如何讓建筑成為虛擬電廠？

隨著全球氣候問題愈發(fā)嚴(yán)峻，受極端天氣沖擊的傳統(tǒng)電網(wǎng)，大有潰不成軍之勢。

2021年美國得州極寒天氣下的電網(wǎng)癱瘓，我國東北地區(qū)風(fēng)電輸出驟降導(dǎo)致的大范圍限電；2022年川渝地區(qū)嚴(yán)重干旱，擊穿以水電為主的電力供應(yīng)，加州高溫天氣帶來的供電危機；2023年越南、南非多國出現(xiàn)了電荒，都揭示了電網(wǎng)供應(yīng)的脆弱性。同時，波動性強，穩(wěn)定性差的可再生能源在能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)中的持續(xù)增加，也對電網(wǎng)提出了更高的要求。

如何建立一套更加靈活、可靠且有效率的系統(tǒng)管理電力資源，滿足供需雙方的新需求，變得越來越緊迫。

而隨著分布式能源技術(shù)的發(fā)展，新能源發(fā)電量逐漸攀升，供能方式多樣化，能源系統(tǒng)也越來越復(fù)雜，任何一棟獨立的建筑都有可能是一座小型的電廠。

但以光伏為主的新能源不易控制，也不容易儲存；此時多出來的電力，棄掉又太可惜。如果可以用電池或者其他技術(shù)存儲起來，等需要用的時候再轉(zhuǎn)換成電或其他形式能源，或者直接與其他建筑主體交互供能，這樣就能盡可能提高系統(tǒng)的資源利用率。

不過這種情況下，系統(tǒng)對于設(shè)備的靈活性要求也大大提高，一般要求設(shè)備在很短時間內(nèi)就能夠響應(yīng)，人為控制難以實現(xiàn)。這時候便需要采用信息技術(shù)使得多種設(shè)備互聯(lián)互通，能源之間互相轉(zhuǎn)換，以提高系統(tǒng)資源的最大程度利用。由此虛擬電廠正在成為新的熱點。

什么是虛擬電廠？

資料來源：中國電科院，國信證券經(jīng)濟研究所整理

虛擬電廠是一種通過先進信息通信技術(shù)和軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)分布式電源DG（distributed generator）、儲能系統(tǒng)、可控負荷、電動汽車等分布式能源資源DER（Distributed Energy Resource）的聚合和協(xié)調(diào)優(yōu)化，以作為一個特殊電廠參與電力市場和電網(wǎng)運行的電源協(xié)調(diào)管理系統(tǒng)。

虛擬電廠概念的核心可以總結(jié)為“通信”和“聚合”。虛擬電廠的關(guān)鍵技術(shù)主要包括協(xié)調(diào)控制技術(shù)、智能計量技術(shù)以及信息通信技術(shù)。虛擬電廠最具吸引力的功能在于能夠聚合DER參與電力市場和輔助服務(wù)市場運行，為配電網(wǎng)和輸電網(wǎng)提供管理和輔助服務(wù)。

以大型商業(yè)綜合體為例，通常這些樓宇都會配備大量的空調(diào)機組，冬天供暖夏天送冷都會消耗大量電能。在夏季用電高峰時段，如果通過預(yù)先安裝的電子終端實現(xiàn)分鐘級遠程柔性可調(diào)節(jié)負荷需求響應(yīng)，將中央空調(diào)的溫度上調(diào)2攝氏度至3攝氏度，便可讓日均用電量減少近20%，從而減輕電網(wǎng)的負擔(dān)，同時商場用戶也不會因為微小的溫度上升而感到不適。如果能管控更多這樣的大廈和工廠，就可以在不新建發(fā)電廠的前提下，更好地釋放存量電力的潛能，保障電網(wǎng)安全。

虛擬電廠如何運作？

資料來源：36氪，國信證券經(jīng)濟研究所整理

如果將整個產(chǎn)業(yè)鏈展開，虛擬電廠可分為上游的電力供應(yīng)、中游的電力管理（數(shù)字化系統(tǒng)平臺）和下游的電力應(yīng)用三大板塊。虛擬電廠的運作，就是根據(jù)市場的電力供需情況，將上游的電力經(jīng)由中游的數(shù)字化平臺統(tǒng)一調(diào)配，再分配給下游的需求方。

