虚拟电厂:既不虚拟,也不发电,更不建厂

作为一种相对前瞻性的概念,虚拟电厂在发展过程中面对的,也不仅仅只是技术问题。作为处于早期探索阶段的行业,当前国内电力市场对虚拟电厂的定位与发展路线较为模糊,缺乏顶层设计。
2022-09-20 10:42 · 微信公众号:果壳硬科技  陈闷雷   
   

随着全球气候问题愈发严峻,受极端天气冲击的传统电网,大有溃不成军之势。

2021年美国得州极寒天气下的电网瘫痪,我国东北地区风电输出骤降导致的大范围限电,2022年川渝地区严重干旱,击穿以水电为主的电力供应,加州高温天气带来的供电危机……无不说明日益恶化的能源供求关系。同时,波动性强,稳定性差的可再生能源在能源供应结构中的持续增加,也对电网适应性提出了全新要求。

如何建立一套更加灵活、可靠且有效率的系统管理电力资源,满足供需双方的新需求,就成了当务之急。

虚拟电厂,正是一个可能的答案。

何为虚拟电厂

虚拟电厂(Virtual Power Plant,简称VPP),是一套高度智能的能源管理系统。它以物联网为基础,统合电网中的分布式电源、储能设施、可控负荷等资源,进行集中调度,参与电网的调度运行,为电力市场提供灵活性服务。虚拟电厂具有与电厂类似的功能,但没有传统意义上的厂房,故称“虚拟电厂”。

1997年,经济学家西蒙·阿韦布赫(Shimon Awerbuch)博士就提出了虚拟电厂的相关概念,他在《虚拟公共设施:新兴产业的描述、技术及竞争力》一书中将其定义为:受市场驱动的独立实体间灵活合作,且能够为消费者提供所需的高效电能服务而不必拥有相应的资产 [1]。

今年8月26日,国内首家虚拟电厂管理中心在深圳揭牌,它接入分布式储能、数据中心、充电站、地铁等类型负荷聚合商14家,接入容量达87万千瓦,接近一座大型煤电厂的装机容量 [2]。该虚拟电厂可在电力供应紧张时段,直接调度分散的充电桩、空调、储能等用电资源,通过它们降低用电功率[3]。

虚拟电厂最显著的特征是兼具“源—荷”特性,既可以作为“正电厂”向系统供电调峰,又可作为“负电厂”加大负荷消纳,配合系统填谷;可快速响应指令,配合保障电网稳定并获得经济补偿,也可直接像传统电厂一样,参与到电力市场交易、电力辅助服务交易等。

又由于虚拟电厂依托的是高度智能化的控制系统,并接入大量设备的物联网,理论响应速度与调节能力也远超传统调峰手段,尤其适配以风光电为首,需要电网做出快速反应的可再生能源。

虚拟电厂的另一个优势,是优秀的经济性。根据国家电网的测算,如果通过火电厂实现电力系统的削峰填谷,满足5%的峰值负荷需要投资4000亿元。而通过虚拟电厂实现这一目标仅需投资500亿~600亿元,即火电厂成本的1/8~1/7,其性价比优势远超传统的冗余系统建设方案[4]。

虚拟电厂的产业链由上游的基础资源、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:可调负荷、分布式电源和储能设备。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。分布式电源指的是小型分布式光伏、风电、火电、水电等机组。储能包括机械储能、化学储能等。

中游虚拟电厂运营商: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:公共事业企业(电网公司)、能源零售商(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的参与并获取收益。

当前的虚拟电厂在国内尚未构建起清晰的商业模式,但在国外有两种相对成熟的范例可供参考。其一是侧重于分布式发电单位,通过参与电力交易来获取收益;另一种则是侧重于用户端的电力资源,通过提供辅助服务来获取收益。

*种商业模式在欧洲较为普遍。这种模式下,虚拟电厂主要通过提供技术支持,优化发电成本,降低不必要损失,从而收取佣金;或是辅助发电单位接入电网,完成电力交易,获取服务费及溢价部分分成。代表性企业为德国虚拟电厂公司Next Kraftwerke,该公司也是欧洲*的虚拟电厂运营商。

Next Kraftwerke盈利模式大致分为三种,一是向可再生能源发电企业提供服务,协助发电商监测发电情况,节省不必要的成本;二是向电网侧提供短期柔性储能服务,提供来自发电侧的调峰、调频服务赚取收益;三是通过控制需求侧,服务电网侧,以赚取相应费用。

截至2022年二季度,Next Kraftwerke已管理14414个分布式发电设备,包括生物质发电装置、热电联产、水电站、风光电站等高度多样化设备,总管理规模达到10836MW[5]。

第二种模式则常见于美国电力市场。具体表现为,能源零售商开展虚拟电厂计划,通过提供低价储能电池或现金,换取家庭一部分电力的控制权,必要时给零售商提供电力,零售商的虚拟电厂聚合这些储能并在用电峰期提供给需要的用户,从而获取辅助服务收益。

