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虛擬電廠蓄勢待發,源網荷儲聯動是新型電力系統必然選擇

發布時間: 2024-04-17  點擊次數: 171次

安科瑞 陳聰

虛擬電廠是什么

虛擬電廠是什么:分布式資源的聚合與優化

虛擬電廠概念起源于1997年《虛擬公共設施:新興產業的描述、技術與競爭力》一書中對虛擬公共設施的定義, 虛擬公共設施即通過獨立且以市場為驅動的實體間開展靈活合作,參與合作的實體無需擁有相應資產便可為消費者提供 所需服務,虛擬電廠便是在此概念基礎上進行拓展延伸。

根據《虛擬電廠的概念和發展》一文,虛擬電 廠(virtual power plant,簡稱VPP)是通過先進信息通信技術和軟件系統,實現分布式電 源、儲能系統、可控負荷、電動汽車、充電樁等分布式能源的聚合和協調優化,以作為一個特殊電廠參與電力市場和電網運行的電源協調管理系統。虛擬電廠并不是真實存在的電廠,而是一種智能電網技術,應用分布式電力管理系統參與電網運行調度,實現“源-荷-網”聚合優化。

虛擬電廠是什么:結構——可調節性是資源層的核心

資源層的調節能力和質量決定虛擬電廠完成調度指令的能力,工商業儲能作為調節資源之一,是虛擬電廠大發展的重要前提條件。

源:目前接入資源以分布式光伏為代表,自身不具備調節能力,可和工商業負荷視為整體,構成一個可調節負荷。

荷:可調節負荷各有自身能力限制,工業負荷往往受生產計劃強制約,且響應速度慢;空調負荷在時間維度不可平移,基本沒有填谷能力,且受用戶體驗和天氣等因素限制,可調節范圍有限;充電樁作為直接面向C端的負荷,其調節能力不可預測性較強。

儲:可調節能力、響應速度和可靠性都較好的調節資源,同時具備削峰和填谷能力,虛擬電廠進行高頻次大幅度響應的資源。

為什么需要虛擬電廠

為什么需要虛擬電廠:風光快速增加帶來的填谷需求

風光裝機快速增長,加劇電力系統不可控性。截至2023H1,我國風電裝機389.21GW,太陽能裝機470.67GW,風光合計占總裝機的31.76%。其中,2023年H1我國風電新增裝機22.99GW,對比22年同期新增12.94GW,同比+77.67% ;太陽能新增裝機78.42GW,對比22年同期新增30.88GW,同比+153.95%,風、光均加速增長。新能源出力主要受來風、來光影響,人為干預作用小。因此,當新能源出力與負荷用電特性不吻合時,便存在新能源電力消納問題,處理不當會引發電力系統安全事故,且造成投資的浪費。

光伏建設速度遠超風電,分布式光伏成為主力。2022年我國光伏裝機初次超過風電,其中分布式功不可沒。2022年分 布式光伏新增裝機51.11GW,占當年全部光伏新增的58.48%;截至23H1,分布累計裝機達198.23GW。分布式建設、選址簡單,項目周期短,裝機提升快。由于其出力時間高度集中,受電網調度管控程度相對低,消納問題正在顯現,山東、河南等分布式裝機大省已出臺分布式配儲文件。

“鴨子曲線”變“峽谷曲線”,光伏增加帶來填谷需求。“鴨子曲線”由美國加州電網運營商CAISO提出,即在光伏出力高峰的中午,凈負荷曲線下降,隨后在晚上光伏發電量下降時凈負荷急劇上升。隨著光伏裝機增加,CAISO的凈負荷曲線出現了向“峽谷曲線”的轉變,即中午凈需求更低,跌至零值甚至負值;傍晚負荷增加更加陡峭,其他電源需快速爬坡出力以適應負荷的急劇攀升。

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(圖片來自于華福證券虛擬電廠專題報告)

