【专家观点】范佳卿-虚拟电厂技术、实践与商业模式

虚拟电厂技术、实践与商业模式国家电投集团战略部范佳卿虚拟电厂技术、实践与商业模式一、发展背景及政策趋势二、国内外发展现状三、市场模式及问题分析发电侧和负荷侧的发展不匹配，导致新型电力系统面临保供压力大、缺乏灵活调节能力、供需不平衡等难点、痛点国外典型虚拟电厂案例展示与分析三种模式参与需求响应分析虚拟电厂的定义、形态、特性及国内政策支持力度国内典型虚拟电厂案例展示与分析参与辅助服务分析参与电能量市场分析四、应用实践情况五、上海成套院技术简介上海成套院在江苏建设虚拟电厂介绍技术体系展示与分析上海成套院在深圳建设虚拟电厂介绍核心技术展示与分析上海成套院在苏州建设虚拟电厂介绍一、发展背景及政策趋势我国新能源供给侧资源丰富，将成为新型能源体系中新型电力系统的主体能源我国拥有丰富的风光等可再生资源。各省（自治区、直辖市）规划的新能源规模总计约6.5亿千瓦，以沙漠、戈壁、荒漠为重点的大型风电光伏新能源基地规划规模5.5亿千瓦，总计接近12亿千瓦。根据预测，如果现有路径不变，实现碳中和发电侧需要将安装超过50亿千瓦的新能源。太阳能发电资源可开发1400亿千瓦风电资源可开发100亿千瓦国家规划“三类一区”清洁能源基地第一批9705万千瓦+第二批4.55亿千瓦2010-2060年我国电力装机结构变化一、发展背景及政策趋势我国新能源发电装机规模快速扩张，分布式发展成为风电光伏发展主要方式2022年，全国风电、光伏发电新增装机达到1.25亿千瓦，其中风电新增3763万千瓦、太阳能发电新增8741万千瓦，新能源发电量11899亿千瓦时，占全国发电量的13.4%。今年前2月，我国光伏发电在电力新增装机的占比达到58%，超过其他电力总和。2022年分布式光伏新增装机5111万千瓦，占当年光伏新增装机58%以上。2010-2022年中国风电累计、新增装机容量变化趋势2010-2022年中国光伏累计、新增装机容量变化趋势数据来源：国家能源局，中国工程院报告等一、发展背景及政策趋势提升终端用能电气化水平是实现碳中和的必由之路推动非化石能源电力替代传统能源，未来全社会电气化率预计每年将提升超过1%。2060年我国电能占能源消费量的三分之二左右，电能消费总量将从2022年的8.6万亿千瓦时提升至15~18万亿千瓦时，实现用电量翻番。工业领域交通领域建筑领域数据来源：中电联《中国电气化年度发展报告2021》一、发展背景及政策趋势全国电力供应保障压力大自2021年9月中旬，出现拉闸限电现象，江苏、广东、云南、吉林、黑龙江等20多个省份相继启动有序用电。2022年5月，国务院常务会议在确保能源供应方面，做出下列决定：决不允许拉闸限电！2022年全国22个省级电网负荷创历史新高，除东北外其余5个区域电网负荷均创新高。受到干旱和高温气候影响，四川水电大面积停机，电力负荷接连创历史新高，启动四川省突发事件能源供应保障一级应急响应。多地气温连续超40℃洪崖洞限电前和限电后22个省级电网负荷创历史新高一、发展背景及政策趋势为保障电力系统安全稳定运行，要充分挖掘用户侧灵活资源的潜力虚拟电厂通过工业互联网、物联等技术将用户侧可调负荷、分布式储能、分布式电源等资源聚合构建成为一个对内协调平衡、对外与电网友好互动的整体，通过市场化手段动态调整用户侧的负荷曲线。在电力供应紧张时少用电，在电力丰沛时多用电，帮助缓解新能源消纳和电力供需不匹配问题。