虚拟电厂蓄势待发，源网荷储联动是新型电力系统必然选择

报告出品方：华福证券

以下为报告原文节选

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虚拟电厂是什么：分布式资源的聚合与优化

虚拟电厂概念最早起源于1997年《虚拟公共设施：新兴产业的描述、技术与竞争力》一书中对虚拟公共设施的定义，虚拟公共设施即通过独立且以市场为驱动的实体间开展灵活合作，参与合作的实体无需拥有相应资产便可为消费者提供所需服务，虚拟电厂便是在此概念基础上进行拓展延伸。

根据《虚拟电厂的概念和发展》一文，虚拟电厂（virtual power plant，简称VPP）是通过先进信息通信技术和软件系统，实现分布式电源、储能系统、可控负荷、电动汽车、充电桩等分布式能源的聚合和协调优化，以作为一个特殊电厂参与电力市场和电网运行的电源协调管理系统。虚拟电厂并不是真实存在的电厂，而是一种智能电网技术，应用分布式电力管理系统参与电网运行调度，实现“源-荷-网”聚合优化。

虚拟电厂是什么：结构——站控层+过程层+资源层

➢ 站控层：虚拟电厂的大脑，与大电网连接的枢纽

• 虚拟电厂站控层包括SCADA系统、优化计算模块、结算管理模块等。对上，站控层接收大电网中电力调控中心下发的调峰、调频等指令；对下，站控层与智能终端进行数据通信，获取接入资源的数据，建立用户资源模型，基于所采集的数据实现对资源灵活性预测、聚合与解聚的优化计算，并向智能终端下发优化结果。
➢ 过程层：实现对资源数据的采集、测量和控制

• 虚拟电厂过程层安装在用户资源现场的数据采集、通信及控制设备柜，主要由数据终端组成。对上，过程层向站控层通过通信远程传送运行数据，并接收站控层下发的控制指令；对下，过程层实现对接入资源实时运行数据的采集和测量，并下发控制指令。
➢ 资源层：虚拟电厂的基础单元

• 资源层主要包括各类具备调节能力的分布式资源，是站控层建立虚拟电厂模型的基础，也是执行优化调度指令的最终主体。

虚拟电厂是什么：结构——可调节性是资源层的核心

➢ 资源层的调节能力和质量决定虚拟电厂完成调度指令的能力，工商业储能作为最优质的调节资源之一，是虚拟电厂大发展的重要前提条件。
• 源：目前接入资源以分布式光伏为代表，自身不具备调节能力，可和工商业负荷视为整体，构成一个可调节负荷。
• 荷：可调节负荷各有自身能力限制，工业负荷往往受生产计划强制约，且响应速度慢；空调负荷在时间维度不可平移，基本没有填谷能力，且受用户体验和天气等因素限制，可调节范围有限；充电桩作为直接面向C端的负荷，其调节能力不可预测性较强。
• 储 ：可调节能力、响应速度和可靠性都较为优质的调节资源，同时具备削峰和填谷能力，虚拟电厂进行高频次大幅度响应的必备资源。

虚拟电厂是什么：技术——协调控制+智能计量+信息通信

➢ 虚拟电厂所需核心技术主要包括协调控制技术、智能计量技术和信息通信技术。

为什么需要虚拟电厂：风光快速增加带来的填谷需求

➢ 风光装机快速增长，加剧电力系统不可控性。截至2023H1，我国风电装机389.21GW，太阳能装机470.67GW，风光合计占总装机的31.76%。其中，2023年H1我国风电新增装机22.99GW，对比22年同期新增12.94GW，同比+77.67%；太阳能新增装机78.42GW，对比22年同期新增30.88GW，同比+153.95%，风、光均加速增长。新能源出力主要受来风、来光影响，人为干预作用小。因此，当新能源出力与负荷用电特性不吻合时，便存在新能源电力消纳问题，处理不当会引发电力系统安全事故，且造成投资的浪费。
➢ 光伏建设速度远超风电，分布式光伏成为主力。2022年我国光伏装机首次超过风电，其中分布式功不可没。2022年分布式光伏新增装机51.11GW，占当年全部光伏新增的58.48%；截至23H1，分布累计装机达198.23GW。分布式建设、选址简单，项目周期短，装机提升快。由于其出力时间高度集中，受电网调度管控程度相对低，消纳问题正在显现，山东、河南等分布式装机大省已出台分布式配储文件。

