第1节虚拟电厂应用场景分析报告

一、应用现状

虚拟电厂，是一种通过先进信息通信技术和软件系统，实现分布式电源、储能系统、可控负荷、电动汽车等分布式能源资源的聚合和协调优化，以作为一个特殊电厂参与电力市场和电网运行的电源协调管理系统。21世纪初虚拟电厂在德国、英国、法国等欧洲国家兴起，主要关注分布式能源的可靠并网及参与电力市场运行。美国作为最早研究虚拟电厂的国家之一，则更加注重构建对可调负荷广泛利用的虚拟电厂,从而实现区域内供需的动态平衡，促进可再生能源的消纳。在日本，福岛核事故加快促进以可再生能源为代表的分布式能源体系建立，于2015年政府出台了虚拟电厂推广政策。

虚拟电厂的概念引入我国后，国内专家学者围绕其基本概念、核心内涵，以及协调控制、智能计量和信息通信等关键技术开展了理论研究，能源互联网、智慧能源等概念被相继提出。2014年，我国提出了能源生产和消费革命战略，近两年又提出“双碳”目标和新型电力系统建设的宏伟蓝图，虚拟电厂因其资源多样、运营协同、低碳环保、市场服务、智能管理等显著特征，以越来越高的频次出现在与能源电力相关的重大概念、战略、工程中，成为电力系统实现安全、可靠、绿色、高效运行的关键元素。在国家政策要求以及市场机制的驱动下，国内逐步开展相关实用化探索，如江苏开展了大规模源网荷友好互动系统的示范应用，实现了对用户可中断负荷的精准控制;上海实施城市虚拟电厂试点以促进电力供需平衡。

虚拟电厂与需求响应既有联系，又有区别。虚拟电厂和需求响应的共同点主要体现在:一是两者均以需求侧可调负荷资源、储能及分布式电源为主要聚合对象，通过物联网、云计算等先进的信息通信技术将分布于工业企业、楼宇建筑以及数据中心、电动汽车充电站的各类资源进行在线监测，开展需求侧资源特性分析、互动潜力辨识与聚合。二是两者均以市场化方式引导上述需求侧资源配合电网运行调节。通过协调、优化和控制由分布式电源、储能、可调可控负荷等聚合而成资源集群，并作为一个整体参与电力市场交易，提供调峰、调频、紧急控制等辅助服务。

需求响应和虚拟电厂的区别，主要体现在“能量”供给的方式上:部分虚拟电厂能够聚合管理风机、光伏、小型水电、生物质发电甚至燃煤发电等非就地消纳的分布式电源、小型发电厂，参与中长期、现货电力市场交易，为电力系统供给电量。而需求响应侧重于通过临时调低用电功率或关停用电设备，以错峰用电的方式为电力系统缓解供电压力、解决短时电量供给不足问题。

二、技术路线与解析

如图所示，虚拟电厂将分布式电源(风、光、水、热电联产等)、可控负荷和储能等海量用户侧资源，通过信息网络聚合，为电网提供辅助服务支撑，摆脱地理空间、电网拓扑约束，根据市场交易需求灵活改变自身形态,能够提升电网平衡调节能力、促进分布式电源消纳，提高供电品质，具有“源-荷”双重身份。

虚拟电厂的核心是聚合和调节，依托的手段是先进的通信网络。从业务角度来看，虚拟电厂可分为资源层、节点层、聚合层、平台层四层架构，如下图所示。第一层为资源层，主要包括分布式发电系统、可调节负荷、储能系统等灵活可控单元，同时还包括智能感知终端，负责状态感知、信息采集和传送。第二层为聚合层，将海量资源进行一定程度的汇集，接受终端上传的数据并进行有效计算，得到反映聚合资源整体外特性的集群模型，实现单个集群内部的高效有序运行。第三层为平台层，通过虚拟电厂平台的控制协调中心可以掌握分布式运行单元的信息，并根据优化决策需要对单元进行控制和调节。第四层为服务层，虚拟电厂运营商可以向所辖用户提供需求响应、市场交易等多类型服务。贯穿整个层级的是通信网络，是虚拟电厂进行能量管理、数据采集与监控以及与电力系统进行交互的重要传输媒介。

