（报告出品方/作者：东北证券，黄净、吴雨萌）1. 虚拟电厂综述：电力市场化背景下调控新能源的信息技术1.1. 虚拟电厂的概念：聚集发电、用电资源并进行优化调度的特殊电厂虚拟电厂的相关概念最早由 Shimon Awerbuch 博士于 20 世纪末提出，在《虚拟公共 设施：新兴产业的描述、技术及竞争力》论文中对虚拟公共设施进行了定义：受市 场驱动的独立实体间灵活合作，且能够为消费者提供所需的高效电能服务而不必拥 有相应的资产。
此后,行业内许多专家学者都表达了对虚拟电厂概念不同的理解。
目 前虚拟电厂被广泛的认为是一种利用软件系统和信息通信技术，将分布式发电、需 求侧和储能资源聚合并统一协调控制，从而参与电力市场和电网辅助服务并获取收 益的物联网技术。
虚拟电厂的产业链由上游基础资源、中游系统平台和下游电力需求方共同构成。
分 布式电源、储能、可控负荷的发展共同构成了虚拟电厂上游的基础资源，重点应用 于包括工业、建筑和居民领域。
在实践中各类资源混合杂糅，发展出微网、局域能 源互联网等形态，作为虚拟电厂的次级控制单元。
中游资源聚合商主要依靠物联网、 大数据等技术，整合、优化、调度、决策来自各层面的数据信息，实现虚拟电厂核 心功能——协调控制，是虚拟电厂产业链的关键环节。
产业链下游为公共事业企业 （电网公司）、能源零售商（售电公司）及一切参与电力市场化交易的主体，实现 电力交易、调峰调频和需求侧响应的参与并获取收益。
1.2. 虚拟电厂的产生：碳中和背景下电力供需平衡调整的重要手段1.2.1. 能源供给侧：新能源装机导致电力供给波动性提升虚拟电厂诞生的大背景：降碳成为全球共识。
多个国家和地区先后签署了《联合国 气候变化框架公约》、《巴黎协定》等，旨在控制气候变化，而绿色低碳的可持续发 展理念已逐渐成为全球共识。
全球主要国家相继针对碳排放问题提出了相应的计划 和措施，并对能耗做出具体要求。
美国总统拜登提出，美国 2030 年碳排放将在 2005 年的基础上减少 52%，并在 2050 年彻底实现“零排放”；欧盟预计到 2050 年，温 室气体排放量减少 85-90%，并计划为 2030 年设定中期目标；我国中央财经委员会 在 2021 年第九次会议指出力争 2030 年前实现碳达峰，2060 年前实现碳中和；计划 至 2025 年，单位国内生产总值能耗比 2020 年下降 13.5%；单位国内生产总值二氧 化碳排放比 2020 年下降 18%。
电能将取代化石燃料作为主要的终端用能形式，风电、太阳能发电占比逐年提升。
能源危机的日益加深及化石燃料带来的环境污染，使可再生能源逐步在全球范围内 得到广泛应用。
目前多国选择通过提升电能占终端用能的比例来实现降低碳排放的 目标，全球范围内以风电、太阳能为主的新能源装机量及发电量占比显著提升。
截至 2021 年，全球风电、太阳能发电量占比分别达到 6.59%和 3.72%，全球风电、太 阳能装机容量分别为 845GW 和 942GW，2011-2021 年全球风电、太阳能装机量年 复合增长率分别为 13.51%和 29.69%。
风电和太阳能作为清洁能源和可再生能源的 重要组成部分，将成为降低碳排放，实现全球气候、可持续发展目标的重要抓手。
风电、太阳能发电可预测性有限，峰谷差问题催生更多储能资源需求。
与传统火电、 水电相比，风电及太阳能布点分散，易受天气等环境因素影响，因此发电功率呈现 明显的间歇性和波动性特征。
随着风电、太阳能并网比例提升，电网消纳及电力调 度面临挑战，系统调峰调频需求提升。
储能技术改变了电能生产、输送和使用同步 完成的模式，随着风、光为主的新能源大规模并网，储能将覆盖电力生产及调配的 各个环节，是削峰填谷的重要途径之一。
截至 2021 年，全球储能装机容量 203.5GW， 同比增长 6.5%，其中抽水蓄能装机容量 177.8GW，电化学储能装机容量为 15.3GW。
储能资源接入电网，一方面实现了削峰填谷的功能，另一方面也为电网统筹调度增 添了难度，需要通过信息技术手段来优化储能资源的调度配置。
分布式电源兼具环保与经济性，发展迅速，但对电网提出了更高的要求。
