虚拟电厂运营模式及案例
虚拟电厂作为一种电力供需平衡调整的重要手段，对于构建新型电力系统意义重大。但受电力市场化程度低、配电网投资不足等因素制约，我国虚拟电厂发展仍处于初级阶段，发展空间巨大。
一、虚拟电厂助力构建新型电力系统
什么是虚拟电厂？
虚拟电厂（VPP, virtual power plant）是指利用物联网和先进通信技术，聚合分布式电源、储能系统、可控负荷等各类资源形成的电源协调管理系统。它本质上是将分布式电源（发电）、可控负荷（用电）、储能等利用计算机通信网络技术将其聚合成一个虚拟的集中式电厂，来为电网提供需求侧响应。不同于微电网，虚拟电厂参与的需求侧响应打破了空间的束缚，通过集控平台进行调节响应。
图1 虚拟电厂运营模式
虚拟电厂产业链包括上游基础资源、中游系统平台和下游电力需求方三个环节。上游基础资源指可调负荷、分布式电源和储能设备。中游系统平台，主要是指依靠互联网整合优化供给和需求的信息，增强虚拟电厂的协调控制能力的资源聚合商。下游为电力需求方，由电网公司、售电公司和大用户构成。
虚拟电厂可分为负荷侧虚拟电厂、电源侧虚拟电厂和源网荷储一体化虚拟电厂三大类。当前我国虚拟电厂试点的多为负荷侧虚拟电厂，冀北试点的虚拟电厂为国内鲜有的源网荷储一体化虚拟电厂试点。负荷侧虚拟电厂是指运营商聚合其绑定的具备负荷调节能力的市场化电力用户（包括电动车、可调节负荷、可中断负荷等）作为一个整体（呈现为负荷状态）组建成虚拟电厂，对外提供负荷侧灵活响应。电源侧虚拟电厂是指在分布式电源发电侧建立虚拟电厂。源网荷储一体化虚拟电厂是指集合发电电源和负荷用电用户，作为独立市场主体参与电力市场，原则上不占用系统调峰能力。
虚拟电厂的作用和优势
虚拟电厂可在电力系统各个环节发挥重要作用。在新型电力系统建设中，新能源发电的比重快速增长，但新能源发电具有很大的波动性，给电网安全稳定运行带来巨大挑战。为了解决上述问题，我国大力发展储能，而虚拟电厂在促进新能源消纳、电网调频调峰等方面同样大有可为，是储能的重要补充。在电网侧，虚拟电厂可以为电网提供调频调峰服务、负荷备用服务等，提高电网安全运行水平。在用户侧，电力用户通过参与需求响应，用能效率大幅提升，在降低电费的同时，还可以获取需求响应收益。如江苏南京试点项目，平均提升用户能效20%；无锡试点项目，提高园区整体综合能源利用率约3个百分点，降低用能成本2%，年收益约300万元。在电源侧，虚拟电厂可以提供海量分布式电源精益化管理手段，促进新能源消纳。
图2 虚拟电厂调度优化机理
虚拟电厂是解决电网负荷的最具经济性选项之一。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，成本仅为火电厂的1/8-1/7。
二、国内虚拟电厂发展处于初期阶段，各地积极开展试点
我国虚拟电厂尚处于早期试点阶段，各地积极开展试点，江苏、浙江、上海、冀北等地均出现了大型的虚拟电厂试点。2021年2月10日，广东广州市工信厅发布《广州市虚拟电厂实施细则（征求意见稿）》征求意见，实施目标是引导用户通过开展需求响应，实现削峰填谷，逐步形成约占广州市统调最高负荷3％左右的需求响应能力。2022年6月23日，山西省能源局发布《虚拟电厂建设与运营管理实施方案》，地方权威性纲领陆续出台。
表1 我国虚拟电厂实践案例
商业模式不健全，缺乏顶层设计。一体化的虚拟电厂依托分散式电源、分散式负荷和成熟的电力现货市场。当前我国试点的虚拟电厂多为负荷类虚拟电厂，分散式电源的上网仍严重不足，本质原因在于地方的配电网建设滞后，以及市场化的电力交易机制尚不健全，虚拟电厂的盈利性受到限制。随着分散式风电、分布式光伏大发展，我国配电网大投资也有望迎来高速增长，承担电力辅助服务、调峰调频的电力交易机制日趋成熟，顶层设计有望加速到来。
图3 虚拟电厂交易机制
三、海外虚拟电厂发展对我国的启示
为什么海外特别是德国、美国虚拟电厂大发展？为什么我国现存试点的虚拟电厂多为负荷侧虚拟电厂而非一体化虚拟电厂？通过对海外虚拟电厂发展的研究，我们可以获得一些答案和启示。
欧洲最大虚拟电厂Next Kraftwerke经验
NextKraftwerke是德国一家大型虚拟电厂运营商，也是欧洲最大的虚拟电厂运营商。它创立于2009年，是欧洲电力交易市场(EPEX)认证的能源交易商，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。Next Kraftwerke通过中央控制系统的M2M实时通信，将来自沼气、风能、太阳能、垃圾等可再生能源与商业和工业电力用户以及储能系统汇集在一起。截至2020年6月，NextKraftwerke已有9516个聚合单元，8179兆瓦联网装机容量，627.7百万欧元营业额，15.1T瓦时能源交易量。NextKraftwerke的成功基于德国市场化的电价交易机制，其为虚拟电厂的盈利提供了非常好的商业模式。
德国虚拟电厂已大范围商业化，主要应用场景为通过电力市场的灵活电价，引导电厂管辖内系统优化发用电成本，优化交易收益，已形成了完整的市场生态链和商业模式，并已经历了第一轮市场整合。德国虚拟电厂配套的上中下游产品已逐渐完备，虚拟电厂除直接参与电力市场进行交易之外，溢价部分与客户分成参与电网系统辅助服务（二次、三次调频）来收取服务佣金，与此同时，针对城市供电公司、大型工业用户、部分小用户都有相应的售电套餐。
落后的电力现货市场和配电网建设制约虚拟电厂发展
参考德国、美国虚拟电厂的快速发展，欧美国家的电价均为较为市场化的电价制度，为工商业用户对分布式、户用储能以及虚拟电厂的发展提供了经济性。随着国内集中式绿电的资源开发趋于成熟，分布式的资源开发也将进入加速阶段。当前我国的虚拟电厂试点多为负荷侧虚拟电厂，分布式电源接入非常少，一个本质的原因在于我国的配电网建设还不够完善。
表2 海外虚拟电厂特点
因此，成熟的电力现货市场为虚拟电厂的商业模式提供经济性，分布式电源+配电网的大发展为虚拟电厂的发展提供必要性。
图4适合我国的电力市场发展方式
本文整理自东吴证券。