產(chǎn)業(yè)鏈上游的電力供應(yīng)就是虛擬電廠的“電源”，它包括可控負荷、分布式電源，以及儲能設(shè)備。

所謂可控負荷，指可以根據(jù)電網(wǎng)的運行狀態(tài)調(diào)整用電負荷而不影響用戶用電體驗的“能量消耗型”用電單位。

例如，辦公大廈的空調(diào)、碼頭的岸電，以及公共交通的用電等，都是重要的可控負荷。在對可控負荷進行評價時，通常會采用“質(zhì)”和“量”兩個標(biāo)準(zhǔn)。在“質(zhì)”的方面，調(diào)節(jié)意愿、調(diào)節(jié)能力，以及調(diào)節(jié)及聚合的性價比是評價可控負荷的最重要維度；而在“量”的方面，關(guān)注的則主要是可控負荷能夠釋放出的電量的多少。綜合“質(zhì)”和“量”兩個維度，目前最優(yōu)質(zhì)的可控負荷是建筑空調(diào)和電動交通。

以建筑空調(diào)為例，如果可以通過虛擬電廠將這些大樓的用電進行優(yōu)化，那么每天可以節(jié)省的電就可能達到數(shù)百千瓦時。而假如可以同時優(yōu)化幾百個大樓的用電，那么其節(jié)省出來的電就幾乎可以比肩一個中小型的火電站，其規(guī)模是不容忽視的。

所謂分布式電力資源（DistributedEnergyResources，簡稱DERs），通常指的是在用戶用電現(xiàn)場或靠近用電現(xiàn)場配置的規(guī)模較小的發(fā)電機組。例如小型燃機、小型光伏和小型風(fēng)電、水電、生物質(zhì)、燃料電池等，都可以被歸入分布式電源的范疇。不過，從虛擬電廠的角度看，分布式電力資源所包含的范圍還要更廣一些。

對虛擬電廠而言，界定是否屬于分布式電源的標(biāo)準(zhǔn)主要是調(diào)度關(guān)系。根據(jù)這個標(biāo)準(zhǔn)，只要是不歸現(xiàn)有的公用系統(tǒng)調(diào)度的，或者可以從公用系統(tǒng)脫離的發(fā)電資源，都可以被視為是分布式電源。因此，一些企業(yè)的自備電源有時也會被認(rèn)為是虛擬電廠的分布式電力資源。

所謂儲能設(shè)備，指的則是那些將能源存儲起來，以供需要時使用的設(shè)備。按照存儲形式的區(qū)別，儲能設(shè)備可以分為四個類別：一是機械儲能，如抽水蓄能、飛輪儲能等；二是化學(xué)儲能，如鉛酸電池、鈉硫電池等；三是電磁儲能，如超級電容、超導(dǎo)儲能等；四是相變儲能，即通過相變材料（PhaseChangeMaterial,PCM）進行能量存儲的設(shè)備。隨著能源技術(shù)的不斷革新，儲能設(shè)備已經(jīng)成為了電力能源行業(yè)中最具革命性的要素，其經(jīng)濟性和可控性都在不斷提升。

由于各國在能源結(jié)構(gòu)和能源戰(zhàn)略上的不同，它們的虛擬電廠的上游電力供應(yīng)單位分布也存在著很大差異。從總體上看，歐洲虛擬電廠的電力供應(yīng)主要來自于分布式電源和儲能設(shè)備；而美國的虛擬電廠電力供應(yīng)則主要來自于可控負荷。這兩者的差別，也決定了它們的虛擬電廠在商業(yè)模式上的重大差異。

產(chǎn)業(yè)鏈中游的電力管理主要依靠物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，整合、優(yōu)化、調(diào)度來自各層面的數(shù)據(jù)信息，并最終形成決策，從而實現(xiàn)對電力供應(yīng)的協(xié)調(diào)控制。

在現(xiàn)實當(dāng)中，電力供應(yīng)經(jīng)常要完成調(diào)峰和調(diào)頻兩樣重要工作。其中，調(diào)峰要求對電力需求狀況進行預(yù)測，并根據(jù)需求調(diào)節(jié)接入電網(wǎng)的電力，做到“削峰填谷”；而調(diào)頻則需要將來自不同電源的電力頻率調(diào)整到與電網(wǎng)匹配的頻率上。在虛擬電廠的運作過程中，也需要完成類似的工作。所不同的是，借助眾多智能化工具的輔助，現(xiàn)在的虛擬電廠已經(jīng)可以更為自動化、更為高效地完成以上這些工作。

