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辽宁虚拟电厂建设探索与对策研究李镜，马彤兵（沈阳工程学院 经济管理与法学院，辽宁 沈阳 110136）摘要：随着碳中和、碳达峰的实施不断深化，辽宁省的风力、光伏等新能源发电占比不断提升，辽宁省电网面临新能源电力调节调度灵活性弱、消纳压力大等诸多问题。本文通过探究虚拟电厂的内涵、运营管理模式、相关产业链和分类，分析对比国内外虚拟电厂建设和发展趋势，结合辽宁省电力供应与需求特点，从虚拟电厂的定位和技术角度出发规划辽宁虚拟电厂建设，并提出虚拟电厂建设策略，为其他省市虚拟电厂建设提供借鉴。关键词：辽宁；虚拟电厂；建设；对策中图分类号：TM73文献标识码：A文章编号：1672-9617（2023）03-0058-07收稿日期：2022-12-22基金项目：辽宁省经济社会发展研究课题（2023 lslybkt-092）作者简介：李镜（1971-），女，辽宁沈阳人，教授，硕士，主要从事能源管理、现代工业工程与管理创新等研究。第 19 卷第 3 期2 0 2 3 年 7 月Vol.19 No.3Jul.2023沈阳工程学院学报（社会科学版）Journal of Shenyang Institute of Engineering（Social Sciences）DOI：10.13888/ki.jsie（ss）.2023.03.009一、引言碳中和、碳达峰是我国持续绿色发展的重要目标，清洁化的电力系统是实现目标的重要手段之一。随着风能、光伏等新能源发电占比不断提升，电力系统如何高效消纳大量的高波动性和间歇性的电能是一个亟待解决的难题。同时，在用电侧，随着各个领域电气化程度不断提升，以及自然天气的变化，进一步加大了用电侧用电需求预测的复杂性，电力系统维持供需平衡状态的难度加大。如何有效平衡、消纳新能源发电带来的不稳定，虚拟电厂建设与实施尤为关键，并将成为我国解决能源变革问题的重要手段。虚拟电厂能够通过先进信息通信技术，聚合并协调各种跨区域分布式能源，在智能协同调控和决策支持下保障新能源电力的稳定输出，优化电力资源的配置和利用。同时，虚拟电厂作为电力需求响应的延伸，将极大提升能源电力精益化管理水平。目前国内外能源供需格局及能源科技发展都发生了深刻的变革，能源革命的核心应该是以互联网为代表的信息技术与能源技术深度融合1，具体来说即电子信息、现代通信、大数据数值计算等信息技术融合到各种能源的开采、生产、输配、存储、消费、使用中，进而形成全新的综合能源利用产业形态。2022 年 3 月，国家发展改革委等十部门联合发布 关于进一步推进电能替代的指导意见，明确提出到2025年，电能占终端能源消费的比重达到 30%左右。根据全球能源互联网发展合作组织预计，到2060年电力占终端能源消费比重将提升至70%，新能源电力光伏、水电等新能源基础设施也将蓬勃发展，电动汽车等可控负荷单位数量将大幅增加。与此同时，气候的异常也使得电网面临的随机冲击越来越大，严重影响电力能源供应的稳定与安全。据统计，2020年全国弃风电量166.1亿千瓦时；弃光电量52.6亿千瓦时2。二、虚拟电厂概述1.虚拟电厂的内涵虚拟电厂（VPP，virtual power plant）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的“虚拟集中式电厂”。它不同于微电网，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。“聚合”与“通信”是虚拟电厂的核心，以先进的区域化的电力集成运营管理模式，聚合了多分布式能源，并参与电力市场运作。它通过削峰填谷，减轻日益增加的电网负荷。虚拟电厂及其运营模式如图1所示。图1虚拟电厂及其运营管理模式2.虚拟电厂产业链及分类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。