平衡电网统一聚合储能分布式电源电力现货大客户服务虚拟电厂获得收益协调控制上海发电设备成套设计研究院有限责任公司SHANGHAIPOWEREQUIPMENTRESEARCHINSTITUTECO.,LTD工业企业居民商业需求响应辅助服务一、发展背景及政策趋势虚拟电厂发展历程及形态邀约型面向解决应急问题，主要包括可控负荷资源，政府部门或电力调度机构发出邀约信号（需求响应），通过专项资金、特定合同、激励政策引导虚拟电厂组织资源参与。市场型进一步提升系统灵活调节能力，源、储、荷各类资源都可参与，建立电力现货、辅助服务等市场化机制，虚拟电厂能够基于自身商业模式参与并获得收益。按资源类型和业务模式划分自治型虚拟电厂成长为“虚拟电力系统”，包含源、储、荷各类资源，按照自身利益最大化原则灵活制定运行策略，如既可参与跨区域电力市场交易获得利润分成，亦可参与电力辅助获取补偿收益。当前我国虚拟电厂主要处于邀约型向市场型的过渡阶段，各省开展的虚拟电厂项目以电网引导实施为主。一、发展背景及政策趋势虚拟电厂天然具有轻资产特性，使其具备更强的市场竞争力据国家电网测算，如果想通过新建火电机组、抽水蓄能以及新型储能设备来实现电力系统的“削峰填谷”，仅满足5%的峰值负荷就需要投资4000亿元人民币。每千瓦调节能力的成本独立的、市场化的实体之间通过灵活合作，为消费者提供高效电能服务，这些实体不必拥有相应的资产ShimonAwerbuch，虚拟公共设施，1997一、发展背景及政策趋势国家部委层面：鼓励开展用户侧灵活性资源聚合的虚拟电厂示范1月18日1月30日5月14日11月2日1月29日2月24日5月24日2023年5月19日虚拟电厂技术、实践与商业模式一、发展背景及政策趋势二、国内外发展现状三、市场模式及问题分析发电侧和负荷侧的发展不匹配，导致新型电力系统面临保供压力大、缺乏灵活调节能力、供需不平衡等难点、痛点国外典型虚拟电厂案例展示与分析三种模式参与需求响应分析虚拟电厂的定义、形态、特性及国内政策支持力度国内典型虚拟电厂案例展示与分析参与辅助服务分析参与电能量市场分析四、应用实践情况五、上海成套院技术简介上海成套院在江苏建设虚拟电厂介绍技术体系展示与分析上海成套院在深圳建设虚拟电厂介绍核心技术展示与分析上海成套院在苏州建设虚拟电厂介绍二、国内外发展现状国外虚拟电厂发展现状德国、英国、西班牙、法国(VPP完全商业化灵活电价引导)电动汽车V2G、分布式燃料电池和分布式电源欧洲是世界上虚拟电厂最集中的市场美国《日本再兴战略（2015）》首次明确提出推广虚拟电厂政策美国目前是世界上实施DR项目最多、种类最齐全的国家日本欧洲政府直接管理电网公司管理独立第三方管理二、国内外发展现状国外典型案例1--美国特斯拉“车+桩+光+储+荷+智”特斯拉在电动汽车业务取得突破后，不断进军储能、发电、虚拟电厂等新能源领域，初步构建起“车+桩+光+储+荷+智”的新能源闭环生态。虚拟电厂智能平台Autobidder是核心枢纽，负责新能源交易和控制管理。TESLA特斯拉新能源生态能源消费家用汽车组件制造能源数据调度分析商用电车能源光伏发电交易充电设施储能设备电网能源市场二、国内外发展现状国外典型案例1--美国特斯拉“车+桩+光+储+荷+智”“车+桩”组成特斯拉新能源生态体系的用能端，“光+储”组成特斯拉新能源生态体系的产能端，“荷+智”组成特斯拉新能源生态体系的交易端。虚拟电厂智能平台Autobidder实现了在交易端与公用电网的连接，成为特斯拉构建新能源生态体系的基本依托。