虚拟电厂效益评价指标体系构建及其范例分析

毛田, 黄宁馨, 程韧俐, 周保荣, 谢平平, 赵文猛, 王滔

(1.直流输电技术国家重点实验室(南方电网科学研究院)，广州510663；2. 深圳供电局有限公司，广东 深圳518000)

0 引言

在全球能源体系绿色低碳转型背景下，虚拟电厂的研究和应用受到越来越多的重视[1 - 7]。虚拟电厂通过分布式能源管理系统(energy management system, EMS)将地理位置分散的可再生能源、可控负荷和储能系统聚合和协调优化，作为一类特殊电厂参与电力系统运行，起到降低发电损耗和电网峰值负荷、提高供电可靠性并促进资源优化配置的作用[8 - 15]。

目前，国内虚拟电厂正处于理论研究和早期试点的发展阶段。建设虚拟电厂在安装智能设备、开发运营平台等方面需要较大资金投入，全方位评估虚拟电厂的效益，对于虚拟电厂实际工程建设和投资运营等具有重要意义。经济效益方面，建设虚拟电厂能够节约发电容量投资和输配电投资，并通过参与电力市场和电网运行获得收益。社会效益方面，虚拟电厂能够提高供电可靠性，引导激励用户参与需求响应，有利于促进源网荷协调互动，提高电力系统运行效率。环境效益方面，虚拟电厂有利于节能减排和节约土地资源，能够为企业实现节能减排目标、政府进行土地利用规划等提供有价值的参考。

虚拟电厂相关研究主要集中在2个方面：1)虚拟电厂的概念、发展[1 - 2]和国际经验[3 - 6]。2)虚拟电厂的优化调度[7 - 11]和竞价策略[12 - 15]。在虚拟电厂效益方面，当前研究主要关注虚拟电厂的经济效益。文献[16]评估了虚拟电厂参与日前需求响应计划(DR program)的经济效益；文献[17]对虚拟电厂参与平衡市场的经济效益进行了仿真；文献[18]分析了奖惩机制下虚拟电厂优化调度效益。现有的评估方法忽略了虚拟电厂的社会效益和环境效益，无法全面体现虚拟电厂的独特优势。

本文提出并构建了虚拟电厂综合效益评价指标体系，并进行范例分析。对虚拟电厂产生的经济效益、社会效益和环境效益进行梳理，构建了以投资评价、运行收益评价、节能减排评价、供电可靠性评价为一级指标，以节约容量投资、节约输配电投资、节约土地投资、削峰/填谷收益、节煤效益、碳减排效益、硫减排效益、可靠性提升效益为二级指标的虚拟电厂评价指标体系，根据该指标体系对某虚拟电厂应用试点进行综合效益评估。本文提出的虚拟电厂评价指标体系可为虚拟电厂的建设投资和成本回收提供指导，对构建适应虚拟电厂参与的电力市场机制、促进未来虚拟电厂的商业化运营意义重大。

本文第1节分析了虚拟电厂的经济效益、社会效益和环境效益，第2节构建了虚拟电厂评价指标体系及各指标计算方法。在第3节将本文所提方法应用于某虚拟电厂应用试点。最后给出了本文结论。

1 虚拟电厂效益分析

虚拟电厂可充分调动分布式资源的灵活性，挖掘用户侧潜在价值，在经济、社会和环境方面能产生巨大效益。

1.1 经济效益

随着电力负荷的增长和可再生能源发电的快速发展，电力系统净负荷峰谷差不断拉大，需要新建更多的发电以满足尖峰负荷的供应需求。与投资传统能源发电相比，虚拟电厂能够聚合分布式电站和用户侧资源参与电网削峰填谷，不需要新建发电机组及配套输变电设备，节约了投资成本。此外，虚拟电厂可代表其聚合资源参与电力市场和电网运行，获得相应收益。

1.1.1 节约投资成本

新建传统能源发电机组与虚拟电厂的投资成本组成如表1所示。虚拟电厂的投资成本主要为智能设备加装成本和虚拟电厂平台建设成本。传统能源发电除发电设备投资成本和与电厂选址相关的土地投资成本外，还需要额外考虑接入系统的线路和变电站设备的投资。根据已建成电厂投资情况和容量进行折算，虚拟电厂投资成本约为200元/kW，远低于气电的2 500元/kW和煤电的3 200元/kW。

此外，传统能源发电受网络阻塞和网架结构限制，并不是所有新增装机都可以转化为可供负荷的增量，而虚拟电厂为分布式能源，在实现相同削峰效果的前提下，虚拟电厂通常具有更低的投资成本。

