随着“3060”双碳目标的持续推进，可再生能源的开发得到前所未有的重视，新能源发电大规模布局，储能作为新型电力系统转型中的重要配置，在政策扶持、技术验证、商业模式等方面都日趋成熟。2021年7月15日，国家发改委、国家能源局《关于加快推动新型储能发展的指导意见》中首次明确了储能作为碳达峰、碳中和的关键支撑技术，明确了储能的发展目标与重点任务，结合20年多省地方政府及电网公司提出集中式“新能源+储能”配套发展政策，新型储能成为目前解决能源变革的重要手段，即将迈入高速增长期。
虚拟电厂作为新型储能商业模式之一，在破解清洁能源消纳难题、绿色能源转型方面发挥重要作用，能够提升能源服务，实现对分布式能源的负荷预测、响应分配、实时协调控制和储能安全健康充放电管理，参与电力交易市场和需求响应。
一、什么是虚拟电厂
所谓虚拟电厂 (Virtual Power Plant ,简称VPP)，是一种通过先进信息通信技术和软件系统，实现DG（即distributed generator，分布式电源）、储能系统、可控负荷、电动汽车等DER（即Distributed Energy Resource，分布式能源资源）的聚合和协调优化，以作为一个特殊电厂参与电力市场和电网运行的电源协调管理系统。
通俗来说，虚拟电厂就是虚拟化的发电厂，它并不具备实体发电厂（如火力发电厂）本身 ，而是一种管理模式或者说是一套系统，通过配套的技术把分散在不同空间的小型太阳能、风能等新能源发电装置、储能电池和各类可控制（调节）的用电设备（负荷）整合集成，协调控制，对外等效形成一个可控电源，辅助电力系统运行，并可参与电力市场交易，同时优化资源利用，维护区域内、甚至跨区域的用电稳定与用电安全。
既可以有计划地消纳电力系统的电力，又可以向电力系统反向输出电力，更灵活高效的进行“削峰填谷”等作业，并获得可观的经济收益。
二、产生的背景
目前，我国电力系统主要是以火力发电为主，水电、风电、光伏发电、核电等发电形式作为补充的一个系统。
在“双碳”目标驱动下，我国大力推动能源绿色转型,构建以新能源为主体的新型电力系统，以坚强智能电网为枢纽平台，以源网荷储互动与多能互补为支撑，集中式与分布式电力结构并举，在确保能源电力安全前提下，满足经济社会发展电力需求。相比传统电力系统，新型电力系统将更加清洁低碳、安全可控、灵活高效、智能友好、开放互动。
围绕电力的产生和消耗，大体可分为发电侧、电网侧和用电侧。电网对运行安全有着严格要求，而电网安全的首要目标就是保证发用电的实时平衡，需要发电侧的不断调节去拟合负荷曲线。但是，新能源发电严重依赖于自然资源（光照强度、风力强度），具有随机性、间歇性和波动性的特点，对负荷的支撑能力不足。
若规模化直接并入电网发电，将会对电网造成巨大冲击，威胁电力系统安全以及供电的稳定性。另外，由于小型分布式新能源发电设施、储能设施、可控制用电设备、电动汽车等的持续发展普及，在用电侧，很多电力用户也从单一的消费者转变为混合形态的产销者，并且各类激增的大功率用电设备（如充电桩）“吃”起电来，也是让电网直呼压力山大，显然不能任由其“胃口大开”一哄而上。因而，新的发用电势态下，“虚拟电厂”应运而生。
三、政策支撑
2021年底中央深改委通过了《关于加快建设全国统一电力市场体系的指导意见》，电力市场改革再提速，虚拟电厂作为市场主体，通过参与市场交易完成商业闭环，获得收益。
2022年1月29日，国家发展改革委和国家能源局发布的《“十四五”现代能源体系规划》中提出，大力推进电源侧储能发展，合理配置储能规模，改善新能源场站出力特性，支持分布式新能源合理配置储能系统，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。
近期，国家能源局南方监管局发布《2022年南方区域电力市场监管工作要点》的通知，组织修订南方区域“两个细则”，推动储能、虚拟电厂等更多市场主体纳入“两个细则”考核补偿管理，研究增加转动惯量、爬坡等新的辅助服务品种。组织调度机构制定新型储能、虚拟电厂等第三方主体并网调度运行规程、规范和标准。
无论是从政策规范、技术标准还是市场机制，这些政策的相继出台都将虚拟电厂在储能项目发展上提到了重要位置。
四、虚拟电厂业务
那么，虚拟电厂具体可以做哪些事情呢？
