新型電力系統下虛擬電廠技術應用與發展建議

譚忠富，王冠然

（華北電力大學 經濟與管理學院, 北京 102206）

近年來，全球可再生能源發電占比不斷提升，世界能源格局正加快向風光水氫等非化石能源轉型的步伐，我國也提出了構建“低碳清潔、安全高效”的能源體系。截至2022 年底我國風光裝機約7.6 億千瓦，約占發電裝機總容量的30%；但我國仍然是以火電為主、風光水核等為補充的傳統電力系統。為實現雙碳戰略，我國風光裝機將升至70%，成為第一大電源主體，構建與能源體系相適應的新一代電力系統迫在眉睫。但大規模風光并網將顯著影響電力系統穩定性，而虛擬電廠（Virtual Power Plant，VPP）作為新型分布式能源并網技術，可通過優化機組出力、挖掘可控負荷調節潛力，緩解風光出力隨機性影響，保證系統運行平穩[1]。在高比例清潔能源并網和建設新型電力系統背景下，加強對VPP 的開發利用，有助于提升電力系統的靈活性，保障電網運行穩定，助力我國雙碳戰略實現。

一、新型電力系統的關鍵特征與建設挑戰

（一） 新型電力系統的關鍵特征

新型電力系統是以電網為樞紐平臺，以清潔能源為供應主體，以能源電力安全和新能源消納為運行目標，具有低碳清潔安全高效特點的新一代電力系統[2]，其關鍵特征與建設挑戰如圖1 所示。

圖1 新型電力系統的關鍵特征與建設挑戰

1. 新能源為主體、多種電網形態并存、源荷雙向互動的物理結構

從電源結構來看，為實現電力行業碳中和，風光等新能源將成為發電主體電量，而傳統化石能源將作為調節備用電源，發揮壓艙石作用。從電網形態來看，新能源“集中式+分布式”并重的開發模式，配網承擔系統平衡和安全穩定作用凸顯，電網將呈現“大電網+主動配電網+微電網”并存的局面。從用戶負荷來看，隨著儲能、制氫、多能轉換等技術的應用，分布式能源和交互式設備增加，用戶和電網雙向互動將成為常態。

2. 電力系統將具備強不確定性，加速向能源互聯網形態轉變

風光發電的間歇性和波動性特點，使得以新能源為主的新型電力系統充滿強不確定性，對系統調節和風光消納能力提出新的要求。為建設適應強不確定性的新型電力系統，一方面要加強通信技術與終端平臺的應用，打通信息流、能量流，支撐源網荷儲協同運行，提高新能源消納水平；另一方面則要建設分布式能源、可調節負荷的微網或主動配電網，挖掘負荷側調節潛力，實現能源互聯網的發展形態[3]。

3. 圍繞能源全過程的支撐技術，實現源網荷儲高效經濟的協同運行

新一代型電力系統需要圍繞能源生產、傳輸、消費和儲存進行一系列關鍵支撐技術的研究。這些技術包括多種清潔能源高效利用與煤電低碳化生產技術，高比例新能源并網后的支撐保護等傳輸技術，智能用電與供需互動等利用技術，電熱冷氣氫等多重儲能技術[4]。在上述技術支撐下，統籌管控能源各環節，最終實現源側清潔低碳、網側安全高效、荷側靈活可控和儲側經濟可靠的協同運行效果。

4. 電力交易主導的全國統一、多級多層次協同運行的市場機制

我國資源稟賦與能源需求存在逆向分布的特征，基于特高壓電網為骨干的堅強智能電網，建立全國統一的電力市場，健全交易時序、規則、結算和流程，是實現國家市場和省級市場協同運行、全國電力資源優化配置的必然選擇。此外，為保障系統穩定、新能源消納、碳減排，我國將構建現貨市場和輔助市場運行為主，分布式發電交易、容量交易、綠電交易、碳權交易等多級多層次協同運行的電力市場機制。