为什么需要虚拟电厂：风光快速增加带来的填谷需求

➢ “鸭子曲线”变“峡谷曲线”，光伏增加带来填谷需求。“鸭子曲线”最早由美国加州电网运营商CAISO提出，即在光伏出力高峰的中午，净负荷曲线下降，随后在晚上光伏发电量下降时净负荷急剧上升。随着光伏装机增加，CAISO的净负荷曲线出现了向“峡谷曲线”的转变，即中午净需求更低，跌至零值甚至负值；傍晚负荷增加更加陡峭，其他电源必须快速爬坡出力以适应负荷的急剧攀升。
➢ 国内以山东为代表的部分省份同样有明显的填谷需求。山东装机结构与CAISO相似，截至22年底，光伏装机占比达到22.5%。在2023年五一假期期间，山东省内用电负荷下降约15%，引发连续负电价现象。值得注意的是，4月29日-5月1日现货价格曲线形状类似鸭子曲线，期间10时-15时负电价出现尤为频繁，而该时段为光伏发电高峰。结合此前山东将中午时段划分为电价深谷时段，新能源装机增加改变了原有的负荷曲线，使得新能源集中大发时段，电网净负荷出现了一个深谷，需要对负荷进行时间上的转移（填谷）以平滑变化、促进新能源消纳。

为什么需要虚拟电厂：负荷峰值屡创新高带来的削峰需求

➢ 第三产业和居民用电增速快于工业，负荷峰值增速大于用电量增速。近十年以来，我国第二产业增速相对较低，在用电结构占比明显降低，从2013年的73%下降至2022年的66%，第三产业和城乡居民生活用电占比之和则由2013年的25%提高至2022年的33%。
➢ 用电结构变化带来负荷新变化：1）日负荷峰谷差更大；2）受极端天气和消费能力等因素影响，年负荷曲线呈现夏、冬双高峰特征 ；3）第二产业用电负荷稳定、持续，第三产业和居民用电波动性较强且时段集中效应明显，对于固定时段最大负荷的拉动效果强于对全时段用电量的拉动效果，因此用电结构变化下，全社会最大负荷增速将显著高于用电量增速，需要负荷进行时间上的转移（削峰）以保障电力供应。中电联预计2023年正常气候情况下，夏季全国最高用电负荷为13.7亿千瓦左右，同比增加8000万千瓦，如果出现长时段大范围极端高温天气，全国最高用电负荷可能同比增加近1亿千瓦。

为什么需要虚拟电厂：充电桩等新型负荷使得负荷侧复杂程度提升

➢ 充电桩保有量随新能源汽车快速提升，改变配电网形态。截至2023H1，我国公共充电桩保有量为214.86万台，同比+40.63%。2023H1，新能源汽车销量同比+44.13%，保持快速增长，可以预见未来随新能源汽车销量继续快速提升，充电桩保有量将持续增加。充电桩的大量增加将对配电网产生冲击，相比于常规交流充电桩，快充直流桩由于功率更大、充电时间更短，产生冲击更大。
➢ 充电桩加剧居民生活用电负荷峰值提升。充电桩对配电网的影响主要包括：（1）充电桩用电高峰同样是居民原有用电高峰，会导致原有负荷峰值继续提升，产生时间短、量级高的尖峰负荷；（2）按尖峰负荷配置变压器容量，导致其余时间资源闲置；（3）充电负荷波动带来网络损耗等。
➢ 因此，充电桩的发展导致了削峰填谷需求的增加，但同时充电桩和新能源汽车本身是良好的可调节负荷，如能通过虚拟电厂进行聚合和优化，是降低充电成本和降低电网投资的双赢之选。

为什么需要虚拟电厂：实现用户侧和电力系统高度灵活互动的远期目标

➢ 2023年6月，国家能源局发布《新型电力系统发展蓝皮书》，标志着新型电力系统建设进入全面启动和加速推进的重要阶段。
➢ 《蓝皮书》提出：“柔性灵活”是新型电力系统四大基本特征之一，是构建新型电力系统的重要支撑，随着分布式电源、多元负荷和储能的广泛应用，大量用户侧主体兼具发电和用电双重属性，终端负荷特性由传统的刚性、纯消费型，向柔性、生产与消费兼具型转变，源网荷储灵活互动和需求侧响应能力不断提升。
➢ 蓝皮书提出新型电力系统转型加速期（当前-2030年）用户侧目标之一为电力消费新模式不断涌现，分散化需求响应资源进一步整合，用户侧灵活调节和响应能力提升至 5% 以上，促进新能源就近就地开发利用和高效消纳。远期，将实现用户侧与电力系统高度灵活互动。