國內以山東為代表的部分省份同樣有明顯的填谷需求。山東裝機結構與CAISO相似,截至22年底,光伏裝機占比達到 22.5%。在2023年五一假期期間,山東省內用電負荷下降約15%,引發連續負電價現象。值得注意的是,4月29日-5月1日現貨價格曲線形狀類似鴨子曲線,期間10時-15時負電價出現尤為頻繁,而該時段為光伏發電高峰。結合此前山東 將中午時段劃分為電價深谷時段,新能源裝機增加改變了原有的負荷曲線,使得新能源集中大發時段,電網凈負荷出現了一個深谷,需要對負荷進行時間上的轉移(填谷)以平滑變化、促進新能源消納。

為什么需要虛擬電廠:充電樁等新型負荷使得負荷側復雜程度提升

充電樁保有量隨新能源汽車快速提升,改變配電網形態。截至2023H1,我國公共充電樁保有量為214.86萬臺,同比+40.63%。2023H1,新能源汽車銷量同比+44.13%,保持快速增長,可以預見未來隨新能源汽車銷量繼續快速提升,充電樁保有量將持續增加。充電樁的大量增加將對配電網產生沖擊,相比于常規交流充電樁,快充直流樁由于功率更大、充電時間更短,產生沖擊更大。

充電樁加劇居民生活用電負荷峰值提升。充電樁對配電網的影響主要包括:(1)充電樁用電高峰同樣是居民原有用電高峰,會導致原有負荷峰值繼續提升,產生時間短、量級高的尖峰負荷;(2)按尖峰負荷配置變壓器容量,導致其余時間資源閑置;(3)充電負荷波動帶來網絡損耗等。

因此,充電樁的發展導致了削峰填谷需求的增加,但同時充電樁和新能源汽車本身是良好的可調節負荷,如能通過虛擬電廠進行聚合和優化,是降低充電成本和降低電網投資的雙贏之選。

為什么需要虛擬電廠:需求側響應能力力爭達到至大負荷的3%-5%

需求側響應能力建設目標明確。十四五前,虛擬電廠停留在個別地區、項目試點階段,一是新能源裝機占比不高,電力系統對靈活 性資源需求不強;二是缺乏量化目標。 2022年,《“十四五”現代能源體系規劃 》提出,力爭到2025年,電力需求側響應 能力達到至大負荷的 3%~5%,其中華東、華中、南方等地區達到至大負荷的5%左右。

虛擬電廠政策密集發布,成為新型電力系統建設的重要一環,政策力度有望持續加大。7月11日,深化改革委員會第二次會議召開,審議通過了《關于深化電力體制改革 加快構建新型電力系統的指導意見》。會議強調,要健全適應新型電力系統的體制機制,推動加強電力技術創新、市場機制創新、 商業模式創新。虛擬電廠作為促進新能源消 納的重要環節和電力商業模式創新的重要形式,后續政策支持力度有望持續加大。

虛擬電廠如何創造收益

虛擬電廠如何創造收益:需求側響應

虛擬電廠的三個收益來源:需求側響應、輔助服務市場、電力現貨市場 。當前我國虛擬電廠處于邀約型向市場型過渡階段。邀約型階段主要由政府部門或調度機構牽頭組織,發出邀約信號,虛擬電廠組織資源進行響應,并獲得容量/電量補貼。我國多個省份出臺了需求響應細則,其中以江蘇、上海、廣東等省市開展得較好。需求側響應補貼單價高但頻率低,市場化程度低。需求響應以削峰為主,主要發生在迎峰度夏期間,主要目的在于保供。以廣東省為例,2022年全年開展9次日前邀約型市場化需求響應(均發生在7月和8月);至大削峰負荷277萬千瓦,至大響應申報量609萬千瓦;有效響應調用收益1.63億元??梢钥吹?,雖然補至至高達到5元/千瓦時(可中斷負荷),但需求響應并非常態化進行,發生頻率較低,有很強的計劃色彩。因此隨著我國電力市場體制建設逐漸完善,虛擬電廠也正從邀約型階段向市場型階段過渡。

