虛擬電廠效益評價指標體系構建及其范例分析

毛田, 黃寧馨, 程韌俐, 周保榮, 謝平平, 趙文猛, 王滔

(1.直流輸電技術國家重點實驗室(南方電網科學研究院)，廣州510663；2. 深圳供電局有限公司，廣東 深圳518000)

0 引言

在全球能源體系綠色低碳轉型背景下，虛擬電廠的研究和應用受到越來越多的重視[1 - 7]。虛擬電廠通過分布式能源管理系統(energy management system, EMS)將地理位置分散的可再生能源、可控負荷和儲能系統聚合和協調優化，作為一類特殊電廠參與電力系統運行，起到降低發電損耗和電網峰值負荷、提高供電可靠性并促進資源優化配置的作用[8 - 15]。

目前，國內虛擬電廠正處于理論研究和早期試點的發展階段。建設虛擬電廠在安裝智能設備、開發運營平臺等方面需要較大資金投入，全方位評估虛擬電廠的效益，對于虛擬電廠實際工程建設和投資運營等具有重要意義。經濟效益方面，建設虛擬電廠能夠節約發電容量投資和輸配電投資，并通過參與電力市場和電網運行獲得收益。社會效益方面，虛擬電廠能夠提高供電可靠性，引導激勵用戶參與需求響應，有利于促進源網荷協調互動，提高電力系統運行效率。環境效益方面，虛擬電廠有利于節能減排和節約土地資源，能夠為企業實現節能減排目標、政府進行土地利用規劃等提供有價值的參考。

虛擬電廠相關研究主要集中在2個方面：1)虛擬電廠的概念、發展[1 - 2]和國際經驗[3 - 6]。2)虛擬電廠的優化調度[7 - 11]和競價策略[12 - 15]。在虛擬電廠效益方面，當前研究主要關注虛擬電廠的經濟效益。文獻[16]評估了虛擬電廠參與日前需求響應計劃(DR program)的經濟效益；文獻[17]對虛擬電廠參與平衡市場的經濟效益進行了仿真；文獻[18]分析了獎懲機制下虛擬電廠優化調度效益。現有的評估方法忽略了虛擬電廠的社會效益和環境效益，無法全面體現虛擬電廠的獨特優勢。

本文提出并構建了虛擬電廠綜合效益評價指標體系，并進行范例分析。對虛擬電廠產生的經濟效益、社會效益和環境效益進行梳理，構建了以投資評價、運行收益評價、節能減排評價、供電可靠性評價為一級指標，以節約容量投資、節約輸配電投資、節約土地投資、削峰/填谷收益、節煤效益、碳減排效益、硫減排效益、可靠性提升效益為二級指標的虛擬電廠評價指標體系，根據該指標體系對某虛擬電廠應用試點進行綜合效益評估。本文提出的虛擬電廠評價指標體系可為虛擬電廠的建設投資和成本回收提供指導，對構建適應虛擬電廠參與的電力市場機制、促進未來虛擬電廠的商業化運營意義重大。

本文第1節分析了虛擬電廠的經濟效益、社會效益和環境效益，第2節構建了虛擬電廠評價指標體系及各指標計算方法。在第3節將本文所提方法應用于某虛擬電廠應用試點。最后給出了本文結論。

1 虛擬電廠效益分析

虛擬電廠可充分調動分布式資源的靈活性，挖掘用戶側潛在價值，在經濟、社會和環境方面能產生巨大效益。

1.1 經濟效益

隨著電力負荷的增長和可再生能源發電的快速發展，電力系統凈負荷峰谷差不斷拉大，需要新建更多的發電以滿足尖峰負荷的供應需求。與投資傳統能源發電相比，虛擬電廠能夠聚合分布式電站和用戶側資源參與電網削峰填谷，不需要新建發電機組及配套輸變電設備，節約了投資成本。此外，虛擬電廠可代表其聚合資源參與電力市場和電網運行，獲得相應收益。

1.1.1 節約投資成本

新建傳統能源發電機組與虛擬電廠的投資成本組成如表1所示。虛擬電廠的投資成本主要為智能設備加裝成本和虛擬電廠平臺建設成本。傳統能源發電除發電設備投資成本和與電廠選址相關的土地投資成本外，還需要額外考慮接入系統的線路和變電站設備的投資。根據已建成電廠投資情況和容量進行折算，虛擬電廠投資成本約為200元/kW，遠低于氣電的2 500元/kW和煤電的3 200元/kW。

此外，傳統能源發電受網絡阻塞和網架結構限制，并不是所有新增裝機都可以轉化為可供負荷的增量，而虛擬電廠為分布式能源，在實現相同削峰效果的前提下，虛擬電廠通常具有更低的投資成本。

