财富研究主题：财富研究产业掘金能源运营系列一，虚拟电厂灵活调度，助力电网利润最大化

虚拟电厂的本质是为电网提供需求侧响应的“虚拟集中式电厂”。虚拟发电厂VPP（Virtual Power Plant）是通过一个控制中心将一定区域内的传统发电厂、分布式电源、可控负荷和储能系统有机结合，通过算法分析微电网内部电力供给、需求情况，进行综合的发电、用电、储能、物联终端能耗决策驱动区域微电网内部实现平衡，之后虚拟电厂整体作为集合单元参与主网的运行与电力市场交易。虚拟电厂具有绿色特征，是我国实现“双碳”目标的重要手段。 虚拟电厂建设有利实现电网调度灵活性与分布式电网利润最大化。宏观来看，虚拟电厂增强电网调度的灵活性。随着分布式电站的发展，并网电站数迅速增长，传统集中式电网的调度对象以及调度决策的分析难度同步增长，电网的灵活性下降。虚拟电厂以微电网的模式促进新能源就近消纳，减轻主网调度压力同时保证微电网供电稳定性。微观来看，通过构建虚拟电厂经济模型，我们认为虚拟电网推动微电网开源节流，扩大其利润空间。1）虚拟电厂使得中小分布式电厂参与电力交易。2）虚拟电厂使得微电网聚合单元参与辅助服务市场交易。3）虚拟电厂通过电力交易辅助决策扩大厂商利润空间。 欧洲、美国虚拟电厂发展成熟，商业模式全球借鉴。海外虚拟电厂以欧洲、美国两种模式为代表：1）欧洲虚拟电厂以发电资源聚合为主：欧洲是虚拟电厂发源地，目前虚拟电厂已进入商业化阶段，代表企业为德国的Next Kraftwerke，通过帮助企业降低成本获取服务分成与优化双边交易获得收益分成两种方式实现盈利。2）美国虚拟电厂以用电侧资源聚合为主：通过控制电力价格、电力政策的动态变化改变用户习惯，并且太阳能资源丰富，2021年美国家用光伏装机容量已达到22.5GW，满足家庭电力的自发自用，需求侧响应成为了美国应对电力供应紧张的主要措施，并逐渐演化为虚拟电厂计划。 我国虚拟电厂有望触达千亿元级市场空间，兼具资源与技术的厂商有望成为行业龙头。我国电力行业正处于新老电力系统的转型期，市场主体将从单一化向多元化转变。虚拟电厂应运而生，国内厂商处于起步阶段，主要通过需求侧响应、辅助服务补贴获取收益，而虚拟电厂聚合商基于辅助服务收入进行分成盈利。随着电力交易市场化的推进，我国虚拟电厂将向以现货交易为主要获益方式的交易型虚拟电厂转变。从各省电力现货交易试点情况和缺电情况来看，预计广东、浙江、江苏有望最先发展虚拟电厂；虚拟电厂项目也将从以聚合可控负荷为主，逐渐向聚合多种分布式发电、储能资源的综合型项目发展。 风险因素：政策推进不及预期；项目实施成本过高。 1.虚拟电厂：电力市场化背景下智能配电的信息技术 1.1.虚拟电厂概述：统一协调发电资源与需求的物联网技术 统一协调控制分布式发电、需求侧和储能的物联网技术虚拟电厂（virtual PowerPlants，VPP）是实现智能配电网的重要物联网技术。它将分布式发电、需求响应和储能等资源统一协调控制，响应电网调度指令。虚拟电厂通过先进信息通信技术和软件系统，实现通过分布式能源管理系统将配电网中分散分装的清洁能源、可控负荷和储能系统聚合协调，作为一个特殊电厂参与电力市场和电网运行，协调智能电网与分布式能源，对外可等效成一个可控的电源管理系统，挖掘分布式能源为电网和用户带来的价值和效益。 图1虚拟电厂运作模式 1.2.产业链：资源、平台与需求共同搭建 虚拟电厂的产业链由上游基础资源、中游系统平台和下游电力需求方共同构成。分布式电源、储能、可控负荷的发展共同构成了虚拟电厂上游的基础资源，重点应用于包括工业、建筑和居民领域。在实践中各类资源混合杂糅，发展出微网、局域能源互联网等形态，作为虚拟电厂的次级控制单元。中游资源聚合商主要依靠物联网、大数据等技术，整合、优化、调度、决策来自各层面的数据信息，实现虚拟电厂核心功能——协调控制，是虚拟电厂产业链的关键环节。产业链下游为公共事业企业（电网公司）、能源零售商（售电公司）及一切参与电力市场化交易的主体，实现电力交易、调峰调频和需求侧响应的参与并获取收益。 