如何让建筑成为虚拟电厂？

随着全球气候问题愈发严峻，受极端天气冲击的传统电网，大有溃不成军之势。

2021年美国得州极寒天气下的电网瘫痪，我国东北地区风电输出骤降导致的大范围限电；2022年川渝地区严重干旱，击穿以水电为主的电力供应，加州高温天气带来的供电危机；2023年越南、南非多国出现了电荒，都揭示了电网供应的脆弱性。同时，波动性强，稳定性差的可再生能源在能源供应结构中的持续增加，也对电网提出了更高的要求。

如何建立一套更加灵活、可靠且有效率的系统管理电力资源，满足供需双方的新需求，变得越来越紧迫。

而随着分布式能源技术的发展，新能源发电量逐渐攀升，供能方式多样化，能源系统也越来越复杂，任何一栋独立的建筑都有可能是一座小型的电厂。

但以光伏为主的新能源不易控制，也不容易储存；此时多出来的电力，弃掉又太可惜。如果可以用电池或者其他技术存储起来，等需要用的时候再转换成电或其他形式能源，或者直接与其他建筑主体交互供能，这样就能尽可能提高系统的资源利用率。

不过这种情况下，系统对于设备的灵活性要求也大大提高，一般要求设备在很短时间内就能够响应，人为控制难以实现。这时候便需要采用信息技术使得多种设备互联互通，能源之间互相转换，以提高系统资源的最大程度利用。由此虚拟电厂正在成为新的热点。

什么是虚拟电厂？

资料来源：中国电科院，国信证券经济研究所整理

虚拟电厂是一种通过先进信息通信技术和软件系统，实现分布式电源DG（distributed generator）、储能系统、可控负荷、电动汽车等分布式能源资源DER（Distributed Energy Resource）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。

虚拟电厂概念的核心可以总结为“通信”和“聚合”。虚拟电厂的关键技术主要包括协调控制技术、智能计量技术以及信息通信技术。虚拟电厂最具吸引力的功能在于能够聚合DER参与电力市场和辅助服务市场运行，为配电网和输电网提供管理和辅助服务。

以大型商业综合体为例，通常这些楼宇都会配备大量的空调机组，冬天供暖夏天送冷都会消耗大量电能。在夏季用电高峰时段，如果通过预先安装的电子终端实现分钟级远程柔性可调节负荷需求响应，将中央空调的温度上调2摄氏度至3摄氏度，便可让日均用电量减少近20%，从而减轻电网的负担，同时商场用户也不会因为微小的温度上升而感到不适。如果能管控更多这样的大厦和工厂，就可以在不新建发电厂的前提下，更好地释放存量电力的潜能，保障电网安全。

虚拟电厂如何运作？

资料来源：36氪，国信证券经济研究所整理

如果将整个产业链展开，虚拟电厂可分为上游的电力供应、中游的电力管理（数字化系统平台）和下游的电力应用三大板块。虚拟电厂的运作，就是根据市场的电力供需情况，将上游的电力经由中游的数字化平台统一调配，再分配给下游的需求方。

产业链上游的电力供应就是虚拟电厂的“电源”，它包括可控负荷、分布式电源，以及储能设备。

所谓可控负荷，指可以根据电网的运行状态调整用电负荷而不影响用户用电体验的“能量消耗型”用电单位。

例如，办公大厦的空调、码头的岸电，以及公共交通的用电等，都是重要的可控负荷。在对可控负荷进行评价时，通常会采用“质”和“量”两个标准。在“质”的方面，调节意愿、调节能力，以及调节及聚合的性价比是评价可控负荷的最重要维度；而在“量”的方面，关注的则主要是可控负荷能够释放出的电量的多少。综合“质”和“量”两个维度，目前最优质的可控负荷是建筑空调和电动交通。

