2023虛擬電廠：新型電力系統(tǒng)

虛擬電廠——新型電力系統(tǒng)核心觀點虛擬電廠本質(zhì)是通過數(shù)字化手段聚合分布式能源的軟件平臺系統(tǒng)，通過統(tǒng)一調(diào)度參與電力市場。新能源裝機比例及用戶側(cè)間歇性負荷的進一步增長，對電力系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)能力進一步提升，傳統(tǒng)“源隨荷動”的運行模式亟須向“源荷互動”轉(zhuǎn)變，“虛擬電廠”應運而生。虛擬電廠可以把各類分散能源、可控負荷、儲能聚合起來，通過數(shù)字化的手段形成一個虛擬的電廠來做統(tǒng)一的管理和調(diào)度。虛擬電廠是需求側(cè)響應的延伸版，兼顧削峰和填谷，部分具有儲能特征。成熟的電力市場是虛擬電廠商業(yè)化的基礎(chǔ)。德國和美國電力現(xiàn)貨市場/輔助服務市場已比較成熟，虛擬電廠已完全實現(xiàn)商業(yè)化。其中，德國由于分布式電源裝機占比較高（2020年分布式光伏裝機占比74%），因此虛擬電廠資源以發(fā)電側(cè)為主；而美國由于高電價導致戶用光伏裝機占比較高，虛擬電廠資源以負荷側(cè)為主。歐美虛擬電廠收入模式為：參與電力現(xiàn)貨/輔助服務市場，提供需求側(cè)響應或容量服務賺取削峰填谷收入，或通過優(yōu)化管轄內(nèi)用戶用電計劃，獲取溢價分成。目前我國虛擬電廠處于邀約型向市場化過渡的階段，國家電投深圳能源虛擬電廠已參與電力現(xiàn)貨市場盈利。我國虛擬電廠還處于發(fā)展初期，主要由政策引導來參與市場。目前江蘇、浙江、上海、冀北等地區(qū)已開展虛擬電廠實踐，主要響應資源包括儲能設施、充電樁、居民、樓宇等。其中，2022年5月，國家電投深圳能源為我國首個虛擬電廠調(diào)度用戶負荷參與電力現(xiàn)貨市場盈利的案例，平均度電收益0.274元。據(jù)中電聯(lián)預計，2025年全社會用電量達9.5萬億千瓦時，而最大負荷將達到16.3億千瓦，假設可調(diào)節(jié)能力為5%、投資成本為1000元/千瓦，預計到2025年虛擬電廠投資規(guī)模有望達815億元。投資建議：行業(yè)方面，虛擬電廠是電力系統(tǒng)靈活性資源的重要組成部分，我國虛擬電廠還處于發(fā)展初期，但隨著新能源滲透率的提升以及新型電力系統(tǒng)的逐步完善，虛擬電廠市場空間有望打開。維持行業(yè)“推薦”評級。個股方面，建議關(guān)注朗新科技、國能日新、恒實科技、南網(wǎng)能源、東方電子、萬勝智能、遠光軟件、國網(wǎng)信通。風險提示：政策變動風險；電力市場建設進度不及預期；新能源裝機不及預期；重點關(guān)注公司業(yè)績不及預期；行業(yè)競爭加??；中國與國際同行并不具備完全可比性，相關(guān)數(shù)據(jù)僅供參考。目錄1虛擬電廠：需求側(cè)響應的延伸............................................................................................................................................................ 61.1背景：能源綠色轉(zhuǎn)型，電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力要求提升..................................................................................................................

71.2

定義：通過數(shù)字化手段聚合分布式能源的軟件平臺系統(tǒng)........................................................................................................

81.3原理：聚合分布式能源，削峰填谷、參與電力市場................................................................................................................ 91.4分類：電源型、負荷型、儲能型、混合型.................................................................................................................................

102

歐美電力市場成熟，虛擬電廠已實現(xiàn)商業(yè)化.....................................................................................................................................

112.1

收入模式：削峰填谷收入、用戶用電成本優(yōu)化分成................................................................................................................

122.2

德國：發(fā)電側(cè)分布式能源聚合為主，獨立虛擬電廠是主要參與方………….....................................................

132.3

美國：負荷側(cè)資源聚合為主..........................................................................................................................................................

153

國內(nèi)現(xiàn)狀：邀約型向市場化過渡........................................................................................................................................................

