新型电力系统下虚拟电厂技术应用与发展建议

谭忠富，王冠然

（华北电力大学 经济与管理学院, 北京 102206）

近年来，全球可再生能源发电占比不断提升，世界能源格局正加快向风光水氢等非化石能源转型的步伐，我国也提出了构建“低碳清洁、安全高效”的能源体系。截至2022 年底我国风光装机约7.6 亿千瓦，约占发电装机总容量的30%；但我国仍然是以火电为主、风光水核等为补充的传统电力系统。为实现双碳战略，我国风光装机将升至70%，成为第一大电源主体，构建与能源体系相适应的新一代电力系统迫在眉睫。但大规模风光并网将显著影响电力系统稳定性，而虚拟电厂（Virtual Power Plant，VPP）作为新型分布式能源并网技术，可通过优化机组出力、挖掘可控负荷调节潜力，缓解风光出力随机性影响，保证系统运行平稳[1]。在高比例清洁能源并网和建设新型电力系统背景下，加强对VPP 的开发利用，有助于提升电力系统的灵活性，保障电网运行稳定，助力我国双碳战略实现。

一、新型电力系统的关键特征与建设挑战

（一） 新型电力系统的关键特征

新型电力系统是以电网为枢纽平台，以清洁能源为供应主体，以能源电力安全和新能源消纳为运行目标，具有低碳清洁安全高效特点的新一代电力系统[2]，其关键特征与建设挑战如图1 所示。

图1 新型电力系统的关键特征与建设挑战

1. 新能源为主体、多种电网形态并存、源荷双向互动的物理结构

从电源结构来看，为实现电力行业碳中和，风光等新能源将成为发电主体电量，而传统化石能源将作为调节备用电源，发挥压舱石作用。从电网形态来看，新能源“集中式+分布式”并重的开发模式，配网承担系统平衡和安全稳定作用凸显，电网将呈现“大电网+主动配电网+微电网”并存的局面。从用户负荷来看，随着储能、制氢、多能转换等技术的应用，分布式能源和交互式设备增加，用户和电网双向互动将成为常态。

2. 电力系统将具备强不确定性，加速向能源互联网形态转变

风光发电的间歇性和波动性特点，使得以新能源为主的新型电力系统充满强不确定性，对系统调节和风光消纳能力提出新的要求。为建设适应强不确定性的新型电力系统，一方面要加强通信技术与终端平台的应用，打通信息流、能量流，支撑源网荷储协同运行，提高新能源消纳水平；另一方面则要建设分布式能源、可调节负荷的微网或主动配电网，挖掘负荷侧调节潜力，实现能源互联网的发展形态[3]。

3. 围绕能源全过程的支撑技术，实现源网荷储高效经济的协同运行

新一代型电力系统需要围绕能源生产、传输、消费和储存进行一系列关键支撑技术的研究。这些技术包括多种清洁能源高效利用与煤电低碳化生产技术，高比例新能源并网后的支撑保护等传输技术，智能用电与供需互动等利用技术，电热冷气氢等多重储能技术[4]。在上述技术支撑下，统筹管控能源各环节，最终实现源侧清洁低碳、网侧安全高效、荷侧灵活可控和储侧经济可靠的协同运行效果。

4. 电力交易主导的全国统一、多级多层次协同运行的市场机制

我国资源禀赋与能源需求存在逆向分布的特征，基于特高压电网为骨干的坚强智能电网，建立全国统一的电力市场，健全交易时序、规则、结算和流程，是实现国家市场和省级市场协同运行、全国电力资源优化配置的必然选择。此外，为保障系统稳定、新能源消纳、碳减排，我国将构建现货市场和辅助市场运行为主，分布式发电交易、容量交易、绿电交易、碳权交易等多级多层次协同运行的电力市场机制。

5. 低碳清洁、经济高效与安全稳定统一融合的运行理念

新型电力系统的首要目的是实现电力生产低碳化和清洁化，但大规模新能源并网，不仅对大电网和配电网运行安全造成直接威胁，还需要系统提供更多的调节能力与备用容量。因此，新型电力系统在实现低碳清洁的同时，也将秉持安全稳定的运行理念，在电力市场上以最经济的形式实现对资源的协调利用，实现低碳经济安全的统一。

（二） 建设新型电力系统的挑战

相较于传统电力系统，新型电力系统是结构、形态、技术、机制和理念等全方位的升级，其转型过程必然伴随着新能源与传统能源和电网之间的发展矛盾，面临供需稳定、安全运行、市场机制、智能转型等多重挑战。

