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虚拟电厂:提升电力系统灵活性的“开关”

发布时间:2022/8/15 阅读:993

为实现“双碳”目标,中国正在加快调整能源结构,提高可再生能源占比。2030年中国风、光发电总装机计划达到12亿千瓦以上,形成由可再生能源为主的能源体系。高比例可再生能源并网,能源消费终端电气化水平提升,电力电子化以及大规模分布式新能源接入电网将会使电力系统平衡、调节和支撑能力面临巨大挑战,提高电力系统灵活性是实现能源电力清洁低碳发展的重要手段。

“十三五”期间,中国电力系统灵活性调节能力不足的现实已经造成电力系统难以完全适应新能源的爆发式增长。电力系统面临灵活性资源有限导致的新能源消纳能力不足、系统可靠性下降、用户用能风险升高、系统成本不断攀升等众多问题。

接入高比例可再生能源,提升电力系统调节能力,需要更多地引入灵活性资源,比如:加快虚拟电厂建设。

虚拟电厂(Virtual Power Plants, VPP)将不同空间的可调节(可中断)负荷、储能、微电网、电动汽车、分布式电源等一种或多种资源聚合起来,实现自主协调优化控制,参与电力系统运行和电力市场交易。虚拟电厂新业态既可作为“正电厂”向系统供电调峰,又可作为“负电厂”加大负荷消纳配合系统填谷。

图  虚拟电厂运作示意图

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资料来源:艾瑞咨询研究院

相较于传统电力能源生态,虚拟电厂下的生态系统最大的变化是,将传统电力能源生态系统中发输配用界限清晰,“源随荷动”的运行方式,转变为发电、输电、配电、用电界限相互交叉,同时兼具生产者与消费者的角色,运行方式表现为“源荷互动”,内部每一部分都是一个小能源系统,属于智能电网的拓展。

虚拟电厂可分为三大类:(1)负荷型虚拟电厂:指虚拟电厂运营商聚合其绑定的具备负荷调节能力的市场化电力用户(包括电动汽车、可调节负荷、可中断负荷等),作为一个整体(呈现为负荷状态)组建成虚拟电厂,对外提供负荷侧灵活响应调节服务。(2)电源侧虚拟电厂:在分布式电源发电侧建虚拟电厂。(3)源网荷储一体化虚拟电厂:集合发电电源和负荷用电用户,作为集中式电厂,作为独立市场主体参与电力市场,原则上不占用系统调峰能力。

2021年以来,国家和地方陆续推出与虚拟电厂相关的政策,部分省市也出台了明确的落地方案或补贴标准。

表1  2021年-2022年虚拟电厂主要政策梳理

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从政策环境来看,由两大电网公司开建的虚拟电厂示范项目,主要以需求侧响应为盈利模式,地方陆续出台的辅助服务市场政策,引导虚拟电厂参与电力系统调峰调频,随着电力现货市场的持续推进,更多的示范性项目可能创新可行的商业模式。

从虚拟电厂的行业发展现状来看,欧美电力市场较为成熟,虚拟电厂已实现商业化,而我国尚处于虚拟电厂早期试点阶段,商业模式不够清晰,江苏、浙江、深圳、上海等地均出现了虚拟电厂试点。

表2  国内虚拟电厂典型案例总结

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国内虚拟电厂大多处于试点示范阶段,商业模式不清晰,实际盈利项目不多。为什么海外虚拟电厂发展成熟,而我国尚处于试点阶段呢?

我们不妨参考下欧洲最大的虚拟电厂Next Kraftwerke的成功经验。

Next Kraftwerke是欧洲电力交易市场(EPEX)认证的能源交易商,参与能源的现货市场交易。

Next Kraftwerke通过高超的资源聚合能力和创新商业模式,创造了惊人的发展速度和优异的经营业绩。其主要盈利模式包括:(1)参与电力市场交易。(2)需求响应,削峰填谷。(3)参与电网辅助服务。

欧洲虚拟电厂成功经验告诉我们:成熟的电力现货市场是虚拟电厂获得经济性的充分条件,分布式电源+配电网的大发展是虚拟电厂发展的必要条件。

如果说欧洲虚拟电厂更为侧重于发电侧,以分布式电源、储能资源的整合为方向,以新能源消纳为主要目标的话,美国虚拟电厂则聚焦于用户侧资源,以获取辅助服务补偿为盈利模式。

美国太阳能资源丰富,在政府大量补贴和激励政策驱动下,家用光伏储能系统逐渐成为居民降低电价成本的替代选择,从而实现电力的自发自用。特斯拉布局家用储能Powerwall,并与公共事业公司合作开展虚拟电厂计划。特斯拉与EnergyLocals,Green Mountain Power,PG&E等公共事业公司和电力零售商先后开展了虚拟电厂项目,这些项目帮助特斯拉迅速扩大储能系统安装量,同时,电力零售商通过与Powerwall使用者签订协议,能够获取这些分布式电池电力的部分使用权,实现聚合需求侧的资源以及虚拟电厂的商业化扩张。

美国虚拟电厂的成功经验告诉我们:充分发挥储能在分布式能源中的调节作用,可以将终端用能由原先的电网“刚性负载”转化为“柔性负载”,以全面电气化的零排放为实现“碳中和”做贡献。

与欧美国家对比,中国虚拟电厂起步晚,电力现货市场发展不成熟,兼顾发电侧、储能、用户侧等多钟资源,结构较为复杂。由于“双碳”驱动能源结构转型,给电力系统灵活性调节带来极大的挑战,虚拟电厂可以成为提升电力系统灵活性的“开关”。

展望未来,外部政策叠加电网内部需求,虚拟电厂可实现高速发展。

第一,分布式能源发展成为虚拟电厂发展的契机。我国风光大基地集中在西部和北部,而电力负荷却集中在中部和东部,国家能源结构促进了分布式能源的发展。在这种背景之下,虚拟电厂、智能微网等模式应运而生。虚拟电厂可充当分布式资源与电网运营商和电力交易市场的中介,随着电力现货市场的发展成熟,实现能源交易。

第二,数字化手段驱动虚拟电厂构建。通过使用数字化技术,虚拟电厂可与储能一起成为构建新型电力系统的关键部件,提高电力系统的智能协调、效率提升的重要方式。比如:可通过虚拟电厂云平台,利用虚拟电厂的聚合功能,形成规模化“削峰填谷”响应,实现资源的最大化利用。

第三,虚拟电厂市场竞争会愈加激烈。虚拟电厂是资本、资源和技术高度密集型行业,发展潜力大,具有一定的行业进入壁垒,入局的大多是拥有强大资源整合能力,或者具有资源禀赋优势的龙头企业,虽然目前市场集中度不高,但预估未来行业竞争会加剧,尤其是集中在中游资源聚合商。

 作者:之禾                 来源:中国化学与物理电源行业协会储能应用分会产业政策研究中心