入夏以來(lái)，全國(guó)多地持續(xù)高溫天氣，居民用電負(fù)荷也快速增長(zhǎng)。今年以來(lái)，多份政策文件相繼出臺(tái)，支持虛擬電廠(VPP)建設(shè)。那么，被頻頻提及的虛擬電廠究竟是何“秘密武器”?它能緩解社會(huì)高峰用電緊張嗎?我們請(qǐng)全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展合作組織研究員鄭漳華來(lái)給大家介紹。
(1)大規(guī)模儲(chǔ)存電能是世界性難題
當(dāng)前，迎峰度夏已進(jìn)入關(guān)鍵時(shí)期，經(jīng)濟(jì)回升疊加高溫天氣，使能源電力安全保供壓力加大。在近日國(guó)新辦舉行的國(guó)務(wù)院政策例行吹風(fēng)會(huì)上，國(guó)家發(fā)展改革委副秘書(shū)長(zhǎng)歐鴻表示，入夏以來(lái)全國(guó)日調(diào)度發(fā)電量三創(chuàng)歷史新高，最高達(dá)到301.71億千瓦時(shí)，較去年峰值高出15.11億千瓦時(shí);全國(guó)最高用電負(fù)荷兩創(chuàng)歷史新高，最高達(dá)到13.39億千瓦，較去年峰值高出4950萬(wàn)千瓦。
能源保障和安全事關(guān)國(guó)計(jì)民生。緩解用電高峰的供應(yīng)壓力，是國(guó)際通用的應(yīng)對(duì)尖峰負(fù)荷最經(jīng)濟(jì)手段。用電高峰往往與極端高溫或極寒天氣密切相關(guān)。一年之中的用電負(fù)荷并不均衡，夏天是空調(diào)使用高峰，也是用電負(fù)荷最高的季節(jié)，冬天的電負(fù)荷波動(dòng)相對(duì)較小，春秋兩季的用電負(fù)荷一般較低?？偟膩?lái)看，一般上午7點(diǎn)到晚上11點(diǎn)為用電高峰，晚上11點(diǎn)至次日7點(diǎn)為用電低谷。用電高峰在白天，低谷在晚上，這樣就可能造成白天電不夠用、晚上電用不完的問(wèn)題。針對(duì)此現(xiàn)象，電力系統(tǒng)普遍的做法是進(jìn)行削峰填谷，例如一些重點(diǎn)耗能企業(yè)白天少開(kāi)工、晚上多作業(yè)，達(dá)到優(yōu)化節(jié)約能源使用的目的。
有人提出，直接把低谷時(shí)段的電能儲(chǔ)存起來(lái)，等需要的時(shí)候再用不就行了嗎?但現(xiàn)實(shí)情況是，目前世界上還沒(méi)有哪一種儲(chǔ)能方式能夠較好地實(shí)現(xiàn)大規(guī)模電能的儲(chǔ)存，電能的大規(guī)模儲(chǔ)存一直是個(gè)世界性的難題。
所謂的電能儲(chǔ)存，主要是指將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能、勢(shì)能等其他形態(tài)，在需要的時(shí)候?qū)⑦@部分能量釋放出來(lái)。日常生活中最常見(jiàn)的儲(chǔ)能設(shè)備就是蓄電池，大到新能源電動(dòng)汽車(chē)，小到充電寶，我們都經(jīng)常會(huì)遇到或使用到。但是，電池的應(yīng)用場(chǎng)景目前大多僅限于此。如果儲(chǔ)存足夠整座城市使用的電能，就需要建設(shè)一個(gè)巨型的超大電池，相關(guān)技術(shù)的成本之高、土地資源和能源消耗之大，可想而知。
近年來(lái)，我國(guó)用電負(fù)荷不斷攀升，除增加供給調(diào)節(jié)能力外，需求側(cè)也在不斷發(fā)揮調(diào)節(jié)潛力。國(guó)家發(fā)展改革委持續(xù)推動(dòng)電力需求側(cè)響應(yīng)相關(guān)工作，電動(dòng)汽車(chē)、新型儲(chǔ)能、分布式電源、虛擬電廠等需求側(cè)新主體新業(yè)態(tài)不斷涌現(xiàn)，同時(shí)，國(guó)家還出臺(tái)各類政策鼓勵(lì)各類經(jīng)營(yíng)主體積極參與市場(chǎng)化需求響應(yīng)，通過(guò)自主調(diào)節(jié)用電來(lái)獲取相應(yīng)收益。