1. 新能源发电随机性与系统调节能力不足带来的供需平稳挑战

以燃煤为主的传统电力系统具备可控连续出力能力，可应对用户侧负荷需求变化，然而，新能源出力不稳定特性，使其有效供电能力不足。近年来我国电网呈现冬夏负荷双峰特征，在新能源快速增长，而系统调节能力不足的情况下，如何保障电力供需稳定成为新型电力系统建设的一大挑战。

2. 高比例可再生能源与电力电子设备接入电网引起的安全稳定挑战

分布式可再生能源并网改变了电网运行方式，出现双向潮流、系统惯性减少等问题，给功角、电压、频率等传统系统稳定造成挑战，而电力电子新设备接入电网，将出现低频、谐波等新型电磁振荡现象[5]。面对双高并网带来系统的抗干扰性减弱、稳定性降低，如何强化电力系统的防控措施，是保障电网安全运行的另一大挑战。

3. 新兴主体和交易类型涌入电力市场促使的市场机制有序运行挑战

新型电力系统不仅涌现出新能源运营商、储能运营商、负荷聚合商等新兴主体，还衍生出物理属性外的绿电交易，诞生碳排放权市场、绿色证书市场等次级市场，各类主体参与市场交易的细则、机制错综复杂。面对新形势下的电力市场主体、交易品种，如何建成适应新能源发展、实现有序衔接和协同运行的市场机制是一大挑战。

4. 云大物移智等数字化技术应用下的信息安全处理与智能管控挑战

新型电力系统接入了大量智能终端采集设备，以实现对新能源出力、用户用能行为的预测，为优化调度资源提供依据，然而如何高效处理海量数据并保证信息安全是一大挑战。此外，还需打造智能控制运营平台，实现信息感知与智能控制，助力新能源并网运行、配电网安全控制、新能源发电预测、用户侧负荷快速调节等多项场景应用实现[6]。

二、虚拟电厂技术应用于新型电力系统建设的优势

（一） 虚拟电厂发展历程与概念定义

VPP 的概念最早由Dr. Shimon Awerbuch 博士提出，即市场环境下相互独立的参与实体开展灵活合作实现实体之间的虚拟共享[7]。随后欧洲开展了一系列分布式发电机组集中并网的试验，验证VPP 技术能否为区域用户提供更加高效可靠的电力能源供应。而美国、日本等国则开展电力需求响应试验，集成负荷资源通过改变用户需求来响应电力供应变化，保障电网运行平稳。我国将上述两种形式统称为VPP，先后在广东、江苏、上海、冀北、浙江等地开展相关技术应用试验，VPP 发展历程如图2 所示。

图2 虚拟电厂的发展历程

有研究[8,9]认为VPP 是一种能量管理系统，包括传统发电机、储能系统、柔性负荷等资源，通过聚合方式达到电力市场交易准入门槛，实现资源高效利用。因此，可以认为VPP 是利用先进信息、通信和控制技术聚合分布式能源和可控负荷，其调节性能达到常规电厂的性能参数指标要求，可接受并响应调度机构下达的调度指令，在电力系统运行的一类新兴市场主体，其运行结构可由图3 所示。

图3 虚拟电厂运行结构

（二） 虚拟电厂技术对构建新型电力系统的优势

未来电力系统存在众多分布式能源、交互式用能设备，这些灵活资源具有容量小、数量多、参数各异等特点，难以直接参与电力系统运行。而VPP 作为分布式能源并网技术，可实现对分散灵活资源的监测和调节，以整体形式参与电能量交易和调峰、调频、备用等辅助服务，促进新型电力系统源、网、荷、储互动运行。VPP 与其他并网技术对比如表1 所示。

根据表可知，相较于后两者，VPP 重在主动参与电力市场交易，在建设新型电力系统的背景下，发展VPP 有如下优势。

1. 丰富电网调节资源，保障电力系统平衡运行

可再生能源大规模并网，其随机性和波动性对系统平衡能力提出了更高的要求。而虚拟电厂作为源网荷储协调技术，除过接入分布式风光外，还可以对传统火电、集中式新能源基地或其他形式能源进行统筹优化调度，通过发挥储能和部分负荷的快速调节能力，保证系统功率-能量平衡，实现平稳运行。

2. 整合用户侧资源，挖掘负荷侧资源可调节潜力

新型电力系统的终端负荷呈现碎片化、分散化、双向互动频繁的特点，多能转换技术使得电力成为能源枢纽，各类电转设备均可视为可控负荷，但缺乏优化管理。VPP 可聚合这些分散资源，作为具备一定规模、响应调节能力突出的市场主体，利用市场价格激励机制充分地挖掘用户侧资源调节潜力。

