IIGF观点 | 施懿宸、朱子慧：虚拟电厂供需链路及发展浅析

　　在国家“3060”战略以及建设新型电力系统的目标指引下，集中式与分布式新能源发电发展极为迅速，海量异构的分布式能源接入电网。分布式能源具备灵活性强、易与负荷互动以及能效利用合理等优势，但其发电效率的不稳定性，存在大规模直接接入后影响电网系统安全稳定运行的风险。同时，大部分分布式能源单体容量小、数量多、接入点分散等特征也将给电网调控与电力市场维持稳定带来不小挑战。通过引入虚拟电厂(virtual power plant，VPP)，利用第三方主体对海量分布式能源进行聚合调度，有效促进可再生能源消纳和能源结构智慧化转型。本文将从虚拟电网的供需关系入手，分析虚拟电网在国内的未来发展方向。
 

　　一、虚拟电厂概述
 

　　(一)虚拟电厂定义
 

　　虚拟电厂(Virtual Power Plant，VPP)是一种集成多种分散的能源资源，通过智能化管理和控制系统协同运作的能源系统。其通常通过先进的信息技术和通信技术来监测、控制和协调各种能源设备，以实现对电力系统的动态管理。虚拟电厂的运营可以根据电力需求和市场条件进行灵活调整，以最大程度地利用可再生能源，并提高能源系统的灵活性和稳定性。其能够将分布在不同地点的可再生能源、储能设备、传统电力发电设备等整合成一个统一的虚拟单元，以提高能源系统的效率、可靠性和可持续性。
 

　　对于虚拟电厂有多种分类方法，据其资源属性可分为能量输出型和功率调节型，根据实现功能的不同，存在商业型和技术型虚拟电厂。商业型主要是从商业收益的角度出发，制定各分布式能源的发电和用电计划并参与电力市场，包括中长期或现货等能量市场以及辅助服务市场。技术型虚拟电厂主要是从安全调度的角度出发，通过响应电力系统下发的调度指令，为输电网提供实时功率平衡服务，或是为配电网提供阻塞管理、电压控制等服务。其对资源的可调容量进行分析与评估，并将其上报给电力调度机构；调度机构根据电网运行状态与调控需求向技术型虚拟电厂发送调控指令，再由其协调控制分布式能源以实现调控目标。
 

　　(二)虚拟电厂供需逻辑
 

　　在虚拟电厂的运营中，其涵盖了各种能源资源，包括但不限于太阳能光伏系统、风力涡轮机、传统的火力发电厂。这些能源资源分布在不同的地理位置和技术平台上，形成了一个分散的网络。太阳能和风力资源主要用于可再生能源的发电，而传统发电厂则提供了稳定的基础负荷，储能设备则用于平衡能源的供需差异，提高能源系统的灵活性。以各类最终用户的用电需求需求，电力市场根据实际的电力需求进行市场定价，并通过虚拟电厂的协同运作，实时监测和调整能源生产和分配，以整合多种能源资源，有效地提高了能源的利用率与多元化，提高了能源的灵活性和稳定性，降低了对传统化石能源的依赖，推动了清洁能源的发展进程。

　　在如图所示的虚拟电厂供需链路中，信息和通信技术发挥着关键的作用。智能化的监测和控制系统使得虚拟电厂能够实时获取各个能源资源的产能和状态信息。这些数据通过通信网络传输到虚拟电厂的集中控制中心，经过分析和处理后，制定最优的能源调度方案。同时，市场需求信息也被反馈给虚拟电厂，以便调整能源生产和供应。
 

　　二、虚拟电厂与需求响应
 

　　构建虚拟电厂的前置条件是需要与需求响应进行对应。根据发改委《电力需求侧管理办法(征求意见稿)》中的定义：《管理办法》所称需求响应指应对短时的电力供需紧张、可再生能源电力消纳困难等情况，通过经济激励为主的措施，引导电力用户根据电力系统运行的需求自愿调整用电行为，实现削峰填谷，提高电力系统灵活性，保障电力系统安全稳定运行，促进可再生能源电力消纳。
 

