對能源電力市場來說，2021年無疑是具有里程碑意義的年份。從年初發(fā)改委將能源結構調(diào)整放在實現(xiàn)雙碳需要發(fā)力的六大領域之首，到年底中央提出構建全國統(tǒng)一的電力市場，這個方向經(jīng)歷了有史以來政策密度和市場關注度最高的一年，直到最近的兩會上熱度依然不減。
梳理這些政策和變化我們可以發(fā)現(xiàn)，實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型的關鍵在于新型電力系統(tǒng)的建設，而新型電力系統(tǒng)核心的一個「新」就是數(shù)字化。而在諸多的數(shù)字化機會中，我們認為「虛擬電廠」對新型電力系統(tǒng)的建設具有非常重大的意義，預計在未來三到五年內(nèi)迎來快速爆發(fā)。
本期研究從困境、破局、機遇、潛力等角度深入分析了這個話題，也歡迎行業(yè)內(nèi)的公司一起來探討。
困境：不可能三角和電氣化率提升帶來的挑戰(zhàn)
在電力領域有一個不可能三角，即環(huán)境友好、穩(wěn)定安全的持續(xù)供給和價格低廉難以被同時滿足。隨著以風光為代表的新能源在電力系統(tǒng)中的占比快速提高，挑戰(zhàn)愈發(fā)明顯，2021年下半年電力市場的波動就生動地詮釋了這個矛盾。
在供給側(cè)的變化之外，能源需求側(cè)的變化，尤其是電氣化率的提升也給整個電力系統(tǒng)帶來了新挑戰(zhàn)。舉例來說，北京全市的歷史尖峰負荷在2400萬千瓦左右，而現(xiàn)在電動車超沖的功率都在沖擊200千瓦甚至更高，也就是說如果12萬輛電動車同時用超沖充電，所需要的功率就已經(jīng)達到了北京的歷史負荷峰值。目前北京新能源汽車每年的增量在7萬輛，機動車保有量600萬輛，其中大部分都會在可預期的未來電動化，中間面臨的困難可想而知。
因此，如何在新型電力系統(tǒng)下破局不可能三角，平衡不穩(wěn)定的發(fā)電側(cè)和日益增長且多變的需求側(cè)，保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運行;如何在兼顧電力能源綠色安全的前提下使其更具經(jīng)濟性，這些都是最切實的挑戰(zhàn)。如何破局，我們認為虛擬電廠是未來新型電力系統(tǒng)下的重要組成部分。
破局：為什么是虛擬電廠
對于虛擬電廠的定義和概念非常多，但其核心思想就是把各類分散可調(diào)電源和負荷匯聚起來，通過數(shù)字化的手段形成一個虛擬的「電廠」來做統(tǒng)一的管理和調(diào)度，同時作為主體參與電力市場。
虛擬電廠匯聚的資源可以是發(fā)電側(cè)(尤其是新能源)的正電廠，也可以是用電側(cè)的負電廠，還可以是發(fā)電用電都有的綜合電廠，在本文我們將這些統(tǒng)稱為虛擬電廠。
為什么我們認為虛擬電廠會成為破局者，其實用一句話就可以概括：虛擬電廠可以用市場化的手段，在更大范圍內(nèi)聚合資源，從而更高效地解決電力的實時匹配問題。
電力能源難以儲存的屬性決定了其在大部分情況下，發(fā)和用必須是一個動態(tài)平衡的過程，上文提到的新型電力系統(tǒng)面對的一系列挑戰(zhàn)，無論在發(fā)電端還是用電端波動都更加劇烈。
傳統(tǒng)方式解決發(fā)用不匹配的手段就是簡單粗暴的調(diào)度和拉閘限電，屬于計劃經(jīng)濟的手段，安全效率高但是經(jīng)濟效率低，對于市場主體的影響很大。虛擬電廠用一種更加經(jīng)濟性的方式來解決這個問題，在電網(wǎng)出現(xiàn)發(fā)用不匹配的情況時，虛擬電廠通過各類可控的資源增加發(fā)電或減少用電來平衡電網(wǎng)供需，同時獲得相關服務的激勵收益。
這樣，虛擬電廠的加入將大量分散資源聚合起來參與電網(wǎng)的輔助服務市場，一方面可以通過發(fā)掘這些增量的潛力，更加靈活迅速地進行實時調(diào)度匹配，對于電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行發(fā)揮積極的作用;另一方面也通過輔助服務獲得的激勵吸引更多的主體加入虛擬電廠，進一步增強了虛擬電廠能力，形成了正向的循環(huán)。
在未來，基于虛擬電廠不斷擴大的聚合能力，它將幫助各類參與的主體在更大范圍內(nèi)優(yōu)化用能和交易策略，在為電網(wǎng)貢獻安全性能力的同時提高經(jīng)濟性，成為新一代電力系統(tǒng)市場化機制運行不可或缺的組成。
那么是哪些變化促使了虛擬電廠的發(fā)展呢?
