借势双碳东风:干“实事”的“虚拟”电厂

谈及“虚拟”这个词,我们头脑的第一反应是当下大火的虚拟现实技术(VR)和虚拟人。在科技圈,虚拟现实在火热的元宇宙概念中回春,资本将一波热钱撒向了VR厂商。虚拟人在近两年的AI技术的推波助澜下,崛起的势头迅猛。清冷古风气质的虚拟偶像LING翎、虚拟美妆达人柳夜熙,冬奥会中虚拟手语主播、谷爱凌运动员的数字人分身等,在冬奥会的世界窗口中虚拟人出尽了风头。

科技圈有盛事,在能源圈也不会缺乏风口。在双碳战略的目标下,能源领域中的虚拟电厂也成为产业界的香饽饽,虚拟电厂频频出现在大众视野中,虚拟电厂的相关领域也被许多圈内人圈外人热捧。

虚拟电厂倒也不是个新概念,在20世纪90年代国外已经被广泛使用。欧美国家的虚拟电厂业务发展比较成熟,国内也是近十年才开始了虚拟电厂的建设。对于许多能源圈外的读者来说,虚拟电厂与真实电厂的区别是什么,虚拟电厂为什么近两年发展火热了起来,这些问题的答案都比较模糊。如果对能源圈火热的虚拟电厂感兴趣,脑极体和大家一起捋一下有关虚拟电厂的干货,聊聊虚拟电厂的价值与发展,应用与挑战。

传统电网的“阻滞”

在梳理虚拟电厂的概念前,我们先来了解下,现下电网系统与能源领域面临的发展卡点。人类进入工业化时代,给无数人带来了丰富的生产资料,也提高了人们的生活质量,但以二氧化碳为主的温室气体排放量也超出了地球的承受范围,在气候危机和能源危机的限制下,全球建立了双碳目标的战略共识。

在碳达峰、碳中和的目标背景下,可再生能源风、光、水等在电力系统中的重要性逐渐提高。电源端大量接入可再生能源,使得供应侧呈现复合多元化的特点。但这些可再生能源有个特点,以风能和太阳能为代表的新能源具有显著的间歇性和强随机波动性,这些能源的获得依赖外界自然条件的变化,阴天和无风的条件和晴空万里无云、持续强风的状况,这些不同的气候条件带来的新能源发电机组的能源波动,接入大电网后,给系统带来了强烈的波动,影响电网的稳定与安全。

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而随着双碳战略目标的大势发展,风力、光能、水能等新能源成为机遇巨大的能源候补。据南方电网2021年的预测,到2030和2060年,中国风光新能源的发电量占比将分别达到25%和60%。这也意味着接入大电网中的新能源电力越来越多。新能源在不同季节和气候阶段带来的巨大波动扰动着电网的安全。同时,应对扰动的弃能现象严重,部分地区的弃光、弃风、弃水等现象频发,造成了能源的浪费。

与此同时,东西部电力的供需关系也越来越紧张。我们知道东部的经济发达地区是用电大户。东部沿海地区集结了无数的高新技术产业和工厂,承载着超过全国一大半的GDP输出任务。而随着东部地区用电比例的不断上升,电力电子装备增加,对电力系统平衡、调节和支撑能力形成巨大压力。电力峰谷差矛盾也日益突出,各地年最高负荷95%以上峰值负荷累计不足50小时。

这些电网电力系统集中的挑战亟需可靠的解决方案来应对,而虚拟电厂在这样背景中火热了起来。

虚拟电厂价值几何?

虚拟电厂,望文生义,是个在物理世界不存在的电厂。它是一种通过能源互联网技术,把散落在用户端的充电桩、空调、储能等电力负荷整合起来并实现协调优化,以作为特殊电厂参与电网运行和电力市场的电源协调管理系统。

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相较于真实的电厂来说,虚拟电厂可以理解其为一个电力服务的“管家”角色,不仅具备电厂的功能,甚至远超实体的电厂。虚拟电厂的系统对外既可以作为“正电厂”向系统供电,也可以作为“负电厂”消纳系统的电力,可以灵活地削峰填谷,打破传统电力系统中发电厂之间、发电侧和用电侧之间的物理界限。

发展虚拟电厂意义重大。对于前文中所提的传统能源电力中的挑战,虚拟电厂可以应对。虚拟电厂的价值总结来看,也主要包含以下几点。

一是提高电网安全保障水平。风光水等可再生新能源的发展与并网,带给电网的随机性和波动性,影响电网的稳定安全。虚拟电厂可以将需求侧的分散资源聚沙成塔,与电网进行灵活、精准、智能化互动响应,有助于平抑电网峰谷差,提升电网安全保障水平。比如在用电高峰期,工业园区可以调节用电高峰时段的工作,少开机甚至不开机,在夜间低谷时段争取满负荷生产。用户也可以在用电低谷期,主动给电动汽车充电。

