新型电力系统专题：从全球案例看虚拟电厂商业模式

报告出品方：民生证券

以下为报告原文节选

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1虚拟电厂发展到什么 01. 阶段？

虚拟电场发展：1997年提出，目前全球呈现多元化发展态势

• 海外对虚拟电厂概念的研究日臻完善，全球呈现多元化发展趋势。1997年， Shimon Awerbuch博士使用了"虚拟公共事业"（virtual utility）的术语引入了虚拟电厂的概念。此后，多项研究对虚拟电厂的发展做出了贡献，并于2021年提出了分布式虚拟电厂（DVPP）的概念，使其通过集成灵活调控、内部平衡波动以及在批发市场出售总发电量，助力可再生能源发电机融入电网。
• 全球虚拟电厂市场潜力可期。根据Fortune business insights预测，全球虚拟电厂市场将以32.89%的CAGR从2021年的8.8亿美元增长到2028年的64.7亿美元。

虚拟电厂盈利模式多样

• 分类：根据聚合优化资源类型不同，可分为负荷型、电源型、储能型和混合型四种类型。1）负荷型：指虚拟电厂运营商聚合其绑定的具备负荷调节能力的市场化电力用户（包括电动汽车、可调节负荷、可中断负荷等），作为一个整体（呈现为负荷状态）组建成虚拟电厂，对外提供负荷侧灵活响应调节服务。2）电源型：在能源发电侧建立，可以进行能量出售与辅助服务。3）储能型：能量出售与辅助服务均可进行。4）混合型：兼具负荷型、电源型与储能型虚拟电厂特点。
• 盈利模式：1）可再生能源发电的预测与监控：增强对电力投资组合的预测与控制，帮助公用事业公司节省投资组合与实际需求差异导致的平衡成本。2）电网弹性聚合：通过容量招标及辅助服务盈利。3）需求响应聚合：通过辅助服务市场竞标收入、降低电力采购成本盈利。4）户用虚拟电厂：聚合商通过为用户提供辅助服务盈利，公用事业公司通过减少电网升级费用来增加收入。

国内外对比：存在差异，国内处于探索阶段

• 我国虚拟电厂目前以负荷侧为主，与国

外相比仍有较大差距。其本质原因在于：1）聚合资源类型不同；2）政策与市场成熟度不同；3）核心技术发展程度不同；4）商业模式成熟度不同。

2欧洲：以聚合发电侧资源为主

欧洲22年风光发电占比达16%

• 欧洲发电结构中可再生能源占比提升，22年风光发电占比共计16%。从2010年到2022年，风电和太阳能发电的比例分别从3.1%和0.5%增长到了11.2%和4.8%，反映欧洲电力结构的绿色转型以及减少碳排放的坚定决心。尽管欧洲各国对于传统能源，如天然气和煤炭的依赖依然存在，但从总体趋势来看，欧洲正在逐步减少对化石能源的依赖，转向可再生能源，以实现环境友好、可持续发展的电力生产和使用。
• 欧盟加快能源转型，意在提高能源安全和可持续性。2022年5月，欧盟通过了“REPowerEU”计划，提出到2030年，可再生能源发电量从2021年规划的40%提升到45%，带动可再生能源装机容量目标从1067G提升至1236GW。随着可再生能源的不断增长，电力市场需适应并更好地整合这些能源，吸引投资于无化石燃料的灵活技术，如需求侧响应和储能，以补充可变能源的产能。该举措旨在确保电力市场的可持续发展，为实现清洁能源目标提供支持。

欧洲虚拟电厂以聚合发电侧资源为主

• 在电网运营方面，主要可以划分为输电网运营商（TSO）和配电网运营商（DSO）两个层面。其中，TSO负责输电网络的控制和运营，由于通常只有一个全国性的TSO，因此是具有垄断性质的业务；而DSO则主要负责将电力分配给用户，各DSO之间的电价差异很大，是竞争性的业务。基于以上分工，在欧洲商业化的虚拟电厂领域，虚拟电厂通常由独立第三方运营商、发电厂以及TSO合作运营，其首要任务是为发电单位服务，并设法降本增效。
• 欧洲虚拟电厂以聚合分布式发电资源为主要目标。由于欧洲发电资源较为分散，虚拟电厂起步于电力供给侧，聚合分布式发电资源，从而帮助可再生能源稳定并网，并协调发电功率，以降低弃风弃电、负电价损失为主要目标。其价值主要源于两个方面：1）第一是辅助服务市场，该市场直接与特定地区或国家的输电系统运营商合作，在一定时期内有能力升高或降低电力产量的电力生产商可从此获得补偿。2）第二是日内市场上的不平衡交易，由于无法百分百准确预测所需能源量，因此必须实时进行能源平衡以弥补预测的不足。