上游基础资源：可调负荷、分布式电源和储能设备。可控负荷重点是工业、商业和公共建筑、居民等，不同应用场景负荷可调潜力差异较大。商业和公共建筑可调负荷主要是空调、照明、动力，约占楼宇负荷的25%；居民可调负荷分布散、单点容量小、聚合难度较大。分布式电源指的是小型分布式光伏、风电、火电、水电等机组。储能包括机械储能、化学储能等。中游系统平台：主要是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。下游电力需求方：由电网公司、售电公司和大用户构成。虚拟电厂主要分为三大类：负荷型虚拟电厂、电源侧虚拟电厂和源网荷储一体化虚拟电厂。负荷型虚拟电厂：虚拟电厂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：在分布式电源发电侧建立虚拟电厂3。源网荷储一体化虚拟电厂：集合发电电源和负荷用电用户，作为集中式电厂，以独立市场主体参与电力市场，原则上不占用系统调峰能力。当前我国虚拟电厂试点的多为负荷型虚拟电厂，冀北试点的虚拟电厂为源网荷储一体化虚拟电厂。3.虚拟电厂的特色优势（1）虚拟电厂能够系统提升电力系统的灵活性。据国网能源研究院预测，在2030和2060年，我国新能源装机容量占比将分别达到41%和70%，发电量占比将分别达到22%和58%。以风能和太阳能发电为代表的新能源发电方式具有显著的间歇性和强随机波动性，同时会随时空范围的变化产生规律性改变，使得电力系统调节缺乏灵活性，供需不平衡4。虚拟电厂的优势在于兼具生产者与消费者的角色，根据需求可以改变角色身份特征，能够聚合分散在不同空间的分布式能源，在智能协同调控和决策支持下保障新能源电力的稳定输出，真正实现“源荷互动”。（2）虚拟电厂不仅能够节约电厂和电网投资成本，同时具有节能和减碳效益。根据国家电网测算，通过火电厂实现电力系统削峰填谷，满足5%的第 3 期李镜，等：辽宁虚拟电厂建设探索与对策研究59第 19 卷沈阳工程学院学报（社会科学版）峰值负荷需要投资4 000亿；而通过虚拟电厂，在建设、运营、激励等环节投资仅需400570亿元，虚拟电厂投资成本约为常规火电厂的1/7。同时，虚拟电厂具有较大的节能和减碳效益。2021年5月，国家电网在上海开展了国内首次基于虚拟电厂技术的电力需求响应行动，仅一个小时的测试就产生了15万千瓦时的电量。在这次测试中，累计调节电网负荷56.2万千瓦，消纳清洁能源电量123.6万千瓦时，减少碳排放量约336吨。虚拟电厂与常规电厂的比较如表1所示。表1虚拟电厂与常规电厂的比较参数容量/万kW年生产节约火电量/亿kW燃料消耗/gce （kWh）-1二氧化硫排放/gce （kWh）-1二氧化碳排放/gce （kWh）-1平均成本/元 （kWh）-1虚拟电厂30150000.15常规电厂301534049400.350.40三、国内外虚拟电厂建设现状1.欧美电力市场成熟，虚拟电厂实现商业化（1）收入模式：削峰填谷收入、用户用电成本优化分成。国外虚拟电厂商业模式是参与现货市场、辅助服务市场，提供需求侧响应或容量服务赚取削峰填谷收入，或为通过优化管辖内用户用电计划，获取溢价分成5。欧洲和美国电力现货市场和辅助服务市场已比较成熟，虚拟电厂已完全实现商业化。我国新型电力市场还处于完善中，虚拟电厂主要由政策引导来参与市场。（2）美国：负荷侧资源聚合为主。美国虚拟电厂主要以负荷侧灵活性资源为主，规模已占尖峰负荷的4%以上6。以美国加州为例，其虚拟电厂可参加能量市场、旋转和非旋转备用市场。在能量市场中以边际出清价格结算，参与备用市场可得到中标容量与调用电量两部分组成的结算费用。（3）德国：发电侧分布式能源聚合为主，独立虚拟电厂占比大。德国虚拟电厂资源来源于发电侧、需求侧和储能，但其高分布式能源占比的特点决定了其以分布式电源的聚合为主。