虚拟电厂：分布式资源聚沙成塔，市场化盈利未来可期

虚拟电厂：分布式资源聚沙成塔，市场化盈利未来可期 新能源消纳系列报告（一） 2023年8月24日 信达证券股份有限公司 CINDASECURITIESCO.,LTD 北京市西城区闹市口大街9号院1号楼邮编：100031 李春驰电力公用行业联席首席分析师 执业编号：S1500522070001联系电话：010-83326723 邮箱：lichunchi@cindasc.com 左前明能源行业首席分析师 执业编号：S1500518070001联系电话：010-83326712 邮箱：zuoqianming@cindasc.com 看好 上次评级 看好 投资评级 证券研究报告 行业研究 行业深度报告 电力行业 虚拟电厂：分布式资源聚沙成塔，市场化盈利未来可期 2023年8月24日 本期内容提要: 虚拟电厂：配网层级的“微型调度”。虚拟电厂是聚合分布式能源资源，统一管理协调优化的控制系统。虚拟电厂是一种运用先进通信、 计算、调度、市场等手段，聚合大量分散的分布式能源资源，并实现统一管理与协调优化的控制系统。其可为系统运营商提供高效安全、快速爬坡的灵活性，同时也为海量的分布式能源资源创造参与系统调 节或市场交易的机会，使其获得一定收益。从可参与虚拟电厂的资源 来看，大多身处配网层级、可以灵活调节自身出力及负荷的资源可参与虚拟电厂。以其自身特性划分，可分为“源、荷、储”三类。面向市场交易、调度指令分解和分布式资源控制监测是虚拟电厂的三大运行要素。从整个运行环节来看，虚拟电厂首先以自身聚合的分布式能 源资源的特性得出虚拟电厂的响应能力。在面向市场的交易完成，调度机构下达调节功率曲线后，虚拟电厂需要基于调用成本最优原则将调度下达功率曲线分解至各个分布式资源，通过远程终端监测或直接控制资源，形成资源出力/用电负荷调节，达到整个虚拟电厂完成下达功率曲线的效果。 构成：“系统+通信+终端”，虚拟电厂紧扣轻资产运行特点，把控运行核心和控制要点。从构成要素来看，虚拟电厂包括中央系统、通信网络和远程终端三部分。中央系统即虚拟电厂主站，其中包含虚拟电 厂运行的四大功能模块：用户数据采集与分析，电力市场预测估计，资源建模及聚合，以及市场优化交易决策。通信网络即虚拟电厂面向调度机构/市场机构和面向远程终端的信息交互和控制调度通道。当前阶段，采用的主要信息通信方式为光纤+无线公网。远程终端作为虚拟电厂控制终端资源的手段，一般以“边端结合”的形式，既设置即插即用的边缘智能网关，实现边缘计算等功能，也实现可调节资源的状态监测和柔性控制。 应用场景：依托电力市场环境，多方位综合获益。目前，虚拟电厂商业化运营的应用场景以调峰为主，在无现货市场的地区参与调峰辅助服务市场，提升系统灵活调节能力。对于部分开展现货市场并允许虚 拟电厂进入市场的地区，虚拟电厂可以选择参与现货市场，调峰及调频辅助服务市场。除参与市场交易和响应获取收益外，虚拟电厂还需要考虑所得收益与调度分布式资源的成本之间的优化问题。 新能源消纳和新型电力系统发展亟需灵活资源助力，政策鼓励下虚拟电厂发展可期。新型电力系统面临“双高”，源荷波动性亟需资源平抑。从本质来看，新能源电力具有强不确定性和低保障性，新能源高 比例渗透叠加居民和三产负荷快速增长，源荷两端波动性增大，电力系统面临缺电和弃电并存的局面，尖峰时刻电力系统供需不平衡矛盾 凸显。新型电力系统的源荷波动仅靠传统煤电调节难以满足需求，抽 蓄和电化学储能调节性能优越，但仍存在建设周期长和运行成本高等问题。需求侧响应调节性能较好，提升系统灵活性性价比较高。考虑推广费用和相关智能设备以及管理平台成本，其单位投资为200~400元/千瓦，提升系统灵活性的成本相较于其他资源更低。国外虚拟电厂运行较为成熟，国内虚拟电厂仍处于探索初期。国外虚拟电厂起步 较早，发展特点各有侧重，市场环境下运营模式较为成熟。国内虚拟电厂目前仍以示范项目为主，仍处于前期聚合控制技术验证和参与系统响应的阶段。