新型電力系統(tǒng)下

虛擬電廠常態(tài)化運營研究

程環(huán)宇 許相敏 郭鳳鳳

摘要：隨著能源綠色低碳轉(zhuǎn)型，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)“源隨荷動”運行模式已無法滿足電力系統(tǒng)當前電源端清潔化、終端電力消費電氣化、電網(wǎng)智能化的轉(zhuǎn)型趨勢。電網(wǎng)需求峰谷差逐漸擴大，高峰用電時刻電力供應(yīng)局部緊張情況不時出現(xiàn)。亟需通過市場化手段，挖掘負荷側(cè)調(diào)節(jié)能力，經(jīng)濟靈活地應(yīng)對發(fā)用電實時平衡問題?；趯μK州虛擬電廠試點項目的調(diào)研結(jié)果，總結(jié)當前蘇州市空調(diào)資源參與電力市場中面臨的關(guān)鍵制約因素，提出推動蘇州空調(diào)領(lǐng)域虛擬電廠實現(xiàn)常態(tài)化運營的建議，以期推動虛擬電廠更好地適應(yīng)新型電力系統(tǒng)建設(shè)要求，助力虛擬電廠在蘇州的可持續(xù)發(fā)展目標。

關(guān)鍵詞：虛擬電廠；空調(diào)負荷；發(fā)展瓶頸；路徑建議

“雙碳”背景下，中國正深入推進能源綠色低碳轉(zhuǎn)型，電力來源清潔化和終端能源消費電氣化的趨勢明顯，對電網(wǎng)造成巨大沖擊，加強電力負荷管理、挖掘需求側(cè)調(diào)峰潛力已成為構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的迫切任務(wù)[1]。在通信和控制技術(shù)加持下，虛擬電廠聚合潛力巨大但分散的需求側(cè)靈活資源參與電力系統(tǒng)優(yōu)化運行，使其可觀、可測、可控，是一種在不增加額外的基礎(chǔ)設(shè)施下促進新能源消納、保障電網(wǎng)穩(wěn)定運行、穩(wěn)定現(xiàn)貨價格的電力保供方案，對構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，推動我國能源綠色轉(zhuǎn)型和“雙碳”目標實現(xiàn)具有重要意義[2-4]。

盡管虛擬電廠概念備受關(guān)注且相關(guān)政策頻出，但其建設(shè)進展卻相對緩慢。目前，僅有少數(shù)省份如山西、廣東、河北等開展了虛擬電廠的試點建設(shè)，且總?cè)萘坑邢?。其中，大部分試點主要通過邀約方式參與政策性需求響應(yīng)，盈利主要依賴政府補貼[5]。僅有少數(shù)地區(qū)的虛擬電廠間歇性地參與調(diào)峰輔助服務(wù)市場，但交易頻次、規(guī)模和價格難以支撐項目運營的可持續(xù)性。目前關(guān)于虛擬電廠常態(tài)化運營的研究不多，本研究以新型電力系統(tǒng)對靈活性資源的實際需求為導(dǎo)向，提出了常態(tài)化運營的概念。本文定義虛擬電廠常態(tài)化運營是指在電力市場建成以后，通過智能化管理和市場化運作，對內(nèi)與用戶保持緊密的互動與協(xié)同，實現(xiàn)對空調(diào)、電車等海量分散的靈活性資源的實時調(diào)度，整體具備類似實體電廠的響應(yīng)規(guī)模和響應(yīng)能力；對外能夠在電力市場中和常規(guī)電源同臺競爭，常態(tài)化參與電力現(xiàn)貨市場、輔助服務(wù)市場及相關(guān)增值服務(wù)獲得收益。

基于此，本文以蘇州虛擬電廠的試點項目為研究案例，分析當前蘇州市空調(diào)資源參與電力市場中面臨的關(guān)鍵制約因素，進一步提出推動蘇州空調(diào)領(lǐng)域虛擬電廠實現(xiàn)常態(tài)化運營的發(fā)展建議，希望通過本文的研究能夠為各地推動虛擬電廠的常態(tài)化運營提供參考。

