虚拟电厂电改东风已至,广阔蓝海将成

中国电力市场正迎来深刻变革,虚拟电厂作为新型电力系统的重要组成部分,将在电网调峰、需求响应和新能源消纳等领域发挥关键作用2本报告深入分析虚拟电厂的经济价值、市场空间及投资机遇2报告核心观点市场空间广阔预计市场空间广阔预计2025/2030年市场规模分别达498/882亿元,复合增速亮眼经济性优势显著虚拟电厂满足5%峰值负荷的投资成本仅为煤电建设的1/10,经济性突出技术日趋成熟IOT、技术日趋成熟IOT、云服务、AI等技术快速发展,为虚拟电厂建设提供坚实基础政策持续加码各省市密集出台支持政策,目标明确,执行有力报告框架01虚拟电厂的经济性分析电力需求持续增长,尖峰负荷拔高,虚拟电厂成为最经济的解决方案03海外标杆案例研究德国NextKraftwerk和美国Tesla的成功经验为我国提供借鉴02处于邀约阶段,盈利模式单/,但政策驱动下市场空间广阔04投资建议与风险提示重点关注产业链核心标的,警惕政策、市场和技术风险/章:虚拟电厂是满足尖峰负荷随着中国经济快速发展,电力需求持续增长,用电结构变化导致负荷特性恶化,峰谷差拉大。虚拟电厂通过聚合分布式资源参与电网调控,成为满足尖峰负荷最具经济性的选项。用电量持续增长2021年中国全社会用电量达8.31万亿千瓦时,同比增长10.30%,继续保持增长态势。从长期趋势看,2003-2021年间,除个别年份外,用电量总体呈现稳步上升趋势。用电结构深刻变化2011年分别提升6.26和2.18个百分点。这两类用电具有显著的时段性特征,导致电力负荷曲线恶化。负荷特性持续恶化第三产业和居民生活用电的时段性需求特征明显,主要表现为:用电峰谷差持续拉大尖峰负荷不断拔高高峰持续时间较短负荷曲线波动加剧这些特征给电网安全稳定运行带来严峻挑战,传统的电源建设模式已难以满足需求。虚拟电厂投资成本优势显著4000亿煤电机组投资通过建设煤电机组满足国网经营区内5%峰值负荷,需投资约4000亿元及配套电网建设400亿虚拟电厂投资通过虚拟电厂建设、运营与激励,满足同等峰值负荷仅需约400亿元投资成本对比虚拟电厂投资成本仅为煤电方案的1/10,经济性优势极为突出根据北京大学能源研究院和国家电网的研究,虚拟电厂在满足峰值负荷需求方面具有显著的成本优势2若需求响应规模可达最大负荷的5%,则电力规划不应以100%最大负荷为负荷平衡条件,95%更为经济、科学,剩余的5%可由需求响应、储能和新型可调度新能源来满足2虚拟电厂的核心概念虚拟电厂(VirtualPowerPlant,VPP)是基于物联网、云服务、人工智能等信息技术,将分布式发电、需求侧资源和储能设备聚合起来,通过数字化手段形成/个虚拟的"电厂",进行统/管理和调度,并作为市场主体参与电力市场交易2虚拟电厂的双重角色向系统供电调峰聚合分布式电源出力优化发电侧资源配置参与电能量市场交易加大负荷消纳能力配合系统填谷需求快速响应调度指令参与辅助服务市场虚拟电厂的这种双重角色使其能够灵活应对电网的各种需求,既能在高峰时段提供电力支撑,又能在低谷时段增加负荷消纳,有效平衡电网供需,提升系统运行效率。虚拟电厂的三类核心资源分布式电源定义:在用户现场或靠近用电现场配置的分布式电源定义:在用户现场或靠近用电现场配置的小型发电机组主要类型:分布式光伏、分布式风电、分布式天然气发电、小型燃机等市场规模:截至2020年底约80.85GW,预储能系统定义:通过介质把能量存储起来,在需要时释放主要类型:电化学储能、抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能等市场规模:截至2019年底,电化学储能累计户侧"三足鼎立"格局定义:在电网高峰或紧急状况下,用户可中断的负荷部分主要类型:楼宇空调、照明、动