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专题报告面向双碳的虚拟电厂技术支撑体系与商业模式研究电力圆桌项目课题组2023年11月面向双碳的虚拟电厂技术支撑体系与 商业模式研究Research on Technological System and Business Model for Virtual Power Plants Towards Carbon Peaking and Neutrality Goals 2023 年 11 月|i|构面向双碳的虚拟电厂技术支撑体系与商业模式研究目 录执行摘要 011 背景 0411 虚拟电厂建设背景 0412 虚拟电厂定义 0513 虚拟电厂政策环境 062 虚拟电厂建设的国内外进展 0821 国外发展情况 0822 国内发展情况 1223 国内外对比分析 143 虚拟电厂技术支撑体系 1631 虚拟电厂资源分类 1832 多元场景下虚拟电厂资源分析 1833 虚拟电厂资源潜力分析及验证 2134 虚拟电厂资源的聚合策略 234 虚拟电厂商业模式分析 2441 虚拟电厂盈利模式 2542 虚拟电厂定价机制 285 面向双碳目标的虚拟电厂建设路径与发展建议 3151 虚拟电厂建设路径 3152 虚拟电厂发展建议 33参考文献 35附录 A 虚拟电厂政策清单 36附录 B 国内外典型虚拟电厂示范工程 38面向双碳的虚拟电厂技术支撑体系与商业模式研究|01|执行摘要虚拟电厂是聚合分布在一定区域的分布式电源、可调节负荷、储能等资源，应用计量、通信、控制、大数据、人工智能等技术，形成的具有电力市场交易或电网互动能力的物理或经济实体。虚拟电厂可以在碳达峰、碳中和进程中起到提高能源利用率、提高可再生能源经济性、减少高碳排机组电力调峰出力和增容需求等作用，进而促进碳排放降低。国外虚拟电厂建设方面，各国实践各具特色，与当地资源特性和电网发展面临的问题高度相关。欧洲虚拟电厂以分布式电源、储能资源为主，主要针对实现分布式电源可靠并网和电力市场运营。美国虚拟电厂在需求响应基础上发展而来，聚焦负荷资源聚合调配，侧重于用户侧柔性负荷主动响应以提升电网运行稳定性。澳大利亚虚拟电厂聚合资源以用户侧储能为主，可以参与紧急频率控制辅助服务市场和电能量市场，主要提供频率控制辅助服务。国内虚拟电厂建设方面，我国在智能电网早期建设阶段侧重于坚强电网建设，因此虚拟电厂起步稍晚，但在政策、市场和盈利模式等方面均取得一定进展。（1）政策方面，国家层面尚未出台虚拟电厂专项政策，但在省市层面，部分省市出台了虚拟电厂专项政策，对虚拟电厂设计建设、参与交易、资金支持等多方面进行了引导和规范。（2）市场机制方面，虚拟电厂作为新型经营主体纳入政策规划，对市场准入、交易品种放开提供了支持。虚拟电厂可参与现货市场交易、辅助服务市场交易及需求响应市场交易，参与不同市场时按照具体市场规则执行。（3）盈利模式方面，国内虚拟电厂仍以邀约型为主，以需求侧响应、调峰调频为主要的收益来源。广东、江浙沪等经济发达地区为缓解电力供需不平衡问题，|02|面向双碳的虚拟电厂技术支撑体系与商业模式研究对虚拟电厂需求旺盛，开发项目较多，电力交易试点较为成熟，具备业务开展的良好基础。未来虚拟电厂也有望在绿电绿证市场化交易、碳交易中进行盈利。技术支撑体系方面，支撑虚拟电厂运营的技术核心在于对不同类型资源的聚合、分析、控制的能力，以及运用模型与算法支持调度与交易决策的能力，实现可测、可析、可控，对复杂且具有不确定性的各类资源进行高效、精细的管理以确保能提供可靠的、灵活的供电或调节能力，以获得最佳的经济效益。商业模式方面，目前国内的虚拟电厂还处在商业模式的探索阶段。（1）从虚拟电厂的收益来源来说，已经开展的虚拟电厂业务模式主要以邀约型需求响应为主，盈利模式来源于响应补贴。但是需求响应属于偶发交易，在电网供需调节存在困难时触发，具有交易频次不确定的特点，无法构成虚拟电厂运营商主要盈利模式。随着中长期市场、现货市场、绿电交易市场、辅助服务市场等逐步放开，虚拟电厂可作为一个市场主体全面参与到市场中，主要盈利模式除了需求响应，还包括辅助服务交易、电力现货交易等。（2）从虚拟电厂成本来说，除了平台与设备建设等前期固定成本外，不同类型虚拟电厂运营模式对应的运维成本差别较大。由于虚拟电厂运营平台一方面对接电力交易中心，另一方面对接各类资源聚合商，组织资源主体参与各类电力市场交易，并完成相关结算和利益分配。