德国虚拟电厂已经实现商业化

• 以德国为例，虚拟电厂已完全商业化。由于《可再生能源法》规定了可再生能源发电直接销售的要求，德国的虚拟电厂运营商可以在批发市场销售100kW以上中型可再生能源电厂产出的电量，并在日前市场优化其售电。此外，虚拟电厂还有利于灵活性较高的生物质发电和水电机组从日间市场和平衡市场中获利。除了可再生能源电厂外，燃气热电联产、电池储能、应急发电机和需求响应等皆可作为虚拟电厂资源 。
• 目前，德国虚拟电厂主要有三类运营商：1）独立虚拟电厂运营商。这类运营商不隶属于传统客户的电力供应商。它们也可以作为电力供应商（目前主要是装机在100kW以上的大客户）成为平衡责任方。2）大型电力公司（跨国、地区和市级企业）将自己的发电资源以及可能的负荷用户和发电机组聚合到虚拟电厂当中。作为电力公司，也是平衡责任方。3）新型市场参与者，特别是小规模分布式能源资源的制造商，它们主要将其用户的资源聚合到虚拟电厂当中。

Next Kraftwerke：虚拟电厂业务涉及“发输用”环节

• Next Kraftwerke 是欧洲最大的虚拟电厂运营商之一，提供虚拟电厂全套解决方案。Next Kraftwerke 成立于2009年，前身是德国清洁技术公司Next Kraftwerke GmbH。其虚拟电厂聚合的资源包括沼气电厂、热电联产厂、水电、光伏、电池储能、电动汽车、工业负荷等。 截至2022年底，Next Kraftwerke 共聚合15346台机组，联网容量12294MW。
具体案例看Next Kraftwerke 虚拟电厂如何实现与电网进行交互 ？1）电力市场准入及交易服务。Next Kraftwerke 为个人资产所有者以及 BRP 和投资组合经理提供市场准入。包括日前和盘中市场的短期交易，以及欧洲各个电力交易所的长期和场外交易（EPEX Spot、EXAA 等）。2）参与电力调度。
欧洲电力价格在日前市场每天变化 24 次，在 EPEX SPOT 日内市场每天变化 96 次，价格差异可能很大。虚拟电厂可以通过计划优化来利用这种波动性，从而实现套利，例如在价格高的时候发电。3）优化用户用能行为。虚拟电厂将电价信息发送至用户，调整用户生产至低电价时段，降低用户用电成本。
以欧洲居民一天的市场电价情况为例，在优化负荷之前，负荷集中的时间段在06：00-08：00之间，此时市场电价处于较高水平，而通过虚拟电厂灵活调节聚合资源后，优化后的负荷可以集中在电价较低的时段，从而使用户的用能成本降低。

3美国：聚焦可控负荷的需求响应

美国22年风光发电占比达9.4%

• 截至2022年，美国的可再生能源在电力结构中的比例持续增长，风光发电比例已达9.4%。对比2010年的数据，风电和太阳能发电的比例分别从1.6%和0.0%增长到了7.0%和2.4%，反映美国在过去十二年间在风能和太阳能发电应用方面的显著进步。当前美国的电力结构中仍以天然气和煤炭发电为主，分别占据27.3%和13.4%，但煤炭发电的比例不断下降，可再生能源发电的比例不断上升，显示出美国在推动可再生能源方面的积极态度。
• 美国可再生能源规划帮助其实现气候目标，到2050年达到零碳排放。根据美国能源情报署（EIA）数据，得益于美国《通货膨胀削减法案》（IRA）和全州范围内对可再生能源提案的推动，2023年美国太阳能市场将新增29.1GW公用事业规模光伏和9.4GW的储能项目，在54.5GW的新增发电产能中占70%。如果按计划并网，2023年将有望成为美国公用事业规模光伏新增容量最多的一年。