并非救世主

我们需要明确一点,虚拟电厂确实有诸多积极意义,但不意味着要彻底颠覆现有的能源供应体系,也不具备解决所有问题的能力。

首先,虚拟电厂只是更高效地统筹了分布式的发电资源以及各种形式的可用发电能力或存量电力,并实现更智能地调配用电,但无法从根本上解决“短缺”。

举例来说,川渝地区刚刚过去的严重缺电,就是由于严重旱情造成水电系统发电能力骤降四到五成,而水电又在当地发电结构中占比超80%,叠加高温带来的居民用电量大幅上涨,导致巨大的电力缺口[6]。

这是虚拟电厂无力解决的。回顾当时的情况,即使当地建有成熟的虚拟电厂系统,也只可能进行有限度的优化,进一步降低未被关注的不必要消耗,以更有效率的方式保障居民用电,但对于巨大的缺口本身无能为力,保障工业生产更无从谈起。

毕竟虚拟电厂纵有天大的本事,也不可能虚空生电,“变”出电力堵住缺口。

这一点在当前的欧洲能源危机与美国的加州、得州电力危机中同样适用——虚拟电厂既没有能力填补天然气短缺,也无法从根本上解决供需矛盾,它所做的只是整合、协调与管理,并不具备从根本上解决问题的能力。

说到底,一套可靠的能源系统,无论具体的发电结构如何,无论其依赖传统化石能源发电还是各类可再生能源,发电量必须能够满足需求。

其次,虚拟电厂的建设远不止开发一套全新的数字控制系统,同样依赖匹配其功能的设备进行运作。

例如在对虚拟电厂的描述中,经常将新能源车搭载的动力电池视作一种分布式的临时储能工具,但在当前实践中,不是所有充电桩都具备从车载电池获取电力的功能,自然也就不可能向电网输电。此种现象也广泛存在于被纳入虚拟电厂构想,但尚不具备智能管理条件的各类电力设备。

当前的电网若想适应虚拟电厂的调控方式,将会需要较为广泛的技术设施升级。考虑到电网庞大的体量与复杂性,相应的基建将会是相当繁琐且长期的系统性工程。

作为一种理想化的管理系统,虚拟电厂对新时代的电力系统的必要性不可忽视,但这也不意味着它可以超越现有电网,或是要彻底取代现有的能源供应模式。我们没必要,也不应该对虚拟电网抱有不切实际的幻想,更要警惕借机炒作的风气。

特别的风险

虚拟电厂与传统电力设施结合后,设备的大规模互联,高度智能化的运作方式,加上传统电力设施自身特征,带来了一种在过往并不突出的风险:网络安全漏洞。

对于能源行业的“数字化转型”来说,接入数字技术与全新的控制系统有着至关重要的作用,但将过去有限联网的关键设备并入一个更复杂的大型系统之中,会将一些原本相对安全的环节暴露在可能的网络攻击之下。

以虚拟电厂为例,整个系统由天量设备互联构成,而这导致网络攻击可能发生在任何并网设备上,且处于末端的设备也不太可能具有与核心设备相近的安全性,致使其在网络攻击中格外脆弱,极大地增加了防范难度。

“微电网”也是一个相似的例子。高度复杂化的本地电网使得系统运行高度依赖计算机网络进行控制与管理,但也提高遭到网络攻击的风险,以及被攻破后可能造成的潜在损失。

另一方面,日益凸显的暴露风险,也与能源行业自身特质有关。

能源行业作为现代工业社会基础中的基础,对任何社会组成部分都有着毋庸置疑的重要性,而这在行业的具体发展过程中,表现为了一种对新技术的保守态度。

能源行业并非排斥新技术,只是对可靠性与安全性的高要求,不可避免地导向了对新技术的严格监管以及相应的低采用率。这在硬件上表现为相对缓慢的更新换代与较为漫长的验证周期;在软件层面则意味着控制系统更久的投资周期与使用寿命,尤其是与那些系统升级非常频繁的行业相比(例如消费电子)。

具体来说,能源行业在运作良好的情况下,往往只会更换接近使用寿命的设备,对数字系统的升级需求也谈不上非常强烈。即使是当下,以风光电为代表的可再生能源带来了全方面的冲击,整个行业的发展仍以数年为一个阶段推进,纵向比较明显加速,但横向对比其它行业仍然堪称审慎。

但这种发展节奏,并不适应“数字时代”的发展模式。

传统能源行业“沉稳行事”的风格,在应对花样繁多且诡秘多变的网络攻击时,很可能会表现为危险的迟钝,无法有效应对危机。

我们在近年已经看到了这样的实例。

相对早期的,有2015年,乌克兰电力公司遭受网络入侵,导致乌克兰一半以上地区出现大规模停电;2019~2020年,委内瑞拉电力系统多次遭到网络攻击,导致大规模停电;2020年,巴西电力公司遭受勒索软件攻击,被黑客勒索1400万美元等等[7]。

