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虛擬電廠蓄勢待發(fā)，源網(wǎng)荷儲(chǔ)聯(lián)動(dòng)是新型電力系統(tǒng)必然選擇
一、虛擬電廠是什么
虛擬電廠是什么：分布式資源的聚合與優(yōu)化
虛擬電廠概念起源于1997年《虛擬公共設(shè)施：新興產(chǎn)業(yè)的描述、技術(shù)與競爭力》一書中對虛擬公共設(shè)施的定義， 虛擬公共設(shè)施即通過獨(dú)立且以市場為驅(qū)動(dòng)的實(shí)體間開展靈活合作，參與合作的實(shí)體無需擁有相應(yīng)資產(chǎn)便可為消費(fèi)者提供 所需服務(wù)，虛擬電廠便是在此概念基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展延伸。
根據(jù)《虛擬電廠的概念和發(fā)展》一文，虛擬電 廠（virtual power plant，簡稱VPP）是通過先進(jìn)信息通信技術(shù)和軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)分布式電 源、儲(chǔ)能系統(tǒng)、可控負(fù)荷、電動(dòng)汽車、充電樁等分布式能源的聚合和協(xié)調(diào)優(yōu)化，以作為一個(gè)特殊電廠參與電力市場和電網(wǎng)運(yùn)行的電源協(xié)調(diào)管理系統(tǒng)。虛擬電廠并不是真實(shí)存在的電廠，而是一種智能電網(wǎng)技術(shù)，應(yīng)用分布式電力管理系統(tǒng)參與電網(wǎng)運(yùn)行調(diào)度，實(shí)現(xiàn)“源-荷-網(wǎng)"聚合優(yōu)化。
虛擬電廠是什么：結(jié)構(gòu)——可調(diào)節(jié)性是資源層的核心
資源層的調(diào)節(jié)能力和質(zhì)量決定虛擬電廠完成調(diào)度指令的能力，工商業(yè)儲(chǔ)能作為調(diào)節(jié)資源之一，是虛擬電廠大發(fā)展的重要前提條件。
源：目前接入資源以分布式光伏為代表，自身不具備調(diào)節(jié)能力，可和工商業(yè)負(fù)荷視為整體，構(gòu)成一個(gè)可調(diào)節(jié)負(fù)荷。
荷：可調(diào)節(jié)負(fù)荷各有自身能力限制，工業(yè)負(fù)荷往往受生產(chǎn)計(jì)劃強(qiáng)制約，且響應(yīng)速度慢；空調(diào)負(fù)荷在時(shí)間維度不可平移，基本沒有填谷能力，且受用戶體驗(yàn)和天氣等因素限制，可調(diào)節(jié)范圍有限；充電樁作為直接面向C端的負(fù)荷，其調(diào)節(jié)能力不可預(yù)測性較強(qiáng)。
儲(chǔ)：可調(diào)節(jié)能力、響應(yīng)速度和可靠性都較好的調(diào)節(jié)資源，同時(shí)具備削峰和填谷能力，虛擬電廠進(jìn)行高頻次大幅度響應(yīng)的資源。
二、為什么需要虛擬電廠
為什么需要虛擬電廠：風(fēng)光快速增加帶來的填谷需求
風(fēng)光裝機(jī)快速增長，加劇電力系統(tǒng)不可控性。截至2023H1，我國風(fēng)電裝機(jī)389.21GW，太陽能裝機(jī)470.67GW，風(fēng)光合計(jì)占總裝機(jī)的31.76%。其中，2023年H1我國風(fēng)電新增裝機(jī)22.99GW，對比22年同期新增12.94GW，同比+77.67% ；太陽能新增裝機(jī)78.42GW，對比22年同期新增30.88GW，同比+153.95%，風(fēng)、光均加速增長。新能源出力主要受來風(fēng)、來光影響，人為干預(yù)作用小。因此，當(dāng)新能源出力與負(fù)荷用電特性不吻合時(shí)，便存在新能源電力消納問題，處理不當(dāng)會(huì)引發(fā)電力系統(tǒng)安全事故，且造成投資的浪費(fèi)。
