虚拟电厂:「双碳」目标下能源转型的顺势而为

马壮

晨山资本 投资经理

对能源电力市场来说,2021年无疑是具有里程碑意义的年份。从年初发改委将能源结构调整放在实现双碳需要发力的六大领域之首,到年底中央提出构建全国统一的电力市场,这个方向经历了有史以来政策密度和市场关注度最高的一年,直到最近的两会上热度依然不减。

梳理这些政策和变化我们可以发现,实现能源转型的关键在于新型电力系统的建设,而新型电力系统核心的一个「新」就是数字化。而在诸多的数字化机会中,我们认为「虚拟电厂」对新型电力系统的建设具有非常重大的意义,预计在未来三到五年内迎来快速爆发。

本期晨思从困境、破局、机遇、潜力等角度深入分析了这个话题,也欢迎行业内的公司一起来探讨。

困境 :不可能三角和电气化率提升带来的挑战

在电力领域有一个不可能三角,即环境友好、稳定安全的持续供给和价格低廉难以被同时满足。随着以风光为代表的新能源在电力系统中的占比快速提高,挑战愈发明显,2021年下半年电力市场的波动就生动地诠释了这个矛盾。

在供给侧的变化之外,能源需求侧的变化,尤其是电气化率的提升也给整个电力系统带来了新挑战。举例来说,北京全市的历史尖峰负荷在2400万千瓦左右,而现在电动车超冲的功率都在冲击200千瓦甚至更高,也就是说如果12万辆电动车同时用超冲充电,所需要的功率就已经达到了北京的历史负荷峰值。目前北京新能源汽车每年的增量在7万辆,机动车保有量600万辆,其中大部分都会在可预期的未来电动化,中间面临的困难可想而知。

因此,如何在新型电力系统下破局不可能三角,平衡不稳定的发电侧和日益增长且多变的需求侧,保证电力系统安全稳定的运行;如何在兼顾电力能源绿色安全的前提下使其更具经济性,这些都是最切实的挑战。如何破局,我们认为虚拟电厂是未来新型电力系统下的重要组成部分。

破局:为什么是虚拟电厂

对于虚拟电厂的定义和概念非常多,但其核心思想就是把各类分散可调电源和负荷汇聚起来,通过数字化的手段形成一个虚拟的「电厂」来做统一的管理和调度,同时作为主体参与电力市场

虚拟电厂汇聚的资源可以是发电侧(尤其是新能源)的正电厂,也可以是用电侧的负电厂,还可以是发电用电都有的综合电厂,在本文我们将这些统称为虚拟电厂。

▲ 图片来源:国网上海经研院

为什么我们认为虚拟电厂会成为破局者,其实用一句话就可以概括:虚拟电厂可以用市场化的手段,在更大范围内聚合资源,从而更高效地解决电力的实时匹配问题

电力能源难以储存的属性决定了其在大部分情况下,发和用必须是一个动态平衡的过程,上文提到的新型电力系统面对的一系列挑战,无论在发电端还是用电端波动都更加剧烈。

传统方式解决发用不匹配的手段就是简单粗暴的调度和拉闸限电,属于计划经济的手段,安全效率高但是经济效率低,对于市场主体的影响很大。虚拟电厂用一种更加经济性的方式来解决这个问题,在电网出现发用不匹配的情况时,虚拟电厂通过各类可控的资源增加发电或减少用电来平衡电网供需,同时获得相关服务的激励收益。 这样,虚拟电厂的加入将大量分散资源聚合起来参与电网的辅助服务市场,一方面可以通过发掘这些增量的潜力,更加灵活迅速地进行实时调度匹配,对于电网的安全稳定运行发挥积极的作用;另一方面也通过辅助服务获得的激励吸引更多的主体加入虚拟电厂,进一步增强了虚拟电厂能力,形成了正向的循环。

在未来,基于虚拟电厂不断扩大的聚合能力,它将帮助各类参与的主体在更大范围内优化用能和交易策略,在为电网贡献安全性能力的同时提高经济性,成为新一代电力系统市场化机制运行不可或缺的组成。那么是哪些变化促使了虚拟电厂的发展呢?