分布式电 源指分布在用户侧的能源利用系统，通常功率较低，与环境兼容，用以满足电力系 统和用户特定的要求。
目前，分布式电源根据使用技术的不同，可分为热电冷联产 发电、内燃机组发电、燃气轮机发电、小型水力发电、分布式光伏、分布式风电等。
分布式电源通常为中小型模块化设备，具有投资规模小、建设周期短、维护方便的 特点，能够广泛利用当地资源实现密集分布型用户的低耗降损和灵活调节，因此近 年来在欧洲、美国、日本等国家有力的政策支持下增长迅猛。
根据 IRENA《Renewable Capacity Statistics 2019》表明，当前全球分布式可再生能源已占据总装机容量的三 分之一；IEA 预测，到 2024 年全球分布式光伏将占据光伏市场总量的近一半，分布 式太阳能光伏容量有望达到 600 兆瓦。
分布式电源的灵活性和环保性特征使其被认 为是实现电力削峰填谷以及解决电力供应紧张问题的有效途径之一，例如，在负荷 高峰期夏季/冬季，采用分布式热电冷联产发电可解决供冷/供热需要，同时也产生 电力，可对电网起到削峰填谷作用。
虚拟电厂聚合发电、储能资源，并进行统一优化调度，是解决峰谷差的有效形式。
风电、太阳能等发电形式将对电网出力端形成较大的冲击，影响到电力系统的稳定 性维护。
同时，峰谷差问题催生的储能、分布式电源的大规模装机也增加了出力资 源的数量，调度复杂度大幅提升。
虚拟电厂（VPP）能够有效聚合分布式电源和储 能电站等资源，依靠物联网等技术，处理风电、光伏等出力端带来的不确定性，帮 助电网实现协调优化控制，加强新型电力系统内部各单元间的协同，从而提升电力 系统的灵活性与稳定性。
1.2.2. 能源需求侧：电动车等可控负荷增加使得负荷端控制力逐步提升新能源电动车销量提升及节能管理的应用带动可控负荷大幅增长。
可控负荷一般指 在供电部门的要求下，按照合同可以限制用电一段时间的特定用户的负荷。
从用户 用电的角度看，新能源汽车充电、户用及工商业节能管理是可控负荷的主要形式。
首先，新能源电动车保有量上升，充电需求为电网带来大量负荷。
随着全球油价上 涨和新能源电动车技术的日益成熟，电动车销量不断上升，截至 2021 年，全球新 能源汽车销量达到 630 万辆，同比增长 94.44%。
其次，智慧楼宇、智能家居等节能管理技术逐渐成熟，为负荷端的灵活控制创造条件。
对于工商业用户而言，节能控 制系统能够实现空调、电梯、照明等系统的智能化管控，能够有效降低能耗成本； 对于居民用户而言，智能家居能够在供暖、热水供应、制冷等场景下帮助家庭达到 节能目的，减少居民电费支出。
虚拟电厂通过有效利用可控新增负荷，有效降低新增负荷对电网的冲击，甚至可以 实现对电网的削峰填谷。
从新能源电动车的角度看，大量电车充电将会为电网带来 更大的负荷需求。
以家用充电为例，在傍晚的用电高峰期，大规模的电车充电需求 将加剧电网的峰谷差，甚至引发电力供应不足的问题；而应用虚拟电厂技术，能够 将用电时间推后，在不影响充电效果的情况下适当降低充电速度，减缓电力峰谷差。
因此，虚拟电厂能够在电能消费侧有效缓解无序充放电给电网产生的负面影响，丰 富电力系统的运行和控制手段，并参与系统削峰填谷、 提供频率稳.定和备用容量 等辅助服务。
1.3. 虚拟电厂的技术：计量、通信、调度算法和 VPP 专用信息安全技术各国开发的虚拟电厂各有特色，我们将在后文中进行讨论，但总结各国虚拟电厂项 目的运作模式和架构后，我们认为，各国虚拟电厂所运用的核心技术具有很强的相 似性。