表1 傳統能源發電與虛擬電廠的投資成本Tab.1 Investment comparison of traditional energy power generation and virtual power plant

1.1.2 獲取電網運行收益

虛擬電廠參與電網運行的收益模式主要有以下3種。

1)現貨市場交易

虛擬電廠可參與現貨市場交易，通過電量生產獲得電能量收益。虛擬電廠管理的所有終端均配有采集控制器，所有分布式電源的出力、用戶的負荷等都可以在控制中心進線實時監測，并實現遠程控制。虛擬電廠聚合多種分布式資源，使得不具備市場準入門檻的用戶也能參與現貨市場，并能發揮多能互補優勢，當某些可再生能源電廠的實際出力與預測存在較大偏差時，可調度其他資源平衡該偏差，節省了偏差考核電費。

此外，根據現貨市場的價格波動，虛擬電廠可以合理優化和引導資源的發用電計劃。例如在高電價時讓水電、生物質能或儲能電站多發電，在低電價時讓用戶多用電或讓儲能多充電，從而達到節約電費、增加收益的目的。

2)輔助服務交易

虛擬電廠可參與電網調峰、調頻、備用，保障電網穩定運行。當接收到調度部門的指令時，虛擬電廠控制中心綜合考慮各個可調度分布式電站的出力水平、爬坡速度等，將該調度指令分解為無數個單獨的指令，自動發送給各個可調度分布式電站。各電站根據虛擬電廠控制中心發出的指令進行響應，平抑虛擬電廠中風電和光伏發電產生的波動，并支撐電網頻率穩定。

除了讓發電資源提供輔助服務外，虛擬電廠還可以聚合用戶側資源為電網提供輔助服務，其對電網產生的作用是相同的。用戶側儲能(如電動汽車電池)的規模通常較小，達不到調頻市場準入條件，虛擬電廠通過聚合優化電網側儲能和用戶側儲能，精準響應電網調頻信號，實現虛擬電廠調頻應用。可中斷負荷也可作為電網的快速調頻資源。

當前，我國虛擬電廠技術仍處于發展初期且市場體系不夠完善，虛擬電廠主要通過聚合用戶和儲能參與電網削峰填谷獲得需求響應補貼收益[19]。對于用戶來說，在高峰電價時減少用電、低谷電價時增加用電，通過改變自身用電習慣調整日負荷需求曲線，不產生運行成本即可減少自身需繳納的電費，并獲得需求響應補貼收益[20]。對于儲能電站來說，在低谷電價時充電、高峰電價時放電，通過參與電網削峰填谷獲取需求響應補貼收益。同時，在負荷高峰時將提前存儲的電能售出，能夠獲得峰谷價差套利[21]。

虛擬電廠的削峰填谷效果優于用戶側自發需求響應。現有的負荷削峰填谷大多是需求響應參與主體針對電價進行自發響應，這種響應通常是無序的，可能增加負荷波動。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，實現精準削減負荷高峰、填充低谷負荷，達到電網運行全局最優。

3)容量市場交易

虛擬電廠可作為聚合資源參與容量市場。獲得容量合同的虛擬電廠需要履行合同義務，保證在交付年向批發市場提供可用容量，并獲得容量收益。2019年，美國Sunrun公司在新英格蘭(ISO-NE)第13次遠期容量拍賣中與其他發電機組競爭，贏得了一份容量合同，成為首家由虛擬電廠向電力批發市場供應容量的公司[22]。隨著虛擬電廠技術的發展，以及市場機制更加公開透明、無歧視，虛擬電廠參與容量交易的規模將進一步擴大。

1.2 社會效益

1.2.1 節約土地資源

虛擬電廠主要通過改變用戶用電方式達到需求響應的目的，通過虛擬電廠的建設能在不進行變電站擴容或者新建變電站的情況下滿足現階段部分電力用戶的負荷要求，且不占用土地資源，也無需新建輸電通道。

1.2.2 提高供電可靠性

由于需求側響應通常位于負荷中心，虛擬電廠響應速度一般優于發電側，且對系統電壓、頻率均有較好的提升作用。此外，在負荷高峰時期，傳統的錯峰限電在應對尖峰負荷壓力的同時，將影響工業企業的生產進度和產品質量，給企業造成一定的經濟損失，同時，錯峰限電將對企業產能、企業信譽以及員工穩定性產生影響，帶來不良的社會影響。通過激勵虛擬電廠聚合用戶側資源提供需求響應，優先保障可靠性要求較高的用戶的用電需求，能夠提高供電可靠性，降低工業企業停電損失。