机遇 :基础设施层面新格局初现

虚拟电厂最早在2000年左右在欧洲开始萌芽,并在2010年左右开始尝试商业化运营。近几年,无论是在欧洲、澳大利亚还是北美,虚拟电厂都进入了快速发展阶段;而国内虚拟电厂的发展还处于非常早期,但是也有了以冀北虚拟电厂为代表的标杆试点项目的出现,其背后有几个核心驱动因素:

1. 电源侧的结构变化随着新能源的快速发展,发电主体数量急剧增多,之前一个省可能就一两百个电厂,而随着新能源的建设,大量的分布式电站开始出现,发电主体数量上升了至少两个数量级。同时,以风电、光伏为主的新能源较火电为主的传统能源可控性变差。新能源占比提升带来了巨大的预测、整合和调度问题。

2. 可调负荷变多伴随着新能源的发展,以电动车和储能装置等为代表的新型可调负荷正在逐渐变多。还是以北京的电动车为例,北京目前的日均用电量3亿度,机动车保有量600万辆,假设均为电动车且充电周期为5天,每次充电需要50度电,也就是未来每天北京电动车充电需要6000万度电,占北京整体用电量的20%,这对于电网调度来说是巨大的弹性用量。

3. 通信和感知控制的能力提高随着物联网、边缘计算、5G、AI等连接和数据技术的发展,对于设备的实时控制和精确预测能力都在迅速增强,为虚拟电厂的聚合和控制奠定了技术基础。

4. 电力市场化改革进展迅速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,未来工商业用电将全面进入市场化交易,电力的商品属性进一步得到还原。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,从而解决了激励的问题。

无论是设备层面、底层技术还是市场机制,一个以新能源为核心,以数字化为基础,更具活力的电力市场体系已经初见规模,而在这其中,虚拟电厂将扮演非常重要的角色

潜力:新型电力系统的关键拼图

虚拟电厂在未来的电力交易和调度系统中将是一个承上启下的角色。向下汇聚各类可调资源,包括分布式的电源和负荷;向上作为统一主体提供服务、参与市场交易。

▲ 图片来源:国网冀北电力公司

虚拟电厂需要拥有三类核心能力:

接入能力。这也是最基础的能力,需要尽可能地接入优质的底层资产,包括分布式能源、储能等优质可调设备以及有调节能力的优质负荷。在接入的基础上,还需要有能力基于这些设备的机理、业主的用能需求进行可调性分析,深刻全面地了解这些资源什么时候可以调,怎样调以及调的效果如何。

控制能力。这是虚拟电厂的核心能力,虚拟电厂需要有相应的控制能力能够保证各类策略和指令可以被执行,比如对于储能充放的实时控制,对于关键可调设备启停或者更精密控制等。这不仅仅需要技术上的保障,也和商业能力紧密相关。

交易能力。这是虚拟电厂的关键商业能力,因为市场交易是虚拟电厂初期的主要收入来源。作为一个参与市场交易的统一主体,虚拟电厂可以参与到电量交易、辅助服务、需求响应等等市场中获得经济收益。目前电力市场的改革还在推进的过程中,能够交易的品种也在逐渐增多。虚拟电厂需要基于对自己接入资源的理解和对市场的判断,寻找最优策略,获得最大的交易回报。

通过这些核心能力的构建,叠加基础设施层面的变化,虚拟电厂其实在整个电力系统和电力市场中扮演了安全性稳定器、流动性助推器和新能源消纳倍增器的角色

安全性稳定器:虚拟电厂聚合分散的资源,首先可以通过内部优化的方式来降低体系内的不确定性,同时因为其可以具有向外发电和向内用能储能的能力,所以在电网发生临界事件需要辅助服务和调度的时候又可以快速进行响应,通过市场化的方式来实现电网的安全稳定。

