文/本刊記者 張程

具有智能調(diào)度和平衡作用的“虛擬電廠”越來(lái)越受到關(guān)注和重視

2022年夏天，全國(guó)多地出現(xiàn)35℃以上的連續(xù)高溫天氣，導(dǎo)致社會(huì)用電需求增長(zhǎng)較快，部分地區(qū)出現(xiàn)電力供應(yīng)緊張的局面，為了應(yīng)對(duì)這種局面，提高電力調(diào)配能力成為討論的熱點(diǎn)。一種削峰填谷、維持電力供需平衡的解決方案——“虛擬電廠”進(jìn)入了公眾視野，受到廣泛關(guān)注。

什么是“虛擬電廠”

1997年出版的《虛擬公共設(shè)施:新興產(chǎn)業(yè)的描述、技術(shù)及競(jìng)爭(zhēng)力》一書(shū)是最早提出“虛擬電廠”概念的著作。這本書(shū)中指出，“虛擬電廠”可以使得受市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的獨(dú)立實(shí)體間靈活合作，且能夠?yàn)橄M(fèi)者提供所需的高效電能服務(wù)而不必?fù)碛邢鄳?yīng)的資產(chǎn)。隨后這一概念被不斷發(fā)展和延伸，目前“虛擬電廠”被廣泛的認(rèn)為是一種利用軟件系統(tǒng)和信息通信技術(shù)，將分布式發(fā)電、需求側(cè)和儲(chǔ)能資源聚合并統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制，從而參與電力市場(chǎng)和電網(wǎng)輔助服務(wù)并獲取收益的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

“虛擬電廠”既可以作為“正電廠”向系統(tǒng)供電調(diào)峰，又可作為“負(fù)電廠”加大負(fù)荷消納能力，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，也可等同電廠參與到電力市場(chǎng)交易、電力輔助服務(wù)交易等。

“虛擬電廠”的發(fā)展以三類(lèi)可控資源的發(fā)展為前提，分別是可控負(fù)荷、分布式電源和儲(chǔ)能，以上三類(lèi)電源在現(xiàn)實(shí)中往往糅合在一起，作為“虛擬電廠”的控制單元。可控負(fù)荷，即在電網(wǎng)高峰時(shí)段或緊急狀況下，電力用戶可以中斷的負(fù)荷部分，主要通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)的布置，對(duì)商業(yè)樓宇或公共建筑上的用電設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。比如在夏季用電高峰時(shí)，大型商場(chǎng)、寫(xiě)字樓的空調(diào)短時(shí)間停止運(yùn)行，僅會(huì)導(dǎo)致溫度上升一兩度，人體感知差異較小，但是這些電量就可以對(duì)高峰期的電網(wǎng)形成有效的支撐，達(dá)到調(diào)峰的作用。不過(guò)，各類(lèi)負(fù)荷資源能否參與“虛擬電廠”以及參與度的大小，受到負(fù)荷的調(diào)節(jié)能力影響，一般而言，使用頻次低、可調(diào)節(jié)時(shí)段長(zhǎng)、響應(yīng)時(shí)間快，則負(fù)荷的調(diào)節(jié)能力較高。綜合來(lái)看，可控負(fù)荷資源潛力的大小由“可調(diào)節(jié)能力”和“價(jià)格敏感度”兩大因素決定，單個(gè)用戶可調(diào)節(jié)能力大、價(jià)格敏感度高，則具有規(guī)模開(kāi)發(fā)的基本條件。

分布式電源是指在用戶現(xiàn)場(chǎng)或靠近用電現(xiàn)場(chǎng)配置較小的發(fā)電機(jī)組，以滿足特定用戶的需要，具有經(jīng)濟(jì)性、靈活性的特點(diǎn)。例如小型燃料發(fā)電機(jī)，光伏發(fā)電機(jī)，風(fēng)能發(fā)電機(jī)，燃料電池等。儲(chǔ)能是通過(guò)介質(zhì)把能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，在需要的時(shí)候再進(jìn)行釋放，儲(chǔ)能手段有電化學(xué)儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能和機(jī)械儲(chǔ)能等。

從技術(shù)端來(lái)看，“虛擬電廠”需要用到計(jì)量技術(shù)、通信技術(shù)、智能調(diào)度決策技術(shù)和信息安全防護(hù)技術(shù)等。精準(zhǔn)的計(jì)量是“虛擬電廠”建立的基礎(chǔ)，可靠的通信是“虛擬電廠”可靠運(yùn)行的條件，智能調(diào)度決策技術(shù)是“虛擬電廠”發(fā)揮作用的重要保證，而信息防護(hù)技術(shù)是保證“虛擬電廠”安全穩(wěn)定運(yùn)行的保障。

