虚拟电厂和能源正义

布列塔尼·斯皮特、埃里克·洛克哈特和亚当·沃伦 国家可再生能源实验室 技术报告NREL / TP - 7A40 - 866072023年10月 虚拟发电厂与能源正义 布列塔尼·斯皮特、埃里克·洛克哈特和亚当·沃伦 国家可再生能源实验室 建议引文 Speetles, Brittany, Eric Lockhart, and Adam Warren. 2023. Virtual Power Plants and Energy Justice.Golden, CO: NREL / TP - 7A40 - 86607. https: / / www. nrel. gov / docs / fy24osti / 86607. pdf. 技术报告NREL / TP - 7A40 - 866072023年10月国家可再生能源实验室15013丹佛西公园路Golden, CO 80401 通知 这项工作由可持续能源联盟有限责任公司根据合同号DE - AC36 - 08GO28308为美国能源部（DOE）运营的国家可再生能源实验室撰写。这项工作得到了NREL实验室指导研究与开发（LDRD）计划的支持。本文表达的观点不一定代表DOE或美国政府的观点。 该报告可从国家可再生能源实验室（NREL）免费获得，网址为www.nrel. gov / publications。 美国能源部（DOE）1991年后产生的报告和越来越多的1991年之前的文件可通过www. OSTI. gov免费获得。 Dennis Schroeder的封面照片：（顺时针，从左到右）NREL 51934，NREL 45897，NREL 42160，NREL 45891，NREL 48097，NREL46526。 Acknowledgments 作者要感谢国家可再生能源实验室的实验室指导研究开发种子计划，该计划资助了这项研究。此外，Bai Ci和Ahmed Zamzam为技术虚拟发电厂概念的初步思考做出了贡献。Roderic Jacso为我们对能源正义概念的思考做出了贡献，特别是将根本原因与当前的挑战联系起来。Nate Blair，Jeifer Daw，Madelie Geociris，Joyce McLare，Mie Meshe，Da Olis，Gia Porro，Mar Rth，Dai Salyer和WilliamToash在编辑和审核过程中提供了宝贵的见解。这项工作受到能源部贷款计划办公室主任Jigar Shah及其领导团队的公开评论的启发。 首字母缩略词列表 ALA美国肺脏协会BIPOC黑色，土著和有色人种CEJST气候与经济正义筛选工具分布式能源资源DERMS DER管理系统美国能源部EJ能源正义EJScreen EPA环境司法筛选工具EV电动汽车FERC联邦能源管理委员会FFR快速频率响应IBEW国际电气工人兄弟会IRA降低通胀法案ISO独立系统操作员IT信息技术JISEA联合战略能源分析研究所kW千瓦千瓦时LPO贷款计划办公室MW兆瓦MWh兆瓦时NECA国家电气承包商协会NREL国家可再生能源实验室PHEV插电式混合动力汽车光伏光伏发电REV改革能源愿景SCE南加州爱迪生V2G车辆到电网VPP虚拟电厂 执行摘要 2020年9月发布的联邦能源管理委员会（FERC）第2222号令允许聚合分布式能源（DER）作为单一实体参与批发能源市场，通常被称为虚拟发电厂（VPP）。VPPs控制可调度，聚合DER（包括灵活，响应负载），有助于多种电力市场类型，并提供各种电网服务[1]。VPP不限于任何特定的DER技术；VPP项目的范围可能因地理位置、特定项目驱动因素和其他项目资格要求而异。VPP项目中的常见技术包括家用设备，电动汽车，太阳能发电，存储和热水器。 通过扩展VPP部署灵活控制和汇总DER的能力可以避免大量的电网基础设施投资，通过提供电网服务赚取收入，降低峰值需求，加快可再生能源的采用，减少电费，并以更低的成本为客户提供本地弹性。