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虛擬電廠:新機遇與新挑戰

由 經濟觀察報 發表于 運動2022-09-12
簡介當虛擬電廠幫助發電單位接入電網,並完成電力交易後,就可以從交易中獲得一定的提成

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虛擬電廠:新機遇與新挑戰

陳永偉/文

8月26日,國內首家虛擬電廠管理中心——深圳虛擬電廠管理中心舉行了揭牌儀式,這讓“虛擬電廠”這個名詞上了熱搜。

今年以來,北半球氣候遭遇了百年不遇的異常。一方面,不斷重新整理記錄的高溫讓居民的用電量激增;另一方面,降雨的減少和持續的乾旱又對水力發電造成了嚴重的干擾,電力供給大減。這供求的一減一增,使得各國的電力都出現了巨大的缺口,限電、停電事件不時發生。在這樣的背景下,如何建構一套足以應對極端天氣造成的電力負荷變化的穩定電力管理系統,已成了擺在各國政策制定者面前的一道難題。而虛擬電廠,就是關於這個問題的眾多答案中的其中一個。

虛擬電廠究竟是什麼?它是怎麼運作的?其商業模式又怎樣?區塊鏈等新型技術又對虛擬電廠的發展起到怎樣的作用?對於我國來說,虛擬電廠的應用前景如何,又面臨著哪些挑戰?關於這一切,且讓我們一一說來。

虛擬電究竟是什麼?

顧名思義,虛擬電廠(VirtualPowerPlant,簡稱VPP)並不是一個物理意義上的電廠,它不燒煤,也沒有廠房,而是透過軟體系統和資訊通訊等技術搭建起來的一套能源管理系統。藉助這個系統,可以將不同空間的分散式電源、儲能設施、可控負荷等資源整合起來,並實現協調最佳化控制,從而模擬出類似電廠的功能。

我們知道,在現實世界中,電廠的功能主要有兩個:一是發電,為電力市場提供電能;二是根據現實情況,對供電的負荷進行調節,從而保證電網的穩定性。而虛擬電廠,就是要利用一套建立在“空中”的管理系統來模擬出電廠的上述兩個功能。

雖然虛擬電廠是在近幾年才火起來的,但其實它並不能算是什麼新東西。它的思想淵源至少可以追溯到1997年由希蒙·阿韋布奇(ShimonAwerbuch)和阿利斯泰爾·普雷斯頓(AlistairPreston)就曾經聯合主編的著作——《虛擬公共設施:新興產業的核算、技術和競爭》(TheVirtualUtility:Accounting,Technology& CompetitiveAspectsoftheEmergingIndustry)。在這部書中,就提出了一種基於市場驅動,讓不同的獨立實體之間實現靈活合作,為消費者提供高效電能服務,而不需要擁有對應的實體資產的“虛擬公共設施”模式。這個思想在提出之後就受到了廣大能源學者的重視,而我們現在所看到的虛擬電廠其實就是虛擬公共設施的一種實現模式。從實踐上看,虛擬電廠的起步也較早。2000年,歐洲5個國家的11家公司就聯合推出了虛擬電廠專案VFCPP。

虛擬電廠所涉及的產業鏈很複雜,它由上游的電力供應、中游的電力管理和下游電力應用共同構成。

產業鏈上游的電力供應就是虛擬電廠的“電源”,它包括可控負荷、分散式電源,以及儲能裝置。

所謂可控負荷,指可以根據電網的執行狀態調整用電負荷而不影響使用者用電體驗的“能量消耗型”用電單位。例如,辦公大廈的空調、碼頭的岸電,以及公共交通的用電等,都是重要的可控負荷。在對可控負荷進行評價時,通常會採用“質”和“量”兩個標準。在“質”的方面,調節意願、調節能力,以及調節及聚合的價效比是評價可控負荷的最重要維度;而在“量”的方面,關注的則主要是可控負荷能夠釋放出的電量的多少。綜合“質”和“量”兩個維度,目前最優質的可控負荷是建築空調和電動交通。以建築空調為例,如果可以透過虛擬電廠將這些大樓的用電進行最佳化,那麼每天可以節省的電就可能達到數百千瓦時。而假如可以同時最佳化幾百個大樓的用電,那麼其節省出來的電就幾乎可以比肩一箇中小型的火電站,其規模是不容忽視的。

