖掘，以支撐保供與消納雙重目標(biāo)。結(jié)合價格信號（如能量價格、輔助服務(wù)價格）和調(diào)度指令，動態(tài)優(yōu)化聚合資源在雙向調(diào)節(jié)之間的分配策略，開發(fā)智能交易算法，精準(zhǔn)響應(yīng)電網(wǎng)的實時調(diào)節(jié)需求。電力供應(yīng)緊張時（如極端天氣、負(fù)荷高峰），通過削減可控負(fù)荷、調(diào)用儲能放電、減少充電功率（甚至V2G反送電）等方式，減輕電網(wǎng)壓力，保障供電安全。在新能源大發(fā)時期（如風(fēng)光出力高峰），利用可調(diào)負(fù)荷提升用電、儲能系統(tǒng)充電、減少生物質(zhì)/小水電發(fā)電等方式，主動增加用電負(fù)荷，有效吸納富余新能源電量，緩解棄風(fēng)棄光壓力，促進(jìn)綠色能源消納。
注：
1.信息和數(shù)據(jù)均來源于市場信息公開平臺www.regelleistung.net。
2.數(shù)據(jù)以德國四大輸電運(yùn)營商2024年2月數(shù)據(jù)為參考。