產(chǎn)業(yè)鏈下游的電力應(yīng)用主要包括公共事業(yè)企業(yè)（如電網(wǎng)公司）、能源零售商（如售電公司）及一切參與電力市場化交易的主體。它們可以借助虛擬電廠實現(xiàn)電力交易、調(diào)峰調(diào)頻和需求側(cè)響應(yīng)，并在這個過程中獲得相應(yīng)的收益。

從根本上講，虛擬電廠的運作，其實就是按照市場供求狀況，將電力從上游電力供應(yīng)者那里導(dǎo)入電網(wǎng)，然后對其進行統(tǒng)一調(diào)配，再分配給下游電力需求者的過程。通過虛擬電廠的運作，不僅可以讓電力資源實現(xiàn)更為高效的配置，還可以讓電網(wǎng)供電保持持續(xù)的穩(wěn)定，其功效是不容忽視的。

圖片來源：國網(wǎng)冀北電力

以國家電網(wǎng)冀北電力公司2019年投運的虛擬電廠示范工程為例，該電廠聚合了張家口、秦皇島、承德、廊坊地區(qū)的可調(diào)節(jié)工商業(yè)、蓄熱式電鍋爐、智慧樓宇、儲能等資源，主要參與華北調(diào)峰輔助服務(wù)市場的運營。

在凌晨4時至6時風(fēng)力大發(fā)期間，虛擬電廠控制蓄熱式電鍋爐、儲能、電動汽車等分布式資源儲存電力，到了晚上7時至8時用電高峰期，再將儲存起來的這部分電力提供給電網(wǎng)，屬于上述第一類電力來源。在此階段，虛擬電廠還可將商業(yè)樓宇空調(diào)等柔性負荷降下來，節(jié)省大量電力以保障用電穩(wěn)定，屬于上述第二類電力來源。

同樣具備調(diào)峰、調(diào)頻功能，虛擬電廠的調(diào)節(jié)效率遠高于傳統(tǒng)的供應(yīng)側(cè)調(diào)節(jié)。傳統(tǒng)煤電機組增減出力的響應(yīng)時間較長，參與調(diào)峰受爬坡速率的限制。一般來說，一臺煤電機組從最小出力到額定出力需要1到2個小時。而虛擬電廠聚合的儲能、可調(diào)節(jié)負荷等資源響應(yīng)速度可達到分鐘級甚至秒級，顯然快于前者。

不僅如此，虛擬電廠在穩(wěn)定電力供應(yīng)方面還呈現(xiàn)出更高的經(jīng)濟性。以往在出現(xiàn)較大用電負荷時，供應(yīng)側(cè)的調(diào)節(jié)方式往往是擴建電廠、調(diào)動備用電源、加強有序用電管理等。而虛擬電廠通過降低用電側(cè)負荷來保障用電穩(wěn)定，不會對居民、工商業(yè)用電產(chǎn)生過大影響，成本更低，對環(huán)境也更友好。

國家電網(wǎng)的一項測算顯示，同樣為了維持電力系統(tǒng)穩(wěn)定，傳統(tǒng)火電廠如果要建設(shè)煤電機組來實現(xiàn)經(jīng)營區(qū)域內(nèi)電力削峰填谷，以滿足5%的峰值負荷需求即最大用電需求計算，需投入電廠及配套電網(wǎng)建設(shè)成本約4000億元；如果借助虛擬電廠來實現(xiàn)同樣的功能，其建設(shè)、運營、激勵等環(huán)節(jié)僅需投資500億元至600億元，成本遠低于前者。

建筑如何作為虛擬電廠？

杰里米.里金夫在《第三次工業(yè)革命》一書中曾指出，建筑業(yè)在第三次工業(yè)革命中的作用不容忽視，每一棟樓都是一個潛在的發(fā)電廠。

隨著可再生能源技術(shù)的發(fā)展，能源系統(tǒng)愈發(fā)多元化，為提高供能的可靠性，越來越多的建筑也會配備自身的備用電源，在此基礎(chǔ)上任何一棟獨立的建筑都有可能是一座小型的電廠，要有效地提升能源利用效率，促進能源的有效利用。一方面可以用儲能技術(shù)將自身光伏電力存儲起來，能源負荷較高時，轉(zhuǎn)換成電或其他形式能源；另一方面可以直接與其他建筑主體交互供能，有效提高系統(tǒng)的資源利用率。