所謂分散式電力資源(DistributedEnergyResources,簡稱DERs),通常指的是在使用者用電現場或靠近用電現場配置的規模較小的發電機組。例如小型燃機、小型光伏和小型風電、水電、生物質、燃料電池等,都可以被歸入分散式電源的範疇。不過,從虛擬電廠的角度看,分散式電力資源所包含的範圍還要更廣一些。對虛擬電廠而言,界定是否屬於分散式電源的標準主要是排程關係。根據這個標準,只要是不歸現有的公用系統排程的,或者可以從公用系統脫離的發電資源,都可以被視為是分散式電源。因此,一些企業的自備電源有時也會被認為是虛擬電廠的分散式電力資源。

所謂儲能裝置,指的則是那些將能源儲起來,以供需要時使用的裝置。按照儲存形式的區別,儲能裝置可以分為四個類別:一是機械儲能,如抽水蓄能、飛輪儲能等;二是化學儲能,如鉛酸電池、鈉硫電池等;三是電磁儲能,如超級電容、超導儲能等;四是相變儲能,即透過相變材料(PhaseChangeMaterial,PCM)進行能量儲存的裝置。隨著能源技術的不斷革新,儲能裝置已經成為了電力能源行業中最具革命性的要素,其經濟性和可控性都在不斷提升。

由於各國在能源結構和能源戰略上的不同,它們的虛擬電廠的上游電力供應單位分佈也存在著很大差異。從總體上看,歐洲虛擬電廠的電力供應主要來自於分散式電源和儲能裝置;而美國的虛擬電廠電力供應則主要來自於可控負荷。這兩者的差別,也決定了它們的虛擬電廠在商業模式上的重大差異。

產業鏈中游的電力管理主要依靠物聯網、大資料等技術,整合、最佳化、排程來自各層面的資料資訊,並最終形成決策,從而實現對電力供應的協調控制。我們知道,在現實當中,電力供應經常要完成調峰和調頻兩樣重要工作。其中,調峰要求對電力需求狀況進行預測,並根據需求調節接入電網的電力,做到“削峰填谷”;而調頻則需要將來自不同電源的電力頻率調整到與電網匹配的頻率上。在虛擬電廠的運作過程中,也需要完成類似的工作。所不同的是,藉助眾多智慧化工具的輔助,現在的虛擬電廠已經可以更為自動化、更為高效地完成以上這些工作。

產業鏈下游的電力應用主要包括公共事業企業(如電網公司)、能源零售商(如售電公司)及一切參與電力市場化交易的主體。它們可以藉助虛擬電廠實現電力交易、調峰調頻和需求側響應,並在這個過程中獲得相應的收益。

從根本上講,虛擬電廠的運作,其實就是按照市場供求狀況,將電力從上游電力供應者那裡匯入電網,然後對其進行統一調配,再分配給下游電力需求者的過程。透過虛擬電廠的運作,不僅可以讓電力資源實現更為高效的配置,還可以讓電網的供電保持持續的穩定,其功效是不容忽視的。

舊想法為何成為新概念?

既然虛擬電廠並不是新東西,那它為什麼直到最近才開始火爆呢?在我看來,其原因應該分為需求和供給兩個方面。

從需求角度看,虛擬電廠的火爆主要是由氣候變暖加劇,以及人們的節能意識提高引致的。在近幾年中,隨著平均氣溫的不斷攀升,關於氣候變暖是否存在的爭議正在減少,各種異常天氣的反覆出現更是給人們造成了巨大的損失。面對不斷升溫的環境,“必須為遏制這個趨勢做些什麼”已成為了很多人的共識。在這種背景下,即使還有很多人並不確信碳排放與氣候變暖之間存在著因果關係,也會本著“寧可信其有不可信其無”的觀點變得更加支援節能政策。這種共識的形成,就催生出了節能和提高能源效率的巨大需求。而虛擬電廠的理念正好十分適應這種理念,所以就迎來了巨大的需求上漲。