近期的,2021年5月7日,美国*燃油管道运营商科洛尼尔管道运输公司,遭遇黑客攻击,被迫关闭整个管道系统。这导致美国多地出现燃油短缺和恐慌性购买,燃油价格飙升,甚至迫使联邦政府宣布进入国家紧急状态。恐慌持续到13日运输系统重新上线,才有所缓解。在2022年初,欧洲包括阿姆斯特丹、安特卫普在内的数个码头同样遭遇大范围网络攻击,石油装卸和转运严重受阻,向内陆城市转运石油的驳船也出现延误[8]。

在我国,某省电力网络安全监测数据显示,2020年该省电力网遭受网络攻击42万余次,其中高危攻击占比高达65.4%,境外攻击占比18.27%,主要来自美国、印度等国家。高危攻击、专业化攻击呈现大幅增长的迹象,能源系统面临的安全压力越来越大[7]。

如若类似成功的网络攻击出现在的虚拟电厂系统中,结合其特性,则可能导致蔓延整个电网的大范围瘫痪,带来的损失也将随着覆盖范围的增长迅速扩大。

如何化解随能源系统智能化进程而日益升高的潜在风险,将会是未来高度智能化的能源网络必须回答的问题。

另一方面,能源行业不太可能仅靠自身就完成数字基础设施建设,不可避免地会引入外部合作者,如网络供应商、云服务供应商等,但这些供应商对安全性与可靠性的要求往往较低。

例如,亚马逊云服务在近年不止一次出现大面积宕机,甚至有过系统全面崩溃,所有服务暂不可用的情况。能源行业不可能接受这样的风险,其造成的破坏与损失,也远超单纯的交易系统关闭或物流混乱。

想要化解此类风险,能源行业可能也需要建立一套全新的协作框架,从供应商处购买更高安全级别的数字服务,更适应互联网时代的安全措施升级周期,但这无疑代表更多的成本,更低的利润空间。

如何平衡安全性与经济性,如何与其他行业建立更有效的合作机制,也将会是能源行业在数字时代绕不开的难题。

技术之外

作为一种相对前瞻性的概念,虚拟电厂在发展过程中面对的,也不仅仅只是技术问题。

作为处于早期探索阶段的行业,当前国内电力市场对虚拟电厂的定位与发展路线较为模糊,缺乏顶层设计。诸如谁建设、谁运营、谁监管、谁参与、系统如何设计、定价机制、技术标准、补贴发放等关键问题,甚至都还不明确,行业的长期发展面临很大困难。

关键政策的缺失导致各地对虚拟电厂的理解并不一致,各种试点示范项目差异不小,可能会导致一些资源的浪费,也不利于未来统一接入大电网。

虚拟电厂具体的商业模式同样需要进一步探索。虽然在运作模式上有所不同,虚拟电厂的本质仍然是电力交易,然而我国当前的电力市场并不是完全开放的。不完全市场化的电力产业,好处是电价能够维持在低位,但却极大地削弱了虚拟电厂的盈利能力,商业化运作也变得十分困难。

低电价同时也打击了电力供给单位的参与积极性,现阶段国内的虚拟电厂主要以邀约为主,由政府部门牵头,主动参与者有限。无法从社会上吸引足够的参与者,意味着虚拟电厂将难以保障基本的供电能力。

如何探索一套符合我国电力市场特征的商业模式,也是虚拟电厂必须面临的课题。

只能说作为一种新生事物,虚拟电厂要走的路,确实还很长。

References:

[1] 张玲:大涨70%后又暴跌,这一新风口还能“上车”吗. 中国基金报. 2022.09.02 https://www.chnfund.com/article/AR2022090200081489164238

[2] 史军、程韧俐、李江南 & 刘传书:国内首家虚拟电厂管理中心在深成. 科技日报,2022.08.26 http://stdaily.com/index/kejixinwen/202208/49189d3b60194341bc4ce848f51537f4.shtml

[3] 中国电力报:国内*网地一体虚拟电厂平台来了!. 2021.11.29 https://mp.weixin.qq.com/s/MIVFUv0RntRoP1wGTMTfWg

[4] 科学报:火电成本1/7!虚拟电厂急需顶层设计. 中国电力网. 2022.09.09 http://www.chinapower.com.cn/zx/hyfx/20220909/166521.html

[5] 德邦证券:德邦证券电力系列报告(二):虚拟电厂,电改东风已至,广阔蓝海将成. 2022.08.17

[6] 李欣忆:水电大省四川为何会电力紧缺?. 川观新闻. 2022.08.17 https://cbgc.scol.com.cn/news/3665626

[7] 朱涵&林光耀:中国每年遭遇境外恶意网络攻击超200万次:如何防御高危攻击?. 半月谈. 2021.10.22 https://mp.weixin.qq.com/s/Y8gOyn1qlO5axGP4V9F8Rg

[8] 陈铭:突发!黑客攻击欧洲港口石油设施,油轮无法靠港!油价已飙至7年新高,万亿新能源赛道卷土重来?.  券商中国. 2022.02.06

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