一、蘇州虛擬電廠建設(shè)現(xiàn)狀

（一）蘇州虛擬電廠建設(shè)背景

受益于經(jīng)濟和社會的快速發(fā)展，蘇州電力消費水平持續(xù)提升。受氣候變化以及居民生活水平提高等影響，蘇州空調(diào)負荷成為電力需求增長的重要驅(qū)動因素。近五年來，蘇州市最高用電負荷保持年均增速7.59%的快速增長，截至2022年蘇州市最高用電負荷達到2877萬千瓦[6]。同時期，蘇州發(fā)電裝機僅保持2.3%的緩慢增長，截至2022年發(fā)電總裝機僅2573萬千瓦[7]，如圖1所示。作為大受端電網(wǎng)，蘇州大量用電依靠區(qū)外來電，在極端天氣下，存在一定的電力保供風(fēng)險。

圖1 蘇州電力供需情況

（二）蘇州虛擬電廠運營情況

目前，蘇州市部分區(qū)域已陸續(xù)開展虛擬電廠項目的試點建設(shè)，建設(shè)主體呈現(xiàn)出多元化的特點，包括地方供電公司與能源企業(yè)合作建設(shè)模式、地方政府主導(dǎo)建設(shè)模式，以及售電公司自主建設(shè)模式。在資源類型上，項目涵蓋了分布式光伏、儲能、空調(diào)、充電樁、5G基站、企業(yè)生產(chǎn)負荷等多種資源。從功能角度看，蘇州虛擬電廠主要為大電網(wǎng)提供削峰填谷服務(wù)，并有助于緩解局部配電網(wǎng)的重過載問題。收益來源方面，部分項目尚待進一步明確，如表1所示。

表1 蘇州虛擬電廠項目運營情況

二、蘇州虛擬電廠實現(xiàn)常態(tài)化運營存在的問題

蘇州空調(diào)資源距離常態(tài)化參與電力市場運行當前主要面臨技術(shù)、政策和市場三方面的制約。技術(shù)方面，空調(diào)資源響應(yīng)不確定性高且數(shù)字化基礎(chǔ)較薄弱，影響了項目對終端資源的聚合調(diào)控能力，導(dǎo)致虛擬電廠整體對外特性較差。此外，平臺交易能力不足也制約了項目的經(jīng)濟效益。政策監(jiān)管方面，主要體現(xiàn)在頂層設(shè)計有待進一步完善，仍面臨包括發(fā)展方向不明確、監(jiān)管機制和技術(shù)標準規(guī)范缺失等問題，制約了其發(fā)展進程。市場方面，受到量價的制約，有限的市場空間難以有效支撐虛擬電廠常態(tài)化運營。

（一）空調(diào)資源響應(yīng)不確定性高

為保障電網(wǎng)安全運行和電力可靠供應(yīng)，電網(wǎng)在運營中會優(yōu)先調(diào)度一些可靠性較高的資源參與電力保供，然而現(xiàn)階段空調(diào)資源被聚合參與虛擬電廠的響應(yīng)能力在規(guī)模、速度和可靠性等指標上，距離電網(wǎng)期望的隨調(diào)隨用的技術(shù)要求還存在一定的差距。一是虛擬電廠對空調(diào)負荷資源的潛力分析不足。由于氣象、用戶行為的不確定性和數(shù)據(jù)質(zhì)量、預(yù)測模型的局限性，目前蘇州虛擬電廠對各類空調(diào)負荷的預(yù)測精度較低，也難以有效分析其可調(diào)潛力。二是空調(diào)負荷控制策略不夠靈活。負荷控制策略作為影響可調(diào)潛力發(fā)揮的重要技術(shù)因素，當前蘇州虛擬電廠多采用相對簡單的控制策略，無法滿足靈活應(yīng)用場景下的需求。