簡(jiǎn)單理解，“虛擬電廠”類(lèi)似于電力“智能管家”的角色，可以智能調(diào)配電力，輔助電網(wǎng)更高效的運(yùn)行。

“虛擬電廠”為何火了

“虛擬電廠”其實(shí)并不是新概念，在國(guó)外早就有了，甚至很多國(guó)家早就在運(yùn)用這一技術(shù)。之所以近年來(lái)在國(guó)內(nèi)日益受到重視，主要是來(lái)自兩方面的原因。一方面是因?yàn)榻陙?lái)中國(guó)在風(fēng)電、光伏發(fā)電等新能源領(lǐng)域發(fā)展迅速，而這些新能源發(fā)電方式往往具有分散性的特點(diǎn)，尤其是光伏發(fā)電，這就需要一個(gè)智能動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。另一方面是第三產(chǎn)業(yè)和城市居民用電量占比不斷提高，二者相比于工業(yè)用電，時(shí)段性強(qiáng)，波動(dòng)性較大，這就使得電力峰谷值差距擴(kuò)大，需要一個(gè)智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)來(lái)削峰填谷。

中央財(cái)經(jīng)委員會(huì)2021年第九次會(huì)議指出，力爭(zhēng)2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和；計(jì)劃至2025年，單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值能耗比2020年下降13.5%；單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2020年下降18%。在這種大背景之下，發(fā)展新能源是大勢(shì)所趨。在眾多新能源中，風(fēng)能和太陽(yáng)能被認(rèn)為是最有潛力的清潔能源，因此多國(guó)選擇通過(guò)提升風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電等電能占終端用能的比例來(lái)實(shí)現(xiàn)降低碳排放的目標(biāo)。近年來(lái)，全球范圍內(nèi)以風(fēng)電、太陽(yáng)能為主的新能源裝機(jī)量及發(fā)電量占比顯著提升。2011—2021年全球風(fēng)電、太陽(yáng)能裝機(jī)量年復(fù)合增長(zhǎng)率分別為13.51%和29.69%。風(fēng)電和太陽(yáng)能作為清潔能源和可再生能源的重要組成部分，將成為降低碳排放，實(shí)現(xiàn)全球氣候可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的重要抓手。然而，與傳統(tǒng)火電、水電相比，風(fēng)電及太陽(yáng)能布點(diǎn)分散，易受天氣等環(huán)境因素影響，因此發(fā)電功率呈現(xiàn)明顯的間歇性和波動(dòng)性特征。隨著風(fēng)電、太陽(yáng)能并網(wǎng)比例提升，電網(wǎng)消納及電力調(diào)度面臨挑戰(zhàn)，系統(tǒng)調(diào)峰調(diào)頻需求提升。這需要通過(guò)信息技術(shù)手段來(lái)優(yōu)化這些分布式電源和儲(chǔ)能資源的調(diào)度配置。

在用電端，數(shù)據(jù)顯示，2021年中國(guó)全社會(huì)用電量為8.31萬(wàn)億千瓦時(shí)，同比增長(zhǎng)10.30%，繼續(xù)保持增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。用電結(jié)構(gòu)方面，2021年第三產(chǎn)業(yè)、城鄉(xiāng)居民生活用電占比分別為17.12%和14.13%，分別較2011年提升6.26和2.18個(gè)百分點(diǎn)。第三產(chǎn)業(yè)和居民生活用電的占比均不斷增加，而第三產(chǎn)業(yè)和居民生活用電均具有顯著的時(shí)段性，導(dǎo)致電力負(fù)荷曲線出現(xiàn)惡化，主要表現(xiàn)為用電峰谷差拉大，尖峰負(fù)荷拔高且短暫。隨著用電負(fù)荷特性持續(xù)惡化，電網(wǎng)負(fù)荷尖峰短而高，如果單純依靠增加電源來(lái)滿足100%的負(fù)荷需求要付出極大的代價(jià)。根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)測(cè)算，通過(guò)建設(shè)煤電機(jī)組滿足其經(jīng)營(yíng)區(qū)內(nèi)5%的峰值負(fù)荷，需要投資4000億元建設(shè)電廠和配套電網(wǎng)，而通過(guò)合理調(diào)配需求側(cè)資源滿足峰值負(fù)荷需求，投資規(guī)模僅約400億—500億元，“虛擬電廠”在削峰填谷方面的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)明顯。

