虛擬電廠能緩解高峰用電緊張嗎?

　　入夏以來，全國多地持續高溫天氣，居民用電負荷也快速增長。今年以來，多份政策文件相繼出臺，支持虛擬電廠(VPP)建設。那么，被頻頻提及的虛擬電廠究竟是何“秘密武器”?它能緩解社會高峰用電緊張嗎?我們請全球能源互聯網發展合作組織研究員鄭漳華來給大家介紹。

　　(1)大規模儲存電能是世界性難題

　　當前，迎峰度夏已進入關鍵時期，經濟回升疊加高溫天氣，使能源電力安全保供壓力加大。在近日國新辦舉行的國務院政策例行吹風會上，國家發展改革委副秘書長歐鴻表示，入夏以來全國日調度發電量三創歷史新高，最高達到301.71億千瓦時，較去年峰值高出15.11億千瓦時;全國最高用電負荷兩創歷史新高，最高達到13.39億千瓦，較去年峰值高出4950萬千瓦。

　　能源保障和安全事關國計民生。緩解用電高峰的供應壓力，是國際通用的應對尖峰負荷最經濟手段。用電高峰往往與極端高溫或極寒天氣密切相關。一年之中的用電負荷并不均衡，夏天是空調使用高峰，也是用電負荷最高的季節，冬天的電負荷波動相對較小，春秋兩季的用電負荷一般較低。總的來看，一般上午7點到晚上11點為用電高峰，晚上11點至次日7點為用電低谷。用電高峰在白天，低谷在晚上，這樣就可能造成白天電不夠用、晚上電用不完的問題。針對此現象，電力系統普遍的做法是進行削峰填谷，例如一些重點耗能企業白天少開工、晚上多作業，達到優化節約能源使用的目的。

　　有人提出，直接把低谷時段的電能儲存起來，等需要的時候再用不就行了嗎?但現實情況是，目前世界上還沒有哪一種儲能方式能夠較好地實現大規模電能的儲存，電能的大規模儲存一直是個世界性的難題。

　　所謂的電能儲存，主要是指將電能轉化為化學能、勢能等其他形態，在需要的時候將這部分能量釋放出來。日常生活中最常見的儲能設備就是蓄電池，大到新能源電動汽車，小到充電寶，我們都經常會遇到或使用到。但是，電池的應用場景目前大多僅限于此。如果儲存足夠整座城市使用的電能，就需要建設一個巨型的超大電池，相關技術的成本之高、土地資源和能源消耗之大，可想而知。

　　近年來，我國用電負荷不斷攀升，除增加供給調節能力外，需求側也在不斷發揮調節潛力。國家發展改革委持續推動電力需求側響應相關工作，電動汽車、新型儲能、分布式電源、虛擬電廠等需求側新主體新業態不斷涌現，同時，國家還出臺各類政策鼓勵各類經營主體積極參與市場化需求響應，通過自主調節用電來獲取相應收益。

　　(2)虛擬電廠究竟是什么

　　1831年，邁克爾·法拉第發明的電動發電機開創了人類發電的先河，將機械能轉換為低電壓下的電磁動力，這一偉大發明啟發了托馬斯·愛迪生和約瑟夫·斯旺等科學家，他們隨后的發現使大規模發電成為現實。1882年，世界上第一座火力發電廠霍爾本高架發電站(又稱愛迪生電燈站)誕生，電廠以煤為原料，通過鍋爐產生蒸汽后驅動汽輪機發電。這座發電廠近千盞白熾燈，照亮了從霍爾本馬戲團到圣·馬丁大酒店的街道，后又擴大發電規模，為附近的私人住宅提供照明。時至今日，人類社會的電力供應模式與此一脈相承，總體上是由較為集中的發電廠向周圍電力用戶輻射輸送電力。

　　如今，一種新型的資源整合形式“能源聚合商”正在進入人們視野，它更為通俗的稱謂是“虛擬電廠”。與傳統電廠單一依靠某種自然環境資源(如風、水、陽光)相比，虛擬電廠的構成資源更加多樣化、具有環保性，且在未來電力市場中更具競爭力，可為電力系統發展乃至行業轉型提供新思路。

