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        虛擬電廠:提升電力系統靈活性的“開關”

        發布時間:2022/8/15 閱讀:802

        為實現“雙碳”目標,中國正在加快調整能源結構,提高可再生能源占比。2030年中國風、光發電總裝機計劃達到12億千瓦以上,形成由可再生能源為主的能源體系。高比例可再生能源并網,能源消費終端電氣化水平提升,電力電子化以及大規模分布式新能源接入電網將會使電力系統平衡、調節和支撐能力面臨巨大挑戰,提高電力系統靈活性是實現能源電力清潔低碳發展的重要手段。

        “十三五”期間,中國電力系統靈活性調節能力不足的現實已經造成電力系統難以完全適應新能源的爆發式增長。電力系統面臨靈活性資源有限導致的新能源消納能力不足、系統可靠性下降、用戶用能風險升高、系統成本不斷攀升等眾多問題。

        接入高比例可再生能源,提升電力系統調節能力,需要更多地引入靈活性資源,比如:加快虛擬電廠建設。

        虛擬電廠(Virtual Power Plants, VPP)將不同空間的可調節(可中斷)負荷、儲能、微電網、電動汽車、分布式電源等一種或多種資源聚合起來,實現自主協調優化控制,參與電力系統運行和電力市場交易。虛擬電廠新業態既可作為“正電廠”向系統供電調峰,又可作為“負電廠”加大負荷消納配合系統填谷。

        圖  虛擬電廠運作示意圖

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        資料來源:艾瑞咨詢研究院

        相較于傳統電力能源生態,虛擬電廠下的生態系統最大的變化是,將傳統電力能源生態系統中發輸配用界限清晰,“源隨荷動”的運行方式,轉變為發電、輸電、配電、用電界限相互交叉,同時兼具生產者與消費者的角色,運行方式表現為“源荷互動”,內部每一部分都是一個小能源系統,屬于智能電網的拓展。

        虛擬電廠可分為三大類:(1)負荷型虛擬電廠:指虛擬電廠運營商聚合其綁定的具備負荷調節能力的市場化電力用戶(包括電動汽車、可調節負荷、可中斷負荷等),作為一個整體(呈現為負荷狀態)組建成虛擬電廠,對外提供負荷側靈活響應調節服務。(2)電源側虛擬電廠:在分布式電源發電側建虛擬電廠。(3)源網荷儲一體化虛擬電廠:集合發電電源和負荷用電用戶,作為集中式電廠,作為獨立市場主體參與電力市場,原則上不占用系統調峰能力。

        2021年以來,國家和地方陸續推出與虛擬電廠相關的政策,部分省市也出臺了明確的落地方案或補貼標準。

        表1  2021年-2022年虛擬電廠主要政策梳理

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        從政策環境來看,由兩大電網公司開建的虛擬電廠示范項目,主要以需求側響應為盈利模式,地方陸續出臺的輔助服務市場政策,引導虛擬電廠參與電力系統調峰調頻,隨著電力現貨市場的持續推進,更多的示范性項目可能創新可行的商業模式。

        從虛擬電廠的行業發展現狀來看,歐美電力市場較為成熟,虛擬電廠已實現商業化,而我國尚處于虛擬電廠早期試點階段,商業模式不夠清晰,江蘇、浙江、深圳、上海等地均出現了虛擬電廠試點。

        表2  國內虛擬電廠典型案例總結

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        國內虛擬電廠大多處于試點示范階段,商業模式不清晰,實際盈利項目不多。為什么海外虛擬電廠發展成熟,而我國尚處于試點階段呢?

        我們不妨參考下歐洲最大的虛擬電廠Next Kraftwerke的成功經驗。

        Next Kraftwerke是歐洲電力交易市場(EPEX)認證的能源交易商,參與能源的現貨市場交易。

        Next Kraftwerke通過高超的資源聚合能力和創新商業模式,創造了驚人的發展速度和優異的經營業績。其主要盈利模式包括:(1)參與電力市場交易。(2)需求響應,削峰填谷。(3)參與電網輔助服務。

        歐洲虛擬電廠成功經驗告訴我們:成熟的電力現貨市場是虛擬電廠獲得經濟性的充分條件,分布式電源+配電網的大發展是虛擬電廠發展的必要條件。

        如果說歐洲虛擬電廠更為側重于發電側,以分布式電源、儲能資源的整合為方向,以新能源消納為主要目標的話,美國虛擬電廠則聚焦于用戶側資源,以獲取輔助服務補償為盈利模式。

        美國太陽能資源豐富,在政府大量補貼和激勵政策驅動下,家用光伏儲能系統逐漸成為居民降低電價成本的替代選擇,從而實現電力的自發自用。特斯拉布局家用儲能Powerwall,并與公共事業公司合作開展虛擬電廠計劃。特斯拉與EnergyLocals,Green Mountain Power,PG&E等公共事業公司和電力零售商先后開展了虛擬電廠項目,這些項目幫助特斯拉迅速擴大儲能系統安裝量,同時,電力零售商通過與Powerwall使用者簽訂協議,能夠獲取這些分布式電池電力的部分使用權,實現聚合需求側的資源以及虛擬電廠的商業化擴張。

        美國虛擬電廠的成功經驗告訴我們:充分發揮儲能在分布式能源中的調節作用,可以將終端用能由原先的電網“剛性負載”轉化為“柔性負載”,以全面電氣化的零排放為實現“碳中和”做貢獻。

        與歐美國家對比,中國虛擬電廠起步晚,電力現貨市場發展不成熟,兼顧發電側、儲能、用戶側等多鐘資源,結構較為復雜。由于“雙碳”驅動能源結構轉型,給電力系統靈活性調節帶來極大的挑戰,虛擬電廠可以成為提升電力系統靈活性的“開關”。

        展望未來,外部政策疊加電網內部需求,虛擬電廠可實現高速發展。

        第一,分布式能源發展成為虛擬電廠發展的契機。我國風光大基地集中在西部和北部,而電力負荷卻集中在中部和東部,國家能源結構促進了分布式能源的發展。在這種背景之下,虛擬電廠、智能微網等模式應運而生。虛擬電廠可充當分布式資源與電網運營商和電力交易市場的中介,隨著電力現貨市場的發展成熟,實現能源交易。

        第二,數字化手段驅動虛擬電廠構建。通過使用數字化技術,虛擬電廠可與儲能一起成為構建新型電力系統的關鍵部件,提高電力系統的智能協調、效率提升的重要方式。比如:可通過虛擬電廠云平臺,利用虛擬電廠的聚合功能,形成規?;跋鞣逄罟取表憫?,實現資源的最大化利用。

        第三,虛擬電廠市場競爭會愈加激烈。虛擬電廠是資本、資源和技術高度密集型行業,發展潛力大,具有一定的行業進入壁壘,入局的大多是擁有強大資源整合能力,或者具有資源稟賦優勢的龍頭企業,雖然目前市場集中度不高,但預估未來行業競爭會加劇,尤其是集中在中游資源聚合商。

         作者:之禾                 來源:中國化學與物理電源行業協會儲能應用分會產業政策研究中心


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