從供給角度看,虛擬電廠的火爆是由電力供應單位增加,以及電力調配能力增強這兩方面因素共同導致的。

首先是電力供應單位的增加。如前所述,虛擬電廠的電力供應來源包括可控負荷、分散式電源,以及儲能。隨著技術的發展,這三者的數量都在過去的幾年中出現了大幅度的增長。

其次是電力調配技術的改進。虛擬電廠的設想要想變為現實,就必須對電力的供需狀況進行精準的識別,並在其基礎上進行及時的調配。在上世紀末,相應的技術條件並不具備。例如,對於現在的虛擬電廠而言,物聯網技術是非常重要的,但物聯網的概念是1999年才由Auto-ID中心正式提出的,這個時間要晚於虛擬電廠概念出現的時間,而物聯網真正被應用到實踐的時間則更晚。此外,像大資料、人工智慧、區塊鏈等現在在虛擬電廠中發揮重要作用的技術,在二十多年前也都不成熟。而在最近的十多年中,上述提到的各種技術都獲得了前所未有的發展,這就為實現早已出現的虛擬電廠構想奠定了堅實的技術基礎。

正是在以上這些供求因素的共同作用之下,才讓虛擬電廠這個“舊想法”在新的時代煥發了生機,重新被人們所重視。

虛擬電廠的商業模式

透過前面的討論,我們知道,虛擬電廠的本質就是把原本不歸公用系統排程的散落能源供應整合起來,再透過調配,輸送給那些電力的需求者。那虛擬電廠的商業模式是什麼樣的呢?

大致上講,目前市場上的虛擬電廠有兩種不同的商業模式。一種是側重於分散式發電單位,透過參與電力交易來獲取收益;另一種則是側重於使用者端的電力資源,透過提供輔助服務來獲取收益。

第一種模式

第一種商業模式在歐洲最為流行。在歐洲,電力系統由發電、輸電、配電和售用四個環節構成,而電網運營主體可以劃分為輸電系統運營商(Transmis-sionSystem Operator,以下簡稱TSO)和配電系統運營商(DistributionSystemOperator,簡稱DSO)。其中,TSO負責輸電網路的控制和運營,是在區域內具有壟斷性質的業務;而DSO則主要負責將電力分配給使用者,是競爭性的業務。在上述分工之下,歐洲的虛擬電廠通常是由第三方運營商、發電廠,以及TSO合作運營的。所以,歐洲虛擬電廠的首要任務也當然是為發電單位服務,幫助它們接入電網、參與交易,並設法為它們降低成本、提升效率。

這種商業模式可以從兩個來源獲得收入:一是向發電企業收取服務費。虛擬電廠可以幫助發電企業進行規劃,並提供相應技術支援,讓其對電力的提供有更為科學的計劃,降低因多發電或發電不足而造成的不必要成本。對應的,它們就可以根據節約的成本收取相應比例的費用。二是從交易中抽成。當虛擬電廠幫助發電單位接入電網,並完成電力交易後,就可以從交易中獲得一定的提成。

由於歐洲的虛擬電廠起步較早,因此目前已經有了很多上述模式的成功案例。其中,最有代表性的當屬德國的Next-Kraftwerke。Next-Kraftwerke的前身是成立於2009年的德國清潔技術公司NextKraftwerkeGmbH,其最初的主營業務為應急發電機、風力渦輪機和沼氣發電廠的聚合工作。2011年,Next-Kraftwerke的虛擬電廠平臺研發成功,並投入使用。2020年,其全年營收已經達到了5。95億歐元。2021年,Next-Kraftwerk被殼牌公司收購。根據殼牌的預測,到2030年,透過Next-Kraftwerk交易的電量將會是現在的兩倍。

目前,Next-Kraftwerk的盈利業務主要分為三塊:

一是幫助可再生能源發電企業實時監測發電情況,讓它們避免出現發電量預測不準的情況,節省不必要的成本。由於可再生能源的發電具有很高的隨機性和波動性——比如風力發電的發電量就會嚴重受制於風力變化的影響,因此經常會出現發電量不足以向TSO交付約定電量的情況。每當這樣的情況出現,發電商就需要從其他發電商那裡高價購入電力來履行約定。在Next-Kraftwerk的幫助之下,這些可再生能源發電企業將可以更為精準地預測電力的供求情況,從而更理性地和TSO簽訂合同,規避損失。當然,Next-Kraftwerk將會從這樣的服務中收取不菲的服務費用。

