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虚拟电厂，给新型电力系统配上“智能管家”
未来电力系统的安全稳定运行面临着诸多挑战。一是全球气候变暖引起的极端天气频发，从供给和需求两方面对电力系统造成冲击。二是“双碳”目标下能源转型和能源革命持续推进给电力系统带来了挑战。新型电力系统中可再生能源比例将大幅增加，系统中稳定电源占比下降，电网的调峰调频压力增大，整个系统的可观性、可测性和可控性都将大幅度降低。三是随着政策支持和产业发展，分布式电源正在成为电力系统中重要的一部分，大规模分布式电源并网也给电能质量造成挑战。在此背景下，电力系统的灵活性越来越重要，虚拟电厂注重综合能源服务的形式应运重生。
什么是虚拟电厂？虚拟电厂的概念最早在1997年提出，主要目标是节能减排，在21世纪初期已受到了欧洲、北美等国的关注，之后在全球推广。应该说，它是一套先进的电力管理系统，结合软件系统和信息通信技术，将系统中的分布式电源、柔性负荷、储能、电动车等多种可调节资源聚合在一起，通过对资源的智能调控和协调优化实现电力系统的供需平衡和对大规模新能源电力的高效利用。它兼具“源-荷”特性，既可以向电力系统供电，又可以消纳系统的电力，可以更灵活地实现“削峰填谷”的功能。它通过将多种可调节能源集成的形式实现智能协同调控，从而保障了电网的安全稳定输出，为解决极端天气、新能源电力和大规模分布式电源接入给电网带来的波动性提供了新的路径和解决方案。因此，虚拟电厂可以说是新型电力系统的智能管家，是可再生能源发展的配套保障。
虚拟电厂参与电力市场兼具经济效益和社会效益，具有广阔的市场前景。虚拟电厂是个老概念，但未来虚拟电厂在先进数字技术和能源互联网的加持下可以实现电源的多能互补和负荷的灵活互动，为电网提供调峰调频、储能等辅助服务。在中长期市场中，虚拟电厂可与大用户直接交易获得收益。虚拟电厂可开展售电企业的业务，向发电企业购买发电权或向电力用户售电，实现能源资源优化管理。在实时市场中，虚拟电厂可通过现货交易、辅助服务交易和需求侧响应业务创造利润。虚拟电厂聚合了多种能源，可以在用电高峰期削减负荷以及在用电低谷期增加负荷，因此其在辅助服务市场具有独特优势，可进行调峰和调频服务交易。虚拟电厂参与需求侧响应的方式是根据合同要求按时按容量削减负荷从而保障电网的供需平衡。在提供需求响应和辅助服务业务中可通过价格补偿机制获得收益。
在现货交易市场中，虚拟电厂可以灵活地配置电能，利用峰谷电价差盈利，不仅具有较大的盈利空间还可实现电网运行供需优化。同时，从经济性来看，虚拟电厂为解决电网负荷提供了更优的选项。国家电网测算电力系统的削峰填谷虚拟电厂只需要目前火电厂八分之一的成本。
虚拟电厂的市场至少有三方面潜能。首先，随着将来可再生能源在系统中的占比逐步提高，电网的调峰调频需求增大。可再生能源占比的提高使电网“双高”、“双峰”的特点凸显，加之备用容量可能不足，导致电网备用容量缺口巨大。据估计，“十四五”期间电网的负荷最大日峰谷差率将达到36%，加剧电网调峰压力。其次，中国分布式发电装机量大，装机容量逐年增长。2021年分布式光伏发电并网装机容量为107.5GW，预计2030年国家电网经营区下的分布式电源装机将达到290GW。同时电动车、储能等用户侧可调节负荷资源也在逐年增长。虚拟电厂将拥有巨大的业务空间，成为能源领域的蓝海市场。第三，随着电能替代的进一步推进，全社会用电量持续攀升，用电尖峰负荷将持续提升，虚拟电厂平抑负荷的功能将发挥更大的作用。
除了市场的推动外，近来虚拟电厂逐渐得到了政策支持，为虚拟电厂的蓬勃发展创造了比较好的政策环境。今后，随着电力市场改革的持续推进，将推动新能源逐步参与市场交易，电力系统对于调峰调频此类辅助服务的需求将大大增加，虚拟电厂作为市场参与者可通过电力交易和提供辅助服务获得收益。同时，《“十四五”现代能源体系规划》等多个政策文件均提出将开展各类资源聚合的虚拟电厂示范。在市场驱动和政策支持下，虚拟电厂有望实现跨越式增长。