表1 传统能源发电与虚拟电厂的投资成本Tab.1 Investment comparison of traditional energy power generation and virtual power plant

1.1.2 获取电网运行收益

虚拟电厂参与电网运行的收益模式主要有以下3种。

1)现货市场交易

虚拟电厂可参与现货市场交易，通过电量生产获得电能量收益。虚拟电厂管理的所有终端均配有采集控制器，所有分布式电源的出力、用户的负荷等都可以在控制中心进线实时监测，并实现远程控制。虚拟电厂聚合多种分布式资源，使得不具备市场准入门槛的用户也能参与现货市场，并能发挥多能互补优势，当某些可再生能源电厂的实际出力与预测存在较大偏差时，可调度其他资源平衡该偏差，节省了偏差考核电费。

此外，根据现货市场的价格波动，虚拟电厂可以合理优化和引导资源的发用电计划。例如在高电价时让水电、生物质能或储能电站多发电，在低电价时让用户多用电或让储能多充电，从而达到节约电费、增加收益的目的。

2)辅助服务交易

虚拟电厂可参与电网调峰、调频、备用，保障电网稳定运行。当接收到调度部门的指令时，虚拟电厂控制中心综合考虑各个可调度分布式电站的出力水平、爬坡速度等，将该调度指令分解为无数个单独的指令，自动发送给各个可调度分布式电站。各电站根据虚拟电厂控制中心发出的指令进行响应，平抑虚拟电厂中风电和光伏发电产生的波动，并支撑电网频率稳定。

除了让发电资源提供辅助服务外，虚拟电厂还可以聚合用户侧资源为电网提供辅助服务，其对电网产生的作用是相同的。用户侧储能(如电动汽车电池)的规模通常较小，达不到调频市场准入条件，虚拟电厂通过聚合优化电网侧储能和用户侧储能，精准响应电网调频信号，实现虚拟电厂调频应用。可中断负荷也可作为电网的快速调频资源。

当前，我国虚拟电厂技术仍处于发展初期且市场体系不够完善，虚拟电厂主要通过聚合用户和储能参与电网削峰填谷获得需求响应补贴收益[19]。对于用户来说，在高峰电价时减少用电、低谷电价时增加用电，通过改变自身用电习惯调整日负荷需求曲线，不产生运行成本即可减少自身需缴纳的电费，并获得需求响应补贴收益[20]。对于储能电站来说，在低谷电价时充电、高峰电价时放电，通过参与电网削峰填谷获取需求响应补贴收益。同时，在负荷高峰时将提前存储的电能售出，能够获得峰谷价差套利[21]。

虚拟电厂的削峰填谷效果优于用户侧自发需求响应。现有的负荷削峰填谷大多是需求响应参与主体针对电价进行自发响应，这种响应通常是无序的，可能增加负荷波动。虚拟电厂通过资源动态聚合和集中协调优化参与削峰填谷，实现精准削减负荷高峰、填充低谷负荷，达到电网运行全局最优。

3)容量市场交易

虚拟电厂可作为聚合资源参与容量市场。获得容量合同的虚拟电厂需要履行合同义务，保证在交付年向批发市场提供可用容量，并获得容量收益。2019年，美国Sunrun公司在新英格兰(ISO-NE)第13次远期容量拍卖中与其他发电机组竞争，赢得了一份容量合同，成为首家由虚拟电厂向电力批发市场供应容量的公司[22]。随着虚拟电厂技术的发展，以及市场机制更加公开透明、无歧视，虚拟电厂参与容量交易的规模将进一步扩大。

1.2 社会效益

1.2.1 节约土地资源

虚拟电厂主要通过改变用户用电方式达到需求响应的目的，通过虚拟电厂的建设能在不进行变电站扩容或者新建变电站的情况下满足现阶段部分电力用户的负荷要求，且不占用土地资源，也无需新建输电通道。

1.2.2 提高供电可靠性

由于需求侧响应通常位于负荷中心，虚拟电厂响应速度一般优于发电侧，且对系统电压、频率均有较好的提升作用。此外，在负荷高峰时期，传统的错峰限电在应对尖峰负荷压力的同时，将影响工业企业的生产进度和产品质量，给企业造成一定的经济损失，同时，错峰限电将对企业产能、企业信誉以及员工稳定性产生影响，带来不良的社会影响。通过激励虚拟电厂聚合用户侧资源提供需求响应，优先保障可靠性要求较高的用户的用电需求，能够提高供电可靠性，降低工业企业停电损失。