5. 低碳清潔、經濟高效與安全穩定統一融合的運行理念

新型電力系統的首要目的是實現電力生產低碳化和清潔化，但大規模新能源并網，不僅對大電網和配電網運行安全造成直接威脅，還需要系統提供更多的調節能力與備用容量。因此，新型電力系統在實現低碳清潔的同時，也將秉持安全穩定的運行理念，在電力市場上以最經濟的形式實現對資源的協調利用，實現低碳經濟安全的統一。

（二） 建設新型電力系統的挑戰

相較于傳統電力系統，新型電力系統是結構、形態、技術、機制和理念等全方位的升級，其轉型過程必然伴隨著新能源與傳統能源和電網之間的發展矛盾，面臨供需穩定、安全運行、市場機制、智能轉型等多重挑戰。

1. 新能源發電隨機性與系統調節能力不足帶來的供需平穩挑戰

以燃煤為主的傳統電力系統具備可控連續出力能力，可應對用戶側負荷需求變化，然而，新能源出力不穩定特性，使其有效供電能力不足。近年來我國電網呈現冬夏負荷雙峰特征，在新能源快速增長，而系統調節能力不足的情況下，如何保障電力供需穩定成為新型電力系統建設的一大挑戰。

2. 高比例可再生能源與電力電子設備接入電網引起的安全穩定挑戰

分布式可再生能源并網改變了電網運行方式，出現雙向潮流、系統慣性減少等問題，給功角、電壓、頻率等傳統系統穩定造成挑戰，而電力電子新設備接入電網，將出現低頻、諧波等新型電磁振蕩現象[5]。面對雙高并網帶來系統的抗干擾性減弱、穩定性降低，如何強化電力系統的防控措施，是保障電網安全運行的另一大挑戰。

3. 新興主體和交易類型涌入電力市場促使的市場機制有序運行挑戰

新型電力系統不僅涌現出新能源運營商、儲能運營商、負荷聚合商等新興主體，還衍生出物理屬性外的綠電交易，誕生碳排放權市場、綠色證書市場等次級市場，各類主體參與市場交易的細則、機制錯綜復雜。面對新形勢下的電力市場主體、交易品種，如何建成適應新能源發展、實現有序銜接和協同運行的市場機制是一大挑戰。

4. 云大物移智等數字化技術應用下的信息安全處理與智能管控挑戰

新型電力系統接入了大量智能終端采集設備，以實現對新能源出力、用戶用能行為的預測，為優化調度資源提供依據，然而如何高效處理海量數據并保證信息安全是一大挑戰。此外，還需打造智能控制運營平臺，實現信息感知與智能控制，助力新能源并網運行、配電網安全控制、新能源發電預測、用戶側負荷快速調節等多項場景應用實現[6]。

二、虛擬電廠技術應用于新型電力系統建設的優勢

（一） 虛擬電廠發展歷程與概念定義

VPP 的概念最早由Dr. Shimon Awerbuch 博士提出，即市場環境下相互獨立的參與實體開展靈活合作實現實體之間的虛擬共享[7]。隨后歐洲開展了一系列分布式發電機組集中并網的試驗，驗證VPP 技術能否為區域用戶提供更加高效可靠的電力能源供應。而美國、日本等國則開展電力需求響應試驗，集成負荷資源通過改變用戶需求來響應電力供應變化，保障電網運行平穩。我國將上述兩種形式統稱為VPP，先后在廣東、江蘇、上海、冀北、浙江等地開展相關技術應用試驗，VPP 發展歷程如圖2 所示。

圖2 虛擬電廠的發展歷程

有研究[8,9]認為VPP 是一種能量管理系統，包括傳統發電機、儲能系統、柔性負荷等資源，通過聚合方式達到電力市場交易準入門檻，實現資源高效利用。因此，可以認為VPP 是利用先進信息、通信和控制技術聚合分布式能源和可控負荷，其調節性能達到常規電廠的性能參數指標要求，可接受并響應調度機構下達的調度指令，在電力系統運行的一類新興市場主體，其運行結構可由圖3 所示。