归纳来说，主要体现在以下三个方面：
注源
为电网注入新的电力来源。让更多的小型分布式新能源电源有组织地接入系统平台，统一协调管理，形成合力，相对可控，实现并入电网运行。
控流
控制调节用电侧电力流向及流量。尽可能多地接入可调节用电负荷，使其有纪律地按计划用电，并提升能效管理，实现最大程度的以不影响生产生活用电为前提，综合考虑外部电网供电情况、内部自发电（如有）情况、各类用电成本、电网需求侧管控等因素，科学合理最具经济性地安排用电计划。
电力储备
储存电力，即储能。储能是实现上述两个方面的关键支撑。正如小溪汇入大河、大河注入大海，分散在各地的小型新能源电力也需汇流“会师”才更有力量、更具操作空间，“会师地点”即配套的储能系统，“会师”后统一听从上级调令；对于控流，也是同样需要配套储能系统才能更灵活地制定最佳用电方案。可以说，一个可靠的虚拟电厂，离不开一套高效稳定的储能系统。
五、国外典型案例
Next-Kraftwerke是德国最大的虚拟电厂运营商，同时也是欧洲电力现货市场（EPEX ) 认证的能源交易商，参与能源的现货市场交易。Next-Kraftwerke 管理着超过4200个的分布式发电设备和储能设备，包括生物质发电装置，热电联产，水电站，灵活可控负荷，风能和太阳能光伏电站等 , 总体管理规模达到2800MW，相当于两个大型的燃煤发电厂。
该公司提供虚拟电厂相关的一切技术和业务，从数据采集、电力交易、电力销售、用户结算等。他们的虚拟电厂平台NEMOCS对聚合的各个电源进行控制，从而参与电力市场交易并获取利润分成。NEMOCS集聚合能源、控制系统监控、高性能数据处理、优化资产运营、远程管理控制于一身，实现连接、监控和控制分布式发电商、用户和存储系统。它为工厂运营商、电力供应商、电网运营商和电力交易商提供了广泛的业务领域：
提升资产价值
操纵资产的运营商可以利用不断变化的能源价格，通过在价格高的时候发电，在价格低的时候让设备待运，既可增加利润，又可支持电网的持续利用。NEMOCS可以处理大量的实时数据，安排高峰负荷运行，优化灵活资产及其各自的市场价值。
为欧洲电网提供电力平衡
Next-Kraftwerke在七个欧洲TSO（欧洲输电系统运营商）地区提供电力平衡服务，主要通过分布式能源的供电和可控负荷的输出来保障电网的稳定运行，保护电网不受与不稳定能源相关因素的影响。通过资格预审资产，参与TSO的竞拍，根据资产的个别限制，决定哪个资产提供多少控制储备，然后在接到通知后，相应的业务单元会实时调控，供应商从而能得到额外的收入。
优化能源成本，积极调度用户
水务公司Bodense Wasserversorgung
年耗电量为150GWh，该公司在Next-Kraftwerke的弹性电价中找到了降本增效的方法。Next-Kraftwerke通过REST-API将电价传输给自来水厂，自来水厂通过相同的路径将其计划发送回虚拟电厂。通过这些电力采购的优化，水务公司每年可以节省六位数的电费。
六、虚拟电厂商业落地的要素
在双碳背景下，新型电力系统的发展成为未来趋势，如何消纳广泛的清洁能源成为技术创新和商业模式的重点。抛开市场环境做业务步履维艰，虚拟电厂能够从设计到成功落地，离不开可控资源、关键技术和电力市场机制的合力支撑。虚拟电厂的自动化调度属性决定了需要聚合可控资源作为基础，其中包括发电侧的可调发电资源和用户侧的可控负荷资源，以及参与到整体协同效应的各类半调度资源。整体虚拟电厂的业务是以可控资源为核心池，但也可以不仅限于涵盖融合其他资源，如：光伏风能、抽水蓄能、充电桩、V2G电动汽车、微电网、家庭用能等等。基于虚拟电厂的需求侧响应、调频服务、电力辅助服务、电力市场交易、偏差考核补偿服务、能效管理等业务场景。做到分钟级、秒级响应是虚拟电厂发展的必然趋势和要求，即虚拟电厂控制的实时性、可靠性以及交易性。协调控制技术，在虚拟电厂控制各种分布式能源发电设备、储能系统以及可控负荷的过程中，对他们的协调控制是最关键的部分，其控制方式又分为集中控制方式、分散控制方式和完全分散控制方式，从而参与多种电力市场的运营模式及调度框架，对发电资源的广泛优化配置起到积极的促进作用。同时因为电力的稳定是依赖于发电侧和用户侧的供需实时平衡，虚拟电厂再响应电网调控时需要确保偏差准确，实现精准的需求侧响应以及调频服务等。