173.1

政策支持：鼓勵虛擬電廠建設，增強電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力.......................................................................................................

183.2

運作機制：邀約—響應—激勵.....................................................................................................................................................

193.3

實踐：國家電投-首個虛擬電廠參與電力現(xiàn)貨市場盈利案例.....................................................................................................203.4

前景：到2025年虛擬電廠投資有望達815億元..........................................................................................................................

22一、虛擬電廠：需求側(cè)響應的延伸1.1

背景：能源綠色轉(zhuǎn)型，電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力要求提升新能源裝機比例提升，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)“源隨荷動”的運行模式亟須向“源荷互動”轉(zhuǎn)變。在碳中和、碳達峰目標的驅(qū)動下，我國能源綠色轉(zhuǎn)型進度加速。然而，新能源發(fā)電嚴重依賴于光照強度、風力強度等自然因素指標，總體上具有隨機性、間歇性和波動性的特點；與此同時，新能源裝機比例及用戶側(cè)間歇性負荷的進一步增長，對電力系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)能力提出了越來越高的要求。傳統(tǒng)“源隨荷動”的運行模式亟須向“源荷互動”轉(zhuǎn)變，“虛擬電廠”應運而生。圖表1：我國非化石能源消費比重及未來預期目標（%）資料來源：《虛擬電廠市場發(fā)展前景及實踐思考》_封紅麗等，WIND，中國政府網(wǎng)，國海證券研究所1.2

定義：通過數(shù)字化手段聚合分布式能源的軟件平臺系統(tǒng)虛擬電廠顧名思義就是虛擬化的電廠，起到發(fā)出電能，參與能量市場；通過調(diào)節(jié)功率來參與輔助服務市場調(diào)峰、調(diào)頻等作用。其核心思想就是把各類分散可調(diào)電源、可控負荷、儲能聚合起來，通過數(shù)字化的手段形成一個虛擬的電廠來做統(tǒng)一的管理和調(diào)度。所以，虛擬電廠本質(zhì)上是一套軟件平臺系統(tǒng)，它聚合了現(xiàn)有的分布式資源，并通過協(xié)同控制，參與電力市場。圖表2：傳統(tǒng)電力能源生態(tài)系統(tǒng)和虛擬電廠能源生態(tài)系統(tǒng)示意圖資料來源：《虛擬電廠基礎(chǔ)特征內(nèi)涵與發(fā)展現(xiàn)狀概述》_鐘永潔等圖表3：虛擬電廠結(jié)構(gòu)示意圖圖表4：虛擬電廠平臺架構(gòu)示意圖資料來源：《虛擬電廠基礎(chǔ)特征內(nèi)涵與發(fā)展現(xiàn)狀概述》_鐘永潔等1.3

原理：聚合分布式能源，削峰填谷、參與電力市場虛擬電廠可以看作需求側(cè)響應的延伸版。需求側(cè)響應主要是削峰，主要針對用戶負荷；虛擬電廠則是削峰和填谷兼顧，部分具有儲能特征，源、網(wǎng)、荷、儲都包含在內(nèi)。虛擬電廠聚集了分布式能源（發(fā)電）、儲能（充電/放電）、可控負荷（用電）等，可根據(jù)實際的組成將其劃分為以下4類：電源型虛擬電廠：具有能量出售的能力，可以參與能量市場，并視實際情況參與輔助服務市場；復合型虛擬電廠：具有功率調(diào)節(jié)能力，可以參與輔助服務市場，能量出售屬性不足；儲能型虛擬電廠：可參與輔助服務市場，也可部分時段通過放電來出售電能；混合型虛擬電廠：全能型角色。在國外案例中，日本和德國以儲能和分布式電源作為虛擬電廠的主體，美國則是以可控負荷為主，規(guī)模已占尖峰負荷的5%以上。圖表5：虛擬電廠對外特征示意1.4

分類：電源型、負荷型、儲能型、混合型資料來源：《虛擬電廠基礎(chǔ)特征內(nèi)涵與發(fā)展現(xiàn)狀概述》_鐘永潔等二、歐美電力市場成熟，虛擬電廠已實現(xiàn)商業(yè)化資料來源：《虛擬電廠效益評價指標體系構(gòu)建及其范例分析》_毛田等，《虛擬電廠市場發(fā)展前景及實踐思考》_封紅麗等，泰安市能源局，山東省能源局，國海證券研究所2.1