Autobidder市场数据算法库投标服务→智能营销优化预测预测与报警指令与控制客户所处电力环境服务器服务器开源数据分布式日志服务端二、国内外发展现状国外典型案例1-美国特斯拉“车+桩+光+储+荷+智”Autobidder作为分布式数据库和算力平台与能源产品进行双向通信，不仅能提供负荷和发电量预测共享功能，还可将各能源产品所搭载的信息和计算数据互联共享，并依据内部算法库计算的优先级相互发送或接收指令进行统一调动贯通，将分布式能源、可控负荷以及储能装置整合成一个虚拟的可控集体，以提供更智能和更灵活的发电、配电和可用性。特斯拉虚拟电厂生态丁重玲L/A产能市场自用汽车产能私有能源调度Autobidder数据分析汽车电池商务负荷预测价格预测特斯拉新能源汽车优化调度充电网商业充电网电网光伏发电特斯拉充电网络特斯拉能源二、国内外发展现状国外典型案例1--美国特斯拉“车+桩+光+储+荷+智”场景1：太阳升起，POWERWALL开启充电模式，存储SOLARROOF的电能。SolarGridOutagePowerwall二、国内外发展现状国外典型案例1--美国特斯拉“车+桩+光+储+荷+智”场景2：在晚高峰，POWERWALL开启放电模式，为家庭负载供电，节省电费。HomePowerwallCar二、国内外发展现状国外典型案例1--美国特斯拉“车+桩+光+储+荷+智”场景3：在电力供应紧缺时，POWERWALL开启放电模式，为家庭负载供电，为电网提供平衡服务，保障电源供应，还能够额外获得收益。二、国内外发展现状国外典型案例1--美国特斯拉“车+桩+光+储+荷+智”场景4：根据用户侧分时电价信号，POWERWALL随时开启放电模式，为家庭负载供电，全面参与电力市场，精打细算每一度电。HomePowerwallCar二、国内外发展现状国外典型案例2-欧洲NextKraftwerke将风电、光伏等零或者低边际成本的发电资源参与电力市场交易。利用每15分钟一次、每天96次的电力市场价格波动，调节分布式电源出力、需求响应，实现低谷用电、高峰售电，获得最大利润。利用微燃机、生物质发电等启动速度快、出力灵活的特点，参与电网辅助服务，获取收益。注重资源聚合能力，通过市场、技术手段并用，查缺补漏、优势互补，既包含“量”上的整合，更具有“质”上的提升，实现了分布式资源拥有方、虚拟电厂运营方甚至电网方的各方利益共赢。德国NextKraftwerke公司在2009年启动了虚拟电厂商业模式，截至2021年6月，该公司已有11049个聚合单元，9016MW联网装机容量，包括热电联产、生物质能发电、小水电以及风电、光伏，也包括一部分可控负荷。一方面对风电、光伏等可控性差的发电资源安装远程控制装置，通过虚拟电厂平台聚合参与电力市场交易，获取利润分成；一另一方面，对水电、生物质发电等调节性好的电源，通过平台聚合参与调频市场获取附加收益，目前该公司占全德二次调频市场10%的份额。二、国内外发展现状国外典型案例3-英国虚拟电厂英国允许电力大用户和负荷聚合商参与辅助服务市场，市场主体包括容量大于100kW的电力大用户和负荷聚合商，在交易品种上扩展至调频和备用容量两种辅助服务。积极发展虚拟电厂，依托负荷聚合商汇集分散用户并逐步实现自主调度,涵盖用电负荷、分布式电源、分布式储能等各类资源。moixaGridGridShareDashboardsTradingCloud£SmartBatteries制定分时电价机制，政府鼓励各售电公司对改装了智能电表的电力用户制定分时电价机制,通过建立与用电峰谷时段相匹配的峰谷分时电价费率，引导价格敏感的工业用户合理调整生产时序。鼓励需求响应资源参与电力平衡机制，电力需求响应资源可参与短期运行备用、快速备用等备用辅助服务,在满足响应速度和响应能力的前提下述可以参与频率响应。