(2)虛擬電廠究竟是什么
1831年，邁克爾·法拉第發(fā)明的電動(dòng)發(fā)電機(jī)開(kāi)創(chuàng)了人類發(fā)電的先河，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為低電壓下的電磁動(dòng)力，這一偉大發(fā)明啟發(fā)了托馬斯·愛(ài)迪生和約瑟夫·斯旺等科學(xué)家，他們隨后的發(fā)現(xiàn)使大規(guī)模發(fā)電成為現(xiàn)實(shí)。1882年，世界上第一座火力發(fā)電廠霍爾本高架發(fā)電站(又稱愛(ài)迪生電燈站)誕生，電廠以煤為原料，通過(guò)鍋爐產(chǎn)生蒸汽后驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。這座發(fā)電廠近千盞白熾燈，照亮了從霍爾本馬戲團(tuán)到圣·馬丁大酒店的街道，后又?jǐn)U大發(fā)電規(guī)模，為附近的私人住宅提供照明。時(shí)至今日，人類社會(huì)的電力供應(yīng)模式與此一脈相承，總體上是由較為集中的發(fā)電廠向周?chē)娏τ脩糨椛漭斔碗娏Α?/p>
如今，一種新型的資源整合形式“能源聚合商”正在進(jìn)入人們視野，它更為通俗的稱謂是“虛擬電廠”。與傳統(tǒng)電廠單一依靠某種自然環(huán)境資源(如風(fēng)、水、陽(yáng)光)相比，虛擬電廠的構(gòu)成資源更加多樣化、具有環(huán)保性，且在未來(lái)電力市場(chǎng)中更具競(jìng)爭(zhēng)力，可為電力系統(tǒng)發(fā)展乃至行業(yè)轉(zhuǎn)型提供新思路。
虛擬電廠的相關(guān)概念，最早由西蒙·阿韋布赫 (Shimon Awerbuch)博士于1997年提出。此后，各界專家學(xué)者從不同形態(tài)維度進(jìn)行探索，給出了多種定義。
有的學(xué)者認(rèn)為，虛擬電廠是分布式能源的集合，以傳統(tǒng)發(fā)電廠的角色參與電力系統(tǒng)運(yùn)行;有的學(xué)者認(rèn)為，虛擬電廠是對(duì)電網(wǎng)中各種能源進(jìn)行綜合管理的軟件系統(tǒng);有的學(xué)者認(rèn)為，虛擬電廠是能效電廠，通過(guò)減少終端用電設(shè)備和裝置的用電需求來(lái)產(chǎn)生“富余”的電能，即通過(guò)在用戶側(cè)安裝提高用電能效的設(shè)備，達(dá)到建設(shè)實(shí)際電廠的效果;還有的學(xué)者認(rèn)為，虛擬電廠是動(dòng)態(tài)聚合各種能源的能源互聯(lián)網(wǎng)。
綜合現(xiàn)階段各類理論探索和工程示范情況，虛擬電廠是一種通過(guò)先進(jìn)信息通信和監(jiān)測(cè)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)海量分布式新能源、儲(chǔ)能系統(tǒng)、可控負(fù)荷、電動(dòng)汽車(chē)等聚合和協(xié)調(diào)優(yōu)化，作為一個(gè)特殊電廠參與電網(wǎng)運(yùn)行和電力市場(chǎng)的電源協(xié)調(diào)管理系統(tǒng)，對(duì)外表現(xiàn)為“一個(gè)具備可控性的電源”。它既可作為“正電廠”向系統(tǒng)供電和頂峰，又可作為“負(fù)電廠”通過(guò)負(fù)荷側(cè)響應(yīng)以配合系統(tǒng)填谷;既可快速響應(yīng)指令、配合保障系統(tǒng)穩(wěn)定并獲得經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償，也可等同于電廠參與容量、電量、輔助服務(wù)等各類電力市場(chǎng)獲得經(jīng)濟(jì)收益。
