虛擬電廠如何實現各方利益共贏？

虛擬電廠的相關概括：

虛擬電廠是一種透過先進資訊通訊技術和軟體系統，實現DG、儲能系統、可控負荷、電動汽車等DER的聚合和協調最佳化，以作為一個特殊電廠參與電力市場和電網執行的電源協調管理系統。虛擬電廠概念的核心可以總結為“通訊”和“聚合”。虛擬電廠的關鍵技術主要包括協調控制技術、智慧計量技術以及資訊通訊技術。虛擬電廠最具吸引力的功能在於能夠聚合DER參與電力市場和輔助服務市場執行，為配電網和輸電網提供管理和輔助服務。“虛擬電廠”的解決思路在中國有著非常大的市場潛力，對於面臨“電力緊張和能效偏低矛盾”的中國來說，無疑是一種好的選擇。

2018年9月，“虛擬電廠”標準獲得國際電工委員會（IEC）批准立項，成為全球這一領域首批國際標準

發展歷程

隨著世界能源緊缺、環境汙染等問題的日益突出，分散式電源( distributed generator, DG)以其可靠、經濟、靈活、環保的特點而被越來越多的國家所採用。然而，儘管DG優點突出，但仍存在諸多問題。首先，DG容量小、數量大、分佈不均，使得單機接入成本高，對系統操作員常不可見乃至管理困難;其次，DG的接入給電網的穩定執行帶來了許多技術難題，如潮流改變、線路阻塞、電壓閃變、諧波影響等;再次，目前“安裝即忘記(fit and-forget)”的DG操作方式以及電力市場容量的限制亦更加阻礙了DG的大規模併網。

當今，全世界的電力行業正在迅速轉型，電力系統應該基於市場運營，但是，由於DG的特點，如容量小或其具有的間斷性和隨機性，僅靠它們本身加入電力市場運營並不可行。然而，將DG聚合成一個整合的實體(integrated entity)為這一問題提供瞭解決途徑曰。

中國大多采用微網的概念作為DG的併網形式，它能夠很好地協調大電網與DG的技術矛盾，並具備一定的能量管理功能，但微網以DG與使用者就地應用為主要控制目標，且受到地理區域的限制，對多區域、大規模DG的有效利用及在電力市場中的規模化效益具有一定的侷限性。主動配電網是實現大規模DG併網執行的另一種有效解決方案，它的概念將DG的接入半徑進行了一定的擴充套件，能夠對配電網實施主動管理，但對DG能夠呈現給大電網及電力市場的效益考慮不足。虛擬電廠(virtual power plant, VPP)的提出則為解決這些問題提供了新的思路 。

“虛擬電廠”這一術語源於1997年Shimon Awerbuch博士在其著作《虛擬公共設施:新興產業的描述、技術及競爭力》一書中對虛擬公共設施的定義:虛擬公共設施是獨立且以市場為驅動的實體之間的一種靈活合作，這些實體不必擁有相應的資產而能夠為消費者提供其所需要的高效電能服務。正如虛擬公共設施利用新興技術提供以消費者為導向的電能服務一樣，虛擬電廠並未改變每個DG併網的方式，而是透過先進的控制計量、通訊等技術聚合DG、儲能系統、可控負荷、電動汽車等不同型別的分散式能源(distributed energy resource, DER) ,並透過更高層而的軟體構架實現多個DER的協調最佳化執行，更有利於資源的合理最佳化配置及利用1.1:3。虛擬電廠的概念更多強調的是對外呈現的功能和效果，更新運營理念併產生社會經濟效益，其基本的應用場景是電力市場。這種方法無需對電網進行改造而能夠聚合DER對公網穩定輸電，並提供快速響應的輔助服務，成為DER加入電力市場的有效方法，降低了其在市場中孤獨執行的失衡風險，可以獲得規模經濟的效益。同時，DER的視覺化及虛擬電廠的協調控制最佳化大大減小了以往DER併網對公網造成的衝擊，降低了DG增長帶來的排程難度，使配電管理更趨於合理有序，提高了系統執行的穩定性。

2018年9月，中國風電、太陽能發電裝機年均增長44%和191%，遠高於全球平均增速。但風能、太陽能等隨機性、間歇性和波動性特徵，大規模、高比例接入將給電力系統平衡和電網安全執行帶來一系列挑戰。

