助力新型电力系统调度用户侧灵活资源

助力新型电力系统调度用户侧灵活资源虚拟电厂商业模式兑现在即虚拟电厂行业系列报告(1)核心观点市场需求增长电力市场对可灵活调度电力资源需求增长,虚拟电厂作为重要的分布式资源聚合、调度手段,价值彰显产业链成熟虚拟电厂产业参与各方可通过输出系统化平台技术服务,参与需求侧响应、辅助服务、电力现货市场交易等商业模式获利政策推动发展国内虚拟电厂行业仍处起步阶段,未来相关政策背书有望推动市场规模快速扩容电力系统面临的挑战中长期挑战国内新能源出力占比提升,负荷峰谷差持续扩大风光发电间歇性强,供给不稳定负荷峰谷差扩大,调峰需求增加电力市场供需紧平衡状态持续短期催化因素厄尔尼诺带来的高温天气或将在未来两年推升国内用电负荷峰值2023年夏季极端高温频发用电负荷创历史新高影响预计持续2年左右虚拟电厂的核心价值虚拟电厂是整合、调控分布式电力资源的重要载体,一方面聚合源荷储等多类资源,解决分布式电力资源因规模较小难以统一调度的资质问题,有效提升可灵活调度电力资源规模。资源聚合整合分散的电源、负荷、储能等资源,形成规模化调度能力灵活调度通过数字化手段实现智能调控,响应电网调度需求市场参与可同时作为正、负电厂,参与多层级电力市场化交易虚拟电厂的定义与结构虚拟电厂(VirtualPowerPlant,VPP)是一种先进的分布式电力资源管理方案,通过数据化、信息化等手段,将分散的电源(例如光伏、风电等)、可控负荷(例如商业楼宇、工厂、空调、充电桩等)、新型储能等资源统一调度,形成一个高效、灵活、可控的电力系统。虚拟电厂借助通信、算法等技术手段学习电力市场供需动态以及价格等电力市场信号,稳定电源出力、调节负荷峰谷、为相关主体盈利,控制、调度自身系统内部集合的可控电力资源。全球虚拟电厂发展历程伴随全球节能减排战略在各国陆续推进,大规模分布式风电、光伏为代表的新能源并网对全球电力系统的稳定带来挑战。随着新型能源结构对电力系统调度能力要求的提升,可灵活调度电力资源需求也快速增长。梳理德国、美国、澳大利亚等国家虚拟电厂的发展历史,可见电力系统对可灵活调度电力资源需求增长,是推动虚拟电厂发展的重要动力。虚拟电厂聚合的资源类型电源侧资源分布式风光、分布式水电。风光发电设备出力间歇性较强,水电出力具备较强连续性。关键指标包括额定出力、出力曲线、最小开停机时间等。负荷侧资源工业园区、商业楼宇、居民负荷等。工业园区负荷可实现跨时段平移,商业楼宇和居民负荷可平移也可中断。关键指标包括可平移容量&时间、可中断容量&时间等。储能类资源分布式储能、新能源汽车等。基于储能设备的灵活充放电性能,其可平移属性显著。关键指标包括充放电状态&效率、可用容量、响应时间等。虚拟电厂的动态运行机制电力市场调控需求驱动虚拟电厂动作,虚拟电厂动态参与电力市场生态。虚拟电厂通过聚合多元的可灵活调度电力资源,构成灵活资源动态可行域。该可行域的触发来自电力市场的动态调控需求,而市场动态调控需求由电力系统运行动态、市场运营动态等多维度耦合驱动。虚拟电厂的数据与通信技术将物理和市场运行动态反馈至系统运营商,从而触发虚拟电厂搭建的灵活资源响应系统变化。虚拟电厂产业链结构虚拟电厂产业链可大致拆解为上游电力资源、中游虚拟电厂系统化平台、下游电力调度需求方与响应方三个环节。产业链上游:电力资源电源类分布式风电光伏水力发电机组其他分布式电源负荷类工业园区商业楼宇居民负荷储能类新型储能新能源车充电桩虚拟电厂物理层面对多元分布式电力资源的聚合是其实现调度功能、跑通商业模式的基础。产业链中游:系统化平台物理层面完成对电力资源的聚合之后,虚拟电厂系统搭建方需要依靠物联网、云、大数据等数字化技术,在数据层面完成对多种资源的有机组织、聚合管理、优化调控,进而实现虚拟电厂的主要价值。