“虛擬”二字意味著并非實(shí)體，所以虛擬電廠并不是真正意義上的發(fā)電廠，而是一種基于能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的“看不見(jiàn)的電廠”。簡(jiǎn)而言之，就是可以通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等技術(shù)，將用電方、儲(chǔ)能方、分布式電源聚合起來(lái)，使眾多“小型電站”組合成一個(gè)發(fā)電量可觀的虛擬電廠，實(shí)現(xiàn)電力的彈性調(diào)整。
(3)為何要發(fā)展“看不見(jiàn)的電廠”
目前，虛擬電廠的理論和實(shí)踐在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)展得較為成熟，先后在德國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、美國(guó)、澳大利亞、日本等國(guó)開(kāi)展了商業(yè)試點(diǎn)。歐洲的虛擬電廠發(fā)展較早，已基本實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)化運(yùn)營(yíng)。其中，被譽(yù)為虛擬電廠“先驅(qū)者”之一的德國(guó)Next-Kraftwerke虛擬電廠運(yùn)營(yíng)公司截至2022年，已有15346個(gè)聚合單元、1120萬(wàn)千瓦裝機(jī)容量。科技公司特斯拉也是虛擬電廠的先行者。2015年，特斯拉推出了家用儲(chǔ)能設(shè)備PowerWall。PowerWall內(nèi)置18650鋰電池，有7千瓦時(shí)和10千瓦時(shí)兩種配置，通過(guò)屋頂太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的電力，PowerWall可以儲(chǔ)存100千瓦時(shí)以上的容量。目前，特斯拉已在美國(guó)加利福尼亞、澳大利亞和日本宮古島等地建立了虛擬電廠。
總的來(lái)看，這些國(guó)家針對(duì)虛擬電廠的發(fā)展各有側(cè)重。以德國(guó)為代表的歐洲國(guó)家以聚合分布式電源為主;美國(guó)以可控負(fù)荷為主;日本以聚合用戶側(cè)儲(chǔ)能和分布式電源為主;澳大利亞以聚合用戶側(cè)儲(chǔ)能為主。
近年來(lái)，我國(guó)多地夏季高溫天氣不斷，伴隨著極端高溫的，是社會(huì)整體用電負(fù)荷的持續(xù)攀升。根據(jù)中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)分析，2023年全國(guó)最高用電負(fù)荷預(yù)計(jì)約13.7億千瓦，較去年同期增加8000萬(wàn)千瓦左右，若出現(xiàn)極端情況，全國(guó)最高用電負(fù)荷可能較去年同期增加約1億千瓦。
在電力消費(fèi)旺季、電力供應(yīng)偏緊的背景下，虛擬電廠建設(shè)獲得了國(guó)家政策的大力支持。2015年和2016年，國(guó)家發(fā)改委、國(guó)家能源局先后發(fā)布了《關(guān)于促進(jìn)智能電網(wǎng)發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃(2016-2030年)》等文件，提出研究推廣虛擬電廠技術(shù)及能源虛擬化技術(shù)，因地制宜開(kāi)展虛擬電廠試點(diǎn)示范。2023年5月，發(fā)改委發(fā)布《電力需求側(cè)管理辦法(征求意見(jiàn)稿)》提出，建立和完善需求側(cè)資源與電力運(yùn)行調(diào)節(jié)的銜接機(jī)制，逐步將需求側(cè)資源以虛擬電廠等方式納入電力平衡，提高電力系統(tǒng)的靈活性?？梢灶A(yù)見(jiàn)，虛擬電廠作為整合分布式資源、挖掘需求側(cè)潛力的重要手段，其價(jià)值和作用將愈發(fā)受到各方的重視，虛擬電廠會(huì)逐步走進(jìn)現(xiàn)實(shí)。