收入来源：其主要应用场景为参与电力现货市场，并通过灵活电价来引导电厂管辖内系统优化发用电成本，优化交易收益，溢价部分与客户分成；参与辅助服务（调频、备用等）来收取服务佣金。从市场参与主体来看，包括独立虚拟电厂运营商、电力公司虚拟电厂、新型市场参与者，其中，独立虚拟电厂是主要参与方。Next Kraft-werke 是欧洲规模最大的虚拟电厂之一，2021年其电厂规模已达9 800MW。2.国内虚拟电厂建设现状国内各地政策加速落地，看好合约型向市场型迈进。虚拟电厂在国内多点开花，近年来国内各地积极响应国家政策和电网公司的号召，相继发布适应本地现状的VPP 相关政策，并开展虚拟电厂实践示范，典型如江苏、浙江、上海、河北等地。国内虚拟电厂仍处于概念验证和试点示范阶段，以合约型为主。2030 年前碳达峰行动方案关于加快建设全国统一电力市场体系的指导意见 等顶层规划不断落地，政策催化有望加速国内虚拟电厂向市场型迈进。2022年 5月 20日，国电投深圳能源虚拟电厂平台试点，成为国内首个虚拟电厂调度用户负荷参与电力现货市场盈利的案例。长期来看，根据封红丽在 虚拟电厂市场发展前景及实践思考 一文中的测算，以投资成本按 1 000元/千瓦计算，预计2025年、2030年，虚拟电厂投资规模至少分别为785亿元、1 062亿元。2021年8月，深圳虚拟电厂管理中心成立。作为国内首家虚拟电厂管理中心，目前已接入分布式储能、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。我国虚拟电厂尚处于早期试点阶段，各地积极开展虚拟电厂试点，江苏、浙江、上海、河北等地均出现了大型的虚拟电厂试点。2022年 6月 23日，60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。方案指出，按照虚拟电厂聚合优化的资源类别不同，将虚拟电厂分为两类：负荷类虚拟电厂和源网荷储一体化虚拟电厂。负荷类虚拟电厂运营商应是具有山西电力市场交易资格的售电公司或电力用户；源网荷储一体化虚拟电厂的运营商是一体化项目主体或授权代理商，并具有山西电力市场售电资格。市场建设初期，负荷类虚拟电厂参与中长期、现货及辅助服务市场；源网荷储一体化虚拟电厂参与现货及辅助服务市场。虚拟电厂参与现货市场时，仅参与日前现货市场，在实时现货市场中作为固定出力机组参与出清，待条件具备后，再参与实时现货市场。聚合对象包括电源、负荷、储能三类资源；调节容量初期不低于20MW，且不低于最大用电负荷的10%，后期视虚拟电厂发展情况滚动修正；响应时长：具备按照调节容量要求持续参与响应不小于2小时的能力。表2为国内部分虚拟电厂实施案例。表2国内部分虚拟电厂实施案例地区江苏浙江上海冀北应用场景需求响应、新能源消纳等需求响应、削峰填谷等商业楼宇能源管理、削峰填谷等新能源消纳、广域需求响应等试点项目大规模源网荷友好互动系统、大规模源网荷示范工程丽水虚拟电厂、宁海虚拟电厂试点项目、宁波离网光储系统式虚拟电厂等城区（黄浦）商业建筑需求侧管理示范项目、虚拟电厂运营项目试点等冀北泛在电力物联网虚拟电厂示范工程等主要响应资源可中断/可调节负荷储能设施、充电桩、居民、楼宇等工商业负荷、储能等光伏、电采暖等特点源网荷控制系统、国内规模最大国内单次响应体量最大以商业楼宇为主的虚拟电厂体系多主体参与四、辽宁省虚拟电厂建设探索1.辽宁省电力能源供给与需求分析在双碳目标下，创新智慧减碳，加速推进虚拟电厂建设，是保障辽宁省电力能源安全的重要途径。截至 2020 年，辽宁省电力能源结构为火电73.04%，水力发电量1.61%，风力发电量8.22%，核能发电量 15.94%，太阳能发电量 1.18%。我国承诺 2030 年前实现碳达峰，预计到 2030 年我国风能占比 21%，太阳能占比 27%，水电占比 15%，煤 炭 占 比 27%。