01数据采集通过物联网技术实时采集各类电力资源的运行数据02智能分析利用大数据和AI技术分析电力供需动态03优化调度基于云计算平台实现资源的优化配置和调度04服务输出将数字化技术服务标准化,向产业下游输出产业链下游:需求方与响应方电力调度需求方电网企业(国家电网、南方电网、地方电网)调度中心交易中心电力响应方售电公司电力资源聚合商具体用户(工业、商业、居民)虚拟电厂通过对电网调控需求响应,一方面服务电网企业,另一方面作为电力市场的参与者通过与电网的交易获益,并完成交易收益在虚拟电厂运营方与具体用户之间的再分配。虚拟电厂典型内部结构以南方区域虚拟电厂为例虚拟电厂整体可分数据中心专区和网络隔离区。数据中心集资源聚合、数据服务、调度控制等虚拟电厂主体功能于一体,网络隔离区则处于虚拟电厂内部网络、外部电网之间,通过防火墙保障虚拟电厂信息传输安全性。虚拟电厂的主要参与方搭建方主要负责系统化输出虚拟电厂平台搭建所需的技术服务解决方案代表企业:恒实科技、东方电子、国能日新等运营方负责整合电网需求和资源动态,制定落实相关主体的响应任务构成:售电公司、传统负荷聚合商、虚拟电厂搭建方等商业模式一:技术服务虚拟电厂搭建方通过销售系统化虚拟电厂技术服务创收,国内相关业务尚处于起步阶段。虚拟电厂搭建方对外输出系统化平台技术解决方案,收取建设费和后续运维费用,是虚拟电厂搭建环节最直接的商业模式。以东方电子为例,2022年公司综合能源及虚拟电厂业务实现营业收入1.68亿元,同比下降约5%,仅贡献整体营收的3%,毛利率约25%。目前国内虚拟电厂市场发展仍处于起步阶段,相关公司的虚拟电厂业务尚未形成规模化收益。商业模式二:需求侧响应需求侧响应指当电力市场价格升高、电力系统可靠性因供需异常受到威胁时,电网企业以邀约的形式向终端用户发出降低负荷的指令,并且通过补偿等手段鼓励用户积极响应,改变短期的用电潮汐特征,达到平抑电价上行、稳定电网的目标。需求侧响应运作流程以四川省为例1需求预测与发布调度中心预测电力缺口,交易中心对外发布响应需求2响应申报电力用户或负荷聚合商通过虚拟电厂运营商申报响应容量与价格3市场出清交易中心按照边际出清方式完成市场出清,确认中标结果4响应执行电力用户按照中标结果执行需求响应,接受动态监管5结算分配电网通过交易中心结算补贴,虚拟电厂侧完成收益再分配需求侧响应收益分配模式"保底+分成"模式约定响应保底价格及以上部分分成比例。用户可获得最低不低于保底价格的响应收益,存在额外收益时按约定比例与代理/运营商分成。"固定价格"模式约定响应固定价格。用户可获得按照固定价格计算的响应收益,剩余部分收益由代理/运营商获得。虚拟电厂通常作为负荷运营/代理方,聚合终端负荷资源,达到市场准入条件,同时统筹预测、调度下属负荷的响应容量与报价,充分挖掘代理负荷的可平移、可中断特质潜力。商业模式三:辅助服务辅助服务是指为了维护电力系统的安全稳定运行,保证电能质量,发电侧并网主体、用电侧可调节负荷(含通过聚合商、虚拟电厂等形式聚合)提供的服务。调频服务一次调频、AGC(自动发电控制)调峰服务削峰填谷,平衡电力供需电压调节无功调节、AVC(自动电压控制)其他服务黑启动、转动惯量、快速调压等辅助服务市场运作机制虚拟电厂聚合分布式电源、储能、电动汽车充电桩、工商业负荷、居民负荷等可调节资源,可作为独立市场主体参与辅助服务市场。市场按照"谁提供、谁获利;谁受益、谁承担"的原则,对不同品种的电力辅助服务调用、补偿及分摊实施组织与监管。承担辅助服务的主体一方面因有偿辅助服务获得补偿,另一方面在不能被调用或达不到预定调用标准时接受考核。