從需求側(cè)響應到虛擬電廠看日本如何攻克電力供需實時平衡難題

1、從需求側(cè)響應到虛擬電廠看如何攻克電力供需實時平衡難題福島核事故 出大規(guī)模集中式電力供給的脆弱性。因此， 痛下決心，要建設新一代電力系統(tǒng)和能源綜合管理，將實現(xiàn)電力需求側(cè)管理的智慧化向以可再生能源、蓄能為代表的小規(guī)模分布式能源體系的，但分布式電源如何動態(tài)優(yōu)化組合、如何保證供需的實時平衡成為這一的難題。在能源互聯(lián)網(wǎng)的大背景下，需求響應（Demand Response，簡稱 DR）和虛擬電廠（Virtuallant，簡稱 VPP）成為電力市場的新寵，他們不僅能夠降低系統(tǒng)基本負荷和峰值負荷，彌補大量關閉核電帶來的電力供給不足；而且還在負荷側(cè)增加了電源多能集成的互補性，降低了火電調(diào)峰需求，提高了可再生能源

2、的利用；并促使電網(wǎng)必須根據(jù)不同類型電源輸出特性實現(xiàn)優(yōu)化配置，推動電網(wǎng)智能化的。DR和VPP已成為當前分布式能源互聯(lián)網(wǎng)市場創(chuàng)新的一大亮點。1電力市場新變化隨著大規(guī)?？稍偕茉唇尤腚娋W(wǎng)以及智慧能源技術日新月異的發(fā)展，近幾年來，推廣實施 DR 和 VPP 技術的新商業(yè)模式在百花齊放，DR 和 VPP 的興于電力市場環(huán)境出現(xiàn)的新變化，這些變化的主要特征大體可以概括為“5 個 D”。第一個是化（Deregulation）。2016 年 4 月電力零售市場實現(xiàn)了全面化，多元化市場主體紛紛加入電力市場競爭大軍。截至 2018 年 3 月，新成立的售電公司超過 500 多家，售電占比已達13%，電力公司簽約換

3、手率突破 16.2%。電力用戶不僅可以選擇售電公司，而且還能直接參與到 DR 和 VPP 的市場交易中，電力供需平衡不再僅依靠發(fā)電側(cè)的“用多少發(fā)多少”，轉(zhuǎn)而通過供應和需求兩側(cè)的市場進行調(diào)節(jié)，化是電力市場的起點。第二個是脫碳化（De-carbonization）。為完成巴黎協(xié)定國家減排目標，一方面從電力供給側(cè)入手，大力發(fā)展以光伏發(fā)電為主的可再生能源以彌補核電缺口和替代化石能源，但由于可再生能源發(fā)電本身所具有的間歇性和波動性，仍難以保障電力的穩(wěn)定供應；另一方面，從電力需求側(cè)管理入手，除了依靠傳統(tǒng)的節(jié)能措施外，深度挖掘用戶側(cè)的分布式能源潛力，這已成為日本實現(xiàn)脫碳化目標的一條新路徑。第三個是分散化（D

4、ecentralization）。相較依靠大規(guī)模火電、核電等為中心的傳統(tǒng)集中式電力系統(tǒng)而言，日本正在構(gòu)建以光伏、風電等小規(guī)模分布式電源以及結(jié)合儲能技術的新型分散化電力系統(tǒng)，終端用戶不僅僅是電力的消費者，同時又是電力的“生產(chǎn)者”。第四個是數(shù)字化（Digitalization）?；ヂ?lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和 AI 技術了信息通訊與能源產(chǎn)業(yè)的深度融合，促進了電力數(shù)字化的發(fā)展，不僅可以調(diào)控用戶側(cè)發(fā)電、蓄能和用電設備，而且能將大量散落的小規(guī)模電源聚合起來，形成強大的用戶側(cè)發(fā)電資源，配電系統(tǒng)由傳統(tǒng)的單向潮流向滿足供需平衡的雙向潮流轉(zhuǎn)變。第五個是人口過少過疏化（De-population）。據(jù)到 2050 年總?cè)丝趯⑾?/p>

5、降 30%，到 2100 年將下降一半；電力需求在未來的 10 年預計將會減少10%左右，電力產(chǎn)業(yè)的規(guī)模經(jīng)濟性遭到前所未有的。2需求管理新模式面對電力市場的新變化，DR和 VPP 作為需求側(cè)管理的重要模式異軍突起。所謂“需求響應”是指電力用戶針對 DR 實施機構(gòu)發(fā)布的價格信號或激勵機制做出響應，主動改變自身用電行為，目前主要分為價格誘導型和激勵協(xié)議型兩種類型。傳統(tǒng) DR 源于，是從電力需求側(cè)管理中進化而來，以價格誘導和行政指令為主，主要包括所熟悉的分時電價、尖峰電價和可中斷負荷電價等方式。傳統(tǒng) DR 一般通過下達指令，實現(xiàn)負荷的削減，但往往很難做到快速響應。而在電網(wǎng)智能化的背景下，新型 DR

