中國儲能網(wǎng)訊：在過去的幾十年里，電網(wǎng)經(jīng)歷了轉(zhuǎn)向更小、更間歇性發(fā)電資源的變革，主要以風(fēng)能和太陽能發(fā)電為主，以及更小的并網(wǎng)電池儲能。這給電網(wǎng)管理帶來了一個重大問題——對供需的精細(xì)管理。最近，“虛擬電廠”(VPP) 這個術(shù)語廣為人知，它用來描述將這些分散的資源聚合成某種東西，表面上看可以將其視為一個常規(guī)的可調(diào)度電廠，能夠根據(jù)需求增加或減少輸出。
盡管虛擬電廠 (VPP) 并非真正的單一發(fā)電廠，但支持者稱，通過使虛擬電廠發(fā)揮類似傳統(tǒng)發(fā)電廠的作用，它可以提供大型電廠（如燃?xì)廨啓C(jī)）的優(yōu)勢，而成本卻只是后者的一小部分，并且冗余度更高，因為單個發(fā)電機(jī)或電池的故障很容易在系統(tǒng)內(nèi)得到補(bǔ)償。
然而，問題在于這個前提是否真正成立，或者是否存在被營銷掩蓋的隱性成本。
01
無功功率
功率三角形，顯示了有功功率、視在功率和無功功率之間的關(guān)系。（來源：維基百科[1]）
基于交流電 (AC) 的電網(wǎng)是一個精密的系統(tǒng)，需要持續(xù)且非常謹(jǐn)慎地保持平衡[2]，以確保其電流和電壓不會出現(xiàn)過大的相位差，否則電網(wǎng)頻率和電壓會開始變化，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出容差范圍。幾十年來，大規(guī)模停電事件已充分證明了這種錯誤造成的后果，其中最嚴(yán)重的一次就是 2025 年伊比利亞半島大停電事件[3]，該事件導(dǎo)致整個西班牙和葡萄牙陷入黑暗。在此次停電事件發(fā)生之前，系統(tǒng)運(yùn)行人員試圖減少系統(tǒng)中無功功率，但其各種嘗試都以失敗告終，安全措施開始在這些國家電網(wǎng)中啟動。
這也是虛擬發(fā)電廠 (VPP) 理念面臨現(xiàn)實考驗的地方，因為電網(wǎng)運(yùn)營商（輸電系統(tǒng)運(yùn)營商，簡稱 TSO）建議所有接入電網(wǎng)的重要發(fā)電機(jī)都應(yīng)具備構(gòu)網(wǎng)能力。這意味著，與普通逆變器不同，虛擬電廠應(yīng)該能夠吸收或發(fā)出無功功率，而不是像當(dāng)前風(fēng)電或光伏太陽能裝置的逆變器輸出僅跟隨電網(wǎng)頻率和電壓變化。
同樣，人們也在考慮添加本地儲能，其想法似乎是，你可以用分布式跟網(wǎng)逆變器和并網(wǎng)電池組（以人們整個房屋的電池的形式）以及任何目前接入電網(wǎng)的支持車輛到電網(wǎng)(V2G)的電動汽車來解決這個問題[4]。
理論上，只要有足夠多的分布式發(fā)電和儲能元件，再加上一些并網(wǎng)逆變流器和遠(yuǎn)程控制負(fù)載（例如電動汽車充電器和空調(diào)機(jī)組），就可以模擬普通火力發(fā)電站或水力發(fā)電站的效果。問題在于它能否運(yùn)行良好？并且，誰最終為這些設(shè)施買單？
02
電池租賃
2001年至2024年各類型發(fā)電情況。（來源：加州能源委員會[5]）
加利福尼亞州就是一個此類虛擬發(fā)電廠 (VPP) 的實際應(yīng)用案例，加州太平洋燃?xì)馀c電力公司（PG&E）和其他公司最近正在進(jìn)行一項測試[6]。重點(diǎn)關(guān)注的是家用電池，它們在測試中電池用于調(diào)峰，電池所有者將獲得向外部輸出電力的補(bǔ)償。在一份由 Sunrun 和特斯拉能源贊助、Brattle Group 撰寫的報告中描述了該系統(tǒng)[7]，其中的需求側(cè)電網(wǎng)支持 (DSGS) 計劃被譽(yù)為一項重大革命。
其理念是，常規(guī)并網(wǎng)用戶安裝電池儲能系統(tǒng)，電網(wǎng)運(yùn)營商可以利用這些儲能系統(tǒng)，從而彌補(bǔ)加州日益增多的不可調(diào)度、非電網(wǎng)化發(fā)電資源。需要注意的是，電網(wǎng)規(guī)模的儲能系統(tǒng)[9]永遠(yuǎn)無法提供足夠的、長時段儲能容量，因此，該方案主要是為了替代昂貴的調(diào)峰電廠，而加州目前已經(jīng)擁有大量的這種調(diào)峰電廠。
預(yù)計到 2040 年家用電池容量將達(dá)到 4 吉瓦，如果電網(wǎng)運(yùn)營商可以使用這些電池，而不是運(yùn)行特殊的調(diào)峰機(jī)組，或者像（PG&E 運(yùn)營的）莫斯蘭丁電池儲能設(shè)施那樣安裝更多大型電池，那么這將為他們節(jié)省大量現(xiàn)金[10]。