虛擬電廠如何創造收益:輔助服務市場

新型電力系統持續催生對輔助服務的需求。傳統電源(火電、水電等)具備一定的調節能力,而新能源存在出力波動、無功缺失等特性,導致高比例新能源裝機電力系統對電力輔助服務的需求提升。根據國家能源局數據,2019H1我國輔助服務費用占總電費比例為1.47%;根據中國能源報,這一比例在近兩年上升至2.5%;根據國際經驗,輔助服務費用一般占社會總電費的3%以上,隨著新能源大規模接入還將不斷增加。因此,預計輔助服務市場規模將以高于用電量增速的速度增長。

虛擬電廠主要發揮調峰、調頻作用。2021年12月,國家能源局修訂發布《電力輔助服務管理辦法》,確指出電力用戶可通過委托虛擬電廠代理的形式參與電力輔助服務市場,此后多地在電力輔助服務細則中對虛擬電廠/負荷聚合商參與輔助服務的條件、補償方式予以明確。當前,虛擬電廠主要功能是電能量的時間轉移,對應調峰服務;未來隨著工商業儲能滲透率提升,虛擬電廠有望在調頻服務取得更大突破。從2023H1全國輔助服務運行數據看,調峰、調頻是輔助服 務費用的主體,費用合計占比達到80%。

虛擬電廠市場規模測算

虛擬電廠市場空間測算:預計到2025年投資規模為330-550億元

從投資端看虛擬電廠規模:計算邏輯:假設需求側響應投資和虛擬電廠投資等效,投資規模=全社會至大用電負荷*需求側響應能力占比*需求側響應能力單位投資。(1)根據中電聯預測,到2025年全社會至大用電負荷為16.3億千瓦;(2)根據《“十四五”現代能源體系規劃》,力爭到 2025 年,電力需求側響應能力達到至大負荷的 3%~5%,假設保守情況下2025年需求側響應能力達到至大負荷的3%,樂觀情況下達到至大負荷的5%;(3)根據國家電網測算,如果通過火電廠滿足5%的峰值負荷需要投資4000億元,而通過虛擬電廠實現這一目標僅需投資500億-600億元。假設滿足5%的峰值負荷需要虛擬電廠投資550億元,倒算得到需求側響應單位投資為675元/千瓦。測算得到,到2025年,保守情況下虛擬電廠/需求側響應總投資額為330億元,樂觀情況下總投資額為550億元。

虛擬電廠市場空間測算:預計2025年運營規模在百億元級別

從運營端看虛擬電廠規模: 電力現貨市場下:(1)根據中電聯預測,到2025年全社會用電量為9.5億千瓦時;(2)假設現貨交易電量占全社會用電量的10%;(3)現貨市場并非時時存在價差,假設虛擬電廠單日可進行4小時電量的套利(參考工商業2h儲能系統兩充兩放 策略),參考近期代理購電峰谷價差,假設平均峰谷價差為0.7元/千瓦時;(4)假設虛擬電廠套利電量占現貨市場可套利電量的20%;(5)假設虛擬電廠運營商分成比例取20%-80%。 測算得到,通過電力現貨市場獲利模式下,當虛擬電廠運營商分成比例為50%時,虛擬電廠2025年運營市場規模為111 億元。輔助服務和電力現貨兩種獲利途徑存在部分重合關系,電力現貨基本對至大的輔助服務品種——調峰服務形成替代。無論通過哪種途徑獲得收益,我們測算當運營商分成比例為50%時,2025年虛擬電廠運營市場規模均在百億元級別。

公司分析

安科瑞:提供能耗管控解決方案,微電網產品持續迭代升級

深耕用電業務,微電網解決方案供應商。公司成立于2003年,早年定位用電自動化領域,從事用戶端智能電力儀表的研發、生產與銷售,主要產品為電力監控儀表、電能管理儀表、電氣安全儀表及與之配套使用的電力傳感器。2016 年公司開始向綜合服務商轉型,目前定位為為企業微電網能效管理和用能安全提供解決方案的高新技術企業和軟件企業,主要產品包括企業微電網產品和系統、電量傳感器等,形成了從云平臺到傳感器的完整產品生態體系,累計為1.4萬余企業配套系統解決方案。

