虚拟电厂：提升电力系统灵活性的“开关”

虚拟电厂：提升电力系统灵活性的“开关”

目录

1.序言................................................................................................1

2.什么是虚拟电厂.....................................................................................2

3.发展历程...........................................................................................3

4.虚拟电厂分类.......................................................................................4

5.我国虚拟电厂建设..................................................................................4

1.序言

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(VirtualPowerPlants,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。

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r大电网・—―------a电力市场

X可倜谷量.

、、、,稳定出力市场信息

信息流

虚拟电厂能量流

控制中心

信

息

流

、

\、

储能系统

可控负荷

能源一一一电动汽车

智能计量技术

图1虚拟电厂运作示意图，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。

2.什么是虚拟电厂

虚拟电厂是一种通过先进信息通信技术和软件系统，实现DG、储能系统、可控负荷、电动汽

车等DER的聚合和协调优化，以作为一个特殊电厂参与电力市场和电网运行的电源协调管理系统。

虚拟电厂概念的核心可以总结为“通信”和“聚合”。虚拟电厂的关键技术主要包括协调控制技

术、智能计量技术以及信息通信技术。虚拟电厂最具吸引力的功能在于能够聚合DER参与电力市场

和辅助服务巾场运行，为配电网和输电网提供管理和辅助服务。“虚拟电厂”的解决思路在我国有

着非常大的市场潜力，对于面临“电力紧张和能效偏低矛盾”的中国来说，无疑是一种好的选择。

2018年9月，“虚拟电厂”标准获得国际电工委员会(IEC)批准立项，成为全球这一领域首批

国际标准。

从整个世界范围来看，虚拟电厂的研究和实施主要集中于欧洲和北美。根据派克研究公司(Pike

Research)公布的数据，截至2009年底，全球虚拟电厂总容量为19.4GW,其中欧洲占5100,美国

占4400；截至2011年底，全球虚拟电厂总容量增至55.6GW。然而，欧洲与美国虚拟电厂的应用

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形式有着显著的不同，欧洲各国的虚拟电厂亦各具特色。欧洲现己实施的虚拟电厂项口，如欧盟虚

拟燃料电池电厂(virtualfuelcellpowerplant,VFCPP)项目、荷兰基于功率匹配器的虚拟电厂项

目、欧盟FENIX(flexibIeelectricitynetworktointegrateexpected)项目以及德国专业型虚拟电J

(professionalVPP,ProViPP)试点项目，主要针对实现DG可靠并网和电力市场运营的目标考虑而

来，DG占据DER的主要成分；而美国的虚拟电厂主要基于需求响应计划发展而来，兼顾考虑可再

生能源的利用，因此可控负荷占据主要成分。因此，尽管虚拟电厂的概念己提出十余年之久，但对

于虚拟电厂的框架尚无统一的定义卿)。

在文献中，虚拟电厂被定义为依赖于软件系统远程、自动分配和优化发电、需求响应和储能资

源的能源互联网；在文献中，虚拟电厂被定义为与自治微网相同的网络；在文献中，虚拟电厂被定

义为众多连接于低压配电网的热电联产发电机组的组合；在文献中，虚拟电厂被定义为不同类型的

分散在中压配电网不同节点的DER的集合；在文献中，虚以电厂被定义为一个多技术和多站点异质

实体；在文献中，虚拟电厂由可接于配电网任意节点的具有丰富操作模式和可用性的一系列技术组

成；在文献中，虚拟电厂被定义为以直接集中控制方式聚合可控分布式能源(controllable

distributedenergy,CDE)单位或主动用户网(activecustomernetwork,ACN)的信息通信系统。

综合看来，虚拟电厂概念的核心可以总结为“通信”和“聚合”。虚拟电厂可认为是通过先进

信息通信技术和软件系统，实现DG、储能系统、可控负荷、电动汽车等DER的聚合和协调优化，

以作为一个特殊电厂参与电力市场和电网运行的电源协调管理系统。

3.发展历程

随着世界能源紧缺、环境污染等问题的日益突出，分布式电源(distributedgenerator,DG)以其

可靠、经济、灵活、环保的特点而被越来越多的国家所采用。然而，尽管DG优点突出，但仍存在

诸多问题。首先，DG容量小、数量大、分布不均，使得单机接入成本高，对系统操作员常不可见

乃至管理困难；其次，DG的接入给电网的稳定运行带来了许多技术难题，如潮流改变、线路阻

塞、电压闪变、谐波影响等；再次，目前“安装即忘记(fitancbforget)”的DG操作方式以及电力市

场容量的限制亦更加阻碍了DG的大规模并网。

当今，全世界的电力行业正在迅速转型，电力系统应该基于市场运营，但是，由于DG的特

点，如容量小或其具有的间断性和随机性，仅靠它们本身加入电力市场运营并不可行。然而，将

DG聚合成一个集成的实体(integratedentity)为这一问题提供了解决途径曰。

中国大多采用微网的概念作为DG的并网形式，它能够很好地协调大电网与DG的技术矛盾，

并具备一定的能量管理功能，但微网以DG与用户就地应用为主要控制目标，且受到地理区域的限

制，对多区域、大规模DG的有效利用及在电力市场中的规模化效益具有一定的局限性。主动配电

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网是实现大规模DG并网运行的另一种有效解决方案，它的概念将DG的接入半径进行了一定的扩

