文|腦極體
談及“虛擬”這個詞，我們頭腦的第一反應(yīng)是當(dāng)下大火的虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VR）和虛擬人。在科技圈，虛擬現(xiàn)實在火熱的元宇宙概念中回春，資本將一波熱錢撒向了VR廠商。虛擬人在近兩年的AI技術(shù)的推波助瀾下，崛起的勢頭迅猛。清冷古風(fēng)氣質(zhì)的虛擬偶像LING翎、虛擬美妝達(dá)人柳夜熙，冬奧會中虛擬手語主播、谷愛凌運(yùn)動員的數(shù)字人分身等，在冬奧會的世界窗口中虛擬人出盡了風(fēng)頭。
科技圈有盛事，在能源圈也不會缺乏風(fēng)口。在雙碳戰(zhàn)略的目標(biāo)下，能源領(lǐng)域中的虛擬電廠也成為產(chǎn)業(yè)界的香餑餑，虛擬電廠頻頻出現(xiàn)在大眾視野中，虛擬電廠的相關(guān)領(lǐng)域也被許多圈內(nèi)人圈外人熱捧。
虛擬電廠倒也不是個新概念，在20世紀(jì)90年代國外已經(jīng)被廣泛使用。歐美國家的虛擬電廠業(yè)務(wù)發(fā)展比較成熟，國內(nèi)也是近十年才開始了虛擬電廠的建設(shè)。對于許多能源圈外的讀者來說，虛擬電廠與真實電廠的區(qū)別是什么，虛擬電廠為什么近兩年發(fā)展火熱了起來，這些問題的答案都比較模糊。如果對能源圈火熱的虛擬電廠感興趣，腦極體和大家一起捋一下有關(guān)虛擬電廠的干貨，聊聊虛擬電廠的價值與發(fā)展，應(yīng)用與挑戰(zhàn)。
傳統(tǒng)電網(wǎng)的“阻滯”
在梳理虛擬電廠的概念前，我們先來了解下，現(xiàn)下電網(wǎng)系統(tǒng)與能源領(lǐng)域面臨的發(fā)展卡點。人類進(jìn)入工業(yè)化時代，給無數(shù)人帶來了豐富的生產(chǎn)資料，也提高了人們的生活質(zhì)量，但以二氧化碳為主的溫室氣體排放量也超出了地球的承受范圍，在氣候危機(jī)和能源危機(jī)的限制下，全球建立了雙碳目標(biāo)的戰(zhàn)略共識。
在碳達(dá)峰、碳中和的目標(biāo)背景下，可再生能源風(fēng)、光、水等在電力系統(tǒng)中的重要性逐漸提高。電源端大量接入可再生能源，使得供應(yīng)側(cè)呈現(xiàn)復(fù)合多元化的特點。但這些可再生能源有個特點，以風(fēng)能和太陽能為代表的新能源具有顯著的間歇性和強(qiáng)隨機(jī)波動性，這些能源的獲得依賴外界自然條件的變化，陰天和無風(fēng)的條件和晴空萬里無云、持續(xù)強(qiáng)風(fēng)的狀況，這些不同的氣候條件帶來的新能源發(fā)電機(jī)組的能源波動，接入大電網(wǎng)后，給系統(tǒng)帶來了強(qiáng)烈的波動，影響電網(wǎng)的穩(wěn)定與安全。
而隨著雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)的大勢發(fā)展，風(fēng)力、光能、水能等新能源成為機(jī)遇巨大的能源候補(bǔ)。據(jù)南方電網(wǎng)2021年的預(yù)測，到2030和2060年，中國風(fēng)光新能源的發(fā)電量占比將分別達(dá)到25%和60%。這也意味著接入大電網(wǎng)中的新能源電力越來越多。新能源在不同季節(jié)和氣候階段帶來的巨大波動擾動著電網(wǎng)的安全。同時，應(yīng)對擾動的棄能現(xiàn)象嚴(yán)重，部分地區(qū)的棄光、棄風(fēng)、棄水等現(xiàn)象頻發(fā)，造成了能源的浪費(fèi)。
與此同時，東西部電力的供需關(guān)系也越來越緊張。我們知道東部的經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)是用電大戶。東部沿海地區(qū)集結(jié)了無數(shù)的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和工廠，承載著超過全國一大半的GDP輸出任務(wù)。而隨著東部地區(qū)用電比例的不斷上升，電力電子裝備增加，對電力系統(tǒng)平衡、調(diào)節(jié)和支撐能力形成巨大壓力。電力峰谷差矛盾也日益突出，各地年最高負(fù)荷95%以上峰值負(fù)荷累計不足50小時。
