公用事业行业大国碳中和之新型电力系统：灵活性调节需求释放，虚拟电厂大有可为

新一轮电改启动，聚焦新型电力系统建设，灵活调节需求释放。新一轮电改聚焦于加快构建新型电力系统，而提升电力系统灵活性是重要方向，尤其是在未来高比例新能源接入电网后，由于新能源具有间歇性、随机性特征，将导致电力系统转动惯量减小、频率调节能力降低等问题，快速消耗电力系统灵活调节资源，驱动灵活调节需求加快释放。 虚拟电厂聚合多种灵活性资源，经济性、灵活性优势突出。虚拟电厂可聚合分布式光伏、储能、可调负荷等多种用户侧灵活性资源，通过调度灵活性资源实现削峰填谷并提供辅助服务，保障电网安全稳定运行。与灵活性改造后的火电机组、抽水蓄能、燃气发电等灵活性资源相比，虚拟电厂具有爬坡速率快、可自由组合容量、投资成本低等优势。 虚拟电厂盈利来源多元，多重因素催化加速市场规模扩张。虚拟电厂可通过提供削峰填谷、辅助服务、能效管理、偏差考核补偿等服务，以及参与电力现货市场、绿电绿证交易、CCER交易、容量市场实现盈利。当前，我国虚拟电厂处于发展初期阶段，主要盈利来源为需求侧响应补贴，未来受电力体制机制改革持续推进、极端天气频发、净负荷峰谷差拉大、用户侧可聚合资源增加以及电价变化等因素催化，虚拟电厂市场规模有望持续扩张。据测算，到2025年虚拟电厂投资端累计市场规模为131-220亿元，2025年虚拟电厂运营端市场规模为129-216亿元。 虚拟电厂竞争格局及竞争关键要素：目前国内虚拟电厂项目多以示范性项目为主，未出现规模较大的虚拟电厂运营商，虚拟电厂市场格局较为分散。从虚拟电厂产业链构成、运营和盈利模式来看，虚拟电厂行业竞争的关键要素在于聚合资源、信息预测及交易运营。 海外虚拟电厂发展回顾：1）德国虚拟电厂主要整合分布式发电资源，可参与批发市场、日间市场、平衡服务。德国通过平衡基团机制，使所有能源供应商承担平衡义务，激发对灵活性资源的需求。2）美国加州虚拟电厂主要整合需求侧资源，可参与日前和实时的能量市场、旋转/非旋转备用市场。3）澳大利亚虚拟电厂主要整合储能资源，可参与批发市场、批发需求响应市场、6种FCAS调频辅助服务市场、可靠性和应急储备交易、提供配电网支持服务。 投资建议：新型电力系统建设背景下，灵活性调节资源需求持续释放，虚拟电厂迎来快速发展机遇期，软硬件设备供应商、运营商均显著受益。 推荐灵活性资源丰富、有序推进负荷聚合商转型的南网能源，灵活性资源可开发空间较大的芯能科技，以配售电业务为基础发力综合能源服务业务的三峡水利，建议关注虚拟电厂业务逐步落地的苏文电能。 风险提示：政策不及预期；市场竞争加剧；电价波动风险；补贴下降。 新一轮电改启动，聚焦新型电力系统建设 自2002年5号文发布以来，电力体制改革持续推进，在电力市场、电力市场主体多元化、电价市场化、电力交易市场化、输配电价改革等方面取得积极进展。站在当前时点，随着“双碳”目标政策推进，新能源装机容量和发电量占比持续提升，对电力系统平衡带来挑战，亟需采取市场化机制促进电力系统平衡，保障新能源消纳和“双碳”目标政策有效落地。 2023年7月11日，中央深改委第二次会议召开，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》（以下简称《意见》）等文件，会议强调要深化电力体制改革，加快构建清洁低碳、安全充裕、经济高效、供需协同、灵活智能的新型电力系统，保障国家能源安全。此次《意见》出台意味着新一轮电改启动，主要任务聚焦于构建新型电力系统。 表1：电力体制改革主要政策文件梳理 新型电力系统含义及特征：根据《新型电力系统发展蓝皮书》，新型电力系统是以确保能源电力安全为基本前提，以满足经济社会高质量发展的电力需求为首要目标，以高比例新能源供给消纳体系建设为主线任务，以源网荷储多向协同、灵活互动为坚强支撑，以坚强、智能、柔性电网为枢纽平台，以技术创新和体制机制创新为基础保障的新时代电力系统，具备安全高效、清洁低碳、柔性灵活、智慧融合四大基本特征。 