二、国内外发展现状国外典型案例4—LunarGridShare虚拟电厂2004年开始，英国分布式能源资源（DER）管理软件公司Moixa专注于家庭级能源管理，开发GridShare平台来进行虚拟电厂管理，后续在多个国家与当地重要企业共同合作推广该平台。平台可全面统筹家庭表后电器、电网侧市场、环境天气多方面因素，目前是世界上管理户用储能规模最大的虚拟电厂。美国LunarEnergy是一家美国家庭能源解决方案企业，2022年收购Moixa，采用GridShare平台来接管LunarEnergy有关设备。关键技术运营情况总体：接入设备7.3+万个；接入平台储能692兆瓦时。GridShare平台全面统筹多方面资源与因素进行虚拟电厂运营管理：美国：和全美最大的户用光伏安装商Sunrun合作，实现Sunrun所有储能接入虚拟电厂平台。用户计量表后的设备（热泵、空调、电池等）电网侧市场（需求响应、辅助服务、现货）日本：与伊藤忠商事株式会社合作，虚拟电厂平台累计接入超3.5万个户用储能，容量超330兆瓦时。与天气系统、功率预测系统耦合英国：与英国电网合作，在2个郡投入运作。二、国内外发展现状国外典型案例5--德国Essen铝厂2019年在德国TRIMETEssen铝厂120个电解槽（160kA）完成全厂改造。Essen铝厂实现-13%~+20%的负荷调节。通过负荷响应、电价套利等方式盈利。二、国内外发展现状国内虚拟电厂发展现状浙江安徽广州上海江苏广东山东国内市场实践截至目前，上海、冀北、广东、浙江、安徽等地陆续开展了虚拟电厂试点。目前，华东、华中已明确开放虚拟电厂第三方独立主体参与辅助服务市场。二、国内外发展现状国内典型案例1—华为家庭绿电华为绿电云通过将户用光伏、户用储能、户用负载等一系列资源整合起来，为家庭提供绿电，以及必要的灵活性。将来，可以直接纳入华为的户用灵活性资源接入到综合智慧零碳电厂的零碳发电单元中。华为家庭绿电解决方案WLAN/FEFusionSolarFusion3otal华为绿电云并离网控制盒賞賞智能光伏优化器智能功率传感器智能能源控制器RS485智能储能系统重要负载一般负载智能发电系统安全智能储电智能用电光伏优化器实现组件级优化，模块化储能设计，灵活配置，发电、用电一览无余，最优屋顶电压电弧全防护，安全无适应复杂屋顶情况，多装多发电，内置能量优化器，支持新旧家庭能源利用，无惧停电，死角，储能多重防护“加身”，最高可提升30%发电量混用，更高可用电量稳住每个关键时刻保障每个家庭的安全二、国内外发展现状国内典型案例1—华为家庭绿电关键技术试运情况智能组件控制器智能光伏控制器29.7kWp中国东莞，家庭绿电系统86×335Wp组件86×450W优化器2xSUN2000-10KTL-M1逆变器LUNA200030kWh储能电池并网时间2020.11储能系统工商业户用手机APP14.8kWp中国南京，家庭绿电系统39×380Wp组件39×450W优化器2xSUN2000-10KTL-M1逆变器LUNA200030kWh储能电池二、国内外发展现状国内典型案例2-冀北虚拟电厂项目一期聚合秦皇岛、廊坊、张家口等地，将11种类型、29个用户纳入一期项目。参与用户包括光伏电站、用户侧光伏、电动汽车充电站、地源热泵、空气源热泵、空调负荷、工商业负荷、电池储能、蓄热式电锅炉等。参与华北电网调度响应，容量约16万千瓦。