力负荷、分散式空调、电热水器、充电桩等市场规模:国网经营区可调节负荷理论潜力达9000万千瓦,3-5年内力争实现4000-5000万千瓦可控负荷资源分析不同行业可控负荷特点对比工业-连续生产高连续高低工业-非连续生产较高高高大公共建筑高较连续低低较小商业建筑不高较高中居民建筑高低低较小较高低高港口岸电较高低高核心结论:工业领域的非连续生产作业具有可调节能力大、价格敏感度高的特点,是虚拟电厂可控负荷资源开发的首选目标2单个用户可调节能力大、价格敏感度高,是具备规模开发价值的基本条件2需求侧响应现状与目标差距2019年,受高温影响,我国实施削峰需求响应17次,削峰负荷达7037.7兆瓦。从2014-2019年的数据来看,需求响应负荷呈现波动增长态势,但整体规模仍然有限。政策目标要求根据国家发改委要求,需"形成占年度最大用电负荷3%左右的需求响应能力"。按照2019年7月最高用电负荷10.53亿千瓦计算,需要灵活负差距分析当前需求侧响应调峰能力距离政策目标仍有较大差距。主要原因包电力市场改革仍处初期阶段分时电价机制不够完善辅助服务市场机制待健全用户参与动力不足负荷聚合商缺乏有效激励随着电力市场改革深化和虚拟电厂技术成熟,这/差距有望逐步缩分布式电源快速增长分布式光伏(GW)2020年底装机规模分布式天然气(GW)2019年底装机规模分布式风电(GW)2020年底装机规模复合增速2020-2025年预期根据国家电网数据,2025年国网区域分布式电源装机规模将达到1.8亿千瓦,相比2020年的约0.81亿千瓦,十四五期间将保持17.36%的复合增速。分布式电源的快速发展为虚拟电厂提供了丰富的可聚合资源,是虚拟电厂规模化发展的重要基础。可靠通信技术重要性:可靠通信技术重要性:安全可靠的通信是虚拟电厂生产的必要条件,控制中心需接收各子系统状态和市场信息主要做法:利用互联网、虚拟专用网、电力线载波、无线通信等技术,开发VPP专用通信协议和通用平台信息安全防护重要性:系统安全是虚拟电厂稳定运行的底线,必须强化边界和内部安全防护主要做法:在工控系统安全和用电信息系统防护技术基础上,发展适应虚拟电厂的大型综合用电信息系统安全技术精准计量技术重要性:精准的计量是虚拟电厂建立的基础,为调度和生产提供可靠依据主要做法:精准计量用户侧电、热、气、水等能源消耗量,建立精准的能源网络供需平衡模型,实现实时监测和数据采集智能调度决策重要性:智能调度是虚拟电厂发挥作用的核心保证,需处理海量信息并优化决策主要做法:收集处理用户需求、系统运行、市场价格等信息,建立完善的数据模型和优化算法,实现智能调度第二章:国内虚拟电厂市场现状与我国虚拟电厂发展仍处于初级阶段,主要采用邀约型运营模式,盈利模式相对单/。但在政策驱动下,市场竞争日趋激烈,行业集中度有待提升,未来发展空间广阔。虚拟电厂发展的三个阶段11233阶段/:邀约型电力市场尚未建立,由政府部门或调度机构电力市场如现货市场、辅助服务市场建立聚合商聚合资源种类增多、数量增大、空牵头,聚合商参与完成邀约过程2我国当前完成后,聚合商类似实体电厂参与市场交易间更广阔,既包含可调负荷、储能和分布式主要处于此阶段,江苏、上海、广东等省市开展试点2获得收益,报价机制更加市场化2能源,可实现跨区域自由调度2从国际经验看,虚拟电厂的发展是/个渐进过程,需要电力市场机制、技术能力和商业模式的协同演进2我国正处于从邀约型向市场型过渡的关键时期2邀约型运营模式详解运营机制在邀约型模式下,政府主导、电网实施、负荷聚合商协调、全社会参与2电网基于收集的数据设计需求侧响应方案,供用户或负荷聚合商选择2用户根据自身情况(改变生产计划成本、预期削减负荷能力、舒适度等)判断是否签订合约2执行流程01电网公司设计需求侧响应方案并发布03系统出现紧急情况时