安全高效：煤电为保障电力安全的“压舱石”，新能源发电通过可靠支撑能力提升转变为主体电源，多时间尺度储能协同运行为电力系统动态平衡提供支撑。 清洁低碳：以风光新能源为主的可再生能源将逐步成为主体电源，终端能源消费主体将逐步向电能转变，逐步完善绿电消费激励约束机制，扩大绿电、绿证交易规模，体现绿电环境价值。 柔性灵活：灵活发电技术、灵活储能技术、柔性交直流等新型输电技术广泛应用，骨干网架柔性灵活性提高，为高比例新能源接入系统和外送消纳提供支撑；用户侧主体具有源、荷双重属性，终端负荷特性转变为柔性、产销属性兼具，提升源网荷储灵活互动和需求侧响应能力；辅助服务市场、现货市场、容量市场持续完善并衔接融合，灵活调节性资源市场价值得到体现。 智慧融合：在电力系统各环节，广泛应用“云大物移智链边”等信息技术，逐步实现电力系统数字化、智慧化和网络化发展。 根据新型电力系统的内涵及特征，我们认为新型电力系统相较于以化石能源为主的传统电力系统的变化主要体现在：一是电源端风光可再生能源发电成为主体电源；二是电网端形态将向多元双向结构层次转变；三是负荷端转变为柔性、源荷属性兼具方向发展；四是运行特性由“源随荷动”向“源网荷储”互动转变。整体来看，新型电力系统带来的变化在新能源发展、安全、柔性灵活、智能化等方面对电力系统建设提出了新要求。 图1：新型电力系统四大基本特征 《新型电力系统发展蓝皮书》提出，新型电力系统建设分为加速转型期（当前-2030年）、总体形成期（2030-2045年）、巩固完善期（2045-2060年）三个阶段，根据《新型电力系统发展蓝皮书》，对新型电力系统建设三个阶段的主要路径整理如下： 加速转型期（当前-2030年）：电源侧非化石能源发电快速发展，新能源逐步成为发电量增量主体，同时煤电向基础保障性和系统调节性电源并重转型；电网侧以西电东送为代表的跨省跨区通道规模进一步扩大，配电网有源化发展以及分布式智能电网快速发展；用户侧终端用能电气化水平持续增长，灵活调节和响应能力提升；储能侧多应用场景多技术路线规模化发展，重点满足系统日内平衡调节需求。此外，全国统一电力市场体系基本形成，促进新能源发展，并激发各类灵活性资源调节能力。 总体形成期（2030-2045年）：电源侧新能源逐渐成为主体电源，煤电加快清洁低碳转型；电网侧柔性化、智能化、数字化发展转型，常规直流柔性化改造、柔性交直流输电、直流组网等新型输电技术广泛应用，大电网、分布式智能电网等融合发展；用户侧低碳化、电气化、灵活化、智能化变革，全社会各领域电能替代广泛普及，虚拟电厂等用户侧优质调节资源参与电力需求响应市场化交易；储能侧规模化长时储能技术取得重大突破，满足日以上平衡调节需求。 巩固完善期（2045-2060年）：电源侧新能源逐步成为发电量结构主体电源，电能与氢能等二次能源深度融合利用，煤电等传统电源转型为系统调节性电源，新一代先进核电技术实现规模化应用；电网侧低频输电、超导直流输电等新型技术实现规模化发展，交直流互联的大电网与主动平衡区域电力供需、支撑能源综合利用的分布式智能电网等多种电网形态广泛并存，打造出输电—输气一体化的“超导能源管道”；用户侧构建以电氢协同为主的终端用能形态，与电力系统高度灵活互动；储能侧储电、储热、储气、储氢等覆盖全周期的多类型储能协同运行，大幅提升能源系统运行灵活性。 预计未来新型电力系统成型后，电源侧以新能源为主体、多种电源协同互补发展，电网侧柔性化、智能化、大电网与分布式电网并存融合发展，用电侧负荷柔性、绿电消费比例高及灵活调节能力强，储能侧多时间尺度、多类型储能协同运行，保障电力系统动态平衡。 图2：新型电力系统建设“三步走”发展路径 图3：新型电力系统图景展望 新型电力系统建设推进，虚拟电厂迎发展机遇 新型电力系统建设加快推进，灵活调节性资源需求释放 风光新能源装机规模持续增长。