此外，還可利用建筑自身產(chǎn)能設(shè)備充分參與電力市場，電價較高時建筑運營者可以采用自備電源產(chǎn)能，自發(fā)自用余電上網(wǎng)或直接參與到電力市場中，實現(xiàn)盈利；電費較低時，關(guān)閉自身的產(chǎn)能設(shè)備，開啟用能設(shè)備的同時，開啟儲能設(shè)備，以備建筑負荷高峰時使用，這樣可以達到與外界市場交互，充分利用市場調(diào)節(jié)機制，實現(xiàn)盈利的同時，有效提高宏觀系統(tǒng)的能源利用效率，這時候建筑便化身成為虛擬電廠。

虛擬電廠的基本思路是化零為整，即把一定范圍內(nèi)所有可控能源設(shè)備看做一個電廠來管理，可以通過中央控制器的方式集中控制每個電源，實現(xiàn)協(xié)調(diào)控制，也可以通過需求響應(yīng)等手段，調(diào)控各個獨立控制的分布式電源及儲能。隨著分布式能源技術(shù)的發(fā)展，將有越來越多的建筑成為產(chǎn)銷一體化的角色，伴隨著電力市場與信息技術(shù)的逐漸成熟，未來每一棟建筑都有可能成為虛擬電廠的潛在資源。

智能電表的普及，為虛擬電廠的實現(xiàn)提供了良好的技術(shù)支持。虛擬電廠有望筑建起不同建筑能源系統(tǒng)的橋梁，構(gòu)建的建筑之間、建筑與電網(wǎng)直接的信息通道，作為智能決策中樞，使得工商業(yè)建筑電力用戶甚至居民建筑用戶直接可以互利共贏，同時直接從電力市場的價格信號中受益，在充分利用當(dāng)?shù)刭Y源的同時，大大降低建筑能源成本。

即使是一戶家庭、一輛電動汽車，也能成為虛擬電廠的一部分。和共享經(jīng)濟類似，虛擬電廠也是通過信息化協(xié)調(diào)方式，將海量分散的資源“聚沙成塔”。打個比方，極端高溫天氣預(yù)警時，虛擬電廠可以根據(jù)用電缺口調(diào)節(jié)需求，向用戶發(fā)出邀約，調(diào)配多余的電量解燃眉之急。再比如，電動汽車充電期間，虛擬電廠可根據(jù)電力市場價格波動情況，實時優(yōu)化充放電策略，從而減少用戶的充電成本。

另外，很多家庭中都有空調(diào)、洗衣機、熱水器、電動汽車，每個設(shè)備都需要電力供應(yīng)，但它們的用能時間、時長、需求量有一定差異，對電網(wǎng)供電壓力的影響也存在區(qū)別。虛擬電廠所起的作用，便是可以迅速根據(jù)不同設(shè)備的狀態(tài)、需求、市場價格、天氣情況等信息，精細化地實現(xiàn)智能調(diào)配。比如，在市場價格高、電力供應(yīng)緊張的時候，對各設(shè)備實現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)控，使其少用電、少購電；在市場價格低、電力供應(yīng)平穩(wěn)的時候，在滿足用能需求的情況下，利用儲能設(shè)備將多余的電能儲存起來，滿足電力市場價格較高時段的用能需求。利用虛擬電廠這個“智能管家”，為每家每戶實現(xiàn)定制化的能源使用服務(wù)，降低用戶的能源成本開支。

面臨問題

“十三五”時期，我國就已經(jīng)開展了虛擬電廠試點工作，部署多個虛擬電廠項目，獲得了大量經(jīng)驗。《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》提出，要開展工業(yè)可調(diào)節(jié)負荷、樓宇空調(diào)負荷、大數(shù)據(jù)中心負荷、用戶側(cè)儲能、新能源汽車與電網(wǎng)能量互動等各類資源聚合的虛擬電廠示范。