1.2.3 培育市场主体，构建新业态

基于虚拟电厂云平台生态构建，可以培育一大批负荷集成商等市场主体，促进虚拟电厂和多能互补业务发展，带动楼宇节能、智能设备、平台建设等产业的发展。同时带动新增就业，拉动GDP增长和带来额外纳税等收益。

1.3 环境效益

通过虚拟电厂发挥灵活调节作用，调动储能、电动汽车、蓄冰/蓄冷空调负荷等资源在负荷低谷时段消纳清洁能源，可有效促进清洁能源消纳，并降低高峰负荷需求、减小火电出力。火电发电量减少一方面节约了燃煤，另一方面降低了二氧化碳和二氧化硫排放，有利于促进电力行业节能减排。对于工商业用户，接入虚拟电厂能够促进其优化用能行为，提升用户用电的精益化和智能化水平，降低企业能耗，促进减少碳排放。

2 虚拟电厂效益评价指标体系

基于第1节分析的虚拟电厂经济效益、社会效益和环境效益，本节提出虚拟电厂效益评价指标体系。

2.1 评价指标体系构建的基本原则

遵循目的性、完备性、可操作性、独立性等基本原则，构建虚拟电厂效益评价指标体系[23]如图1所示。

图1 评价指标体系构建的基本原则Fig.1 Basic principles for the construction of evaluation index system

1)目的性原则：所构建的虚拟电厂效益评价指标体系应能够反映评价的目的，准确地刻画虚拟电厂运行产生的效益。

2)完备性原则：所提指标体系应涵盖评价目标的全部方面，详细描绘评价对象的各类特征。

3)可操作性原则：体系中的各项指标都应是可被观测和衡量的，这对获取评价结果十分关键，也是验证指标是否可行的一大依据。

4)独立性原则：各项指标之间应当尽可能地避免重叠和交叉，每项指标都能独立地反映评价对象的某一特定特征。

5)显著性原则：若在实际操作中，难以做到严格符合完备性原则和独立性原则，那么所提指标体系应至少给出能够反映评价对象主要特征的主要指标。

6)动态性原则：当评价对象随外界发生变化时，评价体系也应当随之进行调整。随着未来虚拟电厂技术的成熟和市场机制的完善，评价指标也应有所更新。

2.2 虚拟电厂效益评价指标体系

本文所构建的虚拟电厂效益评价指标体系共分5个一级指标和15个二级指标，如图2所示。

图2 虚拟电厂效益评价指标体系Fig.2 Index system for the benefit of virtual power plant

该指标体系将虚拟电厂的各方面效益转换为经济性指标进行量化评估，各指标的定义和计算如下。

2.2.1 成本评估指标

1)硬件投资成本

虚拟电厂建设需要对相关设备进行一定程度的升级改造，由此产生一定的硬件投资成本，包括建筑楼宇设备改造、电动汽车充电站改造、储能站改造等。

Ih=Ir+Ic+…+Ib

(1)

式中：Ih为硬件投资总成本；Ir、Ic和Ib分别为楼宇设备、电动汽车充电站及储能站改造成本。

2)软件投资成本

虚拟电厂建设需要开发对应的虚拟电厂平台，并由此产生软件投资成本Is。

3)运行成本

虚拟电厂运营需要进行一定的日常运维，主要包括平台的维护、智能设备的维护等，产生的相关成本包括了维护检修人员的工资、设备材料更换等费用。人力成本和运维成本合计为虚拟电厂运行成本IO，与投资成本一样，同属于固定成本。

2.2.2 投资效益评价指标

1)节约容量投资

为满足尖峰负荷供应需求，传统方法依赖于新建发电容量，投资成本巨大，虚拟电厂能够充分激活用户侧资源，相比新增传统电源容量能够有效节约容量投资成本。节约容量投资的经济效益，其计算公式为：

Bcap=(CG,f-CVPP)×ΔC

(2)

式中：Bcap为节约容量投资的经济效益；CG,f为新增传统电源发电设备的单位投资成本；CVPP为虚拟电厂单位投资成本；ΔC为虚拟电厂总容量。

2)节约输配电投资

系统尖峰负荷持续时间短，但需满足系统尖峰负荷的配套输配电投资规模较大。通过虚拟电厂开展需求侧响应，一般不需要新建输配电线路和变电站，可节约输配电投资成本。节约输配电投资的经济效益，其计算公式为：

BT&D=CG,T&D

(3)