收入模式：削峰填谷收入、用戶用電成本優(yōu)化分成虛擬電廠商業(yè)模式是參與現(xiàn)貨市場、輔助服務市場，提供需求側(cè)響應或容量服務賺取削峰填谷收入，或為通過優(yōu)化管轄內(nèi)用戶用電計劃，獲取溢價分成。歐洲和美國電力現(xiàn)貨市場/輔助服務市場已比較成熟，虛擬電廠已完全實現(xiàn)商業(yè)化。我國新型電力市場還處于完善中，虛擬電廠主要由政策引導來參與市場。圖表6：虛擬電廠收入模式電能量收入輔助服務收入容量收益提供調(diào)峰調(diào)頻服務提供容量服務虛擬電廠收入模式圖表7：山東省需求側(cè)響應資金來源年份相關(guān)文件補償費用來源2020年《2020年全省電力需求響應工作方案》緊急型削峰、填谷需求響應補償費用計入供電成本，經(jīng)濟型削峰、填谷需求響應補償費用暫從電網(wǎng)公司參與跨省區(qū)可再生能源現(xiàn)貨市場試點形成的資金空間支出。2021年《2021年全省電力需求響應工作方案》緊急型削峰、填谷需求響應補償費用按照國家有關(guān)政策進行分攤疏導；經(jīng)濟型削峰響應補償待電力現(xiàn)貨市場連續(xù)長周期結(jié)算運行時予以明確；經(jīng)濟型填谷需求響應無補償費用。2022年《2022年全省電力可中斷負荷需求響應工作方案》需求響應資金由全省工商業(yè)用戶、相關(guān)發(fā)電企業(yè)進行分攤，削峰需求響應補償費用按全省工商業(yè)用戶在需求響應執(zhí)行時段的用電量進行分攤，填谷需求響應補償費用按省內(nèi)核電機組、集中式新能源廠站、火電機組在需求響應執(zhí)行時段上網(wǎng)電量進行分攤。參與現(xiàn)貨市場，優(yōu)化用戶用電計劃，獲得溢價部分分成資料來源：

Energy-Charts

，IEA，iFind

，風能專委會CWEA，國海證券研究所歐洲新能源發(fā)電量占比位居全球首位。2020年，歐洲風光發(fā)電占比達19.58%，位居全球首位。其中，德國是全球新能源轉(zhuǎn)型翹楚，2021年，德國風光裝機量占比55.81%，風光發(fā)電量占比達28.85%。圖表8：2020年歐洲風電光伏發(fā)電量占比位居全球首位圖表10：2021年德國風光發(fā)電量占比28.85%圖表9：2021年德國風光裝機量占比55.81%2.2

德國：發(fā)電側(cè)分布式能源聚合為主，獨立虛擬電廠是主要參與方德國虛擬電廠資源來源于發(fā)電側(cè)、需求側(cè)和儲能，但其高分布式能源占比的特點決定了其以分布式電源的聚合為主。收入來源：其主要應用場景為參與電力現(xiàn)貨市場，并通過靈活電價來引導電廠管轄內(nèi)系統(tǒng)優(yōu)化發(fā)用電成本，優(yōu)化交易收益，溢價部分與客戶分成；或參與輔助服務（調(diào)頻、備用等）來收取服務傭金。從市場參與主體來看，其包括獨立虛擬電廠運營商、電力公司虛擬電廠、新型市場參與者，其中，獨立虛擬電廠是主要參與方。Next

Kraft-werke是歐洲規(guī)模最大的虛擬電廠之一，2021年其電廠規(guī)模已達9800MW（來源于官網(wǎng)）。圖表11：德國分布式光伏占光伏裝機量比重74.2% 圖表12：德國虛擬電廠類型資料來源：Next

Kraft-werke官網(wǎng)，IEA，德國能源經(jīng)濟研究中心

2019

數(shù)據(jù)，《虛擬電廠基礎(chǔ)特征內(nèi)涵與發(fā)展現(xiàn)狀概述》_鐘永潔等，《德國虛擬電廠的商業(yè)模式》_中德能源與能效合作伙伴項目，國海證券研究所特征Next