圖3 虛擬電廠運行結構

（二） 虛擬電廠技術對構建新型電力系統的優勢

未來電力系統存在眾多分布式能源、交互式用能設備，這些靈活資源具有容量小、數量多、參數各異等特點，難以直接參與電力系統運行。而VPP 作為分布式能源并網技術，可實現對分散靈活資源的監測和調節，以整體形式參與電能量交易和調峰、調頻、備用等輔助服務，促進新型電力系統源、網、荷、儲互動運行。VPP 與其他并網技術對比如表1 所示。

根據表可知，相較于后兩者，VPP 重在主動參與電力市場交易，在建設新型電力系統的背景下，發展VPP 有如下優勢。

1. 豐富電網調節資源，保障電力系統平衡運行

可再生能源大規模并網，其隨機性和波動性對系統平衡能力提出了更高的要求。而虛擬電廠作為源網荷儲協調技術，除過接入分布式風光外，還可以對傳統火電、集中式新能源基地或其他形式能源進行統籌優化調度，通過發揮儲能和部分負荷的快速調節能力，保證系統功率-能量平衡，實現平穩運行。

2. 整合用戶側資源，挖掘負荷側資源可調節潛力

新型電力系統的終端負荷呈現碎片化、分散化、雙向互動頻繁的特點，多能轉換技術使得電力成為能源樞紐，各類電轉設備均可視為可控負荷，但缺乏優化管理。VPP 可聚合這些分散資源，作為具備一定規模、響應調節能力突出的市場主體，利用市場價格激勵機制充分地挖掘用戶側資源調節潛力。

3. 具備規模化調節能力，降低電力系統投資建設成本

VPP 具備規模化調節能力可替代傳統機組系統平衡功能，據測算，若以VPP 形式建設滿足尖峰負荷5%的可調容量，可延緩設備投資3900 億元。此外，VPP 的單位可調容量投資建設成本低于傳統火電機組，節約的成本可以用于優化電源、電網規劃，提高新型電力系統建設效率。

4. 作為新興市場主體，有助于推動我國電力市場機制健全

新型電力系統下，負荷聚合商、儲能運營商、分布式能源運營商等新興市場主體參與交易市場的準入條件、技術標準、交易機制、調度控制、結算機制尚待探索。VPP 借助物聯網、大數據等一系列軟硬件技術可以聚合不同類型的運營商，從而為其參與電力市場提供可能。研究VPP 參與電能量中長期和現貨市場及輔助服務市場的交易細則，能夠推動盡快健全適應新型電力系統的市場機制。

三、典型虛擬電廠試點項目現狀分析

（一） 歐盟：分布式能源并網運行優化

歐洲作為VPP 試驗最早地區，2009 年歐盟多國聯合開展FENIX 項目，提出商業型虛擬電廠（Commercial VPP，CVPP）和技術型虛擬電廠（Technical VPP，TVPP）兩種運行模式。CVPP 結合用戶需求與發電潛力預測情況，靈活調節發、用電計劃并參與電能量現貨交易獲取收益，而TVPP 則充分考慮物理限制，主要為電力系統提供頻率控制、電能質量等輔助服務。此外，德國E-Energy 計劃中的RegModHarz 項目開展分布式能源并網后VPP 與用戶互動的響應試驗，該VPP 由分散式風光電源、抽水蓄能電站和家庭用戶能源管理系統組成，引入動態電價與獎懲機制。能源管理系統記錄用戶根據電價改變自身用能行為，VPP 據此協助用電敏感程度高的用戶動態調整用電時間與用電量，降低用戶用能成本并實現削峰填谷的效果。