以建筑空调为例，如果可以通过虚拟电厂将这些大楼的用电进行优化，那么每天可以节省的电就可能达到数百千瓦时。而假如可以同时优化几百个大楼的用电，那么其节省出来的电就几乎可以比肩一个中小型的火电站，其规模是不容忽视的。

所谓分布式电力资源（DistributedEnergyResources，简称DERs），通常指的是在用户用电现场或靠近用电现场配置的规模较小的发电机组。例如小型燃机、小型光伏和小型风电、水电、生物质、燃料电池等，都可以被归入分布式电源的范畴。不过，从虚拟电厂的角度看，分布式电力资源所包含的范围还要更广一些。

对虚拟电厂而言，界定是否属于分布式电源的标准主要是调度关系。根据这个标准，只要是不归现有的公用系统调度的，或者可以从公用系统脱离的发电资源，都可以被视为是分布式电源。因此，一些企业的自备电源有时也会被认为是虚拟电厂的分布式电力资源。

所谓储能设备，指的则是那些将能源存储起来，以供需要时使用的设备。按照存储形式的区别，储能设备可以分为四个类别：一是机械储能，如抽水蓄能、飞轮储能等；二是化学储能，如铅酸电池、钠硫电池等；三是电磁储能，如超级电容、超导储能等；四是相变储能，即通过相变材料（PhaseChangeMaterial,PCM）进行能量存储的设备。随着能源技术的不断革新，储能设备已经成为了电力能源行业中最具革命性的要素，其经济性和可控性都在不断提升。

由于各国在能源结构和能源战略上的不同，它们的虚拟电厂的上游电力供应单位分布也存在着很大差异。从总体上看，欧洲虚拟电厂的电力供应主要来自于分布式电源和储能设备；而美国的虚拟电厂电力供应则主要来自于可控负荷。这两者的差别，也决定了它们的虚拟电厂在商业模式上的重大差异。

产业链中游的电力管理主要依靠物联网、大数据等技术，整合、优化、调度来自各层面的数据信息，并最终形成决策，从而实现对电力供应的协调控制。

在现实当中，电力供应经常要完成调峰和调频两样重要工作。其中，调峰要求对电力需求状况进行预测，并根据需求调节接入电网的电力，做到“削峰填谷”；而调频则需要将来自不同电源的电力频率调整到与电网匹配的频率上。在虚拟电厂的运作过程中，也需要完成类似的工作。所不同的是，借助众多智能化工具的辅助，现在的虚拟电厂已经可以更为自动化、更为高效地完成以上这些工作。

产业链下游的电力应用主要包括公共事业企业（如电网公司）、能源零售商（如售电公司）及一切参与电力市场化交易的主体。它们可以借助虚拟电厂实现电力交易、调峰调频和需求侧响应，并在这个过程中获得相应的收益。

从根本上讲，虚拟电厂的运作，其实就是按照市场供求状况，将电力从上游电力供应者那里导入电网，然后对其进行统一调配，再分配给下游电力需求者的过程。通过虚拟电厂的运作，不仅可以让电力资源实现更为高效的配置，还可以让电网供电保持持续的稳定，其功效是不容忽视的。

图片来源：国网冀北电力

以国家电网冀北电力公司2019年投运的虚拟电厂示范工程为例，该电厂聚合了张家口、秦皇岛、承德、廊坊地区的可调节工商业、蓄热式电锅炉、智慧楼宇、储能等资源，主要参与华北调峰辅助服务市场的运营。

在凌晨4时至6时风力大发期间，虚拟电厂控制蓄热式电锅炉、储能、电动汽车等分布式资源储存电力，到了晚上7时至8时用电高峰期，再将储存起来的这部分电力提供给电网，属于上述第一类电力来源。在此阶段，虚拟电厂还可将商业楼宇空调等柔性负荷降下来，节省大量电力以保障用电稳定，属于上述第二类电力来源。