光伏建設(shè)速度遠(yuǎn)超風(fēng)電，分布式光伏成為主力。2022年我國光伏裝機(jī)首ci超過風(fēng)電，其中分布式功不可沒。2022年分 布式光伏新增裝機(jī)51.11GW，占當(dāng)年全部光伏新增的58.48%；截至23H1，分布累計(jì)裝機(jī)達(dá)198.23GW。分布式建設(shè)、選址簡單，項(xiàng)目周期短，裝機(jī)提升快。由于其出力時(shí)間高度集中，受電網(wǎng)調(diào)度管控程度相對低，消納問題正在顯現(xiàn)，山東、河南等分布式裝機(jī)大省已出臺(tái)分布式配儲(chǔ)文件。
“鴨子曲線"變“峽谷曲線"，光伏增加帶來填谷需求?！傍喿忧€"由美國加州電網(wǎng)運(yùn)營商CAISO提出，即在光伏出力高峰的中午，凈負(fù)荷曲線下降，隨后在晚上光伏發(fā)電量下降時(shí)凈負(fù)荷急劇上升。隨著光伏裝機(jī)增加，CAISO的凈負(fù)荷曲線出現(xiàn)了向“峽谷曲線"的轉(zhuǎn)變，即中午凈需求更低，跌至零值甚至負(fù)值；傍晚負(fù)荷增加更加陡峭，其他電源需快速爬坡出力以適應(yīng)負(fù)荷的急劇攀升。
（圖片來自于華福證券虛擬電廠專題報(bào)告）
國內(nèi)以山東為代表的部分省份同樣有明顯的填谷需求。山東裝機(jī)結(jié)構(gòu)與CAISO相似，截至22年底，光伏裝機(jī)占比達(dá)到 22.5%。在2023年五一假期期間，山東省內(nèi)用電負(fù)荷下降約15%，引發(fā)連續(xù)負(fù)電價(jià)現(xiàn)象。值得注意的是，4月29日-5月1日現(xiàn)貨價(jià)格曲線形狀類似鴨子曲線，期間10時(shí)-15時(shí)負(fù)電價(jià)出現(xiàn)尤為頻繁，而該時(shí)段為光伏發(fā)電高峰。結(jié)合此前山東 將中午時(shí)段劃分為電價(jià)深谷時(shí)段，新能源裝機(jī)增加改變了原有的負(fù)荷曲線，使得新能源集中大發(fā)時(shí)段，電網(wǎng)凈負(fù)荷出現(xiàn)了一個(gè)深谷，需要對負(fù)荷進(jìn)行時(shí)間上的轉(zhuǎn)移（填谷）以平滑變化、促進(jìn)新能源消納。
為什么需要虛擬電廠：充電樁等新型負(fù)荷使得負(fù)荷側(cè)復(fù)雜程度提升
充電樁保有量隨新能源汽車快速提升，改變配電網(wǎng)形態(tài)。截至2023H1，我國公共充電樁保有量為214.86萬臺(tái)，同比+40.63%。2023H1，新能源汽車銷量同比+44.13%，保持快速增長，可以預(yù)見未來隨新能源汽車銷量繼續(xù)快速提升，充電樁保有量將持續(xù)增加。充電樁的大量增加將對配電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊，相比于常規(guī)交流充電樁，快充直流樁由于功率更大、充電時(shí)間更短，產(chǎn)生沖擊更大。
充電樁加劇居民生活用電負(fù)荷峰值提升。充電樁對配電網(wǎng)的影響主要包括：（1）充電樁用電高峰同樣是居民原有用電高峰，會(huì)導(dǎo)致原有負(fù)荷峰值繼續(xù)提升，產(chǎn)生時(shí)間短、量級高的尖峰負(fù)荷；（2）按尖峰負(fù)荷配置變壓器容量，導(dǎo)致其余時(shí)間資源閑置；（3）充電負(fù)荷波動(dòng)帶來網(wǎng)絡(luò)損耗等。
因此，充電樁的發(fā)展導(dǎo)致了削峰填谷需求的增加，但同時(shí)充電樁和新能源汽車本身是良好的可調(diào)節(jié)負(fù)荷，如能通過虛擬電廠進(jìn)行聚合和優(yōu)化，是降低充電成本和降低電網(wǎng)投資的雙贏之選。
為什么需要虛擬電廠：需求側(cè)響應(yīng)能力力爭達(dá)到至大負(fù)荷的3%-5%
需求側(cè)響應(yīng)能力建設(shè)目標(biāo)明確。十四五前，虛擬電廠停留在個(gè)別地區(qū)、項(xiàng)目試點(diǎn)階段，一是新能源裝機(jī)占比不高，電力系統(tǒng)對靈活 性資源需求不強(qiáng)；二是缺乏量化目標(biāo)。2022年，《“十四五"現(xiàn)代能源體系規(guī)劃 》提出，力爭到2025年，電力需求側(cè)響應(yīng) 能力達(dá)到至大負(fù)荷的 3%～5%，其中華東、華中、南方等地區(qū)達(dá)到至大負(fù)荷的5%左右。
