虛擬電廠：解決能源轉型的實際難題

近日，國際電工委員會（IEC）在北京召開“虛擬電廠”工作組會議，對中國國家電網有限公司發起的《虛擬電廠用例》和《虛擬電廠架構與功能要求》兩項標準編制進行研討。什么是虛擬電廠？與此相關的標準又意味著什么？參與在京舉行的“能源轉型”高端論壇的專家，對此進行了一一作答。

可再生能源有“致命傷”

IEC副主席、國網公司董事長舒印彪表示，能源轉型對電網的功能作用、運行方式提出了“前所未有的挑戰”——風能、太陽能等可再生能源，都具有隨機性、間歇性、波動性特征，大規模、高比例接入電網，帶來巨大調峰調頻壓力，導致系統轉動慣量弱化，給電力系統平衡調節和電網安全穩定運行帶來一系列新的挑戰。而且，過去一個大中型電網，只需要接入幾十個、幾百個電廠，從生產側到消費側單向送電；現在隨著新型能源技術發展和與數字技術的融合，電網將接入數以千計、甚至萬計的各類電源和大量的新型交互式用能設備，許多并網主體兼具生產者與消費者雙重身份，電網運行的復雜性、不確定性顯著增加。

如何應對此種挑戰？舒印彪給出的解決之道是，適應能源轉型需要，推動傳統電網從功能上向能源互聯網演進，從技術上向新一代電力系統升級。而所謂“新一代電力系統”，他解釋，將是具有廣泛互聯、智能互動、靈活柔性、安全可控、開放共享特征的新型電力系統，其物理特性、結構形態、運行機理、控制方式與傳統電力系統存在明顯不同，“是影響能源轉型持續縱深推進的關鍵”。

“一切問題的根源，來自電力系統的發、供、用瞬時平衡特性。”國網冀北電力外聯部副主任高會杰表示。由于電力大規模存儲問題仍未解決，從電氣發明至今，電力系統一直呈現“即發即用”的基本特征。也就是說，因為存不了，就必須發多少，用多少，發、供、用三個環節保持“瞬時平衡”。

對火電等傳統發電方式來說，這不是問題，因為火電出力多少、何時出力，可以人為調節自如。從電網角度，這叫電網友好型發電，“平滑出力”。

而以風電、光伏發電為代表的可再生能源就完全不一樣了——何時有風、何時有陽光，不以人的意志為轉移，具有明顯的隨機性、間歇性特點；而且，可再生能源發電出力，往往跟用電負荷峰谷呈逆向分布，也就是說，“你不需要用電的時候（負荷谷底），它正好來勁；你最需要用電的時候（負荷高峰），它卻沒有了。”高會杰說，在儲能技術完全突破之前，這是可再生能源的“致命傷”。

看不見的電廠可能是更好的電廠

迄今為止，所有針對可再生能源的技術努力，核心就是試圖治愈這一“致命傷”；而“虛擬電廠”概念的提出及其實驗，是這些努力中較新的一個，也是較有可能獲終極突破的一個，所以被視為能源轉型的“詩和遠方”。

虛擬電廠是什么？

多年致力于能源轉型戰略研究的中國工程院原副院長杜祥琬院士指出，虛擬電廠不是傳統意義上的電廠，它相當于一個電力“智能管家”，站在電網角度，把風電、光伏發電等分布式能源通過儲能裝置組織起來，形成穩定、可控的“大電廠”，便于處理與大電網之間的各種關系。

國網冀北電力交易中心副總經理王宣元解釋，所謂虛擬，體現在它并不具有實體存在的電廠形式，卻真有一個電廠的功能，而且是遠超傳統實體電廠的功能，因為它打破了傳統電力系統中發電廠之間、發電側和用電側之間的物理界限。王宣元如此定義虛擬電廠：它是互聯網＋源網荷儲售服一體化（即電源、電網、負荷、儲能、銷售、服務的聚合體）的清潔智慧能源管理系統，是對多種分布式能源進行聚合、優化控制和管理，為電網提供調頻、調峰等輔助服務，并能夠參與電力市場交易的技術和商業模式。

說白了，在這樣一個“看不見的電廠”里，電力用戶是消費者，也可能是生產者，也就是之前舒印彪所說“兼具生產者與消費者雙重身份的”并網主體。比如一個擁有電動汽車的用戶，晚上電力相對富余、電價也較低時給汽車充電；白天電力相對緊張、電價也較高時可以余電上網，再賣給公共電網，其實質是“激勵混合型產消者與電網實現友好互動”。這就像電子商務平臺，由于是在“互聯網＋”環境下，你看不見商場，卻可以在上面從事各種交易。