二是可以降低能源的浪费。虚拟电厂可以促进新能源消纳,通过智能的调控平抑电网的峰谷差,灵活有效地利用电力。对于新能源的间歇性特点造成的弃风弃光弃水现象,发展虚拟电厂,将大大提升系统调节能力,降低“三弃”能源电量的浪费。

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(深圳上线试运行的虚拟电厂管理平台)

三是可以降低电网的成本,节约电厂和电网的投资。据国家电网测算,若通过建设煤电机组满足其经营区5%的峰值负荷,需要投资4000亿的电厂和配套电网;而通过虚拟电厂,建设、运营、激励等环节的投资只需要500-600亿元。几乎只需要十分之一的资源就可以支撑以往火电厂削峰填谷的效用。

对于企业来说,在虚拟电厂的调节下,耗能多的企业可以降低用能成本。从江苏试点的收益来看,参与虚拟电厂后用户用能效率大幅提升,在降低电费的同时,还可以获取需求响应收益。如无锡试点项目提高园区整体综合能源利用率约3个百分点,降低用能成本2%,年收益约300万元。

国网湖北电力调控中心此前表示,假如武汉市有5%的用电负荷可以通过虚拟电厂进行调节,实际效果“相当于少建一座60万千瓦的传统电厂”。

从某种意义上讲,虚拟电厂是一个中心化的“大电厂”,将各种分布式的能源通过各种储能装置组织起来,通过双向控制,将各种配电网单位联合起来,以智能算法和科学调度,盘活了以前那些对于社会来说是沉淀的资源。

借势“双碳东风”崛起

虚拟电厂在欧美国家发展的较为成熟,在国内,作为一个新兴技术领域,其发展还在探索阶段。此前国内的储能技术,可再生新能源的装机量有限,对于科学的调度技术来说,控制和调度的策略与资源有限,这些虚拟电厂需要的背景条件并不具备。而随着近年来,可再生新能源的兴起,双碳战略的要求,相关政策的支持与引导,配套技术的更迭,都让虚拟电厂的发展提速。

国内首个虚拟电厂“国网冀北虚拟电厂示范工程”在2019年12月11日投入运行。该示范工程一期实时接入与控制蓄热式电采暖、可调节工商业、智能楼宇、智能家居、储能、电动汽车充电站、分布式光伏等11类19家泛在可调资源,容量约16万千瓦,涵盖张家口、秦皇岛、廊坊三个地市。而在“十三五”期间,江苏、上海、河北、广东等地也相继开展电力需求响应和虚拟电厂试点。

虽然虚拟电厂在能源节约与电网运行中的价值丰富,但在建设虚拟电厂的道路中,面临的挑战也不少。

1.顶层设计的指导缺乏。在能源圈内,行业内人士对于虚拟电厂的认识并不到位。目前虚拟电厂处于起步阶段,其组织、实施和管理基本上还是沿袭旧有的需求侧管理模式。虚拟电厂的范围、主体市场的培育,标准体系等并没有明确的建立,虚拟电厂的建设意见,政策方面缺乏顶层的设计与指导。

2.管理与监管不明确。虚拟电厂属新业态,目前遵循的是国家发展改革委、工信部、财政部、住建部、国资委、国家能源局等六部门于2017年发布的《电力需求侧管理办法(修订版)》,但监管与管理的部门不明确,管理职能有交叉,协同发力不足。

3.行业规范标准不统一。虚拟电厂的行业标准,各类设备及负荷的通信协议不统一,数据交互壁垒高、不顺畅,增加了虚拟电厂发展的难度和成本。

4.市场的激励化机制不到位。虚拟电厂的激励资金来源不稳定,难以支撑虚拟电厂规模化发展。

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虚拟电厂的发展在初期的摸索阶段,面对的这些问题,需要政策与行业共同的发力,这个协同的过程需要各方的配合。我们知道电力系统在碳中和的背景下,是主要改革的目标。电力行业排放约占我国二氧化碳排放总量的四成,在双碳目标的驱使下,电力系统的转型升级至关重要。

结合储能设备,虚拟电厂可为电网提供调频、调峰等辅助服务,并能够参与电力市场交易中,实现电网的削峰填谷,也是电力系统智能化的重要调节方式。

虽然虚拟电厂目前没有明确的顶层设计政策,但是电网系统的改革一直是产业与国家的重点关注领域。今年初发改委、国家能源局联合发布了《加快建设全国统一电力市场体系的指导意见》。明确了“全国统一电力市场体系到2025年初步建成,到2030年基本建成”的发展时间表。

这也意味着,随着电力市场的进一步开放,电力系统对于调频调峰等辅助服务的需求会持续增加,而作为辅助工具中的主体——虚拟电厂来说,背靠大树好乘凉,虚拟电厂相应的政策与发展等,也会借势兴起。

虚拟电厂与虚拟VR技术、虚拟数字人不同,虽然挂靠“虚拟”二字,但在电网系统中干的事却一点都不“虚拟”,甚至超越了传统电厂。在数字能源的时代与双碳背景的驱动下,干实事的 “虚拟电厂”未来的发展空间无限,在电网系统的数字改革中助力着双碳目标的快速实现。

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