,电网确定响应负荷量05用户按规定削减负荷,否则将处以惩罚02用户或负荷聚合商评估并签订响应合约04电网向签约客户发送调度指令06电网根据实际响应情况进行补贴结算国内虚拟电厂试点项目江苏需求响应、新能源消纳大规模源网荷友好互动系统可中断/可调节负荷国内规模最大浙江需求响应、削峰填谷丽水虚拟电厂、宁海试点储能、充电桩、楼宇单次响应体量最大上海商业楼宇能源管理黄浦区商业建筑示范工商业负荷、储能商业楼宇为主冀北新能源消纳、广域响应泛在电力物联网示范多主体参与目前国内各地虚拟电厂试点项目主要以需求侧响应为核心场景,已建平台水平参差不齐,缺乏统/标准和接口,主要以分散的市场主体自建为主2随着技术标准的完善和市场机制的成熟,未来有望形成更加规范和高效的发展格局2虚拟电厂盈利模式分析成本构成平台建设成本:虚拟电厂运营平台的开发和维护终端设备成本:计量、通信、控制等智能终端投资信息系统成本:数据采集、处理、安全防护系统运营管理成本:人员、服务器、网络等日常运营开支盈利模式评价:当前盈利模式相对单/,主要依赖需求响应补贴2随着电力市场改革深化,未来收入来源将更加多元化,包括容量市场、电能量市场、辅助服务市场等多个渠道2参与削峰填谷获得政府补贴,是当前主要收入来源辅助服务收入参与调频、调峰等辅助服务市场获得收益代理分布式电源参与电力市场交易获得分成全国需求侧响应补贴政策(/2022.06迎峰度夏需求响应方案紧急型:第/档≤2元/kW·月;第二档3元;第三全省工商业用户、发电企业分摊福建2022.05需求响应实施方案申报价格上限=预算/(负荷缺口×持续时间)省级统筹安排,鼓励地方财政专项河北2022.04需求响应市场运营规则最小单位1kW,价格最小单位0.1元/kWh高压工商业用户峰时段用电量征收天津夏季需求响应实施细则紧急型5元/kW;邀约型固定2元,竞价上限3元市财政按使用安排统/支付浙江需求响应工作通知日前削峰4元/kWh封顶;分钟级/秒级均4元2020年跨区域可再生能源交易价差江苏需求响应实施细则省经信委和物价局审核后兑现华南、华中、西部地区政策2022.04市场化需求响应细则日前邀约3500元/MWh;可控负荷5000元/MWh日前响应最高20元/kW;日内响应最高25元/kW三峡增发电量价差空间用于补贴2022.03响应价格单位元/千瓦时,上限另行通知市场化交易偏差考核资金2022.06削峰响应2元/kWh;填谷需求0.35元/kWh跨省区交易计划价差盈余疏导2022.01约时削峰8元/kW;实时削峰12元;填谷3元市供电公司结算电费时退补市场化需求响应方案响应价格暂定上限2.5元/kWh35kV及以上市场用户按电量分摊从各省政策可以看出,补贴标准和资金来源存在较大差异,反映出各地电力市场发展阶段和财政能力的不同。未来随着电力市场机制完善,补贴将逐步向市场化机虚拟电厂产业链全景1123可控负荷:工业、商业建筑、居民用户分布式电源:光伏、风电、燃气发电储能系统:电化学储能、抽蓄等资源聚合类:负荷聚合商,具备用户资源优势技术服务类:平台服务商,提供软件和技术支撑电网公司:国网、南网、地方电网售电公司:独立售电、配网售电大用户:工业企业、商业用户虚拟电厂运营商两大类型核心优势:掌握需求侧资源,具备负荷聚合能力主要业务:聚合零散负荷资源,预测电力需求曲线,参与虚拟电厂项目,获取收益分成代表企业:恒实科技等综合能源服务企业,具备丰富的用户资源和运营经验深耕需求侧管理多年拥有广泛的用户基础具备负荷聚合运营能力熟悉电力市场交易规则技术服务商核心优势:软件开发、算法模型、数据分析能力主要业务:为电网公司构建虚拟电厂管理平台,提供技术服务和解决方案,或直接参与交易代表企业:国电南瑞、国网信通、国能日新等掌握核心技术和算法具备平台开发能力拥有丰富的电力系统经