二是向電網側提供短期柔性儲能服務,並向其收取費用。

三是透過控制需求側的用電量來服務電網側,根據電網狀況調整用電側的需求,收取輔助費用。

第二種模式

第二種模式主要流行於美國。在美國,部分地區的電力市場的某些部分受到監管,垂直整合的公用事業企業負責提供給消費者全部電力。而在另一些地區,電力市場則是競爭性的,它們由獨立的系統運營商 (IndependentSystemOperator,簡稱ISO)來負責運營。ISO的存在打破了公共事業企業對發電和輸配電環節的壟斷,從而允許各獨立儲電主體參與到與輸配電網的交易中,這就為虛擬電廠的存在奠定了基礎。

美國是一個太陽能資源豐富的國度。在過去的幾年中,由於受到政府的大力扶持,美國的光伏發電得到了高速的發展。巨大的光伏裝機容量,使得其利用的太陽能不僅可以滿足使用者自己的需要,還可以在必要時輸入電網進行售賣。在這種情況下,所謂的“需求側響應”,即使用者根據市場需求來調劑其電量的活動進行服務的業務就有了很大的市場。而在這個過程中,虛擬電廠就成了一個必不可少的關鍵角色。

在美國的虛擬電廠中,最為成功的案例就是特斯拉的Powerwall。Power-wall是特斯拉和太陽能面板安裝商SolarCity於2015年5月聯合推出的家用儲能電池。從外觀上看,Powerwall就是一塊大型的“充電寶”,它可以搭配特斯拉家用太陽能電池SolarRoof,白天利用太陽能電池對其充電。充電完成之後,它就可以被用來向家庭供電,或者接入電網來售賣富餘電力。當然,在陰天等光照不充分的情況下,使用者也可以透過Powerwall來從電網購買電力。

特斯拉在對Powerwall進行推廣後,先後與 EnergyLocals、GreenMountainPower、PG&E等公共事業公司和電力零售商先後開展了虛擬電廠專案。專案幫助Powerwall擴大系統的安裝量,同時電力零售商透過與Powerwall使用者簽訂協議,可以獲得這些分散式電池電力的部分使用權,實現聚合需求側的資源以及虛擬電廠的商業化擴張。這樣,龐大的Powerwall就構成了虛擬電廠的供電源頭,而特斯拉透過對Power-wall的使用者更好地進行“需求側響應”,不僅可以讓電力得到更有效率的配置,還能在此過程中收取豐厚的費用。

舉例來說,2022年,特斯拉與加州公用事業公司 PG&E合作開展了名為“緊急負荷削減計劃”(EmergencyLoadReductionProgram)的虛擬電廠專案,擁有 Powerwall的 PG&E使用者可以自願透過特斯拉的應用程式註冊加入該專案。在電網面臨需求壓力時,專案參與者可以以每千瓦時2美元的價格向電網供電——這個價格遠遠超過了當地每千瓦時25美分的電價。不過,公用事業單位也並不吃虧。在以往遇到這樣的情況時,它就不得不以更高的價格向其他電廠購入電力,有時甚至還會因為購不到電而導致斷電。當然,在這個使用者和公用事業單位雙贏的過程中,特斯拉也會獲得可觀的服務費用。

可能的第三種模式

需要指出的是,無論是類似於Next-Kraftwerk的歐洲模式,還是Pow-erwall所代表的美國模式,本質上都採用了一種中心化的運作模式。在這種運作模式下,中心化的控制平臺需要不斷蒐集供需兩方面的資訊,並根據相關資料進行及時匹配,完成精準排程。很顯然,這會存在很多侷限之處:其一,中心化的運作會給管理平臺帶來非常大的負擔。隨著交易量的擴大,這種負擔會迅速提升,由此會產生非常高的成本,並對電力的配置效率產生嚴重的影響。其二,中心化的平臺很難針對供求的變化造成精準的調控。其三,中心化的處理模式勢必讓運作平臺掌握大量的使用者資料,因而會面對資料洩露等風險。

針對這種情況,現在已經有不少專家開始討論一種去中心化的虛擬電廠模式,而近年來區塊鏈技術的成熟,就為實現這種模式提供了技術上的基礎。具體來說,可以考慮將電力供應單位和用電單位統一上鍊,透過智慧合約,設定相關的交易機制。這樣,電力的供求雙方就不再需要依賴於中心化的交易平臺,而可以在區塊鏈上直接實現點對點的交易。這種分散式的點對點交易模式不僅可以緩解中心化擁擠所造成的效率低下以及安全隱患,還可以透過更為靈活的價格調節,更好地實現供需匹配。

