虚拟电厂：新机遇与新挑战

　　8月26日，国内首家虚拟电厂管理中心——深圳虚拟电厂管理中心举行了揭牌仪式，这让“虚拟电厂”这个名词上了热搜。

　　今年以来，北半球气候遭遇了百年不遇的异常。一方面，不断刷新记录的高温让居民的用电量激增；另一方面，降雨的减少和持续的干旱又对水力发电造成了严重的干扰，电力供给大减。这供求的一减一增，使得各国的电力都出现了巨大的缺口，限电、停电事件不时发生。在这样的背景下，如何建构一套足以应对极端天气造成的电力负荷变化的稳定电力管理系统，已成了摆在各国政策制定者面前的一道难题。而虚拟电厂，就是关于这个问题的众多答案中的其中一个。

　　虚拟电厂究竟是什么？它是怎么运作的？其商业模式又怎样？区块链等新型技术又对虚拟电厂的发展起到怎样的作用？对于我国来说，虚拟电厂的应用前景如何，又面临着哪些挑战？关于这一切，且让我们一一说来。

　　顾名思义，虚拟电厂（VirtualPowerPlant，简称VPP）并不是一个物理意义上的电厂，它不烧煤，也没有厂房，而是通过软件系统和信息通信等技术搭建起来的一套能源管理系统。借助这个系统，可以将不同空间的分布式电源、储能设施、可控负荷等资源整合起来，并实现协调优化控制，从而模拟出类似电厂的功能。

　　我们知道，在现实世界中，电厂的功能主要有两个：一是发电，为电力市场提供电能；二是根据现实情况，对供电的负荷进行调节，从而保证电网的稳定性。而虚拟电厂，就是要利用一套建立在“空中”的管理系统来模拟出电厂的上述两个功能。

　　虽然虚拟电厂是在近几年才火起来的，但其实它并不能算是什么新东西。它的思想渊源至少可以追溯到1997年由希蒙·阿韦布奇（ShimonAwerbuch）和阿利斯泰尔·普雷斯顿（AlistairPreston）就曾经联合主编的著作——《虚拟公共设施：新兴产业的核算、技术和竞争》（TheVirtualUtility：Accounting，Technology& CompetitiveAspectsoftheEmergingIndustry）。在这部书中，就提出了一种基于市场驱动，让不同的独立实体之间实现灵活合作，为消费者提供高效电能服务，而不需要拥有对应的实体资产的“虚拟公共设施”模式。这个思想在提出之后就受到了广大能源学者的重视，而我们现在所看到的虚拟电厂其实就是虚拟公共设施的一种实现模式。从实践上看，虚拟电厂的起步也较早。2000年，欧洲5个国家的11家公司就联合推出了虚拟电厂项目VFCPP。

　　所谓可控负荷，指可以根据电网的运行状态调整用电负荷而不影响用户用电体验的“能量消耗型”用电单位。例如，办公大厦的空调、码头的岸电，以及公共交通的用电等，都是重要的可控负荷。在对可控负荷进行评价时，通常会采用“质”和“量”两个标准。在“质”的方面，调节意愿、调节能力，以及调节及聚合的性价比是评价可控负荷的最重要维度；而在“量”的方面，关注的则主要是可控负荷能够释放出的电量的多少。综合“质”和“量”两个维度，目前最优质的可控负荷是建筑空调和电动交通。以建筑空调为例，如果可以通过虚拟电厂将这些大楼的用电进行优化，那么每天可以节省的电就可能达到数百千瓦时。而假如可以同时优化几百个大楼的用电，那么其节省出来的电就几乎可以比肩一个中小型的火电站，其规模是不容忽视的。

