数字电网系列研究一：虚拟电厂：以虚之电厂，行调节之效

虚拟电厂：以虚之电厂，行调节之效 ——数字电网系列研究一 分析师：殷中枢 执业证书编号：S0930518040004 联系人：刘满君 2022年11月29日 证券研究报告 虚拟电厂是电力系统灵活性调节能力的有效补充。虚拟电厂通过数字化技术调用分散式的可调节资源，包括各类可调节负荷、分布式电源、储能等，形成对电力平衡的有效调节，是对存量资源的再次开发利用，成为解决新能源消纳问题的重要手段。根据发展阶段不同，可分为邀约型、交易型、自治型三类。 虚拟电厂的收益包括需求侧响应、电能量交易、辅助服务。目前虚拟电厂仍处于发展的早期阶段，已投运虚拟电厂的主要收益还是需求侧响应，本质是主动型有序用电，全年运行时间、调用次数较少，但单次调用的收入较高。进入电力现货交易、辅助服务交易的虚拟电厂较少，未来能否形成规模，高度依赖电力市场改革的进程，电力现货、辅助服务的市场机制直接影响虚拟电厂收益。 中庚基金 虚拟电厂是分布式智能电网本地平衡控制的市场化实现。未来电网是大电网与分布微电网的有机结合，自治型虚拟电厂除了参与大电网的互动，对本地电力的平衡与电力交易组织将发挥越来越大的作用，符合分布式电网就地电力平衡、区域分散管理的内在需求。同时，虚拟电厂作为电力用户的“供用电代理”，冷、热、电、气的综合能源服务将在未来用户能效管理与节能中拥有更大的发展空间。 政策变化风险 电力行业与国家宏观经济政策、产业政策以及国家电力规划有着密切联系，直接影 响电力行业投资。 电力市场建设不及预期 电力市场建设受中央政府、地方政府、发电企业、电网企业多方影响，各省省情与市场基础不同，全国统一电力市场建设推进或受制约。 目录 虚拟电厂背景与国内外实践虚拟电厂技术路线 虚拟电厂盈利模式与发展趋势 风险分析 新型电力系统，由“源随荷动”到“源荷互动”。 风电、光伏等可再生能源大规模并网，发电侧可控性变差 分布式电源容量小、数据多，分散通过低压配网并网，改变了传统集中式大规模受控发电的电力系统结构 大规模电动汽车随机接入电网，改变了电网潮流特性，电网行为更加随机 图1：电力系统结构变化示意 资料来源：曾凯文，《虚拟电厂的电网应用场景探讨》 传统电网投资体现的是充裕度与安全性，满足负荷需求为第一要务 新型电力系统中，负荷双高峰，冬季高峰、夏季高峰，冷热这类温度敏感性负荷使得电网尖峰负荷“越来越尖”，但全年持续时间短，是否为了满足短时间的尖峰负荷进行冗余设计，从而提高系统成本？ 城市配电网建设，遇到用地紧张，供电容量扩建成本高等问题，同时有区域结构性供电紧张，资源利用率低的问题。 图2：电力系统供电紧张问题示意 资料来源：曾凯文，《虚拟电厂的电网应用场景探讨》 系统能否在高比例波动可再生能源的情况下灵活运行，是电力系统转型的核心，且对于确保现代电力系统 的安全性至关重要。 电力系统灵活运行能力主要是指电力系统能够可靠且经济有效地应对全时间尺度的供需平衡变化和不确定性，从而确保电力系统瞬时稳定性、并支持长期供电安全。系统调节能力不足会降低电力系统的稳定性，或产生大量的弃电。电力系统灵活运行能力既来自电力供给侧，还可以通过电网基础设施，需求侧响应和电力存储来提供系统运行调节能力。在具有较高波动性可再生能源占比的电力系统中，发电侧以 外的其他系统组成提供的系统灵活性极为关键。 