面对气候变化、环境风险挑战、能源资源约束等日益严峻的全球问题，能源低碳化越发成为共识，越来越多国家积极出台政策措施推动可再生能源产业发展。

以可再生能源为代表的现代能源系统，正加速替代以油气为代表的传统能源系统。但可再生能源随机波动的特性成为电网调节的重大挑战。例如在新能源出力大，用电负荷低谷时段，存在弃电问题；在新能源出力不足，负荷峰值时段，可能导致供电保障困难。而虚拟电厂的出现，对于提升电网安全保障水平，拓展电力调节手段，构建新型电力系统商业模式提供了新的发展思路。

1.什么是虚拟电厂是虚拟电厂？

虚拟电厂是一种通过先进信息通信技术和软件系统，实现分布式电源DG（distributed generator）、储能系统、可控负荷、电动汽车等分布式能源资源DER（Distributed Energy Resource）的聚合和协调优化，以作为一个特殊电厂参与电力市场和电网运行的电源协调管理系统。

广义上来讲，虚拟电厂可以不局限在对分散式能源资源的整合构建层面，还可以站在另外的某个视角来看待，比如:站在电力交易的角度看，以独立身份参与电力交易的市场主体就可以作为一个“虚拟电厂”，尽管它可以包含分散式能源、火电厂、水电厂、集中式风电、光伏等；站在电网调度调峰的角度，一条并网线路上所有电源及可控负荷、储能、充电桩、蓄电池组等都可以构成一个“虚拟电厂”。

因此，从这个意义上进，虚拟电厂是一种管理模式或者说是一套系统，通过配套的技术把分散在不同空间的发电装置、发电厂、储能电池和各类可控制(调节)的用电设备(负荷)整合集成，协调控制，对外等效形成一个可控电源系统。主要包括以下三种形式：

(1)集中式发电厂形式

在某个区域实现分散式能源资源(分布式电源、储能系统、可控负电动汽车等)的聚合，形成一个虚拟电厂主体，参与电力交易及调峰调频等辅助服务。

(2)综合能源基地形式

包括火电厂、分散式光伏、分散式风电、储能、充电桩等“电源”聚合，形成一个虚拟电厂主体，参与电力交易及调峰调频等辅助服务。

(3)虚拟电力公司形式

某个省级发电公司、售电公司可以将相关签约独立电厂、虚拟电厂等整合为一个大型的“虚拟电厂”市场主体，参与电力交易及辅助服务。

2.虚拟电厂如何运作？

如果将整个产业链展开，由上游的基础资源、中游的虚拟电厂运营商和下游电力需求方共同构成。

上游：基础资源

产业链上游的基础资源就是虚拟电厂的“电源”，它包括可控负荷、分布式电源，以及储能设备。

可控负荷

所谓可控负荷，指可以根据电网的运行状态调整用电负荷而不影响用户用电体验的“能量消耗型”用电单位。

可控负荷重点是工业、商业和公共建筑、居民等，不同应用场景负荷可调潜力差异较大，商业和公共建筑可调负荷主要是空调、照明、动力等，相对容易管理；居民可调负荷分布散、单点容量小、聚合难度较大。

分布式电力资源

所谓分布式电力资源，小型分布式光伏、风电、火电、水电等机组。

例如应用最为广泛的分布式光伏电站系统，是建在城市建筑物屋顶的光伏发电项目。该类项目必须接入公共电网，与公共电网一起为附近的用户供电。如果没有公共电网支撑，分布式系统就无法保证用户的用电可靠性和用电质量。

储能设备

所谓储能设备，指的则是那些将能源存储起来，以供需要时使用的设备。

按照存储形式的区别，储能设备可以分为四个类别：一是机械储能，如抽水蓄能、飞轮储能等；二是化学储能，如铅酸电池、钠硫电池等；三是电磁储能，如超级电容、超导储能等；四是相变储能，即通过相变材料进行能量存储的设备。

以中国的储能水平来说，抽水蓄能产业链体系已基本形成；电化学储能市场保持快速发展；压缩空气储能正加快进入商业化应用阶段。

中游：虚拟电厂运营商

产业链中游的虚拟电厂运营商包括资源聚合商与技术服务。

资源聚合商主要依靠物联网、大数据等技术，整合、优化、调度、决策来自各层面的数据信息，实现虚拟电厂核心功能——协调控制，是虚拟电厂产业链的关键环节。技术服务商则重点聚焦虚拟电厂软件平台建设，为资源聚合商提供技术服务。

