虚拟电厂盈利模式典型案例-全球新视野
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什么是虚拟电厂？
虚拟电厂（VPP, virtual power plant）是指利用物联网和先进通信技术，聚合分布式电源、储能系统、可控负荷等各类资源形成的电源协调管理系统。它本质上是将分布式电源（发电）、可控负荷（用电）、储能等利用计算机通信网络技术将其聚合成一个虚拟的集中式电厂，来为电网提供需求侧响应。不同于微电网，虚拟电厂参与的需求侧响应打破了空间的束缚，通过集控平台进行调节响应。
虚拟电厂产业链包括上游基础资源、中游系统平台和下游电力需求方三个环节。上游基础资源指可调负荷、分布式电源和储能设备。中游系统平台，主要是指依靠互联网整合优化供给和需求的信息，增强虚拟电厂的协调控制能力的资源聚合商。下游为电力需求方，由电网公司、售电公司和大用户构成。
虚拟电厂可分为负荷侧虚拟电厂、电源侧虚拟电厂和源网荷储一体化虚拟电厂三大类。当前我国虚拟电厂试点的多为负荷侧虚拟电厂，冀北试点的虚拟电厂为国内鲜有的源网荷储一体化虚拟电厂试点。负荷侧虚拟电厂是指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。电源侧虚拟电厂是指在分布式电源发电侧建立虚拟电厂。源网荷储一体化虚拟电厂是指集合发电电源和负荷用电用户，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。
虚拟电厂的作用和优势
虚拟电厂可在电力系统各个环节发挥重要作用。在新型电力系统建设中，新能源发电的比重快速增长，但新能源发电具有很大的波动性，给电网安全稳定运行带来巨大挑战。为了解决上述问题，我国大力发展储能，而虚拟电厂在促进新能源消纳、电网调频调峰等方面同样大有可为，是储能的重要补充。在电网侧，虚拟电厂可以为电网提供调频调峰服务、负荷备用服务等，提高电网安全运行水平。在用户侧，电力用户通过参与需求响应，用能效率大幅提升，在降低电费的同时，还可以获取需求响应收益。如江苏南京试点项目，平均提升用户能效20%；无锡试点项目，提高园区整体综合能源利用率约3个百分点，降低用能成本2%，年收益约300万元。在电源侧，虚拟电厂可以提供海量分布式电源精益化管理手段，促进新能源消纳。
虚拟电厂是解决电网负荷的最具经济性选项之一。根据国家电网的测算，通过火电厂实现电力系统削峰填谷，满足5%的峰值负荷需要投资4000亿，而通过虚拟电厂仅需投资500-600亿元，成本仅为火电厂的1/8-1/7。
虚拟电厂的三个阶段
虚拟电厂发展分为三个阶段，邀约型，交易型和自治型。当前，由于我国目前储能和分布式电源以及电力交易市场尚未发展成熟，虚拟电厂主要处于邀约型向市场型过渡的阶段。
交易型阶段：电能量现货市场、辅助服务市场和容量市场建成后，虚拟电厂聚合商以类似于电厂的形式，参与市场获取收益。
邀约型阶段：在没有电力市场情况下，由政府机构牵头，各个聚合商参与，共同完成邀约、响应和激励流程。
自治型阶段：跨空间自主调度型虚拟电厂。随着电厂聚合的资源种类越来越多，数量越来越大，空间越来越广，形成“虚拟电力系统”，既包括可调负荷、储能和分布式电源等基础资源，也包括这些基础资源整合而成的微网、局域能源互联网。
虚拟电厂盈利来源
1.可再生能源发电的预测和监控
可再生能源的进给难以控制，导致电力现货市场价格变动时公用事业公司难以及时调整电力投资组合，从而导致1）现货市场电价转为负值时，可再生能源供给不能及时削减，从而带来亏损；2）电力平衡机构的需求变动大，公用事业公司依靠传统手段难以了解和预测可再生能源发电水平，导致因事后修正电力投资组合而承受昂贵的平衡成本。
公用事业公司投资组合中的所有可再生能源通过远程控制单元联网，以实时显示不同发电站的发电总量，从而能够直接控制特定可再生能源发电的交易。此外，虚拟电厂还能够综合不同发电站的发电数据和外部导入的气象数据来帮助预测可再生能源的发电量。
盈利方式：
1）增强了对电力投资组合的预测能力和控制，帮助公用事业公司节省因投资组合和实际需要不同带来的平衡成本。
2）当可再生能源电价降到负值时，公用事业公司可以及时削减售电组合中可再生能源发电的占比。
3）如果可再生能源投资组合包含生物能源或水电（或地热等其他可调度的可再生能源），公用事业公司可以使用虚拟电厂来优化和控制这些资产的发电计划，例如在预计电价上涨时增加这些资产的发电，从而在短期市场上击败平均价格，带来额外收入。
4）在可再生能源份额较高的能源市场中，电价往往由光伏和风电驱动，因此通过更好地了解自己的可再生能源投资组合，公用事业公司可以更多地了解整个电力市场的情况以及现货市场价格走向，从而提高交易安全性和盈利能力。
2.电网弹性聚合