（二） 美國：電力需求響應模式

美國電力需求旺盛，需要興建大量配套電源保證系統平衡，主要通過在用戶側開展電力需求響應轉移負荷需求來解決備用電源的經濟性問題。PJM 和NYISO 等區域電力市場均有多種需求響應服務，自備電廠、電力大用戶和負荷聚合商等主體可以參與負荷削減、容量交易獲益。近年來，分布式能源在美國多起停電事故中扮演重要角色，2020 年9 月美國聯邦能源管理委員會通過2222 號令，允許分布式能源參與電力市場交易，將推動美國VPP 向分布式能源并網形式發展。當前，美國多個州的公用事業公司與家庭用戶簽署儲電池協議，通過控制電池提供容量、頻率等服務。

（三） 日本：負荷聚合商參與需求響應

日本VPP 已形成能源資源聚合商（Energy Resource Aggregation Business，ERAB）的商業模式，ERAB 中，負荷集成商作為虛擬電廠運營主體，聚合工商業、居民等負荷參與電力市場交易，為系統運營商等企業提供正、負瓦特服務獲益，即填谷、削峰類型的需求響應，其運營模式如圖4 所示。此外，日本由于能源短缺，除過削減負荷、電網平衡輔助服務外，還重視虛擬電廠的備用容量效果，力圖實現發電容量合理規模與電力穩定供應的平衡。

圖4 日本虛擬電廠ERAB 模式

（四） 澳大利亞：光伏與儲電池聯合運行系統

得益于豐富的光照資源，澳大利亞擁有規模可觀的工商業、家庭住宅光伏發電系統和蓄電池系統，如南澳大利亞州在2017 年打造了光伏20MW、儲能54MWh 的虛擬發電廠。澳洲的VPP 實際上是光儲一體化的管理系統，通過協調分布式光伏與儲能出力，解決光伏發電時間與能源需求不匹配、傍晚用電需求快速增加的問題，使用戶用電經濟的同時維護電力系統的穩定運行。

（五） 中國若干虛擬電廠應用形式

我國各省根據自身能源稟賦、電網運行和電力需求等情況，開展了多種VPP 形式：

1. 浙江：高彈性電網保證電力供需平衡

浙江受資源稟賦與空間局限性，電網運行安全與新能源消納矛盾凸顯，為此，正構建多元融合高彈性電網，包括建設虛擬電廠以促進網源荷儲互動、實現省內資源統一調度，應對大規模新能源和高比例外來電帶來的不確定性風險。目前，麗水已建成小水電聚合成的綠色型虛擬電廠，并接入高彈性電網智慧調度平臺，通過控制水電站出力來響應全省電力供需平衡；在平湖建成縣域范圍內的VPP，聚合11 類共計200 兆瓦可調節資源，其余試點建設情況如圖5 所示。

圖5 浙江省虛擬電廠試點建設情況

2. 江蘇：大規模源網荷友好互動系統

江蘇大規模源網荷友好互動系統已經完成三期工程，系統接入了全省樓宇空調負荷、居民家電負荷等各類可中斷負荷資源。當出現電源斷供或緊急事故時，將通過削減負荷需求保障電力系統能源供應可靠。此外，江蘇電網正與蘇寧公司合作打通蘇寧智能家居系統與虛擬電廠系統的功能數據，以實現居民家用電器的海量微負荷參與電網互動，緩解電網峰谷差。

3. 上海：商業建筑型虛擬電廠參與需求響應

2019 年5 月上海市首次開展虛擬電廠參與需求響應試驗，后續還接入了電動汽車、工商業負荷等資源。上海VPP 以商業建筑型為主，其實質是對空調負荷、充電樁等可調資源進行精細化規模化調節，保證電網平穩運行。VPP 由運營平臺與用戶負荷管理系統組成，利用物聯網技術與通信專網，對各類資源進行柔性控制，實現更高效、更智能的需求響應效果，其運行結構如圖6 所示。

