新型电力系统视角下的虚拟电厂

在“双碳”目标引领下,我国新能源装机持续快速增长,以新能源为主体的新型电力系统正加速构建。新能源发电出力的随机性、间歇性、波动性对电网安全稳定运行产生影响。虚拟电厂作为一种聚合可调资源的新兴市场主体，可通过响应电网调峰、调频等需求提升电力系统灵活调节能力，在保障电网安全稳定运行、促进能源绿色低碳转型方面意义重大，将会成为新型电力系统的重要组成部分。

1.什么是虚拟电厂

虚拟电厂不是传统意义上的发电厂，没有高耸的烟囱和高大的围墙，而是一种基于先进能源智慧化管理技术的“看不见的电厂”，可以把工厂、商场甚至居民家的屋顶光伏、电锅炉、电动汽车、空调等各类分散、可调节资源汇聚起来，统一协调控制，这个虚拟的“电厂”可能安置在一间不大的房屋里，借助一个大屏幕和数台电脑就能运作，如图1示意。

图1 虚拟电厂示意图

山西省能源局印发的《虚拟电厂建设与运营管理实施方案》中提出了虚拟电厂的定义：虚拟电厂是能源与信息技术深度融合的重要方向，是将不同空间的可调节负荷，储能侧和电源侧等一种或多种资源聚合起来，实现自主协调优化控制，参与电力系统运行和电力市场交易的智慧能源系统，是一种跨空间的广域源网荷储的集成商。

国家发展改革委等部门印发的《电力需求侧管理办法（2023年版）》中进一步明确了虚拟电厂的含义：虚拟电厂是依托负荷聚合商、售电公司等机构，通过新一代信息通信、系统集成等技术，实现电力需求侧灵活资源的聚合、协调、优化，形成规模化调节能力，支撑电力系统安全运行。

2.虚拟电厂的分层架构

虚拟电厂系统物理架构可以划分为云、管、边、端四个部分，如图2示意。

云：虚拟电厂管控平台，与运营商、电力交易平台和边缘服务器互联，支撑资源管理、计划实施与运营交易。

管：通信网络，包括专网或公网，保障信息交互安全性、准确性、时效性。

边：边缘服务器，信息汇聚分析、本地自治或根据上级平台生成调节控制策略。

端：监测与调控装置，采集电、热、环境参数，执行调节控制操作。

图2  虚拟电厂系统物理架构

3.虚拟电厂发展历程

虚拟电厂源于1997年Shimon AwerbucE博士的著作《虚拟公共设施：新兴产业的描述、技术及竞争力》。21世纪初，兴起于德国、英国、西班牙、法国、丹麦等欧洲国家。全球首个虚拟电厂项目诞生于2000年，德国、荷兰、西班牙等5国11家公司共同启动虚拟电厂项目VFCPP，此后相关支持政策密集出台。美国在2010年《需求响应国家行动计划》将需求侧响应上升到国家层面。2012年，Statkracft公司在德国建立了第一个商业虚拟发电厂，此后虚拟电厂开始了大规模的商业化应用。2016-2017年，ConEdison公司和Green Mountain Power公司开展虚拟电厂探索与平台搭建。2021年，特斯拉在加州推出了虚拟电厂平台的测试，探索新的商业模式。

我国上海市黄浦区在2015年开始需求响应试点工作。在试点过程中，针对一年中的采暖季、制冷季、过渡季分别进行了需求响应尝试，充分验证了需求响应的可行性与潜力。由于黄浦区需求响应试点工作效果显著，2016年8月，国家发改委批复了上海市城区（黄浦）商业建筑需求侧管理国家示范项目，同年商业建筑虚拟电厂启动，这也是全国首家商业建筑虚拟电厂。2018年，由国家电网主导的“虚拟电厂”标准获得国际电工委员会（IEC）批准立项，成为这一领域全球首批国际标准，填补了空白。2019年，国网冀北电力的虚拟电厂示范工程投运，参与华北（京津唐）调峰辅助服务市场。年底经国家能源局批复，华北能源监管局印发了《第三方独立主体参与华北电力调峰辅助服务市场规则（试行）》，国网冀北电力虚拟电厂作为我国首个以市场化方式运营的虚拟电厂示范工程投运。2022年5月20日，部署于国电投深圳能源的虚拟电厂通过试点获利，成为国内首个虚拟电厂调度用户负荷参与电力现货市场盈利的案例。

