吳清普 ,翟亞婷 ,范文杰 ,吳 蔚

(國網(wǎng)河北省電力有限公司石家莊供電分公司a.營銷服務(wù)中心;b.電力調(diào)度控制中心,河北 石家莊 050081)

在國家“碳達(dá)峰、碳中和”的目標(biāo)背景下,以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)正在加快構(gòu)建,隨著能源轉(zhuǎn)型的不斷深入,在促進(jìn)節(jié)能減排的同時,也給電力系統(tǒng)平衡調(diào)節(jié)和電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了新的挑戰(zhàn).一是風(fēng)能、太陽能等清潔可再生能源,具有隨機(jī)性、間歇性、波動性特征,將其大規(guī)模、高比例接入電網(wǎng),將增大電力系統(tǒng)平衡調(diào)節(jié)的難度,調(diào)峰困難;二是分布式發(fā)電資源規(guī)模較小且布局分散,難以真正參與電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度,乃至電力市場的競爭,難以通過市場發(fā)現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)價值[1].虛擬電廠技術(shù)形態(tài)與源網(wǎng)荷儲互動運(yùn)營模式作為破解清潔能源消納和綠色能源轉(zhuǎn)型的一種方案,能解決可再生能源大量接入帶來的電網(wǎng)調(diào)峰、消納難題,推動新能源市場有序發(fā)展,為新能源參與電力市場交易提供途徑,為新能源消納提供保障,對我國能源戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型具有重大意義.

1 虛擬電廠發(fā)展現(xiàn)狀

2021年10月,國務(wù)院印發(fā)《2030年前碳達(dá)峰行動方案》,要求加快靈活調(diào)節(jié)電源建設(shè),引導(dǎo)虛擬電廠參與系統(tǒng)調(diào)節(jié)[2].2021—2022年,國家發(fā)改委、國家能源局6次提出推動虛擬電廠建設(shè)并參與電網(wǎng)調(diào)節(jié).江蘇、浙江、重慶等12省市已出臺需求響應(yīng)市場運(yùn)營規(guī)則,安徽、北京、廣東等12省市將推動虛擬電廠發(fā)展列入“十四五”能源發(fā)展規(guī)劃.2022年6月山西省能源局正式印發(fā)《虛擬電廠建設(shè)與運(yùn)營管理實(shí)施方案》,明確虛擬電廠并網(wǎng)運(yùn)行技術(shù)規(guī)范和運(yùn)營管理規(guī)范,啟動了現(xiàn)貨市場環(huán)境下全國首個省級虛擬電廠市場運(yùn)營體系建設(shè)[3].2022年8 月,深圳市成立國內(nèi)首家虛擬電廠管理中心[4].2023年5 月,寧夏回族自治區(qū)出臺《虛擬電廠建設(shè)工作方案(試行)》[5].2021年深圳市新能源產(chǎn)業(yè)增加值約642億元,新能源發(fā)電裝機(jī)規(guī)模占全市總裝機(jī)容量的77%,在綠證交易、CCER 碳資產(chǎn)管理等方面也出臺了多項(xiàng)政策[6].2022年11月25日,國家能源局正式發(fā)布《電力現(xiàn)貨市場基本規(guī)則(征求意見稿)》《電力現(xiàn)貨市場監(jiān)管辦法(征求意見稿)》,明確提出“推動儲能、分布式發(fā)電、負(fù)荷聚合商、虛擬電廠和新能源微電網(wǎng)等新興市場主體參與交易”,這為虛擬電廠進(jìn)入現(xiàn)貨市場做好了政策頂層設(shè)計(jì)[7].

2 虛擬電廠市場需求

(1)新能源主體優(yōu)勢初步顯現(xiàn)

以河北南部電網(wǎng)為例,截至2022年10月底,新能源裝機(jī)容量達(dá)2 872.39萬k W·h,占總裝機(jī)容量的47.71%,其中分布式光伏裝機(jī)容量1 493.83萬k W·h,占新能源裝機(jī)容量的52%.預(yù)計(jì)到2025年,僅石家莊市新能源裝機(jī)容量將達(dá)到970萬k W·h,占新能源裝機(jī)容量的48%,分布式電源、儲能等交互式設(shè)備正逐步代替常規(guī)機(jī)組廣泛接入.[8]

(2)可調(diào)節(jié)負(fù)荷資源潛力較大

以河北南部電網(wǎng)為例,區(qū)域內(nèi)負(fù)荷側(cè)可調(diào)節(jié)資源儲量豐富,優(yōu)化控制空間巨大.2021年底,區(qū)域內(nèi)電動汽車達(dá)18.7萬輛,年充電量超3.3億k W·h,電采暖用戶118.2萬戶,日最大負(fù)荷達(dá)180萬k W·h,2021年空調(diào)用電負(fù)荷已超過1 600萬k W·h[9].此外,抽水蓄能、分布式儲能、集中式儲能、冷熱雙蓄、智慧樓宇、靈活產(chǎn)能等可調(diào)節(jié)負(fù)荷在政策引導(dǎo)下也有較大的發(fā)展空間.