　　需求响应主要也分为邀约型与实时型两种呈现形式。邀约型需求响应是一种预先计划和安排的响应方式，能源消耗方和虚拟电厂之间事先协商好特定的时间段内的电力使用计划，其中包括能源消耗方在高峰期减少负荷或启动储能设备，以及虚拟电厂在可再生能源充足时增加产能。实时型需求响应则更加灵活，能够在短时间内作出实时的响应，能源消耗方和虚拟电厂会将根据实际情况，通过智能化监测和控制系统在实时情景中调整能源使用，其中包括对负荷的即时调整、储能设备的实时利用以及根据市场电价在实际运行中作出灵活的决策。邀约型需求响应的优势在于规划性强，能够更好地适应预测性强的市场环境。这种模式适用于能够提前安排并准确预测负荷和能源生产情况的场景，如工业生产中的生产计划和季节性需求的管理。上海商业楼宇虚拟电厂示范项目主要采取邀约的方式进行调控响应，调度机构提前将调控需求下发给控制中心，以峰谷/尖峰电价、需求侧响应补偿为引导参与上海黄浦区的配电网调节，驱动黄浦商业楼宇的源、荷、储资源灵活参与电力市场现货交易与辅助服务。相比于邀约型需求响应的刚性计划与对信息需求的高依赖性，实时型需求响应的优势在于适应性强，能够更加灵活地适应市场变化和系统波动，虚拟电厂也可结合市场环境动态变化、对气候、用电峰谷等进行相关预测。深圳虚拟电厂同时使用邀约型响应和实时型响应，利用5G+智能网关技术的优势，采取点对点通信技术实现调度系统与用户侧可调节资源双向互联，并设置了较为详细的响应机制和结算细则。
 

　　结合前文的供需链路，虚拟电厂虽然在参与需求响应时其仍有负荷作用，但在准确定义上不应参与需求响应，而是作为电厂参与系统调度，其更多扮演的是需求响应资源的整合者角色。虚拟电厂在聚合分布式资源所呈现出电厂的外特性，实现对分布式资源的监测、管理和运行；并通过聚合、通信与控制构建出一个技术平台，依托通信、控制技术调控分布式资源，通过电网拓扑实现资源聚合。对于需求响应过程中，虚拟电厂重要的是电网系统中提供产品或服务的电厂身份，其需与电厂一样参与电力市场竞争和系统调度，在整体电网管理体系下与调度部门进行对接。
 

　　虚拟电厂的商业模式侧重于整合可再生能源、传统发电和储能设备，通过精密的能源预测和实时监控实现能源的高效产、储、用。对上参与电力市场，提供电能量或辅助服务，对下通过各种交易行为购买获得下属资源。作为市场主体，虚拟电厂积极参与电力市场，提供灵活的负荷调节和实时能源供应，灵活定价实现盈利，并通过提供能源管理和负荷调度等多元化服务为用户提供智能、经济和可持续的能源解决方案。商业模式可能涉及产业链上下游的合作与联盟，共同构建协同效应，推动能源系统向着智能、灵活、可持续的方向发展。
 

　　(一)完善顶层设计
 

　　我国自2021年来鼓励通过虚拟电厂挖掘需求侧资源并组织其参与需求响应，不断出台虚拟电厂支持政策，明确将虚拟电厂作为一类并网主体和辅助服务市场参与主体。2023年9月，国家能源局公布《电力现货市场基本规则(试行)》，指出电力现货市场近期建设主要任务为推动虚拟电厂等新兴主体参与交易。在政策推动下，可以预见未来虚拟电厂对市场交易的参与将进一步得到扩大。
 

　　各地方也做出积极响应，浙江、江苏等地已开展虚拟电厂等第三方主体和用户资源参与调峰辅助服务试点工作；华东、南方等五大区域也相继公布《电力辅助服务管理实施细则》，明确虚拟电厂可作为提供电力辅助服务的主体；2022年6月，山西省发布首份省级虚拟电厂实施方案，将虚拟电厂分为“负荷类”虚拟电厂和“源网荷储一体化”虚拟电厂，并对运行速率和响应时间等多项技术指标提出要求。但在顶层设计层面，虚拟电厂相关政策仍旧缺失，虚拟电厂专项政策、功能定位、相关标准规范与技术管理体系、市场准入和运行机制等方面仍有待进一步规范。
 