同样具备调峰、调频功能，虚拟电厂的调节效率远高于传统的供应侧调节。传统煤电机组增减出力的响应时间较长，参与调峰受爬坡速率的限制。一般来说，一台煤电机组从最小出力到额定出力需要1到2个小时。而虚拟电厂聚合的储能、可调节负荷等资源响应速度可达到分钟级甚至秒级，显然快于前者。

不仅如此，虚拟电厂在稳定电力供应方面还呈现出更高的经济性。以往在出现较大用电负荷时，供应侧的调节方式往往是扩建电厂、调动备用电源、加强有序用电管理等。而虚拟电厂通过降低用电侧负荷来保障用电稳定，不会对居民、工商业用电产生过大影响，成本更低，对环境也更友好。

国家电网的一项测算显示，同样为了维持电力系统稳定，传统火电厂如果要建设煤电机组来实现经营区域内电力削峰填谷，以满足5%的峰值负荷需求即最大用电需求计算，需投入电厂及配套电网建设成本约4000亿元；如果借助虚拟电厂来实现同样的功能，其建设、运营、激励等环节仅需投资500亿元至600亿元，成本远低于前者。

建筑如何作为虚拟电厂？

杰里米.里金夫在《第三次工业革命》一书中曾指出，建筑业在第三次工业革命中的作用不容忽视，每一栋楼都是一个潜在的发电厂。

随着可再生能源技术的发展，能源系统愈发多元化，为提高供能的可靠性，越来越多的建筑也会配备自身的备用电源，在此基础上任何一栋独立的建筑都有可能是一座小型的电厂，要有效地提升能源利用效率，促进能源的有效利用。一方面可以用储能技术将自身光伏电力存储起来，能源负荷较高时，转换成电或其他形式能源；另一方面可以直接与其他建筑主体交互供能，有效提高系统的资源利用率。

此外，还可利用建筑自身产能设备充分参与电力市场，电价较高时建筑运营者可以采用自备电源产能，自发自用余电上网或直接参与到电力市场中，实现盈利；电费较低时，关闭自身的产能设备，开启用能设备的同时，开启储能设备，以备建筑负荷高峰时使用，这样可以达到与外界市场交互，充分利用市场调节机制，实现盈利的同时，有效提高宏观系统的能源利用效率，这时候建筑便化身成为虚拟电厂。

虚拟电厂的基本思路是化零为整，即把一定范围内所有可控能源设备看做一个电厂来管理，可以通过中央控制器的方式集中控制每个电源，实现协调控制，也可以通过需求响应等手段，调控各个独立控制的分布式电源及储能。随着分布式能源技术的发展，将有越来越多的建筑成为产销一体化的角色，伴随着电力市场与信息技术的逐渐成熟，未来每一栋建筑都有可能成为虚拟电厂的潜在资源。

智能电表的普及，为虚拟电厂的实现提供了良好的技术支持。虚拟电厂有望筑建起不同建筑能源系统的桥梁，构建的建筑之间、建筑与电网直接的信息通道，作为智能决策中枢，使得工商业建筑电力用户甚至居民建筑用户直接可以互利共赢，同时直接从电力市场的价格信号中受益，在充分利用当地资源的同时，大大降低建筑能源成本。

即使是一户家庭、一辆电动汽车，也能成为虚拟电厂的一部分。和共享经济类似，虚拟电厂也是通过信息化协调方式，将海量分散的资源“聚沙成塔”。打个比方，极端高温天气预警时，虚拟电厂可以根据用电缺口调节需求，向用户发出邀约，调配多余的电量解燃眉之急。再比如，电动汽车充电期间，虚拟电厂可根据电力市场价格波动情况，实时优化充放电策略，从而减少用户的充电成本。