　　所谓分布式电力资源（DistributedEnergyResources，简称DERs），通常指的是在用户用电现场或靠近用电现场配置的规模较小的发电机组。例如小型燃机、小型光伏和小型风电、水电、生物质、燃料电池等，都可以被归入分布式电源的范畴。不过，从虚拟电厂的角度看，分布式电力资源所包含的范围还要更广一些。对虚拟电厂而言，界定是否属于分布式电源的标准主要是调度关系。根据这个标准，只要是不归现有的公用系统调度的，或者可以从公用系统脱离的发电资源，都可以被视为是分布式电源。因此，一些企业的自备电源有时也会被认为是虚拟电厂的分布式电力资源。

　　所谓储能设备，指的则是那些将能源储起来，以供需要时使用的设备。按照存储形式的区别，储能设备可以分为四个类别：一是机械储能，如抽水蓄能、飞轮储能等；二是化学储能，如铅酸电池、钠硫电池等；三是电磁储能，如超级电容、超导储能等；四是相变储能，即通过相变材料（PhaseChangeMaterial,PCM）进行能量存储的设备。随着能源技术的不断革新，储能设备已经成为了电力能源行业中最具性的要素，其经济性和可控性都在不断提升。

　　由于各国在能源结构和能源战略上的不同，它们的虚拟电厂的上游电力供应单位分布也存在着很大差异。从总体上看，欧洲虚拟电厂的电力供应主要来自于分布式电源和储能设备；而美国的虚拟电厂电力供应则主要来自于可控负荷。这两者的差别，也决定了它们的虚拟电厂在商业模式上的重大差异。

　　产业链中游的电力管理主要依靠物联网、大数据等技术，整合、优化、调度来自各层面的数据信息，并最终形成决策，从而实现对电力供应的协调控制。我们知道，在现实当中，电力供应经常要完成调峰和调频两样重要工作。其中，调峰要求对电力需求状况进行预测，并根据需求调节接入电网的电力，做到“削峰填谷”；而调频则需要将来自不同电源的电力频率调整到与电网匹配的频率上。在虚拟电厂的运作过程中，也需要完成类似的工作。所不同的是，借助众多智能化工具的辅助，现在的虚拟电厂已经可以更为自动化、更为高效地完成以上这些工作。

　　产业链下游的电力应用主要包括公共事业企业（如电网公司）、能源零售商（如售电公司）及一切参与电力市场化交易的主体。它们可以借助虚拟电厂实现电力交易、调峰调频和需求侧响应，并在这个过程中获得相应的收益。

　　从根本上讲，虚拟电厂的运作，其实就是按照市场供求状况，将电力从上游电力供应者那里导入电网，然后对其进行统一调配，再分配给下游电力需求者的过程。通过虚拟电厂的运作，不仅可以让电力资源实现更为高效的配置，还可以让电网的供电保持持续的稳定，其功效是不容忽视的。

　　既然虚拟电厂并不是新东西，那它为什么直到最近才开始火爆呢？在我看来，其原因应该分为需求和供给两个方面。

　　从需求角度看，虚拟电厂的火爆主要是由气候变暖加剧，以及人们的节能意识提高引致的。在近几年中，随着平均气温的不断攀升，关于气候变暖是否存在的争议正在减少，各种异常天气的反复出现更是给人们造成了巨大的损失。面对不断升温的环境，“必须为遏制这个趋势做些什么”已成为了很多人的共识。在这种背景下，即使还有很多人并不确信碳排放与气候变暖之间存在着因果关系，也会本着“宁可信其有不可信其无”的观点变得更加支持节能政策。这种共识的形成，就催生出了节能和提高能源效率的巨大需求。而虚拟电厂的理念正好十分适应这种理念，所以就迎来了巨大的需求上涨。