少数项目实际接入调度，多数项目成为需求侧响应。 我们认为，虽然虚拟电厂具有优越的调节性能和性价比，当前时点虚 拟电厂仍缺乏政策端顶层设计，且调用端调度部门未形成调度负荷侧资源习惯，虚拟电厂的运行和商业模式仍需探索发展。 缺电与弃电现象并存，虚拟电厂应用空间广阔。虚拟电厂可参与交易范围逐步丰富。短期内国内虚拟电厂主要参加电网购买的辅助服务，远期有望进入市场开展多层次交易与互动。虚拟电厂盈利空间测算：系统投资千万级，收益率有望达10%以上。根据我们对虚拟电厂盈利 空间的测算，假设某虚拟电厂项目地处浙江，聚合电化学储能、可调节工业负荷和可中断负荷，同时参与浙江工商业用户电价峰谷套利、需求侧响应和作为独立第三方主体参与调峰辅助服务，并获得相应收益。以1:9的比例进行分成，虚拟电厂运营商可实现年收益118.36万 元。项目静态回收期约8.45年，项目投资静态收益率约10.10%。虚 拟电厂市场空间测算：短期迅速发展，“十四🖂”末有望形成百亿级别市场。根据我们对虚拟电厂市场空间的测算，以“到2025年，电 力需求侧响应能力达到最大负荷的3%～5%”的国家层面要求确定需求侧响应的市场空间，预计虚拟电厂理论市场空间为219.83/414.08/663.62/1052.65亿元，虚拟电厂运营商市场空间为 32.98/74.53/146/263.16亿元。 投资建议：虚拟电厂产业链全景：承上启下，设备服务提供与资源聚合运营两条主线。从产业链参与的角度看，由于当前虚拟电厂仍处于示范项目起步阶段，目前已参与产业链的企业主要以提供通信/自动 化控制系统、预测及优化等软件模块，和提供远程终端和智能电表等设备/服务提供商。部分有能力投资且有意愿尝试虚拟电厂项目的企业，也会基于其已有的优化能力或自建/控制资源，成为资源聚合商开展虚拟电厂业务。 风险因素：宏观经济下滑导致用电量增速不及预期、电力市场化改革推进不及预期、辅助服务需求增长不及预期。 目录虚拟电厂：配网层级的“微型调度”5 1、定义：聚合分布式能源资源，统一管理协调优化的控制系统5 2、构成：“系统+通信+终端”，虚拟电厂紧扣轻资产运行特点，把控运行核心和控制要点6 3、应用场景：依托电力市场环境，多方位综合获益8 新能源消纳和新型电力系统发展亟需灵活资源助力，政策鼓励下虚拟电厂发展可期9 1、新型电力系统面临“双高”，源荷波动性亟需资源平抑9 2、电力市场化改革加速推进，政策鼓励助推虚拟电厂发展13 3、国外虚拟电厂运行较为成熟，国内虚拟电厂仍处于探索初期14 4、当前时点虚拟电厂发展瓶颈所在16 缺电与弃电现象并存，虚拟电厂应用空间广阔17 1、虚拟电厂可参与交易范围逐步丰富17 2、虚拟电厂盈利空间测算：系统投资千万级，收益率有望达10%以上18 3、虚拟电厂市场空间测算：短期迅速发展，“十四🖂”末有望形成百亿级别市场20 投资建议21 1、虚拟电厂产业链全景：承上启下，设备服务提供与资源聚合运营两条主线21 2、虚拟电厂产业链相关企业22 风险因素23 表目录表1：虚拟电厂可调节资源主要类型、物理特性与核心参数5 表2：虚拟电厂主站核心功能模块介绍7 表3：虚拟电厂可参与的电力市场类型及其优质资源9 表4：2021-2023电力供需形势11 表5：灵活性资源特性比较12 表6：灵活性资源成本比较13 表7：国家级虚拟电厂相关政策14 表8：虚拟电厂分阶段参与电力市场交易品种17 表9：虚拟电厂项目核心假设18 表10：浙江省2021年需求响应补贴价格方案19 表11：浙江独立第三方主体参与电力辅助服务市场价格限制（元/MWh）20 表12：虚拟电厂项目财务指标汇总20 表13：虚拟电厂市场空间测算21 表14：重点上市公司估值表22 图目录图1：虚拟电厂架构示意图5 图2：虚拟电厂聚合外特性6 图3：虚拟电厂典型日运行情况6 图4：虚拟电厂系统核心构成要素6 图5：虚拟电厂通信交互架构8 