虚拟电厂的核心技术及落地应用

（文/程文智）这些年来，电力系统中的发电资源呈现出了清洁型、分散型的发展趋势，这些新型发电资源的并网运行，在促进节能减排的同时，也给配电网、输电网络、电能质量、系统保护和调度运行等方面带来了一系列的挑战。加上这些分布式发电资源规模较小、布局分散，导致了其难以真正参与电力系统的经济调度，乃至电力市场的竞争，难以通过市场发现其经济价值。为了应对挑战，充分发挥新型能源的积极作用，“虚拟电厂（Virtual Power Plant，简称VPP）”引起了人们的关注。

什么是虚拟电厂？它有哪些特性？

其实，早在1997年，Shimon Awerbuch博士的《虚拟公共设施：新兴产业的描述、技术及竞争力》著作中就出现了虚拟电厂的概念。到2007年前后，国际上对于虚拟电厂开始有了系统性的论述，2012年后，相关的研究报道逐渐增多。

图：虚拟电厂示意图（来源：Next Kraftwerke官网）
目前，虚拟电厂虽然还没有统一的定义，但普遍认为虚拟电厂是将分布式发电机组（Distributed Generation，DG）、可控负荷（Dispatchable Load，DL）和分布式储能设施（Distributed Energy Storage，DES）有机结合，通过配套的调控技术、通信技术实现对各类分布式能源资源进行整合调控的载体。其核心是用于调控DG、DL、和DES能量流的集控平台。

也就是说，它是一种将分布式发电、需求侧响应和储能资源统一协调控制，响应电网调度指令的智能电网技术。虚拟电厂有望通过集控平台中的信息通信技术和软件系统管理分布式能源，对内将相对分散的电源、电网、荷载和储能等进行聚合协调和优化控制。其中集控平台具备量大核心能力：

“发电端-负荷端”：聚合协调、优化控制。以各地电力公司为主搭建虚拟电厂集控平台，可以对收集的充电桩、居民用电等数据进行分析，做到负荷端的精准响应及管理。当负荷端供电量不足时，可以作为“正电厂”向电力系统供电；当发电端电量过大，负荷端难以承载时，又可以作为“负电厂”加大负荷消纳电力系统电力，帮助电力市场削峰填谷，可以平滑新能源并网给电网带来的一系列影响。

电力市场：多端主体实现互通，优化电力调节能力。虚拟电厂可以将大电网和电力交易市场进行互联互通，不仅有助于优化整个电网系统，还能为内部聚合的企业、用户、充电桩、储能、分布式能源等市场主体提供参与电力市场化交易的途径，让他们都可以成为微型发电机，参与电力市场交易，从而获取套利收益。同时，在已知价格信号时，虚拟电厂可先算出最大的调节能力，再算出单位调节量的价格上报，充分发挥各类资源的调节能力。

虚拟电厂的特性及核心技术

与传统电厂相比，虚拟电厂具有更多的优势，它能够在保证系统安全稳定运行的前提下，实现获取可再生能源经济利益、降低发电成本、减少温室气体排放，优化资源利用等目标。具体来说，虚拟电厂具有以下几个特性：

首先是虚拟电厂内资源具有多样性。它能聚合管理多种可再生能源发电机组，比如光伏发电机组、风力发电机组、小型水电机组、微型热电联产机组等，每一种资源都有自身的输出特性，需要协调配合运行。虚拟电厂还可以根据分时电价调整可控负荷，利用储能装置充放电，从而改变虚拟电厂的输出，对电网呈现虚拟发电特性。

其次是虚拟电厂的资产具有虚拟性。虚拟电厂内部的资产并不一定属于虚拟电厂代理商所有，虚拟电厂代理商与资产的关系主要是能量流的调度、货币流的分配和信息流的共享，类似于传统电网的调度、交易中心与各发电厂之间的关系。

三是虚拟电厂的运行需要协同性。虚拟电厂聚合了多种具有不同输出特性、不同发电成本、属于不同供应商的可再生能源，因此，为了实现虚拟电厂能有效产于电力市场运营，需要多家虚拟电厂在不同的运营机构内互相配合、协同合作。

从技术趋势层面来看，当前虚拟电厂建设聚焦四大核心技术：
1）智能计量：能够精确地计量用户侧电、热、气、水等耗量，快速捕捉数据变化，更为主动的向系统预警设备故障。
2）信息通信：双向通信技术，既能够接收各个单元的当前状态信息，而且能够向控制目标发送控制信号。
3）协调控制：利用优化算法、通信控制技术，帮助虚拟电厂存储和处理海量的电力数据，分析、预测电力负荷和调节、调控的负荷，高效完成响应分配。
4）信息安全防护：虚拟电厂与各个分布式能源站的工业控制系统、面向用户的用电信息系统、公开的市场营销信息系统、电网的调度信息系统都存在接口，做好系统安全防护。

虚拟电厂的应用实例

目前，欧美已经有一些虚拟电厂的应用案例可供借鉴了。欧洲在2001年起就开始了以小型分布式发电单元为主要目标的虚拟电厂研究项目，参与的国家包括德国、英国、西班牙、法国和丹麦等。2005年～2009年，来自欧盟8个国家的20个研究机构和组织合作实施和开展了FENIX项目，希望通过将分布式能源资源聚合成大型虚拟电厂和分散管理，最大限度地提高分布式能源对电力系统的贡献，摆脱传统对电力系统小单元的管理。2012年，欧洲虚拟电厂正式落地，北欧能源公司Statkraft在德国建立了第一个虚拟发电厂，其发电量相当于10个核反应堆，也是欧洲于2010年起关闭核电厂后的一大重要突破。