　　从供给角度看，虚拟电厂的火爆是由电力供应单位增加，以及电力调配能力增强这两方面因素共同导致的。

　　首先是电力供应单位的增加。如前所述，虚拟电厂的电力供应来源包括可控负荷、分布式电源，以及储能。随着技术的发展，这三者的数量都在过去的几年中出现了大幅度的增长。

　　其次是电力调配技术的改进。虚拟电厂的设想要想变为现实，就必须对电力的供需状况进行精准的识别，并在其基础上进行及时的调配。在上世纪末，相应的技术条件并不具备。例如，对于现在的虚拟电厂而言，物联网技术是非常重要的，但物联网的概念是1999年才由Auto-ID中心正式提出的，这个时间要晚于虚拟电厂概念出现的时间，而物联网真正被应用到实践的时间则更晚。此外，像大数据、人工智能、区块链等现在在虚拟电厂中发挥重要作用的技术，在二十多年前也都不成熟。而在最近的十多年中，上述提到的各种技术都获得了前所未有的发展，这就为实现早已出现的虚拟电厂构想奠定了坚实的技术基础。

　　正是在以上这些供求因素的共同作用之下，才让虚拟电厂这个“旧想法”在新的时代焕发了生机，重新被人们所重视。

　　通过前面的讨论，我们知道，虚拟电厂的本质就是把原本不归公用系统调度的散落能源供应整合起来，再通过调配，输送给那些电力的需求者。那虚拟电厂的商业模式是什么样的呢？

　　大致上讲，目前市场上的虚拟电厂有两种不同的商业模式。一种是侧重于分布式发电单位，通过参与电力交易来获取收益；另一种则是侧重于用户端的电力资源，通过提供辅助服务来获取收益。

　　第一种商业模式在欧洲最为流行。在欧洲，电力系统由发电、输电、配电和售用四个环节构成，而电网运营主体可以划分为输电系统运营商（Transmis－sionSystem Operator，以下简称TSO）和配电系统运营商（DistributionSystemOperator，简称DSO）。其中，TSO负责输电网络的控制和运营，是在区域内具有垄断性质的业务；而DSO则主要负责将电力分配给用户，是竞争性的业务。在上述分工之下，欧洲的虚拟电厂通常是由第三方运营商、发电厂，以及TSO合作运营的。所以，欧洲虚拟电厂的首要任务也当然是为发电单位服务，帮助它们接入电网、参与交易，并设法为它们降低成本、提升效率。

　　这种商业模式可以从两个来源获得收入：一是向发电企业收取服务费。虚拟电厂可以帮助发电企业进行规划，并提供相应技术支持，让其对电力的提供有更为科学的计划，降低因多发电或发电不足而造成的不必要成本。对应的，它们就可以根据节约的成本收取相应比例的费用。二是从交易中抽成。当虚拟电厂帮助发电单位接入电网，并完成电力交易后，就可以从交易中获得一定的提成。

　　由于欧洲的虚拟电厂起步较早，因此目前已经有了很多上述模式的成功案例。其中，最有代表性的当属德国的Next-Kraftwerke。Next-Kraftwerke的前身是成立于2009年的德国清洁技术公司NextKraftwerkeGmbH，其最初的主营业务为应急发电机、风力涡轮机和沼气发电厂的聚合工作。2011年，Next-Kraftwerke的虚拟电厂平台研发成功，并投入使用。2020年，其全年营收已经达到了5.95亿欧元。2021年，Next-Kraftwerk被壳牌公司收购。根据壳牌的预测，到2030年，通过Next-Kraftwerk交易的电量将会是现在的两倍。

　　一是帮助可再生能源发电企业实时监测发电情况，让它们避免出现发电量预测不准的情况，节省不必要的成本。由于可再生能源的发电具有很高的随机性和波动性——比如风力发电的发电量就会严重受制于风力变化的影响，因此经常会出现发电量不足以向TSO交付约定电量的情况。每当这样的情况出现，发电商就需要从其他发电商那里高价购入电力来履行约定。在Next-Kraftwerk的帮助之下，这些可再生能源发电企业将可以更为精准地预测电力的供求情况，从而更理性地和TSO签订合同，规避损失。当然，Next-Kraftwerk将会从这样的服务中收取不菲的服务费用。