式中：BT&D为节约输配电投资的效益；CG,T&D为新增传统电源发电所需配套的输配电投资成本。

2.2.3 运行收益评价指标

根据1.1.2节分析，可评估虚拟电厂参与电网削峰、填谷、能量交易、调频、备用等场景的收益，作为其运行效益评价指标。实际评价时，可根据虚拟电厂参与的运行场景、参与时长、相应价格等，分别对虚拟电厂不同工况场景下的收益进行计算，以实现对虚拟电厂运行效益进行客观、全面的评价。

由于目前适应虚拟电厂参与的市场机制尚未完善，本论文只针对虚拟电厂削峰、填谷收益指标进行建模，未来可考虑虚拟电厂参与调频、备用等收益建模。

BS=ΔCS×Δt×pVPP,S

(4)

BF=ΔCF×Δt×pVPP,F

(5)

式中：BS和BF分别为削峰收益和填谷收益；ΔCS和ΔCF分别为削峰响应容量和填谷响应容量；Δt为响应时长；pVPP,S和pVPP,F分别为削峰激励电价和填谷激励电价。

2.2.4 社会效益评价指标

1)节约用地资源收益

建设虚拟电厂无需新增用地，节省了土地资源成本，其计算公式为：

Bland=SG×CG,land

(6)

式中：Bland为节约土地投资的效益；SG为建设传统电源电厂所需占地面积，CG,land为单位面积工业用地的售价。

2)避免停电损失收益

传统错峰限电在应对尖峰负荷压力的同时，将影响工业企业生产进度和产品质量，给企业造成一定的经济损失。虚拟电厂通过优化用户用电方式，可避免错峰限电造成的损失，计算公式为：

Bpre=Epre×Clos

(7)

式中：Bpre为避免错峰限电损失的收益；Epre为错峰限电对应电量；Clos为度电经济损失成本。

2.2.5 环境效益评价指标

虚拟电厂可调动灵活性资源在低谷负荷时段消纳清洁能源，有效促进节能减排，其环保效益主要体现为以下3个方面。

1)煤效益

(8)

式中：pcoal为标煤单价；Ccoal为节约的总标煤量；TVPP为虚拟电厂填充低谷负荷的年运行总时数；λ为虚拟电厂参加填谷时的清洁能源利用比例(若全部调用清洁能源进行低谷负荷填充，则取1)。

2)碳减排效益

(9)

式中：ΔWcarbon为二氧化碳减排量；pcarbon为碳排放交易价格；βc为标煤折合二氧化碳系数。

3)硫减排效益

(10)

式中：ΔWsulfur为二氧化硫减排量；psulfur为二氧化硫排污权价格；βs为标煤折合二氧化硫系数。

3 算例分析

根据所构建的虚拟电厂效益评价指标体系，对某200 MW虚拟电厂应用试点进行综合效益评估，本节给出了评价指标详细的计算过程。

3.1 成本评价

1)硬件投资成本

按照建筑楼宇平均改造成本，1栋楼中央空调负荷约300～500 kW，对应改造成本约20～30万元，预计接入30 MW建筑楼宇资源，对应用户改造费用约1 200～3 000万元；充电站平均改造成本20万元/站，接入负荷160 MW，共计20个充电站，总计400万元；储能10 MW，平均改造成本10万元/MW，总计100万元。

硬件投资成本合计约1 700～3 500万元。

2)软件投资成本

建设虚拟电厂平台，开发费用约1 000万元。

3)运行成本

虚拟电厂运行成本按总投资成本的5%考虑，约为135～225万元。

3.2 投资效益评价

根据3.1节成本评价，该200 MW成本区间为2 700～4 500万元，单位投资成本约200元/kW。

1)节约容量投资评价指标

将虚拟电厂投资建设成本与其它典型类型电源进行对比，结果见表2。根据计算，相比于传统能源发电，建设200 MW虚拟电厂预计可节约发电容量投资4.6～12.9亿元。

表2 不同能源利用形式下的投资成本对比(20 MW)Tab.2 Investment comparison for different energy utilization methods(200 MW)