4.虚拟电厂作用和建设意义

虚拟电厂对缓解极端天气下电力供需矛盾，提升新型电力系统灵活调节能力，促进分布式新能源并网消纳，开展电力用户优质能源服务，推动全社会节能减排具有重要的作用和意义。

（1）有利于缓解极端天气下电力供需矛盾。虚拟电厂聚合多元用户的海量异构资源，通过提取资源响应速度、响应时长、响应容量等特征参数，在极端天气或发电侧出力不足等场景下，调度内部资源主动参与需求响应市场邀约、调峰辅助服务交易，最大程度支撑电网安全稳定运行和电力可靠供应。

（2）有利于提升新型电力系统灵活调节能力。大规模波动性可再生能源接入后，传统“源随荷动”的电网运行调节方式受到挑战，灵活性调节资源容量不足。按照2025年风光新能源装机10亿千瓦测算，据测算将产生5.62亿千瓦的调节缺口。虚拟电厂可提升系统灵活调节能力，减小电力平衡压力。

（3）有利于促进分布式新能源并网消纳。分布式新能源出力存在不确定性，低电压等级分布式电源出力数据获取不充分，其大规模分散并网后将影响负荷预测精度，增大负荷侧时空不确定性。利用虚拟电厂技术，可开展分布式新能源本地交易，同时也可依托现货市场开展集中交易，以最大限度提升分布式新能源的消纳能力。

（4）有利于提升区域能源系统经济性。通过开展虚拟电厂多能源信息化、自动化、智能化建设，实现以电能为中心，多种储能形式为补充，能源消费品类多样化，各能源子系统互联互通，横向贯通电、热、气、储，纵向贯通能源供给和需求，实现区域多能流源网荷储协同优化，提升区域能源供给品质和利用效率，提高用能经济性。

（5）有利于落实国家节能减排战略。围绕工业园区多能源优化运行能力、多能耦合互动调控能力和低碳高效协同能力建设，在多能负荷参与电网友好互动方面实现全面技术创新。推动工业园区高能耗、高碳排企业多能源系统积极参与节能减排，提高清洁能源在终端能源消费中的比重，进而提高全社会综合能源效率。

5.虚拟电厂政策发布情况

近几年，我国有关虚拟电厂领域的政策密集发布，国家发改委、能源局在新型储能、电力市场体系、电力现货市场、需求侧管理、新型电力系统等方面政策中，均明确提到支持虚拟电厂的发展。

（1）国家层面

2021年3月，国家发改委、能源局发布《关于推动电力源网荷储一体化和多能互补发展的指导意见》，依托“云大物移智链”等技术，进一步加强源网荷储多向互动，通过虚拟电厂等一体化聚合模式，参与电力中长期、辅助服务、现货等市场交易，为电力系统提供调节支撑能力。研究建立源网荷储灵活、高效互动的电力运行与市场体系，充分发挥区域电网的调节作用，落实电源、电力用户、储能、虚拟电厂参与市场机制。

2021年7月，国家发改委、能源局发布《关于加快推动新型储能发展的指导意见》，积极支持用户侧储能多元化发展。鼓励围绕分布式新能源、微电网、大数据中心、5G基站、充电设施、工业园区等其它终端用户，探索储能融合发展新场景。鼓励聚合利用不间断电源、电动汽车、用户侧储能等分散式储能设施，依托大数据、云计算、人工智能、区块链等技术，结合体制机制综合创新，探索智慧能源、虚拟电厂等多种商业模式。

2022年1月，国家发改委、能源局发布《“十四五”现代能源体系规划》，开展工业可调节负荷、楼宇空调负荷、大数据中心负荷、用户侧储能、新能源汽车与电网（V2G）能量互动等各类资源聚合的虚拟电厂示范。