目前，我國(guó)虛擬電廠項(xiàng)目總體處于前期試點(diǎn)研究階段。“十三五”期間，江蘇、上海、河北、廣東等地相繼開(kāi)展了電力需求響應(yīng)和虛擬電廠的試點(diǎn)。比如，江蘇省于2016年開(kāi)展需求響應(yīng)示范;上海于2017年建成黃浦區(qū)商業(yè)建筑虛擬電廠示范工程;國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司直接參與華北輔助服務(wù)市場(chǎng)的虛擬電廠示范項(xiàng)目，高質(zhì)量服務(wù)綠色冬奧，并參與了多項(xiàng)虛擬電廠國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)制定;2022年8月，國(guó)內(nèi)首家虛擬電廠管理中心——深圳虛擬電廠管理中心揭牌，預(yù)計(jì)到2025年，深圳將建成具備100萬(wàn)千瓦級(jí)可調(diào)節(jié)能力的虛擬電廠;今年7月初，廣州、深圳、柳州三地同步開(kāi)展虛擬電廠多功能聯(lián)合調(diào)控，標(biāo)志著我國(guó)首個(gè)區(qū)域級(jí)虛擬電廠投入運(yùn)行。
在電力供需不匹配的情況下，通過(guò)一定的激勵(lì)措施，讓用戶主動(dòng)改變自己的用電方式和用電行為，參與供需調(diào)劑，可以減輕電力系統(tǒng)的壓力。虛擬電廠對(duì)于電網(wǎng)、用電負(fù)荷、發(fā)電、產(chǎn)業(yè)鏈等方面具有積極作用，其中電網(wǎng)和用電負(fù)荷跟百姓生活直接相關(guān)。
對(duì)于電網(wǎng)而言，虛擬電廠有助于提升電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。在電網(wǎng)調(diào)峰方面，虛擬電廠通過(guò)資源動(dòng)態(tài)聚合和集中協(xié)調(diào)優(yōu)化參與削峰填谷，實(shí)現(xiàn)日內(nèi)更短時(shí)間尺度響應(yīng)，精準(zhǔn)削減負(fù)荷高峰、填充低谷負(fù)荷，有助于優(yōu)化電網(wǎng)運(yùn)行。
對(duì)用電負(fù)荷側(cè)而言，虛擬電廠有助于優(yōu)化供電服務(wù)、降費(fèi)增效。比如，對(duì)于大型工商業(yè)企業(yè)來(lái)說(shuō)，通過(guò)虛擬電廠提供的節(jié)能服務(wù)，可以掌握自身能源管理狀況及用能水平，排查節(jié)能障礙和浪費(fèi)環(huán)節(jié)，從而達(dá)到節(jié)能減排、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。在一定程度上，虛擬電廠可以替代應(yīng)急電源車(chē)，作為重要的政府部門(mén)、公用事業(yè)部門(mén)、工商業(yè)企業(yè)等的應(yīng)急電源供應(yīng)商，滿足其可靠供電的要求，獲取應(yīng)急電源服務(wù)收益。例如，在暴雨惡劣天氣，由于光伏發(fā)電量下降、設(shè)備故障等原因出現(xiàn)電力供應(yīng)缺口，可通過(guò)發(fā)揮所在區(qū)內(nèi)虛擬電廠的調(diào)節(jié)能力，降低可調(diào)資源的用電需求，利用市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的方式促進(jìn)電力供需平衡。
(4)以“能源定制”降低家庭開(kāi)支