（二）用戶側(cè)數(shù)字化基礎(chǔ)較薄弱

用戶側(cè)設(shè)備的數(shù)字化、智能化程度作為影響可調(diào)潛力發(fā)揮的重要物理基礎(chǔ)，蘇州建筑用戶的數(shù)字化進程顯著低于虛擬電廠業(yè)態(tài)預(yù)期，負控基礎(chǔ)薄弱，這使得虛擬電廠難以有效聚合各類資源。一方面，由于空調(diào)制造商和第三方服務(wù)的多樣性，市場中空調(diào)的接口種類多樣，直接推高了空調(diào)資源的開發(fā)與維護成本。另一方面，建筑用戶對當前調(diào)控技術(shù)還相對謹慎，出于保障用戶舒適性和數(shù)據(jù)安全的考慮，近期開展的空調(diào)改造主要針對空調(diào)主板層面進行了初步改造，其調(diào)控效果遠不如針對底層水冷機組進行改造的效果。

（三）平臺交易能力有待進一步加強

在平臺層面，由于虛擬電廠一方面對接電力交易中心，另一方面對接各類資源主體，組織資源主體參與各類電力市場交易，并完成相關(guān)結(jié)算和利益分配。所以虛擬電廠對不同資源組合的定價機制的設(shè)計，是體現(xiàn)需求側(cè)小微資源的規(guī)模化調(diào)節(jié)價值，提升虛擬電廠可持續(xù)盈利能力的關(guān)鍵。然而，當前蘇州虛擬電廠的收益分配方式相對簡單，主要以約定的固定比例分成來參與市場交易，缺少對市場價格、成本價格、用戶行為、市場競爭等多種不確定因素的綜合考量，無法有效平衡各方利益。

（四）頂層設(shè)計有待完善

作為新興市場主體，盡管國家和地方在相關(guān)規(guī)劃和政策文件中多次提及支持虛擬電廠發(fā)展，明確將虛擬電廠作為支撐新型電力系統(tǒng)建設(shè)的重要技術(shù)研究和發(fā)展方向。并且，基于自有資源和利益訴求，蘇州相關(guān)主體也在積極開展虛擬電廠示范項目建設(shè)，并已經(jīng)取得初步成效。但在其實際發(fā)展中，由于缺少針對性的政策，仍面臨發(fā)展方向不明確、監(jiān)管機制和技術(shù)標準規(guī)范缺失等一系列問題，制約了其發(fā)展進程。例如：功能定位和發(fā)展路線缺失，導(dǎo)致蘇州市場主體尚未對虛擬電廠的功能定位形成統(tǒng)一認識，市場主體缺少明確的發(fā)展目標和投資信心；監(jiān)管主體不明確，導(dǎo)致能源、電力、市場監(jiān)管等多個部門間監(jiān)管職責(zé)不清，容易出現(xiàn)監(jiān)管空白或重復(fù)監(jiān)管；監(jiān)管機制不健全，對于虛擬電廠的準入、運營、交易等環(huán)節(jié)的監(jiān)管機制不夠完善，難以對虛擬電廠的發(fā)展進行有效的引導(dǎo)和約束；核心技術(shù)標準不完善，在系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計、通信協(xié)議、控制策略等方面還缺乏統(tǒng)一的標準和規(guī)范，無法滿足虛擬電廠大規(guī)模發(fā)展的需求。