　　(二)明确权责边界
 

　　目前，各地对虚拟电厂的市场准入门槛存在定义与边界差异，大多数地区将虚拟电厂的应用主要集中在需求响应和辅助服务市场，只有部分地区开展了电力现货市场的准入试点。这种差异性导致了虚拟电厂在市场中的定位和参与方式的不一致性。在现行法规体系下，电力系统和市场已经建立了相对成熟的法规制度和规范。然而，虚拟电厂作为新兴参与者，在缺乏专门政策支持的情况下，面临如何遵守法规制度和规范、有效参与市场交易的重要问题。这也意味着虚拟电厂的建设、运营、市场准入、参与方式、监管等方面存在一系列待解决的关键问题。其中，系统设计、成本分摊机制、盈利模式、交易机制等问题亟待深入研究和规范。这一系列未解决的问题，使得虚拟电厂在长期发展过程中面临诸多困难。为推动虚拟电厂行业的健康发展，有必要在法规政策层面提供更明确的指导和规范，为虚拟电厂的规范化和市场化提供更为清晰的方向。
 

　　此外，目前虚拟电厂主要依赖政府机构或电力调度机构的邀请信号来加入市场，市场化交易机制的不足导致虚拟电厂缺乏明确的技术规范和权责规定，商业应用面临较大挑战。在现有市场体系下，电力系统和市场应该加强对虚拟电厂技术规范的明确，明确其在市场中的职责和权利，为其提供更为明确的发展方向和框架。这有助于提高虚拟电厂的规范性和市场化水平，为其在市场中更好地发挥作用提供有力支持。
 

　　(三)强化市场机制
 

　　目前，虚拟电厂的参与仍主要依赖政府机构或电力调度机构的邀请信号，缺乏明确的市场化交易机制，这使得虚拟电厂在技术规范和权责规定方面存在一定的模糊性，商业化应用面临较大的困境。当前国内电力市场机制正在不断改革，以适应新的能源形势。然而，虚拟电厂的引入可能需要强化整体电力现货市场机制，使其更好地适应市场需求，提高效益和灵活性。为了更好地支持虚拟电厂的运营，电力市场机制需要考虑到可再生能源的不稳定性和季节性。市场定价机制应该能够反映不同时间和地点的电力需求和供应情况。此外，为了激励虚拟电厂的发展，市场机制可能需要提供更多的激励机制，以鼓励对可再生能源的投资和集成。
 

　　在市场机制的设计上，政府和电力行业相关方需要共同努力，以确保市场机制的公平、透明和有效。这可能包括对市场规则的不断优化和调整，以适应快速变化的能源格局。在市场机制的强化过程中，虚拟电厂需要重点解决建设、运营、市场准入、参与方式、监管等关键问题。在系统设计、成本分摊机制、盈利模式、交易机制等方面需要有更为清晰的规定。这也涉及到虚拟电厂如何更好地平衡与市场主体的利益，确保市场的公平和有效运作。
 

　　(四)重视网络安全
 

　　虚拟电厂的核心之一在于通信，在通过分布式电源接入电网时，需要依靠信息通信和协调控制等技术采集、组织、分类和处理大量的能源数据和信息交换，包括实时能源产生和消耗数据、设备状态信息等。在分散式电源终端接入后，将依靠电网中的大量信息，从而控制用电需求和发电输出，这一过程涉及多交易主体的用户敏感数据处理。如何保障用户用电信息的隐私性，保证用户负荷不被恶意干扰或盗取权限，将成为构建虚拟电厂信息安全防护体系的重中之重。此外，虚拟电厂由海量设备互联而成，传统电力设备和各种终端将通过数字技术并入一个复杂的大型系统中，过去有限联网的关键设备可能被暴露在新的网络风险之下，处于末端的设备也由于其较低的安全防护能力在网络攻击中格外脆弱。
 

　　为了解决这个问题，需要建立健全的数据安全和隐私保护框架。这可能涉及到制定相关的数据安全标准和协议，确保能源数据的传输和存储过程中不受到未经授权的访问和篡改。同时，制定严格的隐私保护法规，明确能源数据的所有权和使用权限，以保护用户的隐私权益。在技术上，采用先进的加密技术和身份验证机制是确保数据安全的重要手段。政府、企业和研究机构需要共同努力，制定并执行相关政策和措施，以确保虚拟电厂的能源数据安全和隐私得到有效的保护。
 

　　作者：
 

　　俞  越 中央财经大学绿色金融国际研究院研究员，长三角绿色价值投资研究院研究员
 

　　朱子慧 长三角绿色价值投资研究院研究助理
 

　　施懿宸 中财绿指 (北京) 信息咨询有限公司首席经济学家