下游：电力需求方

产业链下游的电力需求方主要包括公共事业企业（如电网公司）、能源零售商（如售电公司）及一切参与电力市场化交易的主体。实现电力交易、调峰调频和需求侧响应，并在这个过程中获得相应的收益。

1997以来，虚拟电厂受到北美、欧洲多个国家的广泛关注。各国的项目不同、应用场景不同，研究侧重点也不一样：欧洲以分布式电源的聚合为主，参与电力市场交易，打造持续稳定发展的商业模式；北美地区的虚拟电厂主要基于需求响应发展而来，兼顾可再生能源的利用，希望通过自动需求响应和能效管理来提高综合能源的利用效率，因此可控负荷占据主要成分；日本侧重于用户侧储能和分布式电源，以参与需求响应为主。

我国的虚拟电厂以负荷侧资源调节为主，以全国首个市场化运营的虚拟电厂示范工程——冀北虚拟电厂为例，该电厂聚合了张家口、秦皇岛、承德、廊坊地区的可调节工商业、蓄热式电锅炉、智慧楼宇、储能等资源，主要参与华北调峰辅助服务市场的运营。冀北电网辖区在秦皇岛、廊坊和张家口三地，共接11类的可调负荷，总容量358MW。在后夜风电大发、电网低谷调峰困难时段，调动资源迅速拉升低谷用电负荷，最大调节电力达到20.4万干瓦。

在凌晨4时至6时风力大发期间，虚拟电厂控制蓄热式电锅炉、储能、电动汽车等分布式资源储存电力，到了晚上7时至8时用电高峰期，再将储存起来的这部分电力提供给电网。在此阶段，虚拟电厂还可将商业楼宇空调等柔性负荷降下来，节省大量电力以保障用电稳定。

同样具备调峰、调频功能，虚拟电厂的调节效率远高于传统的供应侧调节。传统煤电机组增减出力的响应时间较长，参与调峰受爬坡速率的限制。一般来说，一台煤电机组从最小出力到额定出力需要1到2个小时。而虚拟电厂聚合的储能、可调节负荷等资源响应速度可达到分钟级甚至秒级，显然快于前者。

不仅如此，虚拟电厂在稳定电力供应方面还呈现出更高的经济性。以往在出现较大用电负荷时，供应侧的调节方式往往是扩建电厂、调动备用电源、加强有序用电管理等。而虚拟电厂通过降低用电侧负荷来保障用电稳定，不会对居民、工商业用电产生过大影响，成本更低，对环境也更友好。国家电网的一项测算显示，同样为了维持电力系统稳定，传统火电厂如果要建设煤电机组来实现经营区域内电力削峰填谷，以满足5%的峰值负荷需求即最大用电需求计算，需投入电厂及配套电网建设成本约4000亿元；如果借助虚拟电厂来实现同样的功能，其建设、运营、激励等环节仅需投资500亿元至600亿元，成本远低于前者。

3.每座建筑都是一个潜在的发电厂

杰里米.里金夫在《第三次工业革命》一书中曾指出，建筑业在第三次工业革命中的作用不容忽视，每一栋楼都是一个潜在的发电厂。

随着可再生能源技术的发展，能源系统愈发多元化，为提高供能的可靠性，越来越多的建筑也会配备自身的备用电源，在此基础上任何一栋独立的建筑都有可能是一座小型的电厂。

一方面可以用储能技术将自身光伏电力存储起来，能源负荷较高时，转换成电或其他形式能源；另一方面可以直接与其他建筑主体交互供能，有效提高系统的资源利用率。

此外，还可利用建筑自身产能设备充分参与电力市场，电价较高时建筑运营者可以采用自备电源产能，自发自用余电上网或直接参与到电力市场中，实现盈利；电费较低时，关闭自身的产能设备，开启用能设备的同时，开启储能设备，以备建筑负荷高峰时使用，这样可以达到与外界市场交互，充分利用市场调节机制，实现盈利的同时，有效提高宏观系统的能源利用效率，这时候建筑便化身成为虚拟电厂。

虚拟电厂的基本思路是化零为整，即把一定范围内所有可控能源设备看做一个电厂来管理，可以通过中央控制器的方式集中控制每个电源，实现协调控制，也可以通过需求响应等手段，调控各个独立控制的分布式电源及储能。随着分布式能源技术的发展，将有越来越多的建筑成为产销一体化的角色，伴随着电力市场与信息技术的逐渐成熟，未来每一栋建筑都有可能成为虚拟电厂的潜在资源。