當然，“電力交易只是虛擬電廠諸多功能中的一個。”王宣元強調，核心是源網荷儲售服一體化，其中的電源，既可以是傳統的火電，也可以是新興的風電、光伏、生物質發電；既可以是大規模集中式發電，也可以是分布式零散發電，還可以是冷、熱、儲能等其他能源形式。虛擬電廠把它們“串聯”起來，基于互聯網和大數據、云計算、人工智能等技術，實現發電和用電自我調節，保持瞬時平衡。比如，在繁華的城市樓宇群，虛擬電廠可以實時監測中央空調、電動汽車等柔性可控負荷，環境參數以及分布式能源出力，圍繞用戶和系統需求，自動調節并優化響應質量，減少電源和電網建設投資，在創造良好舒適生活環境的同時，實現用戶和系統、技術和商業模式的雙贏。

首批國際標準將花落中國

虛擬電廠概念自1997年提出以來，受到了歐洲、北美和澳洲等廣泛關注；隨著近年來信息通訊技術（ICT）、分布式協調控制技術和智能計量技術的提高，分布式電源、儲能、電動汽車的快速發展，工業領域逐漸表現出對虛擬電廠的極大需求并付諸工程實踐。

由于虛擬電廠應用前景廣泛，全球主要國家都在搶占先機，爭取戰略主動。其中，相關標準制訂成為主導國際話語權的必爭之地，正如舒印彪所言：“沒有標準化，能源轉型不可能成功。”

此前的2017年10月，國網旗下冀北電力公司和中國電科院組成的專家團隊，代表中國向IEC提交了《虛擬電廠用例》和《虛擬電廠架構與功能要求》兩項標準提案；經過激烈競爭，順利通過了投票，并獲得德、英、法、瑞等成員國的加盟支持，于2018年3月獲批正式立項，成為IEC首批立項的虛擬電廠國際標準，意味著虛擬電廠首批標準將花落中國。

IEC 1906年在倫敦成立，是最具權威性的國際電工標準化機構。一個多世紀以來，IEC累計發布電工領域國際標準7713項，為促進電力及能源可持續發展作出了重要貢獻。近年來，IEC專門成立了一系列與能源轉型相關的技術委員會，圍繞特高壓、新能源、高壓直流輸電、智能電網、電動汽車等，制定了一批重要標準，為全球能源轉型提供有力支撐。

國家市場監管總局標準創新管理司司長崔鋼認為，國際標準作為世界的“通用語言”，是各國間互聯互通的基本規范、是技術合作的基礎條件，在推動能源轉型方面的作用越來越重要。“世界需要標準協同發展，標準促進世界互聯互通。”崔鋼表示，虛擬電廠國際標準提案獲批立項，標志著國家電網在新一代電力系統的虛擬電廠領域處于國際領跑地位，提升了我國制定能源轉型國際標準的話語權，具有十分重要的現實意義和長遠的戰略價值。

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各顯神通搶灘虛擬電廠

從世界范圍看，王宣元介紹，歐洲虛擬電廠聚焦于“源”，主要目標是提高分布式電源并網友好智能互動性，打造持續穩定發展的商業模式。先后在歐盟第六、第七框架計劃下開展了FENIX項目和TWENTIES項目，前者將大量的分布式電源聚合成虛擬電廠，提高歐盟電力系統的經濟性、可控性和安全性；后者的示范重點在于如何利用虛擬電廠實現熱電聯產、分布式電源和負荷的智能管理。

北美虛擬電廠則起源于“荷”，通過自動需求響應和能效管理，提高綜合能源的利用效率。比如，美國紐約州在能源改革愿景（REV）戰略指導下開展了ConEd VPP項目，旨在將用戶側“太陽能儲能”系統集群友好并網，降低居民用電成本，提高電網調峰調頻和應急響應能力；加利福尼亞州探索分布式光伏的管理方式，包括虛擬電廠和分布式能源供應商（DERP）如何參與電網運營和電力市場。

澳洲近年投運了多項虛擬電廠示范工程，主要目標是降低用電成本，促進清潔能源消納，提高澳洲電網穩定性，并與特斯拉公司聯合打造AGL VPP示范工程，意在聚合大量光伏電源和儲能設備，應對分布式電源高滲透率帶來的挑戰，降低基礎設施投資成本。