另外，很多家庭中都有空调、洗衣机、热水器、电动汽车，每个设备都需要电力供应，但它们的用能时间、时长、需求量有一定差异，对电网供电压力的影响也存在区别。虚拟电厂所起的作用，便是可以迅速根据不同设备的状态、需求、市场价格、天气情况等信息，精细化地实现智能调配。比如，在市场价格高、电力供应紧张的时候，对各设备实现精准调控，使其少用电、少购电；在市场价格低、电力供应平稳的时候，在满足用能需求的情况下，利用储能设备将多余的电能储存起来，满足电力市场价格较高时段的用能需求。利用虚拟电厂这个“智能管家”，为每家每户实现定制化的能源使用服务，降低用户的能源成本开支。

面临问题

“十三五”时期，我国就已经开展了虚拟电厂试点工作，部署多个虚拟电厂项目，获得了大量经验。《“十四五”现代能源体系规划》提出，要开展工业可调节负荷、楼宇空调负荷、大数据中心负荷、用户侧储能、新能源汽车与电网能量互动等各类资源聚合的虚拟电厂示范。

当前，不少地方积极推进虚拟电厂建设。今年7月，南方电网分布式源荷聚合服务平台在广州、深圳、柳州三地同步开展虚拟电厂多功能联合调控，标志着我国首个区域级虚拟电厂投入运行。据介绍，这一平台已经聚合了广东、广西区域内的分布式资源规模10751兆瓦，其中可调节能力1532兆瓦，相当于投产7座220千伏变电站。

同时也要看到，我国虚拟电厂发展整体仍处于初期阶段，下一步发展还有不少难题需要解决。

当前的市场机制还不完善，更多的是邀约型，由政府部门或调度机构牵头组织、各个聚合商参与，尚未建立成熟的商业模式，需求侧负荷以及发电侧资源参与意愿不强。需要完善金融、财税等支持政策，因地制宜建设不同资源组合的虚拟电厂项目，积累更多示范经验；加快电力现货市场、辅助服务市场建设，通过价格信号为虚拟电厂参与电力系统调节提供相应的经济补偿，提供多样化的成本回收途径。

有专家还表示，当前缺乏虚拟电厂相关的规范标准，各类设备及负荷聚合商的通信协议不统一，数据交互壁垒高、不顺畅，也增加了建设难度和成本。需要加强虚拟电厂标准建设，提高标准体系的完整性、交互性、兼容性，为各环节紧密衔接提供相应规范。

小结

在“双碳”目标下，虚拟电厂对提升电网安全保障水平、推动能源绿色低碳转型具有重要意义。当前，以可再生能源为代表的现代能源系统，正加速替代以油气为代表的传统能源系统。从能源生产、消费和配置各环节看，现代能源系统以电为中心、以电网为平台的特点日益显著。未来，分布式可再生能源、电动汽车、新型储能等配电网中的分散发电和有源负荷将呈现高速增长态势，更多电力用户将由单一的消费者转变为混合型的产消者。这些都对电网的安全、可靠、经济运行等提出新的挑战。

虚拟电厂正是针对这些新现象，聚焦再电气化进程中生产侧和消费侧同步发力的重要特征，提出适应未来能源清洁低碳发展趋势的技术和商业模式，在清洁供暖、用户侧需求响应、电动汽车等领域都具有广阔的应用前景。

作为电网的“智能管家”，虚拟电厂将分散式电源和负荷化零为整，既可以作为“正电厂”向电力系统供电，也可以作为“负电厂”消纳系统的电力，起到灵活的削峰填谷作用，助力电网系统保持实时平衡。这不仅可以减少电源和电网建设投资，还可以为企业、居民等参与者提供新增收入的渠道，实现用户和系统、技术和商业模式的双赢。

能源再电气化和智慧化已成全球能源转型重要趋势。作为能源智慧化的关键技术，虚拟电厂应用前景广泛，全球都在抢占先机，争取战略主动。不过无论是在海外还是国内，虚拟电厂都还很年轻。在能源转型的道路上，尚需政府、企业、用户等各方共同努力，在市场机制建设、商业模式创新、核心技术研发以及用户广泛参与等方面积极探索，助力能源流与信息流高度融合，最终实现能源生产、交易、利用的高效化，以及能源基础设施的共享。

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