虚拟电厂，电力系统变革最优解吗？ 原创

如果用一个词来形容今年的夏天，那一定是酷热。这是自1961年以来最热的夏天，导致南方部分地区连续无有效降雨天数超过20天，长江干流及洞庭湖、鄱阳湖水位均为有实测记录以来同期最低，安徽芜湖路段一辆货车上150头生猪集体中暑……

不断刷新记录的高温让居民的用电量激增，降雨的减少和持续的干旱又对水力发电造成了严重的干扰，电力供给大减。江苏、广东、云南、广西等20多个省份相继启动有序用电，多地工业企业被要求错峰用电。在东北地区，受限电影响的范围甚至超出了工商业用电，波及到城市正常运行和居民日常用电。

在经历了夏季的酷暑的人们希望能有稳定的气温，而对于经历了无数个“大起大落”的电力行业来说，则希望能建构一套稳定的电力管理系统。虚拟电厂就在这个时候，逐步走向人们的视野。

虚拟电厂是什么？

在现实世界中，实体电厂的功能主要有两个：一是发电，为电力市场提供电能；二是根据现实情况，对供电的负荷进行调节，从而保证电网的稳定性。而虚拟电厂，就是要利用一套建立在“空中”的管理系统来模拟出电厂的两个功能。

虚拟电厂的相关概念最早由 Shimon Awerbuch 博士于 20 世纪末提出，在《虚拟公共设施：新兴产业的描述、技术及竞争力》论文中对虚拟公共设施进行了定义：受市场驱动的独立实体间灵活合作，且能够为消费者提供所需的高效电能服务而不必拥有相应的资产。

在降碳减排逐渐成为全球共识的背景下，风电和太阳能作为清洁能源和可再生能源的重要组成部分，将成为降低碳排放，实现全球气候、可持续发展目标的重要抓手。然而风电、太阳能等发电形式将对电网出力端形成较大的冲击，影响到电力系统的稳定性维护。同时，峰谷差问题催生的储能、分布式电源的大规模装机也增加了出力资源的数量，调度复杂度大幅提升。

虚拟电厂聚合发电、储能资源，并进行统一优化调度，是解决峰谷差的有效形式。虚拟电厂能够有效聚合分布式电源和储能电站等资源，依靠物联网等技术，处理风电、光伏等出力端带来的不确定性，帮助电网实现协调优化控制，加强新型电力系统内部各单元间的协同，从而提升电力系统的灵活性与稳定性。

虚拟电厂的核心竞争力在于技术和资源的运用。本质是通过计量、通信、智能调度决策算法以及信息安全防护技术将各类分布式发电设备与储能设施结合，对电力负荷进行协调和控制，聚合资源越多，调节能力越强。

计量技术：精确地计量用户侧电、热、气、水等耗量，建立精准的能源网络供需平衡，为虚拟电厂的调度、生产提供依据；

通信技术：控制中心接收各子系统的状态信息、电力市场信息、用户侧信息等，并根据这些信息进行决策、调度、优化；目前可利用包括互联网、虚拟专用网、电力线路载波、无线通信等技术，在此基础上还需要开发虚拟电厂专用的通信协议和通用平台；

智能调度决策技术：各子系统的统筹优化调度是虚拟电厂实现分布式能源的消纳及保障电网安全、高效、稳定运行的关键；控制中心需要收集、处理的信息包括：用户的需求信息、各子系统运行信息、电网调度信息、电力市场价格信息以及影响分布式电厂的天气、风能、太阳能等信息；根据收集的信息，控制中心需要建立完善的数学模型及优化算法。

信息安全防护技术：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，需要做好系统安全防护、强化边界防护、提高内部安全防护能力，保证信息系统安全；在当前针对工业控制系统的安全防护技术和面向用户的用电信息系统防护技术基础上，发展与虚拟电厂相适应的大型综合用电信息系统安全技术也是未来虚拟电厂发展的关键。

虚拟电厂的产业链由上游基础资源、中游系统平台和下游电力需求方共同构成。分布式电源、储能、可控负荷的发展共同构成了虚拟电厂上游的基础资源，中游为资源聚合商，而由公共事业企业能源零售商（售电公司）及一切参与电力市场化交易为主体的产业链下游。

根据国家电网的测算，通过火电厂实现电力系统削峰填谷，满足5%的峰值负荷需要投资4000亿，而通过虚拟电厂仅需投资500-600亿元，虚拟电厂的成本仅为火电厂的1/8-1/7，能够促进电力系统实现低碳、高效的多赢市场化运营。

