2023虚拟电厂行业深度研究报告

2023年虚拟电厂行业 深度研究报告 发现报告 目录 前言2 虚拟电厂行业概况3 虚拟电厂定义3 虚拟电厂的结构6 虚拟电厂的核心技术9 虚拟电厂相关主体10 为什么需要虚拟电厂11 虚拟电厂的发展现状19 海外虚拟电厂发展回顾及现状19 中国虚拟电厂发展历程与现状38 产业链与商业模式50 虚拟电厂产业链分析50 虚拟电厂商业模式分析53 未来趋势58 虚拟电厂市场规模预测58 虚拟电厂面临的发展瓶颈和存在问题63 未来虚拟电厂的发展趋势64 虚拟电厂相关企业65 虚拟电厂相关企业可以分为三类65 电网信息化类企业66 用电解决方案类企业72 聚合运营类企业74 免责声明81 1 前言 什么是虚拟电厂？为什么要大力发展虚拟电厂？ 虚拟电厂是将分布式资源进行聚合、协调和优化的电力运营管理平台。 通过分析我国过去四轮电力体制改革，可以发现电力体制改革主线一直是逐渐市场化国内高度垄断的发输配售电力体系。第三轮电力体制改革后，发售端基本解决，配网的高度垄断成为了第四轮电力体制改革的重点方向。 光伏风电等灵活性资源的逐渐并网带动了行业电源端逐渐分散，而小颗粒度的电源网的并网协调是当前强调从上到下调配的大配电网难以解决的，虚拟电厂侧重于将小颗粒度的电源聚合，迎合了当下新能源大规模并网下的痛点以及第四轮电力体制改革的行业趋势。 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年我国虚拟电厂市场空间将达784亿元。发展方向集中于多元辅助服务品种、中长期容量市场、综合需求响应以及电碳联合市场交易等。 2 虚拟电厂行业概况 虚拟电厂定义 虚拟电厂概念最早起源于1997年《虚拟公共设施：新兴产业的描述、技术与竞争力》一书中对虚拟公共设施的定义，虚拟公共设施即通过独立且以市场为驱动的实体间开展灵活合作，参与合作的实体无需拥有相应资产便可为消费者提供所需服务，虚拟电厂便是在此概念基础上进行拓展延伸。 根据《虚拟电厂的概念和发展》一文，虚拟电厂（virtualpowerplant，简称VPP）是通过先进信息通信技术和软件系统，实现分布式电源、储能系统、可控负荷、电动汽车、充电桩等分布式能源的聚合和协调优化，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。 图1：虚拟电厂定义 资料来源：古瑞瓦特，发现报告整理 3 虚拟电厂存在多目标导向：提高可再生能源消纳比例、保证电网安全可靠运行、降低用能成本等，以上目标单独或组合成为某个虚拟电厂的目标。 虚拟电厂根据发展阶段分为3种： 邀约型：政府组织的调度——邀约型实际就是行政指令下的需求响应，依然在传统电力系统体系中，需求响应是计划模式下的一种补贴机制，效率较低且不可持续； 市场型：参与电力现货市场、辅助服务市场等；自治型：成为系统，跨空间的自主调度。 基于双碳视角的新型电力系统，当下阶段虚拟电厂的主要作用：缓解极端天气下电力供需矛盾；提升新型电力系统灵活调节能力；促进分布式新能源并网消纳；支持客户开展多元化用能服务。 与我国已经发展多年的智能微电网不同的是：虚拟电厂虽然依托智能微电网的分布式发电、储能等电力资源，但是其主要目的是积极响应电网的市场化调度需求，而非自发自用余电上网。参与 主体以聚合商为主，实现了市场交易参与主体与电力设施资产以及用户的主体分离；同时经济效益主要依靠服务费形式，而智能微电网的效益主要来自分布式能源发电和储能的峰谷套利。 图2：虚拟电厂和微电网的区别 资料来源：泰安市能源局公众号、华夏气候公众号，发现报告整理 4 虚拟电厂的概念误区： “虚拟电厂”不等于“电厂”，对电力“硬缺口”是无法解决的。简单来说，虚拟电厂是“电的搬运工”。 “虚拟电厂”不等于“电力需求响应”，虽然目前国内虚拟电厂主要交易品种是电力需求响应，随着电力现货市场和辅助服务市场的发展，虚拟电厂会逐步增加业务范围。 