虚拟电厂的起源：从传统管理到智能响应

本课程将系统梳理虚拟电厂的演进历程ÿ从中国特色的"三电办"制度出发ÿ探讨需求侧管理的引入与发展ÿ分析需求响应的产生背景与实施机制ÿ最终揭示虚拟电厂作为新/代电力资源聚合技术的本质特征。我们将深入剖析电力系统从行政管制向市场化转型过程中ÿ需求侧资源如何从被动管理走向主动响应ÿ以及这/转变对构建新型电力系统的深远意义。01从"三电办"到需求侧管理探讨中国特色的电力管理体系演进03从需求侧管理到需求响应理解需求响应的产生与发展逻辑02需求侧管理的实施障碍分析电力市场化改革带来的挑战04虚拟电厂与需求响应揭示虚拟电厂的技术本质与发展阶段第/章历史背景20世纪90年代ÿ我国电力供应紧缺ÿ"电荒"频发2在这/特殊背景下ÿ"三电办"应运而生ÿ成为代表政府行使用电管理职能的重要部门2这/时期的电力管理特征鲜明:供不应求、计划分配、行政干预2"三电办"通过指令性手段ÿ对全社会用电进行统/调配ÿ在缓解供需矛盾、促进节约用电方面发挥着不可替代的作用2主要职能计划用电:根据电力资源分配用电指标节约用电:提高电能利用率ÿ降低能耗安全用电:保障人身、设备和电网安全对超标企业对超标企业ÿ"三电办"采取的主要手段是强行拉闸限电ÿ这是典型的行政管制/分配的时代核心理念计划用电是根据国家对电力实行统/分配的政策规定ÿ在各级政府领导下ÿ组织国民经济各部门、各行业ÿ对发电、供电和用电实行综合平衡、科学管理ÿ以保证电网的安全经济运行ÿ发挥电力资源的最大经济效益2时间上均衡用电负荷通过负荷调整和时段分配ÿ平滑用电曲线ÿ提高系统运行效率监督控制考核指标控制与考核其实质就是时间上均衡用电负荷通过负荷调整和时段分配ÿ平滑用电曲线ÿ提高系统运行效率监督控制考核指标控制与考核按国家政策分配电力对电力资源实行统/调配ÿ优先保障重点行业和民生用电需求实践证明ÿ搞好计划用电可保持电力工业和其他部门发展的比例关系ÿ保证国民经济正常发展ÿ做到发、供、用电的综合平衡ÿ保证电网安全运行ÿ并在/定程度上缓解电力供需矛盾ÿ维护社会安定2尤其是在电力紧缺的情况下ÿ坚持计划用电具有重要意义2节约用电:效率优先的战略指导方针围绕"开发与节约并重，把节约放在优先地位"的战略方针ÿ不断增强全民节电意识ÿ树立全社会长期节电思想2通过科学管理ÿ大力开展以节电为中心的技术改造和结构改革ÿ提高以定额管理为中心的节电管理水平ÿ不断挖掘节电潜力ÿ提高电能利用率ÿ从而以最少的电力消耗取得最大的社会经济效制定电耗定额实施产品电耗定额管理ÿ下达节电量指标电能平衡测试组织测试工作ÿ找出节电潜力点淘汰高耗设备推广节电新技术、新工艺、新设备监督考核奖惩进行检查考核ÿ实行奖优罚劣通过节电工作ÿ可有效促进行业与产品结构调整ÿ推动工艺流程改革和设备技术更新换代ÿ不断提高电能利用率和科学管理水平2对企业而言ÿ可有效减少电费开支、降低成本、提高经济效基本原则按照"安全为了生产ÿ生产必须安全"的基本原则ÿ以及电力生产的特点ÿ不断巩固提高电气工作人员基本素质、设备完好率ÿ通过监督、检查、指导等方式ÿ强化安全组织、技术措施的管理2普及安全用电常识强化安全意识培训提升人员基本素质制度执行执行安全规程制度落实技术措施要求规范作业操作流程技术保障推广应用安全技术提高设备完好率保证电能质量合格安全用电作为"三电"工作之/ÿ主要通过安全教育、执行安全规程制度、推广应用安全技术措施等手段ÿ确保人身、设备安全和电网安全运行ÿ提供质量合格的电力产品2这/职能在保障电力系统稳定运行、维护社会生产生活秩序方面发挥着基础性作用2需求侧管理在中国的引入国际起源需求侧管理(DemandSideManagement,DSM)最初由美国学者C.W.Gellings于1981年提出ÿ用来应对能源危机ÿ减少能源消耗ÿ开始大力推广电力负荷控制系统。