這些電網(wǎng)電力系統(tǒng)集中的挑戰(zhàn)亟需可靠的解決方案來應(yīng)對，而虛擬電廠在這樣背景中火熱了起來。
虛擬電廠價值幾何？
虛擬電廠，望文生義，是個在物理世界不存在的電廠。它是一種通過能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，把散落在用戶端的充電樁、空調(diào)、儲能等電力負(fù)荷整合起來并實現(xiàn)協(xié)調(diào)優(yōu)化，以作為特殊電廠參與電網(wǎng)運(yùn)行和電力市場的電源協(xié)調(diào)管理系統(tǒng)。
相較于真實的電廠來說，虛擬電廠可以理解其為一個電力服務(wù)的“管家”角色，不僅具備電廠的功能，甚至遠(yuǎn)超實體的電廠。虛擬電廠的系統(tǒng)對外既可以作為“正電廠”向系統(tǒng)供電，也可以作為“負(fù)電廠”消納系統(tǒng)的電力，可以靈活地削峰填谷，打破傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中發(fā)電廠之間、發(fā)電側(cè)和用電側(cè)之間的物理界限。
發(fā)展虛擬電廠意義重大。對于前文中所提的傳統(tǒng)能源電力中的挑戰(zhàn)，虛擬電廠可以應(yīng)對。虛擬電廠的價值總結(jié)來看，也主要包含以下幾點。
一是提高電網(wǎng)安全保障水平。風(fēng)光水等可再生新能源的發(fā)展與并網(wǎng)，帶給電網(wǎng)的隨機(jī)性和波動性，影響電網(wǎng)的穩(wěn)定安全。虛擬電廠可以將需求側(cè)的分散資源聚沙成塔，與電網(wǎng)進(jìn)行靈活、精準(zhǔn)、智能化互動響應(yīng)，有助于平抑電網(wǎng)峰谷差，提升電網(wǎng)安全保障水平。比如在用電高峰期，工業(yè)園區(qū)可以調(diào)節(jié)用電高峰時段的工作，少開機(jī)甚至不開機(jī)，在夜間低谷時段爭取滿負(fù)荷生產(chǎn)。用戶也可以在用電低谷期，主動給電動汽車充電。
二是可以降低能源的浪費(fèi)。虛擬電廠可以促進(jìn)新能源消納，通過智能的調(diào)控平抑電網(wǎng)的峰谷差，靈活有效地利用電力。對于新能源的間歇性特點造成的棄風(fēng)棄光棄水現(xiàn)象，發(fā)展虛擬電廠，將大大提升系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力，降低“三棄”能源電量的浪費(fèi)。
（深圳上線試運(yùn)行的虛擬電廠管理平臺）
三是可以降低電網(wǎng)的成本，節(jié)約電廠和電網(wǎng)的投資。據(jù)國家電網(wǎng)測算，若通過建設(shè)煤電機(jī)組滿足其經(jīng)營區(qū)5%的峰值負(fù)荷，需要投資4000億的電廠和配套電網(wǎng)；而通過虛擬電廠，建設(shè)、運(yùn)營、激勵等環(huán)節(jié)的投資只需要500-600億元。幾乎只需要十分之一的資源就可以支撐以往火電廠削峰填谷的效用。
對于企業(yè)來說，在虛擬電廠的調(diào)節(jié)下，耗能多的企業(yè)可以降低用能成本。從江蘇試點的收益來看，參與虛擬電廠后用戶用能效率大幅提升，在降低電費(fèi)的同時，還可以獲取需求響應(yīng)收益。如無錫試點項目提高園區(qū)整體綜合能源利用率約3個百分點，降低用能成本2%，年收益約300萬元。
國網(wǎng)湖北電力調(diào)控中心此前表示，假如武漢市有5%的用電負(fù)荷可以通過虛擬電廠進(jìn)行調(diào)節(jié)，實際效果“相當(dāng)于少建一座60萬千瓦的傳統(tǒng)電廠”。
從某種意義上講，虛擬電廠是一個中心化的“大電廠”，將各種分布式的能源通過各種儲能裝置組織起來，通過雙向控制，將各種配電網(wǎng)單位聯(lián)合起來，以智能算法和科學(xué)調(diào)度，盤活了以前那些對于社會來說是沉淀的資源。
借勢“雙碳東風(fēng)”崛起
虛擬電廠在歐美國家發(fā)展得較為成熟，在國內(nèi)，作為一個新興技術(shù)領(lǐng)域，其發(fā)展還在探索階段。此前國內(nèi)的儲能技術(shù)，可再生新能源的裝機(jī)量有限，對于科學(xué)的調(diào)度技術(shù)來說，控制和調(diào)度的策略與資源有限，這些虛擬電廠需要的背景條件并不具備。而隨著近年來，可再生新能源的興起，雙碳戰(zhàn)略的要求，相關(guān)政策的支持與引導(dǎo)，配套技術(shù)的更迭，都讓虛擬電廠的發(fā)展提速。