验能够提供整体解决方案负荷聚合能力和数据监测能力是虚拟电厂运营商的负荷聚合能力和数据监测能力是虚拟电厂运营商的核心竞争优势2未来具备"资源+技术"双重优势的企业将在竞争中占据有利地位2重点企业虚拟电厂布局主营业务:电力自动化软硬件开发和系统集成布局情况:形成完备的虚拟电厂技术和产品体系,可灵活支撑多种商业模式,优势在于丰富的电力系统运行经验和技术积累恒实科技主营业务:智能大数据综合解决方案布局情况:全程参与国网冀北虚拟电厂建设,在规则制定、协议签订、终端调试和市场化运营等方面具备丰富经验,全面布局虚拟电厂资源金智科技布局情况:掌握分布式新能源协调控制、区域快速通信、源荷储聚合控制等核心技术,是国家电网和南方电网的主要供应商主营业务:能源行业信息化融合服务布局情况:已在天津滨海新区惠风溪智慧能源小镇落地示范项目,装机75MW,可调负荷36MW2计划在北京、江苏等地构建更大体量系统主营业务:新能源软件和信息技术服务布局情况:2020年进入虚拟电厂领域,承接国网综能集团项目,组建专门团主营业务:垃圾焚烧发电及环保处理布局情况:发展风光储等新能源,落地能源大数据业态,以区块链能源数据平台为核心构建区域零碳能源互联网和城市虚拟电厂虚拟电厂准入门槛广州市准入条件削峰能力原则不超过最高负荷20%响应持续时间不超过30分钟大工业用户响应能力≥500千瓦/般工商业用户响应能力≥200千瓦具备完善的电能在线监测系统具备分钟级负荷监控能力负荷聚合商要求注册地在广州市注册资金≥500万元总响应能力≥2000千瓦具备完善的电能在线监测系统具备分钟级负荷监控能力山西省准入条件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,需具备相应"/体化"虚拟电厂运营商应是"/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核心结论:负荷聚合能力和数据监测能力是参与虚拟电厂项目的关键门槛。各地准入条件虽有差异,但都强调响应能力和技术能力要求。市场竞争格局:启动期特征明显广州市虚拟电厂参与企业分析(2021.8-2022.7)广州工信局共公布7个批次虚拟电厂名单,包括31家负荷聚合商和89家电力用户。从31家负荷聚合商的主营业务分布来看:电力工程7家企业充电桩制造运营5家企业能源数字化2家企业行业集中度很低,竞争格局分散,各类型企业均有参与。这反映出虚拟电厂行业处于启动期,市场尚未形成稳定格局,未来整合空间巨大。综合能源服务6家企业售电业务4家企业其他类型7家企业地方政策密集出台上海市(2020.09)政策:《关于同意进/步开展电力需求响应和虚拟电厂工作目标:积极构建"城市电网",进/步建设虚拟电厂,深化双向负荷调控能力规模,优化资源配置,促进清洁能源消纳政策:《虚拟电厂建设与运营管理实施方案》目标:以市场机制为依托,技术革新为动力,加快推进虚拟电厂建设,扩大需求侧响应规模,提升新能源消纳及需求响应能力112233政策:《广州市虚拟电厂实施细则》目标:将虚拟电厂作为全社会用电管理重要手段,逐步形成约占统调最高负荷3%左右的响应能力,建设市级虚拟电厂管理平台各省市政策目标逐步明晰,从试点探索向规模化发展转变。政策支持力度不断加大,为虚拟电厂产业发展提供了强有力的政策保障。2025年市场空间测算业务/:需求侧响应(削峰填谷)全国最大负荷权威机构预测可调负荷占比参考广州目标可调负荷资源计算得出年响应天数假设值日削峰时长7小时假设值日填谷时长8小时假设值运营商分成行业惯例需求响应收入测算结果业务二:电能量市场交易分布式电源装机国网数据利用小时数3000小时/年行业平均运营商分成市场惯例电量交易收入200.48亿元测算结果2025年市场规模需求响应+电量交易2030年市场空间测算需求侧响应业务可调负荷占比:5%可调负荷资源:0.885亿千瓦运营商分成:25%业务收入558.55亿元电量市场交易业务分布式电源装机:2.9亿千瓦利用小时数:3000小时/年运营商分成:33%业务收入322.99亿元市场空间总结2030年市场规模两大业务合计2025-2030增长五年增长幅度增长驱动因素:2.