如今，欧洲虚拟电厂已经开始商业化，商业模式以电力资源聚合为主。比如2009年创立的Next Kraftwerke是德国乃至欧洲最大的虚拟电厂厂商，获得了欧洲电力交易市场（EPEX）认证，在EPEX SPOT和EEX等欧洲交易所可以参与能源的现货市场交易，在七个欧洲输电系统运营商（Transmission System Operator）TSO地区提供平衡服务，其为电力市场提供的服务主要有：

1）系统建设：通过网络提供软件服务：除了运行虚拟电厂，NEXT公司还提供可定制虚拟电厂（NEMOCS）服务，为能源公司建立自己的虚拟电厂提供软件解决方案。此外，NEXT 公司还提供电力系统平衡区管理软件（NEXTRA）。

2）电力消纳：根据日间市场信号调整电力资源，NEXT 公司根据电力市场波动调整其资源池中的可调度能源发电机组（例如沼气厂）和负荷的出力和需求，为这些客户带来收入，同时为系统平衡做出贡献。

3）平衡服务（电力交易）：利用聚合的能源资源提供平衡服务：NEXT 公司活跃在所有三个平衡市场。截至 2021 年中，NEXT 公司已累计拥有 2780MW 的虚拟电厂资源来提供平衡服务（75MW 一级备用、983MW 二级备用、1762MW 三级备用）。其客户通过参与平衡市场获得收入。NEXT 公司从收入中获得提成。

美国则比较少采用虚拟电厂的概念，而是主要推进利用用户侧可控负荷的需求响应，并取得了不少的成效。美国的虚拟电厂项目主要针对需求侧管理，结合需求响应的相关机理，兼顾源侧可再生能源的利用，因此，对负荷的控制和储能设备的投入占其虚拟电厂的主要部分。从地域角度看，美国的虚拟电厂市场以加利福尼亚州、佛蒙特州和纽约州3 个地区为代表：加利福尼亚州是美国开展电力需求侧管理最早的州，而佛蒙特州是最早提出虚拟电厂概念并付诸实施的州。具体落地应用方面：2017年，美国德蒙特州Green Mountain Power公司搭建自己的虚拟电厂平台，接入2000余个家庭客户。2022年，太平洋天然气与电力公司（PG＆E）和特斯拉推出一项新的试点计划，通过创建虚拟电厂以保障电网的稳定性。目前，特斯拉已经邀请约25000名拥有Powerwalls的PG＆E客户加入虚拟电厂。

商业模式方面，美国的虚拟电厂通常由公共事业企业运营，主要采用设备租用模式。以Con Edison项目为例：Sunverage提供锂离子电池存储系统，SunPower租赁其太阳能电池板，公用事业Con Edison管理存储电力的电网供电，主要对象为自用单户住宅。此外，佛蒙特州的虚拟电厂主要采用系统效益收费模式。

我国在2000年左右也提出了虚拟电厂的概念，从东北现货市场起步，后来为了平衡账户亏空，2007年提出了市场化改革，但国内现货达不到国外的规模，加上国内保供电压力比较大，不可能像国外市场那样80%的电力放在现货市场。我国不会单纯学欧洲或美国，更多的是采用混合型，既有电源也有负荷型，比如我国最先进的虚拟电厂代表冀北电力虚拟电厂示范工程就是混合型的，在2019年12月正式投运后，实时接入11类灵活性资源，容量约226兆瓦，涵盖张家口、秦皇岛和廊坊3个地市。ABB 集团利用了在欧洲实施虚拟电厂的丰富经验和在控制领域的领先技术，给冀北电力虚拟电厂项目中来自不同行业的 9 类用户，如分布式光伏、空气源热泵、民用及工业空调机组、电动汽车充电站等用户，定制了相应的智能配电计量与协调控制解决方案。

“十四五”以来，北京、上海、深圳、江苏、河北等全国多省市已开始虚拟电厂的试点建设并正式投入运行。2022年5月20日，部署于国电投深圳能源发展有限公司的虚拟电厂平台发出指令，调度尚呈新能源蛤地智能充电站将50千瓦时电量从0时转移至4时。根据5月26日广东电力现货市场数据，深圳能源通过此次试验获利，平均度电收益0.274元，成为我国首个虚拟电厂调度用户负荷参与电力现货市场盈利的案例。

结语

总体来说，目前我国在虚拟发电厂领域的研究尚处于起步阶段。为适应我国的地理、天气、发电类型结构等具体国情，我国构建虚拟发电厂的结构形式和功能配置必须进行有针对性的设计和调整。但从目前我国对电力能源经济环保性的迫切需求及新能源发电规模的快速发展趋势来看，虚拟电厂在我国将有广阔的发展空间。

当然，国内现在还属于刚起步阶段，装机规模在百MW规模，还没有出现GW级别，在国内政策的推动下，接下来3、4年虚拟电厂行业应该会迎来一个快速发展期，预计到2030年能达到1000亿元的市场规模。

电厂虚拟核心技术经济

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