它改变了传统规划中单纯以供应满足需求的思路ÿ将需求侧节约的电力和电量也视为/种资源ÿ供给方与需求方两种资源综合比较ÿ按最小费用原则寻求优化方案ÿ使其产生最大的社会效益及经济效益。 美国学者Gellings提出DSM概念 21993年DSM正式引入中国电力行业 32003年全国缺电时期ÿ70%以上缺口通过DSM缓解 41993-2010年累计节电2800-3000亿kWhÿ转移负荷超3000万kW根据我国电力需求侧管理标准化技术委员会定义ÿ电力需求侧管理是指:加强全社会用电管理ÿ综合采取合理、可行的技术和管理措施ÿ优化配置电力资源ÿ在用电环节制止浪费、降低电耗、移峰填谷、促进可再生能源电力消费、减少污染物和温室气体排放2实现节约用电、环保用电、绿色用电、智能用电、有序用电2发展背景1993年ÿ传统电力需求侧管理正式引入我国2那时恰逢国内电力消费需求旺盛ÿ但电力工业发展水平较低、电力投资不足、屡屡遭遇缺电之困2需求侧管理的工作定位是"提高电能使用效率、保障电力供需平衡"2通过能效管理、负荷管理、有序用电等手段来转移负荷ÿ削减峰谷差ÿ成为调节供需关系、保障电力系统安全稳定运行的重要手段270%缺电缓解贡献2003年全国缺电时期ÿ通过有序用电措施缓解的电力缺口占比3000累计节电量1993-2010年累计节电(单位:亿3000转移负荷能力最大转移负荷(单位:万千瓦)1节约标煤节约能源(单位:亿吨标准煤)需求侧管理的政策法规体系自21世纪以来ÿ我国陆续出台了电力需求侧管理相关法律法规ÿ逐步建立起完整的政策体系和管理框2004年《关于加强电力需求侧管理工作的指导意见》发布ÿ确立基本框架2010年《电力需求侧管理办法》出台ÿ明确管理体系和运行机制《关于做好工业领域电力需求侧管理工作的指导意见》《有序用电管理办法》相继发布2012年《电力需求侧管理城市综合试点工作中央财政奖励资金管理暂行办法》确立资金来源需求侧管理政策的核心内容定义演变从"实现最小成本电力服务"到"提高电力资源利用效率ÿ改进用电方式ÿ实现科学用电、节约用电、有序用电"组织体系形成政府主导、电网为管理主体、电力用户直接参与、中介组织服务的体系鼓励采用低谷蓄能实行季节电价制度推行高可靠性电价探索可中断负荷电价从"将节约的电力和电量作为资源纳入规划"ÿ扩展到"实现节能减排目标的重要措施"运行机制形成规划引导、标准规范、电价调节、财政支持的管理运行机制技术方法要求建立电力负荷管理系统采用节能变压器推广变频、热泵等技术引导用户优化用电方式口口在电力供应不足时ÿ需求侧管理将更多地通过行政措施、经济手段、技术方法ÿ依法控制部分用电需求等有序用电方式来保障电力供需平衡。"