虛擬電廠政策密集發(fā)布，成為新型電力系統(tǒng)建設(shè)的重要一環(huán)，政策力度有望持續(xù)加大。7月11日，深化改革委員會(huì)第二次會(huì)議召開，審議通過了《關(guān)于深化電力體制改革 加快構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的指導(dǎo)意見》。會(huì)議強(qiáng)調(diào)，要健全適應(yīng)新型電力系統(tǒng)的體制機(jī)制，推動(dòng)加強(qiáng)電力技術(shù)創(chuàng)新、市場機(jī)制創(chuàng)新、 商業(yè)模式創(chuàng)新。虛擬電廠作為促進(jìn)新能源消 納的重要環(huán)節(jié)和電力商業(yè)模式創(chuàng)新的重要形式，后續(xù)政策支持力度有望持續(xù)加大。
三、虛擬電廠如何創(chuàng)造收益
虛擬電廠如何創(chuàng)造收益：需求側(cè)響應(yīng)
虛擬電廠的三個(gè)收益來源：需求側(cè)響應(yīng)、輔助服務(wù)市場、電力現(xiàn)貨市場 。當(dāng)前我國虛擬電廠處于邀約型向市場型過渡階段。邀約型階段主要由政府部門或調(diào)度機(jī)構(gòu)牽頭組織，發(fā)出邀約信號，虛擬電廠組織資源進(jìn)行響應(yīng)，并獲得容量/電量補(bǔ)貼。我國多個(gè)省份出臺(tái)了需求響應(yīng)細(xì)則，其中以江蘇、上海、廣東等省市開展得較好。需求側(cè)響應(yīng)補(bǔ)貼單價(jià)高但頻率低，市場化程度低。需求響應(yīng)以削峰為主，主要發(fā)生在迎峰度夏期間，主要目的在于保供。以廣東省為例，2022年全年開展9次日前邀約型市場化需求響應(yīng)（均發(fā)生在7月和8月）；至大削峰負(fù)荷277萬千瓦，至大響應(yīng)申報(bào)量609萬千瓦；有效響應(yīng)調(diào)用收益1.63億元?？梢钥吹剑m然補(bǔ)至至高達(dá)到5元/千瓦時(shí)（可中斷負(fù)荷），但需求響應(yīng)并非常態(tài)化進(jìn)行，發(fā)生頻率較低，有很強(qiáng)的計(jì)劃色彩。因此隨著我國電力市場體制建設(shè)逐漸完善，虛擬電廠也正從邀約型階段向市場型階段過渡。
虛擬電廠如何創(chuàng)造收益：輔助服務(wù)市場
新型電力系統(tǒng)持續(xù)催生對輔助服務(wù)的需求。傳統(tǒng)電源（火電、水電等）具備一定的調(diào)節(jié)能力，而新能源存在出力波動(dòng)、無功缺失等特性，導(dǎo)致高比例新能源裝機(jī)電力系統(tǒng)對電力輔助服務(wù)的需求提升。根據(jù)國家能源局?jǐn)?shù)據(jù)，2019H1我國輔助服務(wù)費(fèi)用占總電費(fèi)比例為1.47%；根據(jù)中國能源報(bào)，這一比例在近兩年上升至2.5%；根據(jù)國際經(jīng)驗(yàn)，輔助服務(wù)費(fèi)用一般占社會(huì)總電費(fèi)的3%以上，隨著新能源大規(guī)模接入還將不斷增加。因此，預(yù)計(jì)輔助服務(wù)市場規(guī)模將以高于用電量增速的速度增長。
虛擬電廠主要發(fā)揮調(diào)峰、調(diào)頻作用。2021年12月，國家能源局修訂發(fā)布《電力輔助服務(wù)管理辦法》，確指出電力用戶可通過委托虛擬電廠代理的形式參與電力輔助服務(wù)市場，此后多地在電力輔助服務(wù)細(xì)則中對虛擬電廠/負(fù)荷聚合商參與輔助服務(wù)的條件、補(bǔ)償方式予以明確。當(dāng)前，虛擬電廠主要功能是電能量的時(shí)間轉(zhuǎn)移，對應(yīng)調(diào)峰服務(wù)；未來隨著工商業(yè)儲(chǔ)能滲透率提升，虛擬電廠有望在調(diào)頻服務(wù)取得更大突破。從2023H1全國輔助服務(wù)運(yùn)行數(shù)據(jù)看，調(diào)峰、調(diào)頻是輔助服 務(wù)費(fèi)用的主體，費(fèi)用合計(jì)占比達(dá)到80%。
四、虛擬電廠市場規(guī)模測算
虛擬電廠市場空間測算：預(yù)計(jì)到2025年投資規(guī)模為330-550億元