EMS產品實現平臺化,向源網荷儲充一體化進發。公司EMS產品迭代到2.0版本,未來EMS3.0將在EMS2.0基礎上并入光儲充平臺,實現源網荷儲充一體化柔性控制。目前,EMS 3.0已完成產品研發架構,功能正在逐步完善。

——以上內容節選自華福證券虛擬電廠專題報告:虛擬電廠蓄勢待發,源網荷儲聯動是新型電力系統必然選擇。

安科瑞智慧能源管理平臺助力虛擬電廠快速發展

安科瑞智慧能源管理平臺

AcrelEMS 智慧能源管理平臺是針對企業微電網的能效管理平臺,對企業微電網分布式電源、市政電源、儲能系統、充電設施以及各類交直流負荷的運行狀態實時監視、智能預測、動態調配,優化策略,診斷告警,可調度源荷有序互動、能源全景分析,滿足企業微電網能效管理數字化、安全分析智能化、調整控制動態化、全景分析可視化的需求,完成不同策略下光儲充資源之間的靈活互動與經濟運行,為用戶降低能源成本,提高微電網運行效率。AcrelEMS 智慧能源管理平臺可以接受虛擬電廠的調度指令和需求響應,是虛擬電廠平臺的企業級子系統。

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圖1  AcrelEMS 智慧能源管理平臺主界面

平臺結構

系統覆蓋企業微電網“源-網-荷-儲-充”各環節,通過智能網關采集測控裝置、光伏、儲能、充電樁、

常規負荷數據,根據負荷變化和電網調度進行優化控制,促進新能源消納的同時降低對電網的至大需量,使之運行安全。

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圖2  AcrelEMS 智慧能源管理平臺結構

平臺功能

1.能源數字化展示

通過展示大屏實時顯示市電、光伏、風電、儲能、充電樁以及其它負荷數據,快速了解能源運行情況。

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2.優化控制

直觀顯示能源生產及流向,包括市電、光伏、儲能充電及消耗過程,通過優化控制儲能和可控負載提升新能源消納,削峰填谷,平滑系統出力,并顯示優化前和優化后能源曲線對比等。

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3.智能預測

結合氣象數據,歷史數據對光伏、風力發電功率和負荷功率進行預測,并與實際功率進行對比分析,通過儲能系統和負荷控制實現優化調度,降低需量和用電成本。

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4.能耗分析

采集企業電、水、天然氣、冷/熱量等各種能源介質消耗量,進行同環比比較,顯示能源流向,能耗對標,并折算標煤或碳排放等。

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5.有序充電

系統支持接入交直流充電樁,并根據企業負荷和變壓器容量,并和變壓器負荷率進行聯動控制,引導用戶有序充電,保障企業微電網運行安全。

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6.運維巡檢

系統支持任務管理、巡檢/缺陷/消警/搶修記錄以及通知工單管理,并通過北斗定位跟蹤運維人員軌跡,實現運維流程閉環管理。

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設備選型

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除了智慧能源管理平臺外,還具備現場傳感器、智能網關等設備,組成了完整的“云-邊-端”能源數字化體系,具體包括高低壓配電綜合保護和監測產品、電能質量在線監測裝置、電能質量治理、照明控制、充電樁、電氣消防類解決方案等,可以為虛擬電廠企業級的能源管理系統提供一站式服務能力。

安科瑞系統解決方案還包含電力運維云平臺、能源綜合計費管理平臺、環保用電監管云平臺、充電樁運營管理云平臺、智慧消防云平臺、電力監控系統、微電網能量管理系統、智能照明控制系統、電能質量治理系統、電氣消防系統、隔離電源絕緣監測系統等系統解決方案,覆蓋企業微電網各個環節,打造準確感知、邊緣智能、智慧運行的企業微電網智慧能源管理系統。

 




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