虚拟电厂参与现货市场运营研究

2023-09-26吴清普翟亚婷范文杰

石家庄职业技术学院学报 2023年4期

吴清普 ,翟亚婷 ,范文杰 ,吴蔚

(国网河北省电力有限公司石家庄供电分公司a.营销服务中心;b.电力调度控制中心,河北石家庄 050081)

在国家“碳达峰、碳中和”的目标背景下,以新能源为主体的新型电力系统正在加快构建,随着能源转型的不断深入,在促进节能减排的同时,也给电力系统平衡调节和电网安全稳定运行带来了新的挑战.一是风能、太阳能等清洁可再生能源,具有随机性、间歇性、波动性特征,将其大规模、高比例接入电网,将增大电力系统平衡调节的难度,调峰困难;二是分布式发电资源规模较小且布局分散,难以真正参与电力系统的经济调度,乃至电力市场的竞争,难以通过市场发现其经济价值[1].虚拟电厂技术形态与源网荷储互动运营模式作为破解清洁能源消纳和绿色能源转型的一种方案,能解决可再生能源大量接入带来的电网调峰、消纳难题,推动新能源市场有序发展,为新能源参与电力市场交易提供途径,为新能源消纳提供保障,对我国能源战略转型具有重大意义.

1 虚拟电厂发展现状

2021年10月,国务院印发《2030年前碳达峰行动方案》,要求加快灵活调节电源建设,引导虚拟电厂参与系统调节[2].2021—2022年,国家发改委、国家能源局6次提出推动虚拟电厂建设并参与电网调节.江苏、浙江、重庆等12省市已出台需求响应市场运营规则,安徽、北京、广东等12省市将推动虚拟电厂发展列入“十四五”能源发展规划.2022年6月山西省能源局正式印发《虚拟电厂建设与运营管理实施方案》,明确虚拟电厂并网运行技术规范和运营管理规范,启动了现货市场环境下全国首个省级虚拟电厂市场运营体系建设[3].2022年8 月,深圳市成立国内首家虚拟电厂管理中心[4].2023年5 月,宁夏回族自治区出台《虚拟电厂建设工作方案(试行)》[5].2021年深圳市新能源产业增加值约642亿元,新能源发电装机规模占全市总装机容量的77%,在绿证交易、CCER 碳资产管理等方面也出台了多项政策[6].2022年11月25日,国家能源局正式发布《电力现货市场基本规则(征求意见稿)》《电力现货市场监管办法(征求意见稿)》,明确提出“推动储能、分布式发电、负荷聚合商、虚拟电厂和新能源微电网等新兴市场主体参与交易”,这为虚拟电厂进入现货市场做好了政策顶层设计[7].

2 虚拟电厂市场需求

(1)新能源主体优势初步显现

以河北南部电网为例,截至2022年10月底,新能源装机容量达2 872.39万k W·h,占总装机容量的47.71%,其中分布式光伏装机容量1 493.83万k W·h,占新能源装机容量的52%.预计到2025年,仅石家庄市新能源装机容量将达到970万k W·h,占新能源装机容量的48%,分布式电源、储能等交互式设备正逐步代替常规机组广泛接入.[8]

(2)可调节负荷资源潜力较大

以河北南部电网为例,区域内负荷侧可调节资源储量丰富,优化控制空间巨大.2021年底,区域内电动汽车达18.7万辆,年充电量超3.3亿k W·h,电采暖用户118.2万户,日最大负荷达180万k W·h,2021年空调用电负荷已超过1 600万k W·h[9].此外,抽水蓄能、分布式储能、集中式储能、冷热双蓄、智慧楼宇、灵活产能等可调节负荷在政策引导下也有较大的发展空间.

(3)虚拟电厂投资经济效益明显

据统计,在新能源为主体的电力系统中,通过火电厂满足5%的峰值能力,约需投资4 000亿元;而采用虚拟电厂模式,在建设、运营等环节的总投资仅需500亿元至600亿元[10].虚拟电厂建设不仅可促进新能源消纳,还可延缓电网升级投资建设,并且随着市场逐渐成熟,可带动电子信息、装备制造等产业升级,以及光伏、风电、储能等绿色能源的发展,进一步为地方经济发展注入新活力.

3 虚拟电厂的类型与商业模式

3.1 虚拟电厂的类型[11]

3.1.1 电源型

虚拟电厂经营方聚合市场化发电用户,组建虚拟电厂,整体呈现为电源状态,可参与电能量市场,视实际情况参与需求响应和辅助服务市场.此类电厂可聚合光伏、风电等分布式电源,助力新能源消纳.

3.1.2 负荷型

虚拟电厂经营方聚合具备负荷调节能力的市场化电力用户,组建虚拟电厂,整体呈现为负荷状态,可参与市场需求响应和辅助服务市场,但出售电能量的能力不足.此类电厂可聚合电动汽车充换电、楼宇空调等可调节负荷资源,助力电网削峰填谷.

3.1.3 储能型

虚拟电厂经营方聚合储能设备、电动汽车等电力用户,组建虚拟电厂,整体呈现负荷或电源状态,既可参与市场需求响应和辅助服务市场,也可在部分时段放电,以出售电能.此类电厂可聚合电化学储能、飞轮储能、压缩空气储能等储能资源,通过峰谷价差来平衡收益,带动项目投资落地.