在虛擬電廠的管理上,可以參考Web3。0領域流行的DAO(DecentralizedAutonomousOrganization,即“去中心化組織”)模式,參與交易的供需方都可以成為DAO的參與者。它們對這個DAO的所有貢獻都可以獲得對應的通證(to-ken)回報。憑藉通證,它們不僅可以參與DAO的治理,還可以享受到對應的經濟利益(例如交易中的價格補貼)。

不過,目前看,以上這種基於區塊鏈的虛擬電廠模式還存在著一些技術上的瓶頸。例如,目前區塊鏈交易所依賴的共識機制效率普遍還比較低下,要驗證一筆交易不僅需要較高的成本,還需要很長的時間,這對於時效性很強的電力交易而言是非常致命的。

虛擬電廠在我國的應用前景及挑戰

與歐美相比,虛擬電廠引入我國的時間較晚,但對於這項重要的能源調配技術,我國一直給予了高度重視。在“十三五”期間,我國就在江蘇、上海、河北等地先後開展了關於電力需求響應和虛擬電廠的試點工作。其中,江蘇省還在 2015年出臺了《江蘇省電力需求響應的實施細則》。2019年,國家電網提出了“泛在電力物聯網”,國內首個虛擬電廠“國網冀北虛擬電廠”也建成並實現了發電和用電的自我調節。

最近幾年,隨著國家“3060雙碳”目標的提出,光伏、水電等新能源基礎設施蓬勃發展,電動汽車等可控負荷單位數量也大幅增加。而與此同時,氣候的異常也使得電網面臨的隨機衝擊越來越大。隨著電力供應源的大量增加,供需之間的不匹配問題還可以進一步改善。據統計,2020年全國棄風電量166。1億千瓦時;棄光電量52。6億千瓦時(注:所謂棄風電量指的是發出但沒有使用的風電數量,而棄光電量指的是發出但沒有使用的光伏電數量)。而如果推廣虛擬電廠,讓電力得到更有效率的配置,那麼其經濟和社會效益都會是相當可觀的。

與此同時,我國電力市場本身具有的巨大波動性,也決定了要削峰填谷、維持電力系統穩定需要巨大的成本,而虛擬電廠的加入則可以在很大程度上降低這個成本。國家電網曾經做過一個測算,如果透過火電廠來實現電力系統削峰填谷,那麼滿足5%的峰值負荷就需要投資4000億元;而如果是用虛擬電廠來實現這一點,那麼在建設、運營、激勵等環節投資僅需500億元至600億元。

綜合以上幾點可知,虛擬電廠在中國的應用前景將是非常廣闊的。不久前,中金公司曾經做過一個測算,認為到2030年,中國的虛擬電廠市場規模將可以達到1320億元,其規模可見一斑。

不過,我們也必須看到,至少在現階段,虛擬電廠在我國的發展還會遇到很多挑戰:

其一,虛擬電廠專案涉及的技術很多,其中一些技術瓶頸現在還沒有得到很好的解決。例如,當電力的供需方大規模接入網路後,如何能夠保持網路的通暢和平穩執行?如何預測電力供需的變化、實現電力在供求主體之間的有效調配?

其二,目前電力供給單位參與的意願並不強烈,因而虛擬電廠的電力來源依然難以保持穩定。造成這種現象的原因是多方面的。一方面,相對於歐美等國,我國的電價是相對較低的,因而供電主體,尤其是那些可控負荷主體並沒有太強的供電激勵。另一方面,由於技術所限,供電可能會對供電主體本身的裝置造成一定的損害。

其三,虛擬電廠的發展可能還會損害一些主體的既得利益。比如,過去當市場上的電力供不應求時,電網就會向一些電廠高價購買電力。一旦虛擬電廠從分散式電力資源或者可控負荷來調劑電力,就勢必會侵犯這些電廠的既得利益。如果這種利益衝突不處理好,就會引發很多矛盾。

綜合以上幾點,我們可以看到,儘管虛擬電廠在我國的應用前景很廣闊,但其需要克服的問題依然不少。因此,虛擬電廠的發展可能還有很長的一段路要走。

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