2)节约输配电投资评价指标

若通过虚拟电厂削减的200 MW负荷由传统能源发电机组来满足，则电网需要配套投资输配电设备，输配电设备投资按照下述标准计算。

1)新建50 km的220 kV线路，单位造价114万元/km，共计5 700万元；

2)新建80 km的110 kV线路，单位造价54万元/km，共计4 320万元；

3)新建40 km的10 kV线路，单位造价40万元/km，共计1 600万元；

4)220 kV变电站扩建一台240 MVA主变，单位造价7.7万元/MVA，共计1 848万元；

5)220 kV变电站扩建一回出线，共计236万元。

电网配套输配电设备投资共计需要1.37亿元。因此，该虚拟电厂应用试点可节约输配电投资1.37亿元。

3.3 运行收益评价

需求响应可以分为邀约需求响应和实时需求响应，前者在响应日的前日或提前一定时间完成响应邀约和确认，并在响应日约定时段执行响应，后者参与的负荷具备可立即中断或可快速中断的特性，以自动需求响应为主，两者存在成本上的差异。考虑3种方案，对虚拟电厂削峰填谷补贴收益进行测算：

1)低成本方案中，假定全部为约定型需求响应，按削峰最低补贴15元/kW，填谷需求响应最小补贴5元/kW；

2)高成本方案中，假定全部为实时型需求响应，按削峰最高补贴45元/kW，实时填谷需求响应最大补贴24元/kW；

3)中等成本方案中，假定按表3约定需求响应比例进行考虑。

表3 需求响应比例假定情况Tab.3 The ratio assumptions for different demand response types

根据该地负荷曲线和应用需求，测算得到3种方案下，虚拟电厂的削峰填谷收益预计为400～1 700万元，如图3所示。

图3 虚拟电厂削峰填谷收益Fig.3 Revenue for virtual power plant from peak shaving and valley filling

3.4 社会效益评价

1)节约用地收益

该虚拟电厂应用试点仅对现有用电资源进行微型采集和控制终端改造，虚拟电厂平台的部署也将充分利用现有计算机房资源，不会新增用地。若采用燃气电厂，建设200 MW燃气电厂预计占地面积3.63×104m2。按2020年9月29日该虚拟电厂所处位置的工业用地成交价格进行折算，建设燃气电厂的土地资源总价值在9～10亿元左右。因此，该虚拟电厂应用试点可节约9～10亿元的土地投资，节省的土地资源将可用于工业企业引入等。

2)避免停电损失收益

根据该虚拟电厂所在地和用电量，测算得出该地度电经济损失成本约28.57元/kWh。预计该虚拟电厂可避免错峰限电尖峰电量为331.2 MWh，总计可避免经济损失946.3万元。

3.5 环境效益评价

预计该虚拟电厂投入运行每年可进行低谷负荷填充60 h，假设全部消纳可再生能源，预计每年可节约标煤3 492 t，减排二氧化碳9 288.7 t、二氧化硫7.28 t。

1)节煤效益

以标煤单价770元/t进行计算，节煤效益为：770×3 492=268.9万元。

2)碳减排效益

碳排放交易价格因时间和地区而异。以碳排放配额成交价35.53元/t进行计算，碳减排效益为：35.53×9 288.7=33.0万元。

3)硫减排效益

排污权交易价格因时间和地区而异。以二氧化硫排污权价格6 552.77元/t进行计算，硫减排效益为：6 552.77×78.2=51.3万元。

综上，依据所建立的评估指标体系，该虚拟电厂效益评估结果如表4所示。

表4 虚拟电厂预期效益评价结果Tab.4 Benefit evaluation outcome of the virtual power plant

3.6 指标体系价值分析

根据所提指标体系，评估了某200 MW虚拟电厂综合效益。由范例分析可知，新建立的指标体系可从成本、投资效益、运行效益、社会效益、环境效益等5个维度，通过不同视角审视虚拟电厂价值。例如，从虚拟电厂建设主体，可参考的指标包括成本评估指标和运行收益评价指标；从电网运行主体，可参考的指标包括投资效益评价指标；从政府和社会角度，可参考社会效益评价指标以及环境效益评价指标。同时，各效益不能简单叠加。因此，表4虚拟电厂预期效益评价结果仅给出各指标评价结果，但可参考本文所提方法，根据需求开展更为深入的研究和对比分析。

4 结语

目前，虚拟电厂示范项目的建设正在稳步推进，作为一种重要的可调度资源，虚拟电厂的效益评估将对虚拟电厂发展与新型电力系统建设产生重要影响。本文以此为出发点，对虚拟电厂的经济效益、社会效益和环境效益进行研究，提出了一套虚拟电厂效益评价指标体系，并以某虚拟电厂应用试点为范例进行分析。虚拟电厂的效益评价主要可从成本评估、投资效益、运行收益、社会效益和环境效益等5个方面展开。研究表明，虚拟电厂投运可显著节约电网设备投资，同时可带来可观的运行收益、环保效益和社会效益。