最后，新能源汽車(chē)的普及也可能對(duì)電網(wǎng)帶來(lái)潛在的沖擊。近年來(lái)，新能源電動(dòng)車(chē)保有量持續(xù)上升，充電需求為電網(wǎng)帶來(lái)大量負(fù)荷。截至2021年，全球新能源汽車(chē)銷(xiāo)量達(dá)630萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)94.44%。大量電車(chē)同時(shí)充電將會(huì)為電網(wǎng)帶來(lái)更大的負(fù)荷需求。以家用充電為例，在傍晚的用電高峰期，大規(guī)模的電車(chē)充電需求將拉大電網(wǎng)的峰谷差，甚至引發(fā)電力供應(yīng)不足的問(wèn)題；而應(yīng)用“虛擬電廠”技術(shù)，可以將新能源汽車(chē)的用電時(shí)間推后，在不影響充電效果的情況下適當(dāng)降低充電速度，減小電力峰谷差。因此，“虛擬電廠”能夠在電能消費(fèi)側(cè)有效緩解無(wú)序充放電給電網(wǎng)產(chǎn)生的負(fù)面影響，豐富電力系統(tǒng)的運(yùn)行和控制手段，并參與系統(tǒng)削峰填谷、提供頻率穩(wěn)定和備用容量等輔助服務(wù)。

綜合上述原因，具有智能調(diào)度和平衡作用的“虛擬電廠”越來(lái)越受到關(guān)注和重視。

政策持續(xù)加碼

早在“十三五”期間，我國(guó)江蘇、上海、河北等地就開(kāi)展了電力需求響應(yīng)和“虛擬電廠”的試點(diǎn)工作。其中，江蘇省率先于2015年出臺(tái)官方文件《江蘇省電力需求響應(yīng)的實(shí)施細(xì)則》，指導(dǎo)電力需求的調(diào)控。此后，中國(guó)“虛擬電廠”進(jìn)入研發(fā)、探索階段，2019年，國(guó)家電網(wǎng)提出建設(shè)“泛在電力物聯(lián)網(wǎng)”，并建成國(guó)內(nèi)首個(gè)“虛擬電廠”——國(guó)網(wǎng)冀北虛擬電廠，實(shí)現(xiàn)了發(fā)電和用電的自我調(diào)節(jié)。到目前為止，北京、上海、廣東、江蘇、浙江等地先后開(kāi)展“虛擬電廠”項(xiàng)目試點(diǎn)。2022年6月，《北京市“十四五”時(shí)期電力發(fā)展規(guī)劃》首次將“虛擬電廠”的建設(shè)納入電力發(fā)展規(guī)劃中。我國(guó)可供參與“虛擬電廠”運(yùn)營(yíng)的控制資源體量龐大，可調(diào)負(fù)荷資源超過(guò)5000萬(wàn)千瓦，“虛擬電廠”也隨基礎(chǔ)資源的快速發(fā)展而受到重視。

2022年3月發(fā)布的《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》進(jìn)一步提出，開(kāi)展工業(yè)可調(diào)節(jié)負(fù)荷、樓宇空調(diào)負(fù)荷、大數(shù)據(jù)中心負(fù)荷、用戶側(cè)儲(chǔ)能、新能源汽車(chē)與電網(wǎng)能量互動(dòng)等各類(lèi)資源聚合的“虛擬電廠”示范。

目前全國(guó)多地“虛擬電廠”建設(shè)已經(jīng)在逐步落地。2022年8月，國(guó)內(nèi)首家“虛擬電廠”管理中心在深圳揭牌。據(jù)悉，深圳“虛擬電廠”已接入分布式儲(chǔ)能、數(shù)據(jù)中心、充電站、地鐵等類(lèi)型負(fù)荷聚合商14家，接入容量達(dá)87萬(wàn)千瓦，接近一座大型煤電廠的裝機(jī)容量。未來(lái)深圳“虛擬電廠”管理中心將加快推動(dòng)分布式光伏、用戶側(cè)儲(chǔ)能、V2G（新能源汽車(chē)與電網(wǎng)能量互動(dòng)）等分布式能源接入“虛擬電廠”集中管理。

機(jī)構(gòu)預(yù)計(jì)2025年國(guó)內(nèi)“虛擬電廠”的運(yùn)營(yíng)市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到968億元，2030年將超過(guò)4500億元。