相比其他方案，虚拟电厂非常适合聚合分布式能源。在电力系统中，分布式能源(distributedenergyresource，DER)通常指分布式电源(distributedgeneration，DG)。广义的DER范畴包 括位于配用电侧的分布式电源、可以调控的负荷、储能、无功调控设备等与电力生产和高效利用相关的资源。 图3：DER的定义 资料来源：电网技术-“虚拟电厂对分布式能源的管理和互动机制研究综述”（2020田立亭等），发现报告整理 相对于主动配电系统、微电网、动态电价、本地市场管理，虚拟电厂在信息通信基础设施、电力市场、DER集成方面具有良好的适用性，为异构、分散、多样的DER提供了灵活管理方式。 5 图4：虚拟电厂（VPP）更合适用来聚合分布式能源（DEG） 资料来源：电网技术-“虚拟电厂对分布式能源的管理和互动机制研究综述”（2020田立亭等），发现报告整理 虚拟电厂的结构 横向看：站控层+过程层+资源层 虚拟电厂系统主要分为三层逻辑结构：站控层、过程层和资源层，由下往上各个逻辑层级实现的主要应用功能如下： 站控层：虚拟电厂的大脑，与大电网连接的枢纽。虚拟电厂站控层包括SCADA系统、优化计算模块、结算管理模块等。对上，站控层接收大电网中电力调控中心下发的调峰、调频等指令；对 下，站控层与智能终端进行数据通信，获取接入资源的数据，建立用户资源模型，基于所采集的数据实现对资源灵活性预测、聚合与解聚的优化计算，并向智能终端下发优化结果。 6 过程层：实现对资源数据的采集、测量和控制。虚拟电厂过程层安装在用户资源现场的数据采集、通信及控制设备柜，主要由数据终端组成。对上，过程层向站控层通过通信远程传送运行数据，并接收站控层下发的控制指令；对下，过程层实现对接入资源实时运行数据的采集和测量，并下发控制指令。 资源层：虚拟电厂的基础单元。资源层主要包括各类具备调节能力的分布式资源，是站控层建立虚拟电厂模型的基础，也是执行优化调度指令的最终主体。 图5：虚拟电厂的结构 资料来源：刘健等《虚拟电厂关键技术及其建设实践》，发现报告整理 可调节性是资源层的核心。资源层的调节能力和质量决定虚拟电厂完成调度指令的能力，工商业 储能作为最优质的调节资源之一，是虚拟电厂大发展的重要前提条件。 7 源：目前接入资源以分布式光伏为代表，自身不具备调节能力，可和工商业负荷视为整体，构成一个可调节负荷。 荷：可调节负荷各有自身能力限制，工业负荷往往受生产计划强制约，且响应速度慢；空调负荷在时间维度不可平移，基本没有填谷能力，且受用户体验和天气等因素限制，可调节范围有限；充电桩作为直接面向C端的负荷，其调节能力不可预测性较强。 储：可调节能力、响应速度和可靠性都较为优质的调节资源，同时具备削峰和填谷能力，虚拟电厂进行高频次大幅度响应的必备资源。 纵向看：高效完成多功能“聚合”和“解聚” 虚拟电厂参与需求侧响应、辅助服务市场等电力市场交易，应用功能的实现需要各个逻辑层级纵向协调配合。 上行-聚合分布式资源、对用户资源的功率及可调节能力进行预测并上报至电力调控中心：完成用户侧储能、可中断、可调节的分布式资源“聚合”，通过智能终端采集各用户资源的功率及状态变量等信息，并预测各用户资源的功率，进而评估各用户资源的可调节能力，所有资源可调节功 率将通过优化计算被聚合成为一个总可调容量，该容量及相关信息上报给电力调度。 下行-解聚分布式资源，分配调节功率需求并完成对用户资源设备的控制：完成分布式资源的“解聚”。虚拟电厂系统站控层接收电力调控中心下发的出力计划及实时调节功率需求、执行优化计算及指令分解，并下发到各个分布式用户资源所连接的智能终端；各智能终端分别接收到分配的功率信息，完成用户资源设备的控制，最终完成电力市场交易。 