虛擬電廠在全球能源轉型中的戰略地位與實踐探討

張家樂 吳志寬 許 超 王璐嘉

（山西國潤儲能科技有限公司）

0 引言

虛擬電廠以先進的技術將多個分布式能源資源整合，形成一個統一而高效的電力供應體系，從而提高了電力系統的穩定性、靈活性和響應速度。這種探索實際上是對傳統電力體系的一種補充和完善，特別是在面對日益增長的可再生能源接入時，可以更好地解決電網的供需不平衡和頻率調節問題。因此，探索虛擬電廠在全球能源轉型過程中的價值與實踐路徑，就能夠推動虛擬電廠于現實能源優化工作中的深度應用，幫助全球更快達成碳中和。

1 虛擬電廠的工作原理與技術構成

1.1 聚合分布式能源資源

虛擬電廠（Virtual Power Plant，VPP）在當今分布式能源環境中起到了舉足輕重的作用，與傳統電廠的中心化發電模式不同，VPP能夠通過先進的信息技術將多種分布式能源資源（如太陽能、風能、儲能設備、熱泵等）進行有機整合，使其在功能上表現為統一的、協調一致的電力資源，以實現對分布式能源資源的優化配置與實時調度［1］。從理論與實踐的角度看，分布式能源資源的聚合不僅可以提高能源的利用效率，還可以降低對中央電網的依賴，從而為維持電網的穩定性與安全性提供了堅實的技術保障，彰顯出技術與經濟效益的雙重價值。

1.2 基于云計算的中心化管理

隨著云計算技術的迅速發展，其逐漸成為分布式能源管理的核心技術之一。基于云計算的VPP中心化管理體系可以實現對分散在不同地理位置的能源資源進行實時地監控與控制，云平臺提供了強大的數據處理能力，允許VPP對大量的數據進行快速分析與處理，為運營者提供關于能源消耗、需求、供應和價格的實時信息［2］。此外，云計算還為VPP提供了高度的可擴展性和靈活性，使其能夠根據實際需求進行快速配置。值得注意的是，中心化管理并不意味著控制中心是唯一的，恰恰相反的是，所謂的“控制中心”實則是集中的數據分析和決策支持系統，能夠借助網絡與地理分布廣泛的設備、子系統實現互聯互通，最終實現對全域電網的優化管理。

1.3 實時優化與能源調度

VPP在能源管理中的顯著特征在于，對能源的實時優化與強大的調度能力。得益于先進的算法和機器學習技術，VPP可以實時分析包括電價、天氣條件、設備狀態在內的各種因素，并對這些因素進行量化分析，依據分析數據做出即時決策，并將指令下達至各個設備，以此運行調整儲能設備的充放電策略，或控制可再生能源發電的輸出功率［3］。除了電網系統內的控制功能以外，VPP還可以與電網運營商進行互動，參與到電價機制和需求響應中，為電網提供必要的調頻、調峰服務。這種基于實時數據的決策機制，不僅能夠提高能源的經濟效益，還可以確保電網的穩定運行，滿足所有用戶的電力需求。

2 虛擬電廠在全球能源轉型中的戰略地位

2.1 為可再生能源的大規模融合提供解決方案

在全球范圍內，隨著碳排放減少和可持續發展的壓力日益增加，可再生能源在電力系統中的占比呈現持續增長之勢。然而，尤其是風能和太陽能等可再生能源，由于其固有的隨機性和間歇性，導致電網的穩定性不甚理想，究其根本，現階段能源轉型的關鍵問題就在于，如何實現可再生能源與傳統能源的有效融合［4］。正是在此背景下，VPP應運而生，VPP通過先進的信息技術和算法將多種能源資源進行有機整合，為傳統電力生產大規模融入可再生能源提供獨特的解決方案，不僅可以實現對可再生能源的實時監控與調度，還能夠預測其產出，并根據數據對電力生產決策進行優化。除此之外，VPP還可以根據電網的實時需求對可再生能源進行有針對性的調度，確保其與電網的穩定匹配。總體來看，VPP為可再生能源的大規模融合打下了堅實的基礎，為其在全球電力系統中的廣泛應用提供了可能［5］。

2.2 提高電網穩定性與柔性

電網的穩定性與柔性對于確保電力供應的可靠性而言至關重要，然而隨著電網規模的擴大和可再生能源的廣泛融入，對電網穩定性與柔性的挑戰也在日益加劇。對此，VPP通過對各種能源資源進行中心化管理與實時優化，VPP可以實現對電網的快速響應，提供必要的調頻、調峰服務，從而確保電網的穩定運行。同時，VPP還具備很強的柔性，能夠根據電網的實際需求進行動態調整，適應各種突發情況。比如，在風能和太陽能產出大幅降低的情況下，VPP可以通過調整儲能設備的充放電策略和控制其他可調度資源來維持電網的平衡。這種強大的穩定性與柔性使VPP在全球電力系統中占據了重要的戰略地位。