所以运营平台对不同资源组合的定价机制、利益分配机制的设计与创新，是激发各类用户侧资源积极参与虚拟电厂，提高虚拟电厂整体效益的关键。虚拟电厂建设的顶层设计方面，应从国家层面加快制定和发布虚拟电厂政策文件，结合“双碳”目标推进路线、新型电力系统建设要求和相关技术发展趋势，从管理要求、技术参数、运营模式等方面，加快制定虚拟电厂系列标准规范，构建完整的技术体系，推动虚拟电厂发展规划，结合新型电力系统建设规划和不同地区资源禀赋，明确虚拟电厂在各阶段的发展重点，推动我国虚拟电厂有序发展，将需求侧资源与发电侧资源调节能力等同，发挥虚拟电厂对“双碳”目标实现的积极作用。“双碳”目标实现进程的达峰期、平台期、下降期，新型电力系统建设对应分为加速转型期、总体形成期和巩固完善期，虚拟电厂发展的邀约期、交易期和自治期与“双碳”路径和新型电力系统建设可以有机结合。在达峰期（当前到2030年），多元资源分别参与主要以邀约形式组织的电网互动，其中负荷型虚拟电厂依托终端用能电气化替代有望快速发展，要求具备削峰、填面向双碳的虚拟电厂技术支撑体系与商业模式研究|03|谷能力，积极参与需求响应和辅助服务。同时，虚拟电厂储能资源可结合可再生能源电源进行峰谷套利和参与调峰、调频、备用等辅助服务，进一步提升可再生能源消纳比例。在平台期（2030 年到 2045 年），虚拟电厂聚合资源不断丰富，在工业领域可结合电能替代深入挖掘削峰和填谷资源，在交通领域拓展新能源汽车、充电站储能，探索配置长时储能资源。虚拟电厂向源荷混合型转变，利用新型电网技术充分参与集中地电能量市场和辅助服务市场及分散式交易市场，具备更充足的交易议价能力，促进可再生能源渗透率进一步提升。在下降期（2045 年到 2060 年），随着分布式电源接入电网承载力提升，虚拟电厂将进入自治期，快速发展分布式光伏、分布式风电机组等可再生能源，与综合电力平衡需求和电力市场信息，参与市场交易或进行本地化的消纳和调控；拓展氢能等多种储能资源，实现能源深度融合利用，形成内部自供应、自消纳与自平衡的能力。在碳中和目标达成后，社会发展所需新增负荷可结合地理位置、电气位置、当地能源结构和虚拟电厂建设等情况统筹规划，需要注重平衡虚拟电厂存量资源与新建资源比例，引导新建资源高效参与交易和互动。|04|面向双碳的虚拟电厂技术支撑体系与商业模式研究1 背景1.1 虚拟电厂建设背景“双碳”目标推动系统电源结构与负荷特性加速转变。在电源侧，为应对全球气候变暖、能源短缺等问题，风电、光伏等可再生能源发电逐步成为我国能源结构转型的重要力量。我国可再生能源开发虽然起步较晚但势头强劲，且已成为未来电力系统的发展方向，预计到2060年可再生能源装机规模将达到60亿千瓦，装机占比将达到 84%以上，一次能源消费非化石能源占比将到达 78%1。2022 年我国新增可再生能源装机规模已达 1.52 亿千瓦，占国内新增发电装机的 76.2%。可再生能源并网规模不断扩大，逐步成为发电量增量主体。但可再生能源发电出力的波动性、随机性和间歇性，对电力系统安全稳定运行带来严峻挑战。在负荷侧，随着社会经济发展和电气化水平的提升，电力系统尖峰负荷屡创新高、峰谷差持续拉大，个别时段、局部地区电力供需矛盾突出。“十四五”期间全社会用电量增长率预计为 4 5%，且受第二产业用电比重稳步下降、第三产业和居民用电占比逐年提高影响，最大负荷增速将高于用电量增速，夏季冬季电力负荷“双高峰”特征更加显著，预测 2025 年最大日峰谷差率将增至 35%，最大日峰谷差达到 4 亿千瓦2。面向双碳的虚拟电厂技术支撑体系与商业模式研究|05|因此，我国当前面临着电力供需新形势，电力供需平衡压力和可再生能源消纳困难叠加并长期存在。新型电力系统建设对提升电力系统灵活性调节能力、提高电力客户供电保障和绿色消费水平提出了更高要求，但当下电力系统峰谷调节、频率调节难度显著上升，现有调节容量捉襟见肘，迫切需要一种可快速应用、具有经济性的新型市场主体参与协同管理和运行调控，分担电力系统调节压力，提升电力系统可靠性和灵活性。随着新型电力系统的发展，具备调节潜力的用户侧资源数量飞速增长，包括工商业和居民各类可调节灵活负荷，电动汽车、分布式储能等储能资源，屋顶光伏和小型风电等分布式可再生能源，为电力系统提供了潜在的灵活调节手段。然而，上述用户侧多元灵活资源具有点多量大、容量较小、电压等级低、主体多样等特征，需要利用数智化技术手段，通过市场化模式，聚合海量的零散灵活资源以提升系统整体的调度可靠性和灵活性。