表2 蘇州相關(guān)主體利益訴求

（五）市場空間無法支撐產(chǎn)業(yè)發(fā)展

江蘇當前正在持續(xù)深化電力市場改革，實現(xiàn)了中長期交易模式和年度、月度、月內(nèi)全周期覆蓋，但仍存在交易規(guī)模不足、電力價格無法有效激活市場等問題。受到量價的制約，有限的市場空間難以有效支撐虛擬電廠的市場化發(fā)展。一是交易規(guī)模不足。江蘇空調(diào)資源以參與邀約需求響應(yīng)和調(diào)峰輔助服務(wù)為主，由于近年來江蘇加大區(qū)外來電引入，并建設(shè)了一批迎峰度夏電力保供工程，增強了江蘇常規(guī)電源的供電能力，導(dǎo)致需求響應(yīng)和輔助服務(wù)的交易頻次較低，無法支撐空調(diào)資源的常態(tài)化交易。二是電力價格無法有效激活市場。一方面，價格型需求響應(yīng)能力不足，我國電力市場形成的價格主要反映主干電網(wǎng)電力供需形勢，而配電網(wǎng)價格信號缺失，導(dǎo)致空調(diào)負荷管理的經(jīng)濟效益不明顯，虛擬電廠為支撐配電網(wǎng)運行的高投入價值缺乏充分價格信號進行反映。另一方面，激勵型需求響應(yīng)能力不足，近期修訂的需求響應(yīng)細則將補償價格下調(diào)，空調(diào)資源主體參與的收益下降，難以調(diào)動建筑用戶參與的積極性。

三、發(fā)展建議

隨著我國電力市場建設(shè)深入推進,市場成為資源配置的主要手段,發(fā)揮企業(yè)的主導(dǎo)作用,持續(xù)完善市場機制，成為虛擬電廠實現(xiàn)常態(tài)化運營、規(guī)?；l(fā)展的關(guān)鍵。在項目層面，建議虛擬電廠運營商應(yīng)提升空調(diào)資源響應(yīng)能力，包括深入摸排空調(diào)資源潛力，為優(yōu)化資源配置，提高負荷預(yù)測精度提供支撐；優(yōu)化響應(yīng)策略和升級基礎(chǔ)設(shè)施，用以有效發(fā)揮空調(diào)資源潛力等。此外，積極探索商業(yè)模式，包括提升電力市場交易能力，探索多元增值服務(wù)等。在產(chǎn)業(yè)層面，建議政府、電網(wǎng)、虛擬電廠運營商、設(shè)備制造商等相關(guān)主體加強合作，從產(chǎn)業(yè)政策、技術(shù)規(guī)范標準、市場監(jiān)管、交易機制和交易品種等方面協(xié)同推進政策和市場環(huán)境的完善。

（一）資源摸排，形成常態(tài)工作機制

為系統(tǒng)挖掘空調(diào)資源調(diào)控潛力、提高負荷預(yù)測精度，虛擬電廠應(yīng)積極聯(lián)合有關(guān)部門，深入摸排各類空調(diào)負荷資源底數(shù)，并進一步評估其實際可調(diào)資源規(guī)模。

一是摸清空調(diào)資源底數(shù)。組織開展對寫字樓、商超等建筑空調(diào)用能情況的調(diào)研，搭建空調(diào)負荷資源基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，并定期開展負荷資源監(jiān)測和調(diào)控，做好增量數(shù)據(jù)維護。

二是評估實際可調(diào)資源。結(jié)合蘇州地區(qū)建筑特性，開展針對中央空調(diào)、VRV、冰蓄冷等空調(diào)的負荷特征分析，并建立基于熱力學(xué)原理的負荷模型，進一步面向削峰、填谷等應(yīng)用場景，建立分鐘級、小時級、日前等多時間尺度下，各類空調(diào)可調(diào)節(jié)潛力的評估模型[8]。

（二）策略優(yōu)化，制定空調(diào)響應(yīng)策略

為充分發(fā)揮空調(diào)資源調(diào)控潛力，建議虛擬電廠進一步優(yōu)化空調(diào)響應(yīng)策略，加強對空調(diào)負荷的聚合控制。

一是制定差異化空調(diào)調(diào)控方案。基于不同的建筑用戶需求、空調(diào)設(shè)備特性、氣象條件等約束條件，制定適用于不同應(yīng)用場景和響應(yīng)能力（響應(yīng)容量、響應(yīng)時長、響應(yīng)速度）的負荷調(diào)控策略，并制作標準化操作手冊，“一樓一冊”地挖掘不同場景下空調(diào)資源響應(yīng)能力，主要響應(yīng)策略如表3所示[9]。