前景

“虛擬電廠”解決電力危機的思路還體現在對電力供求形勢的極大適應性。作為僅次於美國的全球第二大發電大國，中國的電力供應規模已經達到相當水平。因此如果把困擾著我們的“電荒”問題完全歸結為發電規模，顯然是不合適的。 高耗能一直是中國經濟生活中一個嚴峻的問題。據相關統計，中國單位GDP的耗電量為世界平均水平的3.8倍，南韓的3.1倍，日本的11倍。能源利用效率低，資源浪費嚴重無疑是造成電力緊缺的癥結之一。能耗高的另一面就是節電潛力大，中國的高耗能裝置應用較多，照明裝置、鍋爐、製冷空調等都有待提高效率。據測算，中國終端用電裝置的總節電潛力約為2000億千瓦時。國家發改委的節能規劃要求，到2020年，中國每萬元國內生產總值耗能要由2002年的2.68噸標準煤降到1.54噸標準煤，形成節能能力14億噸標準煤，其中很大一部分需要透過節電來完成。

“虛擬電廠”的解決思路在中國有著非常大的市場潛力，對於面臨“電力緊張和能效偏低矛盾”的中國來說，無疑是一種好的選擇。

關鍵技術

1）.協調控制技術

虛擬電廠的控制物件主要包括各種DG、儲能系統、可控負荷以及電動汽車。由於虛擬電廠的概念強調對外呈現的功能和效果，因此，聚合多樣化的DER實現對系統高要求的電能輸出是虛擬電廠協調控制的重點和難點。實際上，一些可再生能源發電站(如風力發電站和光伏發電站)具有間歇性或隨機性以及存在預測誤差等特點，因此，將其大規模併網必須考慮不確定性的影響。這就要求儲能系統、可分配發電機組、可控負荷與之合理配合，以保證電能質量並提高發電經濟性 。

2）.智慧計量技術

智慧計量技術是虛擬電廠的一個重要組成部分，是實現虛擬電廠對DG和可控負荷等監測和控制的重要基礎。智慧計量系統最基本的作用是自動測量和讀取使用者住宅內的電、氣、熱、水的消耗量或生產量，即自動抄表(automated meter reading,AMR)，以此為虛擬電廠提供電源和需求側的實時資訊。作為AMR的發展，自動計量管理(automatic meter management,AMM)和高階計量體系(advanced metering infrastructure, AMI)能夠遠端測量實時使用者資訊，合理管理資料，並將其傳送給相關各方。對於使用者而言，所有的計量資料都可透過使用者室內網(home area network, HAN)在電腦上顯示。因此，使用者能夠直觀地看到自己消費或生產的電能以及相應費用等資訊，以此採取合理的調節措施。

3）.資訊通訊技術

虛擬電廠採用雙向通訊技術，它不僅能夠接收各個單元的當前狀態資訊，而且能夠向控制目標傳送控制訊號。應用於虛擬電廠中的通訊技術主要有基於網際網路的技術，如基於網際網路協議的服務、虛擬專用網路、電力線路載波技術和無線技術(如全球移動通訊系統/通用分組無線服務技術(USM/UPRS)等)。在使用者住宅內，WiFi、藍芽、ZigBee等通訊技術構成了室內通訊網路。

目前虛擬電廠的商業共贏模式開發與實踐

隨著世界各國推動清潔、低碳的新型能源體系發展，分散式可再生電源、電動汽車、終端使用者的再電氣化比例大幅增長。對於面臨“電力緊張和能效偏低矛盾”的中國來說，“虛擬電廠”的解決思路在中國有著非常大的市場潛力，無疑是一種好的選擇。

一、電廠可以擺脫傳統微網的地域限制

中國目前大多采用微網的概念作為分散式電源的併網形式，它能夠很好地協調大電網與分散式電源的技術矛盾，並具備一定的能量管理功能，但微網以分散式電源與使用者就地應用為主要控制目標，且受到地理區域的限制，對多區域、大規模分散式能源的有效利用及在電力市場中的規模化效益具有一定的侷限性。虛擬電廠並未改變每個分散式電源併網的方式，而是透過先進的控制計量、通訊等技術聚合分散式電源、儲能系統、可控負荷、電動汽車等不同型別的分散式能源，並透過更高層面的軟體構架實現多個分散式能源的協調最佳化執行，更有利於資源的合理最佳化配置及利用。

二、虛擬電廠的解決思路可以產生規模經濟效益

傳統主動配電網是實現大規模分散式電源併網執行的另一種有效解決方案，它是將分散式電源的接入半徑進行了一定的擴充套件，能夠對配電網實施主動管理，但對分散式電源能夠呈現給大電網及電力市場的效益考慮不足。虛擬電廠的提出則為解決這些問題提供了新的思路。虛擬電廠更多強調的是對外呈現的功能和效果，更新運營理念併產生社會經濟效益，其基本的應用場景是電力市場。這種方法無需對電網進行改造而能夠聚合分散式電源對公網穩定輸電，並提供快速響應的輔助服務，成為分散式電源加入電力市場的有效方法，降低了其在市場中孤獨執行的失衡風險，可以獲得規模經濟的效益。

