在国家“3060”战略和建设新型电力系统的背景下，集中式与分布式新能源发电正在迅速发展，大量不同种类的分布式能源被接入电网。尽管分布式能源具有灵活性高、易于与负荷互动以及能效利用合理等优势，但其发电效率的不稳定性却可能对电网系统的安全稳定运行造成影响。同时，由于大部分分布式能源单体容量较小、数量众多且接入点分散，这也给电网调控和电力市场的稳定带来了一定的挑战。
为了应对这些挑战，虚拟电厂（VPP）的概念被引入。虚拟电厂能够聚合调度海量的分布式能源，通过第三方主体的参与，实现了对分布式能源的有效管理和调度。这一模式的引入，不仅有助于提高可再生能源的消纳能力，更推动了能源结构的智慧化转型。
虚拟电厂的运作模式，将众多分散的分布式能源聚合在一起，形成了一个大型的“虚拟电厂”。这样的聚合模式，不仅提高了能源管理的效率和稳定性，同时也为电网调控和电力市场的稳定运行提供了新的解决方案。
一、虚拟电厂是什么：
1.分布式资源的聚合与优化
虚拟电厂(virtualpowerplant，简称VPP)是通过先进信息通信技术和软件系统，实现分布式电源、储能系统、可控负荷、电动汽车、充电桩等分布式能源的聚合和协调优化，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。虚拟电厂并不是真实存在的电厂，而是一种智能电网技术，应用分布式电力管理系统参与电网运行调度，实现“源-荷-网”聚合优化。
2.结构——可调节性是资源层的核心
资源层的调节能力和质量决定虚拟电厂完成调度指令的能力，工商业储能作为优质的调节资源之一，是虚拟电厂大发展的重要前提条件。
源：目前接入资源以分布式光伏为代表，自身不具备调节能力，可和工商业负荷视为整体，构成一个可调节负荷。
储：可调节能力、响应速度和可靠性都较为优质的调节资源，同时具备削峰和填谷能力，虚拟电厂进行高频次大幅度响应的必备资源。
二、为什么需要虚拟电厂：
1.风光快速增加带来的填谷需求
风光装机快速增长，加剧电力系统不可控性。新能源出力主要受来风、来光影响，人为干预作用小。因此，当新能源出力与负荷用电特性不吻合时，便存在新能源电力消纳问题，处理不当会引发电力系统安全事故，且造成投资的浪费。
“鸭子曲线”变“峡谷曲线”，光伏增加带来填谷需求。“鸭子曲线”最初由美国加州电网运营商CAISO提出，即在光伏出力高峰的中午，净负荷曲线下降，随后在晚上光伏发电量下降时净负荷急剧上升。随着光伏装机增加，CAISO的净负荷曲线出现了向“峡谷曲线”的转变，即中午净需求更低，跌至零值甚至负值;傍晚负荷增加更加陡峭，其他电源必须快速爬坡出力以适应负荷的急剧攀升。
国内以山东为代表的部分省份同样有明显的填谷需求。山东装机结构与CAISO相似，截至22年底，光伏装机占比达到22.5%。在2023年五一假期期间，山东省内用电负荷下降约15%，引发连续负电价现象。值得注意的是，4月29日-5月1日现货价格曲线形状类似鸭子曲线，期间10时-15时负电价出现尤为频繁，而该时段为光伏发电高峰。
2.负荷峰值屡创新高带来的削峰需求
第三产业和居民用电增速快于工业，负荷峰值增速大于用电量增速。近十年以来，我国第二产业增速相对较低，在用电结构占比明显降低，从2013年的73%下降至2022年的66%，第三产业和城乡居民生活用电占比之和则由2013年的25%提高至2022年的33%。
用电结构变化带来负荷新变化：
1)日负荷峰谷差更大;
2)受极端天气和消费能力等因素影响，年负荷曲线呈现夏、冬双高峰特征;
3.充电桩等新型负荷使得负荷侧复杂程度提升
充电桩加剧居民生活用电负荷峰值提升。充电桩对配电网的影响主要包括：
(3)充电负荷波动带来网络损耗等。
因此，充电桩的发展导致了削峰填谷需求的增加，但同时充电桩和新能源汽车本身是良好的可调节负荷，如能通过虚拟电厂进行聚合和优化，是降低充电成本和降低电网投资的双赢之选。
4.实现用户侧和电力系统高度灵活互动的远期目标
2023年6月，国家能源局发布《新型电力系统发展蓝皮书》，标志着新型电力系统建设进入全面启动和加速推进的重要阶段。
蓝皮书提出新型电力系统转型加速期(当前-2030年)用户侧目标之一为电力消费新模式不断涌现，分散化需求响应资源进一步整合，用户侧灵活调节和响应能力提升至5%以上，促进新能源就近就地开发利用和高效消纳。远期，将实现用户侧与电力系统高度灵活互动。