虚拟电厂技术路线的构建主要包括底层资源建建模、通信架构搭建、交易机制设计、协同运行控制等四个方面。首先，是对底层资源的动态构建和量化分析，需要对分布式电源、可调节负荷、储能等不同类型资源进行特征提取和动态建模，由此得出面向电网平衡、清洁能源利用等不同场景的资源调节能力评估方法。其次，是对虚拟电厂通信资源调度及安全防护的要求，在虚拟电厂的业务承载能力、网络攻击防御、通信按需保障、云边协同管控、高效身份认证、敏感数据脱敏等方面进行一体化设计，并通过实时仿真技术验证虚拟电厂的通信需求是否被满足。再次，是建立虚拟电厂的运行模式及机制，根据虚拟电厂的物理及信息架构提出相适应的市场互动制，并针对大规模资源入网设计可信的认证机制，实现虚拟电厂多元布式协同互动调度与运制，通过构建一套自适应的决主体的实时电力交易。最后，是实现虚拟电厂分消纳等各类需求进行精准的指令分解，确保各层级灵活协策体系，对电网的削峰填谷、调峰调频、新能源同调度和自适应分布式控制。

大云物移智链等先进技术是促进虚拟电厂快速发展的驱动力。通过大数据分析可以快速发现虚拟电厂配电网络的异常事件，5G技术可为虚拟电厂海量可调资源大并发量、低时延的信息快速可靠传输提供通信保障，利用区块链技术可缩短电力市场交易达成共识和执行交易的时间，人工智能技术可以基于天气、生产生活习惯、历史负荷变化等信息为分布式能源功率预测与用户负荷预测提供拟合算法。

三、应用场景

虚拟电厂的特点决定了它具有独特的应用优势。与建造传统发电机组相比，虚拟电厂具有更高的经济性和环保价值:与集中式新能源场站相比，虚拟电厂支持海量分布式新能源的聚合，并可实现多类型能源的协同优化:与微电网相比，虚拟电厂聚合资源类型更丰富、地域分布更广泛、运行模式更灵活。可以根据虚拟电厂的发展阶段，对虚拟电厂的应用场景进行分类。在发展的初级阶段，虚拟电厂应用场景以传统的邀约型需求响应为主:随着技术进步和市场发展，虚拟电厂逐步过渡到以参与电力市场交易为主;在最终的形态中，随着虚拟电厂资源、运行机制的极大完善，其应用场景将呈现自主优化性和多元服务性。

1.邀约型需求响应

需求响应于21世纪初起源于美国，由需求侧管理演化而来。当前，我国虚拟电厂以邀约型需求响应为主，即电网存在削峰、填谷等调节需求时，向电力用户发出负荷调节的激励信号，用户接收信号后手动调整或通过能源管理系统自动调整用电方式。目前，我国已有21个省出台了需求响应支持政策，构建了由尖峰电价溢收资金、政府专项资金、跨省跨区可再生能源消纳盈余、纳入输配电价等多种模式组成的需求响应补贴资金池。其中，江苏、浙江、山东、上海、广东等地需求响应实施规模较大，如江苏2021年春节期间填谷规模达到343万kW，促进清洁能源消纳约1.2亿kWh;浙江2021年迎峰度冬期间削峰规模达到650万kW，累计发放补贴超过1亿元。上海在2021年“五一”假期开展商业楼宇空调、电动汽车充电站、5G基站、储能设施等11种资源参与的虚拟电厂“智慧减碳”，消纳清洁能源123.6万kWh，减少碳排放约336t。

2.参与电力市场交易

随着电力市场化改革的不断深入，电力辅助服务市场、现货市场逐渐向用户侧资源开放，虚拟电厂通过聚合管理所属分布式灵活调节资源，使得越来越多的资源可以参与调峰、调频等电力市场交易并获取收益，同时缓解新型电力系统灵活性资源不足问题，促进系统稳定运行以及新能源的消纳。冀北地区清洁能源装机占比高达60%，虚拟电厂平台将工业企业、蓄热式电锅炉等资源聚合起来，打包参与华北电力调峰辅助服务市场，2021年累计促进清洁能源消纳达到了3800万kWh。