对 照 国 家 目 标，预 计 到 2030年，我省能源电力的结构比例调整目标为风能占比 21%，太阳能占比 27%，水电占比 15%，火电占比 37%。我省现状与未来发展目标之间存在巨大差距，首先，未来随着我省核电站的全面投产，核电比例预计可达 20%左右，可以弥补辽宁水电的 1.61%占比。其次，风能和太阳能与目标差距依然很大，分别为 12.78%和 25.82%，这两种能源对自然要求和依赖度较高，会给电力供应带来较大的波动性。辽宁地区受气候特性影响，最大负荷一般出现在冬季，最高负荷多发生在12月份。近几年辽宁电网年负荷特性曲线相对平缓，年初与年末供暖时期负荷水平相对较高。但近年来随着夏季用电负荷的增加，年负荷特性曲线呈W型变化趋势，68月辽宁电网最大负荷呈增长态势，910月回落，随后1112月开始再次增长。以风力发电为例，辽宁省风电大体呈 M 型，春、秋两季风电最大出力较大，冬季风电出力略小，夏季风电出力最小，与辽宁用电负荷正好相反。为保障碳达峰的目标，就要不断增加再生能源，而增加风电和太阳能发电，则会增加电网的不稳定性，使消纳问题更加突出。如何以煤电为基础削峰填谷，消除风电、太阳能发电的波动性，保证电力能源安全和稳定，虚拟电厂构建愈发急迫。第 3 期李镜，等：辽宁虚拟电厂建设探索与对策研究61第 19 卷沈阳工程学院学报（社会科学版）2.虚拟电厂的角色定位虚拟电厂主要业务有三个方面：辅助服务、交易中心及综合能源服务、能效管理。（1）辅助服务。注册和管理聚合的分布式能源、储能设备、可调负荷。代理参与辅助服务、辅助服务申报；代理参与需求响应、需求响应申报、需求响应档案查询；代理参与市场化交易业务、交易申报、交易结果查询。（2）交易中心及综合能源服务。建设和运营虚拟电厂运营管控平台，平台用户及设备审批和管理。组织虚拟电厂参与辅助服务、辅助服务资源管理、辅助服务指令分解下发。组织虚拟电厂参与需求响应，管理需求响应资源、需求响应能力分析、需求响应指令分解下发、需求响应有效性认定、需求响应补贴计算、需求响应档案管理等。组织虚拟电厂参与市场化交易业务，交易信息发布、交易结果审批。（3）能效管理。向虚拟电厂提供分布式能源信息，如分布式能源、储能、电动汽车等信息。向虚拟电厂提供用户信息和设备信息，如需求响应执行、查看需求响应档案、查看补贴情况等。3.虚拟电厂的核心技术虚拟电厂的竞争要点在于资源聚合能力、可靠通信能力、实时协调能力、信息防护能力等。虚拟电厂的核心技术如图2所示。图2虚拟电厂核心技术智能计量技术：控制中心需要收集和处理大量的需求信息、各子系统运行信息、电网调度信息、电力市场价格信息及影响分布式电厂的天气、风能、太阳能等信息，以对发电机组的出力和运行效率、用电负荷变化做出较准确的预测，为电力调度和生产提供依据。信息通信技术：安全可靠的通信是虚拟电厂稳定运行的条件。聚合能源的范围及市场的交互取决于通信技术，控制中心需要基于融合能源流与信息流的双向通信技术，接收各子系统的状态信息、电力市场信息、用户侧信息并进行决策，调度，优化，从物理层、数据链路层等各个层面保证数据通信的快捷与通畅。协调控制技术：对每个分布式资源进行快速响应和实时协调控制，是虚拟电厂发挥作用的保证。该技术可分为集中控制方式、分散控制方式和完全控制方式，从而能够参与多种电力市场的运营模式及调度框架。信息安全技术：虚拟电厂必须重视信息安全。虚拟电厂的协调、控制以通信传输为基础，同时数据会设计相关采集和控制模块，具有较高的安全性、稳定性和实时性要求。虚拟电厂既具有海量可调控资源，也具有海量终端，信息传递的高容量也是重要的保障之一。而且，由于虚拟电厂的主体并不相同，必须保障用户数据及隐私。4.虚拟电厂参与电力市场的运作流程在电力市场化定价背景下，电价将随着电力供需波动，电价峰谷差和电价弹性变大，由此带来了虚拟电厂两种商业模式。虚拟电厂参与电力市场运作的参考流程如图3所示。