虚拟电厂在全球能源转型中的战略地位与实践探讨

张家乐 吴志宽 许 超 王璐嘉

（山西国润储能科技有限公司）

0 引言

虚拟电厂以先进的技术将多个分布式能源资源整合，形成一个统一而高效的电力供应体系，从而提高了电力系统的稳定性、灵活性和响应速度。这种探索实际上是对传统电力体系的一种补充和完善，特别是在面对日益增长的可再生能源接入时，可以更好地解决电网的供需不平衡和频率调节问题。因此，探索虚拟电厂在全球能源转型过程中的价值与实践路径，就能够推动虚拟电厂于现实能源优化工作中的深度应用，帮助全球更快达成碳中和。

1 虚拟电厂的工作原理与技术构成

1.1 聚合分布式能源资源

虚拟电厂（Virtual Power Plant，VPP）在当今分布式能源环境中起到了举足轻重的作用，与传统电厂的中心化发电模式不同，VPP能够通过先进的信息技术将多种分布式能源资源（如太阳能、风能、储能设备、热泵等）进行有机整合，使其在功能上表现为统一的、协调一致的电力资源，以实现对分布式能源资源的优化配置与实时调度［1］。从理论与实践的角度看，分布式能源资源的聚合不仅可以提高能源的利用效率，还可以降低对中央电网的依赖，从而为维持电网的稳定性与安全性提供了坚实的技术保障，彰显出技术与经济效益的双重价值。

1.2 基于云计算的中心化管理

随着云计算技术的迅速发展，其逐渐成为分布式能源管理的核心技术之一。基于云计算的VPP中心化管理体系可以实现对分散在不同地理位置的能源资源进行实时地监控与控制，云平台提供了强大的数据处理能力，允许VPP对大量的数据进行快速分析与处理，为运营者提供关于能源消耗、需求、供应和价格的实时信息［2］。此外，云计算还为VPP提供了高度的可扩展性和灵活性，使其能够根据实际需求进行快速配置。值得注意的是，中心化管理并不意味着控制中心是唯一的，恰恰相反的是，所谓的“控制中心”实则是集中的数据分析和决策支持系统，能够借助网络与地理分布广泛的设备、子系统实现互联互通，最终实现对全域电网的优化管理。

1.3 实时优化与能源调度

VPP在能源管理中的显著特征在于，对能源的实时优化与强大的调度能力。得益于先进的算法和机器学习技术，VPP可以实时分析包括电价、天气条件、设备状态在内的各种因素，并对这些因素进行量化分析，依据分析数据做出即时决策，并将指令下达至各个设备，以此运行调整储能设备的充放电策略，或控制可再生能源发电的输出功率［3］。除了电网系统内的控制功能以外，VPP还可以与电网运营商进行互动，参与到电价机制和需求响应中，为电网提供必要的调频、调峰服务。这种基于实时数据的决策机制，不仅能够提高能源的经济效益，还可以确保电网的稳定运行，满足所有用户的电力需求。

2 虚拟电厂在全球能源转型中的战略地位

2.1 为可再生能源的大规模融合提供解决方案

在全球范围内，随着碳排放减少和可持续发展的压力日益增加，可再生能源在电力系统中的占比呈现持续增长之势。然而，尤其是风能和太阳能等可再生能源，由于其固有的随机性和间歇性，导致电网的稳定性不甚理想，究其根本，现阶段能源转型的关键问题就在于，如何实现可再生能源与传统能源的有效融合［4］。正是在此背景下，VPP应运而生，VPP通过先进的信息技术和算法将多种能源资源进行有机整合，为传统电力生产大规模融入可再生能源提供独特的解决方案，不仅可以实现对可再生能源的实时监控与调度，还能够预测其产出，并根据数据对电力生产决策进行优化。除此之外，VPP还可以根据电网的实时需求对可再生能源进行有针对性的调度，确保其与电网的稳定匹配。总体来看，VPP为可再生能源的大规模融合打下了坚实的基础，为其在全球电力系统中的广泛应用提供了可能［5］。

2.2 提高电网稳定性与柔性

电网的稳定性与柔性对于确保电力供应的可靠性而言至关重要，然而随着电网规模的扩大和可再生能源的广泛融入，对电网稳定性与柔性的挑战也在日益加剧。对此，VPP通过对各种能源资源进行中心化管理与实时优化，VPP可以实现对电网的快速响应，提供必要的调频、调峰服务，从而确保电网的稳定运行。同时，VPP还具备很强的柔性，能够根据电网的实际需求进行动态调整，适应各种突发情况。比如，在风能和太阳能产出大幅降低的情况下，VPP可以通过调整储能设备的充放电策略和控制其他可调度资源来维持电网的平衡。这种强大的稳定性与柔性使VPP在全球电力系统中占据了重要的战略地位。

