炎炎夏日，随着暴雨、高温等极端天气的频频出现，城市电网负荷和用电量持续快速攀升。7月25日中午，南方电网数据显示，深圳电网用电负荷达2313.4万千瓦，历史首次突破2300万千瓦，较去年最高负荷增长4.8%。一般而言，5%以内的尖峰负荷在一年以内不超过100小时，如何在不新增发电装机容量的情况下保障充足电力供应已经成为城市电力系统运营管理的一大挑战。深圳，这座充满活力的用电大市，正在探索一条新的电力系统运营管理路径——虚拟电厂。虚拟电厂通过整合分散的分布式资源，包括灵活可调负荷资源、太阳能、风能、储能装置和电动汽车等，可以构建一个虚拟的电力供应系统，该系统一方面经济性优势明显，相比新建一台百万千瓦煤电机组，能够减少新增投资30亿-40亿元人民币；另一方面，它通过聚合、调度和管理灵活分布式资源，增强了电力系统需求侧弹性空间，从而能够及时缓解高峰用电时期的电力供应紧张局面。本文将以深圳虚拟电厂运营和建设情况为案例，探讨其构建路径及示范探索的成果和意义。
在迎峰度夏之际，为进一步挖掘分布式资源调节潜力，打造源网荷储高效互动新型电力系统，更好推动虚拟电厂加快发展，深圳发改委于6月印发了《深圳市支持虚拟电厂加快发展的若干措施》。那么，深圳虚拟电厂的示范探索路径究竟如何，是否具备可复制性？7月16日，在能源基金会资助、深圳市科中云技术有限公司主要承担的课题“中国南方区域（以深圳为试点）城市级虚拟电厂构建路径及示范探索”结题会上，针对深圳模式发展路径，围绕商业储能、楼宇空调、充电站等课题示范场景（图1）参与虚拟电厂的实操情况，包括能源研究所、电网公司、发电集团等各方代表专家讨论热烈，并围绕江苏、冀北、山西等其他地区发展模式的差异性提出各自观点。事实上，无论哪个区域的市场，只要能调动市场主体参与积极性，在电网需要削峰填谷之际能切实发挥作用，那就证明成功了一半。
图1：科陆大厦用户侧储能设施（参与了7月削峰响应，相比基线运行情况成功削减800千瓦负荷）
虚拟电厂并不是新生事物。1997年，Shimon Awerbuch博士在其著作《虚拟公共设施：新兴产业的描述、技术及竞争力》一书中就提出了“虚拟电厂”的概念。国外虚拟电厂行业起步较早，始于21世纪初德国、西班牙等5国的欧盟虚拟燃料电池电厂（virtual fuel cell power plant，VFCPP）项目，该项目旨在发展、安装、测试并展示由31个分散且独立的居民燃料电池热电联产（CHP）系统构成的虚拟电厂。目前行业发展较为成熟的区域是欧洲和美国：欧洲的虚拟电厂起步于发电侧，通过对分布式电源、储能资源进行整合、调配，以降低新能源弃电和获取市场收益为主要目标。而美国的特点是电力市场运营商高度分散，因此其虚拟电厂聚焦负荷端资源统一调配，相关计划通常由公共事业企业（Utility）或能源零售商运营。反观国内虚拟电厂发展，2013年，我国在北京、上海、江苏、佛山等省市开展了电力需求侧响应及虚拟电厂项目试点工作。2019 年，国网冀北泛在电力物联网虚拟电厂示范工程投入运行，成为国内首个虚拟电厂项目，此时虚拟电厂也仅停留在示范阶段。
随后，在双碳目标指引下，能源转型步入深水区带来新的形势局面，大规模的风电、光伏等不稳定电源及呈爆发性增长趋势的新能源汽车已经、正在或正要接入电网。截至2024年6月底，全国并网风电、太阳能发电装机容量合计达11.8亿千瓦，新能源发电装机规模首次超过煤电。电力生产供应绿色化的不断深入给电力系统的安全稳定运行造成了巨大的冲击，也大幅提升了电力系统调频、调峰等辅助服务的市场需求。新形势下，虚拟电厂新的发展优势更加凸显：
首先，虚拟电厂的核心优势在于其灵活性和可调度性。随着新能源、储能、电动汽车等资源的规模化接入，虚拟电厂可灵活调度的资源更加丰富。通过智能算法和实时数据分析，虚拟电厂能够更加精准地预测和调度电力资源。例如，在深圳用电高峰期，充电桩特性的虚拟电厂聚合商可以通过暂时降低电动汽车充电桩的充电功率实现削峰填谷；而楼宇资源聚合商可以在空调端安装柔性调节装置，利用大数据分析和智能控制技术，将普通空调大惯性负荷转换为柔性可调负荷，在满足舒适度前提下能够实现10%—20%的负荷调节率。
其次，虚拟电厂还能有效提升风光等分布式能源的利用率。随着风光等分布式新能源大规模并网，包括河南、山东等省份出现大面积“红区”（不让继续分布式新能源继续并网的区域）。而虚拟电厂能通过智能化控制系统，将多个分布式能源资源聚合后统一管理，增强其可控性和可靠性，并在电力系统需要时提供辅助服务。截至2024年6月，山西虚拟电厂平台共聚合资源容量1509.9万千瓦，填谷响应能力达到32.6万千瓦，削峰响应能力达到23.8万千瓦，累计消纳新能源43万千瓦时。
第三，虚拟电厂能够通过市场化运行机制获取经济补贴，有助于降低分布式资源的日常运营成本。例如，深圳积极组织实施虚拟电厂精准响应，推动分布式资源参与各类电力市场交易，并参考广东省市场化需求响应支持力度给予补贴。