機遇：基礎設施層面新格局初現(xiàn)
虛擬電廠最早在2000年左右在歐洲開始萌芽，并在2010年左右開始嘗試商業(yè)化運營。近幾年，無論是在歐洲、澳大利亞還是北美，虛擬電廠都進入了快速發(fā)展階段;而國內(nèi)虛擬電廠的發(fā)展還處于非常早期，但是也有了以冀北虛擬電廠為代表的標桿試點項目的出現(xiàn)，其背后有幾個核心驅(qū)動因素：
1. 電源側(cè)的結構變化
隨著新能源的快速發(fā)展，發(fā)電主體數(shù)量急劇增多，之前一個省可能就一兩百個電廠，而隨著新能源的建設，大量的分布式電站開始出現(xiàn)，發(fā)電主體數(shù)量上升了至少兩個數(shù)量級。同時，以風電、光伏為主的新能源較火電為主的傳統(tǒng)能源可控性變差。新能源占比提升帶來了巨大的預測、整合和調(diào)度問題。
2. 可調(diào)負荷變多
伴隨著新能源的發(fā)展，以電動車和儲能裝置等為代表的新型可調(diào)負荷正在逐漸變多。還是以北京的電動車為例，北京目前的日均用電量3億度，機動車保有量600萬輛，假設均為電動車且充電周期為5天，每次充電需要50度電，也就是未來每天北京電動車充電需要6000萬度電，占北京整體用電量的20%，這對于電網(wǎng)調(diào)度來說是巨大的彈性用量。
3. 通信和感知控制的能力提高
隨著物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計算、5G、AI等連接和數(shù)據(jù)技術的發(fā)展，對于設備的實時控制和精確預測能力都在迅速增強，為虛擬電廠的聚合和控制奠定了技術基礎。
4. 電力市場化改革進展迅速
2021年底中央深改委通過了《關于加快建設全國統(tǒng)一電力市場體系的指導意見》，電力市場改革再提速，未來工商業(yè)用電將全面進入市場化交易，電力的商品屬性進一步得到還原。虛擬電廠作為市場主體，通過參與市場交易完成商業(yè)閉環(huán)，獲得收益，從而解決了激勵的問題。
無論是設備層面、底層技術還是市場機制，一個以新能源為核心，以數(shù)字化為基礎，更具活力的電力市場體系已經(jīng)初見規(guī)模，而在這其中，虛擬電廠將扮演非常重要的角色。
潛力：新型電力系統(tǒng)的關鍵拼圖
虛擬電廠在未來的電力交易和調(diào)度系統(tǒng)中將是一個承上啟下的角色。向下匯聚各類可調(diào)資源，包括分布式的電源和負荷;向上作為統(tǒng)一主體提供服務、參與市場交易。
▲ 圖片來源：國網(wǎng)冀北電力公司
虛擬電廠需要擁有三類核心能力：
接入能力 。這也是最基礎的能力，需要盡可能地接入優(yōu)質(zhì)的底層資產(chǎn)，包括分布式能源、儲能等優(yōu)質(zhì)可調(diào)設備以及有調(diào)節(jié)能力的優(yōu)質(zhì)負荷。在接入的基礎上，還需要有能力基于這些設備的機理、業(yè)主的用能需求進行可調(diào)性分析，深刻全面地了解這些資源什么時候可以調(diào)，怎樣調(diào)以及調(diào)的效果如何。
控制能力 。這是虛擬電廠的核心能力，虛擬電廠需要有相應的控制能力能夠保證各類策略和指令可以被執(zhí)行，比如對于儲能充放的實時控制，對于關鍵可調(diào)設備啟?；蛘吒芸刂频?。這不僅僅需要技術上的保障，也和商業(yè)能力緊密相關。
交易能力 。這是虛擬電廠的關鍵商業(yè)能力，因為市場交易是虛擬電廠初期的主要收入來源。作為一個參與市場交易的統(tǒng)一主體，虛擬電廠可以參與到電量交易、輔助服務、需求響應等等市場中獲得經(jīng)濟收益。目前電力市場的改革還在推進的過程中，能夠交易的品種也在逐漸增多。虛擬電廠需要基于對自己接入資源的理解和對市場的判斷，尋找最優(yōu)策略，獲得最大的交易回報。
通過這些核心能力的構建，疊加基礎設施層面的變化，虛擬電廠其實在整個電力系統(tǒng)和電力市場中扮演了安全性穩(wěn)定器、流動性助推器和新能源消納倍增器的角色。
安全性穩(wěn)定器 ：虛擬電廠聚合分散的資源，首先可以通過內(nèi)部優(yōu)化的方式來降低體系內(nèi)的不確定性，同時因為其可以具有向外發(fā)電和向內(nèi)用能儲能的能力，所以在電網(wǎng)發(fā)生臨界事件需要輔助服務和調(diào)度的時候又可以快速進行響應，通過市場化的方式來實現(xiàn)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定。