而虚拟电厂聚合各类可控负荷、分布式发电资源的多样性广泛和数量性巨大，需要对每个分布式资源进行快速响应的实时协调控制。可以说虚拟电厂是物联网技术在高灵敏实时响应方向的天花板之一。虚拟电厂需要将分布式能源聚合为可控的负荷资源，然后通过虚拟电厂调配电力资源。那么，如何参与电力现货交易市场和辅助服务市场，实现资源最大化价值利用呢？这其中离不开先进的人工智能和大数据技术。虚拟电厂运行会不断产生能源和交易数据，人工智能和大数据技术能够帮助虚拟电厂存储和处理海量的电力数据，分析、预测电力负荷和可调控的负荷，高效完成响应分配。作为“正电厂”向电网供电削峰，也可作为“负电厂”消纳电力填谷，在收到电力调度中心的指令后快速下发给用户，实现高效的电力调配。如果把虚拟电厂当成聚合分布式能源参与电市场和辅助服务市场的大脑，那么在电力的实时性特殊要求下，每一个分布式能源（光伏发电、储能、微电网等）不能等着大脑计算完成后再通过5G/光纤等进行通知，时延问题将极大降低了虚拟电厂的执行能力，同时也影响了参与市场的经济收益。因此在VPP业务中，需要形成云端大脑和边缘计算联动。边缘计算是将计算资源部署靠近用户和数据源的网络边缘侧，比如EMS场站级平台管理单个微电网的分布式能源。如果说先进的人工智能和大数据技术把握整体调控，那么边缘计算技术能够在本地进行数据采集分析和结果预测。通过边缘计算技术的灵活部署，将用户端的数据处理后再上传到VPP云端，提升数据处理的效率，同时对虚拟电厂下发的执行策略进行自主运行，配合虚拟电厂云端整体协调和调度执行，从而实现虚拟电厂的高精准响应。通过虚拟电厂的储能装置，才能聚合分布式能源。由此可见，储能技术为虚拟电厂的实现提供了重要动力，储能资源的安全和全生命周期管理是虚拟电厂运行的重要支撑。打造安全、可靠、高效的储能资源，关键在于，要建立储能电池一致性管理和溯源系统，进行储能电池健康管理、安全预警、内短路风险判断、故障预警与追踪，实现准确监控、云端运维，才能全面保障储能安全与寿命。
市场机制关乎实实在在的生存发展问题了，我们从上期的虚拟电厂政策支撑能够看出，政府部门和市场主体对虚拟电厂体系和商业模式的探索，积极推进虚拟电厂参与电力辅助服务。培育出适宜的市场环境，让入局企业打造良性的商业模式，有自我造血能力，获得较好的收益，才能推动行业良性发展、产业持续进步。从虚拟电厂本身的经济效益来看，能够为能源投资者实现高回报收益。澳大利亚的新能源零售公司Discover Energy，专注将存储在电池中的太阳能能源，通过VPP（Virtual Power Plants，虚拟电厂）与电网进行交易，是全球首个实现商业化的端到端虚拟电站交易平台。其VPP模式主要分两种：一是传统的卖电模式，从发电站买电后卖给终端客户；二是主流的虚拟电站模式，用户安装太阳能和太阳能电池后加入公司的VPP网络，公司将溢出的太阳能能源卖回至电网，赚取的电费利润与用户对分。通过虚拟电厂，不仅能够节省大量投入，而且能够有效应对拉闸限电、能效双控等管控，助力新型电力系统建设，提升经济效益和社会效益值。我们以Tesla的虚拟电厂技术为例，在Tesla虚拟电厂软件Autobidder中 每5min 生成一个时间序列的价格预测，Tesla 能源平台控制组件将这些预测分发到各个地点，根据局部和全局目标制定电池计划。接着,站点将该计划传达回Tesla 能源平台,该平台使用提取和汇总遥测的相同框架来提取和汇总该计划。最后, Autobidder使用汇总计划来通过人工智能技术决定要出价的策略和详细报价信息。这种分布式算法有两个很大的优点。一个是可伸缩性。另一个很大的优点是可弹性应对不可避免的通信间歇性。当站点在短时间内或中等时间内脱机时,它们会收到此时间序列价格的最后一个版本，通过边缘计算并且可以使用对目标的最佳估算来继续进行优化。然后，如果离线的时间长于该价格时间序列的长度,则它们只会恢复为纯粹的本地优化。在降低连接性的情况下,它仍在为本地站点创造本地价值。遥测聚合可以立即解决离线站点的问题,如果站点在一定时间内没有报告信号,则将它们从汇总中排除。这样，Autobidder便可以保守地出价,并假定离线站点不参与市场竞标。Tesla独特的电池AI人工智能技术和软件集成支持这种分布式算法。