虚拟电厂，从概念到实践

在Shimon Awerbuch 提出虚拟电厂概念后，全球首个虚拟电厂项目在2000年诞生。德国、荷兰、西班牙等 5 国 11 家公司共同启动虚拟电厂项目 VFCPP，以中央控制系统通信为核心，搭建了由 31 个分散且独立的居民燃料电池热电联产 (CHP)系统构成的虚拟电厂。

2005 年，英、法等 8 国 20 家机构启动了 FENIX 项目， 以 FENIX 盒、商业型虚拟电厂和技术性虚拟电厂为创新点，分别在英国和西班牙实施，该项目为接下来虚拟电厂的设计奠定了框架基础。

随后，丹麦、波兰、比利时等国家也开展了虚拟电厂项目的尝试，运用智能计量、智能能量管理和智能配电自动化等支柱技术，先后在虚拟电厂中引入电动汽车充电站平台、氧化还原电池、锂 电池、光伏电站、风电场、小型水电站等资源，虚拟电厂规模逐渐扩大。

德国的Next-Kraftwerke的虚拟电厂平台研发成功，并投入使用，帮助可再生能源发电企业更为精准地预测电力的供求情况，从而更理性地和TSO签订合同，规避损失。2021年，Next-Kraftwerk被壳牌公司收购。根据壳牌的预测，到2030年，通过Next-Kraftwerk交易的电量将会是现在的两倍。

另一个商业化的成功案例就是特斯拉的Powerwall。美国是一个太阳能资源丰富的国度，Power－wall是特斯拉和太阳能面板安装商SolarCity于2015年5月联合推出的家用储能电池。从外观上看，Powerwall就是一块大型的“充电宝”，它可以搭配特斯拉家用太阳能电池SolarRoof，白天利用太阳能电池对其充电。充电完成之后，它就可以被用来向家庭供电，或者接入电网来售卖富余电力。当然，在阴天等光照不充分的情况下，用户也可以通过Powerwall来从电网购买电力。

这是目前国际市场上，虚拟电厂的两种不同商业模式。前者是侧重于分布式发电单位，通过参与电力交易来获取收益；后者则是侧重于用户端的电力资源，通过提供辅助服务来获取收益。

国内商业化探索的伊始

与国际市场相比，虚拟电厂引入我国的时间较晚，但对于这项重要的能源调配技术，我国一直给予了高度重视。在“十三五”期间，我国就在江苏、上海、河北等地先后开展了关于电力需求响应和虚拟电厂的试点工作。

我国虚拟电厂目前处于从零到一的起步阶段，参与者通过参与电网公司邀约，获取相应的响应补贴。从各省电力现货交易试点情况和缺电情况来看，广东、浙江、江苏有望最先发展虚拟电厂。广东省作为缺电大省，每年 30%左右电量来自于外省输送，是我国电力市场化需求最为迫切、也是市场化进展领先的地区。

中国企业虚拟电厂领域拓展出更多的可能。恒实科技是国内最先布局虚拟电厂的企业之一，曾参与国网冀北虚拟电厂示范工程。恒实科技作为虚拟电厂的聚合商和平台提供商，全程参与了国网冀北虚拟电厂示范工程。

与国网冀北电力、清华大学等多家产学研机构共同参与了“面向能源互联网的虚拟电厂调控与运营关键技术及应用”项目，首创虚拟电厂参与调峰辅助服务的市场机制与商业模式，提出了大规模多元用户标准化接入和虚拟电厂互动运营技术，构建了电力市场环境下开放共享的能源互联生态。

除此之外，在北京亦庄的凉水河畔，金风科技在亦庄智慧园区内配置两台总容量4.8MW的风电机组和总容量超过1MW的光伏发电设备，实现清洁能源就地采集和消纳。 金风科技采用定制化“零碳能源供应+能效提升+能源管理”解决方案， 将风机、光伏、储能结合在一起的智能微网，通过风光互补发电，保证稳定的电能供应。

该园区在总用电量1573万千瓦时，其中使用金风科技自有风电机组和光伏设备发电量482万千瓦时，剩余电量购自电网，园区总的可再生能源发电比例近50%。通过这种因地制宜建设分布式光伏，结合储能配置定制化智能微网，实现了园区的绿电自发自用，有效降低碳排放，推进园区建设。 

在全球能源结构转型浪潮中，虚拟电厂是一座桥梁，将实体电厂与数字化连接。伴随电力现货交易试点的推进，虚拟电厂的商业模式也将得到持续优化，有望成为电力行业打开智能新世界大门的关键。

数千亿蓝海市场的虚拟电厂，将电力市场带入“源网荷储“系统与电力销售和服务系统相连，开放整个能源产业链，提高能源利用效率，促进电力能源产业低碳绿色转型升级。