一个平台互动应用互动访问支持多方应用电网调度冀北虚拟电厂能源管理、交易和服务智能管控平台两网融合海量数据计算、存储交易中心信息流输电网络高压配网泛在电力物联网坚强智能电网110kV8能源生产中压配网35/10kVeloT网络/供应商涵盖冀北唐山、张家口、承德、负荷低压配网秦皇岛、廊坊五地市0.4kV边缘计算网关边缘计算网关负荷用户光伏电站采样控制结论工商业可控负荷粉梨直热式电采暖吨级汽车及充电设施。→信息物理融合（CPS）二、国内外发展现状国内典型案例2-冀北虚拟电厂用起来：精准的源输配荷协同、微应用服务、新商业模式聚起来：海量数据的流通与聚合联起来：海量能源节点的互联管起来：千万级智能能源终端管理电网调度中心电力市场交易中心虚拟电厂VPP能源供应和服务商智能管控平台月户本地控制单元风力发电可控光伏发电负荷储能单元电动汽车雷热式电锅炉地源热泉冷热电三联供HVAC系统二、国内外发展现状国内典型案例3-上海黄埔虚拟电厂依托上海市需求响应管理平台，于2019年启动虚拟电厂平台建设。此平台由政府投资，国网调度、交易和营销三方参与完成。截至2021年5月，该平台已注册负荷集成商15家，接入用户1961户。其中，7家运营商和512个客户参与了虚拟电厂响应，资源涵盖充电桩、园区微电网、商业建筑、工业自动响应、三联供、储能系统、分布式能源、冰蓄冷装置等多种类型。虚拟电厂技术、实践与商业模式一、发展背景及政策趋势二、国内外发展现状三、市场模式及问题分析发电侧和负荷侧的发展不匹配，导致新型电力系统面临保供压力大、缺乏灵活调节能力、供需不平衡等难点、痛点国外典型虚拟电厂案例展示与分析三种模式参与需求响应分析虚拟电厂的定义、形态、特性及国内政策支持力度国内典型虚拟电厂案例展示与分析参与辅助服务分析参与电能量市场分析四、应用实践情况五、上海成套院技术简介上海成套院在江苏建设虚拟电厂介绍技术体系展示与分析上海成套院在深圳建设虚拟电厂介绍核心技术展示与分析上海成套院在苏州建设虚拟电厂介绍三、市场模式及问题分析虚拟电厂参与需求响应分析基于价格的需求响应实时电价(RTP)反映电力市场1h或小于1h的费率结构尖峰电价(CPP)预先确定、在尖峰负荷期间的高电价费率结构分时电价(TOU)在不同时间段具有不同单位价格的费率结构基于激励的需求响应直接负荷控制(DLC)为了解决系统或区域可靠性紧急状况，公用事业或系统运行者远程关掉或循环运行居民用户和小商业用户的电力设备可中断负荷(IL)在系统紧急情况下，削减或中断参与者负荷紧急需求响应(EDR)处理网络运行风险、电力短缺以及停电等所引起的系统可靠性事故需求侧竞价(DSB)用户不再是单纯的价格接受者，还可以主动参与电网的互动项目获取利益容量/辅助服务计划(CASP)充分利用消费者的可削减负荷作为电网运行备用，直接参与容量/辅助服务市场基于价格的需求响应通过采用分时或尖峰电价来激励用户改变自身用电消费模式，在峰时段削减负荷并将峰时段的负荷转移到电价更低的谷时段，以达到减小峰谷差、减小用电负荷波动的目的，其收益由价格、响应负荷等决定。基于激励的需求响应基于激励的需求响应通过激励补偿政策促进用户参与系统调度，一般是由虚拟电厂或负荷聚合商来进行实施。三、市场模式及问题分析虚拟电厂参与需求响应分析日前邀约响应省（市）电力（供电）公司于响应日前一日，向需求响应中心（平台）发布各地需求响应调控指标信息。需求响应中心（平台）在收到指标信息后，确定响应邀约范围并通过国家（省）电力需求侧管理在线监测平台（DR平台）、手机APP等向签约用户（负荷集成商）发布响应邀约。签约用户（负荷集成商）在收到邀约后，应及时反馈是否正常参与。