2022年1月，国家发改委、能源局发布《关于完善能源绿色低碳转型体制机制和政策措施的意见》，拓宽电力需求响应实施范围，通过多种方式挖掘各类需求侧资源并组织其参与需求响应，支持用户侧储能、电动汽车充电设施、分布式发电等用户侧可调节资源，以及负荷聚合商、虚拟电厂运营商、综合能源服务商等参与电力市场交易和系统运行调节。

2022年1月，国家发改委、能源局发布《关于加快建设全国统一电力市场体系的指导意见》，提出因地制宜建立发电容量成本回收机制，鼓励抽水蓄能、储能、虚拟电厂等调节电源的投资建设。

2022年3月，国家能源局发布《2022年能源工作指导意见》，健全分时电价、峰谷电价，支持用户侧储能多元化发展，充分挖掘需求侧潜力，引导电力用户参与虚拟电厂、移峰填谷、需求响应。

2022年6月，国家能源局南方监管局发布《南方区域电力并网运行管理实施细则》、《南方区域电力辅助服务管理实施细则》（南方监能市场〔2022〕91号），在附件《南方区域可调节负荷并网运行及辅助服务管理实施细则》中提出直控型可调节负荷包括直控型电力用户和直控型聚合平台（含负荷聚合商、虚拟电厂等形式聚合，目前仅允许对同一地市管辖范围内的多个电力用户进行聚合）两类。纳入该细则管理的直控型可调节负荷容量不低于30兆瓦，向上或向下调节能力不低于5兆瓦，持续时间不低于0.5小时，可以参与一次调频服务、自动功率控制、调峰（填谷、削峰）、旋转备用等，给虚拟电厂的发展提供了良好的政策基础。

2022年11月，国家能源局发布《电力现货市场基本规则（征求意见稿）》，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。

2022年12月，国家科技部、发改委、工信部发布《科技支撑碳达峰碳中和实施方案（2022-2030）》，实施先进低碳零碳示范工程；建设大规模高效光伏、漂浮式海上风电示范工程，在可再生能源分布集中区域建设“风光互补”等示范工程；建立一批适用于分布式能源的“源-网-荷-储-数”综合虚拟电厂。

2023年1月，国家能源局发布《新型电力系统发展蓝皮书（征求意见稿）》，积极培育电力源网荷储一体化、负荷聚合服务、综合能源服务、虚拟电厂等贴近终端用户的新业态、新模式，整合分散需求响应资源，打造具备实时可观、可测、可控能力的需求响应系统平台与控制终端参与电网调度运行，提升用户侧灵活调节能力。

2023年1月，国家能源局发布《2023年能源监管工作要点》，加快推进辅助服务市场建设，建立电力辅助服务市场专项工作机制，研究制定电力辅助服务价格办法，建立健全用户参与的辅助服务分担共享机制，推动调频、备用等品种市场化，不断引导虚拟电厂、新型储能等新型主体参与系统调节，探索推进“源网荷储”协同共治。

2023年2月，工信部等六部门发布《关于推动能源电子产业发展的指导意见》，探索开展源网荷储一体化、多能互补的智慧能源系统、智能微电网、虚拟电厂建设，开发快速实时微电网协调控制系统和多元用户友好智能供需互动技术，加快适用于智能微电网的光伏产品和储能系统等研发，满足用户个性化用电需求。

（2）省级层面

截至目前已有17省及其下属部分地市明确了需求响应补贴政策，其中贵州、广东、天津、山东已将虚拟电厂列入需求响应参与主体；云南、江苏、山东等省份则已提出储能运营商参与需求响应的准入条件。各省补贴政策的出台，除了激发需求侧资源主体参与市场的积极性，一定程度上也提升了虚拟电厂、用户侧储能的经济性。

伴随我国电力市场建设的持续深入，价格机制作用将愈发凸显，带动电力市场建设朝着更加市场化、规范化和科学化的方向迈进，以现货市场驱动的虚拟电厂将逐步成为调控主体，电力供需互动形态会发生根本性转变。未来，或许需要通过统一规范各行业用能与电网的互动接口标准建立资源聚合平台、虚拟电厂等第三方运营主体，实现能源互联网与工业物联网、家电云平台、车联网等平台的融合，从而常态化参与系统调节，支撑新型电力系统的安全稳定运行。