2.3 推動分布式能源系統的進一步發展

VPP在分布式能源系統的發展過程中起到了關鍵的推動作用，作為集中管理和調度分布式能源資源的平臺，VPP能夠為分布式能源系統的有效運行提供保障。通過實時數據分析和決策支持，VPP能夠實現對分布式能源的最優化配置，提高其經濟效益及可靠性［6］。此外，VPP還為分布式能源系統與傳統電網的融合提供了橋梁，使其能夠更好地服務于電網和用戶，這種模式不僅可以提高能源的利用效率，還可以促進分布式能源技術的創新應用。因此，VPP在促進分布式能源系統的發展中起到了不可替代的作用，對于全球能源結構的轉型具有重要的戰略意義。

3 全球能源轉型背景下虛擬電廠建設實踐

3.1 國內實踐項目分析

（1）冀北區太陽能光伏發電工程。由冀北國網供電公司牽頭，面向全國的電網互聯虛擬電站示范項目于2019年12月開始運行。本工程涉及張家口、秦皇島、廊坊三地，波及工業、商業、智能建筑、儲能技術、電動汽車、分布式風力發電、太陽能發電等諸多領域，旨在打造具有大約226MW 容量的綜合型電網。比如，在冀北地區的銷售大廈監控系統中，通過負載反應虛擬平臺發出節電或調溫命令，使終端燈光及公共區的空氣調節系統進入節電狀態，同時公共區域燈光將會切斷一段線路，使其亮度降至基本亮度；現場風扇盤管根據平臺的溫度設置命令，會在1℃以上的時候，將設置的溫度提高（夏天）或者將設置的溫度下降（冬天）1℃，從而實現節能6% ～7%的目標。終端空調器可以對進回水中的溫度進行自動調整，其中單空調器斷線就能夠使整套系統的負載降低10%，同時又不會影響到使用者的舒適度。

（2）上海試驗性VPP項目。黃浦區是目前上海商用建筑密度最大的區域，其年用電量達1.3×109kW·h，高峰用電容量接近5×105kW，其中建成能源消耗占比超過65%。在VPP工程中，已被登記的可調資源達550個，共有四種發電模式。在黃浦區VPP工程的實施過程中，VPP操作平臺實現了對電源側各機組的操作和輸出功率的監控，并將其與上海市電力系統的調度室和交易室實時連接。運營平臺的整體結構可以劃分成兩個層次，在底層，可以對終端信息展開感知，同時也可以對平臺的信息進行接收與傳遞；在頂層，可以對所收集到的信息展開分析和處理，從而對VPP的發電策略進行優化，從而控制電網的整體運行。

3.2 國外實踐項目分析

預計到2023年，VPP的總市值可達11.875億美金。在美國，VPP采用DER等負載轉換技術來解決供需矛盾，保證了電網在真實環境下的穩定運營。歐洲也正在轉變經營方式，以求將可增值的資產增值到最大程度。歐洲需要反應中心在2011年3月開始運作，以協助VPP的發展及評估其增加的收益，同時澳大利亞政府同樣也在朝著建立大規模VPP工程的方向前進。

（1）德國RegModharz計劃。該工程涵蓋了風電、抽水蓄能和太陽能等多種能源，目標在于構建一套能夠在很大程度上實現自動調節的智能電網。在VPP的運作層中，總共配有6家配電公司、4家電力零售公司以及1家電力傳輸公司。新能源工程中的信息變動快，高安全性、強可靠性的信息傳遞技術至關重要，為此就需要制定一套基于VPP的信息傳遞標準，以實現VPP的快速響應。VPP工程以哈芳區域內居民為對象，以能量管理為核心，構成兩路能量管理（BEMI），以加強對電力消費端的重視。

（2）European FENIX計劃。該工程按照VPP商業和技術兩個分類進行了區別建設，并將其劃分成兩種不同的方案，在英國現有電網的基礎上，建立商業VPP的運營模型。在“北部方案”的體系架構中，不同的分布式電網均由一套智能系統來控制，整套系統共集成了大約4.4×105kW 的分布式發電和2.5×105kW的靈活分布式發電。而“南部方案”則分為“技術型”與“商用型”兩種，“技術型”架構主要以VPP為技術支撐，保證了網絡的安全運行；“商用型”架構則是通過對儲能資源進行聚集，并對儲能資源進行調度，從而使VPP達到經濟、穩定的工作狀態。

