我们生活在一个日益虚拟化的世界，让人体验充满沉浸感的虚拟空间的“VR”已经耳熟能详，比特币等“虚拟货币”也是热门话题。事实上，“虚拟”这个词也开始用于能源领域。近年来，能源行业最大的流行词是虚拟电厂（virtual power plant，VPP）。
VPP的概念在2010年初开始被探索，尤其是在欧美。由于这些地区已经具备了在市场上买卖电力的功能，VPP也建立了以市场交易为前提的盈利模式。然而，VPP不仅仅是一个概念，它的数量在过去十年中呈指数级增长，越来越多的能源公司正在创建、利用和商业化虚拟电厂相关业务。下面我们就来深入了解这一能源领域的新秀吧。
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什么是 VPP ？
在VPP中，电力网络中的分散单元由单一的集中控制系统连接和操作。这些单元可以是电力生产者（如风能、沼气、太阳能、热电联产或水力发电站）、电力储存单元、电力消费者等。当将以上这些分散单元整合到一个虚拟电厂时，任何单元都能成为虚拟电厂的一部分。
除了操作VPP中的每个单独单元，中央控制系统还在使用一种特殊的算法调整来自输电系统运营商的平衡储备指令和电网条件——就像一个更大的传统电厂一样。此外，当涉及到电力交易时，虚拟电厂可以快速有效地做出反应，从而根据电力交易所的价格信号调整电厂的运行。
像这样，用虚拟电厂管理太阳能发电、蓄电池、电动汽车、住宅设备等，并将本地的发电、存储、需求作为一个整体进行管理。通过调整能源的“制造”、“存储”和“使用”，创造一个家庭、企业、工厂、商店和市政设施通过电力相互依存的新型社区。
02
VPP缘何存在？
１、VPP的目标
VPP是实现智能配电网的重要技术之一。它通过分布式能源管理系统将配电网中分散安装的清洁能源、可控负荷和储能系统合并为一个特别的电厂参与电网运行，从而很好地协调智能电网与分布式能源间的矛盾，充分挖掘分布式能源为电网和用户所带来的价值和效益。在欧洲，虚拟电厂也可以叫做电网聚合商（aggregator），在市场参与者中，电网聚合商负责把分布式新能源小型发电设备的控制权集中，达到参与电力市场的最低门槛，相当于代理商的角色。
在VPP中，分散安装在配电网中的清洁电源、受控负荷和储能系统合并作为一个特别的电厂参与电网运行，每一部分均与能量管理系统（EMS）相连。控制中心通过智能电网的双向信息传送，利用EMS进行统一调度协调机端潮流、受端负荷以及储能系统，从而达到降低发电损耗、减少温室气体排放、优化资源利用、降低电网峰值负荷和提高供电可靠性的目的。
２、VPP的作用
建设“能效电厂”不仅有助于缓解电力紧缺，还能够在较长的时期内持续发挥作用，因而可以和常规电厂一样成为一种资源。VPP的核心不在于发电而是在于节电，通俗地讲就是改造高耗能设备，节约下来的电能等于建一座发电厂。
建设VPP还有很多好处，一是不需要耗煤，如今煤炭资源日益紧张，这项措施可利用现有电能创造出更大效益。二是不需要占地，把工厂建在虚拟世界里，把效益带到真实世界来。三是不需要考虑环境污染问题。所以在某种意义上，建成这样一个电厂，比建一个真实的电厂还要好。
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VPP在各国的发展背景及发展情况
目前VPP的理论和实践在发达国家已经成熟,但各国各有侧重——美国以可调负荷为主,规模已超3千万kW,占尖峰负荷的4%以上；以德国为代表的欧洲国家则以分布式电源为主,德国一家公司整合了9516个发用电单元,总容量817万kW,提供了全德二次调频服务的10%市场份额；日本以用户侧储能和分布式电源为主,计划到2030年超过2500万kW；澳大利亚以用户侧储能为主,特斯拉公司在南澳建成了号称世界上最大的以电池组为支撑的虚拟电厂。以下部分将详细介绍虚拟电厂在各国的发展情况。
１、中国
高耗能一直是我国经济生活中一个严峻的问题。据相关统计，中国单位GDP的耗电量为世界平均水平的3.8倍，韩国的3.1倍，日本的11倍。能源利用效率低，资源浪费严重无疑是造成电力紧缺的症结之一。
能耗高的另一面就是节电潜力大，中国的高耗能设备应用较多，照明设备、锅炉、制冷空调等都有待提高效率。据测算，中国终端用电设备的总节电潜力约为2000亿千瓦时。作为仅次于美国的全球第二大发电大国，我国的电力供应规模已经达到相当水平。因此如果把困扰着我们的“电荒”问题完全归结为发电规模，显然是不合适的。VPP对电力供求形势的极大适应性无疑是解决电力危机的又一思路。VPP在我国有着非常大的市场潜力，对于面临“电力紧张和能效偏低矛盾”的中国来说，无疑是一种好的选择。