3.自主优化与多元服务

随着分布式能源和有源负荷快速发展，电力用户也逐步向电力“产消者”转变，当所有能源消费者都成为能源的管理者和提供者后，虚拟电厂可以在更大范围实现自主优化调度和多元的能源服务。欧美国家在此方面已有较成熟的应用案例。德国Next Kraftwerke虚拟电厂运营商通过中央控制系统将风、光、沼气等可再生能源发电资源、工商业电力用户以及储能系统等聚合起来，拥有9000余个平衡单元，装机容量达到8450MW，通过就地单元+中央控制系统，基于大数据算法，使可再生能源发电机组和工业用户更加灵活的与电网互动。Next Kraftwerke已实现为七个欧洲TSO地区提供平衡服务，以及通过调度用户电力采购需求优化用户能源成本。

四、发展趋势

从国内外的应用案例可以发现，虚拟电厂的发展从邀约型需求响应逐步过渡到以市场调节为主的虚拟电厂，最终将形成高度智能化、自主化、市场化的虚拟电厂。

(1)虚拟电厂技术发展呈现智能化。虚拟电厂与大云物移智链等先进信息技术深度融合，实现内部分布式资源节点的优化聚合，促进内部能量流、信息流的高效流动，通过与电网系统、园区综合能源系统、城市能源系统等平台互联，实现运行区域内资源的协调互济，提高能源整体利用效率。

(2)虚拟电厂实施模式呈现自主化。在电动汽车、可控负荷、储能、热电联产系统等资源丰富的大型城市，虚拟电厂可聚合管理相关资源，开展频率调整、电能质量提升、参与电力市场等多种服务，促进配电网的经济、可靠运行;在县域、农村等分布式光伏、小水电、沼气资源丰富的地区，虚拟电厂通过分布式资源的自主协同，为内部用户提供可靠电力供应。

(3)虚拟电厂互动方式呈现市场化。将电

力市场作为虚拟电厂依托的运行平台，从最末端的需求侧资源逐步向上聚合，组成若干小型虚拟电厂，再逐步聚合成与市场准入规模相符合的虚拟电厂，按照各市场主体已确定的经济最优函数，自动将用户与电能量、辅助服务、现货市场等市场的需求相匹配，提高需求侧资源的市场竞争力和决策灵活性，推动不同关、不同潜力、不同规模的用户公平参与市场。

五、存在的挑战

(1)政策机制方面。一是全局性、系统性的虚拟电厂支持政策有待强化。虚拟电厂仅仅在理念和方法层面作为备选措施，没有提出明确的定量目标，难以作为约束性措施纳入到整体电力规划体系之中。二是现行的国家能源安全应急保障体系，仍以能源供应能力和储备能力建设为主，对虚拟电厂支撑能源安全应急保障的潜力挖掘不够。

(2)技术攻关方面。一是分布式发电、储能、电动汽车、可控负荷等资源的技术、经济调节特性分析技术有待进一步突破;由于底层的感知量测体系尚未健全，无法实时对用户的动态响应规模及性能有效评估。二是基于市场的决策能力有待加强，虚拟电厂需要从市场交易撮合、出清等多方面实现优化，但在交易过程中存在信息公开度不足的影响，整体运行效率仍有提升空间。

(3)标准规范方面。一是虚拟电厂相关技术标准还有待完善，对于已出台标准的实施应用亟待加强，相关系统及设备的功能性能参差不齐，安全防护能力有待提升，难以满足虚拟电厂运营要求。二是当前虚拟电厂各层系统及终端的通信规范采标各异，导致业务互联互通能力较差，抬高了项目的实施成本，影响项目建设及运行效率。

(4)商业模式方面。一是各类市场主体之间的合作机制不明晰，包括虚拟电厂运营商、电网公司、电力用户在内的各相关参与方未能形成合作共赢的纽带关系;二是虚拟电厂资源尚未被视作与发电企业对等的市场主体，主要依靠需求响应补贴获利，形式单一、收益有限，影响了市场主体的培育和商业模式的丰富。