順便提一句，莫斯蘭丁的電池儲能設(shè)施曾多次發(fā)生火災(zāi)，這凸顯了電網(wǎng)運(yùn)營商可能節(jié)省的另一項重大開支，因為此類事件的后果將由電池運(yùn)營商承擔(dān)，而對于需求側(cè)電網(wǎng)支持計劃來說，也就是房主。目前，遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)空調(diào)似乎還不是討論的重點(diǎn)，但考慮到這種方式可以顯著節(jié)省電力，即使像需求側(cè)電網(wǎng)支持計劃那樣僅僅依靠付費(fèi)志愿者，這似乎只是時間問題。
03
市場失靈的跡象
雖然想象通過讓當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)運(yùn)營商接入昂貴的家用電池或電動汽車來賺錢似乎很誘人，但與更早的V2G討論中一樣，也存在同樣的普遍問題。不僅存在電池?fù)p耗的問題，而且如上所述，還有保險方面的考慮，以及家用電池和純電動汽車通常位于遠(yuǎn)離實際需要使用地點(diǎn)的地方的問題。像莫斯蘭丁這樣的地點(diǎn)可以直接接入大型輸電系統(tǒng)，而家用電池則連接到一些當(dāng)?shù)嘏潆娋W(wǎng)，這使得電力調(diào)度變得相當(dāng)困難。
在美國能源部閱讀虛擬電廠（VPP）文章[11]時產(chǎn)生的印象。伊利諾伊州的一項虛擬電廠計劃針對的是大型商業(yè)和社區(qū)太陽能發(fā)電企業(yè)，而非住宅用戶。如果他們愿意承擔(dān)安裝[可調(diào)節(jié)？譯注]跟網(wǎng)變流器的費(fèi)用，將獲得補(bǔ)貼[12]，而這很可能需要一定程度的現(xiàn)場儲能。分布式能源的一個主要問題是其分布式特性，這使得任何規(guī)劃或選址都無法直接滿足需求，例如建設(shè)發(fā)電廠或抽水蓄能電站，并通過直接輸電線路連接到需要的地方。
2040 年預(yù)計發(fā)電組合。（來源：標(biāo)普全球公司[13]）
最近的一項研究得出結(jié)論[13]，僅在美國，到 2040 年的電力需求就可能比現(xiàn)在激增 35-40%，這需要極快地擴(kuò)建額外的發(fā)電資源，而這些資源的電力結(jié)構(gòu)與現(xiàn)在基本相同。預(yù)計到 2024 年，美國的電力需求將達(dá)到 5.5-6 TWh ，而目前約為 4 TWh（估計數(shù)據(jù)錯誤，應(yīng)該是 4000TWh，譯注），并且不可調(diào)度發(fā)電機(jī)的發(fā)電量將大幅增加。因此，在某種國家級虛擬電廠 (VPP) 系統(tǒng)中，家用電池和少量支持 V2G 的電動汽車能在多大程度上支持這一努力，這似乎值得質(zhì)疑。
04
核心問題
盡管人們常說“分布式發(fā)電”代表著未來，但很少有人量化其背后的原因。只需看看交流電網(wǎng)的工作原理，并追蹤地圖上連接所有分布式發(fā)電所需的長達(dá)數(shù)公里的配電線路，就足以讓人深思。顯而易見，電網(wǎng)中存在大量分布式、不可調(diào)度、不并網(wǎng)的發(fā)電機(jī)組也會帶來問題，尤其是在今年伊比利亞半島大停電事件之后。
通過讓終端用戶支付電池儲能和構(gòu)網(wǎng)型變流器的費(fèi)用來解決這個問題，并稱之為虛擬電廠 (VPP)，這聽起來有些不夠真誠。一個更合理的模式，那就是為家庭或企業(yè)配備本地儲能，其作用僅僅是減少電網(wǎng)需求。當(dāng)電價非常低時，這些電池可以充電，從而對電網(wǎng)產(chǎn)生平衡作用，而無需通過輸電系統(tǒng)運(yùn)營商 (TSO) 進(jìn)行遠(yuǎn)程控制或類似的復(fù)雜操作。
最終看來，歐洲輸電系統(tǒng)運(yùn)營商（ENTSO-E）致力于淘汰跟網(wǎng)型型變流器并要求采用構(gòu)網(wǎng)型變流器的做法是正確的。畢竟，如果每個風(fēng)電或太陽能發(fā)電裝置實際上都充當(dāng)著一個可調(diào)度的發(fā)電機(jī)，能夠吸收和產(chǎn)生無功功率，那么整個可變電廠（VPP）的爭論以及大部分電網(wǎng)儲能的爭論就變得無關(guān)緊要了。這只意味著這些可變電廠的投資者將不得不投入更多資金，而不是將這些成本當(dāng)作某種“大買賣”轉(zhuǎn)嫁給最終用戶。