1.2 虚拟电厂定义虚拟电厂（Virtual Power Plant）是聚合分布在一定区域的分布式电源、可调节负荷、储能等资源，应用计量、通信、控制、大数据、人工智能等技术，形成的具有电力市场交易或电网互动能力的物理或经济实体，也可指实现此目的的综合应用技术，进一步可引申为搭载、应用此技术的软硬件及服务产品。虚拟电厂可以在碳达峰、碳中和进程中起到提高能源利用率、提高可再生能源经济性、减少高碳排机组电力调峰出力和增容需求等作用，进而促进碳排放降低。图 1 给出了虚拟电厂相关功能和业务的示意图。|06|面向双碳的虚拟电厂技术支撑体系与商业模式研究虚拟电厂示意图图 1.虚拟电厂示意图1.3 虚拟电厂政策环境国家发改委、国家能源局等部门出台多项相关政策，明确要求加强需求侧管理，充分挖掘用户端调节潜力，提升需求侧调峰能力1。“十四五”现代能源体系规划（发改能源2022210 号）要求“大力提升电力负荷弹性。加强电力需求响应能力建设，整合分散需求响应资源，引导用户优化储用电模式，高比例释放居民和一般工商业用电负荷的弹性。开展工业可调节负荷、楼宇空调负荷、大数据中心负荷、用户侧储能、可再生能源汽车与电网（V2G）能量互动等各类资源聚台的虚拟电厂示范”，确立了虚拟电厂的市场主体地位。新型电力系统蓝皮书指出，要“积极培育电力源网荷储一体化、负荷聚合服务、综合能源服务、虚拟电厂等贴近终端用户的新业态新模式，整合分散需求响应资源，打造具备实时可观、可测、可控能力的需求响应系统平台与控制终端参与电网调度1 虚拟电厂相关政策清单见附件 A。面向双碳的虚拟电厂技术支撑体系与商业模式研究|07|运行，提升用户侧灵活调节能力”，指出了虚拟电厂在新型电力系统中应发挥的作用。电力需求侧管理办法（2023 年版）提出“支持各类电力需求侧管理服务机构整合优化可调节负荷、分布式电源、新型储能等需求侧资源，以负荷聚合商或虚拟电厂等形式参与需求响应，创新用电服务模式，培育用电服务新业态。”，明确支持了虚拟电厂作为需求侧资源管理、互动的基本单元的建设方向3。因此，建立更加灵活的需求侧资源开发利用模式是新形势下电力供应的迫切要求，常态化发挥需求侧资源的灵活调节作用是解决新型电力系统源荷双侧不确定性的重要路径。随着新型电力系统和全国统一电力市场加速建设，通信技术的发展与近期人工智能技术的突破，有望解决用户感知交互、用户可调潜力动态预测分析等问题，提升虚拟电厂实时参与电力系统运行的能力，实现资源高效、精准、经济调用，为虚拟电厂发展与实践提供了机遇。|08|面向双碳的虚拟电厂技术支撑体系与商业模式研究2虚拟电厂建设的 国内外进展2.1 国外发展情况国外虚拟电厂实践各具特色，与当地资源特性和电网发展面临的问题高度相关。欧洲虚拟电厂以分布式电源、储能资源为主，主要针对实现分布式电源可靠并网和电力市场运营。美国虚拟电厂在需求响应基础上发展而来，聚焦负荷资源聚合调配，侧重于用户侧柔性负荷主动响应以提升电网运行稳定性。澳大利亚虚拟电厂聚合资源以用户侧储能为主，可以参与紧急频率控制辅助服务市场和电能量市场，主要提供频率控制辅助服务。（1）欧洲在欧洲，德国、英国、法国虚拟电厂发展起步较早、项目数量和案例相对较多，并已出台相关引导政策和保障措施，推动虚拟电厂健康有序发展。德国结合自身可再生能源发展需求，重点解决新增分布式电源并网和市场交易问题；英国将灵活电力市场机制纳入能源战略，重点解决市场交易和平衡服务的机制障碍问题；法国明确虚拟电厂参与市场的门槛和机制，引导技术发展方向，确保虚拟电厂发展符合电网需求。政策方面，以德国为例，相关法律规定了聚合商的市场角色、机会和义务，在能源经济法（Energiewirtschaftsgesetz,EnWG）、可再生能源法、电网加速扩建法面向双碳的虚拟电厂技术支撑体系与商业模式研究|09|等法律中设置了直接或间接促进虚拟电厂发展的条款，为虚拟电厂聚合能源资源提供了法律保障。2016 年，德国联邦网络局（BNetzA）提出了一个“聚合商模式”，并启动了一个利益相关方进程，与相关市场主体共同对这个模式进行讨论。这一过程促使一项行业指导方针（BNetzAAZ.BK6-17-046）的出台，其中包括将“聚合商”定义为市场参与者的角色。此外，2021 年 7 月，德国政府对聚合商的角色、市场机会和义务进行了法律界定。市场机制方面，以德国为例，虚拟电厂主要参与现货电力市场（包括日前和日间）、平衡市场（类似国内辅助服务市场）、可中断负荷投标和电网阻塞管理。