分布式电源装机快速增长4.虚拟电厂技术不断成熟测算仅考虑需求侧响应和电量市场交易两大业务测算仅考虑需求侧响应和电量市场交易两大业务,未包括辅助服务市场、容量市场等潜在收入来源2实际市场空间可能更大2第三章:海外标杆案例研究德国和美国在虚拟电厂领域已实现商业化运营,积累了丰富经验。德国NextKraftwerk通过优化资产运营获取最大收益,美国特斯拉依托Powerwall储能切入虚拟电厂业务,两者的成功模式为我国虚拟电厂发展提供了重要借鉴。德国:可再生能源快速发展催生虚拟电厂风光发电占比全球领先2021年德国风光发电量占比达28.8%,位居全球前列2德国计划到2030年实现80%的发电量来自可再生能源,积极成为虚拟电厂的先行2012-2021年间,德国电源结构发生显著变化:煤电占比持续下降风电成为主导电源光伏发电快速增长核电逐步退出虚拟电厂已实现商业化德国虚拟电厂可将分布式电源、储能与可调负荷结合开展业务,通过电力市场的灵活电价引导电厂优化发电成本,实现收益最大化2三类运营商:2.大型电力公司3.新兴市场参与者NextKraftwerk:欧洲最大虚拟电厂运营商公司概况成立于公司概况成立于2009年,是欧洲最大的虚拟电厂运营商之/2截至2022Q2,管理14414个分布式发电设备,总规模达10836MW,包括生物质发电、热电联产、水电站、风光电站等2业务模式/业务模式/:可再生能源直接交易将风电和光伏等可控性较差的发电资源直接参与电力交易,获取利润分成2利用每15分钟/次的市场价格波动,调节分布式能源出力,实现低谷购电、高峰售电,获取最大利润2业务模式二业务模式二:辅助服务市场利用生物质发电和水电启动快、出力灵活的特点,参与电网二次调频,获取电力辅助服务收益2根据不同电源特性,参与不同的电力服务,实现收益最大化2核心竞争力:核心竞争力:NEMOCS平台自主开发的模块化软件系统,基于标准接口连接各类可再生能源,实时传输数据信息2基于大量实时数据,安排高峰负荷运行,优化灵活资产及市场价值,是公司的技术核心2品资源聚合使用标准接口,通过NextBox将不同资产(风能、太阳能等)和可控负荷连接到虚拟电厂,实施远程控制高性能处理能源市场价格信号和系统运营商控制信号在几秒钟内被处理并转换为资产的操作命令个体控制中央控制系统远程管理每个资产,确保根据资产的个别限制执行预定计划,计划可短时间内更改实时监控控制系统显示并记录当前容量、存储级别和待机状态的实时信息,提供多种可视化界面运营优化基于资产数据及市场、天气数据,执行高峰负荷运行计划,优化灵活资产,实施需求响应解决方案智能决策利用人工智能和机器学习技术,不断优化调度策略,提升系统整体运营效率和经济效益NEMOCS平台展示了虚拟电厂运营的技术复杂性和核心价值。软件平台能力是虚拟电厂运营商构建竞争壁垒的关键所在。新市场背景:电价持续上涨驱动户用光储2001-2021年间,美国零售电价上涨了53%,持续上涨的电价催生了户用光伏需求。2021年美国新增户用屋顶光伏装机容量达4.3GW,涨幅29%,其中加州占约三分之/。特斯拉战略:Powerwall+虚拟电厂产品端:Powerwall储能电池运营端:联合公用事业公司2015年推出家用储能电池与PG&E合作参与紧急减负荷计划Powerwall与EnergyLocals以折扣价提供可搭配SolarRoof太阳能电池板Powerwall