表1：灵活性提升手段比较图3：系统灵活性运行资源 单位调节容量投资小，调峰能力提 持续时间 提升手段优势不足 若干秒若干分钟若干小时若干天若干月 火电灵活性改造 电化学储能站 升显著 配合检修同步进行，周期短见效快 抽水蓄能电站   启动速度快 不仅提升灵活性，还能作为事故备  用和黑启动电源 抽发损失25%，使用成本高 地理条件受限 改造的技术方案成熟，提升空间大 全自动化控制，响应快速 控制精度高，可全容量调节 配套政策与机制依赖性较高 响应调节速度慢，冷启动需5小时 缺乏转动惯量，不利于控制电网频率 前期投资高，性价比较低 频率调整 集电 中网 / 式公 / 跨司 区发 输电 送厂 定位 第 分三 / 布方 / 式电 运行备用负荷平衡 联络线路 抽水蓄能 灵活发电 电池储能需求响应 季节性套利 氢燃料 需求侧响应潜力大 前景好 终网 / 目前尚不具备大规模建设条件端公用司 价格信号传导机制形成需要较长时户发 间 电厂 提升效果存在不确定性 需求侧资源可控性相对较差 响应效果难以精确计量，有争议 数字电网智能充电 虚拟电厂 储能改进电网灵活发电需求侧灵活性 资料来源：《火电机组灵活性改造的激励机制研究》张晶等，《中国电力系统灵活性的多元提升路径研究》袁家海教授课题组，光大证券研究所 资料来源：IEA，《中国电力系统转型》 图4：高比例可再生能源接入带来的挑战 资料来源：恒华科技,《综合能源服务的内涵与外延》，光大证券研究所 定义：依托互联网和现代信息通讯技术，把分布式电源、储能、负荷等分散在电网的各类资源相聚合，进行协同优化运行控制和市场交易，实现电源侧的多能互补、负荷侧的灵活互动，对电网提供调峰、调频、备用等辅助服务。 核心要素：分布式资源、聚合、优化控制 关键词：电厂、聚合、价值 图5：虚拟电厂与真实电厂的比较 调节手段 电能量市场 辅助服务市场 容量市场 调节资源 虚拟电厂 调增出力、 调减负荷 负荷削峰为主，可参与 电力市场 以调峰为主， 能力可拓展 容量补偿 分布式电源、储能、 充电桩、可调节负荷 电厂 调节出力 中长期、现 货电力交易 调峰、调频、备用、调压 等 容量补偿 火电厂、风电、光伏 资料来源：国家电网，光大证券研究所 从全球来看，虚拟电厂在欧美发达国家发展已经形成一定规模，亚太地区虚拟电厂需求将进一步增长。咨询机构P&S预计，全球虚拟电厂市场将从2016年的1.92亿美元增长至2023年的11.88亿美元，年均复合增率超30%。 据国家电网测算，若通过建设煤电机组满足其经营区5%的峰值负荷需求（2020年国网区域最大负荷约8.75亿千瓦，5%即4375万千瓦），电厂及配套电网投资约4000亿元；若建设虚拟电厂，建设、运维和激励的资金规模仅为400亿~570亿元，折合900~1300元/千瓦。 图6：虚拟电厂调度场景比较 请务必参阅正文之后的重要声明9 资料来源：曾凯文，《虚拟电厂的电网应用场景探讨》 虚拟电厂发展阶段： 图7：虚拟电厂的三个阶段 阶段 颁发主体 主要特征 目的 工具 场景 对象 市场关键主体 第一阶段 邀约型 通过需求响应激励资金池推动 削减峰荷 需求响应 供冷供热 用电单位 政府机构 第二阶段 交易型 通过电力交易引导主体加入电力市场 电力平衡 现货市场 调峰调频 发电企业 交易机构 第三阶段 自治型 通过信息强化市场主体参与力度 能源改革 智能算法 有源负荷 产销用户 运营机构 资料来源：璞跃中国，光大证券研究所整理 表2：虚拟电厂相关政策 时间 颁发主体 政策文件名称 主要内容 2022.01 国家发改委国家能源局 《“十四五”现代能源体系规划》(发改能源[2022]210号) 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(V2G)能量互动等各类资源聚合的虚拟电厂示范 2022.01 国家发改委国家能源局 《关于完善能源绿色低碳转型体制机制和政策措施的意见》(发改能源[2022)206号) 拓宽电力需求响应实施范围，通过多种方式挖掘各类需求侧资源并组织其参与需求响应，支持用户侧储能、电动汽车充电设施、分布式发电等用户侧可调节资源，以及负荷聚合商、虚拟电厂运营商、综合能源服务商等参与电力市场交易和系统运行调节 2022.01 国家发改委国家能源局 《关于加快建设全国统一电力市场体系的指导意见》(发改体改[2022]118号） 引导各地区根据实际情况，建立市场化的发电容量成本回收机制，探索容量补偿机制、容量市场、稀缺电价等多种方式，保障电源固定成本回收和长期电力供应安全。