5.需求侧响应能力力争达到最大负荷的3%-5%
需求侧响应能力建设目标明确。十四五前，虚拟电厂停留在个别地区、项目试点阶段，一是新能源装机占比不高，电力系统对灵活性资源需求不强;二是缺乏量化目标。2022年，《“十四五”现代能源体系规划》提出，力争到2025年，电力需求侧响应能力达到最大负荷的3%～5%，其中华东、华中、南方等地区达到最大负荷的5%左右。
虚拟电厂政策密集发布，成为新型电力系统建设的重要一环，政策力度有望持续加大。
三、虚拟电厂产业链
虚拟电厂产业链包括上游资源侧、中游负荷聚合商和下游客户。
1、上游资源侧：“正/负”资源与储能电站。“正/负”资源中“正”指发电侧，含分布式光伏、小型水电站与少数集中式发电厂；“负”指用电侧，含居民、工业、充电桩、换电站与商业和建筑物等。
2、中游负荷聚合商：通过专业技术评估用户的需求响应潜力，整合分散的需求响应资源来参与电力系统运营。可为客户提供需求侧响应、参与电力市场进行价差套利与降低偏差考核费用三项服务。
下游客户：主要含电网调度、用电用户、售电公司与新能源电站四类客户。
随虚拟电厂行业发展加速，各领域企业布局加速。虚拟电厂行业主要涉及三类企业：
1、电网系企业，主要依托电网系统建立自身竞争优势，如国电南瑞、国网信通等；
2、电力信息化企业，在智能计量、发电功率预测、提供解决方案等方面具备竞争优势，如东方电子、恒实科技、苏文电能、国能日新、朗新科技、远光软件、安科瑞等；
3、具备丰富分布式资源的新能源企业，如晶科科技、南网能源、芯能科技等。
其中晶科科技、南网能源得益于分布式资源丰富，未来有望成为虚拟电厂聚合商。2022年11月，晶科科技旗下的综合能源服务商晶科慧能以负荷聚合商身份组织晶科10MW/20MWh用户侧储能项目全程参与虚拟电厂72小时试运行，验证了该储能项目除了两充两放的基本盈利模式外，还可参与调频辅助服务获得收益。而受益电价改革，背靠南方电网的南网能源2022年底工商业装机达1360MV，2017~2022年复合增速为26.5%。
东方电子虚拟电厂业务涵盖负荷聚合商级、园区级和城市级虚拟电厂，提前多年布局，目前已有成熟应用。2022年4月，上线的“粤能投”虚拟电厂管理平台是公司服务负荷聚合商虚拟电厂的成功案例。
特锐德已经建成虚拟电厂平台，实现与16个网、省、地级电力调控中心或需求侧管理中心的对接，2022年9月份，公司作为首批14家聚合商之一接入了国内首家虚拟电厂管理中心—深圳虚拟电厂管理中心，公司具备虚拟电厂条件的可调度的资源容量约为200万KW，报告期内参与调度的容量超过40万KW，参与调度电量超过7000万度。
四、虚拟电厂如何创造收益：
1.需求侧响应
当前我国虚拟电厂处于邀约型向市场型过渡阶段。邀约型阶段主要由政府部门或调度机构牵头组织，发出邀约信号，虚拟电厂组织资源进行响应，并获得容量/电量补贴。我国多个省份出台了需求响应细则，其中以江苏、上海、广东等省市开展得较好。
需求侧响应补贴单价高但频率低，市场化程度低。需求响应以削峰为主，主要发生在迎峰度夏期间，主要目的在于保供。以广东省为例，2022年全年开展9次日前邀约型市场化需求响应(均发生在7月和8月);最大削峰负荷277万千瓦，最大响应申报量609万千瓦;有效响应调用收益1.63亿元。可以看到，虽然补贴最高达到5元/千瓦时(可中断负荷)，但需求响应并非常态化进行，发生频率较低，有很强的计划色彩。因此随着我国电力市场体制建设逐渐完善，虚拟电厂也正从邀约型阶段向市场型阶段过渡。
2.辅助服务市场
新型电力系统持续催生对辅助服务的需求。传统电源(火电、水电等)具备一定的调节能力，而新能源存在出力波动、无功缺失等特性，导致高比例新能源装机电力系统对电力辅助服务的需求提升。
3.电力现货市场
现货试点不断推进，全国推行大势所趋。2017年，南方、蒙西、浙江、山西、山东、福建、四川、甘肃等八个地区成为第一批现货试点地区，目前首批试点地区均已完成长周期结算试运行;2022年，第二批6个试点地区启动试运行;此外，宁夏、陕西、河北南网等非试点地区也出台现货方案，推动现货市场建设。目前，国家电网公司经营区已有20个省级电网开展现货市场试运行，南方区域电力现货市场也已进入五省区全模型试运行。