6、完全實現(xiàn)了自動調(diào)控，在電力供應緊張時，自 用戶發(fā)出削減負荷的 DR 信號，家庭或企業(yè)等電力用戶自動接收 DR 信號，通過自己的能量管理系統(tǒng)控制調(diào)整用電，并對 DR 結(jié)果自動進行 。新型 DR 能夠?qū)崿F(xiàn)迅速、高效和精準的電力實時動態(tài)調(diào)控，能有效解決電力供給側(cè)可再生能源發(fā)電出力帶來的巨大不確定性。虛擬電廠的概念源自德國，從某種意義上來說，VPP 既是分布式能源也是能源互聯(lián)網(wǎng)的創(chuàng)新應用。從電力供應角度來看，VPP 利用互聯(lián)網(wǎng)和能源管理技術將企業(yè)和家庭所擁有的分散式小規(guī)模電源集成優(yōu)化，進行控制和利用，如廠一樣提供電力供給；從電力消費角度來說，VPP 通過對用戶儲能裝置的聚合控制，能夠?qū)崿F(xiàn)消納可再生能源

7、富余電力，保障電力供需平衡。用戶側(cè)分布式電源規(guī)模和潛力巨大，如表 1 所示。據(jù)推算，到2030 年分布式發(fā)電設備裝機容量能夠達到 2591 萬 kW，相當于25 座百萬千瓦級煤電機組；若有 10%的儲能設備參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)，其規(guī)模將達到 1320 萬 kW，相當于 26 座百萬千瓦級煤電機組的調(diào)節(jié)能力。VPP 實質(zhì)上更是電力需求側(cè)管理的創(chuàng)新模式。VPP 與 DR 既有，又有區(qū)別。VPP 重點在于增加供給，會產(chǎn)生逆向潮流；DR 則重點強調(diào)削減負荷，不會發(fā)生潮流逆向。因此，是否會造成電力系統(tǒng)產(chǎn)生逆向潮流是 VPP 和 DR 兩者最主要的區(qū)別。將狹義上的 VPP 定義為直接并網(wǎng)的可再生能源發(fā)電設備和儲能

8、裝置，而廣義上的 VPP 還包括用戶側(cè)的新型 DR，但傳統(tǒng) DR 則不包含在其中。VPP（DR）涉及的分布式“電源”主要包括如下幾類：（1）發(fā)電設備家庭包括屋頂光伏、電池、微型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)等，企業(yè)則包括自備發(fā)電機、熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)、可再生能源發(fā)電設備等；（2）儲能設備家庭包含家用蓄電池、車載蓄電池、電子熱水器等；企業(yè)包括固定式蓄電池、車載蓄電池、冷藏冷凍倉庫、熱泵、蓄熱空調(diào)、電子熱水機等；（3）節(jié)電設備家庭包括空調(diào)和照明設備等，企業(yè)包括空調(diào)、通風設備、風扇、壓縮機、冷卻器、水泵等。推廣 VPP（DR）的重點集中在住宅、辦公大樓、工廠、商業(yè)設施、公共事業(yè)和電動汽車等六大領域，以“光伏+儲能”為主要形

9、式，表2列舉了VPP（DR）商業(yè)模式的主要業(yè)務特色。早在上世紀70 年代，就大力推行電力需求側(cè)管理（DSM），從1973 年到 2014 年，增加了 2.4 倍，但工業(yè)能耗卻減少了 10%，節(jié)能水平達到世界之最。90 年代，開始著手 DR 技術的，但真正開始實施 DR 是在 2011 年東之后。2011 年至 2014 年在橫濱、豐田、京阪奈學研、北九州建立了四個智慧能源城市示范工程，測試了傳統(tǒng) DR 的技術性和經(jīng)濟性，其中最大成果便是制定了 OpenADR 2.0b、ECHONET Lite 等技術規(guī)范和相關接口標準。新型 DR 技術則在近幾年才開始興起，2014 年 6 月，第 4 次能源

10、基本計劃提出：為推動用戶側(cè)有效開展節(jié)電，隨著電力穩(wěn)步推進，要積極創(chuàng)造條件引進新型“需求響應”模式，通過用戶側(cè)需求管理，維持發(fā)電容量的合理規(guī)模，實現(xiàn)電力穩(wěn)定供給。2016 年制定的“再興”提出到 2030 年要實現(xiàn) DR占總電力需求6%的目標。2016 年電力公司的DR 容量約為10.7GW，其中 78%負荷得到。伴隨 DR 響應電量（電源-b）在批發(fā)市場（JEPX）上市交易，2017 年被稱為的“DR 元年”，開創(chuàng)了電力市場的先河。2017 年 12 月，電源通過競價實現(xiàn)對電力用戶側(cè)負荷資源進行調(diào)控，全年完成 133 萬 kW 的響應量，其中DR 達到 95.8 萬 kW，價值約合 36 億日