展，能够对配电网实施主动管理，但对DG能够呈现给大电网及电力市场的效益考虑不足。虚拟电

r(virtualpowerplant,VPP)的提出则为解决这些问题提供了新的思路。

“虚拟电厂”这一术语源于1997年ShimonAwerbuch博士在其著作《虚拟公共设施:新兴产业

的描述、技术及竞争力》一书中对虚拟公共设施的定义:虚拟公共设施是独立且以市场为驱动的实体

之间的一种灵活合作，这些实体不必拥有相应的资产而能够为消费者提供其所需要的高效电能服

务。正如虚拟公共设施利用新兴技术提供以消费者为导向的电能服务一样，虚拟电厂并未改变每个

DG并网的方式，而是通过先进的控制计量、通信等技术聚合DG、储能系统、可控负荷、电动汽车

等不同类型的分布式能源(distributedenergyresource,DER),并通过更高层而的软件构架实现多

个DER的协调优化运行，更有利于资源的合理优化配置及利用。虚拟电厂的概念更多强调的是对外

呈现的功能和效果，更新运营理念并产生社会经济效益，其基本的应用场景是电力市场。这种方法

无需对电网进行改造而能够聚合DER对公网稳定输电，并提供快速响应的辅助服务，成为DER加

入电力市场的有效方法，降低了其在市场中孤独运行的失衡风险，可以获得规模经济的效益。同

时，DER的可视化及虚拟电厂的协调控制优化大大减小了以往DER并网对公网造成的冲击，降低

了DG增长带来的调度难度，使配电管理更趋于合理有序，提高了系统运行的稳定性。

2018年9月，中国风电、太阳能发电装机年均增长44%和191%,远高于全球平均增速。但

风能、太阳能等随机性、间歇性和波动性特征，大规模、高比例接入将给电力系统平衡和电网安全

运行带来一系列挑战。

4.虚拟电厂分类

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。

5.我国虚拟电厂建设

2021年以来，国家和地方陆续推出与虚拟电厂相关的玫策，部分省市也出台了明确的落地方

案或补贴标准。

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表12021年-2022年虚拟电厂主要政策梳理

时间名称类别主要内容

2021.3《关于推进电力源网荷储顶层设计充分发挥负荷例的调节能力。依托••云大物移智链.等技术,进一

一体化和多能互补发展的步加强源网荷储多向互动,通过虚拟电厂等一体化聚合模式,参

指导意见》与电力中长期、辅助服务、现货等市场父易,为系统提供调节和

支撑能力

2021.7《关于加快推动新型储能商业模式鼓励聚合利用不间断电源、电动汽车、用户侧储能等分散式储能

发展的指导意见》设施,依托大数据、云计算、人工智能、区块链等技术,结合体

制机制综合创新,探索智慧能源、虚拟电厂等多种商业模式

2022.1<•十四五现代能源体系示范项目开展工业可调节负荷、楼宇空调负荷、大数据中心负荷、用户侧

规划》储能、新能源汽车与电网(V2G)能量互动等各类资源聚合的虚拟电

厂示范

2022.1《关于完善能源绿色低碳商业模式拓宽电力需求响应实施范围,通过多种方式挖掘各类需求侧资源

转型体制机制和政策措施并组织其参与需求响应,支持用户侧储能、电动汽车充电设施、

的意见》分布式发电等用户侧可调节资源,以及负荷聚合商、虚拟电厂运

营商、综合能源服务商等参与电力市场交易和系统运行调节

2022.1《关于加快建设全国统一电价补贴引导各地区根据实际情况,建立市场化的发电容量成本回收机制.

电力市场体系的指导意探索容量补偿机制、容量市场、稀缺电价等多种方式.保障电源

见》固定成本回收和长期电力供应安全。鼓励抽水蓄能、储能、虚拟

电厂等调节电源的投资建设

20226《北京市•十四五”时期能落地方案发挥电力在能源互联网中的纽带作用,挖掘需求响应资源,聚集

源发展规划》大型商务楼宇、电动汽车和储能设施等资源,建设虚拟电厂

2022.6《虚拟电厂建设与运营管地方规划以市场机制为依托,以技术革新为动力,加快推进虚拟电厂建设.

理实施方案》扩大需求侧(储能:响应规模,提升我省新能源消纳及需求响应能

力,形成源荷储发展良性循环

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

续推逆，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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地区土要场景试点项目特点

浙江调峰，清洁能源消纳浙江平湖县域■•虚拟电厂’每年可节约3亿元电网新建投资成本,提

高清洁能源消纳空间9600万度电量，减

少碳排放约7.6万吨

深圳软件，运营管理平台深圳网地一体虚拟电厂平验证了虚拟电厂可以像常规电厂一样,为

台电网提供备用辅助服务

上海商业楼宇能源管理、削峰填谷黄浦区商业建筑需求侧管构建以商业楼宇为主的虚拟电厂体系

理示范项目

安徽源网荷储一体化虚拟电厂合肥虚拟电厂项目三年内合肥区域虚拟电厂总容量占比将

送到夏季降温负荷400万千瓦的近两成.

相当于少建设一座80万千瓦传统电厂

冀北新能源消纳，需求相应冀北泛在电力物联网虚拟把能源互联网从“概念•推向••落地：实现

电厂示范项目以电为中心,热、气、水等能源互联互通.

打造能源互联网技术样板间

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NextKraftwerke的成功经验。

NextKraftwerke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。

NextKraftwerke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