二是探索空調(diào)負荷聚合調(diào)控策略。考慮到項目整體對外特性，盡管同為空調(diào)負荷資源，但寫字樓、酒店等公共建筑的用電特性和運行模式存在一定的差異，具備一定的時空互補性。因此需要進一步分析相同時間段內(nèi)各類建筑空調(diào)負荷的聚合策略。

表3 空調(diào)負荷響應(yīng)策略

（三）基礎(chǔ)升級，打造樓宇數(shù)字底座

為提高虛擬電廠的聚合和調(diào)控能力，持續(xù)推動優(yōu)質(zhì)空調(diào)資源的智能化改造，打造樓宇數(shù)字底座。

一是有序開展優(yōu)質(zhì)空調(diào)資源的智能化改造，優(yōu)化資源配置。建議虛擬電廠應(yīng)根據(jù)前期各類空調(diào)資源的可調(diào)規(guī)模和調(diào)控難易程度，按照“先大后小、先易后難、一樓一案”原則，分批組織開展現(xiàn)場查勘，制定空調(diào)設(shè)備改造方案，有序開展各類空調(diào)資源的智能化改造，提升數(shù)據(jù)采集和智能調(diào)控能力，打造梯隊化資源調(diào)度序列。

二是創(chuàng)新工商業(yè)園區(qū)智慧用電方式。建議政府支持工商業(yè)園區(qū)加快老舊電能表更新替換和配電設(shè)備智能化更新，建設(shè)可視化綜合能源監(jiān)測系統(tǒng)，提高用戶側(cè)數(shù)字化水平。

（四）試點先行，探索多元增值服務(wù)

為提高虛擬電廠可持續(xù)盈利能力，依托蘇州豐富空調(diào)資源，完善市場條件，在試點示范項目中探索空調(diào)領(lǐng)域虛擬電廠的商業(yè)模式。

1.組織實施虛擬電廠精準響應(yīng)，并完善價格傳導(dǎo)機制

建議蘇州市推動空調(diào)負荷資源參與江蘇省輔助服務(wù)市場和負荷管理平臺統(tǒng)一管理，提高開市頻次，明確用戶參與機制、設(shè)備接入要求、準入門檻、應(yīng)用場景、組織模式和交易結(jié)算規(guī)則。在江蘇市場化需求響應(yīng)基礎(chǔ)上，啟動針對日內(nèi)、實時階段的局部性電力供應(yīng)緊張問題的精準響應(yīng)。在價格機制方面，加強夏冬高峰期尖峰負荷發(fā)展情況研究，進一步完善動態(tài)分時電價機制，優(yōu)化時段劃分，推動探索完善季節(jié)性尖峰電價和深谷電價、蓄熱蓄冷電價在蘇州試點示范。

2.探索虛擬電廠多元商業(yè)模式

建議蘇州虛擬電廠應(yīng)立足電力市場，持續(xù)提升市場交易能力，并積極探索多元增值服務(wù)，提升項目可持續(xù)盈利能力。一是立足電力市場，持續(xù)提升市場交易能力，優(yōu)化資源配置。在交易能力提升方面，虛擬電廠須優(yōu)化內(nèi)部代理合約定價機制，以及對外的報量報價策略。一方面綜合考慮用戶的價格敏感度、風(fēng)險偏好等因素，優(yōu)化代理合約定價機制，平衡用戶收益和合約約束對用戶參與互動的影響，優(yōu)化交易成本。另一方面，綜合考慮市場競價、調(diào)控成本、用戶行為、風(fēng)險溢價等復(fù)雜經(jīng)濟因素，探索現(xiàn)貨市場、輔助服務(wù)市場、容量市場機制下的報量報價策略，實現(xiàn)成本和風(fēng)險可控下的利益最大化，為成熟市場環(huán)境下虛擬電廠優(yōu)化運營奠定基礎(chǔ)。此外，根據(jù)各類空調(diào)資源調(diào)控特性和經(jīng)濟性，虛擬電廠還應(yīng)面向削峰、填谷等應(yīng)用場景，優(yōu)化不同時間尺度下的內(nèi)部資源配置。二是依托能源、電力大數(shù)據(jù)，鼓勵虛擬電廠為用戶提供綜合能源、碳資產(chǎn)管理、碳足跡評價等能碳一體化服務(wù)，實現(xiàn)現(xiàn)行市場環(huán)境下的虛擬電廠可持續(xù)發(fā)展。