虚拟电厂参与电网辅助服务，提高电网弹性。在收到来自电网运营商的增加或减少发电量的信号后，虚拟电厂的中央控制系统结合各个可调度的可再生能源电厂的响应时间限制、运行状态等因素，将运营商的信号拆分为多个单独的子信号，发送到各个可再生能源电厂。这些信号会进一步被自动发送到电厂中的各个联网单元，通过综合调控虚拟电厂下的不同发电单元的，从而实现总体的调峰调频效果。
盈利方式：虚拟电厂运营商通过容量招标及辅助服务盈利。
3.需求响应聚合
虚拟电厂聚合需求侧的电力消耗单元，统一进行负荷管理，从而提供需求响应服务，获取辅助服务收入。此外，在部分市场，虚拟电厂还参与容量招标，获得中标容量的结算费用。此时虚拟电厂的作用在于提高电力消费的领活动。
盈利方式：通过辅助服务市场竞标收入、降低电力采购成本盈利。
4.户用虚拟电厂
将电池储能、户用光伏和电动汽车充电连接到一个综合的家庭能源系统中，实现户用能源调配。降低电网使用，避免配电堵塞，实现调峰，增加电网独立性，增加电表后资产灵活性，提高对电网使用的控制。
盈利方式：用户增加电力自用，聚合商提供辅助服务盈利，公用事业公司通过减少电网升级费用增加收入。
虚拟电厂典型案例
实践案例1：德国独立虚拟电厂运营商NEXT
NextKraftwerke（NEXT）成立于2009年，是欧洲建立最早、规模最大的虚拟电厂之一，同时也是欧洲电力现货市场认证的能源交易商，参与能源的现货市场交易。
截至2022年Q3，公司已有14841个聚合单元，11182兆瓦联网装机容量，其中包括沼气电厂、热电联产厂、水电、光伏、电池储能、电转气、电动汽车、参与需求侧响应的工业负荷。
2019年参与电力交易规模达到15.1TWh，2020年营业收入5.95亿欧元，并于2021年被壳牌公司收购，壳牌预计将帮助NEXT实现到2030年每年销售约560TWh电力的目标。
NEXT提供的业务模式主要包括可再生能源发电的预测和监控、电网弹性聚合和需求响应聚合。NEXT使用基于大数据（例如电厂运行情况、天气数据、市场价格信号、电网数据）的智能算法，提高可再生能源发电机组和工业用户对价格信号的响应速度；在发电机组上安装远程控制装置NextBox，通过虚拟电厂平台对聚合的各个电源进行控制，从而参与电力市场交易并获取利润分成；利用生物质发电和水电启动速度快、出力灵活的特点，参与电网的二次调频和三次调频，从而获取附加收益。
实践案例2：德国能源电力公司E.ON
E.ON在德国和英国开发的虚拟电厂业务包括150家电厂（600MW）。E.ON为其所拥有的包括发电机组、能源用户（工业负荷、水泵、热电联产）和储能设施（如电池）等提供控制设备，从而实现对电厂的远程管理，以优化电厂的收入，并帮助电厂参与平衡市场增加收入。
E.ON还与工业企业合作，让其参与电力市场。例如，E.ON和thyssenkrupp合作，将其制氢工厂通过虚拟电厂连接到德国电力市场中。在E.ON虚拟电厂的自动控制下，如果电网有高需求，thyssenkrupp的工厂将关闭氢气生产，将电解所需的能量提供给电网；相反，如果电网中的电能超过配电需求，那么工厂就会增加氢气产量，以此获得平衡服务和辅助服务收入。
实践案例3：特斯拉
特斯拉推出自主研发的能源资产实时交易和控制平台Autobidder，能够向用户提供虚拟电厂服务，聚合负荷资源参与能量交互响应，该产品具备价格预测、负荷预测、发电量预测、智能竞价及优化调度等功能。
2022年，特斯拉与加州公用事业公司PG&E合作开展紧急减负荷计划（Emergency Load Reduction Program），以通过虚拟电厂的方式减少电网在需求高峰时期承受压力时的发电需求。
具体方案是，当加州电网因为天气炎热而需要额外的电力供应时，特斯拉Powerwall的用户可以通过将他们储存的电量返回电网，以获得每千瓦时2美元的报酬。
截至2022年7月，特斯拉已经邀请约25000名拥有Powerwall的PG＆E客户加入虚拟电厂；2022年8月，加州的虚拟电厂项目已成功启动了首次紧急响应演练，在活动中，共有2342位Powerwall用户参与，共计输出了多达16兆瓦的电力。
在该项目中，PG&E通过以低于用电高峰期批发电价的金额向Powerwall用户购电节省成本，Powerwall用户通过售电获得收入，而特斯拉能获得储能和发电产品的需求提升，以及未来可能的售电差价及虚拟电厂服务费用。
国内：
我国虚拟电厂尚处于早期试点阶段，各地积极开展试点，江苏、浙江、上海、冀北等地均出现了大型的虚拟电厂试点。2021年2月10日，广东广州市工信厅发布《广州市虚拟电厂实施细则（征求意见稿）》征求意见，实施目标是引导用户通过开展需求响应，实现削峰填谷，逐步形成约占广州市统调最高负荷3％左右的需求响应能力。2022年6月23日，山西省能源局发布《虚拟电厂建设与运营管理实施方案》，地方权威性纲领陆续出台。
表1 我国虚拟电厂实践案例
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