计量、通信、智能调度决策算法以及信息安全防护技术是虚拟电厂的技术支 撑： 1）计量技术：精确地计量用户侧电、热、气、水等耗量，建立精准的能源网络供 需平衡，为虚拟电厂的调度、生产提供依据； 2）通信技术：控制中心接收各子系统的状态信息、电力市场信息、用户侧信息等， 并根据这些信息进行决策、调度、优化；目前可利用包括互联网、虚拟专用网、电 力线路载波、无线通信等技术，在此基础上还需要开发虚拟电厂专用的通信协议和 通用平台； 3）智能调度决策技术：各子系统的统筹优化调度是虚拟电厂实现分布式能源的消 纳及保障电网安全、高效、稳定运行的关键；控制中心需要收集、处理的信息包括： 用户的需求信息、各子系统运行信息、电网调度信息、电力市场价格信息以及影响 分布式电厂的天气、风能、太阳能等信息；根据收集的信息，控制中心需要建立完 善的数学模型及优化算法；4）信息安全防护技术：虚拟电厂与各个分布式能源站的工业控制系统、面向用户 的用电信息系统、公开的市场营销信息系统、电网的调度信息系统都存在接口，需 要做好系统安全防护、强化边界防护、提高内部安全防护能力，保证信息系统安全； 在当前针对工业控制系统的安全防护技术和面向用户的用电信息系统防护技术基 础上，发展与虚拟电厂相适应的大型综合用电信息系统安全技术也是未来虚拟电厂 发展的关键。
2. 欧美虚拟电厂商业模式略有不同，但是均被验证2.1. 虚拟电厂发源欧洲基于“市场驱动+独立运营”的理念，全球多国对虚拟电厂纷纷开展研究，其中欧 洲、美国、日本、澳大利亚等国家目前均实施了相关项目。
本章节将选取欧洲、美 国为代表，研究海外成熟虚拟电厂的运作模式。
欧洲为虚拟电厂发源地，以发电资源的聚合为主要目标。
全球首个虚拟电厂项目诞 生于 2000 年，德国、荷兰、西班牙等 5 国 11 家公司共同启动虚拟电厂项目 VFCPP， 以中央控制系统通信为核心，搭建了由 31 个分散且独立的居民燃料电池热电联产 (CHP)系统构成的虚拟电厂。
2005 年，英、法等 8 国 20 家机构启动了 FENIX 项目， 以 FENIX 盒、商业型虚拟电厂和技术性虚拟电厂为创新点，分别在英国和西班牙实 施，该项目为接下来虚拟电厂的设计奠定了框架基础。
随后，丹麦、波兰、比利时 等国家也开展了虚拟电厂项目的尝试，运用智能计量、智能能量管理和智能配电自 动化等支柱技术，先后在虚拟电厂中引入电动汽车充电站平台、氧化还原电池、锂 电池、光伏电站、风电场、小型水电站等资源，虚拟电厂规模逐渐扩大。
2012 年， 挪威国家电力公司 Statkraft 在德国建立了第一个商业化虚拟发电厂，并向英国提供 1GW 灵活燃气发电；2013 年，德国 Next Kraftwerke 公司研发的虚拟电厂 Next Pool 开始为德国 4 大输电网运营商（TSO）提供控制储备服务。
Statkraft 和 Next Kraftwerke 的案例标志着欧洲的虚拟电厂产业全面进入商业化阶段。
与欧洲模式略有不同，美国模式偏重需求测。
美国虚拟电厂是在需求响应（DR）的 基础上建立的，即通过控制电力价格、电力政策的动态变化来引导电力用户暂时改 变其固有的习惯用电模式，从而降低用电负荷或获取电力用户手中的储能来保证电 网系统稳定性。
2005 年，美国颁发《能源政策法案》，大力支持对需求响应的建设， 将需求响应上升到国家发展层面，逐步建立了完善的需求响应管理系统。
2016 年， 美国纽约州 Con Edison 公司启动 CEVPP 计划，该项目是美国首个虚拟电厂计划， 斥资 1500 万美元为布鲁克林和皇后区的约 300 户家庭配备租赁的高效太阳能电池 板和锂离子电池储能系统并参与虚拟电厂计划，该虚拟电厂参与输配电延迟、调峰、 频率调节、容量市场和批发市场等应用，探索了通过虚拟电厂平台支持能量存储聚 合的盈利能力。
2017 年至今，美国佛蒙特州、纽约州、德克萨斯州及加利福尼亚州 的公共事业公司相继开展虚拟电厂计划，邀请业主参与计划并给予补偿费用。
标杆项目——“FENIX”：在电力运营商、电力市场及用户之间建立链接，实现各 机组设备的全息感知和高效调配。
FENIX 项目在探索适合欧洲电力系统的虚拟电厂 这一目标上实现了重大突破，因此我们以 FENIX 项目为例，解读虚拟电厂的通用架 构。
FENIX 将分布式能源（DER）整合入大型虚拟电厂（LSVPP），并对其进行分 级管理，由代理系统提供分布式能源的成本曲线和其他运行特性（发电和负荷容量、 爬坡率、启停时间等），并形成竞标曲线，进一步发送至电力交易系统并参与市场 交易。
FENIX 包括 3 个核心元素：FENIX 盒（FENIX box）、商业型虚拟电厂（CVPP） 以及技术性虚拟电厂（TVPP）。
（报告