需求响应中心确定参与响应用户（负荷集成商）名单后，正式通知用户（负荷集成商）江苏省需求响应工作流程图--约定需求响应省（市）电力公司启动需求响应明确响应时间段及响应量省（市）经信委批准确定邀约用户范围在DR平台发送邀约否负荷集成商DR平台统计及时反馈是否满足需求参与能力一般用户否是执行响应DR平台监测、在规定时限内未征统计响应情况报备省经信委省电力公司三、市场模式及问题分析虚拟电厂参与辅助服务分析2021年12月21日，国家能源局制定了《电力辅助服务管理办法》。可调节负荷电力辅助服务可以由新型储能、传统高载能工业负荷、工商业可中断负荷、电动汽车充电网络等能够响应电力调度指令的可调节负荷（含通过聚合商、虚拟电厂等形式聚合）提供。市场交易应明确提供电力辅助服务的需求确定原则、市场出清机制、补偿分摊标准等内容，这也为需求响应资源参与市场厘清了规则。三、市场模式及问题分析虚拟电厂参与辅助服务分析类型响应容量响应价格旋转备用单个虚拟电厂可响应容量不小于5MW且具备至少1小时的备用持续响应能力上限：0.05元/kwh削峰调峰单个虚拟电厂可响应容量不小于5MW且具备至少1小时的负荷削减能力上限：1元/kwh填谷调峰单个虚拟电厂可响应容量不小于5MW且具备至少1小时的负荷调增能力上限：0.32元/kwh浙江省辅助服务市场共分为三类，分别是旋转备用、削峰调峰和填谷调峰。目前主要以填谷调峰为主。根据国家能源局浙江监管办公室文件《浙江能源监管办关于浙江省第三方独立主体参与电力辅助服务有关事项的通知》，2023年2月开始，辅助服务已常态化运行并开展。三、市场模式及问题分析虚拟电厂参与电能量市场分析电力现货市场承担着价格发现职能，虚拟电厂在电力现货市场中通过电能量报价曲线参与现货市场，获取收益。电能量报价曲线开始火电机组负荷运行运营机构计算并发布当月成本补偿报价根据实际负荷数据，评估需1日前现货市场净效益价格申报求响应结果与日前/实时市场中标的偏差，计算考核费用阶段火电机组启动费用发电机组申报注册准入的需求响应主体，与发电机组一同提交交易信息执行考核与结算突飞机组“向提交“容量-价格”曲线仅对节点边际价格大于净效最小连续开机时间益价格的实际响应容量予以补偿最小连续停机时间综合偏差考核、响应获益，含需求响应报价的出清模型求解，并计算节点边际价格得到需求响应主体的结算费报量不竞价用阶段报价含需求响应主体发布各时段的中标容量、中标价格结束虚拟电厂技术、实践与商业模式一、发展背景及政策趋势二、国内外发展现状三、市场模式及问题分析发电侧和负荷侧的发展不匹配，导致新型电力系统面临保供压力大、缺乏灵活调节能力、供需不平衡等难点、痛点国外典型虚拟电厂案例展示与分析三种模式参与需求响应分析虚拟电厂的定义、形态、特性及国内政策支持力度国内典型虚拟电厂案例展示与分析参与辅助服务分析参与电能量市场分析四、应用实践情况五、上海成套院技术简介上海成套院在江苏建设虚拟电厂介绍技术体系展示与分析上海成套院在深圳建设虚拟电厂介绍核心技术展示与分析上海成套院在苏州建设虚拟电厂介绍四、应用实践情况上海成套院南京实践在国电投江苏综合能源服务有限公司上线，接入钢铁、水泥、制造、纺织等用户侧资源，主要通过调度聚合资源参与江苏省需求响应和辅助服务市场2022年初成为五大发电唯一一家达到江苏省负荷聚合商注册条件并获得准入资格用户侧储能四、应用实践情况上海成套院深圳实践在国电投（深圳）能源发展有限公司上线，接入制造、纸业、木材加工、供冷热力等用户侧资源，主要通过调度聚合资源参与广东需求响应和电力现货盈利，即将参与电力辅助服务市场国