图3虚拟电厂参与电力市场运作的参考流程62参与辅助服务市场，获得削峰填谷的电价补贴。电价峰谷差变大使得相关部门有平抑电价的需求，但是这需要电力供需均衡的方式来实现，所以可以看到各省在积极推进电力需求侧响应，并对参与削峰填谷的用户或聚合商给予补贴。根据广州虚拟电厂实施细则，广州市削峰补贴最高 5元/度，填谷补贴最高2元/度。因此，虚拟电厂可以通过负荷低谷时减少出力（增加负荷）或在负荷高峰时增加出力（削减负荷）来参与调峰调频服务交易获得补贴收益。参与电力现货市场交易，获得电价差价收益。市场化定价下，电力现货价格波动幅度不受限，虚拟电厂可以根据价格信号自动调节用户可控负荷，在不影响用户正常生产的情况下将用户负荷从现货高价转移至低价时段；或在电价低时买电，电价高时售电，通过电价差获得收益。例如 2022 年 5月，国电投深圳能源发展有限公司的虚拟电厂平台在参与电力现货市场的功能试验中，平均每度电收益0.274元，是国内首个虚拟电厂参与电力现货市场盈利的案例。五、辽宁省探索推进虚拟电厂建设的对策建议虚拟电厂VPP作为一种电力市场驱动的可再生能源并网消纳方式，有利于节约能源、减少排放、优化用户用能感受、提高电力系统灵活性，因此其发展需要包括发电企业、电网企业、用户、政府在内的各方共同推进以下几个方面的工作。1.系统化规划虚拟电厂发展进一步完善顶层设计和行业标准，持续优化、划分主管部门及各方职责，健全电力系统调度运行和信息安全保护机制，保障大规模VPP市场化运作下的电力系统安全。“负荷类”虚拟电厂作为独立的市场主体（批发市场用户）可以参与批发市场交易，并执行辽宁省电力市场相关交易规则。“源网荷储一体化”虚拟电厂应具备自平衡和调节能力，目前暂不参与批发市场中长期交易，全电量参与现货市场进行电力电量平衡，未来视市场运行情况进行规则完善。2.规划虚拟电厂技术开发与应用虚拟电厂应具备发用电调节和需求响应能力，提供削峰填谷、调频、备用等服务，其聚合的资源应符合电网接入规范，满足电网安全技术要求。虚拟电厂可基于省级智慧能源综合服务平台建设技术支持系统，也可以独立建设技术支持系统，但应接入省级智慧能源综合服务平台，均应满足规定的聚合资源能力、调节响应能力和数据交互技术要求等。3.规范虚拟电厂的运营管理“负荷类”虚拟电厂运营商应是具有辽宁省级市场交易资格的售电公司或电力用户；“一体化”虚拟电厂运营商应是“一体化”项目主体或者授权代理商，并具有辽宁省级电力市场售电资格。虚拟电厂对应的市场化交易应单独结算。市场建设初期，“负荷类”虚拟电厂参与中长期、现货及辅助服务市场，“一体化”虚拟电厂参与现货及辅助服务市场，后期视电力市场发展情况适时进行调整。虚拟电厂参与现货市场时，仅参与日前现货市场，实时现货市场中作为固定出力机组参与出清，待条件具备后再参与实时现货市场。4.打造各方积极参与的VPP可持续发展模式借鉴国内外发展经验，促进电网企业、发电企业、大型工商业用户、储能运菅商、互联网科技企业等共同加強 VPP 建设，加快突破关键技术、软件平台、聚合优化算法等方面的发展速度，在适合辽宁省省情的基础上，推动商业模式良性可持续发展。5.规范政策指导、组织实施（1）加强组织领导。各有关部门要积极按照职能分工加强协同配合，努力形成政策和工作合力，扎实推进各项工作。辽宁省政府及能源管理部门要加强统筹协调和督促指导，会同相关部门统筹推第 3 期李镜，等：辽宁虚拟电厂建设探索与对策研究63第 19 卷沈阳工程学院学报（社会科学版）进本方案组织实施。（2）实现信息共享。辽宁省电力公司各专业部门要协同配合，做好用户、储能、分布式电源等各类信息的采集、处理、整合工作，利用省级智慧能源综合服务平台，建立可调节负荷资源库，并动态调整用户名单，整合电力行业全产业链信息，推动虚拟电厂数字化发展。（3）深化政策引导。完善电力市场规则，发挥电力市场机制的分时价格信号，鼓励具备条件的虚拟电厂积极参与相关市场交易，逐步扩大虚拟电厂规模，拓展新能源消纳途径，有效缓解供需矛盾，保障电力系统安全稳定运行。