圖6 上海樓宇商廈虛擬待電廠運行構成

4. 冀北：泛在虛擬電廠參與調峰服務市場

2019 年12 月冀北泛在虛擬電廠正式投運，該VPP 利用物聯網技術打造的“泛電平臺”接入了秦皇島、張家口和唐山多地的分布式風光、可調節工商業、智慧樓宇等可調資源，參與華北調峰輔助服務市場。VPP 會根據電力系統的調峰需求，調整自身出力或負荷，如在新能源出力較多時，引導負荷需求增加或降低可控機組出力，提升新能源消納水平，獲得相應的調峰收益。

（六） 各類虛擬電廠項目應用對比

上述各地虛擬電廠項目在建設背景、聚合資源類型與技術應用等方面對比如表2 所示。整體來看，虛擬電廠通過需求響應管理和分布式能源優化兩種形式，實現了荷隨源動運行模式的轉變，在實現最大化可再生能源消納的同時，保證電能量與負荷需求的功率平衡，能夠滿足新型電力系統對靈活性資源需求。

表2 典型國家和地區的虛擬電廠對比總結

四、虛擬電廠發展關鍵問題及建議

（一） 虛擬電廠應用形式多樣，亟需探索合理的補償機制與發展模式

經過多年實踐，我國虛擬電廠已經從示范階段發展到探索階段，但由于各地的應用形式不同，虛擬電廠的成本回收、市場機制、技術標準尚不明確，一定程度上制約了虛擬電廠的發展與推廣。為此，建議探索虛擬電廠成本回收機制，盡快健全政策機制、技術標準和發展模式，推動其推廣應用。

1. 探索虛擬電廠受益方的補償機制

虛擬電廠通過削減或增加可控負荷需求，不僅提高新能源消納水平，還保證電力系統穩定。新能源運營商與電網系統商作為虛擬電廠調節服務的直接受益方，應根據可控負荷實際響應量，補償相應費用，實現虛擬電廠成本合理回收。此外，隨著工商業用戶參與市場化交易，可探索由用戶側承擔可控負荷調節費用機制。

2. 建立發展體系支撐，因地制宜開發虛擬電廠

現行電力市場與調度體系難以滿足虛擬電廠實際運行要求，為此，應該根據本地改革進度、電源結構、供需情況和能源規劃等，制定適應當地發展的虛擬電廠模式，確定準入市場、容量規模、響應速率、調節持續時間等標準。如在城市峰谷差高且可調節負荷充裕的地區構建可控負荷為主的虛擬電廠，參與電網削峰填谷提供備用容量服務。而在鄉鎮郊區可興建大量分布式能源、儲能為主的虛擬電廠，為系統提供調峰輔助服務并保證供電穩定。

（二） 海量靈活性資源接入虛擬電廠，亟需提高系統運行調度水平

新型電力系統對靈活性調節能力提出了更高的要求，為此，虛擬電廠需要進一步整合分散式靈活性資源，實現規模化、高效化、市場化運行。但不同類型、不同區域的海量靈活性資源接入，容易造成信息交互缺乏、資源調度不均等問題，對虛擬電廠控制能力提出了新的要求。為此建議建立靈活開放的靈活性資源參與交易機制，引入“云-群-端”架構，實現虛擬電廠集群化管控模式。

1. 制定靈活性資源準入標準，提高運行效率

不同靈活性資源響應特性與規模各異，為充分挖掘可調節潛力、提高資源利用效率，需要制定靈活性資源的市場準入、接入方式、交易流程和結算機制等，建議允許靈活性資源直接接入虛擬電廠或經由負荷聚合商的方式實現對其管控，提升運行效率。

2. 引入“云-群-端”架構模式，提高智能化運行水平

針對海量靈活性資源接入虛擬電廠，打造云端管控平臺、聚類集群和終端設備的“云-群-端”架構模式[10]。該架構下，虛擬電廠接入的分布式能源終端以自然聚合或聚類方式形成不同資源集群，再將最優調度模型信息上傳至云端平臺，平臺計算求解后對終端設備下達指令，實現集群化管控，提升虛擬電廠智能運行水平。