1.2.3 培育市場主體，構建新業態

基于虛擬電廠云平臺生態構建，可以培育一大批負荷集成商等市場主體，促進虛擬電廠和多能互補業務發展，帶動樓宇節能、智能設備、平臺建設等產業的發展。同時帶動新增就業，拉動GDP增長和帶來額外納稅等收益。

1.3 環境效益

通過虛擬電廠發揮靈活調節作用，調動儲能、電動汽車、蓄冰/蓄冷空調負荷等資源在負荷低谷時段消納清潔能源，可有效促進清潔能源消納，并降低高峰負荷需求、減小火電出力。火電發電量減少一方面節約了燃煤，另一方面降低了二氧化碳和二氧化硫排放，有利于促進電力行業節能減排。對于工商業用戶，接入虛擬電廠能夠促進其優化用能行為，提升用戶用電的精益化和智能化水平，降低企業能耗，促進減少碳排放。

2 虛擬電廠效益評價指標體系

基于第1節分析的虛擬電廠經濟效益、社會效益和環境效益，本節提出虛擬電廠效益評價指標體系。

2.1 評價指標體系構建的基本原則

遵循目的性、完備性、可操作性、獨立性等基本原則，構建虛擬電廠效益評價指標體系[23]如圖1所示。

圖1 評價指標體系構建的基本原則Fig.1 Basic principles for the construction of evaluation index system

1)目的性原則：所構建的虛擬電廠效益評價指標體系應能夠反映評價的目的，準確地刻畫虛擬電廠運行產生的效益。

2)完備性原則：所提指標體系應涵蓋評價目標的全部方面，詳細描繪評價對象的各類特征。

3)可操作性原則：體系中的各項指標都應是可被觀測和衡量的，這對獲取評價結果十分關鍵，也是驗證指標是否可行的一大依據。

4)獨立性原則：各項指標之間應當盡可能地避免重疊和交叉，每項指標都能獨立地反映評價對象的某一特定特征。

5)顯著性原則：若在實際操作中，難以做到嚴格符合完備性原則和獨立性原則，那么所提指標體系應至少給出能夠反映評價對象主要特征的主要指標。

6)動態性原則：當評價對象隨外界發生變化時，評價體系也應當隨之進行調整。隨著未來虛擬電廠技術的成熟和市場機制的完善，評價指標也應有所更新。

2.2 虛擬電廠效益評價指標體系

本文所構建的虛擬電廠效益評價指標體系共分5個一級指標和15個二級指標，如圖2所示。

圖2 虛擬電廠效益評價指標體系Fig.2 Index system for the benefit of virtual power plant

該指標體系將虛擬電廠的各方面效益轉換為經濟性指標進行量化評估，各指標的定義和計算如下。

2.2.1 成本評估指標

1)硬件投資成本

虛擬電廠建設需要對相關設備進行一定程度的升級改造，由此產生一定的硬件投資成本，包括建筑樓宇設備改造、電動汽車充電站改造、儲能站改造等。

Ih=Ir+Ic+…+Ib

(1)

式中：Ih為硬件投資總成本；Ir、Ic和Ib分別為樓宇設備、電動汽車充電站及儲能站改造成本。

2)軟件投資成本

虛擬電廠建設需要開發對應的虛擬電廠平臺，并由此產生軟件投資成本Is。

3)運行成本

虛擬電廠運營需要進行一定的日常運維，主要包括平臺的維護、智能設備的維護等，產生的相關成本包括了維護檢修人員的工資、設備材料更換等費用。人力成本和運維成本合計為虛擬電廠運行成本IO，與投資成本一樣，同屬于固定成本。

2.2.2 投資效益評價指標

1)節約容量投資

為滿足尖峰負荷供應需求，傳統方法依賴于新建發電容量，投資成本巨大，虛擬電廠能夠充分激活用戶側資源，相比新增傳統電源容量能夠有效節約容量投資成本。節約容量投資的經濟效益，其計算公式為：

Bcap=(CG,f-CVPP)×ΔC

(2)

式中：Bcap為節約容量投資的經濟效益；CG,f為新增傳統電源發電設備的單位投資成本；CVPP為虛擬電廠單位投資成本；ΔC為虛擬電廠總容量。

2)節約輸配電投資

系統尖峰負荷持續時間短，但需滿足系統尖峰負荷的配套輸配電投資規模較大。通過虛擬電廠開展需求側響應，一般不需要新建輸配電線路和變電站，可節約輸配電投資成本。節約輸配電投資的經濟效益，其計算公式為：

BT&D=CG,T&D

(3)