然而，虚拟电厂发展面临的挑战。随着信息通信技术、智能调度算法技术、智能计量技术等技术的发展，虚拟电厂的技术也日渐成熟。虚拟电厂的发展阶段通常分为邀约型阶段、市场化阶段和跨空间自主调度型阶段。国外虚拟电厂已进入商业化阶段，国内稍微滞后，但也逐步向市场化过渡。由于项目基本上是试点示范，市场参与度非常低。但是，开展项目的地方越来越多，上海、江苏、河北等地也已开始虚拟电厂的试点建设和运行。当前中国的虚拟电厂建设具有以下几个特点：
一是在发展的初始阶段需要政府政策支持。中国的虚拟电厂建设还处在发展初期，在相关配套政策上尚没有具体的专项政策，省级地方层面的专项政策也寥寥无几。由于与虚拟电厂相关的辅助服务市场和电力现货市场均不成熟，虚拟电厂参与交易的市场条件尚未完全形成。除外，行业的技术标准体系未构建，监管体系未形成，参与交易的运行规程、规范和规则有待完善。在聚合资源的类型上，中国目前主要以负荷侧资源为主，尚未充分释放可再生能源的活力。
二是虚拟电厂的相关业务比较繁杂，涉及需求侧响应、调频服务、电力辅助服务、电力市场交易、偏差考核补偿服务、能效管理等，需要满足即时响应和可靠性。应该说，虚拟电厂目前没有技术障碍，但一些技术包括实时快速响应的协调控制技术、先进的人工智能和大数据技术等等的发展将可以拓宽虚拟电厂的应用场景。目前中国虚拟电厂在对系统内可调节能源的协调控制功能和策略还有待完善，对体量大、资源分布广的分布式可再生能源的控制能力不足，精准预测能力也不够。从数据采集、电力交易到用户结算，以及为用户提供运营服务和解决方案，这一套程序尚不成熟。这些也都是需要进一步创新发展。
三是，虚拟电厂的商业模式尚不清晰。国外虚拟电厂建设已进入商业化阶段，虚拟电厂在电力交易、调峰调频和辅助服务业务中均可获得收益。然而，目前中国虚拟电厂参与市场交易还处于探索阶段，市场关注度和参与度低，主要业务涵盖需求响应和提供节能、用电监控等增值服务。辅助服务业务的量较小，电力现货交易业务则还处于探索阶段。行业发展的时机和条件未成熟，目前虚拟电厂实现盈利难度较大。此外，市场价格机制关乎虚拟电厂的生死存亡，电价对于虚拟电厂的盈利影响很大。而目前中国的电价机制还需要改革，不能完全传递市场供需信息。如果没有电价改革的配合，虚拟电厂的预期盈利空间恐会大打折扣，大规模商业运行也将受到影响。
基于上面分析，推进中国虚拟电厂发展的有几点相关建议。在“双碳”目标约束下，高比例的新能源电力将接入电力系统，对电网运行造成冲击。同时气候变化形势下，能源安全和能源保供问题对电力生产提出了更严格的要求。虚拟电厂是消纳新能源电力、保障新型电力系统安全稳定运行和实现能源保供的一大利器，需积极推动虚拟电厂建设，激发虚拟电厂活力，推动虚拟电厂建设，促进虚拟电厂的长足发展。
一是，需尽快着手虚拟电厂的发展蓝图绘制，做好顶层设计工作。出台国家层面的专项政策和指导性文件，积极鼓励省级层面的专项政策出台。政府牵头构建虚拟电厂建设的标准体系，明确虚拟电厂的定义、范围、发展规划、实施策略，完善虚拟电厂参与电力市场交易的各项规则，为虚拟电厂的建设提供政策支撑和依据。
二是，积极推动节能和新能源系统相关核心技术研发。加快推进协调控制技术、分布式能源可控可测技术、光伏发电技术、储能技术等的研发，提高虚拟电厂对分布式电源、储能等资源的调控能力，改善对资源的智能管理能力，推动分布式可再生能源纳入聚合资源范围，充分发挥中国大体量分布式电源装机优势，实现规模效益，提高电力系统的安全性、稳定性和经济性。
三是，加快完善市场机制和激励机制。虚拟电厂的发展与电力现货市场和辅助服务市场的进展息息相关。应扎实推进电力现货市场的建设，深化电力体制改革和电价改革。逐步推动电价市场化，让电力价格尽可能反映供应成本，让市场机制充分发挥作用。完善新能源电力参与市场交易的机制，激发新能源电力市场活力。加快辅助服务市场的建设脚步，目前辅助服务市场建设稍显滞后，市场供需失衡，应完善市场机制的设计，激励更多市场主体参与辅助服务市场交易。同时，完善虚拟电厂与现货市场、容量市场和辅助服务市场的互动机制。
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