3.1.4 混合型

虚拟电厂经营方聚合具备负荷调节能力的市场化电力用户、光伏、风电、储能设备、电动汽车等电力用户,组建虚拟电厂,整体呈现负荷或电源状态,既可参与市场需求响应和辅助服务市场,也可参与电能市场.此类电厂可整合分布式光伏、风电、电动汽车充换电、楼宇空调、储能等各类资源组成微电网,形成全能型虚拟电厂.

3.2 虚拟电厂商业模式

虚拟电厂的主要营收来源于聚合电力用户参与市场交易中收益的分成.在中长期市场,虚拟电厂聚合分布式电源、储能资源,作为市场化发电机组参与中长期容量补偿服务,保证发电容量的充裕度,在限定的市场价格下,承诺在紧急情况下提供容量,虚拟电厂发电侧资源可获得容量补偿.在电力现货市场,虚拟电厂参与现货市场交易主要有3种:一是通过削峰解决当负荷水平较高、发电容量不足时的容量短缺问题;二是通过填谷解决当负荷水平较低、因新能源大发导致电网负备用不足、影响电网安全稳定运行的问题;三是虚拟电厂可以作为“市场化发电机组”,将分布式电源、储能等资源聚合参与日前市场交易申报,通过低电价时段储能用电,高电价时段储能放电、分布式光伏发电平抑现货市场价格.

4 虚拟电厂市场建设及管理

4.1 市场组建

由省级电力主管部门出台虚拟电厂市场运营规则、准入和退出机制等政策,构建虚拟电厂省级市场,依托省级电网调度、交易部门开展并网标准、计量计算、调度指挥、现货交易、结算交易出清等工作,由省级电力主管部门授权省级电网企业建设省级虚拟电厂运营管理平台和运营管理中心,市县级供电公司按相应层级电力主管部门授权成立市县级运营管理中心,利用省级虚拟电厂运营管理平台,为市域内虚拟电厂和负荷聚合商提供市场参与服务.

4.2 虚拟电厂运营管理平台建设

由省级电力主管部门授权在省级电网企业,根据国家相关政策和市场需求,依托省级电网企业能源配置、用电数据、业务管理等资源优势,在省级电力主管部门的指导和委托下,建设虚拟电厂管理服务子系统,向调度源网荷储系统、电力现货交易系统报送聚合数据,通过市场化售电系统向电力交易平台及新一代电费结算系统提供虚拟电厂现货量价申报、现货出清、价格结算、调控评估结果等信息,其交互关系见图1.

图1 虚拟电厂运营管理平台与电网企业其他平台的交互关系

由图1可知,在市县供电公司层面,服务属地虚拟电厂和负荷聚合商委托代建的虚拟电厂聚合运营子系统或用户自建的技术支持系统接入虚拟电厂管理服务子系统,提供并网、负荷预测、电价预测等服务.

虚拟电厂市场运营由市场运营层、系统平台层、通信网络层、设备资源层组成.系统平台层虚拟电厂主站侧主要包含管理服务子系统和仿真检测子系统,虚拟电厂子站侧主要包含聚合运营子系统、社会第三方技术支持系统(用户自建).虚拟电厂运营平台架构图见图2.

图2 虚拟电厂运营平台架构图

其中,市场运营层主要功能是开展需求响应和辅助服务、电能量市场运营,负责建设、维护、指挥电网正常秩序,并进行响应邀约、数据交互、费用结算等工作.系统平台层包括管理服务子系统、仿真检测子系统、聚合运营子系统,主要功能是实现虚拟电厂接入及管理,构建虚拟电厂参与市场的技术能力测试和安全性测试体系,服务于广大虚拟电厂运营商,负责聚合优化、协调控制运营商所代理的用户侧资源,实现资源聚合、协调控制、辅助决策、运营支撑等.通讯网络层帮助各类虚拟电厂和负荷聚合商通过4G/5G 通信、边缘计算等信息技术和软件系统与系统平台层进行数据交互,接受市场运营指令进行负荷调节.设备资源层储存各类光伏、储能、电动汽车充换电、建筑空调等可调节资源的电力用户数据.

4.3 虚拟电厂运营管理中心建设

在电力主管部门指导下,建立省市两级虚拟电厂运营管理中心,负责辖区内虚拟电厂市场运营管理,主要包括政策研究、标准制定、准入管理、秩序维护等.

在省发改委统一部署下,各地市将形成本区域市场、由市发改委委托市供电公司建设虚拟电厂运营管理中心,应用虚拟电厂运营管理平台为区域内聚合商、用户等市场主体提供参与电力市场交易的途径,为电网提供调峰、调频、备用等辅助服务,同时开展数据统计查询、虚拟电厂并网审批等管理服务.为政府提供精准决策、高效管理和政策下达服务,不断提高能源市场化配置效率.

5 现货市场下的交易过程

现货市场下虚拟电厂市场交易过程主要分为交易准备、市场交易、交易执行、交易结算4个阶段,在交易准备阶段,虚拟电厂根据代理协议对所代理用户的资源进行准备,对用户资源进行数据采集与资源聚合,传输至电网调度源网荷储系统;在市场交易阶段,虚拟电厂通过电力交易平台查询现货交易公告,对现货分段量价曲线进行申报,通过调度源网荷储系统进行安全校核,形成有约束的交易结果,并通过电力交易平台推送回虚拟电厂;在交易执行阶段,虚拟电厂生成用电总计划曲线及调控策略,将指令下发至用户设备,用户设备响应后,虚拟电厂进行运行情况分析评估;在交易结算阶段,电力交易平台发布交易结算结果,虚拟电厂为所代理用户中的响应用户开展结算,并进行运行状况统计.交易过程示意图见图3.