從投資端看虛擬電廠規(guī)模：計(jì)算邏輯：假設(shè)需求側(cè)響應(yīng)投資和虛擬電廠投資等效，投資規(guī)模=全社會(huì)至大用電負(fù)荷*需求側(cè)響應(yīng)能力占比*需求側(cè)響應(yīng)能力單位投資。（1）根據(jù)中電聯(lián)預(yù)測，到2025年全社會(huì)至大用電負(fù)荷為16.3億千瓦；（2）根據(jù)《“十四五"現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》，力爭到 2025 年，電力需求側(cè)響應(yīng)能力達(dá)到至大負(fù)荷的 3%～5%，假設(shè)保守情況下2025年需求側(cè)響應(yīng)能力達(dá)到至大負(fù)荷的3%，樂觀情況下達(dá)到至大負(fù)荷的5%；（3）根據(jù)國家電網(wǎng)測算，如果通過火電廠滿足5%的峰值負(fù)荷需要投資4000億元，而通過虛擬電廠實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)僅需投資500億-600億元。假設(shè)滿足5%的峰值負(fù)荷需要虛擬電廠投資550億元，倒算得到需求側(cè)響應(yīng)單位投資為675元/千瓦。測算得到，到2025年，保守情況下虛擬電廠/需求側(cè)響應(yīng)總投資額為330億元，樂觀情況下總投資額為550億元。
虛擬電廠市場空間測算：預(yù)計(jì)2025年運(yùn)營規(guī)模在百億元級別
從運(yùn)營端看虛擬電廠規(guī)模：電力現(xiàn)貨市場下：（1）根據(jù)中電聯(lián)預(yù)測，到2025年全社會(huì)用電量為9.5億千瓦時(shí)；（2）假設(shè)現(xiàn)貨交易電量占全社會(huì)用電量的10%；（3）現(xiàn)貨市場并非時(shí)時(shí)存在價(jià)差，假設(shè)虛擬電廠單日可進(jìn)行4小時(shí)電量的套利（參考工商業(yè)2h儲(chǔ)能系統(tǒng)兩充兩放 策略），參考近期代理購電峰谷價(jià)差，假設(shè)平均峰谷價(jià)差為0.7元/千瓦時(shí)；（4）假設(shè)虛擬電廠套利電量占現(xiàn)貨市場可套利電量的20%；（5）假設(shè)虛擬電廠運(yùn)營商分成比例取20%-80%。測算得到，通過電力現(xiàn)貨市場獲利模式下，當(dāng)虛擬電廠運(yùn)營商分成比例為50%時(shí)，虛擬電廠2025年運(yùn)營市場規(guī)模為111 億元。輔助服務(wù)和電力現(xiàn)貨兩種獲利途徑存在部分重合關(guān)系，電力現(xiàn)貨基本對至大的輔助服務(wù)品種——調(diào)峰服務(wù)形成替代。無論通過哪種途徑獲得收益，我們測算當(dāng)運(yùn)營商分成比例為50%時(shí)，2025年虛擬電廠運(yùn)營市場規(guī)模均在百億元級別。
五、安科瑞智慧能源管理平臺(tái)助力虛擬電廠快速發(fā)展
安科瑞智慧能源管理平臺(tái)
AcrelEMS 智慧能源管理平臺(tái)是針對企業(yè)微電網(wǎng)的能效管理平臺(tái)，對企業(yè)微電網(wǎng)分布式電源、市政電源、儲(chǔ)能系統(tǒng)、充電設(shè)施以及各類交直流負(fù)荷的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)視、智能預(yù)測、動(dòng)態(tài)調(diào)配，優(yōu)化策略，診斷告警，可調(diào)度源荷有序互動(dòng)、能源全景分析，滿足企業(yè)微電網(wǎng)能效管理數(shù)字化、安全分析智能化、調(diào)整控制動(dòng)態(tài)化、全景分析可視化的需求，完成不同策略下光儲(chǔ)充資源之間的靈活互動(dòng)與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，為用戶降低能源成本，提高微電網(wǎng)運(yùn)行效率。AcrelEMS 智慧能源管理平臺(tái)可以接受虛擬電廠的調(diào)度指令和需求響應(yīng)，是虛擬電廠平臺(tái)的企業(yè)級子系統(tǒng)。