三、虛擬電廠主要開發方式

（一）商業型

商業型虛擬電廠是從商業收益角度考慮的虛擬電廠，是分散式電源投資組合的一種靈活表述。其基本功能是基於使用者需求、負荷預測和發電潛力預測，制定最優發電計劃，並參與市場競標。商業型虛擬電廠不考慮虛擬電廠對配電網的影響，並以與傳統發電廠相同的方式將分散式電源加入電力市場。商業型虛擬電廠投資組合中的每個分散式電源向其遞交執行引數、邊際成本等資訊。將這些輸入資料整合後建立唯一配置檔案，它代表了投資組合中所有分散式電源的聯合容量。結合市場情報，商業型虛擬電廠將最佳化投資組合的潛在收益，制定發電計劃，並同傳統發電廠一起參與市場競標。一旦競標取得市場授權，商業型虛擬電廠與電力交易中心和遠期市場簽訂合同，並向技術型虛擬電廠提交分散式電源發電計劃表和執行成本資訊。

（二）技術型

技術型虛擬電廠是從系統管理角度考慮的虛擬電廠，考慮分散式電源聚合對本地網路的實時影響，並代表投資組合的成本和執行特性。技術型虛擬電廠提供的服務和功能包括為DSO（110千伏及其以下電壓等級下執行電網的配電系統運營商）提供系統管理、為TSO（最高電壓等級下執行電網的輸電系統運營商）提供系統平衡和輔助服務。本地網路中，分散式電源執行引數、發電計劃、市場競價等資訊由商業型虛擬電廠提供。技術型虛擬電廠整合商業型虛擬電廠提供資料以及網路資訊(拓撲結構、限制條件等)，計算本地系統中每個分散式電源可作出的貢獻，形成技術型虛擬電廠成本和執行特性。技術型虛擬電廠的成本及執行特性同傳統發電廠一起由TSO進行評估，一旦得到技術確認，技術型虛擬電廠將控制分散式電源執行發電計劃。

四、虛擬電廠上海實踐

上海市電力發展“十三五”規劃中，由眾多分散式儲能裝置集合而成的黃埔區商業建築虛擬電廠，成為上海市電力體制改革、智慧電網建設的獨特案例。2018年1月，位於黃浦區九江路上的寶龍大廈第八次參與了虛擬電廠試執行，“發電”能力達100千瓦。寶龍大廈僅僅是黃浦區虛擬電廠的一個專案。迄今，虛擬電廠最大規模的一次試執行，參與樓宇超過50棟，釋放負荷約1萬千瓦。發電和用電保持動態平衡，是電網平穩執行的重要保障。近年來，隨著上海產業結構調整和生活水平提高，電力峰谷差不斷加大。為了保證高峰期供電安全，上海電網不得不保留大量的冗餘發電能力，造成資源浪費。虛擬電廠的出現解決了這個問題。

傳統的需求響應資源呼叫，如負荷控制平臺，實際上相當於一個備用調峰機組。在用電高峰期，電網排程部門啟動該平臺，向協議使用者下達手動削減負荷指令，或遠端拉閘限電。這種方式簡單粗放，使用者體驗感受也較差。而虛擬電廠要實現的，是柔性負荷控制，柔性負荷在一定時間內靈活可變，可在基本不影響使用者的前提下，達到削減或增加負荷的目的。目前，可參與需求響應的柔性負荷種類繁多。以中央空調為例，在夏季用電高峰期，響應系統依託精密的資訊科技，透過對空調的預設溫度、風機轉速、送風量、新風量、冷凍水泵流量、冷凍水進水溫度等幾十個特性引數變數的控制，可以在不停機、不影響使用者使用的前提下，達到柔性調節空調負荷的目的。

五、虛擬電廠德國實踐

2008年，德國聯邦經濟和技術部啟動了“E-Energy”計劃，目標是建立一個能基本實現自我調控的智慧化的電力系統，而其中資訊和通訊技術是實現此目的的關鍵。E-Energy同時也是德國綠色IT先鋒行動計劃的組成部分，總共投資1.4億歐元，包括智慧發電、智慧電網、智慧消費和智慧儲能四個方面。為了分別開發和測試智慧電網不同的核心要素，德國聯邦經濟技術部透過技術競賽選擇了6個試點專案。在由“E-Energy”計劃支援的6個涉及能源網際網路專案中，哈茨專案，就是將新能源最大化利用的典型案例，而其中最引人注目的就是虛擬電廠部分。