(3)虛擬電廠投資經(jīng)濟(jì)效益明顯

據(jù)統(tǒng)計(jì),在新能源為主體的電力系統(tǒng)中,通過火電廠滿足5%的峰值能力,約需投資4 000億元;而采用虛擬電廠模式,在建設(shè)、運(yùn)營等環(huán)節(jié)的總投資僅需500億元至600億元[10].虛擬電廠建設(shè)不僅可促進(jìn)新能源消納,還可延緩電網(wǎng)升級投資建設(shè),并且隨著市場逐漸成熟,可帶動電子信息、裝備制造等產(chǎn)業(yè)升級,以及光伏、風(fēng)電、儲能等綠色能源的發(fā)展,進(jìn)一步為地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展注入新活力.

3 虛擬電廠的類型與商業(yè)模式

3.1 虛擬電廠的類型[11]

3.1.1 電源型

虛擬電廠經(jīng)營方聚合市場化發(fā)電用戶,組建虛擬電廠,整體呈現(xiàn)為電源狀態(tài),可參與電能量市場,視實(shí)際情況參與需求響應(yīng)和輔助服務(wù)市場.此類電廠可聚合光伏、風(fēng)電等分布式電源,助力新能源消納.

3.1.2 負(fù)荷型

虛擬電廠經(jīng)營方聚合具備負(fù)荷調(diào)節(jié)能力的市場化電力用戶,組建虛擬電廠,整體呈現(xiàn)為負(fù)荷狀態(tài),可參與市場需求響應(yīng)和輔助服務(wù)市場,但出售電能量的能力不足.此類電廠可聚合電動汽車充換電、樓宇空調(diào)等可調(diào)節(jié)負(fù)荷資源,助力電網(wǎng)削峰填谷.

3.1.3 儲能型

虛擬電廠經(jīng)營方聚合儲能設(shè)備、電動汽車等電力用戶,組建虛擬電廠,整體呈現(xiàn)負(fù)荷或電源狀態(tài),既可參與市場需求響應(yīng)和輔助服務(wù)市場,也可在部分時段放電,以出售電能.此類電廠可聚合電化學(xué)儲能、飛輪儲能、壓縮空氣儲能等儲能資源,通過峰谷價差來平衡收益,帶動項(xiàng)目投資落地.

3.1.4 混合型

虛擬電廠經(jīng)營方聚合具備負(fù)荷調(diào)節(jié)能力的市場化電力用戶、光伏、風(fēng)電、儲能設(shè)備、電動汽車等電力用戶,組建虛擬電廠,整體呈現(xiàn)負(fù)荷或電源狀態(tài),既可參與市場需求響應(yīng)和輔助服務(wù)市場,也可參與電能市場.此類電廠可整合分布式光伏、風(fēng)電、電動汽車充換電、樓宇空調(diào)、儲能等各類資源組成微電網(wǎng),形成全能型虛擬電廠.

3.2 虛擬電廠商業(yè)模式

虛擬電廠的主要營收來源于聚合電力用戶參與市場交易中收益的分成.在中長期市場,虛擬電廠聚合分布式電源、儲能資源,作為市場化發(fā)電機(jī)組參與中長期容量補(bǔ)償服務(wù),保證發(fā)電容量的充裕度,在限定的市場價格下,承諾在緊急情況下提供容量,虛擬電廠發(fā)電側(cè)資源可獲得容量補(bǔ)償.在電力現(xiàn)貨市場,虛擬電廠參與現(xiàn)貨市場交易主要有3種:一是通過削峰解決當(dāng)負(fù)荷水平較高、發(fā)電容量不足時的容量短缺問題;二是通過填谷解決當(dāng)負(fù)荷水平較低、因新能源大發(fā)導(dǎo)致電網(wǎng)負(fù)備用不足、影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的問題;三是虛擬電廠可以作為“市場化發(fā)電機(jī)組”,將分布式電源、儲能等資源聚合參與日前市場交易申報(bào),通過低電價時段儲能用電,高電價時段儲能放電、分布式光伏發(fā)電平抑現(xiàn)貨市場價格.