这种分布式算法使虚拟电厂更具弹性。在分布式系统不可避免的通信故障期间，设备能够以合理的方式运行。由于高质量和可扩展的 Tesla能源平台具有在不确定性环境下进行实时模拟,因此该算法才能够在真实环境中应用。同时,这些算法有助于提高产品的整体投资价值。当然不同的电力市场机制下，虚拟电厂的自主调度应用场景略有不同。Tesla在澳大利亚的Autobidder主要以参与FCAS调频辅助服务为主，确保NEM电力频率的稳定；欧洲最大虚拟电厂 Next-Kraftwerke主要是在为风力发电和光伏发电企业提供可控负荷的电力能源，帮助这些清洁能源企业实现电力市场的偏差考核，避免风光发电预测不准确部分的市场惩罚损失；中国在技术和市场前沿探索的虚拟电厂PowerShare目前主要是以人工智能技术对负荷预测、分布式储能和微电网边缘计算控制实现需求侧响应（Demand Response），实现对电网的削峰填谷。在未来随着中国电力市场的逐步开放，调频服务，发电偏差考核，电力交易均会被纳入到虚拟电厂的业务之中。
七、虚拟电厂的发展阶段
第一阶段是邀约型阶段，通过政府部门或电力调度机构发出邀约信号，由虚拟电厂（聚合商）组织资源（以可控负荷为主）进行响应。当前我国以广东、江苏、上海等省市为代表的试点项目就是以邀约型为主，业务上称之为需求响应，目前电享科技已深度参与到上海的需求响应工作。第二阶段是市场化阶段，此时电能现货市场、辅助服务市场和容量市场已建设成熟，虚拟电厂聚合商能够基于自身商业模式参与这些市场获得收益。如欧洲的Next-Kraftwerke和澳大利亚AGL，Tesla和Sonnen，目前国内企业PowerShare也在澳大利亚开展相关探索。第三阶段是跨空间自主调度型阶段，随着可聚合的资源种类越来越多、数量越来越大、空间越来越广，虚拟电厂已成长为“虚拟综合电力系统”，既包含广散各地的分布式能源、储能系统和可控负荷等基础资源，也囊括由这些基础资源进一步组合而成的微网、局域能源互联网等。可以灵活制定运行策略，或参与能够跨区域的电力市场交易获得利润分成，或参与电力辅助（如需求响应、二次调频等）获取补偿收益，并可使内部的能效管理更具操作性，实现发用电方案的持续优化。我们看到Tesla在美国德州更加积极主动的开展该阶段的探索。其实，虚拟电厂并不是刚出的新鲜事物。上世纪九十年代以来，虚拟电厂便受到北美、欧洲多个国家的广泛关注。欧洲各国侧重分布式电源+储能，主要考虑实现分布式发电的可靠并网、智能互动和参与电力市场，打造持续稳定发展的商业模式；北美地区则基于需求响应发展演化，兼顾可再生能源的利用，希望通过自主需求响应和能效管理来提高综合能源的利用效率，因此可控负荷占主体。秉承“兼容并包、博采众长”的优良传统，我国同时吸收两种技术和模式，两手都抓。这一定程度上也是我们的后发优势。聚焦国内市场，自2019年开始，陆续有虚拟电厂的示范项目落地，在经济和社会两方面都卓有成效。2019年底，国网冀北虚拟电厂示范项目投运。数据显示，到2020年，冀北电网夏季空调负荷将达600万千瓦，10%空调负荷通过虚拟电厂进行实时响应，相当于少建一座60万千瓦的传统电厂；“煤改电”最大负荷将达200万千瓦，蓄热式电采暖负荷通过虚拟电厂进行实时响应，预计可增发清洁能源7.2亿千瓦时，减排63.65万吨CO2。2021年5月5日至6日，国家电网在上海开展了国内首次基于虚拟电厂技术的电力需求响应行动，仅仅一个小时的测试，就能产生15万千瓦时的电量。在这次测试中，累计调节电网负荷56.2万千瓦，消纳清洁能源电量123.6万千瓦时，减少碳排放量约336吨。2021年11月，南方电网深圳供电局、南方电网科学研究院联合研发的国内首个网地一体虚拟电厂运营管理平台在深圳试运行。该平台部署于南网调度云，网省两级均可直接调度，为传统“源随荷动”调度模式转变为“源荷互动”新模式提供了解决方案。此后，浙江、湖北、安徽、广东等地的虚拟电厂相继落地。深化电力体制改革，构建以新能源为主体的新型电力系统是实现双碳目标的重要任务。新型电力系统强调以新能源为主体，提升光伏、风电等清洁能源的消纳，能源转型催生储能需求和更加数字化、智能化的电力系统。虚拟电厂作为协调分布式资源参与电力交易市场和需求响应的能源数字化平台，在产业政策和市场需求不断加码的现期，将迎来快速发展。