　　第二种模式主要流行于美国。在美国，部分地区的电力市场的某些部分受到监管，垂直整合的公用事业企业负责提供给消费者全部电力。而在另一些地区，电力市场则是竞争性的，它们由独立的系统运营商 （IndependentSystemOperator，简称ISO）来负责运营。ISO的存在打破了公共事业企业对发电和输配电环节的垄断，从而允许各独立储电主体参与到与输配电网的交易中，这就为虚拟电厂的存在奠定了基础。

　　美国是一个太阳能资源丰富的国度。在过去的几年中，由于受到政府的大力扶持，美国的光伏发电得到了高速的发展。巨大的光伏装机容量，使得其利用的太阳能不仅可以满足用户自己的需要，还可以在必要时输入电网进行售卖。在这种情况下，所谓的“需求侧响应”，即用户根据市场需求来调剂其电量的活动进行服务的业务就有了很大的市场。而在这个过程中，虚拟电厂就成了一个必不可少的关键角色。

　　在美国的虚拟电厂中，最为成功的案例就是特斯拉的Powerwall。Power－wall是特斯拉和太阳能面板安装商SolarCity于2015年5月联合推出的家用储能电池。从外观上看，Powerwall就是一块大型的“充电宝”，它可以搭配特斯拉家用太阳能电池SolarRoof，白天利用太阳能电池对其充电。充电完成之后，它就可以被用来向家庭供电，或者接入电网来售卖富余电力。当然，在阴天等光照不充分的情况下，用户也可以通过Powerwall来从电网购买电力。

　　特斯拉在对Powerwall进行推广后，先后与 EnergyLocals、GreenMountainPower、PG&E等公共事业公司和电力零售商先后开展了虚拟电厂项目。项目帮助Powerwall扩大系统的安装量，同时电力零售商通过与Powerwall使用者签订协议，可以获得这些分布式电池电力的部分使用权，实现聚合需求侧的资源以及虚拟电厂的商业化扩张。这样，庞大的Powerwall就构成了虚拟电厂的供电源头，而特斯拉通过对Power－wall的用户更好地进行“需求侧响应”，不仅可以让电力得到更有效率的配置，还能在此过程中收取丰厚的费用。

　　举例来说，2022年，特斯拉与加州公用事业公司 PG&E合作开展了名为“紧急负荷削减计划”（EmergencyLoadReductionProgram）的虚拟电厂项目，拥有 Powerwall的 PG&E用户可以自愿通过特斯拉的应用程序注册加入该项目。在电网面临需求压力时，项目参与者可以以每千瓦时2美元的价格向电网供电——这个价格远远超过了当地每千瓦时25美分的电价。不过，公用事业单位也并不吃亏。在以往遇到这样的情况时，它就不得不以更高的价格向其他电厂购入电力，有时甚至还会因为购不到电而导致断电。当然，在这个用户和公用事业单位双赢的过程中，特斯拉也会获得可观的服务费用。

　　需要指出的是，无论是类似于Next-Kraftwerk的欧洲模式，还是Pow－erwall所代表的美国模式，本质上都采用了一种中心化的运作模式。在这种运作模式下，中心化的控制平台需要不断搜集供需两方面的信息，并根据相关数据进行及时匹配，完成精准调度。很显然，这会存在很多局限之处：其一，中心化的运作会给管理平台带来非常大的负担。随着交易量的扩大，这种负担会迅速提升，由此会产生非常高的成本，并对电力的配置效率产生严重的影响。其二，中心化的平台很难针对供求的变化造成精准的调控。其三，中心化的处理模式势必让运作平台掌握大量的用户数据，因而会面对数据泄露等风险。

　　针对这种情况，现在已经有不少专家开始讨论一种去中心化的虚拟电厂模式，而近年来区块链技术的成熟，就为实现这种模式提供了技术上的基础。具体来说，可以考虑将电力供应单位和用电单位统一上链，通过智能合约，设定相关的交易机制。这样，电力的供求双方就不再需要依赖于中心化的交易平台，而可以在区块链上直接实现点对点的交易。这种分散式的点对点交易模式不仅可以缓解中心化拥挤所造成的效率低下以及安全隐患，还可以通过更为灵活的价格调节，更好地实现供需匹配。

