一、虚拟电厂提出的背景
在碳中和、碳达峰目标的驱动下，我国能源绿色转型进度加速。然而，新能源发电严重依赖于光照强度、风力强度等自然因素指标，总体上具有随机性、间歇性和波动性的特点；与此同时，新能源装机比例及用户侧间歇性负荷的进一步增长，对电力系统灵活调节能力提出了越来越高的要求。
- 高比例可再生能源接入带来的挑战 -
传统“源随荷动”的运行模式亟须向“源荷互动”转变，“虚拟电厂”应运而生。
- 电力系统结构变化示意 -
二、虚拟电厂的定义
虚拟电厂顾名思义就是虚拟化的电厂，起到发出电能，参与能量市场；通过调节功率来参与辅助服务市场调峰、调频等作用。
其核心思想是依托互联网和现代信息通讯技术，把分布式电源、储能、负荷等分散在电网的各类资源相聚合，进行协同优化运行控制和市场交易，实现电源侧的多能互补、负荷侧的灵活互动，对电网提供调峰、调频、备用等辅助服务。
- 虚拟电厂与真实电厂的比较 -
所以，虚拟电厂本质上是一套软件平台系统，它聚合了现有的分布式资源，并通过协同控制，参与电力市场。
三、虚拟电厂的原理及关键技术
虚拟电厂可以看作需求侧响应的延伸版。需求侧响应主要是削峰，主要针对用户负荷；虚拟电厂则是削峰和填谷兼顾，部分具有储能特征，源、网、荷、储都包含在内。
- 虚拟电厂结构示意图 -
- 虚拟电厂平台架构示意图 -
虚拟电厂运行的关键技术有以下六方面构成：
1）协调控制技术
协调控制多样化DG、可控负荷、储能、充电桩等分布式能源，实现对系统高要求的电能输出，保证电能质量和经济性；
2）精准决策技术
构建不同应用场景下以经济性、可靠性、低排放性的多目标调度决策优化模型，采用遗传算法、模拟退火、神经网络等智能算法求解虚拟电厂不同时间尺度的运行调度策略；
3）虚拟电厂系统指令自动分配技术
依据历史负荷特征和负荷预测量，预测电网不同运行场景下多种资源响应的可信容量，针对电网的调控目标，基于多种资源的可信容量，自动分解为每种资源的调控指令，形成调控方案库，依据实际运行情况，自动生成调控指令；
4）多元资源聚合优化技术
对多元资源特性进行分析，采用聚类算法、聚类中心识别技术，构建出针对电网不同需求场景的聚合资源库，并形成聚合资源调控的优先级顺序，为虚拟电厂协调控制提供支撑；
5）信息通信技术
双向通信，接受各单元实时状态信息，发送控制信号。采用多种通信技术实现与其他平台和系统的无缝对接；
6）智能计量技术
实现虚拟电厂对可控负荷、 DG等分布式能源的实时监测和控制，远程测量实时用户信息，合理管理数据，用户能直观看到消费或生产的电能以及相应费用等信息。
四、虚拟电厂的运营机制
依据外围条件的不同，虚拟电厂的发展可分为邀约型阶段、市场化阶段、自主调度型阶段。
我国虚拟电厂处于邀约型向市场化过渡的阶段。邀约型阶段运作机制：“邀约—响应—激励”模式：
（1）政府部门或电力调度机构发出邀约信号；
（2）虚拟电厂组织资源进行需求响应，激励电力用户调整其用电行为。
- 虚拟电厂的发展阶段 -
在第二阶段，电力市场建设较为完善，负荷聚合商可以直接参与到电力市场进行交易，报价机制更为市场化。
在第三阶段，负荷聚合商可实现跨区域自由调度。
五、虚拟电厂的收入模式
虚拟电厂商业模式是参与现货市场、辅助服务市场，提供需求侧响应或容量服务赚取削峰填谷收入，或为通过优化管辖内用户用电计划，获取溢价分成。
- 虚拟电厂收入模式 -
欧洲和美国电力现货市场/辅助服务市场已比较成熟，虚拟电厂已完全实现商业化。我国虚拟电厂发展处于试点示范应用阶段。
- 中国虚拟电厂发展现状 -
现阶段，我国的虚拟电厂多作为可控负荷聚合商，通过调度灵活性资源提供调峰、备用、需求响应等电力辅助服务，获得补偿收入。
目前江苏、浙江、上海、冀北等地区已开展虚拟电厂实践，主要响应资源包括储能设施、充电桩、居民、楼宇等。
- 我国虚拟电厂实践案例 -
六、虚拟电厂的前景
电网调峰压力持续增加，2022年我国全国调度最大负荷为12.9亿KW，增速8.2%。按照这个增速计算，中国电力企业联合会预计今年2023年全国最高用电负荷 13.7 亿千瓦左右，比2022年增加8000万千瓦左右。
据中电联预计，2025年全社会用电量达9.5万亿千瓦时，而最大负荷将达到16.3亿千瓦。考虑项目可行性，按照5%的可调节能力测算，虚拟电厂可构建的可调资源潜力按照响应能力需求容量、投资成本按1000元/千瓦计算，预计到2025年，虚拟电厂投资规模有望达815亿元。
七、小结
能源智慧化已成全球能源转型重要趋势，作为能源智慧化的关键技术，虚拟电厂应用前景广泛，全球都在抢占先机、争取战略主动。
随着技术进步、政策完善，市场将逐步成熟，未来虚拟电厂的参与主体将更多元，运营规则日趋完善，政策支持更有力，经济收益更合理，市场竞争力更强，市场潜力巨大。
但也要注意到，国内相关产业刚刚起步，虚拟电厂标准体系还不够完善，缺少全国性的虚拟电厂平台，未来还有很长的一段路要走。
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