图6：虚拟电厂总体技术架构8 图7：虚拟电厂聚合资源的动态响应特性9 图8：虚拟电厂市场运行模式9 图9：1990-2022年中美欧发电量（亿千瓦时）10 图10：各国/地区新能源发电量占比10 图11：不同空间尺度下的新能源出力情况（曲线归一化处理）10 图12：2011-2022年风光装机占比、三产生活用电占比、火电利用小时数对比10 图13：顶峰容量及全国尖峰负荷情况（万千瓦）11 图14：NextKraftwerk虚拟电厂架构15 图15：冀北虚拟电厂架构16 图16：冀北虚拟电厂典型日负荷曲线16 图17：虚拟电厂“电厂模式”下经营模式和成本收益17 图18：虚拟电厂“负荷模式”下经营模式和成本收益17 图19：浙江8月代理购电大工业电价（1-10kV，元/kWh）19 图20：浙江8月代理购电一般工商业电价（1-10kV，元/kWh）19 图21：虚拟电厂全产业链图景21 虚拟电厂：配网层级的“微型调度” 1、定义：聚合分布式能源资源，统一管理协调优化的控制系统 虚拟电厂是一种运用先进通信、计算、调度、市场等手段，聚合大量分散的分布式能源资源，并实现统一管理与协调优化的控制系统。据�宣元、刘敦楠、刘蓁等著《泛在电力物 联网下虚拟电厂运营机制及关键技术》，虚拟电厂对下可以实现包括分布式电源、可控负荷、电动汽车充电桩、工商业储能等在内的配网层级分布式能源资源的监测与控制，对上则可以实现接受电网调度指令，或面向电力市场参与电能量及电力辅助服务交易。其价值也对应上述两点：1）为系统运营商提供高效安全、快速爬坡的灵活性；2）为海量、分散、多元、异构的分布式能源资源创造参与系统调节或市场交易的机会，使其获得一定收益。 图1：虚拟电厂架构示意图 资料来源：国网上海经研院，36氪研究院，信达证券研发中心 源荷储协调互动，共同支撑系统灵活。从可参与虚拟电厂的资源来看，一切在配网层级、可以灵活调节自身出力及负荷的资源均可参与虚拟电厂。以其自身特性划分，可分为“源、荷、储”三类。其中，源类资源包括分布式光伏、风电、小型水电及小型火电机组（三联 供、燃气轮机、自备电厂等）；荷类资源包括商业楼宇空调负荷、工业园区生产及冷热负荷；储类资源包括常规的工商业储能、独立储能以及其他形式的能量储能（蓄热罐，储气罐等）和电动汽车充电桩等。 表1：虚拟电厂可调节资源主要类型、物理特性与核心参数 资源类型物理特征核心参数 分布式光伏额定出力、预测出力曲线、历史出力曲线 分布式风电 额定出力、预测出力曲线、历史出力曲线 分布式水电 连续性 额定出力、水库库容、出力爬坡上下限 冷热电三联供 额定出力、出力上下限、出力爬坡上下限、最小开机/停机时间 储 分布式储能可平移充放电状态、额定功率、额定容量、荷电状态上下限、充放电响应时间及效率 电动汽车 充放电状态、充放电功率、可调用容量、充放电响应时间及效率 间歇性 源 铁塔基站 充放电状态、额定功率、额定容量、历史运行曲线、最小备用容量、充放电响 应时间及效率 数据中心 工业园区商业楼宇居民负荷 可平移 荷 可平移/可中断 可平移容量、可平移时间、不间断储能荷电状态上下限及最小备用容量 可平移容量、可平移时间 可中断/平移容量、可中断/平移时间额定出力、预测出力曲线、历史出力曲线 资料来源：《新型电力系统规模化灵活资源虚拟电厂科学问题与研究框架》（康重庆、陈启鑫、苏剑等著），信达证券研发中心 面向市场交易、调度指令分解和分布式资源控制监测是虚拟电厂的三大运行要素。虚拟电厂作为需求侧管理的市场化商业应用模式，在电力市场交易的背景下以盈利为目的运行。从整个运行环节来看，虚拟电厂首先以自身聚合的分布式能源资源的特性，包括分布式电 源的出力与爬坡曲线，储能部分的充放电功率及电量水平，负荷侧调节/中断的容量和相应的响应时间等进行数学建模刻画，得出虚拟电厂的响应能力。在面向市场的交易完成，调度机构下达调节功率曲线，虚拟电厂需要基于调用成本最优原则将调度下达功率曲线分解