2.3 推动分布式能源系统的进一步发展

VPP在分布式能源系统的发展过程中起到了关键的推动作用，作为集中管理和调度分布式能源资源的平台，VPP能够为分布式能源系统的有效运行提供保障。通过实时数据分析和决策支持，VPP能够实现对分布式能源的最优化配置，提高其经济效益及可靠性［6］。此外，VPP还为分布式能源系统与传统电网的融合提供了桥梁，使其能够更好地服务于电网和用户，这种模式不仅可以提高能源的利用效率，还可以促进分布式能源技术的创新应用。因此，VPP在促进分布式能源系统的发展中起到了不可替代的作用，对于全球能源结构的转型具有重要的战略意义。

3 全球能源转型背景下虚拟电厂建设实践

3.1 国内实践项目分析

（1）冀北区太阳能光伏发电工程。由冀北国网供电公司牵头，面向全国的电网互联虚拟电站示范项目于2019年12月开始运行。本工程涉及张家口、秦皇岛、廊坊三地，波及工业、商业、智能建筑、储能技术、电动汽车、分布式风力发电、太阳能发电等诸多领域，旨在打造具有大约226MW 容量的综合型电网。比如，在冀北地区的销售大厦监控系统中，通过负载反应虚拟平台发出节电或调温命令，使终端灯光及公共区的空气调节系统进入节电状态，同时公共区域灯光将会切断一段线路，使其亮度降至基本亮度；现场风扇盘管根据平台的温度设置命令，会在1℃以上的时候，将设置的温度提高（夏天）或者将设置的温度下降（冬天）1℃，从而实现节能6% ～7%的目标。终端空调器可以对进回水中的温度进行自动调整，其中单空调器断线就能够使整套系统的负载降低10%，同时又不会影响到使用者的舒适度。

（2）上海试验性VPP项目。黄浦区是目前上海商用建筑密度最大的区域，其年用电量达1.3×109kW·h，高峰用电容量接近5×105kW，其中建成能源消耗占比超过65%。在VPP工程中，已被登记的可调资源达550个，共有四种发电模式。在黄浦区VPP工程的实施过程中，VPP操作平台实现了对电源侧各机组的操作和输出功率的监控，并将其与上海市电力系统的调度室和交易室实时连接。运营平台的整体结构可以划分成两个层次，在底层，可以对终端信息展开感知，同时也可以对平台的信息进行接收与传递；在顶层，可以对所收集到的信息展开分析和处理，从而对VPP的发电策略进行优化，从而控制电网的整体运行。

3.2 国外实践项目分析

预计到2023年，VPP的总市值可达11.875亿美金。在美国，VPP采用DER等负载转换技术来解决供需矛盾，保证了电网在真实环境下的稳定运营。欧洲也正在转变经营方式，以求将可增值的资产增值到最大程度。欧洲需要反应中心在2011年3月开始运作，以协助VPP的发展及评估其增加的收益，同时澳大利亚政府同样也在朝着建立大规模VPP工程的方向前进。

（1）德国RegModharz计划。该工程涵盖了风电、抽水蓄能和太阳能等多种能源，目标在于构建一套能够在很大程度上实现自动调节的智能电网。在VPP的运作层中，总共配有6家配电公司、4家电力零售公司以及1家电力传输公司。新能源工程中的信息变动快，高安全性、强可靠性的信息传递技术至关重要，为此就需要制定一套基于VPP的信息传递标准，以实现VPP的快速响应。VPP工程以哈芳区域内居民为对象，以能量管理为核心，构成两路能量管理（BEMI），以加强对电力消费端的重视。

（2）European FENIX计划。该工程按照VPP商业和技术两个分类进行了区别建设，并将其划分成两种不同的方案，在英国现有电网的基础上，建立商业VPP的运营模型。在“北部方案”的体系架构中，不同的分布式电网均由一套智能系统来控制，整套系统共集成了大约4.4×105kW 的分布式发电和2.5×105kW的灵活分布式发电。而“南部方案”则分为“技术型”与“商用型”两种，“技术型”架构主要以VPP为技术支撑，保证了网络的安全运行；“商用型”架构则是通过对储能资源进行聚集，并对储能资源进行调度，从而使VPP达到经济、稳定的工作状态。