三电办"与需求侧管理的比较本质区别需求侧管理可以实现移峰填谷、优化负荷曲线的作用ÿ是解决季节性、阶段性、随机性缺电的较好方法2同时ÿ它还可以实现资源的优化配置ÿ带来电力行业的可持续发展2干预手段差异"三电办"体现了政府对电力市场的行政干预ÿ而"电力需求侧管理"则主要表现为/种经济手段2前者依靠指令性计划ÿ后者依靠价格信号和激励机制2节电理念差异"三电办"的节约用电强调减少电能消费(聚缩消费)ÿ而"电力需求侧管理"强调减少电能浪费(提高效率)2后者是战略性节电ÿ既能保证经济发展ÿ又能减少能源消耗2资源配置差异"三电办"代表传统的"以产定销"做法ÿ站在电力生产者角度开展工作;而"电力需求侧管理"综合考虑各方利益ÿ顾及用户和全社会整体效益ÿ实现资源优化配置和各方共赢2共同目标两者都可缓解缺电形势ÿ并获得节约电能资源的效果。无论是"三电办"实行的计划分配用电指标ÿ还是需求侧管理引导用户移峰填谷ÿ都可在/定程度上解决缺电矛盾ÿ且都强调电能的节约使用。/的安全理念"三电办"的职能之/是开展"安全用电"工作ÿ而电力需求侧管理可以优化负荷曲线ÿ有利于电网及电厂的安全运行。两者在"安全用电"这/点上达到统/。配合使用策略针对我国电力市场的实际情况ÿ可以将"三电办"的职能与电力市场营销结合起来使用。即在/定情况下利用行政手段保证需求侧管理的实施ÿ这样将为开展需求侧管理扫清阻力ÿ获得更好的实施效果。这种结合体现了中国特色的电力管理智慧。改革带来的根本性变化电力工业市场化改革对传统的需求侧管理产生了直接而深刻的影响ÿ导致其实施的基础不复存在2这/影响主要体现在企业商业化、结构重组化、竞争市场化三个核心维度2市场化改革要求每/个市场主体都是独立商业化运营的个体ÿ其经营目标是利润最大化2这/根本性的转变ÿ使得传统需求侧管理项目赖以存在的组织基础、激励机制和运作模式都面临着巨大挑战ÿ亟需寻找新的实施路径和商业模式2电力市场化改革打破了传统需求侧管理的实施基础ÿ但随之催生了新型需求响应项目的蓬勃发展。这是电力行业从计划经济向市场经济转型过程中必然经历的阵痛与蜕变。障碍/:商业化与经营目标的冲突核心矛盾电力企业的商业化使得需求侧管理与其经营目标相互冲突。电力市场化改革要求每/个市场主体都是独立商业化运营的个体ÿ其经营目标是利润最大化。实施需求侧管理项目ÿ将会造成电量损失或电价损失ÿ使电力公司短期电费收入下降ÿ这与其经营目标发生直接冲突。同时ÿ对独立运营的电力企业再大量予以政府补贴也不现实。责任主体缺失在电力市场化改革后ÿ传统的需求侧管理项目已无法再找到传统的垂直垄断同时兼有/定公共服务职能的电力公司100%利润导向-10%收入损失DSM项目对短期收入的影响障碍二:效益分散化问题结构重组的影响电力工业结构重组使得需求侧管理的效益被高度分散。电力工业市场化改革伴随着电力工业组织结构的拆分ÿ传统的/体化电力公司被拆分为多个发电、输电、配电和售电主体。发电公司售电量减少与经营目标冲突用户侧缺乏直接经济激励参与积极性低输配电网效益仅是全部效益的/小部分售电公司售电收入下降影响盈利能力传统的/体化电力公司对推行需求侧管理项目还有其自身的激励ÿ因为其可获得免发电和免输配电成本的全部效益。在电力工业拆分重组后ÿ这部分效益也随之被高度分散ÿ从而导致任何/个主体都无法获得足够的经济激励来推动需求侧管理项目。商业化运营的困境电力零售竞争使得需求侧管理项目商业化运营的风险加大。在电力市场化改革前ÿ/些需求侧管理项目(尤其是能效服务项目)已被成功地由第三方(能效服务公司等)进行商业化运作。竞争环境的新挑战在引入电力零售竞争后ÿ零售商的全部注意力都被置于价格竞争和扩大售电份额上面ÿ从而对其服务区内提供需求侧管理项目的第三方倾向于采取不合作的态度。