“双碳”目标政策推进，国内风光新能源装规模不断增长，国家能源局数据显示，截至2023年6月，国内风光新能源装机容量合计85988万千瓦，占国内发电装机容量的比例为31.76%；从发电量数据来看，2023H1国内风光发电量为0.73万亿kwh，占全社会用电量的16.9%，较2022年底增加3.1pct。展望未来，“双碳”目标政策驱动下，风光新能源装机规模将持续增长并成为主体电源，根据《2030年前碳达峰行动方案》，到2030年国内风电和太阳能发电总装机容量达12亿千瓦以上，非化石能源消费比重达到25%左右。 图4：国内风电光伏装机容量及占比情况（万千瓦） 图5：国内风光新能源发电量及占全社会用电量比例的情况（亿千瓦时） 为适应新能源逐步成为主体电源，新型电力系统建设提速。由于新能源具有波动性、随机性特征，高比例新能源电量接入电网后，将导致电力系统转动惯量减小、频率调节能力降低等问题，快速消耗电力系统灵活调节资源，且新能源发电设备易产生脱网问题，电力系统平衡和安全问题更加突出，影响新能源消纳。为有效支撑新能源发展，预计源网荷储一体化发展的新型电力系统建设进程有望加快。 从新型电力系统建设目标、任务、支撑因素来看，我们认为，为有效提升电力系统的安全性以及为电力系统提供柔性灵活支撑，推动源网荷储灵活互动和需求侧响应能力不断提升具有必要性和迫切性，因而加快建设灵活调节性资源对于建设新型电力系统意义重大。 图6：高比例新能源接入电网导致系统电力转动惯量减小 图7：新能源占比越高，调频能力越差（K为常规同步机组占比） 电力系统灵活性有助于实现电力系统供需平衡。根据《电力系统灵活性提升：技术路径、经济性与政策建议》，电力系统灵活性指的是电力系统的各类资源快速改变自身发用电特性以维持系统有功功率平衡的能力。常见的灵活性调节资源包括灵活性改造后的火电机组、燃气发电机组、抽水蓄能、储能、需求侧响应等，灵活性资源通过提供供给向上/需求向下、供给向下/需求向上的调节实现电力系统供需平衡，保障电网安全稳定运行。 图8：电力系统灵活性维持电力系统供需平衡示意图 表2：灵活性资源实现电力系统供需平衡的调节方式 新能源装机持续增加释放灵活调节资源需求。随着新能源接入电网比例不断提升，灵活性调节资源容量逐步短缺，灵活调节资源需求有望加快释放，推动灵活调节资源市场规模扩张。当前，国内已有地区出现电力系统调节能力不能满足实际需求的情况，如《山东电力爬坡辅助服务市场交易规则编制说明》指出，当前系统的调节能力已不能满足实际需求，在现货市场运行中，部分时段已出现系统调节能力不足的情况，2022年实时市场共出现爬坡能力不足219次，时段占比0.625%，其中顶峰爬坡179次，主要集中在1-5月份，调峰爬坡（新能源弃电后仍不平衡）40次，发生在2月份。 市场机制调整可释放系统的灵活性潜力，促进电力系统灵活性提升。通过持续完善辅助服务市场、电力现货市场、容量市场体制机制，为灵活性资源参与电力系统调节提供补偿、激励和保障合理收益，激发不同时间尺度的灵活性资源潜力充分释放。我们认为，通过完善电力市场体制机制，充分挖潜用户侧灵活性资源，亦是本轮电改的应有之意。 图9：电力市场建设释放灵活性示意图 虚拟电厂：聚合多种灵活性资源，经济性、灵活性优势突出 虚拟电厂的定义：根据IEC虚拟电厂标准及山西省《虚拟电厂建设与运营管理实施方案》，虚拟电厂是将不同空间的可调节负荷、储能侧和电源侧等一种或多种资源聚合起来，形成可调控、可交易单元，采用信息通信技术实现自主协调优化控制，参与电力系统运行和电力市场交易的智慧能源系统。 图10：虚拟电厂运营示意图 虚拟电厂聚合的资源包括电源、负荷、储能三类资源。其中，电源侧资源为并网运行的光伏、风电、生物质发电等，负荷侧资源为商业楼宇、工业负荷中的可调节负荷，储能侧资源为电源侧、电网侧、用户侧等各类储能系统资源。根据虚拟电厂聚合的资源不同，可将虚拟电厂分为电源型虚拟电厂、负荷型虚拟电厂、储能型虚拟电厂以及混合型虚拟电厂（源网荷储一体化虚拟电厂）四大类别。 表3：虚拟电厂可分为电源型、负荷型、储能型、混合型四类