流動性助推器 ：傳統(tǒng)電力體系供需都比較剛性，即使有過電力市場交易的試點，但是交易的活躍程度和流動性都一般，這中間當然有很多原因，但是其中非常主要的一點就是缺少柔性。但是對于虛擬電廠來說，其擁有大量的可調(diào)資源尤其是調(diào)節(jié)能力，自然會驅(qū)動其追求交易的機會，放大市場變化帶來的收益，所以這也給交易市場帶來了更大的流動性保證，這是一個市場可以持續(xù)繁榮的基礎。同時流動性產(chǎn)生的收益作為激勵手段，反過來促使更多可控資源加入到系統(tǒng)整體的調(diào)控中來，對于安全性又是一個反哺。
新能源消納倍增器 ：新能源的消納對電網(wǎng)來說一直是挑戰(zhàn)，因為其出力既有比較大的波動性和不可預測性，也和負荷側(cè)的需求曲線并不完全匹配。而虛擬電廠因為其聚合了眾多的可調(diào)資源，可以起到「蓄水池」的作用。舉例來說很多時候晚上風電大發(fā)，但是負荷需求不大，這時候虛擬電廠聚合的各類彈性資源比如蓄熱鍋爐、充電樁、冰蓄冷系統(tǒng)等就可以做風電消納，既實現(xiàn)了風電消納，降低電網(wǎng)白天用電高峰的負荷壓力，又享受了谷電電價為業(yè)主節(jié)省電費。
從2019年開始，國內(nèi)陸續(xù)有虛擬電廠的示范項目落地，取得了不錯的經(jīng)濟和社會效益：
●2019年12月12日，冀北虛擬電廠上線運營，首期可調(diào)容量40兆瓦，試運行期間每兆瓦每月可以帶來1萬元的收益，同時在幫助電網(wǎng)調(diào)峰，促進清潔能源消納，提升電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行水平上帶來了巨大的社會效益。據(jù)測算2020年全年冀北虛擬電廠可以增發(fā)清潔能源7.2億千瓦時，減排63.65萬噸二氧化碳。
●2021年，上海提出建設虛擬電廠試點，初步規(guī)劃100萬千瓦容量，在不到兩天的測試中，累計調(diào)節(jié)電網(wǎng)負荷56.2萬千瓦，消納清潔能源123.6萬千瓦時，減少碳排放約336噸。
●2022年，江蘇計劃在今年迎峰度夏前建設一座具備260萬千瓦可中斷負荷毫秒級精準控制能力，并可實現(xiàn)全省全覆蓋的虛擬電廠，提高電網(wǎng)的系統(tǒng)風險預防和抵御能力。
虛擬電廠正在加速被市場接受和落地，隨著新型電力系統(tǒng)建設的推進，會刺激需求進一步爆發(fā)。
簡單總結一下：
1. 虛擬電廠是應對新能源系統(tǒng)結構性變化的有效手段，通過連接聚合分散化的發(fā)電、用能和儲能資源，用數(shù)據(jù)驅(qū)動的方式形成一個高度靈活可調(diào)可控的統(tǒng)一主體，成為新型能源系統(tǒng)實現(xiàn)智能化的重要組成部分。
2. 虛擬電廠會統(tǒng)一參與到電力交易和輔助服務的市場中，一方面可以發(fā)揮聚合優(yōu)勢幫助電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，實現(xiàn)社會價值;另一方面也可以通過服務和交易獲得的收益實現(xiàn)經(jīng)濟價值。
3. 隨著統(tǒng)一電力市場建設的推進和還原電的商品屬性的深入，未來各行各業(yè)都面臨更加復雜的用能策略，甚至需要根據(jù)電力市場情況來制定生產(chǎn)經(jīng)營計劃，虛擬電廠的角色將會更加重要。
關注：以虛擬電廠為代表的能源轉(zhuǎn)型創(chuàng)新機會
在雙碳的時代大潮下，實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型是核心和關鍵，而以新能源為核心的新型電力系統(tǒng)則是轉(zhuǎn)型的重中之重。新型電力系統(tǒng)的特點決定了其必定是數(shù)字化、智能化的系統(tǒng)。
我們相信，在未來五到十年的跨度上，一定會看到柔性、智能的電力系統(tǒng)滲透進我們生產(chǎn)、生活的方方面面。作為兼具商業(yè)價值和社會價值的虛擬電廠必將是迅速發(fā)展的方向之一。
晨山的愿景是推動創(chuàng)造更美好的數(shù)字化世界。電力能源的數(shù)字化是數(shù)字化世界的核心組成部分。能源是人類社會運行的基礎，每一次能源革命都帶來了巨大的社會變革和發(fā)展紅利。我們認為新的浪潮才剛剛開始，晨山期待和優(yōu)秀的創(chuàng)業(yè)者一起參與這場偉大的創(chuàng)新。
作者 | 馬壯 晨山資本投資經(jīng)理