商业模式四:电力现货市场电力现货市场是指符合准入条件的市场主体开展日前、日内、实时电能量交易的市场。电力现货市场通过竞争形成分时市场出清价格,并配套开展调频、备用等辅助服务交易。日前市场提前一天申报,集中优化出清日内市场根据日内运行情况滚动优化实时市场根据最新预测实时出清电力现货市场参与流程虚拟电厂运营方聚合内部资源,统筹规划最优电能量交易方案的同时完成代理申报、数据汇总上报等工作,同时与内部电力资源方分享参与电能量交易市场交易获得的收益。电力市场主体包括各类型发电企业、电力用户、售电企业和储能、分布式发电、负荷聚合商、虚拟电厂和新能源微电网等其他市场主体。虚拟电厂建设投资测算以接入200万千瓦规模为例费用类型单价数量小计(亿元)平台建设费500万元/套1套0.05工业企业日前级资源接入0.01万元/千瓦150万千瓦1.5工业企业小时级资源接入0.02万元/千瓦30万千瓦0.6商业分钟级资源接入0.05万元/千瓦15万千瓦0.75储能建设0.18万元/千瓦时13.69万千瓦2.46年运行开支0.2亿元/年10.2合计5.56虚拟电厂运营收益测算以接入200万千瓦规模为例收益类型响应容量(万千瓦)单价(元/千瓦时)响应时长次数提成比例小计(亿元)日前级资源15044小时1020%0.48小时级资源3082小时1020%0.096分钟级资源15151小时1020%0.045调峰辅助服务600.28小时20020%0.384调频服务50.5200千瓦5100%0.25合计1.255接入规模达200万千瓦的虚拟电厂年化收益约1.26亿元。2025年市场规模预测14-16亿千瓦2025年全国最高用电负荷预期5%目标占比可灵活调度资源占比目标0.7-0.8亿千瓦可灵活调度资源总量预期市场规模测算结果建设市场规模虚拟电厂建设投资单位成本:270元/千瓦2025年建设市场规模(累计值):约200亿元运营市场规模虚拟电厂运营单位收益:65元/千瓦2025年运营市场规模(当年值):约50亿元参考国家电网测算思路,假设2025年国内可灵活调度的电力资源建设目标如期完成,结合参考已有案例,推算虚拟电厂建设投资的单位成本以及运营中的单位收益。虚拟电厂的双向调节能力虚拟电厂可作为正、负电厂,配合电力系统灵活调度指令。虚拟电厂聚合多元的分布式资源并网后,即可作为"正电厂"向电力系统供电,配合调峰调频,亦可作为"负电厂"提升电网负荷消纳裕度,配合削峰填谷。正电厂功能电源侧资源明确出力特征,配合电网调度指令调整出力,向电力系统供电负电厂功能负荷侧、储能类资源明确可响应容量,结合用电峰谷情况调整用电量或充放电状态数字化技术是核心能力虚拟电厂可观、可测、可调控的功能实现以数字化技术水平为核心。虚拟电厂在物理层面聚合多元电力资源,而要实现这些资源的有机聚合,并在此基础上实现灵活调度,对虚拟电厂建设与运营环节的数字化水平提出很高要求。可观性及时、全面收集可能影响厂内电力资源运行状态的关键数据,例如气象数据、历史用电数据、电力市场供需情况等可测性全面监测各类资源运行状态,并动态调整聚合方案,例如发电机组出力曲线预测、用电情况检测、可响应容量计量调整可调控性在大量运行数据收集、处理的基础上,通过算法给出最优的统筹调度方案,并叠加时序性要求动态更新调度方案数字化技术要求详解网络通信与管理基于虚拟专用网、无线通信等技术,从物理和数据两个层面,打通控制中心与内部、外部对象之间的通信链路,开发专用通信协议及平台信息安全综合考量虚拟电厂面向的各类用户及子系统,统一强化各接口的边界防护,保障信息系统安全硬件设施数字化能力为核心的虚拟电厂建设对传统一次、二次电力设备提出更高要求,例如电表设备应新增监控、通信等功能模块多时序调度需求电力系统调控需求的组织时序多样,对虚拟电厂数字化资源配置和调度优化性能提出更高要求。