现货市场方面，虚拟电厂活跃在日前市场和日间市场。日间市场的交割期较短，对可在短时间内迅速做出反应的灵活性产品有额外需求。虚拟电厂能在15分钟和1小时市场提供快速可控的灵活性，因此虚拟电厂的灵活性资源池正好可以在日间市场提供这项服务。平衡市场方面，虚拟电厂主要通过现货交易或输电网运行商招标参与平衡市场4。由于德国的输电系统运营商接受聚合资源参与平衡市场，虚拟电厂可用其资源池中聚合的各种分布式能源资源，参与平衡市场、提供备用服务，特别是二次备用（5 分钟激活时间，最小投标单位 5 兆瓦）和三次备用服务（15 分钟激活时间，最小投标单位 5 兆瓦）。提供二次控制备用和三控制次备用的供应商通过容量价格和平衡能量价格获得收益，对实际使用的平衡能量进行计费，并将成本转移至导致启动备用的平衡责任方。可中断负荷方面，5 兆瓦以上负荷的虚拟电厂可参与输电系统运营商的可中断负荷招标。电网阻塞管理方面，德国引入了“调度管理商”和“再调度 2.0”的再调度方案，为虚拟电厂运营商创造了新的商机。实施模式方面，以德国为例，虚拟电厂单元控制系统监测接入的机组和可控负荷的实时发用电负荷，机组和可控负荷接受单元控制系统的控制。虚拟电厂内的每一个机组和可控负荷通过 4G 公网与单元控制系统进行双向移动通信，优化决策系统通过监测市场电价、调度机构指令等各种信息，做出市场交易决策，并将最新的发用电计划通过单元控制系统下发给各机组和可控负荷，有些代理商还具备对平衡单元内的机组和可控负荷进行遥测和遥调的能力。标准制定与应用方面，欧洲主要有 IEC 62746-10-1:2018、IEC 62745-10-3:2018 和IEC TS 62939-10-2:2018。这些标准规定了如何实施双向信号系统，以促进电力服务提供商、|10|面向双碳的虚拟电厂技术支撑体系与商业模式研究聚合器和最终用户之间的信息交换，并通过技术规范提供了一种架构来定义需求侧和电网之间的智能设备/系统之间的信息交换接口。（2）美国美国基于系统效益收费的虚拟电厂通过合理利用峰谷电价、可中断电价等电价政策引导用户尽可能在低谷时段用电，合理避开高峰时段，同时吸收更多的虚拟电厂参与者，采用技术更先进的节电设备提高终端用电效率，进而节约电能。政策方面，美国碳中和目标、气候与环境正义法案和国家能源行动法案为虚拟电厂提供了发展环境，美国联邦能源监管委员会（FERC）于 2018 年发布 2222 号法令，要求独立系统运营商（independent system operator,ISO）、区域输电组织允许储能和分布式能源聚合体等参与批发电力市场、辅助服务市场和容量市场，为虚拟电厂发展扫清了政策障碍。市场机制方面，在加州电力市场，不同的参与方式对虚拟电厂资源聚合的要求有所不同。虚拟电厂可通过代理需求响应资源（proxy demand resource,PDR）或分布式能源供应商（distributed energy resource provider,DERP）市场机制参加日前、实时能量市场与日前实时旋转备用/非旋转备用市场。PDR 允许虚拟电厂通过负荷削减参与电力市场，DERP 通过聚合一定范围内的分布式能源作为虚拟资源参与电力市场。相较于 PDR，DERP 由于对聚合的分布式资源种类没有特殊要求并且允许双向调节更符合虚拟电厂的概念，但必须遵守分布式能源供应商协议，并接受 ISO 的价格规定。以上两种参与方式均需虚拟电厂通过 ISO 的新资源认证流程并寻求调度协调员（scheduling coordinator，SC）代理虚拟电厂进行报价与结算。对于 PDR，虚拟电厂参与能量市场竞标容量应达到 100千瓦，参与辅助服务市场竞标容量须达到 500 千瓦并且持续时间应达到 30 分钟；虚拟电厂聚合的需求响应资源虽不要求由同一本地服务机构提供服务，但为确保需求响应资源调度不会造成额外的阻塞，虚拟电厂聚合的需求响应资源必须位于同一子负荷区域。对于DERP，虚拟电厂所聚合的最小容量应达到 500 千瓦，当跨越多个定价节点时聚合容量必须小于 20 兆瓦。面向双碳的虚拟电厂技术支撑体系与商业模式研究|11|实施模式方面，美国虚拟电厂项目类型多样，建设和运营虚拟电厂的主体包括配售电电力公司和独立第三方虚拟电厂公司，参与方包括电力公司、硬件装备制造商、平台软件供应商、第三方聚合商、居民和工商业用户等。