（三） 虛擬電廠社會投資動力不足，健全盈利、增量分配機制保證長期發展

現階段我國虛擬電廠仍然是行政主導的邀約型發展模式，即由政府、電網主導，通過建設財政補貼資金池，對參與響應用戶給予補償。受市場機制限制，虛擬電廠無法通過隔墻售電和電價調整手段獲益，導致社會投資參與響應薄弱，商業化進程遲滯。基于各方利益訴求，建議設計合理投資模式、配套激勵和分配機制，保證虛擬電廠發展。

1. 以混合投資+委托運營模式加快虛擬電廠試點建設

由政府、電網和社會投資者組成合作聯盟，以混合投資的形式委托專業運營公司運作。一方面符合當前混合所有制改革形勢，引入社會資本激發項目運作效率，另一方面則由政府、電網提供政策、機制上的保障，積極推動需求響應試驗，并結合當地電力市場機制建設情況，盡快探索輔助服務市場和電能量市場的交易機制。該運營模式如圖7 所示。

圖7 混合投資+委托運營模式示意圖

2. 根據資源特性制定針對性的激勵措施

不同聚合資源在行為習慣、響應特性存在較大差異，統一的補償方式難以激發主體參與動力。為此，可開展差異化接入方式、制定針對性激勵措施，提高資源參與響應意愿，對外獲得更多的經濟利益，具體如表3 所示。對于增量收益，建議考慮聚合資源的實際響應率、虛擬電廠總響應曲線與調節總效益之間的關系，根據各聚合資源在不同時段對總收益的邊際貢獻度進行合理分配。

表3 不同類型資源接入虛擬電廠方式與激勵措施

（四） 各地電力市場建設進度不一，分階段分地區逐步開展交易

虛擬電廠作為對電力需求側升級的重要手段，借助峰谷電價、尖峰電價等機制，發揮價格杠桿來實現用戶自平衡。然而受各地市場建設進度不一，并且部分省份電改存在滯后，電價難以根據市場需求做出較大幅度變動。此外，負荷側市場價格信號不明晰，難以發揮可調節資源價值。為此，開展虛擬電廠市場化交易應該根據市場建設情況分階段分地區逐步開展，開拓多種盈利方式實現健康發展。

1. 根據市場建設進度，分場景分地區開展

虛擬電廠可持續盈利來源為電力市場交易，而我國正處于電力市場改革期，根據各地的試點進度，大致可劃分為起步、發展和成熟三階段，不同階段的市場機制成熟不一，存在需求響應、輔助服務和電能量市場三種場景。因此，建議分階段分應用場景開展虛擬電廠相關業務，以提升其盈利能力，具體如表4 所示。

表4 典型應用場景下的虛擬電廠

2. 圍繞能源管理和次級市場，探索收益可行性開拓盈利途徑

VPP 的優化控制能力除過為調節能力提供支撐外，還可以從能源管理入手，為內部的可控負荷用戶提供節能服務、能源監測等增值服務。此外，區塊鏈技術的成熟，為碳排放、綠色證書的溯源追蹤提供技術支撐，VPP 可探索電-碳-綠聯合市場交易，開拓虛擬電廠盈利渠道，實現新型電力系統的綠色電力消納可持續運營。

五、總結

隨著雙碳戰略的持續推進，我國能源體系正逐步從傳統化石能源向綠色清潔能源轉型。建設新型電力系統，適應風光為主體的新能源發展，是實現雙碳戰略和能源轉型的必由路徑。但高比例風光并網，不僅改變了電網物理結構，還引發了運行形態理念等變化，給建設新型電力系統帶來了電力供需平衡安全穩定等多方面挑戰。虛擬電廠能夠增強系統靈活性和調節能力，應對未來電力系統的不確定性，是構建新型電力系統的有效手段。但目前虛擬電廠發展前景仍不明朗，未來可通過探索合理補償機制與發展模式、健全盈利分配機制等方式，發揮其對新型電力系統建設的重要作用。