該專案所選定的哈茨地區，在分散式電力供應方面擁有風能、抽水蓄能、太陽能、沼氣、生物質能以及電動車等多種方式，在輸配電方面主要有6家配電運營商、4家電力零售商以及1家輸電商運營。虛擬電廠與分散式電源進行通訊連線，而與原有的傳統大型發電場不同的是，新能源系統資料變化較快，安全、穩定性高的傳輸技術非常必要。所以在此專案中制定了統一的資料傳輸標準，使得虛擬電廠對於資料變化能夠快速反應。在考慮發電端的同時，虛擬電廠同樣關注的是用電側的反應，在哈茨地區的試樣中，家庭使用者安裝了能源管理系統，被稱為“雙向能源管理系統”(簡稱BEMI)。資料顯示，使用者安裝的能源管理系統每15分鐘儲存使用者用電資料，記錄使用者每天的用電習慣，並將這些資料透過網路傳輸到虛擬電廠的資料庫中。同時，BEMI系統還可以透過無線控制開關的插座，當電價發生變動時，可以透過無線控制來調控用電時間和用電量。

六、虛擬電廠發展需要重視的問題

（一）鼓勵使用者積極參與虛擬電廠

虛擬電廠在中國還是一個嶄新的概念，使用者及分散式能源所有者對其知之甚少。然而，虛擬電廠的實施需要使用者及大量私有分散式電源的支援，這就要求相關部門積極宣傳參與虛擬電廠的益處，並制定一系列的鼓勵機制，從而在不同地區建立虛擬電廠試點專案。

（二）合理規劃虛擬電廠的範圍及職能

儘管虛擬電廠能夠代表不同分散式能源所有者的需求並能夠為系統提供多種服務，但在中國電力市場並不完善的情況下，為避免管理和排程混亂，應當合理規劃虛擬電廠的範圍和職能，如在城區等負荷密集地區以可控負荷構成虛擬電廠，作為系統備用，或削減高峰用電；在鄉村或郊區，以大規模分散式能源、儲能等構成虛擬電廠，實現對系統的穩定和持續供電。

（三）制定合理的競爭機制和有針對性的政策，完善電力市場運營機制

虛擬電廠與傳統電廠的效用基本相同，但發電來源豐富多樣。為鼓勵新能源和可再生能源發電的發展，中國製定了一系列相應的優惠和補貼政策。一方面，為了避免投機倒把行為以及不必要的購電支出，虛擬電廠的實施應由政府主導，系統排程機構和供電公司負責實施，購電電價應根據虛擬電廠中的可再生能源所佔成分區別設定，同時規定可再生能源發電應儘量併網，並進一步完善現行的分時電價辦法，鼓勵和促進用電高峰時使用者節電和分散式能源發電。另一方面，應區別對待不同職能的虛擬電廠(如以分散式能源尤其是可再生能源發電為主的供電虛擬電廠，以參與前期市場為主，實時市場為輔，輔助服務市場為補充；以可控負荷和少量分散式能源為主的備用或平衡虛擬電廠，以參與輔助服務市場為主，實時市場為輔)

擴充套件資料

當然，虛擬電廠並非完全適合中國電力工業的現狀，針對中國實際情況，對未來開展虛擬電廠提出以下幾點建議。

1)鼓勵使用者積極參與虛擬電廠。虛擬電廠在中國還是一個嶄新的概念，使用者及DG所有者對其知之甚少。然而，虛擬電廠的實施需要使用者及大量私有DG的支援，這就要求相關部門積極宣傳參與虛定義擬電廠的益處，並制定一系列的鼓勵機制，從而在不同地區建立虛擬電廠試點專案。

2)合理規劃虛擬電廠的範圍及職能。儘管虛擬電廠能夠代表不同DER所有者的需求並能夠為系統提供多種服務，但在中國電力市場並不完善的情況下，為避免管理和排程混亂，應當合理規劃虛擬電廠的範圍和職能，如在城區等負荷密集地區以可控負荷構成虛擬電廠，作為系統備用，或削減高峰用電;在鄉村或郊區，以大規模DG、儲能等構成虛擬電廠，實現對系統的穩定和持續供電。

3)制定合理的競爭機制和有針對性的政策，完善電力市場運營機制。虛擬電廠與傳統電廠的效用基本相同，但發電來源豐富多樣。為鼓勵新能源和可再生能源發電的發展，中國製定了一系列相應的優惠和補貼政策。一方而，為了避免投機倒把行為以及不必要的購電支出，虛擬電廠的實施應由政府主導，系統排程機構和供電公司負責實施，購電電價應根據虛擬電廠中的可再生能源所佔成分區別設定，同時規定可再生能源發電應儘量併網，並進一步完善現行的分時電價辦法，鼓勵和促進用電高峰時使用者節電和DG發電。另一方而，應區別對待不同職能的虛擬電廠(如以DG尤其是可再生能源發電為主的供電虛擬電廠，以參與前期市場為主，實時市場為輔，輔助服務市場為補充;以可控負荷和少量DG為主的備用或平衡虛擬電廠，以參與輔助服務市場為主，實時市場為輔