美国虚拟电厂均基于社区（用户）的商业模式主要通过社区、工商业区等形式实现用户侧光伏、储能设施、电动汽车等能源汇集，参加电网平衡，为电网提供服务。标准制定与应用方面，美国开放式自动需求响应（Open Automated Demand Response,OpenADR）5通信规范，提供了 DR 标准化信息模型及非专有开放式的标准化DR 接口，用于支撑自动 DR 业务开展。在 2010 年 5 月，OpenADR 正式成为美国首批智能电网互操作标准之一。能源供应商使用 OpenADR 标准向各种客户安装的用电设备发送快速、可靠、安全的价格和事件消息，例如建筑能源管理系统、智能温控器、空调、电动车辆充电站等。（3）澳大利亚澳大利亚电力系统发展较早，电力系统管理、市场机制较成熟。随着可再生能源快速发展，澳大利亚通过试点方式探索虚拟电厂模式，推进虚拟电厂发展，提升电力供应可靠性与经济性。政策方面，澳大利亚从 1991 年开始推动电力市场改革，建立了国家电力批发市场和零售市场，实行现货交易和金融合约交易，明确国家电力市场管理公司作为市场主体购买系统调频及调压的相关辅助服务。2020 年，推出新的电网辅助服务规程，根据电网安全运行及经济性的需求，将电网支持与控制辅助分为可靠性与安全辅助服务及有市场收益的辅助服务两类，为试点虚拟电厂创造了有利条件。市场机制方面，澳大利亚为鼓励虚拟电厂进入电力市场，在市场机制上面做出了较大的改变，主要体现在三方面，一是提供了新的市场参与者，二是定义了新的辅助负荷分类方法，三是建立了新的监控量测机制。澳大利亚虚拟电厂参与国家电力市场主要有三种方式，方式一是虚拟电厂协调商与零售商签订商业合同，零售商作为虚拟电厂协调商的财务责任市场参与方(financially responsible market participant,FRMP)，方式二是零售商既为虚拟电厂协调商同时也为 FRMP，方式三是虚拟电厂协调商为市场辅助服务提供|12|面向双碳的虚拟电厂技术支撑体系与商业模式研究商（market ancillary services provider,MASP）仅可参加频率控制辅助服务（frequency control ancillary services,FCAS）市场6。其中，虚拟电厂协调商是指协调控制内部辅助服务负荷以满足虚拟电厂操作目标的实体，FRMP 为连接点处代理的负荷支付现货市场费用。实施模式方面，澳大利亚虚拟电厂项目主要由独立运营商开发运营，运营商兼顾资源的聚合与调度，为参与方提供储能设备及定制化解决方案，通过虚拟电厂整合平台对聚合资源进行调度参与市场交易。从商业架构看，澳大利亚虚拟电厂试验项目主要采用独立平台模式，由政府提供补贴并进行监管，以特斯拉、发电商 AGL 为代表的独立运营商负责搭建平台整合分布式光伏电源和储能装置等负荷侧快速响应调节资源。其收益来源主要有两类，一是通过平台将多余的太阳能电力回售给电网公司，二是平台利用储能系统为局部电力系统提供快速响应的辅助服务，在电力系统出现由事故或天气等原因引发的电源或电网事故时，为电网提供及时的辅助服务支持。标准制定与应用方面，澳大利亚于主要采用 AS/NZS4755 系列标准。AS4755 系列标准规范了 DR 设备接口功能，定义了空调、电热水器、电池储能系统的 DR 模式，使用户侧用电设备具备快速响应、获取即时反馈信息能力。为帮助澳大利亚过渡到安全可靠的低碳电力系统，2017 年 3 月颁布了 AS/NZS4755.1 标准更新版7，明确了 DR 系统框架，对 DR 支持设备（Demand Response Enabling Device，DRED）通信接口方式、发布事件指令内容等进行规范，并提出了验证、测试一个具体的 DRED 是否满足规范提出的要求的方法。2.2 国内发展情况国内在智能电网早期建设阶段，侧重于坚强电网建设，因此虚拟电厂起步稍晚。同时，我国电力市场仍处于加速建设中，有望依托新型电力系统和电力市场建设，快速推进虚拟电厂建设。政策方面，国家层面尚未出台虚拟电厂专项政策，近年来，发改、能源、工信、科技等部门发文多有提及，要求推动虚拟电厂建设，发挥其在电力系统中平衡供需等作用。省面向双碳的虚拟电厂技术支撑体系与商业模式研究|13|市层面，山西、上海、宁夏、济南、广州、深圳出台了虚拟电厂专项政策，对虚拟电厂设计建设、参与交易、资金支持等多方面进行了引导和规范。市场机制方面，随着全国统一电力交易市场建设的推进，虚拟电厂作为新型经营主体纳入政策规划，对市场准入、交易品种放开提供了支持。