深圳高技术企业高度集中，单位GDP能耗和碳排放强度已降至全国平均水平的1/3和1/5，是全国单位GDP能耗、碳排放强度最低的大城市。深圳需要结合自身特点挖掘源网荷储的潜力推动减碳，源头上新建分布式光伏的潜力空间不足，而虚拟电厂可以通过提升包括储能、负荷在内的灵活调节能力，实现供需动态平衡，从减少传统发电投资角度能够大幅度降碳。
深圳的虚拟电厂管理中心（简称“中心”）的项目示范走在前列离不开三个因素：一是数字能源转型基础。只有运用数字技术和手段才能从根本上提升用电效率，并进一步强化电力系统的柔性、灵活性。中心通过聚合大量分散的能源资源，构建了一个具备实时调节能力的智能电力系统。二是完善的电力市场体系和交易机制。无论是广东电力现货市场，还是南方区域电力市场，均成为深圳市场化推进虚拟电厂的优良基因。中心通过引入市场化交易机制，激励用户参与电力需求侧响应，实现了经济效益和社会效益的双赢。公开报道显示，截至2024年上半年，深圳虚拟电厂管理中心接入容量规模265万千瓦，以一户家庭报装容量6千瓦来计算，相当于40多万个家庭的用电需求；实时可调负荷超56万千瓦，相当于2台中型火电机组。三是政府的政策支持和引导。自2022年以来，深圳先后出台《深圳市虚拟电厂落地工作方案（2022—2025年）》《深圳市虚拟电厂精准响应实施细则》等文件，并成立国内首家虚拟电厂管理中心，以之为牵引加大市场培育。
图2：深圳虚拟电厂管理中心对深圳虚拟电厂进行常态化运营管理
2023年，深圳虚拟电厂的建设取得了显著成效，主要通过本地精准响应实现了虚拟电厂实体化、常态化和市场化运作。虚拟电厂有效缓解了电力供应的平衡问题，解决了局部电网阻塞，优化了可调节资源的聚合，并促进了新能源的全面接入和消纳。通过唤醒沉睡的可调节资源，虚拟电厂将负荷管理从用户被动参与转变为主动选择，形成了电网和用户负荷资源良好互动的新形态。
应用价值仍待挖掘－新的场景探索在路上
在南方能监局和南网总调等机构的支持下，深圳虚拟电厂管理中心积极拓展新的应用场景，实现了跨区市场、省内市场和深圳市场的叠加赋能，以及需求响应市场、辅助服务市场和电能量市场的相互补充，具体而言：
一是推动虚拟电厂参与调频应用。中心在国内首次实现以换电站参与调频（能够快速调节“虚拟电厂”有功出力）的技术验证，标志着其具备了实体电厂的功能，满足了调频 “秒级”响应要求。目前，换电站单站调频功率达200千瓦，中心已累计接入30余座换电站。
二是推动虚拟电厂参与南方区域跨省备用市场。2023年9月底，深圳地区10家虚拟电厂资源参与跨省备用市场调用运行，在负荷高峰时段内为电力系统提供正备用；11月初，深圳地区7家虚拟电厂作为第三方独立主体参与跨省备用市场交易，首次与其他常规电源发电主体同台竞价，日前市场出清最大中标容量约为24兆瓦。
三是针对高峰用电期间供电不足、馈线重过载、通道容量不足等问题，中心通过虚拟电厂精准邀约等举措引导相关运营商参与响应。例如，针对夜间集中充电导致馈线重过载的问题，中心精准邀约相关聚合商，引导充电桩削峰，合理调整充电计划，调节时段负荷下降约40%。2023年7月和10月，在全域负荷尖峰电网供电不足的情况下，中心通过邀约实现虚拟电厂最大调节功率分别达7万千瓦和21万千瓦。2023年11月，针对输电通道容量不足问题，中心通过组织邀约响应实现削减负荷最高达15万千瓦，有效缓解了断面重过载。
（*数据均来自互联网公开信息）
截至目前，深圳虚拟电厂管理中心已通过该平台组织运营商开展负荷调节64次，调节电量近210万千瓦时，减排二氧化碳1749.8吨。就深圳而言，通过一系列对可调度资源的深度挖掘和技术手段应用的示范探索，它为城市级虚拟电厂的构建提供了有益的思路，不仅提升了电网的调峰、调频能力，还在节约电力系统运行成本、带动相关产业方面发挥了重要作用。对照深圳虚拟电厂的经验，我国其他地区虚拟电厂的发展还面临诸多挑战：首先，顶层设计尚不成熟，缺乏统一的标准和规范；其次，相比深圳、广东市场，其他有削峰需求的地区市场参与度较低，用户侧负荷可调控性差，导致市场反应不积极；第三，商业模式不够清晰，传统发展模式下运营成本较高，导致投资积极性不足；第四，各地虚拟电厂管理办法较为宏观，对于数字平台搭接后的负荷接入与管理实施指导意义不强。
结合深圳发展经验，建议各地在开展虚拟电厂时：一是需要明确各方的职责分工，建立合适的管理模式和组织体系，并完善价格激励和财政补贴机制，鼓励用户积极参与。二是可以借鉴国外的成功经验，建议政府分阶段推进电力市场体系建设，让虚拟电厂资源逐步参与到电能量、容量和辅助服务等市场中，通过市场交易获取利益。三是政策上鼓励源网荷储一体化或者绿电就近就地消纳创新发展模式，推动分布式能源和虚拟电厂的发展。四是政府加大主导力度，成立省级和地市级虚拟电厂管理中心，统筹建设和运营，结合区位负荷特点和资源禀赋制定具体实施方案，打造虚拟电厂的特色名片。
（饶亦然、唐猛、张永平、周锋）
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