智能电表的普及，为虚拟电厂的实现提供了良好的技术支持。虚拟电厂有望筑建起不同建筑能源系统的桥梁，构建的建筑之间、建筑与电网直接的信息通道，作为智能决策中枢，使得工商业建筑电力用户甚至居民建筑用户直接可以互利共赢，同时直接从电力市场的价格信号中受益，在充分利用当地资源的同时，大大降低建筑能源成本。

即使是一户家庭、一辆电动汽车，也能成为虚拟电厂的一部分。例如很多家庭中都有空调、洗衣机、热水器、电动汽车，每个设备都需要电力供应，但它们的用能时间、时长、需求量有一定差异，对电网供电压力的影响也存在区别。虚拟电厂所起的作用，便是通过信息化协调方式，迅速根据不同设备的状态、需求、市场价格、天气情况等信息，精细化地实现智能调配。

打个比方，极端高温天气预警时，虚拟电厂可以根据用电缺口调节需求，向用户发出邀约，调配多余的电量解燃眉之急。再比如，电动汽车充电期间，虚拟电厂可根据电力市场价格波动情况，实时优化充放电策略，从而减少用户的充电成本。利用虚拟电厂这个“智能管家”，为每家每户实现定制化的能源使用服务，降低用户的能源成本开支。

4.我国虚拟电厂发展面临问题

我国的虚拟电厂发展历程始于2016年，江苏率先从需求侧管理的层面进行尝试，开展了全球单次规模最大的需求响应，实现毫秒级的快速精准稳控切负荷。2019年，国网冀北电力的虚拟电厂示范工程投运，参与华北（京津唐）调峰辅助服务市场。同年，上海建设了黄浦智能楼宇，参与需求侧管理。2019年年底，经国家能源局批复，华北能源监管局印发了《第三方独立主体参与华北电力调峰辅助服务市场规则（试行）》，冀北虚拟电厂作为我国首个以市场化方式运营的虚拟电厂示范工程投运。

目前我国江苏、上海开展的虚拟电厂实践处于应用模式的第一阶段——邀约型，主要服务于需求响应，开展需求侧管理。国网冀北电力正在探索第二阶段——市场型虚拟电厂，旨在提升系统的灵活调节能力，实现连续闭环调控和市场运营，面向源荷储各类可调节资源。第三阶段的虚拟电厂有很强的自主性，因此被称为自主型虚拟电厂，可以在成熟电力市场环境下长期商业运营。

2023年，深圳也建成了虚拟电厂管理平台，这是国内首家虚拟电厂管理中心，标志着深圳虚拟电厂即将迈入快速发展新阶段，也意味着国内虚拟电厂从初步探索阶段向实践阶段迈出重要一步。2023年7月，南方电网分布式源荷聚合服务平台在广州、深圳、柳州三地同步开展虚拟电厂多功能联合调控，标志着我国首个区域级虚拟电厂投入运行。

在取得一定成绩的同时，不可否认，我国虚拟电厂发展整体仍处于初期阶段，下一步发展还有不少难题需要解决。当前的市场机制还不完善，更多的是邀约型，由政府部门或调度机构牵头组织、各个聚合商参与，尚未建立成熟的商业模式，需求侧负荷以及发电侧资源参与意愿不强。需要完善金融、财税等支持政策，因地制宜建设不同资源组合的虚拟电厂项目，积累更多示范经验；加快电力现货市场、辅助服务市场建设，通过价格信号为虚拟电厂参与电力系统调节提供相应的经济补偿，提供多样化的成本回收途径。

有专家还表示，当前缺乏虚拟电厂相关的规范标准，各类设备及负荷聚合商的通信协议不统一，数据交互壁垒高、不顺畅，也增加了建设难度和成本。需要加强虚拟电厂标准建设，提高标准体系的完整性、交互性、兼容性，为各环节紧密衔接提供相应规范。

5.小结

从能源生产、消费和配置各环节看，现代能源系统以电为中心、以电网为平台的特点日益显著。未来，分布式可再生能源、电动汽车、新型储能等配电网中的分散发电和有源负荷将呈现高速增长态势，更多电力用户将由单一的消费者转变为混合型的产消者。这些都对电网的安全、可靠、经济运行等提出新的挑战。

虚拟电厂正是针对这些新现象，聚焦再电气化进程中生产侧和消费侧同步发力的重要特征，提出适应未来能源清洁低碳发展趋势的技术和商业模式，在清洁供暖、用户侧需求响应、电动汽车等领域都具有广阔的应用前景。