为什么需要虚拟电厂：需求侧响应能力力争达到最大负荷的3%-5%

需求侧响应能力建设目标明确。十四五前，虚拟电厂停留在个别地区、项目试点阶段，一是新能源装机占比不高，电力系统对灵活性资源需求不强；二是缺乏量化目标。
2022年，《“十四五”现代能源体系规划》提出，力争到 2025 年，电力需求侧响应能力达到最大负荷的 3%～5%，其中华东、华中、南方等地区达到最大负荷的5%左右。
虚拟电厂政策密集发布，成为新型电力系统建设的重要一环，政策力度有望持续加大。
7月11日，全面深化改革委员会第二次会议召开，审议通过了《关于深化电力体制改革加快构建新型电力系统的指导意见》。会议强调，要健全适应新型电力系统的体制机制，推动加强电力技术创新、市场机制创新、商业模式创新。虚拟电厂作为促进新能源消纳的重要环节和电力商业模式创新的重要形式，后续政策支持力度有望持续加大。

虚拟电厂如何创造收益：需求侧响应

➢ 虚拟电厂的三个收益来源：需求侧响应、辅助服务市场、电力现货市场➢ 当前我国虚拟电厂处于邀约型向市场型过渡阶段。邀约型阶段主要由政府部门或调度机构牵头组织，发出邀约信号，虚拟电厂组织资源进行响应，并获得容量/电量补贴。我国多个省份出台了需求响应细则，其中以江苏、上海、广东等省市开展得较好。
➢ 需求侧响应补贴单价高但频率低，市场化程度低。需求响应以削峰为主，主要发生在迎峰度夏期间，主要目的在于保供。以广东省为例，2022年全年开展9次日前邀约型市场化需求响应（均发生在7月和8月）；最大削峰负荷277万千瓦，最大响应申报量609万千瓦；有效响应调用收益1.63亿元。可以看到，虽然补贴最高达到5元/千瓦时（可中断负荷），但需求响应并非常态化进行，发生频率较低，有很强的计划色彩。因此随着我国电力市场体制建设逐渐完善，虚拟电厂也正从邀约型阶段向市场型阶段过渡。

虚拟电厂如何创造收益：辅助服务市场

➢ 新型电力系统持续催生对辅助服务的需求。传统电源（火电、水电等）具备一定的调节能力，而新能源存在出力波动、无功缺失等特性，导致高比例新能源装机电力系统对电力辅助服务的需求提升。根据国家能源局数据，2019H1我国辅助服务费用占总电费比例为1.47%；根据中国能源报，这一比例在近两年上升至2.5%；根据国际经验，辅助服务费用一般占社会总电费的3%以上，随着新能源大规模接入还将不断增加。因此，预计辅助服务市场规模将以高于用电量增速的速度增长。
➢ 虚拟电厂主要发挥调峰、调频作用。2021年12月，国家能源局修订发布《电力辅助服务管理办法》，确指出电力用户可通过委托虚拟电厂代理的形式参与电力辅助服务市场，此后多地在电力辅助服务细则中对虚拟电厂/负荷聚合商参与辅助服务的条件、补偿方式予以明确。当前，虚拟电厂主要功能是电能量的时间转移，对应调峰服务；未来随着工商业储能渗透率提升，虚拟电厂有望在调频服务取得更大突破。从2023H1全国辅助服务运行数据看，调峰、调频是辅助服务费用的主体，费用合计占比达到80%。

虚拟电厂如何创造收益：电力现货市场

➢ 现货试点不断推进，全国推行大势所趋。2017年，南方、蒙西、浙江、山西、山东、福建、四川、甘肃等八个地区成为第一批现货试点地区，目前首批试点地区均已完成长周期结算试运行；2022年，第二批6个试点地区启动试运行；此外，宁夏、陕西、河北南网等非试点地区也出台现货方案，推动现货市场建设。目前，国家电网公司经营区已有20个省级电网开展现货市场试运行，南方区域电力现货市场也已进入五省区全模型试运行。
➢ 现货模式下收益波动性更强，对虚拟电厂交易能力提出要求。现货市场全天96个报价时点，报价上下限幅度相对较宽，价格波动频次高、幅度大，较难进行预测。从山东省2022年2月-2023年1月共1年的现货价格情况看，连续四小时区间内，最低价和最高价出现最多的分别是10-13时和17-20时，但最低价和最高价落在这两个区间外的概率分别为46%和45%，即如果采用固定的4小时区间调峰策略，有近半的概率无法获得完整价差套利。因此，虚拟电厂参与现货套利获得收益，需要有较强的计算能力、预测能力和交易能力。

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