3. 具备规模化调节能力，降低电力系统投资建设成本

VPP 具备规模化调节能力可替代传统机组系统平衡功能，据测算，若以VPP 形式建设满足尖峰负荷5%的可调容量，可延缓设备投资3900 亿元。此外，VPP 的单位可调容量投资建设成本低于传统火电机组，节约的成本可以用于优化电源、电网规划，提高新型电力系统建设效率。

4. 作为新兴市场主体，有助于推动我国电力市场机制健全

新型电力系统下，负荷聚合商、储能运营商、分布式能源运营商等新兴市场主体参与交易市场的准入条件、技术标准、交易机制、调度控制、结算机制尚待探索。VPP 借助物联网、大数据等一系列软硬件技术可以聚合不同类型的运营商，从而为其参与电力市场提供可能。研究VPP 参与电能量中长期和现货市场及辅助服务市场的交易细则，能够推动尽快健全适应新型电力系统的市场机制。

三、典型虚拟电厂试点项目现状分析

（一） 欧盟：分布式能源并网运行优化

欧洲作为VPP 试验最早地区，2009 年欧盟多国联合开展FENIX 项目，提出商业型虚拟电厂（Commercial VPP，CVPP）和技术型虚拟电厂（Technical VPP，TVPP）两种运行模式。CVPP 结合用户需求与发电潜力预测情况，灵活调节发、用电计划并参与电能量现货交易获取收益，而TVPP 则充分考虑物理限制，主要为电力系统提供频率控制、电能质量等辅助服务。此外，德国E-Energy 计划中的RegModHarz 项目开展分布式能源并网后VPP 与用户互动的响应试验，该VPP 由分散式风光电源、抽水蓄能电站和家庭用户能源管理系统组成，引入动态电价与奖惩机制。能源管理系统记录用户根据电价改变自身用能行为，VPP 据此协助用电敏感程度高的用户动态调整用电时间与用电量，降低用户用能成本并实现削峰填谷的效果。

（二） 美国：电力需求响应模式

美国电力需求旺盛，需要兴建大量配套电源保证系统平衡，主要通过在用户侧开展电力需求响应转移负荷需求来解决备用电源的经济性问题。PJM 和NYISO 等区域电力市场均有多种需求响应服务，自备电厂、电力大用户和负荷聚合商等主体可以参与负荷削减、容量交易获益。近年来，分布式能源在美国多起停电事故中扮演重要角色，2020 年9 月美国联邦能源管理委员会通过2222 号令，允许分布式能源参与电力市场交易，将推动美国VPP 向分布式能源并网形式发展。当前，美国多个州的公用事业公司与家庭用户签署储电池协议，通过控制电池提供容量、频率等服务。

（三） 日本：负荷聚合商参与需求响应

日本VPP 已形成能源资源聚合商（Energy Resource Aggregation Business，ERAB）的商业模式，ERAB 中，负荷集成商作为虚拟电厂运营主体，聚合工商业、居民等负荷参与电力市场交易，为系统运营商等企业提供正、负瓦特服务获益，即填谷、削峰类型的需求响应，其运营模式如图4 所示。此外，日本由于能源短缺，除过削减负荷、电网平衡辅助服务外，还重视虚拟电厂的备用容量效果，力图实现发电容量合理规模与电力稳定供应的平衡。

图4 日本虚拟电厂ERAB 模式

（四） 澳大利亚：光伏与储电池联合运行系统

得益于丰富的光照资源，澳大利亚拥有规模可观的工商业、家庭住宅光伏发电系统和蓄电池系统，如南澳大利亚州在2017 年打造了光伏20MW、储能54MWh 的虚拟发电厂。澳洲的VPP 实际上是光储一体化的管理系统，通过协调分布式光伏与储能出力，解决光伏发电时间与能源需求不匹配、傍晚用电需求快速增加的问题，使用户用电经济的同时维护电力系统的稳定运行。

（五） 中国若干虚拟电厂应用形式

我国各省根据自身能源禀赋、电网运行和电力需求等情况，开展了多种VPP 形式：

1. 浙江：高弹性电网保证电力供需平衡

浙江受资源禀赋与空间局限性，电网运行安全与新能源消纳矛盾凸显，为此，正构建多元融合高弹性电网，包括建设虚拟电厂以促进网源荷储互动、实现省内资源统一调度，应对大规模新能源和高比例外来电带来的不确定性风险。目前，丽水已建成小水电聚合成的绿色型虚拟电厂，并接入高弹性电网智慧调度平台，通过控制水电站出力来响应全省电力供需平衡；在平湖建成县域范围内的VPP，聚合11 类共计200 兆瓦可调节资源，其余试点建设情况如图5 所示。