虚拟电厂可参与现货市场交易、辅助服务市场交易及需求响应市场交易，参与不同市场时按照具体市场规则执行。市场建设初期，“电源型”、“负荷型”虚拟电厂参与中长期、现货及辅助服务市场，“混合型”虚拟电厂参与现货及辅助服务市场。在虚拟电厂内涵延伸至分布式可再生能源聚合后，也将参与市场化绿电绿证交易。在碳市场，随着电-碳耦合研究进一步推进，虚拟电厂将具备参与 CCER（国家核证自愿减排量）交易的能力。盈利模式方面，国内虚拟电厂仍以邀约型为主，以需求侧响应、调峰调频为主要的收益来源。现存虚拟电厂项目与电力现货交易试点区域几乎重合，除河北冀北虚拟电厂外，目前开展虚拟电厂试点项目的省份均在两批电力交易试点省份名单中。广东、江浙沪等经济发达地区为缓解电力供需不平衡问题，对虚拟电厂需求旺盛，开发项目较多，电力交易试点较为成熟，具备业务开展的良好基础。未来虚拟电厂也有望在绿电绿证市场化交易、碳交易中进行盈利。实施模式方面，我国尚未形成成熟的成套解决方案，虚拟电厂项目基本处于前期试点研究阶段。“十三五”期间，我国江苏、上海、河北、广东等地相继开展了虚拟电厂的试点。江苏省于2016年投运首套针对可再生能源大规模消纳的“源网荷智能电网”虚拟电厂系统；上海于 2017 年建成世界首个商业建筑虚拟电厂，即黄浦区商业建筑虚拟电厂示范工程；冀北 2019 年建成直接参与华北辅助服务市场的虚拟电厂示范项目，并参与了多项虚拟电厂国际标准制定。目前国内虚拟电厂的主要投资与参与方包括政府，电网企业，发电企业与资源聚合商，政府部门主要牵头虚拟电厂管理平台的建设，例如深圳虚拟电厂管理中心；电网与发电企业投资建设虚拟电厂运营平台，例如国网的冀北虚拟电厂、南网的“粤能投”虚拟电厂、国电投保定综合智慧零碳电厂；资源聚合商种类较多，主要为综合能源服务公司，售电公司，与车桩企业等直接对接用户资源的公司。标准制定与应用方面，目前虚拟电厂国内外在编标准 6 项，其中 IEC 在编标准 2 项，国内在编标准 4 项。IEC 标准为虚拟电厂功能架构和虚拟电厂用例已于 2018 年 3|14|面向双碳的虚拟电厂技术支撑体系与商业模式研究月正式立项。国内在编标准包括国家标准 2 项虚拟电厂管理规范和虚拟电厂资源配置与评估技术规范，行业标准 1 项虚拟电厂可调节性能指标设计与计算方法，团体标准 1 项虚拟电厂硬件架构与设备终端总体要求。应用成效方面，目前深圳、冀北和上海已经建设发展了具有一定规模和调节能力的虚拟电厂示范项目和市场实践。在深圳，已建设有虚拟电厂聚合商接入平台。深圳虚拟电厂聚合商接入平台已接入分布式储能、数据中心、充电站、地铁等类型负荷聚合商 14 家，接入容量达 87 万千瓦，接近一座大型煤电厂的装机容量。预计到 2025 年，深圳将建成具备 100 万千瓦级可调能力的虚拟电厂，逐步形成年度最大负荷 5%左右的稳定调节能力8。在冀北，按照“云管边端”体系架构建设了虚拟电厂平台。冀北虚拟电厂资源覆盖范围包括张家口、秦皇岛、承德、廊坊、唐山，资源类型涵盖可调节工商业负荷、蓄热式电锅炉、空气源热泵、储能、分布式光伏、电动汽车充电站、智能楼宇、制雪设施等泛在弹性资源。在上海，虚拟电厂平台架构涵盖了调度-交易-运营一体化虚拟电厂运营体系和分布自治、层级间规约异构适配技术架构，实现了虚拟电厂直接参与电力市场交易和调度系统优化调控以及海量散布异质资源分层分群控制需求，促进海量多元负荷资源友好高效接入。目前，上海已有 12 家虚拟电厂接入上海虚拟电厂运行管理与监控平台，虚拟电厂初步形成 1000MW 发电能力9，接入资源类型包括工商业楼宇、冷热电三联供、电动汽车、动力照明、铁塔基站等。按照分钟级、秒级响应能力区分资源参与的交易品种。2.3 国内外对比分析通过上述分析，国内外虚拟电厂的发展有较大差别，总结分析如表 2-1 所示。国内外典型虚拟电厂见文后附录 B。面向双碳的虚拟电厂技术支撑体系与商业模式研究|15|表 2-1.国内外对比分析对比项国外国内聚合资源类型类型丰富，包括源侧、荷测及储能等各类资源。欧洲以分布式可再生能源为主，负荷侧资源类型占比较小。以负荷侧资源调节为主。未能发挥国内丰富的分布式可再生能源资源优势，从而难以实现虚拟电厂的规模效益。政策及市场成熟度辅助服务市场和电力现货市场机制完善，尤其是电力现货市场更加成熟。两类市场尚不成熟，大部分省份以试点方式在推进。技术成熟度核心技术更加成熟，尤其是其协调控制技术，可实现对各种可再生能源及负荷的灵活控制，对分布式可再生能源可控。