美国电网体系较为独立，电力运营商高度分散

• 美国本土的48个州的电力系统由三个主要互连系统组成，基本彼此独立运行，且相互之间的电力传输有限。在三大电网下，还存在着CAISO、SPP、ERCOT、MISO、PJM等区域性电力调度中心，分别负责部分地区各自的电力调度，并对电价进行管理。
• 由于各州电力市场化进程不同，美国存在三种电力市场机制。1）没有建立电力市场的地区。处于垂直一体化的传统状态，公用事业公司负责调度机组为其辖区内的用户供电。2）仅放开电力批发市场的地区。发电企业全部竞价上网，由市场形成批发电价，供电服务由区域的公用事业公司垄断经营。
3）批发、零售市场全面放开的地区。电力用户可以自主选择不同售电商，售电商的购电成本由电力市场批发电价、输电价格、配电价格和政府性基金组成，售电商再加上一定利润后销售给终端电力用户。最典型的就是德州、加州。
• 美国电力市场既有批发也有零售。电力产业链分散为发电主体、输配电主体和能源零售商三个环节，美国七大七大独立系统运营商（ISO）负责调度、发电、输电规划以及系统的运行安全和发电端-输配电端（批发市场）、输配电端-零售端（零售市场）市场运行的管辖。

美国虚拟电厂：聚焦可控负荷的需求响应

• 美国虚拟电厂通过控制电力价格和相关政策参与系统削峰填谷。该计划主要由能源零售商推动，以出售低价储能电池换取对部分电力的控制权，通过指导电力用户暂时变更用电模式进行削峰填谷。在用电高峰期，零售商以虚拟电厂方式聚合所控制的部分储能，以确保电网系统的稳定性，并提供给需要的用户，获得辅助服务收益。虚拟电厂增强了电网的可靠性和弹性，据RMI预测，到2030年，虚拟发电厂预计将美国的能源需求峰值降低60GW，到2050年可以减少超过200GW。
• 美国的虚拟电厂以聚焦可控负荷的需求响应为主，其原因主要有两点：1）美国拥有众多直接连接到用电侧的分布式太阳能资源。随着《降低通货膨胀法案(IRA)》的发布，美国政府为风能、太阳能和其他化石燃料替代品提供了超过3000亿美元的资金，给美国的可再生能源行业带来极大的鼓励和支持。根据Statista的数据，2022年美国新增住宅光伏装机容量达到5.9GW。同比增长40%。2）美国存在众多竞争性电力市场。
公共事业企业对发电-输配电环节的垄断被ISO打破后，电力批发与零售市场相较于欧洲更为活跃，与C端用户联系紧密。

特斯拉虚拟电厂计划：通过Powerwall进行用户侧余电调度

• 特斯拉通过电力零售计划实现电力调度。2022年12月，特斯拉推出电力零售计划Tesla Electric，支持当地用户向美国德克萨斯州的能源供应商出售Powerwall 中未使用的电力来赚取电费。参与该计划后，用户的Powerwall电池会自动决定何时充电以及何时向电网出售电力，即该系统可在低电价时为电动汽车充电或存储电力，在最有利的情况下将来自于业主储能系统的电力出售到电网。特斯拉还为能源供应商提供了能源价格跟踪和电力管理功能，帮助能源供应商监控 Powerwall 用户的贡献。
• 2022年，加州公共事业公司 PG&E 借助 Powerwall 向用户直接购买电力。该项目是特斯拉与 PG&E 合作的 “Emergency Load Reduction Program” 虚拟电厂项目的一部分，主要目的为解决加州夏季电力供应紧张的情况。拥有 Powerwall 的 PG&E 客户可以自愿选择通过特斯拉的应用程序注册加入，而在电网用电紧急高峰期，所有参与计划的 Powerwall 将被调度，每提供额外的1千瓦时电能，其所有者将获得 2 美元的收益，远高于加州平均住宅电价25美分/千瓦时。聚合的廉价绿色能源可以有效替代原本使用的昂贵燃气火电，进而为虚拟电厂赚取差价收益。

Sunverge 虚拟电厂平台：主要基于需求侧响应计划

• Sunverge 能源平台使分布式能源资源参与电力公司、输配电电网运营商、电网边缘服务提供商、第三方聚合商的批发市场。主要提供三种业务：1）营运储备：由于意外事件或紧急事件而调度分布式能源资源（DER）供电请求。2）频率调节：通过聚合用户侧分布式资源实时响应独立能源运营商调节信号，即时响应上下调节的请求，解决短期电网供需失衡和频率波动问题，并跟踪系统负载的亚分钟波动并纠正发电机输出的意外变化。3）需求响应：通过响应系统操作员的信号来降低分布式能源组合的需求。

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