Kraft-werkeEnteliosGETEC

Ener-gieMVV

EnergieBayWa.reSonnen能源資源組合發(fā)電側(cè)、需求側(cè)，儲能需求側(cè)發(fā)電側(cè)、需求側(cè)發(fā)電側(cè)、需求側(cè)發(fā)電側(cè)儲能電廠規(guī)模9800MW（2021年）>1GW（2018年）3000MW以上500MW（2015年）3300MW（2019年）資源管理與優(yōu)化√√√√√√平衡服務√√√√√√直接銷售√√√√√需求響應(工商業(yè))√√√√√需求響應(家庭)√向消費者/產(chǎn)消者供電√√√獨立虛擬電廠電力公司虛擬電廠新型市場參與者虛擬電廠2.2

德國：發(fā)電側(cè)分布式能源聚合為主，獨立虛擬電廠是主要參與方資料來源：WIND，

SEIA，IEA，EIA，《中國“十四五”新能源發(fā)展研判及需要關(guān)注的問題》，國海證券研究所2021年，美國風光發(fā)電占比為12.6%，略高于中國。雖然美國新能源滲透率與我國相差不大，但美國居民持續(xù)上漲的高電價提升了對戶用光伏的需求。據(jù)EIA統(tǒng)計數(shù)據(jù)，在過去20年，美國零售電價上漲了59%，目前加州的電價為0.256美元/kWh（約RMB

1.73元/KWh）。在光伏單位投資成本持續(xù)下行的背景下，通過建設戶用光伏自發(fā)自用的經(jīng)濟性進一步凸顯。負荷側(cè)電源的大規(guī)模接入對電網(wǎng)靈活性需求進一步提升，提升了對分布式能源聚合商的需求。圖表14：2021年美國風電光伏裝機量占比為16.2%圖表13：2021年美國風電光伏發(fā)電量占比為12.6%2.3

美國：負荷側(cè)資源聚合為主圖表15：2021年美國戶用光伏新增裝機占全美光伏新增裝機比重的17.8%資料來源：能源研究俱樂部，《美國加州分布式儲能參與電力市場分析》_宋安琪等，《虛擬電廠參與調(diào)峰調(diào)頻服務的市場機制與國外經(jīng)驗借鑒》_李嘉媚等，國海證券研究所美國虛擬電廠主要以負荷側(cè)靈活性資源為主，規(guī)模已占尖峰負荷的4%以上（來源于能源研究俱樂部）。收入來源：以美國加州為例，其虛擬電廠可參加能量市場、旋轉(zhuǎn)/非旋轉(zhuǎn)備用市場。在能量市場中邊際出清價格結(jié)算，參與備用市場可得到中標容量與調(diào)用電量兩部分組成的結(jié)算費用（實際響應量＞中標容量的

90%

時）。圖表16：美國加州虛擬電廠參與市場方式參與市場的資源模型代理需求響應資源（PDR）分布式能源（DER）參與市場根據(jù)價格信號自主降低負荷，并在電力批發(fā)和輔助服務市場參與競標多個分布式能源以聚合的形式作為一個單獨的“虛擬”單元參與電力市場交易容量聚合要求能量市場：最低