分布式可再生能源尚不可控，且协调控制策略有待完善。商业模式已实现商业化，主要通过以下方式获取收益：一是通过提供电力市场交易获得利润分成；二是主要通过参与调峰调频市场获取收益；三是通过配置储能装置获得辅助服务收益。商业模式尚不清晰，以参与相对成熟的需求响应市场，及以虚拟电厂方式提供节能、用电监控等增值服务为主，参与辅助服务市场为辅，参与电力现货仍在尝试探索中。|16|面向双碳的虚拟电厂技术支撑体系与商业模式研究3虚拟电厂技术 支撑体系虚拟电厂的物理架构包括四层，即资源层、网络层、平台层和上级系统，如图 2 所示。虚拟电厂的物理核心在于运营管控平台，是实现各类资源主体管理和商业变现、连接上下环节的关键。图 2.虚拟电厂物理架构面向双碳的虚拟电厂技术支撑体系与商业模式研究|17|虚拟电厂的运营业务包括数据监测、可调节潜力分析、控制策略、互动效果测量与验证、效益价值综合评估 5 个部分，图 3 给出了虚拟电厂的业务模型。其中，数据监测与感知是对工业、商业等各类调节资源进行运行参数监测与采集分析；通过可调潜力分析，包括负荷功率调节方法、生产流程及经营特性分析方法等对各类资源的调节潜力进行量化；控制策略部分针对资源的可调潜力与市场信息制定互动策略；互动效果测量与验证部分确定虚拟电厂和具体资源基线、计算响应电量和节约电力；效益价值综合评估部分分析电网、用户、电厂、社会等效益。图 3.虚拟电厂业务模型支撑虚拟电厂运营的技术核心在于对不同类型资源的聚合、分析、控制的能力，以及运用模型与算法支持调度与交易决策的能力，实现可测、可析、可控，对复杂且具有不确定性的各类资源进行高效、精细的管理以确保能提供可靠、灵活的供电或调节能力，以获得最佳的经济效益。|18|面向双碳的虚拟电厂技术支撑体系与商业模式研究本章将从资源分类、资源匹配、潜力分析和资源聚合策略等方面对支撑虚拟电厂运营的关键技术与方法进行详细介绍。3.1 虚拟电厂资源分类虚拟电厂资源分类涉及多种维度，可以基于不同的原则和方法进行，如能源类型、地理位置、运营模式等。在不同维度下，由于分类的根据与目标存在不同，分类结果也有所区别，需要考虑资源之间的相互关系和相互作用，以及其在虚拟电厂系统中的作用和影响。在不考虑资源互动场景的最基础的分类方式中，可将虚拟电厂资源分为可调节负荷（包括柔性调节负荷和可中断负荷等）、分布式电源（如分布式光伏、分布式风电机组、小型燃机等）以及储能设备。可调节负荷涉及工业、建筑、交通等资源，可按照中断调控和柔性调控、响应时间尺度进一步分类。根据参与互动场景，可分为可调节电量资源和可调整电力资源，进一步细分为调峰、调频以及可再生能源消纳资源。调峰资源包括降低电网高峰、填补低谷的负荷、储能和部分具有调控能力的分布式电源。调频资源是指当电力系统发生有功功率缺额而导致频率降低时，能够按照一定的控制策略帮助电网恢复频率的资源，目前仅储能设备具备相应技术能力。可再生能源消纳负荷是指能够应对风电等可再生能源随机性、间歇性的具备快速调整理的负荷，主要包括蓄热电锅炉、双蓄空调以及蓄电池等设备。从调整电力的实际效果和应用约束角度分析，可调整电力资源包括可转移资源、可调控资源和可中断资源。虚拟电厂资源分类后，资源之间的相互关系和相互作用的分析、不同类型资源的协同调度优化可提高虚拟电厂的整体效益。3.2 多元场景下虚拟电厂资源分析虚拟电厂资源具有很强的资源禀赋依赖性，而资源禀赋与地理位置和行业部门密切相关，如城市的建筑楼宇和工业园区的企业设备等，有不同的用电主体和用户侧资源，并且存在空间和时间的关联和互补性，需要加强协调和有效利用。面向双碳的虚拟电厂技术支撑体系与商业模式研究|19|（1）建筑场景下虚拟电厂资源分析建筑具有用电强度大2的特点，包括建筑中的空调负荷、电动汽车、移动基站、分布式电源、储能、充电站等。基于建筑场景建设的虚拟电厂与电网实现互动，可以降低电网尖峰负荷，提升电力系统在尖峰负荷时期的运行可靠性与安全性。以上海市为对象分析公共建筑的用电情况。上海市 2019-2021 年公共建筑逐月用电强度如图 4 所示10，通过与两年同期数据进行对比分析可以发现，每年 4 至 10 月建筑逐月用电强度变化情况与气温变化趋势相符，如 2020 年 8 月平均温度高于 2019 年同期，对应 8 月能耗明显高于同期。夏季随着气温不断升高，空调制冷需求逐渐增大，导致用电量也逐渐增加，因此夏季楼宇建筑空调负荷是造成电网尖峰负荷的重要原因，也是建设虚拟电厂的重要资源。