图2虚拟电厂产业链结构 1.3.产业链由发电系统、储能设备和通信系统构成 虚拟电厂主要由发电系统、储能设备、通信系统构成。 发电系统主要包括家庭型(domestic distributed generation，DDG)和公用型(public distributed generation，PDG)这两类分布式电源。DDG的主要功能是满足用户自身负荷，如果电能盈余，则将多余的电能输送给电网;如果电能不足，则由电网向用户提供电能。典型的DDG系统主要是小型的分布式电源，为个人住宅、商业或工业分部等服务。PDG主要是将自身所生产的电能输送到电网，其运营目的就是出售所生产的电能。典型的PDG系统主要包含风电、光伏等新能源发电装置。 能量存储系统可以补偿可再生能源发电出力波动性和不可控性，适应电力需求的变化，改善可再生能源波动所导致的电网薄弱性，增强系统接纳可再生能源发电的能力和提高能源利用效率。 通信系统是虚拟电厂进行能量管理、数据采集与监控，以及与电力系统调度中心通信的重要环节。通过与电网或者与其他虚拟电厂进行信息交互，虚拟电厂的管理更加可视化，便于电网对虚拟电厂进行监控管理。 图3虚拟电厂围绕通信系统建立 2.虚拟电厂为解决电力供需矛盾最优化经济性方案 2.1.虚拟电厂的产生：碳中和背景下电力供需未达平衡 虚拟电厂诞生背景是目前降碳已成为全球共识。多个国家和地区先后签署了《联合国气候变化框架公约》、《巴黎协定》等，旨在控制气候变化，而绿色低碳的可持续发展理念已逐渐成为全球共识。全球主要国家相继针对碳排放问题提出了相应的计划和措施，并对能耗做出具体要求。 2020年9月，习近平主席在第七十五届联合国大会上表示：“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，争取在2060年前实现碳中和”；美国总统拜登提出，美国2030年碳排放将在2005年的基础上减少52%，并在2050 请务必阅读正文之后的免责条款部分 3 of 12 pOtOsMyQoRqRmOnQoRpQqM7N8Q9PoMrRpNsQeRmMvNlOqRmM8OpOqPMYpNnQNZmQoP 年彻底实现“零排放”；欧盟预计到2050年，温室气体排放量减少85-90%，并计划为2030年设定中期目标。 电网不稳定性增强，灵活性资源剧增。电力市场化之后，电力现货交易、新能源大量接入、空调负荷激增、电动汽车的爆发式增长会带来价格的剧烈变动。碳中和趋势加速，新能源装机量和发电量快速发展，占比持续提升，随之带来的影响是电网的不稳定性增强，新能源消纳需求日益旺盛。2030年，虚拟电厂作为灵活性资源的组织形式，实际需求将达到3千亿瓦。虚拟电厂灵活性负荷资源，将保持至少20%以上的负荷增长率。 新型电力系统建设中，风电、光伏的新型发电对电网造成了巨大的冲击。 电这种资源具有瞬时性，发电、供电、用电在同一时间内完成，而风电光伏的发电高峰与我们的用电高峰是不匹配的，近两年频发的电荒事件有很大程度是由于新能源发电和用电的供需错配，而不是发电量的绝对量，我们能够即使响应的稳定能源是不足的。因此在风电光伏大发展的过程中，用电发电的供需矛盾、电网的调峰调频问题也会愈发严峻。 图4能源结构变化推动电网变革 2.2.虚拟电厂增强电网灵活性，构建经济模型使利润空间扩展 宏观来看，虚拟电厂增强电网调度的灵活性。传统电网是集中发电、远距离输电的大型网络，随着分布式电站的发展，并网电站数迅速增长，集中式电网的调度对象以及调度决策的分析难度同步增长，电网的灵活性下降。与此同时，新能源高波动、高间歇性的特点使得电力体系远距离大容量输电更加频繁，影响电网的安全稳定运行。因此，伴随分布式新能源的渗透，我们预计电网有望从集中式演变为虚拟电厂的模式，微电网内部实现平衡之后参与主网的运行，可以减轻主网的调度压力，同时保证微电网内部供电的稳定性。 