國內(nèi)首個虛擬電廠“國網(wǎng)冀北虛擬電廠示范工程”在2019年12月11日投入運(yùn)行。該示范工程一期實時接入與控制蓄熱式電采暖、可調(diào)節(jié)工商業(yè)、智能樓宇、智能家居、儲能、電動汽車充電站、分布式光伏等11類19家泛在可調(diào)資源，容量約16萬千瓦，涵蓋張家口、秦皇島、廊坊三個地市。而在“十三五”期間，江蘇、上海、河北、廣東等地也相繼開展電力需求響應(yīng)和虛擬電廠試點。
雖然虛擬電廠在能源節(jié)約與電網(wǎng)運(yùn)行中的價值豐富，但在建設(shè)虛擬電廠的道路中，面臨的挑戰(zhàn)也不少。
1.頂層設(shè)計的指導(dǎo)缺乏。在能源圈內(nèi)，行業(yè)內(nèi)人士對于虛擬電廠的認(rèn)識并不到位。目前虛擬電廠處于起步階段，其組織、實施和管理基本上還是沿襲舊有的需求側(cè)管理模式。虛擬電廠的范圍、主體市場的培育，標(biāo)準(zhǔn)體系等并沒有明確建立，虛擬電廠的建設(shè)意見，政策方面缺乏頂層的設(shè)計與指導(dǎo)。
2.管理與監(jiān)管不明確。虛擬電廠屬新業(yè)態(tài)，目前遵循的是國家發(fā)展改革委、工信部、財政部、住建部、國資委、國家能源局等六部門于2017年發(fā)布的《電力需求側(cè)管理辦法（修訂版）》，但監(jiān)管與管理的部門不明確，管理職能有交叉，協(xié)同發(fā)力不足。
3.行業(yè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一。虛擬電廠的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，各類設(shè)備及負(fù)荷的通信協(xié)議不統(tǒng)一，數(shù)據(jù)交互壁壘高、不順暢，增加了虛擬電廠發(fā)展的難度和成本。
4.市場的激勵化機(jī)制不到位。虛擬電廠的激勵資金來源不穩(wěn)定，難以支撐虛擬電廠規(guī)模化發(fā)展。
虛擬電廠的發(fā)展在初期的摸索階段，面對的這些問題，需要政策與行業(yè)共同發(fā)力，這個協(xié)同的過程需要各方的配合。我們知道電力系統(tǒng)在碳中和的背景下，是主要改革的目標(biāo)。電力行業(yè)排放約占我國二氧化碳排放總量的四成，在雙碳目標(biāo)的驅(qū)使下，電力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型升級至關(guān)重要。
結(jié)合儲能設(shè)備，虛擬電廠可為電網(wǎng)提供調(diào)頻、調(diào)峰等輔助服務(wù)，并能夠參與電力市場交易中，實現(xiàn)電網(wǎng)的削峰填谷，也是電力系統(tǒng)智能化的重要調(diào)節(jié)方式。
雖然虛擬電廠目前沒有明確的頂層設(shè)計政策，但是電網(wǎng)系統(tǒng)的改革一直是產(chǎn)業(yè)與國家的重點關(guān)注領(lǐng)域。今年初發(fā)改委、國家能源局聯(lián)合發(fā)布了《加快建設(shè)全國統(tǒng)一電力市場體系的指導(dǎo)意見》。明確了“全國統(tǒng)一電力市場體系到2025年初步建成，到2030年基本建成”的發(fā)展時間表。
這也意味著，隨著電力市場的進(jìn)一步開放，電力系統(tǒng)對于調(diào)頻調(diào)峰等輔助服務(wù)的需求會持續(xù)增加，而作為輔助工具中的主體——虛擬電廠來說，背靠大樹好乘涼，虛擬電廠相應(yīng)的政策與發(fā)展等，也會借勢興起。
虛擬電廠與虛擬VR技術(shù)、虛擬數(shù)字人不同，雖然掛靠“虛擬”二字，但在電網(wǎng)系統(tǒng)中干的事卻一點都不“虛擬”，甚至超越了傳統(tǒng)電廠。在數(shù)字能源的時代與雙碳背景的驅(qū)動下，干實事的 “虛擬電廠”未來的發(fā)展空間無限，在電網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)字改革中助力著雙碳目標(biāo)的快速實現(xiàn)。