“十三五”期间,我国江苏、上海、河北、广东等地开展了电力需求响应和VPP试点。如江苏省于2015年率先出台了《江苏省电力需求响应实施细则》, 2016年开展了全球单次规模最大的需求响应,削减负荷352万kW, 2019年再次刷新纪录达到402万kW,削峰能力基本达到最高负荷的3%～5%。国家电网冀北公司高标准建设需求响应支撑平台,优化创新虚拟电厂运营模式,高质量服务绿色冬奥,并参与了多个虚拟电厂国际标准制定。
２、欧美国家
① 发展情况
目前，虚拟电厂技术在欧美发达国家有着较为成熟的发展，在欧美各国已有一些可供借鉴的小规模示范项目。自2001年起，欧洲各国就开始开展以集成中小型分布式发电单元为主要目标的虚拟电厂研究项目，参与的国家包括德国、英国、西班牙、法国、丹麦等。现已实施的VPP项目包括：德国卡塞尔大学太阳能供应技术研究所的试点项目、欧盟虚拟燃料电池电厂项目、欧盟FENIX项目等。北美则较少采用VPP的概念，而是主要推进利用用户侧可控负荷的需求响应。
② 盈利方式
传统的火力发电厂不仅提供所需的容量，而且还为电网稳定提供一系列辅助服务，从稳定电压到频率响应，VPP有可能从这两种类型的操作中获得收入。
例如在容量方面，部署VPP已被用于避免电力系统的加固需求。在澳大利亚的一家名为Evo energy的公用事业公司使用VPP避免了变电站更新并节省了大约200万澳元。
美国波特兰通用电气正在建设一个4兆瓦的VPP。参加这个VPP实验的家庭将获得购买电池的费用回扣或每月20美元或40美元的现有电池使用费。
作为VPP正在商品化的一个标志，位于加利福尼亚州雷德伍德市的Auto Grid公司正在通过亚马逊网络服务市场销售其管理系统。
3、日本
到目前为止，日本电力系统基本采取了按需供电、给定需求的形式。然而，东日本大地震后的电力供需紧张，使人们强烈认识到，除了加强传统节能措施外，还必须以供需平衡的意识来管理能源。此外，日本震后太阳能和风能等可再生能源的引进也取得了长足的进步。这些资源的发电量取决于天气和其他自然条件，因此无法控制发电量。与此同时，消费者方面分散能源资源的引入也在激增，如光伏发电、家庭燃料电池的热电联产、蓄电池、电动汽车等。
在这一背景下，VPP也在日本进一步崭露头角，目前日本的市场形成情况与欧美有很大不同，VPP运营商仍需探讨日本特有的商业模式。其中，在日本脱碳步伐迅速、气候变化灾害增多的背景下，日本政府已将可再生能源在地区层面的普及作为重要主题，预计未来本地生产、本地消费型VPP项目的数量将会进一步增加。
今年1月，寒潮侵袭日本全国取暖需求激增，火力发电的主要燃料液化天然气的短缺，以及冬季太阳能和水力发电产量的下降，导致了全国范围内电力供需的紧张。
日本电力批发交易所（JEPX）是日本唯一的电力批发交易市场JEPX于2005年4月开始交易后交易价格飙升，甚至一些新电力公司出现了采购价格超过销售价格的情况。如果他们变得无利可图，陷入亏损，他们的生存就会受到威胁。
在这种情况下，一个新的电力交易市场，即电力供需调整市场，已于2021年4月在经济产业省自然资源和能源局的主持下启动。与JEPX不同，主要的电力公司和新的电力公司将主要参与其中，这个市场将针对可再生能源。它不仅涉及发电公司，还涉及消费者和它们之间的中介机构，它们将在关东和九州地区等区域大规模调整电力供需，并提供资金补助。这将在全国范围内推进价格竞争，提升协调能力，电力供需将更加稳定。其中作为替代传统大型发电厂的下一代电力基础设施的VPP备受瞩目。
04
前景展望
就未来即将迈入数字化的这一既定事实而言，能源行业也不例外。与我们生活中许多其他领域一样，电力供应正在经历根本性转变，不仅在国家范围内，全球范围内也是如此。能源市场即将完成从大型化石燃料发电厂向由数字化控制的虚拟电厂的转型，而且虚拟电厂的普及率也在进一步扩大。如今，最大的虚拟电厂已经远远超过了最大核电厂的总容量，日后也将进一步和5G技术和物联网接轨，应对将来可能产生的气候变化和电力市场即将面临的挑战。
虚拟电厂的提出，为保证安全、可靠、优质、高效的电力供应，满足经济社会发展对电力的多样化需求，解决能源与环保问题提供了可行的解决方案。如交通部门中电动汽车数量的增加以及响应数字化的网络枢纽和计算机中心的数量，数字化要求呈指数级增长——它们都需要大量电力。使用传统电源或单一电源，无法在满足绿色发电的前提下满足这些需求。
此外，虚拟电厂的混合和分散式机制还是塑造未来能源格局的重要工具。虚拟电厂提供的新能源电力与传统能源和储能装置集成的模式，能够在智能协同调控和决策支持下对大电网呈现出稳定的电力输出特性，为新能源电力的安全高效利用开辟了一条新的路径。
同时虚拟电厂在电力市场中既可以参与前期市场、实时市场，也可以参与辅助平衡市场，这将从根本上改变可再生能源发电依靠国家补贴，在电力营销中毫无优势的被动局面。
综上所述，虚拟电厂将会成为未来市场的中坚力量，但如何对其进行合理利用和进一步开发仍是接下来一段时间亟待解决的问题。