微观来看，通过构建虚拟电厂经济模型，虚拟电厂扩大了微电网各参与方的利润空间。收入侧，（1）虚拟电厂使得中小分布式电厂参与电力交易。中小企业聚合中小分布式电源，使得单体容量小且发电不稳定的发电厂可以参与电力市场交易获取收入；（2）虚拟电厂使得微电网聚合单元参与辅助服务市场交易。利用储能装置、可控负荷以及出力灵活的微燃机等向主网释放调峰能力，通过参与辅助服务市场获取辅助服务收入； （3）虚拟电厂通过电力交易辅助决策扩大厂商利润空间。虚拟电厂通过对功率预测、负荷预测、用能终端以及市场行情的综合分析，做出购售电以及用能决策，最大化微电网的利润空间。成本侧，虚拟电厂充分激活自身的负荷调节能力，降低电能量采购成本，通过精准的功率与负荷预测，降低调度中心的罚款。 2.3.国家自主贡献力度增强，新型储能市场迎来爆发 多重政策叠加，虚拟电网市场将迎来爆发。储能和虚拟电厂均是解决电网调峰调频的重要方式。国家碳达峰、碳中和“1+N”政策体系相关文件，以及《“十四五”现代能源体系规划》均提出对电力需求侧响应能力的要求。无论从政策规范、技术标准还是市场机制，这些政策的相继出台都将推动虚拟电厂发展提到了重要位置。 表1:国内虚拟电厂相关政策 3.虚拟电厂关键技术：数字化量测体系、通信、智能 调度决策算法以及信息安全防护技术 总结目前虚拟电厂项目运作模式与架构，能够得出各国虚拟电厂所用核心技术具有很强的相似性。数字化量测体系、通信、智能调度决策算法以及信息安全防护技术是虚拟电厂的技术支撑： 图5四大信息技术助力虚拟电厂实现数字化至智慧化发展 3.1.数字化量测体系 在虚拟电厂的发电侧及用户侧都引入数字化仪表（Advanced Metering Infrastructure，AMI）。AMI相对于现行的测量仪表的一大特点是授权于用户，将电网和用户联系起来，让用户可以支撑电网的运行。 3.2.通信技术 控制中心接收各子系统的状态信息、电力市场信息、用户侧信息等，并根据这些信息进行决策、调度、优化；目前可利用包括互联网、虚拟专用网、电力线路载波、无线通信等技术，在此基础上还需要开发虚拟电厂专用的通信协议和通用平台； 3.3.智能调度决策算法 各子系统的统筹优化调度是虚拟电厂实现分布式能源的消纳及保障电网安全、高效、稳定运行的关键；控制中心需要收集、处理的信息包括：用户的需求信息、各子系统运行信息、电网调度信息、电力市场价格信息以及影响分布式电厂的天气、风能、太阳能等信息；根据收集的信息，控制中心需要建立完善的数学模型及优化算法； 3.4.信息安全防护技术 虚拟电厂与各个分布式能源站的工业控制系统、面向用户的用电信息系统、公开的市场营销信息系统、电网的调度信息系统都存在接口，需要做好系统安全防护、强化边界防护、提高内部安全防护能力，保证信息系统安全；在当前针对工业控制系统的安全防护技术和面向用户的用电信息系统防护技术基础上，发展与虚拟电厂相适应的大型综合用电信息系统安全技术也是未来虚拟电厂发展的关键。 4.行业依托电力市场，加大配电网建设投资 基于“市场驱动+独立运营”的理念，全球多国对虚拟电厂纷纷开展研究，其中欧洲、美国、日本、澳大利亚等国家目前均实施了相关项目。本章节将选取欧洲、美国为代表，研究海外成熟虚拟电厂的运作模式。 图6虚拟电厂经营模型 图7全球虚拟电厂发展历程 4.1.“聚合”与“通信”衍生四种服务能力 虚拟电厂是基于互联网的能源高度聚合，以及以此为基础而拓展出的多样化衍生服务，其核心是“聚合”和“通信”。将资源进行聚合，并将接入的资源参与到电网互动中，互动内容包括需求响应、辅助服务、电力现货交易等，优化电网的运行状态与电力市场的广泛参与，是虚拟电厂近期和远期所能提供的主要服务。根据虚拟电厂对外特征，不同类型特征的虚拟电厂具有不同的服务能力。 目前，虚拟电厂具有四类服务方式，第一为电源型的虚拟电厂，具有能量出售的能力，可以参与能量市场，并视实际情形参与辅助服务市场，例如德国、日本；第