4 虛擬電廠市場建設(shè)及管理

4.1 市場組建

由省級電力主管部門出臺虛擬電廠市場運(yùn)營規(guī)則、準(zhǔn)入和退出機(jī)制等政策,構(gòu)建虛擬電廠省級市場,依托省級電網(wǎng)調(diào)度、交易部門開展并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)、計(jì)量計(jì)算、調(diào)度指揮、現(xiàn)貨交易、結(jié)算交易出清等工作,由省級電力主管部門授權(quán)省級電網(wǎng)企業(yè)建設(shè)省級虛擬電廠運(yùn)營管理平臺和運(yùn)營管理中心,市縣級供電公司按相應(yīng)層級電力主管部門授權(quán)成立市縣級運(yùn)營管理中心,利用省級虛擬電廠運(yùn)營管理平臺,為市域內(nèi)虛擬電廠和負(fù)荷聚合商提供市場參與服務(wù).

4.2 虛擬電廠運(yùn)營管理平臺建設(shè)

由省級電力主管部門授權(quán)在省級電網(wǎng)企業(yè),根據(jù)國家相關(guān)政策和市場需求,依托省級電網(wǎng)企業(yè)能源配置、用電數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)管理等資源優(yōu)勢,在省級電力主管部門的指導(dǎo)和委托下,建設(shè)虛擬電廠管理服務(wù)子系統(tǒng),向調(diào)度源網(wǎng)荷儲系統(tǒng)、電力現(xiàn)貨交易系統(tǒng)報(bào)送聚合數(shù)據(jù),通過市場化售電系統(tǒng)向電力交易平臺及新一代電費(fèi)結(jié)算系統(tǒng)提供虛擬電廠現(xiàn)貨量價申報(bào)、現(xiàn)貨出清、價格結(jié)算、調(diào)控評估結(jié)果等信息,其交互關(guān)系見圖1.

圖1 虛擬電廠運(yùn)營管理平臺與電網(wǎng)企業(yè)其他平臺的交互關(guān)系

由圖1可知,在市縣供電公司層面,服務(wù)屬地虛擬電廠和負(fù)荷聚合商委托代建的虛擬電廠聚合運(yùn)營子系統(tǒng)或用戶自建的技術(shù)支持系統(tǒng)接入虛擬電廠管理服務(wù)子系統(tǒng),提供并網(wǎng)、負(fù)荷預(yù)測、電價預(yù)測等服務(wù).

虛擬電廠市場運(yùn)營由市場運(yùn)營層、系統(tǒng)平臺層、通信網(wǎng)絡(luò)層、設(shè)備資源層組成.系統(tǒng)平臺層虛擬電廠主站側(cè)主要包含管理服務(wù)子系統(tǒng)和仿真檢測子系統(tǒng),虛擬電廠子站側(cè)主要包含聚合運(yùn)營子系統(tǒng)、社會第三方技術(shù)支持系統(tǒng)(用戶自建).虛擬電廠運(yùn)營平臺架構(gòu)圖見圖2.

圖2 虛擬電廠運(yùn)營平臺架構(gòu)圖

其中,市場運(yùn)營層主要功能是開展需求響應(yīng)和輔助服務(wù)、電能量市場運(yùn)營,負(fù)責(zé)建設(shè)、維護(hù)、指揮電網(wǎng)正常秩序,并進(jìn)行響應(yīng)邀約、數(shù)據(jù)交互、費(fèi)用結(jié)算等工作.系統(tǒng)平臺層包括管理服務(wù)子系統(tǒng)、仿真檢測子系統(tǒng)、聚合運(yùn)營子系統(tǒng),主要功能是實(shí)現(xiàn)虛擬電廠接入及管理,構(gòu)建虛擬電廠參與市場的技術(shù)能力測試和安全性測試體系,服務(wù)于廣大虛擬電廠運(yùn)營商,負(fù)責(zé)聚合優(yōu)化、協(xié)調(diào)控制運(yùn)營商所代理的用戶側(cè)資源,實(shí)現(xiàn)資源聚合、協(xié)調(diào)控制、輔助決策、運(yùn)營支撐等.通訊網(wǎng)絡(luò)層幫助各類虛擬電廠和負(fù)荷聚合商通過4G/5G 通信、邊緣計(jì)算等信息技術(shù)和軟件系統(tǒng)與系統(tǒng)平臺層進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,接受市場運(yùn)營指令進(jìn)行負(fù)荷調(diào)節(jié).設(shè)備資源層儲存各類光伏、儲能、電動汽車充換電、建筑空調(diào)等可調(diào)節(jié)資源的電力用戶數(shù)據(jù).