鼓励抽水蓄能、储能、虚拟电厂等调节电源的投资建设 2021.07 国家发改委国家能源局 《关于加快推动新型储能发展的指导意见》(发改能源规[2021]1051号) 鼓励聚合利用不间断电源、电动汽车、用户侧储能等分散式储能设施，依托大数据、云计算、人工智能、区块链等技术，结合体制机制综合创新，探索智慧能源、虚拟电厂等多种商业模式 2021.03 国家发改委国家能源局 《关于推进电力源网荷储一体化和多能互补发展的指导意见》(发改能源规[2021]280号) 充分发挥负荷侧的调节能力。依托“云大物移智链”等技术，进一步加强源网荷储多向互动，通过虚拟电厂等一体化聚合模式，参与电力中长期、辅助服务、现货等市场交易，为系统提供调节支撑能力 2015.07 国家发改委国家能源局 《关于促进智能电网发展的指导意见》(发改运行[2015]1518号) 依托示范工程开展电动汽车智能充电服务、可再生能源发电与储能协调运行、智能用电一站式服务、虚拟电厂等重点领域的商业模式创新 资料来源：国家发改委、能源局，光大证券研究所整理 时间 颁发主体 政策文件名称 主要内容 2022.01 天津市工业和信息化局 《天津市2022年电力需求响应实施细则》 加强需求响应中心运营能力建设，并研究整合相关技术力量，更好支撑我市做好新形势下电力需求侧管理工作，持续完善升级技术支撑平台，开展新型电力负荷管理系统建设，助推我市加快推进虚拟电厂建设工作。 2022.02 河南人民政府 《河南省“十四五”现代能源体系和碳达峰碳中和规划》 布局建设一批能源云平台、智能电站、虚拟电厂、分布式能源站、储能示范项目，推进能源全领域、全环节智慧化发展。 2022.02 内蒙古自治区人民政府 《内蒙古自治区“十四五”能源发展规划》 鼓励聚合可调节负荷资源、储能和分布式新能源，发展供需智能互动的虚拟电厂，促进新能源消纳利用；鼓励聚合蓄热式电锅炉、智慧楼宇、智能家居、用户侧储能、工商业负荷等可调资源，推动综合能源服务、辅助服务供应商、能源聚合商等多元主体参与电力辅助服务市场化交易，打造虚拟电厂生态体系，提升电力系统灵活性调节能力，到2025年，构建最大负荷3%的需求响应资源库。 2022.04 河北省发展和改革委员会 《河北省“十四五”新型储能发展规划》 到2025年，全省布局建设新型储能规模400万千瓦以上，实现新型储能从商业化初期向规模化发展转变，具备规模化商业化应用条件；加快推动源网荷储融合建设，鼓励电网企业联合社会资本建设以大规模共享储能为支撑的区域性虚拟电厂。 2022.04 广东电力交易中心 《广东省市场化需求响应实施细则（试行）》 建立以市场为主的需求响应补偿机制，引入有资源聚合管理能力的负荷聚合商，拓宽电力需求响应实施范围，逐步形成年度最大用电负荷5%的响应能力，发挥需求侧资源削峰填谷、促进电力供需平衡和适应新能源电力运行的作用。 2022.05 湖北省人民政府 《湖北省能源发展“十四五”规划》 推动电动汽车、氢燃料电池、智慧节能建筑等能源与交通、建筑领域的跨界融合，探索推广V2G、商业储能、虚拟电厂、“光伏+”等新型商业模式。 2022.05 北京市人民政府 《北京市“十四五”时期能源发展规划》 提高电力需求侧响应能力。发挥电力在能源互联网中的纽带作用，挖掘需求响应资源，聚集大型商务楼宇、电动汽车和储能设施等资源，建设虚拟电厂。 2022.06 上海市发改委 《上海市数字经济发展“十四五”规划》 发展“虚拟电厂”新业态，利用先进的计量、通信、控制等技术，对分布式异构能源进行聚合，实现自动化远程调度、精准化智能分析和便捷化市场交易，推动构建“技术+产品+运营+生态”的“虚拟电厂”产业链条；加快构建以零碳能源为基础的区域性电能集中管理模式，建立城市级“虚拟电厂”和能源互联网中心，聚合分布式光伏、风电等泛在可调资源，推动传统“源随荷动”调度模式转变为“源荷互动”新模式，实