信息障碍零售商在信息共享方面制造障碍数据障碍电量数据获取困难结算障碍结算流程复杂化同时ÿ由于零售价格的波动也导致这些需求侧管理项目的收益不确定性增加ÿ加大了提供方和参与用户的风险ÿ使项目的融资也愈加困难。从而出现了在引入零售竞争的区域ÿ其传统的需求侧管理项目迅速萎缩的现象。需求响应的产生背景电力发展的新常态随着我国经济发展进入新常态ÿ用电增速放缓ÿ电力供需形势逐渐逆转ÿ解决电力短缺已不再是传统需求侧管理的首要目标2同时ÿ能源电力进入低碳战略转型期ÿ无论是宏观经济还是行业发展都呈现出新的态势2创新发展技术创新驱动电力系统升级共享发展多方参与利益共享机制协调发展供需双侧协调优化配置绿色发展可再生能源大规模发展开放发展电力市场全面开放竞争秉承"创新、协调、绿色、开放、共享"的发展理念ÿ能源电力转型步伐加快ÿ可再生能源大规模发展ÿ这为电力需求侧管理赋予了新的机遇和使命ÿ电力需求侧管理的工作重心从保障供需平衡向多元化目标转变2本质变化在新的形势下ÿ"电力需求侧管理"这个名称对于描述当前需求侧资源发挥作用的方式已经不够准确ÿ应称其为"电力需求响应"。"电力需求响应"和"电力需求侧管理"在管理上的本质已发生了变化ÿ前者也可看作是广义上的"管理"范畴ÿ但其管理的主要特点非强制性的行政手段ÿ而是通过释放市场信号驱动用户自愿响应。12需求响应市场手段为主需求响应市场手段为主ÿ自愿性响应行政手段为主ÿ强制性管理需求响应的定义与特征核心定义约束市场力约束供应侧市场力ÿ压制批发市场价格波动提高效率提升电力市场的运行效率和资源配置电力需求响应(DemandResponse,DR)是随着电力工业市场化改革和电力市场建设ÿ从电力需求侧管理演变进化而来ÿ主要通过市场手段和价格工具ÿ影响和调节需求的时间和水平约束市场力约束供应侧市场力ÿ压制批发市场价格波动提高效率提升电力市场的运行效率和资源配置提升稳定性提高电力系统运行稳定性和安全性平等对待需求侧资源与供应资源在市场中平等对待需求响应将需求侧响应资源与供应资源在各类市场和综合资源规划中平等甚至优先对待ÿ起到提升社会整体资源的利用效率和提高社会整体福利的重要作用。需求响应的历史演进脉络从石油危机到需求响应从20世纪70年代石油危机中兴起的综合资源规划(IRP)和最小成本规划(LCP)ÿ到其后的需求侧管理ÿ以及其后的电力工业解除管制和市场化改革浪潮ÿ再到电力市场与需求侧管理共同孕育出来的需求响应ÿ它们之间有着直接的因果脉络关系。1970年代:石油危机能源价格上涨ÿ人们开始思考减少需求比增加供应成本更低的理念1980年代:容量冗余石油价格崩溃但电价继续攀升ÿ容量过剩推动需求侧管理发展1990年代:市场化改革高企的管制性电价与低廉的边际成本差距加大ÿ电力竞争开启加州电力危机后ÿ以市场为基础、动态电价为主流的需求响应蓬勃发展1970年代的思考石油危机期间ÿ随着能源资源价格的上涨ÿ人们开始思考这样/个概念:减少需求所承担的成本或许比增加供应的成本更低2由于当时石油、天然气等终端能源产品的价格受政府管制ÿ很多时候这些管制后的价格甚至低于边际供应成本ÿ使得消费者根本没有激励去进行节约ÿ也使得扩大供应无利可图2基于这些原因ÿ/些负有普遍服务义务的公用事业公司开始考虑通过对消费者减少消费的行为提供补偿ÿ来激励消费者的节约ÿ并降低整体的成本回收型价格的增长速度2整个20世纪70年代ÿ西方各国的管制性终端电价都在持续增长ÿ但终端用电消费总量也仍然在同步增长ÿ因为与石油对比ÿ石油价格增长得更快21980年代:容量冗余的困境恶性循环的形成到了20世纪80年代ÿ世界石油价格崩溃ÿ但西方各国电价仍在继续攀升。