（4）做好政策宣传。组织开展虚拟电厂市场化运营机制培训和政策宣传贯彻工作，鼓励虚拟电厂运营商采取多种形式向终端用户推广宣传，引导用户优化储用电模式，高比例释放一般工商业和大工业负荷的用电弹性。参考文献1 姜越.“双碳”背景下虚拟电厂的发展研究以及对上海的建议 J.上海节能，2022（12）：1556-1561.2 赖晓文.综合发力促进虚拟电厂可持续发展 J.中国电力企业管理，2022（28）：30-33.3吴桂良.虚拟电厂的关键技术 J.中国工业和信息化，2022（9）：18-23.4马云俊，安玉兴.基于SE-DEA方法的电网企业投入产出效率评价 J.沈阳工程学院学报（社会科学版），2021，17（2）：29-34.5王伟，刘敦楠.面向“双碳”目标的上海虚拟电厂运营实践 J.中国电力企业管理，2022（13）：64-66.6屠盛春，刘晓春，张皓.上海市黄浦区商业建筑虚拟电厂典型应用 J.电力需求侧管理，2020，22（1）：52-57.7 安玉兴.电力产业电网投资与经济增长关系的协整分析 J.沈阳工程学院学报（社会科学版），2021，17（1）：43-49.8张云雷，俞静，王伟，等.考虑综合贡献度的虚拟电厂内部效益分摊机制研究 J.电力与能源，2020，41（1）：13-19.Research on Constructionand Countermeasuresof Liaoning s Virtual Power PlantLI Jing,MA Tong-bing（School of Economic Management and Law,Shenyang Institute of Engineering,Shenyang 110136,China）Abstract：With the implementation of carbon neutralization and carbon peak,the generationproportion of windpower,photovoltaic power and other new energy power in Liaoning Province is increasing,and the power grid ofLiaoning Province is facing many problems such as weak flexibility of regulating and dispatching new energy powerand high pressure of consumption.By exploring the connotation,operational mode,related industrial chains andclassification of virtual power plants,the paper compares the construction and recent trends of virtual power plantsat home and abroad,puts forward a construction plan for Liaoning s virtual power plant based on characteristicsof power supply and demand,and proposes some construction strategies to provide reference for the building ofvirtual power plants in other places.Keywords：Liaoning;virtual power plants;construction;countermeasures64