图5 浙江省虚拟电厂试点建设情况

2. 江苏：大规模源网荷友好互动系统

江苏大规模源网荷友好互动系统已经完成三期工程，系统接入了全省楼宇空调负荷、居民家电负荷等各类可中断负荷资源。当出现电源断供或紧急事故时，将通过削减负荷需求保障电力系统能源供应可靠。此外，江苏电网正与苏宁公司合作打通苏宁智能家居系统与虚拟电厂系统的功能数据，以实现居民家用电器的海量微负荷参与电网互动，缓解电网峰谷差。

3. 上海：商业建筑型虚拟电厂参与需求响应

2019 年5 月上海市首次开展虚拟电厂参与需求响应试验，后续还接入了电动汽车、工商业负荷等资源。上海VPP 以商业建筑型为主，其实质是对空调负荷、充电桩等可调资源进行精细化规模化调节，保证电网平稳运行。VPP 由运营平台与用户负荷管理系统组成，利用物联网技术与通信专网，对各类资源进行柔性控制，实现更高效、更智能的需求响应效果，其运行结构如图6 所示。

图6 上海楼宇商厦虚拟待电厂运行构成

4. 冀北：泛在虚拟电厂参与调峰服务市场

2019 年12 月冀北泛在虚拟电厂正式投运，该VPP 利用物联网技术打造的“泛电平台”接入了秦皇岛、张家口和唐山多地的分布式风光、可调节工商业、智慧楼宇等可调资源，参与华北调峰辅助服务市场。VPP 会根据电力系统的调峰需求，调整自身出力或负荷，如在新能源出力较多时，引导负荷需求增加或降低可控机组出力，提升新能源消纳水平，获得相应的调峰收益。

（六） 各类虚拟电厂项目应用对比

上述各地虚拟电厂项目在建设背景、聚合资源类型与技术应用等方面对比如表2 所示。整体来看，虚拟电厂通过需求响应管理和分布式能源优化两种形式，实现了荷随源动运行模式的转变，在实现最大化可再生能源消纳的同时，保证电能量与负荷需求的功率平衡，能够满足新型电力系统对灵活性资源需求。

表2 典型国家和地区的虚拟电厂对比总结

四、虚拟电厂发展关键问题及建议

（一） 虚拟电厂应用形式多样，亟需探索合理的补偿机制与发展模式

经过多年实践，我国虚拟电厂已经从示范阶段发展到探索阶段，但由于各地的应用形式不同，虚拟电厂的成本回收、市场机制、技术标准尚不明确，一定程度上制约了虚拟电厂的发展与推广。为此，建议探索虚拟电厂成本回收机制，尽快健全政策机制、技术标准和发展模式，推动其推广应用。

1. 探索虚拟电厂受益方的补偿机制

虚拟电厂通过削减或增加可控负荷需求，不仅提高新能源消纳水平，还保证电力系统稳定。新能源运营商与电网系统商作为虚拟电厂调节服务的直接受益方，应根据可控负荷实际响应量，补偿相应费用，实现虚拟电厂成本合理回收。此外，随着工商业用户参与市场化交易，可探索由用户侧承担可控负荷调节费用机制。

2. 建立发展体系支撑，因地制宜开发虚拟电厂

现行电力市场与调度体系难以满足虚拟电厂实际运行要求，为此，应该根据本地改革进度、电源结构、供需情况和能源规划等，制定适应当地发展的虚拟电厂模式，确定准入市场、容量规模、响应速率、调节持续时间等标准。如在城市峰谷差高且可调节负荷充裕的地区构建可控负荷为主的虚拟电厂，参与电网削峰填谷提供备用容量服务。而在乡镇郊区可兴建大量分布式能源、储能为主的虚拟电厂，为系统提供调峰辅助服务并保证供电稳定。

（二） 海量灵活性资源接入虚拟电厂，亟需提高系统运行调度水平

新型电力系统对灵活性调节能力提出了更高的要求，为此，虚拟电厂需要进一步整合分散式灵活性资源，实现规模化、高效化、市场化运行。但不同类型、不同区域的海量灵活性资源接入，容易造成信息交互缺乏、资源调度不均等问题，对虚拟电厂控制能力提出了新的要求。为此建议建立灵活开放的灵活性资源参与交易机制，引入“云-群-端”架构，实现虚拟电厂集群化管控模式。