如果考虑到环境和能源正义，VPP还具有减少温室气体排放，改善室内和室外空气质量，支持劳动力和经济发展以及解决服务不足的社区1面临的挑战的潜力，例如能源负担[2]，[3]，[4]。 VPPs的话题变得更加相关，因为在美国，DER的采用正在经历快速增长，峰值电力需求也在上升[2]。本文探讨了VPP通过能源正义（EJ）镜头提供能源系统和社会效益的潜力。能源正义是指在能源系统转型中实现社会和经济公平成果的目标，同时也纠正那些历史上受到能源系统伤害的人的社会，经济和健康负担[5]。VPP有可能支持服务不足的社区实现公正的过渡目标和成果，但是与成本相关的，社会经济和历史障碍可能使VPP在服务不足的社区环境中的采用具有挑战性。这些挑战在整个论文中都得到了解决，我们在表2中包含了它们与能源正义的四个原则的等级相关性的表示。 指导我们研究的关键问题包括：什么是VPP用例、价值流和商业模式？能源公正如何与VPP相关，以及如何为服务不足的社区参与和受益而设计VPP？哪些计划激励和其他策略可以改善服务不足的社区获得和受益的机会？ 本文的讨论集中在能源正义的四个原则上：程序正义，分配正义，承认正义和恢复性正义。 程序正义是指参与公平、透明的决策过程。分配正义是指与能源投资有关的结果的公平分配。承认正义是指将社区的需求考虑在内，并在能源过渡计划中包括脆弱，偏远或服务不足的社区。恢复性司法是指补救和社区发展努力。 这四个原则重叠，它们与VPP的相关性或重要性随着哪些用例被优先排序、哪些DER被包括以及其他商业决策而变化，例如如何为VPP融资。本文的表1提供了能源正义原则与各种VPP用例的映射[6]。使用能源正义的四个原则来构建我们的讨论框架： 提供有关当前VPP景观的背景信息，以及其在交互式能源系统中演变的历史背景，提供对当前VPP市场，价值链以及与更广泛的可再生能源经济和能源正义的关系的审查（见图1），从能源系统和社会效益方面评估VPP用例，例如电网服务提供，经济发展和公共卫生，讨论成本、社会经济障碍和历史障碍方面的采用障碍，并讨论如何在服务不足的社区克服这些障碍，分析和编目VPP推进和调整EJ和经济目标的潜力，以及提供有关拟议和现有的VPP计划和项目如何与服务不足的社区中的用例和VPP采用相关的背景信息，如何设计优先考虑EJ目标的计划的背景信息，以及如何改进未来的计划设计以更多地支持EJ目标的机会。 在本文的导言部分中，我们简要讨论了本文的范围，方法和局限性，并将VPP与六个密切相关的概念区分开来：（1）分布式能源资源管理系统，（2）分布式能源，（3）非电线替代方案，（4）需求响应，（5）微电网和（6）本地电力交换。 在“背景”部分，我们提供了各种VPP运营商结构/模型的概述，并讨论了2022年《降低通货膨胀法案》（IRA）的政策激励措施和影响，这些政策为VPP市场增长奠定了基础，包括电气化回扣等。我们提到了2020年第40条行政命令的影响，该命令要求联邦40％ 气候投资转向服务不足的社区。我们简要介绍了2018年和2020年通过的两项FERC法规，这些法规允许VPP与电力批发市场的常规资源竞争，这将VPP计划和激励措施的创建集中在电力批发市场的州。 第3和第4节通过EJ镜头分析VPP用例，并在服务不足的社区中采用。为了制定这些分析，我们对新兴技术与服务不足社区的参与之间的关系进行了文献综述，在第2.3节中进行了讨论。然后，我们列出并描述了服务不足社区的常见挑战，并指出了每个挑战的根本原因。为了清楚地说明VPP的引入如何影响应对这些挑战的社区，我们预测并描述了影响并引用了示例。我们注意到，这种方法可用于应用EJ镜头来分析文献综述内外的其他新兴技术。 为了了解VPP如何创造价值，我们审查了行业报告，并分析了40多个当前和过去的VPP项目和试点计划，重点是美国的例子。