　　虛擬電廠的相關概念，最早由西蒙·阿韋布赫 (Shimon Awerbuch)博士于1997年提出。此后，各界專家學者從不同形態維度進行探索，給出了多種定義。

　　有的學者認為，虛擬電廠是分布式能源的集合，以傳統發電廠的角色參與電力系統運行;有的學者認為，虛擬電廠是對電網中各種能源進行綜合管理的軟件系統;有的學者認為，虛擬電廠是能效電廠，通過減少終端用電設備和裝置的用電需求來產生“富余”的電能，即通過在用戶側安裝提高用電能效的設備，達到建設實際電廠的效果;還有的學者認為，虛擬電廠是動態聚合各種能源的能源互聯網。

　　綜合現階段各類理論探索和工程示范情況，虛擬電廠是一種通過先進信息通信和監測控制技術，實現海量分布式新能源、儲能系統、可控負荷、電動汽車等聚合和協調優化，作為一個特殊電廠參與電網運行和電力市場的電源協調管理系統，對外表現為“一個具備可控性的電源”。它既可作為“正電廠”向系統供電和頂峰，又可作為“負電廠”通過負荷側響應以配合系統填谷;既可快速響應指令、配合保障系統穩定并獲得經濟補償，也可等同于電廠參與容量、電量、輔助服務等各類電力市場獲得經濟收益。

　　“虛擬”二字意味著并非實體，所以虛擬電廠并不是真正意義上的發電廠，而是一種基于能源互聯網技術的“看不見的電廠”。簡而言之，就是可以通過物聯網、云計算等技術，將用電方、儲能方、分布式電源聚合起來，使眾多“小型電站”組合成一個發電量可觀的虛擬電廠，實現電力的彈性調整。

　　(3)為何要發展“看不見的電廠”

　　目前，虛擬電廠的理論和實踐在歐美發達國家發展得較為成熟，先后在德國、英國、法國、美國、澳大利亞、日本等國開展了商業試點。歐洲的虛擬電廠發展較早，已基本實現市場化運營。其中，被譽為虛擬電廠“先驅者”之一的德國Next-Kraftwerke虛擬電廠運營公司截至2022年，已有15346個聚合單元、1120萬千瓦裝機容量。科技公司特斯拉也是虛擬電廠的先行者。2015年，特斯拉推出了家用儲能設備PowerWall。PowerWall內置18650鋰電池，有7千瓦時和10千瓦時兩種配置，通過屋頂太陽能電池產生的電力，PowerWall可以儲存100千瓦時以上的容量。目前，特斯拉已在美國加利福尼亞、澳大利亞和日本宮古島等地建立了虛擬電廠。

　　總的來看，這些國家針對虛擬電廠的發展各有側重。以德國為代表的歐洲國家以聚合分布式電源為主;美國以可控負荷為主;日本以聚合用戶側儲能和分布式電源為主;澳大利亞以聚合用戶側儲能為主。

　　近年來，我國多地夏季高溫天氣不斷，伴隨著極端高溫的，是社會整體用電負荷的持續攀升。根據中國電力企業聯合會分析，2023年全國最高用電負荷預計約13.7億千瓦，較去年同期增加8000萬千瓦左右，若出現極端情況，全國最高用電負荷可能較去年同期增加約1億千瓦。

　　在電力消費旺季、電力供應偏緊的背景下，虛擬電廠建設獲得了國家政策的大力支持。2015年和2016年，國家發改委、國家能源局先后發布了《關于促進智能電網發展的指導意見》《能源技術革命創新行動計劃(2016-2030年)》等文件，提出研究推廣虛擬電廠技術及能源虛擬化技術，因地制宜開展虛擬電廠試點示范。2023年5月，發改委發布《電力需求側管理辦法(征求意見稿)》提出，建立和完善需求側資源與電力運行調節的銜接機制，逐步將需求側資源以虛擬電廠等方式納入電力平衡，提高電力系統的靈活性。可以預見，虛擬電廠作為整合分布式資源、挖掘需求側潛力的重要手段，其價值和作用將愈發受到各方的重視，虛擬電廠會逐步走進現實。

　　目前，我國虛擬電廠項目總體處于前期試點研究階段。“十三五”期間，江蘇、上海、河北、廣東等地相繼開展了電力需求響應和虛擬電廠的試點。比如，江蘇省于2016年開展需求響應示范;上海于2017年建成黃浦區商業建筑虛擬電廠示范工程;國網冀北電力有限公司直接參與華北輔助服務市場的虛擬電廠示范項目，高質量服務綠色冬奧，并參與了多項虛擬電廠國際標準制定;2022年8月，國內首家虛擬電廠管理中心——深圳虛擬電廠管理中心揭牌，預計到2025年，深圳將建成具備100萬千瓦級可調節能力的虛擬電廠;今年7月初，廣州、深圳、柳州三地同步開展虛擬電廠多功能聯合調控，標志著我國首個區域級虛擬電廠投入運行。