现货模式下收益波动性更强，对虚拟电厂交易能力提出要求。现货市场全天96个报价时点，报价上下限幅度相对较宽，价格波动频次高、幅度大，较难进行预测。从山东省2022年2月-2023年1月共1年的现货价格情况看，连续四小时区间内，最低价和最高价出现最多的分别是10-13时和17-20时，但最低价和最高价落在这两个区间外的概率分别为46%和45%，即如果采用固定的4小时区间调峰策略，有近半的概率无法获得完整价差套利。因此，虚拟电厂参与现货套利获得收益，需要有较强的计算能力、预测能力和交易能力。
五、推动虚拟电厂发展建议
(一)完善顶层设计
我国自2021年来鼓励通过虚拟电厂挖掘需求侧资源并组织其参与需求响应，不断出台虚拟电厂支持政策，明确将虚拟电厂作为一类并网主体和辅助服务市场参与主体。2023年9月，国家能源局公布《电力现货市场基本规则(试行)》，指出电力现货市场近期建设主要任务为推动虚拟电厂等新兴主体参与交易。在政策推动下，可以预见未来虚拟电厂对市场交易的参与将进一步得到扩大。
(二)明确权责边界
目前，各地对虚拟电厂的市场准入门槛存在定义与边界差异，大多数地区将虚拟电厂的应用主要集中在需求响应和辅助服务市场，只有部分地区开展了电力现货市场的准入试点。这种差异性导致了虚拟电厂在市场中的定位和参与方式的不一致性。在现行法规体系下，电力系统和市场已经建立了相对成熟的法规制度和规范。然而，虚拟电厂作为新兴参与者，在缺乏专门政策支持的情况下，面临如何遵守法规制度和规范、有效参与市场交易的重要问题。这也意味着虚拟电厂的建设、运营、市场准入、参与方式、监管等方面存在一系列待解决的关键问题。其中，系统设计、成本分摊机制、盈利模式、交易机制等问题亟待深入研究和规范。这一系列未解决的问题，使得虚拟电厂在长期发展过程中面临诸多困难。为推动虚拟电厂行业的健康发展，有必要在法规政策层面提供更明确的指导和规范，为虚拟电厂的规范化和市场化提供更为清晰的方向。
此外，目前虚拟电厂主要依赖政府机构或电力调度机构的邀请信号来加入市场，市场化交易机制的不足导致虚拟电厂缺乏明确的技术规范和权责规定，商业应用面临较大挑战。在现有市场体系下，电力系统和市场应该加强对虚拟电厂技术规范的明确，明确其在市场中的职责和权利，为其提供更为明确的发展方向和框架。这有助于提高虚拟电厂的规范性和市场化水平，为其在市场中更好地发挥作用提供有力支持。
(三)强化市场机制
(四)重视网络安全
虚拟电厂的核心之一在于通信，在通过分布式电源接入电网时，需要依靠信息通信和协调控制等技术采集、组织、分类和处理大量的能源数据和信息交换，包括实时能源产生和消耗数据、设备状态信息等。在分散式电源终端接入后，将依靠电网中的大量信息，从而控制用电需求和发电输出，这一过程涉及多交易主体的用户敏感数据处理。如何保障用户用电信息的隐私性，保证用户负荷不被恶意干扰或盗取权限，将成为构建虚拟电厂信息安全防护体系的重中之重。此外，虚拟电厂由海量设备互联而成，传统电力设备和各种终端将通过数字技术并入一个复杂的大型系统中，过去有限联网的关键设备可能被暴露在新的网络风险之下，处于末端的设备也由于其较低的安全防护能力在网络攻击中格外脆弱。
六、虚拟电厂市场发展前景
首先，虚拟电厂的发展前景令人期待。随着可再生能源的快速发展，例如风能和太阳能，作为分散式发电源的数量不断增加。虚拟电厂以其整合分散式能源的能力成为解决电网不稳定性和不均衡性的有效方法。通过连接这些分散的发电源，虚拟电厂可以提供更加稳定和可靠的电力供应。这对于中国这样一个能源消费大国来说，无疑会对电力供应产生极大的影响。
其次，虚拟电厂的发展也为能源市场带来了新的机遇。传统的电力市场主要由大型发电厂和能源供应商主导，而虚拟电厂的兴起将为小型分散式能源设施提供更多的参与机会。这将进一步推动可再生能源的发展和应用，促进能源市场的多元化和竞争力。此外，虚拟电厂还可以使普通的能源消费者参与到能源市场中，通过出售自己的电力产生的收入，实现经济效益最大化。
综上所述，虚拟电厂在中国具有良好的发展前景。通过整合分散式能源设施，虚拟电厂能够提供更加灵活和可靠的电力供应，解决电网不稳定性的问题。此外，虚拟电厂的兴起也为能源市场带来了新的机遇，推动了可再生能源的发展和应用。然而，在虚拟电厂的发展过程中，还需要解决安全和盈利模式等挑战。相信随着技术和政策的不断进步，虚拟电厂将在中国实现可持续发展，为能源领域带来新的变革。