圖1 AcrelEMS 智慧能源管理平臺(tái)主界面
平臺(tái)結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)覆蓋企業(yè)微電網(wǎng)“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)-充"各環(huán)節(jié)，通過智能網(wǎng)關(guān)采集測控裝置、光伏、儲(chǔ)能、充電樁、常規(guī)負(fù)荷數(shù)據(jù)，根據(jù)負(fù)荷變化和電網(wǎng)調(diào)度進(jìn)行優(yōu)化控制，促進(jìn)新能源消納的同時(shí)降低對電網(wǎng)的至大需量，使之運(yùn)行安全。
圖2 AcrelEMS 智慧能源管理平臺(tái)結(jié)構(gòu)
平臺(tái)功能
1.能源數(shù)字化展示
通過展示大屏實(shí)時(shí)顯示市電、光伏、風(fēng)電、儲(chǔ)能、充電樁以及其它負(fù)荷數(shù)據(jù)，快速了解能源運(yùn)行情況。
2.優(yōu)化控制
直觀顯示能源生產(chǎn)及流向，包括市電、光伏、儲(chǔ)能充電及消耗過程，通過優(yōu)化控制儲(chǔ)能和可控負(fù)載提升新能源消納，削峰填谷，平滑系統(tǒng)出力，并顯示優(yōu)化前和優(yōu)化后能源曲線對比等。
3.智能預(yù)測
結(jié)合氣象數(shù)據(jù)，歷史數(shù)據(jù)對光伏、風(fēng)力發(fā)電功率和負(fù)荷功率進(jìn)行預(yù)測，并與實(shí)際功率進(jìn)行對比分析，通過儲(chǔ)能系統(tǒng)和負(fù)荷控制實(shí)現(xiàn)優(yōu)化調(diào)度，降低需量和用電成本。
4.能耗分析
采集企業(yè)電、水、天然氣、冷/熱量等各種能源介質(zhì)消耗量，進(jìn)行同環(huán)比比較，顯示能源流向，能耗對標(biāo)，并折算標(biāo)煤或碳排放等。
5.有序充電
系統(tǒng)支持接入交直流充電樁，并根據(jù)企業(yè)負(fù)荷和變壓器容量，并和變壓器負(fù)荷率進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制，引導(dǎo)用戶有序充電，保障企業(yè)微電網(wǎng)運(yùn)行安全。
6.運(yùn)維巡檢
系統(tǒng)支持任務(wù)管理、巡檢/缺陷/消警/搶修記錄以及通知工單管理，并通過北斗定位跟蹤運(yùn)維人員軌跡，實(shí)現(xiàn)運(yùn)維流程閉環(huán)管理。
設(shè)備選型
除了智慧能源管理平臺(tái)外，還具備現(xiàn)場傳感器、智能網(wǎng)關(guān)等設(shè)備，組成了完整的“云-邊-端"能源數(shù)字化體系，具體包括高低壓配電綜合保護(hù)和監(jiān)測產(chǎn)品、電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置、電能質(zhì)量治理、照明控制、充電樁、電氣消防類解決方案等，可以為虛擬電廠企業(yè)級的能源管理系統(tǒng)提供一站式服務(wù)能力。
安科瑞系統(tǒng)解決方案還包含電力運(yùn)維云平臺(tái)、能源綜合計(jì)費(fèi)管理平臺(tái)、環(huán)保用電監(jiān)管云平臺(tái)、充電樁運(yùn)營管理云平臺(tái)、智慧消防云平臺(tái)、電力監(jiān)控系統(tǒng)、微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)、智能照明控制系統(tǒng)、電能質(zhì)量治理系統(tǒng)、電氣消防系統(tǒng)、隔離電源絕緣監(jiān)測系統(tǒng)等系統(tǒng)解決方案，覆蓋企業(yè)微電網(wǎng)各個(gè)環(huán)節(jié)，打造準(zhǔn)確感知、邊緣智能、智慧運(yùn)行的企業(yè)微電網(wǎng)智慧能源管理系統(tǒng)。
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