（3）丹麦EDISON计划（Design）。在2009年2月，丹麦能量学会率先发起了EDISON计划，课题的目标在于通过对新能源汽车的使用量进行调整，来促进电力市场的均衡发展，从而提高丹麦的可更新能源的使用率。EDISON计划旨在鼓励电动车用户参与，并通过对电动车用户的激励来实现电动车用户的利益最大化。这种奖励机制是由一个测量与结算系统来完成的，为了降低延时所造成的经济损失，保障数据的传输，EDISON在进行系统的规划时，将能源成本、电网约束以及可再生能源可用性等综合考虑，以尽量降低与电池充电有关的延时。

4 全球能源转型大背景下国内虚拟电厂建设的未来前景

4.1 新能源限额的科学规划与虚拟电厂的角色

新能源，尤其是风电和光伏等，由于其自然属性，很容易面临“限额”或“限产”的情况。在传统的电力市场中，这可能导致新能源项目面临收益下滑的风险。但在实时交易的环境下，虚拟电厂可以为这些能源提供更高的调度灵活性。通过集成各种分布式能源，虚拟电厂能在市场中为单一能源提供补充，确保电力供应的稳定性。同时，实时交易为虚拟电厂提供了更大的市场机会，使其能够针对市场需求，快速调整电力输出，从而获得更大的经济效益。

4.2 虚拟发电企业参与电网二次服务的补偿机制

当前，虚拟电厂已经开始参与电网的二次服务，但市场对其所提供的这些服务的补偿仍然不够充分。长期下去，这会影响到虚拟电厂的运营效率和盈利模式。对此，电力行业需重新审视电网二次服务的补偿机制。有些措施可以考虑，比如提高服务定价，为虚拟电厂提供税收优惠，或者给予其优先调度权等。这样不仅能激励虚拟电厂为电网提供更多服务，也有助于其持续、健康的发展。

4.3 虚拟电站用电客户的WDM 策略

为了确保虚拟电厂的盈利和持续运营，采用宽带数据管理（WDM）策略对虚拟电站内的用电客户进行管理是至关重要的。这要求虚拟电厂深入了解每个用户的用电习惯、需求和预期，从而提供更精准的电力服务。成功的WDM实施可以帮助虚拟电厂更好地预测和平衡负荷，优化资源配置，降低运营成本，并提高服务品质，从而在激烈的市场竞争中占据有利地位。

总体来看，从VPP理念的引入到实践的试验运作，着实能够为我国电力市场带来诸多益处，但是它也对电网的资源配置、运行与控制系统、通讯技术以及电网运行提出了新的要求。但从目前VPP产业的发展趋势来看，传统的“大机组、特高压”供给端开发模式已接近饱和，未来极有可能出现新的需求端开发模式（如DFT等），使得全球冬季电网呈现出小型分散的趋势。VPP既是电网的智能化调度单位，又是电网的柔性交易单位，需要负责对分布式资源进行聚合、优化、协调与控制。在这些新能源中，由于气温、气象等因素的影响，新能源的出力与其所处的季节、季节、气候等因素密切相关，由于不确定性因素的存在，风电、光伏的预报精度将大大提高。但它们并不会以零散的方式出现，由于分布式发电之间的互补关系，降低了输出的不确定度，所以聚合商的功能将会更加强大，它可以聚集供应端和需求端的各种分散的资源。所以，VPP将是开发新的电力市场不可或缺的环节，更是全球能源转型过程中不可或缺的一大手段。

5 结束语

在全球迈向低碳、可再生能源的转型进程中，虚拟电厂已确立其至关重要的战略地位。作为一个通过先进技术将多种分布式能源资源整合为统一的、可调度的能源体系的模型，虚拟电厂解决了传统电网与大量可再生能源融合时所面临的稳定性和灵活性挑战。这种整合模式不仅提高了能源利用效率，还实现了对电力供需的实时平衡，进而为电力市场创造了新的价值。全球众多国家和地区在积极探索和部署虚拟电厂的过程中，已经获得了对电网的优化、减少碳排放和降低运营成本的明显成果。总的来说，虚拟电厂在全球能源转型中不仅扮演了技术创新者的角色，更重要的是，它为实现更加绿色、高效和经济的能源体系提供了实践的价值。