8 从系统结构看，虚拟电厂平台在实现更准确的电力市场预测，从而判断电力调控中心以及可调节资源两侧的需求和功率变化外，还需要尽可能减少通信延时，缩短从站控层指令下发到数据返回测试时间，从而实现更快速的负荷控制、提高虚拟电厂的调频性能。 虚拟电厂的核心技术 虚拟电厂所需技术主要包括协调控制技术、智能计量技术和信息通信技术。 其中调控是虚拟电厂的核心技术。虚拟电厂必须具备资源采集能力、资源聚合仿真能力，从而了解整个社会的用电或发电特性，分析其调节能力，并将所有可用资源聚合起来进行模拟仿真。调控技术强，资源的利用率和精细度就越高。 调控技术依赖云计算、信息通信、物联网等技术的进步。首先，虚拟电厂在运行过程中，会不断产生大量的资源配置数据和交易数据，因此需要云计算技术分析、预测电力负荷并进行调控，从而精准地完成相应分配。其次，虚拟电厂对上提供调控中心和电力交易市场的接口，对下执行资源配置，因此需要及时高效地处理通信信息。此外，虚拟电厂需要实现与各类型资源站的智能终端的交互，这些则需要依赖物联网的发展。 9 图6：虚拟电厂所需的核心技术 资料来源：刘健等《虚拟电厂关键技术及其建设实践》，发现报告整理 虚拟电厂相关主体 虚拟电厂市场主体分三大部分，服务购买方、市场运营方、服务提供方。 服务购买方主要包括电网、新能源电站、提供辅助服务的电力交易主体（调峰电厂、旋转备用/热备用）等。市场运营方主要负责负责日常运营，向相关机构提供调用结果等信息。服务提供方以聚合商为主，他们通过先进的控制、通信等技术，通过对一定区域内的分布式电源、储能系统等的协调控制和优化运行，来实现需求侧响应并且收取相关服务费用。 10 图7：虚拟电厂相关市场主体 资料来源：国信证券，发现报告整理 为什么需要虚拟电厂 风光快速增加带来的填谷需求 从能源发电结构来看，“双碳”目标政策推进，国内风光新能源装规模不断增长。截至2023H1，我国风电装机389.21GW，太阳能装机470.67GW，风光合计占总装机的31.76%。其中，2023年H1我国风电新增装22.99GW，对比22年同期新增12.94GW，同比+77.67%；太阳能新增装机78.42GW，对比22年同期新增30.88GW，同比+153.95%，风、光均加速增长。 11 图8：2015-2022年中国新增发电装机量结构分布 100% 5% 10% 80% 6%10% 17% 2% 10% 15% 7% 7% 17% 4% 4% 7% 1% 2% 13% 1% 12% 24% 24% 38% 27% 19% 60% 34% 23% 40% 42% 34% 42% 28% 51% 30% 20% 40% 45% 26% 35% 25% 25% 31% 0% 10% 2015 20162017 光电 20182019 风电水电 2020 核电 2021 2022 火电 数据来源：国家能源局、中电联，发现报告整理 风光发电在全天候场景下存在明显的“波动性”、“低出力”特征，风光发电装机量递增，对应峰谷调拨及合理消纳需求旺盛。电力即发即用，而风电一般凌晨大发，光伏中午大发，用户侧用电高峰主要集中在上午和晚上，发/用电天然不匹配，会产生电力消纳问题，处理不当会引发电力系统安全事故，且造成投资的浪费。为解决新能源发电-负荷侧用电的时间错配问题，电力系统对灵活性调节需求不断提升。 12 图9：风电光伏占比提升增加电力系统灵活性调节需求 资料来源：自然资源保护协会中国电力圆桌项目，发现报告整理 建设虚拟电厂是解决时间错配的有效措施。发用电的时间错配问题，可以分为发电侧和负荷侧有两类解决措施。供给侧的解决方式主要为三种：1）火电灵活性改造；2）独立共享储能或新能源配储；3）特高压远距离输电。需求侧的解决方式主要为三种：1）负荷管理；2）需求侧相应；3）虚拟电厂。其中，虚拟电厂便是负荷侧中解决时间错配的有效措施，通过整合分散的分布式资源，根据电力系统需求进行削峰填谷，整体可以同时作为“发电侧”