當(dāng)前，不少地方積極推進虛擬電廠建設(shè)。今年7月，南方電網(wǎng)分布式源荷聚合服務(wù)平臺在廣州、深圳、柳州三地同步開展虛擬電廠多功能聯(lián)合調(diào)控，標(biāo)志著我國首個區(qū)域級虛擬電廠投入運行。據(jù)介紹，這一平臺已經(jīng)聚合了廣東、廣西區(qū)域內(nèi)的分布式資源規(guī)模10751兆瓦，其中可調(diào)節(jié)能力1532兆瓦，相當(dāng)于投產(chǎn)7座220千伏變電站。

同時也要看到，我國虛擬電廠發(fā)展整體仍處于初期階段，下一步發(fā)展還有不少難題需要解決。

當(dāng)前的市場機制還不完善，更多的是邀約型，由政府部門或調(diào)度機構(gòu)牽頭組織、各個聚合商參與，尚未建立成熟的商業(yè)模式，需求側(cè)負荷以及發(fā)電側(cè)資源參與意愿不強。需要完善金融、財稅等支持政策，因地制宜建設(shè)不同資源組合的虛擬電廠項目，積累更多示范經(jīng)驗；加快電力現(xiàn)貨市場、輔助服務(wù)市場建設(shè)，通過價格信號為虛擬電廠參與電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)提供相應(yīng)的經(jīng)濟補償，提供多樣化的成本回收途徑。

有專家還表示，當(dāng)前缺乏虛擬電廠相關(guān)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，各類設(shè)備及負荷聚合商的通信協(xié)議不統(tǒng)一，數(shù)據(jù)交互壁壘高、不順暢，也增加了建設(shè)難度和成本。需要加強虛擬電廠標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，提高標(biāo)準(zhǔn)體系的完整性、交互性、兼容性，為各環(huán)節(jié)緊密銜接提供相應(yīng)規(guī)范。

小結(jié)

在“雙碳”目標(biāo)下，虛擬電廠對提升電網(wǎng)安全保障水平、推動能源綠色低碳轉(zhuǎn)型具有重要意義。當(dāng)前，以可再生能源為代表的現(xiàn)代能源系統(tǒng)，正加速替代以油氣為代表的傳統(tǒng)能源系統(tǒng)。從能源生產(chǎn)、消費和配置各環(huán)節(jié)看，現(xiàn)代能源系統(tǒng)以電為中心、以電網(wǎng)為平臺的特點日益顯著。未來，分布式可再生能源、電動汽車、新型儲能等配電網(wǎng)中的分散發(fā)電和有源負荷將呈現(xiàn)高速增長態(tài)勢，更多電力用戶將由單一的消費者轉(zhuǎn)變?yōu)榛旌闲偷漠a(chǎn)消者。這些都對電網(wǎng)的安全、可靠、經(jīng)濟運行等提出新的挑戰(zhàn)。

虛擬電廠正是針對這些新現(xiàn)象，聚焦再電氣化進程中生產(chǎn)側(cè)和消費側(cè)同步發(fā)力的重要特征，提出適應(yīng)未來能源清潔低碳發(fā)展趨勢的技術(shù)和商業(yè)模式，在清潔供暖、用戶側(cè)需求響應(yīng)、電動汽車等領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景。

作為電網(wǎng)的“智能管家”，虛擬電廠將分散式電源和負荷化零為整，既可以作為“正電廠”向電力系統(tǒng)供電，也可以作為“負電廠”消納系統(tǒng)的電力，起到靈活的削峰填谷作用，助力電網(wǎng)系統(tǒng)保持實時平衡。這不僅可以減少電源和電網(wǎng)建設(shè)投資，還可以為企業(yè)、居民等參與者提供新增收入的渠道，實現(xiàn)用戶和系統(tǒng)、技術(shù)和商業(yè)模式的雙贏。

能源再電氣化和智慧化已成全球能源轉(zhuǎn)型重要趨勢。作為能源智慧化的關(guān)鍵技術(shù)，虛擬電廠應(yīng)用前景廣泛，全球都在搶占先機，爭取戰(zhàn)略主動。不過無論是在海外還是國內(nèi)，虛擬電廠都還很年輕。在能源轉(zhuǎn)型的道路上，尚需政府、企業(yè)、用戶等各方共同努力，在市場機制建設(shè)、商業(yè)模式創(chuàng)新、核心技術(shù)研發(fā)以及用戶廣泛參與等方面積極探索，助力能源流與信息流高度融合，最終實現(xiàn)能源生產(chǎn)、交易、利用的高效化，以及能源基礎(chǔ)設(shè)施的共享。

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