一些行业报告在指导我们对本文第2节[1]，[2]，[3]，[4]，[6]，[7]中捕获的当前VPP空间的理解方面特别相关。其他文献和示例说明了第3节和第4节采用VPP的用例和障碍的讨论。我们的论文最后讨论了继续探索该主题的潜在途径。 本文的主要发现包括： VPPs的优点：VPP可以提供电网服务（降低资本要求，支持资源充足性，频率响应，调峰，电压调节和增加系统弹性），支持经济发展（提供本地弹性，减少电费，支持劳动力和经济发展），并改善公共卫生（减少温室气体排放，减少室内/室外空气和噪音污染）。对于大多数这些用例，有一些例子表明人们已经量化了这种好处，而市场又将这种好处货币化。对于那些不可货币化的用例，诸如公共卫生成本和碳的社会成本之类的外部性可以节省成本，将来可以货币化。 在服务不足的社区采用VPP的障碍：服务不足的社区在采用VPP方面面临共同的障碍。我们讨论基于成本的障碍（缺乏资本，贷款挑战，缺乏负担得起的房屋所有权，需要额外的升级），社会经济障碍（能源限制行为，缺乏灵活性资本）和历史障碍（社区不信任，知识障碍，化石燃料经济性和室内/室外空气质量差，自然灾害脆弱性以及不成比例的停电影响）。基于成本的障碍可以通过替代融资方法来解决。迄今为止，社会经济和历史障碍在实践中被克服的例子较少。 能源正义和清洁能源目标：寻求推进清洁能源和EJ目标的计划必须有一个基于EJ目标的计划设计[8]，[9]，[10]，[11]。设计的VPP的例子有限，有意关注服务不足的社区参与和利益。我们预测VPP专门针对 服务不足的社区可能不同于一般用途的VPP项目，因为至少有两个因素:筹资渠道和项目驱动因素。针对服务不足社区的项目的资金渠道可能包括其他补贴计划，例如贷款，赠款，债券，设备租赁和账单融资。此外，虽然VPP项目的主要驱动力是提供电网服务，但在服务不足的社区中VPP项目开发的驱动力也可能包括减轻历史危害的因素，例如减少室内和室外空气污染。 本文提供了有关拟议和现有VPP计划和项目如何与服务不足的社区中的用例和VPP采用相关的背景信息，并提供了有关优先考虑EJ目标的计划如何设计的上下文，并建议如何改进未来的程序设计以更支持EJ目标（例如，在项目开发过程中包括社区参与）[12]。VPP可以实现网格服务，经济效益和公共卫生效益。确保在VPP开发过程中尽早考虑正义原则对于实现服务不足的社区的利益很重要。 目录 执行摘要v1 2背景技术52.1当前VPP景观52.2VPP项目价值链62.3清洁能源技术和能源正义83 VPP使用案例93.1 网格服务113.1.1降低资本要求123.1.2支持资源充足性133.1.3频率响应133.1.4削峰143.1.5电压调节153.1.6提高系统弹性153.2 经济发展163.2.1提供本地弹性163.2.2减少电费163.2.3支持劳动力和经济发展173.3 公共卫生福利183.3.1减少温室气体排放193.3.2减少噪音和室内/室外空气污染203.4 Summary 21 4在服务不足的社区中采用VPP 224.1 基于成本的障碍224.1.1缺乏资本234.1.2贷款挑战244.1.3缺乏负担得起的房屋所有权244.1.4需要额外的升级254.2 社会经济障碍264.2.1能量限制行为264.2.2缺乏灵活性资本264.3 数字列表 图1.沿着VPP价值链加强EJ关系的机会32 表列表 表1. VPPs的使用案例11表2：服务不足的社区面临的挑战22 1Introduction 可再生能源和储能价格的持续下降、能源需求模式的变化、基础设施老化、商业和住宅DER吸收的快速增长以及减少温室气体排放的愿望等因素正在推动电力系统的转型[2]，[13]。这种转变为在设计和规划过程中考虑能源正义等因素以及系统稳定性和成本创造了机会。 美国大规模电网主要通过将电力从大型发电机发送到变电站，通过输电线路，最终通过变压器降压，以便可以在需要的时间和地点输送电力。通过诸如智能逆变器