在办公建筑、商业楼宇中空调负荷占比较大，约占建筑负荷的 40-60%11。.单单位位面面积积用用电电量量（k kWWh h/mm）年月平均气温年月平均气温年月用电强度年月用电强度年月用电强度年月平均气温图 4.2019-2021 年与能耗监测平台联网的建筑逐月用电强度10缓解极端天气下电力供需矛盾是建筑参与电网互动的重要场景，电动汽车是其中重要资源。据预测，2030 年中国电动汽车保有量将达到 8000 万辆。全国达 1310 万辆，作为代表性的典型城市上海 2022 年电动汽车保有量 99.07 万辆，预测到 2030 年，上海电动汽2 用电强度为某一小时段内平均用电负荷与对应额定功率的比值|20|面向双碳的虚拟电厂技术支撑体系与商业模式研究车保有量将达到 605 万辆，相应充电负荷尖峰预计将达到 5041MW12，电动汽车形成的可调负荷通过灵活参与电网互动，将有效降低上海负荷峰谷差，缓解局部地区电力供应压力。建筑负荷中，空调负荷可以通过间歇开关或柔性调控的方式削减，照明负荷可通过点位选取控制照明设施灵活开关。电动汽车作为具有流动性的双向调节资源，现阶段可以通过避峰充电参与电网调节，后续有望在 V2G 技术试点成熟后逐步推开，在尖峰时段参与出力进行顶峰调节，以及参与调频辅助服务，提升新型电力系统灵活调节能力，通过减少增量电网容量、增量调峰调频电厂建设等方式，间接减少碳排放。（2）工业场景下虚拟电厂资源分析工业企业，尤其是高耗能企业在用电形势紧张的情况下应当参与电网避峰错峰，主要资源依赖于企业的大型生产设备。高耗能工业企业供电稳定性及电费成本波动对企业发展影响巨大。同时，国家强化能耗“双控”约束，倒逼高耗能行业加大节能减排改造力度。在东北等重点工业省份，钢铁、有色金属石油石化、化工等高耗能行业是重要的支柱产业，而电费是核心工艺环节最主要的生产成本。因而，企业一般选择利用低谷电价政策，集中在夜间生产，造成局部电网白天利用率低，夜间电网负载率过高，甚至可能威胁局部电网运行安全和电力供应。在我国，工业可调节负荷资源潜力巨大，不同行业调节情况参差不齐。截至 2021 年底，削峰负荷排名中前 15 的行业均为工业，合计 2078.20 万千瓦，占可调节负荷资源库容量的 35.52%，其中行业主要集中在水泥、石灰和石膏制造、钢压延加工、炼钢等；截至 2021 年底，填谷负荷排名中前 15 的行业均为工业，合计 674.56 万千瓦，占可调节负荷资源库容量的 45.38%，其中行业主要集中在钢压延加工、炼钢、电子和电工机械专用设备制造等13。由于工业设备具有高价值且连续运行的特点，需要确保生产安全和设备安全，因此可从以下三方面入手：首先，应提前调查和登记工业企业具有错峰能力的设备和生产环节，通过梳理生产工业流程和设备运行特性，形成可控负荷主体群，预先生成安全、智能的调控策略。其次，对生产线进行智能化改造，帮助企业在电网负荷过高时，主动切除支持短时停电的生产线，避免因整体拉闸限电造成的损失，使生产线可以快速响应电网负荷调节面向双碳的虚拟电厂技术支撑体系与商业模式研究|21|需求。最后，还可以适应实时电力市场电价波动，不断扩大工业负荷参与市场化交易的能力和规模，让企业通过市场化手段获得降低用电成本的实惠，形成以市场为驱动的虚拟电厂商业模式，构建面向能源互联网的共享生态。3.3 虚拟电厂资源潜力分析及验证（1）不同场景下的虚拟电厂潜力分析方法由于虚拟电厂资源种类丰富且特性各异，对虚拟电厂进行潜力分析和验证需要结合实际应用场景下的聚集和互动策略，综合用电、气象、经济等数据，评估虚拟电厂在不同条件下的潜力和可行性，并验证其在实际应用中的性能和效益。虚拟电厂通过主动参与电网运行控制，与电网进行能量互动，其潜力是指虚拟电厂内部的各类灵活性资源调节正负出力大小的能力。对虚拟电厂潜力进行合理分析评估，有利于虚拟电厂在低碳运营模式下参与市场交易的过程中发挥最大的优势，获得最佳经济效益和社会效益。目前虚拟电厂参与电力系统优化调度时空动态调控潜力估计常用到数据驱动法和物理建模法。数据驱动方法指利用历史数据和统计分析方法，建立对虚拟电厂运行情况的模型，通过数据分析预测虚拟电厂的潜力。物理模型法指利用建模和优化方法，对虚拟电厂进行建模和仿真，评估其供需平衡、能源利用效率和经济性等方面的潜力。通过虚拟电厂资源筛选、预测，建立细分可再生能源电源、工业削峰负荷、工业调峰负荷、城市商业和居民的可调节负荷潜力测算模型，实现虚拟电