如何把用戶需求側(cè)的“潛力股”集合利用起來(lái)，是未來(lái)電力資源調(diào)配的重要方向。隨著分布式光伏、用戶側(cè)儲(chǔ)能(包括家庭儲(chǔ)能、工商業(yè)儲(chǔ)能、儲(chǔ)能充電樁等，針對(duì)的客戶是用電方，近兩年受政策激勵(lì)在我國(guó)發(fā)展較快)、電動(dòng)汽車(chē)充電樁的發(fā)展，電力用戶側(cè)的靈活性愈發(fā)提升，數(shù)字化程度不斷提高，各類資源呈現(xiàn)數(shù)量多、單體小、類型雜等特點(diǎn)，難以直接參與電力系統(tǒng)運(yùn)行和相關(guān)交易。如何喚醒、優(yōu)化、發(fā)揮這些海量的用戶側(cè)資源，使其有效參與電網(wǎng)運(yùn)行和市場(chǎng)交易，建立低碳、安全和經(jīng)濟(jì)的新型電力系統(tǒng)，需要一個(gè)能協(xié)同用戶側(cè)資源優(yōu)化運(yùn)行控制和市場(chǎng)交易的“智能管家”。
這個(gè)“智能管家”就是虛擬電廠。即使是一戶家庭、一輛電動(dòng)汽車(chē)，也能成為虛擬電廠的一部分。和共享經(jīng)濟(jì)類似，虛擬電廠也是通過(guò)信息化協(xié)調(diào)方式，將海量分散的資源“聚沙成塔”。打個(gè)比方，極端高溫天氣預(yù)警時(shí)，虛擬電廠可以根據(jù)用電缺口調(diào)節(jié)需求，向用戶發(fā)出邀約，調(diào)配多余的電量解燃眉之急。再比如，電動(dòng)汽車(chē)充電期間，虛擬電廠可根據(jù)電力市場(chǎng)價(jià)格波動(dòng)情況，實(shí)時(shí)優(yōu)化充放電策略，從而減少用戶的充電成本。
另外，很多家庭中都有空調(diào)、洗衣機(jī)、熱水器、電動(dòng)汽車(chē)，每個(gè)設(shè)備都需要電力供應(yīng)，但它們的用能時(shí)間、時(shí)長(zhǎng)、需求量有一定差異，對(duì)電網(wǎng)供電壓力的影響也存在區(qū)別。虛擬電廠所起的作用，便是可以迅速根據(jù)不同設(shè)備的狀態(tài)、需求、市場(chǎng)價(jià)格、天氣情況等信息，精細(xì)化地實(shí)現(xiàn)智能調(diào)配。比如，在市場(chǎng)價(jià)格高、電力供應(yīng)緊張的時(shí)候，對(duì)各設(shè)備實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)控，使其少用電、少購(gòu)電;在市場(chǎng)價(jià)格低、電力供應(yīng)平穩(wěn)的時(shí)候，在滿足用能需求的情況下，利用儲(chǔ)能設(shè)備將多余的電能儲(chǔ)存起來(lái)，滿足電力市場(chǎng)價(jià)格較高時(shí)段的用能需求。利用虛擬電廠這個(gè)“智能管家”，為每家每戶實(shí)現(xiàn)定制化的能源使用服務(wù)，降低用戶的能源成本開(kāi)支。
如同前文所說(shuō)，我國(guó)虛擬電廠仍處于由政府部門(mén)牽頭、各聚合商參與、共同完成的早期階段。試點(diǎn)階段的虛擬電廠，也有待標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一和政策的細(xì)化。就技術(shù)而言，大部分虛擬電廠試點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了初步的用戶監(jiān)測(cè)，但還沒(méi)有完全實(shí)現(xiàn)對(duì)優(yōu)化調(diào)度和分布式能源的閉環(huán)控制。同時(shí)，虛擬電廠的發(fā)展需要依托于電力市場(chǎng)化交易，我們還需耐心培育成熟的市場(chǎng)服務(wù)和可持續(xù)發(fā)展的市場(chǎng)環(huán)境。未來(lái)，隨著我國(guó)電力中長(zhǎng)期、現(xiàn)貨、輔助服務(wù)市場(chǎng)等機(jī)制的不斷完善，將通過(guò)AI技術(shù)提升數(shù)字化智能水平和產(chǎn)業(yè)升級(jí)，我國(guó)虛擬電廠的發(fā)展前景可期。
來(lái)源：北京日?qǐng)?bào)客戶端 | 記者 汪丹
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