（3）丹麥EDISON計劃（Design）。在2009年2月，丹麥能量學會率先發起了EDISON計劃，課題的目標在于通過對新能源汽車的使用量進行調整，來促進電力市場的均衡發展，從而提高丹麥的可更新能源的使用率。EDISON計劃旨在鼓勵電動車用戶參與，并通過對電動車用戶的激勵來實現電動車用戶的利益最大化。這種獎勵機制是由一個測量與結算系統來完成的，為了降低延時所造成的經濟損失，保障數據的傳輸，EDISON在進行系統的規劃時，將能源成本、電網約束以及可再生能源可用性等綜合考慮，以盡量降低與電池充電有關的延時。

4 全球能源轉型大背景下國內虛擬電廠建設的未來前景

4.1 新能源限額的科學規劃與虛擬電廠的角色

新能源，尤其是風電和光伏等，由于其自然屬性，很容易面臨“限額”或“限產”的情況。在傳統的電力市場中，這可能導致新能源項目面臨收益下滑的風險。但在實時交易的環境下，虛擬電廠可以為這些能源提供更高的調度靈活性。通過集成各種分布式能源，虛擬電廠能在市場中為單一能源提供補充，確保電力供應的穩定性。同時，實時交易為虛擬電廠提供了更大的市場機會，使其能夠針對市場需求，快速調整電力輸出，從而獲得更大的經濟效益。

4.2 虛擬發電企業參與電網二次服務的補償機制

當前，虛擬電廠已經開始參與電網的二次服務，但市場對其所提供的這些服務的補償仍然不夠充分。長期下去，這會影響到虛擬電廠的運營效率和盈利模式。對此，電力行業需重新審視電網二次服務的補償機制。有些措施可以考慮，比如提高服務定價，為虛擬電廠提供稅收優惠，或者給予其優先調度權等。這樣不僅能激勵虛擬電廠為電網提供更多服務，也有助于其持續、健康的發展。

4.3 虛擬電站用電客戶的WDM 策略

為了確保虛擬電廠的盈利和持續運營，采用寬帶數據管理（WDM）策略對虛擬電站內的用電客戶進行管理是至關重要的。這要求虛擬電廠深入了解每個用戶的用電習慣、需求和預期，從而提供更精準的電力服務。成功的WDM實施可以幫助虛擬電廠更好地預測和平衡負荷，優化資源配置，降低運營成本，并提高服務品質，從而在激烈的市場競爭中占據有利地位。

總體來看，從VPP理念的引入到實踐的試驗運作，著實能夠為我國電力市場帶來諸多益處，但是它也對電網的資源配置、運行與控制系統、通訊技術以及電網運行提出了新的要求。但從目前VPP產業的發展趨勢來看，傳統的“大機組、特高壓”供給端開發模式已接近飽和，未來極有可能出現新的需求端開發模式（如DFT等），使得全球冬季電網呈現出小型分散的趨勢。VPP既是電網的智能化調度單位，又是電網的柔性交易單位，需要負責對分布式資源進行聚合、優化、協調與控制。在這些新能源中，由于氣溫、氣象等因素的影響，新能源的出力與其所處的季節、季節、氣候等因素密切相關，由于不確定性因素的存在，風電、光伏的預報精度將大大提高。但它們并不會以零散的方式出現，由于分布式發電之間的互補關系，降低了輸出的不確定度，所以聚合商的功能將會更加強大，它可以聚集供應端和需求端的各種分散的資源。所以，VPP將是開發新的電力市場不可或缺的環節，更是全球能源轉型過程中不可或缺的一大手段。

5 結束語

在全球邁向低碳、可再生能源的轉型進程中，虛擬電廠已確立其至關重要的戰略地位。作為一個通過先進技術將多種分布式能源資源整合為統一的、可調度的能源體系的模型，虛擬電廠解決了傳統電網與大量可再生能源融合時所面臨的穩定性和靈活性挑戰。這種整合模式不僅提高了能源利用效率，還實現了對電力供需的實時平衡，進而為電力市場創造了新的價值。全球眾多國家和地區在積極探索和部署虛擬電廠的過程中，已經獲得了對電網的優化、減少碳排放和降低運營成本的明顯成果。總的來說，虛擬電廠在全球能源轉型中不僅扮演了技術創新者的角色，更重要的是，它為實現更加綠色、高效和經濟的能源體系提供了實踐的價值。