这是由于前期新增发电容量过多ÿ导致容量冗余现象产生ÿ管制性电价只能继续上涨才能回收容量成本。容量成本需要回收容量成本需要回收价格继续涨推动新/轮循环低于原来预测水平冗余加重容量过剩进/步恶化到了20世纪80年代末期ÿ虽然西方各国的电力容量冗余现象严重ÿ管制性电价都普遍处于边际成本之上的水平ÿ但各国管制机构还是在学术界的推动下ÿ开始引入从最小成本规划思想中衍生出来的需求侧管理项目。需求侧管理项目的执行降低了需求需求侧管理项目的执行降低了需求ÿ更进/步恶化了容量过剩问题ÿ加上执行需求侧管理项目所需的补贴因素ÿ两方面的作用又再次推高了管制性价格。1990年代:电力竞争的兴起改革的压力进入20世纪90年代ÿ高企的管制性零售价格和走低的边际成本之间的差距越来越大ÿ使得要求引入电力竞争的压力也越来越大ÿ尤其是来自那些希望获得低廉批发价格的大用户的压力。在此背景下ÿ有关电力竞争和放松管制的理论和学说应运而生ÿ西方各国相继开始了大规模的电力系统拆分和电力管制放松。随着电力竞争的发展ÿ公用事业公司的垄断日益削弱。在失去了这/垄断基础后ÿ靠补贴支撑的需求侧管理项目也随之逐步淡出。这标志着传统需求侧管理模式走到了历史的转折点。21世纪:需求响应的蓬勃发展加州电力危机的启示进入21世纪ÿ尤其在加利福尼亚州电力危机之后ÿ/部分需求侧管理项目如能源效率项目开始有所恢复2而更重要的ÿ则是以电力市场为基础、以动态电价为主流的需求侧响应从传统需求侧管理项目中脱胎而出ÿ获得了蓬勃发展2政策重视综合资源规划和需求侧管理受到高度重视2008政策重视综合资源规划和需求侧管理受到高度重视全球金融危机爆发ÿ能源价格剧烈波动 转型升级需求侧管理升级变革为需求响应转型升级需求侧管理升级变革为需求响应容量冗余、资源环境制约等问题2008年全球金融危机爆发后ÿ世界经济呈现出与20世纪石油危机期间类似"症状"ÿ而我国电力工业也面临与当年西方国家相似的问题2同时ÿ我国经济受资源和环境的制约矛盾也日益突出ÿ国民经济包括电力工业的粗放式发展已没有出路2传统模式的困境如果我们现在还停留在传统的需求侧管理的理念和项目内容上ÿ势必会陷入与当年西方国家相类似的恶性循环的怪圈2同时ÿ需求侧管理理念的实施和推进还将面临实施主体缺位、激励和动力严重不足的尴尬局面2我国的实践我国开展的需求侧管理工作主要有峰谷分时电价和负荷控制两项ÿ它们属于负荷调节的范畴ÿ其实施主体为电力公司2政治激励保障平安度过负荷高峰期ÿ可视为政治任务经济激励缺失经济上没有激励ÿ甚至为负激励电力公司实施需求侧管理项目的激励主要在于保障平安度过负荷高峰期ÿ可视为政治任务2经济上则没有激励ÿ甚至为负激励2原因是从电力公司的角度ÿ峰谷、丰枯电价的实施ÿ需通过/定幅度的让利来引导用户错峰用电ÿ这些用户的加权平均电价必然低于其实施前的目录电价ÿ故存在电价损失ÿ而负荷控制的实施则存在电量损失2根据FERC(美国联邦能源管理委员会)分类法ÿ需求侧响应分为激励型需求响应和价格型需求响应两大类。激励型需求响应直接采用激励政策和补偿方式来激励和诱导用户参与各种系统所需要的负荷削减项目。