式中：BT&D為節約輸配電投資的效益；CG,T&D為新增傳統電源發電所需配套的輸配電投資成本。

2.2.3 運行收益評價指標

根據1.1.2節分析，可評估虛擬電廠參與電網削峰、填谷、能量交易、調頻、備用等場景的收益，作為其運行效益評價指標。實際評價時，可根據虛擬電廠參與的運行場景、參與時長、相應價格等，分別對虛擬電廠不同工況場景下的收益進行計算，以實現對虛擬電廠運行效益進行客觀、全面的評價。

由于目前適應虛擬電廠參與的市場機制尚未完善，本論文只針對虛擬電廠削峰、填谷收益指標進行建模，未來可考慮虛擬電廠參與調頻、備用等收益建模。

BS=ΔCS×Δt×pVPP,S

(4)

BF=ΔCF×Δt×pVPP,F

(5)

式中：BS和BF分別為削峰收益和填谷收益；ΔCS和ΔCF分別為削峰響應容量和填谷響應容量；Δt為響應時長；pVPP,S和pVPP,F分別為削峰激勵電價和填谷激勵電價。

2.2.4 社會效益評價指標

1)節約用地資源收益

建設虛擬電廠無需新增用地，節省了土地資源成本，其計算公式為：

Bland=SG×CG,land

(6)

式中：Bland為節約土地投資的效益；SG為建設傳統電源電廠所需占地面積，CG,land為單位面積工業用地的售價。

2)避免停電損失收益

傳統錯峰限電在應對尖峰負荷壓力的同時，將影響工業企業生產進度和產品質量，給企業造成一定的經濟損失。虛擬電廠通過優化用戶用電方式，可避免錯峰限電造成的損失，計算公式為：

Bpre=Epre×Clos

(7)

式中：Bpre為避免錯峰限電損失的收益；Epre為錯峰限電對應電量；Clos為度電經濟損失成本。

2.2.5 環境效益評價指標

虛擬電廠可調動靈活性資源在低谷負荷時段消納清潔能源，有效促進節能減排，其環保效益主要體現為以下3個方面。

1)煤效益

(8)

式中：pcoal為標煤單價；Ccoal為節約的總標煤量；TVPP為虛擬電廠填充低谷負荷的年運行總時數；λ為虛擬電廠參加填谷時的清潔能源利用比例(若全部調用清潔能源進行低谷負荷填充，則取1)。

2)碳減排效益

(9)

式中：ΔWcarbon為二氧化碳減排量；pcarbon為碳排放交易價格；βc為標煤折合二氧化碳系數。

3)硫減排效益

(10)

式中：ΔWsulfur為二氧化硫減排量；psulfur為二氧化硫排污權價格；βs為標煤折合二氧化硫系數。

3 算例分析

根據所構建的虛擬電廠效益評價指標體系，對某200 MW虛擬電廠應用試點進行綜合效益評估，本節給出了評價指標詳細的計算過程。

3.1 成本評價

1)硬件投資成本

按照建筑樓宇平均改造成本，1棟樓中央空調負荷約300～500 kW，對應改造成本約20～30萬元，預計接入30 MW建筑樓宇資源，對應用戶改造費用約1 200～3 000萬元；充電站平均改造成本20萬元/站，接入負荷160 MW，共計20個充電站，總計400萬元；儲能10 MW，平均改造成本10萬元/MW，總計100萬元。

硬件投資成本合計約1 700～3 500萬元。

2)軟件投資成本

建設虛擬電廠平臺，開發費用約1 000萬元。

3)運行成本

虛擬電廠運行成本按總投資成本的5%考慮，約為135～225萬元。

3.2 投資效益評價

根據3.1節成本評價，該200 MW成本區間為2 700～4 500萬元，單位投資成本約200元/kW。

1)節約容量投資評價指標

將虛擬電廠投資建設成本與其它典型類型電源進行對比，結果見表2。根據計算，相比于傳統能源發電，建設200 MW虛擬電廠預計可節約發電容量投資4.6～12.9億元。

表2 不同能源利用形式下的投資成本對比(20 MW)Tab.2 Investment comparison for different energy utilization methods(200 MW)

2)節約輸配電投資評價指標

若通過虛擬電廠削減的200 MW負荷由傳統能源發電機組來滿足，則電網需要配套投資輸配電設備，輸配電設備投資按照下述標準計算。

1)新建50 km的220 kV線路，單位造價114萬元/km，共計5 700萬元；

2)新建80 km的110 kV線路，單位造價54萬元/km，共計4 320萬元；

3)新建40 km的10 kV線路，單位造價40萬元/km，共計1 600萬元；

4)220 kV變電站擴建一臺240 MVA主變，單位造價7.7萬元/MVA，共計1 848萬元；

5)220 kV變電站擴建一回出線，共計236萬元。

電網配套輸配電設備投資共計需要1.37億元。因此，該虛擬電廠應用試點可節約輸配電投資1.37億元。

3.3 運行收益評價

需求響應可以分為邀約需求響應和實時需求響應，前者在響應日的前日或提前一定時間完成響應邀約和確認，并在響應日約定時段執行響應，后者參與的負荷具備可立即中斷或可快速中斷的特性，以自動需求響應為主，兩者存在成本上的差異。考慮3種方案，對虛擬電廠削峰填谷補貼收益進行測算：

1)低成本方案中，假定全部為約定型需求響應，按削峰最低補貼15元/kW，填谷需求響應最小補貼5元/kW；

2)高成本方案中，假定全部為實時型需求響應，按削峰最高補貼45元/kW，實時填谷需求響應最大補貼24元/kW；

3)中等成本方案中，假定按表3約定需求響應比例進行考慮。

表3 需求響應比例假定情況Tab.3 The ratio assumptions for different demand response types

根據該地負荷曲線和應用需求，測算得到3種方案下，虛擬電廠的削峰填谷收益預計為400～1 700萬元，如圖3所示。

圖3 虛擬電廠削峰填谷收益Fig.3 Revenue for virtual power plant from peak shaving and valley filling

3.4 社會效益評價

1)節約用地收益

該虛擬電廠應用試點僅對現有用電資源進行微型采集和控制終端改造，虛擬電廠平臺的部署也將充分利用現有計算機房資源，不會新增用地。若采用燃氣電廠，建設200 MW燃氣電廠預計占地面積3.63×104m2。按2020年9月29日該虛擬電廠所處位置的工業用地成交價格進行折算，建設燃氣電廠的土地資源總價值在9～10億元左右。因此，該虛擬電廠應用試點可節約9～10億元的土地投資，節省的土地資源將可用于工業企業引入等。

2)避免停電損失收益

根據該虛擬電廠所在地和用電量，測算得出該地度電經濟損失成本約28.57元/kWh。預計該虛擬電廠可避免錯峰限電尖峰電量為331.2 MWh，總計可避免經濟損失946.3萬元。

3.5 環境效益評價

預計該虛擬電廠投入運行每年可進行低谷負荷填充60 h，假設全部消納可再生能源，預計每年可節約標煤3 492 t，減排二氧化碳9 288.7 t、二氧化硫7.28 t。

1)節煤效益

以標煤單價770元/t進行計算，節煤效益為：770×3 492=268.9萬元。

2)碳減排效益

碳排放交易價格因時間和地區而異。以碳排放配額成交價35.53元/t進行計算，碳減排效益為：35.53×9 288.7=33.0萬元。

3)硫減排效益

排污權交易價格因時間和地區而異。以二氧化硫排污權價格6 552.77元/t進行計算，硫減排效益為：6 552.77×78.2=51.3萬元。

綜上，依據所建立的評估指標體系，該虛擬電廠效益評估結果如表4所示。

表4 虛擬電廠預期效益評價結果Tab.4 Benefit evaluation outcome of the virtual power plant

3.6 指標體系價值分析

根據所提指標體系，評估了某200 MW虛擬電廠綜合效益。由范例分析可知，新建立的指標體系可從成本、投資效益、運行效益、社會效益、環境效益等5個維度，通過不同視角審視虛擬電廠價值。例如，從虛擬電廠建設主體，可參考的指標包括成本評估指標和運行收益評價指標；從電網運行主體，可參考的指標包括投資效益評價指標；從政府和社會角度，可參考社會效益評價指標以及環境效益評價指標。同時，各效益不能簡單疊加。因此，表4虛擬電廠預期效益評價結果僅給出各指標評價結果，但可參考本文所提方法，根據需求開展更為深入的研究和對比分析。

4 結語

目前，虛擬電廠示范項目的建設正在穩步推進，作為一種重要的可調度資源，虛擬電廠的效益評估將對虛擬電廠發展與新型電力系統建設產生重要影響。本文以此為出發點，對虛擬電廠的經濟效益、社會效益和環境效益進行研究，提出了一套虛擬電廠效益評價指標體系，并以某虛擬電廠應用試點為范例進行分析。虛擬電廠的效益評價主要可從成本評估、投資效益、運行收益、社會效益和環境效益等5個方面展開。研究表明，虛擬電廠投運可顯著節約電網設備投資，同時可帶來可觀的運行收益、環保效益和社會效益。