一方面,虚拟电厂内部运行状态、信息传输是时刻变化的,因此若要动态跟踪这些变化,就需要更高的数字化技术手段支持。另一方面,伴随国内电力市场建设推进,市场交易品种逐渐成熟,中长期交易、现货交易、调峰调频辅助服务等服务类型对系统调控的组织时序需求不同,现货市场中的日内响应频率要求可达分钟级。地方技术规范出台宁夏技术规范总体功能与聚合功能数据通信与系统功能可靠性与通信性能数据存储与安全准入山西技术规范聚合资源能力要求调节响应能力标准数据交互技术要求通信接口与安全防护网络传输与计量采集宁夏、山西两省已出台虚拟电厂技术规范文件,强调数字化水平对虚拟电厂建设运营的重要价值。两省均将整体数字化实力视为虚拟电厂建设运营的关键部分。中长期发展趋势:新能源占比提升为实现"3060"双碳目标,国内新能源产业近年迅速崛起。2022年中国风电光伏合计新增装机量约1.27亿千瓦,占整体新增发电装机量的62.5%。2022年中国风电光伏发电量达7685亿千瓦时,占整体发电量的11%,较2021年提升约2pct。展望未来,结合发改委等相关部门披露信息计算,2025年风光发电量占比将达到17%左右,相较2022年提升约6pct。由于受自然天气等因素影响较大,风电光伏电源出力较传统电源存在不稳定性较强的问题。中长期发展趋势:负荷峰谷差扩大伴随近年中国经济发展水平的稳步提升,国内用电负荷持续攀升,年内负荷峰谷差相应扩大。2022年国内用电负荷峰谷差达3.33亿千瓦,相较2017年水平(2.26亿千瓦)增长近50%。近年负荷峰谷差持续扩大,催生电力系统调峰需求。展望未来,负荷峰谷差亦有望伴随国内经济发展而扩大。供给侧不稳定出力的电源占比提升,需求侧峰谷差拉大,电力市场供需紧平衡状态或将持续。短期催化:厄尔尼诺现象影响受厄尔尼诺现象影响,2023年夏天全国范围极端高温现象频发。6月底北方京津冀、山东等地21个国家气象站日最高气温突破历史极值。高温天气增加电力需求,全国多地电力系统提前开启迎峰度夏。根据电力企业联合会预计,受大范围极端高温天气影响,2023年全国最高用电负荷或将突破13.7亿千瓦,相比2022年增加近0.8亿千瓦。结合NASA公布的全球历史气候数据,厄尔尼诺现象带来的影响一般持续2年时间,2023-2024年夏季高温热浪或将持续影响我国。虚拟电厂价值凸显未来两年高温天气扰动推升用电需求,国内电力市场紧平衡矛盾彰显,可灵活调度的电力资源能够增加电力供需系统柔性、弹性、灵活性,或将迎高速发展窗口期,虚拟电厂价值凸显。增强系统柔性通过聚合分布式资源,提升电力系统的灵活调节能力平衡供需矛盾有效应对新能源出力波动和负荷峰谷差扩大带来的挑战市场快速发展可灵活调度电力资源需求增长,虚拟电厂迎来发展窗口期国内虚拟电厂项目现状目前国内多省落地虚拟电厂项目,市场整体仍处于起步阶段。总结整理目前已落地运营及规划中的虚拟电厂项目,国内目前的虚拟电厂市场具有如下特征:1层级差异明显不同地域层级虚拟电厂覆盖范围差异显著。例如安徽合肥虚拟电厂专注覆盖合肥一市,而南方电网虚拟电厂则覆盖南方五省2资源类型单一部分虚拟电厂聚合资源类型单一,例如国网浙江综合能源公司智慧虚拟电厂、安徽合肥虚拟电厂等目前专注聚合负荷侧电力资源3参与方多元虚拟电厂相关方背景多元,既有电网公司旗下能源服务机构研发承建,也有部分上市公司参与虚拟电厂项目建设、运营典型虚拟电厂项目案例冀北虚拟电厂投运时间:2019年12月覆盖范围:张家口、秦皇岛、廊坊聚合资源:工商业、智能楼宇、储能、充电桩、分布式光伏等11类19家资源南网虚拟电厂投运时间:2023年7月覆盖范围: