万物皆可虚拟？虚拟电厂了解一下
被疫情隔离在家后，深深感叹，自己这条命是电给的，做饭上网洗漱娱乐，甚至是用咖啡机做一杯续命拿铁，都离不开电。
我们赖以生存的电或许来自于某块太阳能板、某个正在郊外旋转的风机，那如果说某天下雨或者无风，这部分电从哪里来呢？又或者某天烈日当空，大风狂作，电网中过剩的局部电力又应该去哪儿呢？这时候就需要交给我们今天要讨论的话题：虚拟电厂。
虚拟电厂是什么？
虚拟电厂并非传统意义上的发电厂，它是一种将不同空间的可调（可中断）负荷、储能、微电网、电动汽车、分布式能源等一种或多种资源聚合起来，实现自主协调优化控制，参与电力系统运行和电力市场交易的智慧能源系统。
璞跃中国将虚拟电厂中所涉及的主体及运转原理总结成以下图片：
虚拟电厂定义图示
虚拟电厂通过链接聚合商、微电网，以及它们所辖的各类负荷、储能、微电网、电动汽车、分布式电源等参与电力市场交易已获利，同时帮助电力市场平和调节，既可以作为“正电厂”向系统供电调峰，又可作为“负电厂”加大负荷消纳配合系统填谷。
虚拟电厂概念起源
虚拟电厂概念的萌生是电力市场化改革和需求侧响应的共同产物。
电力市场化改革则是还原了电能商品的商品属性，通过市场化这个工具，调节电力供需的平衡。下图展示了电力市场零售交易的各个主体及相互之间的关系：
电力市场主体
从上往下看电的流动，有发电商，就是火力、水力、光伏风能、核能等发电厂，也包括小型的个体发电主体。发电公司通过电网企业将电输送到各个地方。由于用电方规模差异，电力需求不同，于是诞生了售电商。售电商代理小用户的交易需求，最后经由配电公司将电配送至各个用电终端。每一笔交易，都需要报给调度中心进行安全校核，同时需要有交易公司来出清，确定电量、用/发电曲线及价格。中心每时每刻评估发电方用电双方的供需及价格，以交易来实现平衡。
在这个过程中，由于市场协调机制的效率有限以及突发状况，总会存在未被完全消纳的电力及不断波动的需求，比如短时大量降雨造成水电多发，或者开工受限到这的用电负荷骤降。然而电力本身所具有的安全属性和即时属性使得我们必须在平滑曲线上下功夫，除了在发电侧上努力，在用电侧上也可以释放潜能，这就带来了需求侧响应。电力供需不匹配的情况下，在一定激励措施下，用户主动改变自己的用电方式和用电行为，参与供需调剂，实现电力供需平衡，从而减轻电力系统的整体压力，保障电力运行的稳定性。
虚拟电厂发展三阶段
说完了虚拟电厂的概念来源，接下来说说虚拟电厂的发展。
虚拟电厂能发展起来是以三类资源的发展为前提的，一是可调（可中断）负荷，二是分布式能源，三是储能。现实中这三类资源往往会糅合在一起，特别是可调负荷中间越来越多包含自用型分布式能源和储能，或者再往上发展出微电网、局域能源互联网、需求侧聚合商等形态，同样可以成为虚拟电厂控制的一个单元。
虚拟电厂的三类基础资源都在快速发展，所以在此之上的虚拟电厂自身的发展空间也在快速拓宽。但这并不是说有了资源虚拟电厂就自然发展出来了，而是要有一系列必要的体制机制条件为前提。依据外围条件的不同，我们把虚拟电厂的发展分为三个阶段。
// 第一阶段：邀约型阶段
这是指在没有电力市场的情况下，由政府部门或调度机构牵头组织，各个聚合商参与，共同完成邀约、响应和激励流程。
// 第二阶段：市场型阶段
这是指在电能量现货市场、辅助市场和容量市场建成后，虚拟电厂聚合商以类似于实体电厂的模式，分别参与这些市场获得收益。在第二阶段，也会同时存在邀约型模式，其邀约发出的主体是系统运行机构。在我国属于市场型虚拟电厂的只有冀北电力交易中心开展的虚拟电厂试点。
// 第三阶段：自主调度型虚拟电厂
是未来的虚拟电厂，随着虚拟电厂聚合的资源种类越来越多，数量越来越大，空间越来越广，实际上可以称之为“虚拟电力系统”了。可以实现跨空间的自主调度。
虚拟电厂发展三阶段对比
CVPP VS TVPP
按照功能，虚拟电厂又可以分为商业型虚拟电厂(CVPP)和技术型虚拟电厂(TVPP)，这一部分内容在上周的能源互联网科普文中也有提及。
商业型虚拟电厂(CVPP)，目的是最大化期内部各分布式能源用户的综合收益，考虑商业收益，一般不考虑配电网的影响。而技术型虚拟电厂(TVPP)关注的重点在于为系统运行提供服务，主要管制为DSO（配电系统运营商）提供本地系统管理以及为TSO（输电系统运营商）提供系统平衡和辅助服务。
技术型虚拟电厂和商业性虚拟电厂对比
在实际的运行中，虚拟电厂会从描述个分布式能源的参数组合中创建一个操作配置文件，这个文件也正是虚拟电厂的信息核心。换句话说，虚拟电厂参与了电力交易（例如在批发市场中签订合同）和分布式能源组合信息（用于向系统运营商提供管理与辅助服务），这两种不同用途的配置文件也正是CVPP和TVPP运行的核心信息。
虚拟电厂参与方及常见模式
在CVPP的实际运行中，每个分布式能源主体都需要上报其运行参数、边际成本等信息，这些分布式能源的输入信息同市场分析、地方数据等其它输入信息一起汇集到单一的虚拟电厂中创建配置文件，每个配置文件都代表了一个分布式能源实时组合的运行描述。市场信息随着配置文件的增加而增加，接下来就可以完成在远期合同市场、期货市场、电能量市场及辅助服务市场的投资组合方案，并实时评估相关交易能力，然后它会把相关的订单合同和投标报价的信息提交给电力交易中心实施交易，而CVPP组合方案中各分布式能源则需要向TVPP提交发电计划、运行成本等参数信息，TVPP会将这些信息与本地的网络信息（如拓扑、配网约束、网络实时状态等）结合起来，从而建立与上级输电网链接的本地各分布式能源运行特性的配置文件，DSO和TSO提供例如实时平衡，电网阻塞管理等服务。
虚拟电厂与先进通信及区块链
虚拟电厂中，协调控制技术，智能计量技术以及信息通信技术都离不开先进通信的加持。通信网络需要能够满足从自动抄表、分布式能源控制到电子集成等各种应用的需求。而智能电表和聚合网关的测量间隔越来越短，要求通信网络能够携带足够的数据量，比如上万规模的用户短数据包。先进通信中的5G技术未来对于虚拟电厂的发展而言不可或缺。
区块链的技术特点与虚拟电厂的特点与发展理念不谋而合。区块链具有去中心化、协同互补的特点，这与虚拟电厂在地域上的分散性和运行调度上的协调性有一定的相似之处。基于区块链打桶储能、电动车、虚拟电厂等分散的源荷终端，应用智能和园实现交易申报、出清、执行、补偿等环节，而且链上运作，保证交易的可信度，对于培育良好的市场生态很有帮助。
虚拟电厂案例展示
// 冀北泛（FUN）电平台虚拟电厂
泛（FUN）电平台，是指基于泛在电力物联网（Ubiquitous Electric Internet of Things，UEIOT）建设的电力系统平台，该平台围绕电力系统的各个环节，应用了包括物联网、人工智能、先进通信等技术，致力于建设具有全面感知、信息高效处理、应用灵活便捷特质的智慧服务系统。
冀北泛（FUN）电平台虚拟电厂实现了“秒级传感应用”，“亿级用户能力”和“多级共享生态”。
根据冀北电网公司公开数据，到2020年，冀北电网夏季空调负荷将达600万千瓦，10%空调负荷通过虚拟电厂进行实时响应，相当于少建一座60万千瓦的传统电厂；“煤改电”最大负荷将达200万千瓦，蓄热式电采暖负荷通过虚拟电厂进行实时响应，预计可增发清洁能源7.2亿千瓦时，减排63.65万吨CO2。
// Next Karftwerke
Next Karftwerke是德国一家大型的虚拟电厂运营商，也是欧洲最大的虚拟电厂，致力于将可再生能源平稳整合到电力系统中。该公司将可再生能源与商业和工业电力用户以及储能系统汇集在一起。该公司除了在欧洲运营有虚拟电厂外，还在日本，韩国，英国，斯洛伐克，荷兰等国的项目中作为IT技术方案提供商。截止2020年6月，Next Kraftwerke 已有9516个聚合单元，8179MW联网装机容量，6.277亿欧元营业额，其发电能力相当于4座核电站。
Next Kraftwerke自主开发了 NEMOCS，一个基于SAAS的模块化设计的软件，使VPP能够连接、监控和控制DER（分布式能源）、用户和存储系统，以高频率和最精确的方式显示和记录当前输入和资产状态的实时信息。
// 特斯拉
2020年，特斯拉发布了全新产品AutoBidder。Autobidder是一套能源资产实时交易和控制平台，能够向用户提供虚拟电厂服务，聚合负荷资源参与能量交互响应，该产品具备价格预测、负荷预测、发电量预测、智能竞价及优化调度等功能。
特斯拉以优质的分布式资源作为切入点，依托自家的大型储能系统（Megapack、Powerpack）、家庭光储一体（Powerwall、Solar Roof）、电动汽车充电网络等优势。同时，特斯拉高度垂直整合软硬件产品、支持软硬件的远程升级功能，提高了产品的功能性、兼容性和一致性。随着接入特斯拉软件的用户越来越多，规模效应逐步显现，通过一站式服务采集用户的用能数据，可以借助海量数据对用户行为画像，从而实现分布式能源应用场景的效益最大化。
在此基础上，特斯拉在全球范围统一部署分布式管理平台Autobidder，有利于建设统一的能量管理标准，实现统一管理。Autobidder采用开源协议架构，而不是传统电力系统的IEC协议或者工业自动化协议，降低了准入门槛和成本，能够吸引更多市场主体参与分布式能源。最后特斯拉以持续激励引导用户接入，通过与当地政府或能源公司深度合作，建立长期的激励机制引导用户参与分布式能源市场。例如特斯拉和英国章鱼能源公司合作，以优惠电价激励用户安装特斯拉光伏屋顶、储能墙或购买特斯拉电车；与澳大利亚政府合作，通过用电优惠、光伏上网价格补贴吸引用户使用特斯拉的家用光储产品等。
以上就是虚拟电厂的介绍，希望看完这篇文章，大家可以对虚拟电厂有进一步的了解。篇幅有限，想要了解更多可持续前沿洞见及初创企业动态，欢迎与我们取得联系！
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参考资料：
1.王鹏，王冬荣.走进虚拟电厂[M]. 北京：机械工业出版社，2020.
2.冀北泛在电力物联网虚拟电厂树模工程投运 实现秒级感传算用 https://bbs.bczh.vip/t-1407.html (出处: 电力交易论坛)
3.特斯拉的棋局：从电动车到虚拟电厂，何祥兴，南方能源观察，http://escn.com.cn/news/show-1325424.html