流动性助推器:传统电力体系供需都比较刚性,即使有过电力市场交易的试点,但是交易的活跃程度和流动性都一般,这中间当然有很多原因,但是其中非常主要的一点就是缺少柔性。但是对于虚拟电厂来说,其拥有大量的可调资源尤其是调节能力,自然会驱动其追求交易的机会,放大市场变化带来的收益,所以这也给交易市场带来了更大的流动性保证,这是一个市场可以持续繁荣的基础。同时流动性产生的收益作为激励手段,反过来促使更多可控资源加入到系统整体的调控中来,对于安全性又是一个反哺。

新能源消纳倍增器:新能源的消纳对电网来说一直是挑战,因为其出力既有比较大的波动性和不可预测性,也和负荷侧的需求曲线并不完全匹配。而虚拟电厂因为其聚合了众多的可调资源,可以起到「蓄水池」的作用。举例来说很多时候晚上风电大发,但是负荷需求不大,这时候虚拟电厂聚合的各类弹性资源比如蓄热锅炉、充电桩、冰蓄冷系统等就可以做风电消纳,既实现了风电消纳,降低电网白天用电高峰的负荷压力,又享受了谷电电价为业主节省电费。

从2019年开始,国内陆续有虚拟电厂的示范项目落地,取得了不错的经济和社会效益:
● 2019年12月12日,冀北虚拟电厂上线运营,首期可调容量40兆瓦,试运行期间每兆瓦每月可以带来1万元的收益,同时在帮助电网调峰,促进清洁能源消纳,提升电网安全稳定运行水平上带来了巨大的社会效益。据测算2020年全年冀北虚拟电厂可以增发清洁能源7.2亿千瓦时,减排63.65万吨二氧化碳。
● 2021年,上海提出建设虚拟电厂试点,初步规划100万千瓦容量,在不到两天的测试中,累计调节电网负荷56.2万千瓦,消纳清洁能源123.6万千瓦时,减少碳排放约336吨。
● 2022年,江苏计划在今年迎峰度夏前建设一座具备260万千瓦可中断负荷毫秒级精准控制能力,并可实现全省全覆盖的虚拟电厂,提高电网的系统风险预防和抵御能力。
虚拟电厂正在加速被市场接受和落地,随着新型电力系统建设的推进,会刺激需求进一步爆发。

简单总结一下:
1. 虚拟电厂是应对新能源系统结构性变化的有效手段,通过连接聚合分散化的发电、用能和储能资源,用数据驱动的方式形成一个高度灵活可调可控的统一主体,成为新型能源系统实现智能化的重要组成部分。
2. 虚拟电厂会统一参与到电力交易和辅助服务的市场中,一方面可以发挥聚合优势帮助电网安全稳定运行,实现社会价值;另一方面也可以通过服务和交易获得的收益实现经济价值。
3. 随着统一电力市场建设的推进和还原电的商品属性的深入,未来各行各业都面临更加复杂的用能策略,甚至需要根据电力市场情况来制定生产经营计划,虚拟电厂的角色将会更加重要。

关注:晨山持续关注以虚拟电厂为代表的能源转型中的创新机会

在双碳的时代大潮下,实现能源转型是核心和关键,而以新能源为核心的新型电力系统则是转型的重中之重。新型电力系统的特点决定了其必定是数字化、智能化的系统。

我们相信,在未来五到十年的跨度上,一定会看到柔性、智能的电力系统渗透进我们生产、生活的方方面面。作为兼具商业价值和社会价值的虚拟电厂必将是迅速发展的方向之一

晨山的愿景是推动创造更美好的数字化世界。电力能源的数字化是数字化世界的核心组成部分。能源是人类社会运行的基础,每一次能源革命都带来了巨大的社会变革和发展红利。我们认为新的浪潮才刚刚开始,晨山期待和优秀的创业者一起参与这场伟大的创新。

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