　　在虚拟电厂的管理上，可以参考Web3.0领域流行的DAO（DecentralizedAutonomousOrganization，即“去中心化组织”）模式，参与交易的供需方都可以成为DAO的参与者。它们对这个DAO的所有贡献都可以获得对应的通证（to－ken）回报。凭借通证，它们不仅可以参与DAO的治理，还可以享受到对应的经济利益（例如交易中的价格补贴）。

　　不过，目前看，以上这种基于区块链的虚拟电厂模式还存在着一些技术上的瓶颈。例如，目前区块链交易所依赖的共识机制效率普遍还比较低下，要验证一笔交易不仅需要较高的成本，还需要很长的时间，这对于时效性很强的电力交易而言是非常致命的。

　　与欧美相比，虚拟电厂引入我国的时间较晚，但对于这项重要的能源调配技术，我国一直给予了高度重视。在“十三五”期间，我国就在江苏、上海、河北等地先后开展了关于电力需求响应和虚拟电厂的试点工作。其中，江苏省还在 2015年出台了《江苏省电力需求响应的实施细则》。2019年，国家电网提出了“泛在电力物联网”，国内首个虚拟电厂“国网冀北虚拟电厂”也建成并实现了发电和用电的自我调节。

　　最近几年，随着国家“3060双碳”目标的提出，光伏、水电等新能源基础设施蓬勃发展，电动汽车等可控负荷单位数量也大幅增加。而与此同时，气候的异常也使得电网面临的随机冲击越来越大。随着电力供应源的大量增加，供需之间的不匹配问题还可以进一步改善。据统计，2020年全国弃风电量166.1亿千瓦时；弃光电量52.6亿千瓦时（注：所谓弃风电量指的是发出但没有使用的风电数量，而弃光电量指的是发出但没有使用的光伏电数量）。而如果推广虚拟电厂，让电力得到更有效率的配置，那么其经济和社会效益都会是相当可观的。

　　与此同时，我国电力市场本身具有的巨大波动性，也决定了要削峰填谷、维持电力系统稳定需要巨大的成本，而虚拟电厂的加入则可以在很大程度上降低这个成本。国家电网曾经做过一个测算，如果通过火电厂来实现电力系统削峰填谷，那么满足5%的峰值负荷就需要投资4000亿元；而如果是用虚拟电厂来实现这一点，那么在建设、运营、激励等环节投资仅需500亿元至600亿元。

　　综合以上几点可知，虚拟电厂在中国的应用前景将是非常广阔的。不久前，中金公司曾经做过一个测算，认为到2030年，中国的虚拟电厂市场规模将可以达到1320亿元，其规模可见一斑。

　　其一，虚拟电厂项目涉及的技术很多，其中一些技术瓶颈现在还没有得到很好的解决。例如，当电力的供需方大规模接入网络后，如何能够保持网络的通畅和平稳运行？如何预测电力供需的变化、实现电力在供求主体之间的有效调配？

　　其二，目前电力供给单位参与的意愿并不强烈，因而虚拟电厂的电力来源依然难以保持稳定。造成这种现象的原因是多方面的。一方面，相对于欧美等国，我国的电价是相对较低的，因而供电主体，尤其是那些可控负荷主体并没有太强的供电激励。另一方面，由于技术所限，供电可能会对供电主体本身的设备造成一定的损害。

　　其三，虚拟电厂的发展可能还会损害一些主体的既得利益。比如，过去当市场上的电力供不应求时，电网就会向一些电厂高价购买电力。一旦虚拟电厂从分布式电力资源或者可控负荷来调剂电力，就势必会侵犯这些电厂的既得利益。如果这种利益冲突不处理好，就会引发很多矛盾。

　　综合以上几点，我们可以看到，尽管虚拟电厂在我国的应用前景很广阔，但其需要克服的问题依然不少。因此，虚拟电厂的发展可能还有很长的一段路要走。