4.3 虛擬電廠運(yùn)營管理中心建設(shè)

在電力主管部門指導(dǎo)下,建立省市兩級虛擬電廠運(yùn)營管理中心,負(fù)責(zé)轄區(qū)內(nèi)虛擬電廠市場運(yùn)營管理,主要包括政策研究、標(biāo)準(zhǔn)制定、準(zhǔn)入管理、秩序維護(hù)等.

在省發(fā)改委統(tǒng)一部署下,各地市將形成本區(qū)域市場、由市發(fā)改委委托市供電公司建設(shè)虛擬電廠運(yùn)營管理中心,應(yīng)用虛擬電廠運(yùn)營管理平臺為區(qū)域內(nèi)聚合商、用戶等市場主體提供參與電力市場交易的途徑,為電網(wǎng)提供調(diào)峰、調(diào)頻、備用等輔助服務(wù),同時開展數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)查詢、虛擬電廠并網(wǎng)審批等管理服務(wù).為政府提供精準(zhǔn)決策、高效管理和政策下達(dá)服務(wù),不斷提高能源市場化配置效率.

5 現(xiàn)貨市場下的交易過程

現(xiàn)貨市場下虛擬電廠市場交易過程主要分為交易準(zhǔn)備、市場交易、交易執(zhí)行、交易結(jié)算4個階段,在交易準(zhǔn)備階段,虛擬電廠根據(jù)代理協(xié)議對所代理用戶的資源進(jìn)行準(zhǔn)備,對用戶資源進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與資源聚合,傳輸至電網(wǎng)調(diào)度源網(wǎng)荷儲系統(tǒng);在市場交易階段,虛擬電廠通過電力交易平臺查詢現(xiàn)貨交易公告,對現(xiàn)貨分段量價曲線進(jìn)行申報(bào),通過調(diào)度源網(wǎng)荷儲系統(tǒng)進(jìn)行安全校核,形成有約束的交易結(jié)果,并通過電力交易平臺推送回虛擬電廠;在交易執(zhí)行階段,虛擬電廠生成用電總計(jì)劃曲線及調(diào)控策略,將指令下發(fā)至用戶設(shè)備,用戶設(shè)備響應(yīng)后,虛擬電廠進(jìn)行運(yùn)行情況分析評估;在交易結(jié)算階段,電力交易平臺發(fā)布交易結(jié)算結(jié)果,虛擬電廠為所代理用戶中的響應(yīng)用戶開展結(jié)算,并進(jìn)行運(yùn)行狀況統(tǒng)計(jì).交易過程示意圖見圖3.

6 虛擬電廠市場化運(yùn)營的優(yōu)勢

(1)有利于虛擬電廠運(yùn)營管理體系持續(xù)完善

開展虛擬電廠市場化運(yùn)營,可以推動虛擬電廠市場運(yùn)營先行先試,建立屬地政府與電網(wǎng)企業(yè)工作協(xié)同機(jī)制;可以推動虛擬電廠市場運(yùn)營和試點(diǎn)項(xiàng)目建設(shè),開展虛擬電廠發(fā)展規(guī)劃、準(zhǔn)入和退出機(jī)制、市場運(yùn)營規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范研究,進(jìn)一步釋放市場潛能.

(2)助力能源保障供應(yīng)

虛擬電廠可聚合光伏、風(fēng)電、儲能等分布式電源資源參與需求響應(yīng)市場和電能量市場運(yùn)營,提供分布式新能源消納途徑,優(yōu)化電網(wǎng)運(yùn)營管理方式,緩解接入受限情況,減少新能源棄限,助力電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行.

(3)有利于規(guī)劃市場運(yùn)營

近年來由于分布式新能源市場的快速發(fā)展,市場規(guī)劃不充分導(dǎo)致部分能源接入受限.隨著虛擬電廠市場的初步形成,市場能源需求逐步增加,合理規(guī)劃虛擬電廠建設(shè),對市場合理、有序發(fā)展,保障新能源消納具有重要的積極作用.