11、元。2015 年 6 月，出臺的“再興”明確提出推廣 VPP的政策。2016 年 4 月，“能源革新”提出了推動 VPP 技術發(fā)展的示范工程建設計劃，制定了從 2016 年到 2020 年的補貼規(guī)劃，大力支持企業(yè)開展 VPP 技術研發(fā)，重點任務之一是驗證 50MW 以上虛擬電廠技術的可靠性，計劃到 2020 年實現(xiàn) VPP 經(jīng)濟。2018 年 7月出臺的第 5 次能源基本計劃，進一步明確了加快低成本儲能電池、V2G（Vehicle to Grid）、電轉(zhuǎn)氣（P2G）等技術推廣，加強低功率廣域網(wǎng)絡技術(LPWA)和 M2M、P2P 的技術研發(fā)，以進一步推動電源的低碳化，其中 V2G 是利用車載電

12、池充放電滿足系統(tǒng)電力需求的一項技術，是 VPP 最具市場前景的技術之一。2016 年有 7 個示范項目獲得總計 26.5 億日元的補助，2017年有 6個示范項目得到總計60多億日元補助。3運行機制市場化完善市場機制是 DR 和 VPP 規(guī)模化發(fā)展的關鍵。2015 年 11 月，首相指示要在 2017 年創(chuàng)建“負瓦特市場”，以提高民眾節(jié)電的積極性。傳統(tǒng)發(fā)電廠發(fā)出的電能被稱為“正瓦特”，而節(jié)電產(chǎn)生的電能則被稱為“負瓦特”，電網(wǎng)的負荷平衡可通過電源供給“正瓦特”或削減負荷的“負瓦特”實現(xiàn)。“負瓦特市場”參與各方可以通過市場共同分享利益。負荷集成商通過聚合調(diào)控分散式電源獲取市場利益，企業(yè)通過自身擁有

13、的儲能裝置、備用電源和電動汽車等向負荷集成商提供電能而獲益，通信和 IT 公司通過提供電力控制技術以及相關數(shù)據(jù)分析等獲得商機，個人電力用戶則可通過提供屋頂光伏、儲能裝置和電動汽車向負荷集成商提供電能。由此可見，市場主體之間有效合作機制的建立，才能保證所有參與者的合理收益，使參與者保持長期參與的積極性，確保市場的穩(wěn)定性和價值實現(xiàn)?！霸倥d（2016）”提出到 2030 年負瓦特交易量要實現(xiàn)與美國相同水平，達到最大電力需求的 6%。最大電力需求峰值約為160GW，按 6%計算則為 10GW，相當于 10 座百萬千瓦級煤電機組，由此可見潛力巨大。2017 年 4 月，負瓦特市場正式啟動，目前按交易主體

14、和目的可以分為兩大類，第一類是電力零售企業(yè)，主要目的是調(diào)控用戶側(cè)節(jié)電量與計劃發(fā)電量的匹配；第二類是輸配電企業(yè)，目的是通過增減負荷保障供需平衡。對輸配電企業(yè)來說，按調(diào)節(jié)電源的功能和作用可以分為三種：電源：預備調(diào)節(jié)電源（其中電源-a 為可調(diào)頻的電力供需平衡電源；電源-b 為不可調(diào)頻的電力供需平衡電源；電源則為冬夏兩季用調(diào)節(jié)電源）；電源：可并網(wǎng)的調(diào)節(jié)電源；電源：不可并網(wǎng)的調(diào)節(jié)電源。電力市場實行化之前，電價完全按照成本核算。按照成本核算的電價不僅包括電能本身的價值（kWh）、還包括保障電力供給所必須的電力容量價值（kW）以及調(diào)節(jié)電力供需平衡和維持電能質(zhì)量的調(diào)峰容量價值（kW(h)）。負瓦特市場使得減少

15、負荷電力需求與電源發(fā)送電力具有相同價值，于是，電力市場設計開始重新評估市場各方的利益和價值。經(jīng)過幾輪電改之后，逐步建立起了基于市場、日前市場、小時前市場、現(xiàn)貨市場等 DR 和 VPP 參與的市場運營機制，今后幾年還將陸續(xù)建立和形成基荷市場、容量市場、非化石價值市場、輔助服務市場等新的電力市場機制。從 2018 年 5 月起 FIT 綠色將在非化石價值市場交易，2019 年該市場還將向所有非化石能源開放；為了促進新電力公司參與基荷電源交易的競爭，計劃 2019 年創(chuàng)建基荷電能市場；競爭性電力市場還要求建立電力容量和調(diào)節(jié)容量的市場機制，2020 年將啟動容量市場，并創(chuàng)設需求調(diào)節(jié)市場。市場機制的完善使