（五）創(chuàng)新支撐，強化技術(shù)策源能力

為支撐虛擬電廠關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)突破，依托蘇州產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)勢和豐富創(chuàng)新資源，強化技術(shù)策源能力，支持空調(diào)領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，推動標準建設(shè)應(yīng)用。

一是支持空調(diào)領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)。圍繞可觀、可測、可調(diào)、可控能力的提升，建議虛擬電廠積極聯(lián)合科研機構(gòu)、設(shè)備商等相關(guān)主體，開展包括基于先進感知、計量、定位的智能控制終端，基于通用大模型的空調(diào)負荷功率預(yù)測，面向資源聚合商的規(guī)?；植际劫Y源實時感知與協(xié)同調(diào)控系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。

二是推動空調(diào)領(lǐng)域標準建設(shè)應(yīng)用。建議蘇州市系統(tǒng)梳理虛擬電廠在空調(diào)智能化改造和運行過程中亟需解決的技術(shù)性需求，推動虛擬電廠技術(shù)導(dǎo)則、接入測試規(guī)范、效果評估規(guī)范等關(guān)鍵領(lǐng)域標準規(guī)范編制。

三是培育虛擬電廠創(chuàng)新發(fā)展生態(tài)。鼓勵虛擬電廠、科研院所、空調(diào)制造商等主體，建立產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新組織，探索產(chǎn)學(xué)研協(xié)同的成果轉(zhuǎn)化和利益分配模式，推動創(chuàng)新資源在各類組織之間有效流動，實現(xiàn)空調(diào)領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)的突破，并向?qū)嶋H應(yīng)用場景拓展。

（六）促進交流，推動產(chǎn)業(yè)互聯(lián)互通

為促進虛擬電廠產(chǎn)業(yè)發(fā)展，建議蘇州市進一步拓展各方交流渠道，營造產(chǎn)業(yè)發(fā)展良好環(huán)境。

一是加強政企協(xié)同，營造開放多元的產(chǎn)業(yè)發(fā)展環(huán)境。成立虛擬電廠管理機構(gòu)，組建涵蓋政府、國網(wǎng)、運營商等主體的工作專班，聚焦虛擬電廠落地的重點、難點問題，做好規(guī)劃制定、政策落實、綜合協(xié)調(diào)、工作督導(dǎo)等工作。鼓勵開展跨行業(yè)的交流與合作會議，就虛擬電廠相關(guān)的政策、技術(shù)和市場等議題，開展廣泛交流，共同推動虛擬電廠技術(shù)進步和市場拓展，提升蘇州在智慧能源領(lǐng)域的綜合競爭力。

二是做好用戶宣傳，增強市場對虛擬電廠的認知。聯(lián)合政府、國網(wǎng)、運營商等相關(guān)機構(gòu)，編制和發(fā)布虛擬電廠的宣傳手冊或視頻。定期舉辦宣講會、沙龍等活動并結(jié)合線上平臺、公眾號及時發(fā)布，積極做好虛擬電廠相關(guān)政策和應(yīng)用案例的大范圍宣貫，增強業(yè)主認知。

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注：原文載自《煤炭經(jīng)濟研究》2024年第8期，本次發(fā)表有較大改動。文中圖片來源于網(wǎng)絡(luò)，版權(quán)歸原作者所有，若有侵權(quán)請聯(lián)系刪除。