1. 制定灵活性资源准入标准，提高运行效率

不同灵活性资源响应特性与规模各异，为充分挖掘可调节潜力、提高资源利用效率，需要制定灵活性资源的市场准入、接入方式、交易流程和结算机制等，建议允许灵活性资源直接接入虚拟电厂或经由负荷聚合商的方式实现对其管控，提升运行效率。

2. 引入“云-群-端”架构模式，提高智能化运行水平

针对海量灵活性资源接入虚拟电厂，打造云端管控平台、聚类集群和终端设备的“云-群-端”架构模式[10]。该架构下，虚拟电厂接入的分布式能源终端以自然聚合或聚类方式形成不同资源集群，再将最优调度模型信息上传至云端平台，平台计算求解后对终端设备下达指令，实现集群化管控，提升虚拟电厂智能运行水平。

（三） 虚拟电厂社会投资动力不足，健全盈利、增量分配机制保证长期发展

现阶段我国虚拟电厂仍然是行政主导的邀约型发展模式，即由政府、电网主导，通过建设财政补贴资金池，对参与响应用户给予补偿。受市场机制限制，虚拟电厂无法通过隔墙售电和电价调整手段获益，导致社会投资参与响应薄弱，商业化进程迟滞。基于各方利益诉求，建议设计合理投资模式、配套激励和分配机制，保证虚拟电厂发展。

1. 以混合投资+委托运营模式加快虚拟电厂试点建设

由政府、电网和社会投资者组成合作联盟，以混合投资的形式委托专业运营公司运作。一方面符合当前混合所有制改革形势，引入社会资本激发项目运作效率，另一方面则由政府、电网提供政策、机制上的保障，积极推动需求响应试验，并结合当地电力市场机制建设情况，尽快探索辅助服务市场和电能量市场的交易机制。该运营模式如图7 所示。

图7 混合投资+委托运营模式示意图

2. 根据资源特性制定针对性的激励措施

不同聚合资源在行为习惯、响应特性存在较大差异，统一的补偿方式难以激发主体参与动力。为此，可开展差异化接入方式、制定针对性激励措施，提高资源参与响应意愿，对外获得更多的经济利益，具体如表3 所示。对于增量收益，建议考虑聚合资源的实际响应率、虚拟电厂总响应曲线与调节总效益之间的关系，根据各聚合资源在不同时段对总收益的边际贡献度进行合理分配。

表3 不同类型资源接入虚拟电厂方式与激励措施

（四） 各地电力市场建设进度不一，分阶段分地区逐步开展交易

虚拟电厂作为对电力需求侧升级的重要手段，借助峰谷电价、尖峰电价等机制，发挥价格杠杆来实现用户自平衡。然而受各地市场建设进度不一，并且部分省份电改存在滞后，电价难以根据市场需求做出较大幅度变动。此外，负荷侧市场价格信号不明晰，难以发挥可调节资源价值。为此，开展虚拟电厂市场化交易应该根据市场建设情况分阶段分地区逐步开展，开拓多种盈利方式实现健康发展。

1. 根据市场建设进度，分场景分地区开展

虚拟电厂可持续盈利来源为电力市场交易，而我国正处于电力市场改革期，根据各地的试点进度，大致可划分为起步、发展和成熟三阶段，不同阶段的市场机制成熟不一，存在需求响应、辅助服务和电能量市场三种场景。因此，建议分阶段分应用场景开展虚拟电厂相关业务，以提升其盈利能力，具体如表4 所示。

表4 典型应用场景下的虚拟电厂

2. 围绕能源管理和次级市场，探索收益可行性开拓盈利途径

VPP 的优化控制能力除过为调节能力提供支撑外，还可以从能源管理入手，为内部的可控负荷用户提供节能服务、能源监测等增值服务。此外，区块链技术的成熟，为碳排放、绿色证书的溯源追踪提供技术支撑，VPP 可探索电-碳-绿联合市场交易，开拓虚拟电厂盈利渠道，实现新型电力系统的绿色电力消纳可持续运营。

五、总结

随着双碳战略的持续推进，我国能源体系正逐步从传统化石能源向绿色清洁能源转型。建设新型电力系统，适应风光为主体的新能源发展，是实现双碳战略和能源转型的必由路径。但高比例风光并网，不仅改变了电网物理结构，还引发了运行形态理念等变化，给建设新型电力系统带来了电力供需平衡安全稳定等多方面挑战。虚拟电厂能够增强系统灵活性和调节能力，应对未来电力系统的不确定性，是构建新型电力系统的有效手段。但目前虚拟电厂发展前景仍不明朗，未来可通过探索合理补偿机制与发展模式、健全盈利分配机制等方式，发挥其对新型电力系统建设的重要作用。