　　在電力供需不匹配的情況下，通過一定的激勵措施，讓用戶主動改變自己的用電方式和用電行為，參與供需調劑，可以減輕電力系統的壓力。虛擬電廠對于電網、用電負荷、發電、產業鏈等方面具有積極作用，其中電網和用電負荷跟百姓生活直接相關。

　　對于電網而言，虛擬電廠有助于提升電網的安全穩定運行。在電網調峰方面，虛擬電廠通過資源動態聚合和集中協調優化參與削峰填谷，實現日內更短時間尺度響應，精準削減負荷高峰、填充低谷負荷，有助于優化電網運行。

　　對用電負荷側而言，虛擬電廠有助于優化供電服務、降費增效。比如，對于大型工商業企業來說，通過虛擬電廠提供的節能服務，可以掌握自身能源管理狀況及用能水平，排查節能障礙和浪費環節，從而達到節能減排、提高經濟效益的目的。在一定程度上，虛擬電廠可以替代應急電源車，作為重要的政府部門、公用事業部門、工商業企業等的應急電源供應商，滿足其可靠供電的要求，獲取應急電源服務收益。例如，在暴雨惡劣天氣，由于光伏發電量下降、設備故障等原因出現電力供應缺口，可通過發揮所在區內虛擬電廠的調節能力，降低可調資源的用電需求，利用市場經濟的方式促進電力供需平衡。

　　(4)以“能源定制”降低家庭開支

　　如何把用戶需求側的“潛力股”集合利用起來，是未來電力資源調配的重要方向。隨著分布式光伏、用戶側儲能(包括家庭儲能、工商業儲能、儲能充電樁等，針對的客戶是用電方，近兩年受政策激勵在我國發展較快)、電動汽車充電樁的發展，電力用戶側的靈活性愈發提升，數字化程度不斷提高，各類資源呈現數量多、單體小、類型雜等特點，難以直接參與電力系統運行和相關交易。如何喚醒、優化、發揮這些海量的用戶側資源，使其有效參與電網運行和市場交易，建立低碳、安全和經濟的新型電力系統，需要一個能協同用戶側資源優化運行控制和市場交易的“智能管家”。

　　這個“智能管家”就是虛擬電廠。即使是一戶家庭、一輛電動汽車，也能成為虛擬電廠的一部分。和共享經濟類似，虛擬電廠也是通過信息化協調方式，將海量分散的資源“聚沙成塔”。打個比方，極端高溫天氣預警時，虛擬電廠可以根據用電缺口調節需求，向用戶發出邀約，調配多余的電量解燃眉之急。再比如，電動汽車充電期間，虛擬電廠可根據電力市場價格波動情況，實時優化充放電策略，從而減少用戶的充電成本。

　　另外，很多家庭中都有空調、洗衣機、熱水器、電動汽車，每個設備都需要電力供應，但它們的用能時間、時長、需求量有一定差異，對電網供電壓力的影響也存在區別。虛擬電廠所起的作用，便是可以迅速根據不同設備的狀態、需求、市場價格、天氣情況等信息，精細化地實現智能調配。比如，在市場價格高、電力供應緊張的時候，對各設備實現精準調控，使其少用電、少購電;在市場價格低、電力供應平穩的時候，在滿足用能需求的情況下，利用儲能設備將多余的電能儲存起來，滿足電力市場價格較高時段的用能需求。利用虛擬電廠這個“智能管家”，為每家每戶實現定制化的能源使用服務，降低用戶的能源成本開支。

　　如同前文所說，我國虛擬電廠仍處于由政府部門牽頭、各聚合商參與、共同完成的早期階段。試點階段的虛擬電廠，也有待標準的統一和政策的細化。就技術而言，大部分虛擬電廠試點實現了初步的用戶監測，但還沒有完全實現對優化調度和分布式能源的閉環控制。同時，虛擬電廠的發展需要依托于電力市場化交易，我們還需耐心培育成熟的市場服務和可持續發展的市場環境。未來，隨著我國電力中長期、現貨、輔助服務市場等機制的不斷完善，將通過AI技術提升數字化智能水平和產業升級，我國虛擬電廠的發展前景可期。

　　來源：北京日報客戶端 | 記者 汪丹