直接负荷控制项目可中断或可削减负荷项目需求侧投标项目紧急需求侧响应项目容量市场项目辅助服务市场项目价格型需求响应让终端消费者直接面对基于时间和空间位置的价格信号ÿ并自主做出用电时间和方式的安排和调整。分时电价(峰谷电价)关键峰荷电价季节电价核心特征激励型需求响应为消费者在系统需要和紧张时减少电力使用提供支付2消费者通过调整或削减生产ÿ将负荷切换至非峰时期ÿ或者运行现场的分布式发电机ÿ降低他们在输电网和配电网上的需求2他们也将同时获得电费折扣或者直接得到激励支付2零售层面垂直/体化电力公司、电力合作社、城市供电公司以及解除管制的电力零售商ÿ以零售电价为基础直接提供给消费者批发层面独立系统运营商或区域输电组织以及电力市场运行机构ÿ出于维持系统稳定和市场稳定的原因发起需求响应项目在批发市场的响应项目ÿ通常由零售商将终端消费者的需求削减集成ÿ提供给系统运营机构ÿ以获得相应的激励2这种集成模式为后来虚拟电厂的发展奠定了基础2价格型需求响应的挑战零售商面临的双重风险价格型需求响应直接向终端消费者提供与批发市场价格/定程度挂钩的零售电价ÿ消费者对价格信号做出反应ÿ产生行为的或系统的消费改变。零售商面临/个最大的问题就是如何定价ÿ如何对不同类型的消费者提供不同的价格选择;如何管理由于未来的消费者负荷以及批发市场价格双重不确定性造成的财务风险。50%价格波动风险批发市场价格不确定性50%负荷波动风险消费者需求不确定性面对未来任意时段ÿ零售商既无法精确知道他们的消费者将要消费多少电量ÿ更无法预测届时批发市场的价格将会怎样。所以说ÿ当零售商向消费者提供固定价格服务时ÿ他将面临双重风险。价格和负荷都受许多因素共同影响ÿ例如负荷对宏观经济形势和天气变化都很敏感;消费者在新增负荷时也不会通知零售商。发展需求响应的三大意义2电力市场稳定力量需求侧管理新方向第/大意义:需求侧管理的新方向需求响应是电力市场改革后新的电力工业组织架构下需求侧管理的方向、主流和新生形式2在电力市场改革前ÿ需求侧管理只是作为垂直垄断的电力公司的/个负荷管理工具或是政府提升能源效率的手段2在市场改革后ÿ需求响应已从/种负荷管理工具提升到与供应侧对等的系统资源ÿ渗透到市场的各个环节和全部市场参与者2发电商把需求响应当作其非计划停运的/种风险回避工具零售商作为有效平衡顾客需求与已签合同购买量的工具系统运营商作为经济有效地匹配供需、保持系统稳定的工具作为缓解网络阻塞、改善当地供电质量和可靠性的工具作为有效参与市场、管理自身用电成本和电价风险的工具第二大意义:提升电力市场效率市场稳定的关键需求响应是电力市场建设中重要的稳定力量ÿ是提升电力市场效率的重要手段ÿ是综合资源规划的优先资源。在/个有效的市场中ÿ价格是由市场的买卖以及供需双方复杂的互动所形成的。但是在初期的电力市场ÿ尤其是单边电力市场中ÿ购买方没有也无法参与价格设定过程ÿ从而价格也未能起到供需之间"防震锤"的作用ÿ使得电力市场相比其他市场要不稳定得多。市场力的制约50%在电力市场中ÿ寡头发电厂商操纵市场价格的能力ÿ可用该厂商的市场均衡份额减少市场份额和消费者价格弹性之比值来表示。损害规模经济性要维持电力市场的稳定有两条途径:/个是减少其市场份额ÿ但这难免也会损害发电规模经济性;另/个是提高需求侧价格弹性ÿ也就是增加需求响应能力。100%100%提高价格弹性增加需求响应能力很显然很显然ÿ将供应侧的集中度减少/半与将需求侧的价格弹性增加/倍ÿ效果是相同的ÿ且后者更容易做到ÿ其实施成本和效率损失