100

kW

的容量，并在競標時段內(nèi)可持續(xù)輸出能量市場：最低聚合容量不小于

0.5MW；旋轉(zhuǎn)備用市場：最低聚合容量不小于

20

MW；（單個分布式資源容量不超過

1MW）輔助服務市場：最低

500

kW

容量，在日前能量市場能夠持續(xù)輸出

60

min，在實時能量和旋轉(zhuǎn)備用

/

非旋轉(zhuǎn)備用市場能夠持續(xù)輸出

30

min計量與遙測要求能量市場：

1）10

MW

以下無需遙測：每

4

s

提供狀態(tài)信息；每

5min更新狀態(tài)能量市場：

10

MW

以下無需遙測輔助服務市場（旋轉(zhuǎn)和非旋轉(zhuǎn)備用）：無論任何容量都需要遙測；每

4s

提供狀態(tài)信息；每

1min更新狀態(tài)輔助服務市場：無論任何容量都需要遙測；每

4s

提供狀態(tài)信息2.3

美國：負荷側(cè)資源聚合為主三、國內(nèi)現(xiàn)狀：邀約型向市場化過渡發(fā)布時間政策發(fā)布單位具體內(nèi)容2022.6.21《虛擬電廠建設與運營管理實施方案》山西能源局加快推進虛擬電廠建設，擴大需求側(cè)(儲能)響應規(guī)模2022.2.22《北京市“十四五”時期能源發(fā)展規(guī)劃》北京發(fā)改委提高電力需求側(cè)響應能力。發(fā)揮電力在能源互聯(lián)網(wǎng)中的紐帶作用，挖掘需求響應資源，聚集大型商務樓宇、電動汽車和儲能設施等資源，建設虛擬電廠。2022.1.30《關(guān)于完善能源綠色低碳轉(zhuǎn)型體制機制和政策措施的意見》國家發(fā)改委支持用戶側(cè)儲能、電動汽車充電設施、分布式發(fā)電等用戶側(cè)可調(diào)節(jié)資源，以及負荷聚合商、虛擬電廠運營商、綜合能源服務商等參與電力市場交易和系統(tǒng)運行調(diào)節(jié)。2022.1.18《關(guān)于加快建設全國統(tǒng)一電力市場體系的指導意見》國家發(fā)改委鼓勵抽水蓄能、儲能、虛擬電廠等調(diào)節(jié)電源的投資建設。2021.7.15《關(guān)于加快推動新型儲能發(fā)展的指導意見》國家發(fā)改委鼓勵聚合利用不間斷電源、電動汽車、用戶側(cè)儲能等分散式儲能設施，探索智慧能源、虛擬電廠等多種商業(yè)模式。2021.2.25《關(guān)于推進電力源網(wǎng)荷儲一體化和多能互補發(fā)展的指導意見》國家發(fā)改委進一步加強源網(wǎng)荷儲多向互動，通過虛擬電廠等一體化聚合模式，參與電力中長期、輔助服務、現(xiàn)貨等市場交易，為系統(tǒng)提供調(diào)節(jié)支撐能力。資料來源：山西能源局、北京發(fā)改委、國家發(fā)改委、國家能源局、國海證券研究所2021年以來，國家發(fā)改委、北京發(fā)改委、山西能源局等陸續(xù)出臺指導意見，加快推進虛擬電廠建設，提高電力需求響應能力，為電力系統(tǒng)提供調(diào)節(jié)支撐能力。山西：印發(fā)首份省級《虛擬電廠建設與運營管理實施方案》，提出加快推進虛擬電廠建設，擴大需求側(cè)(儲能)響應規(guī)模。北京：發(fā)揮電力在能源互聯(lián)網(wǎng)中的紐帶作用，挖掘需求響應資源，聚集大型商務樓宇、電動汽車和儲能設施等資源，建設虛擬電廠。3.1

政策支持：鼓勵虛擬電廠建設，增強電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力圖表17：虛擬電廠建設相關(guān)政策依據(jù)外圍條件的不同，虛擬電廠的發(fā)展可分為邀約型階段、市場化階段、自主調(diào)度型階段，我國虛擬電廠處于邀約型向市場化過渡的階段。邀約型階段運作機制：“邀約—響應—激勵”模式：（1）政府部門或電力調(diào)度機構(gòu)發(fā)出邀約信號；（2）虛擬電廠組織資源進行需求響應，激勵電力用戶調(diào)整其用電行為。目前江蘇、浙江、上海、冀北等地區(qū)已開展虛擬電廠實踐，主要響應資源包括儲能設施、充電樁、居民、樓宇等。圖表18：虛擬電廠的發(fā)展階段 圖表19：我國虛擬電廠實踐案例資料來源：《虛擬電廠基礎(chǔ)特征內(nèi)涵與發(fā)展現(xiàn)狀概述》_鐘永潔等，《虛擬電廠參與調(diào)峰調(diào)頻服務的市場機制與國外經(jīng)驗借鑒》_李嘉媚等，

36氪，電網(wǎng)技術(shù)雜志，國海證券研究所3.2

運作機制：邀約—響應—激勵地區(qū)主要場景試點項目主要響應資源特點江蘇需求響應、新能源消納等“大規(guī)模網(wǎng)荷友好互動系統(tǒng)”、大規(guī)模網(wǎng)荷示范工程等可中斷/調(diào)節(jié)負荷源-網(wǎng)-荷控制系統(tǒng)、國內(nèi)規(guī)模最大浙江需求響應、削峰填谷等麗水模擬電廠、寧海虛擬電廠試點項目、寧波離網(wǎng)光儲系統(tǒng)式虛擬電廠等儲能設施、充電樁、居民、樓宇等國內(nèi)單次響應體量最大上海商業(yè)樓宇能源管理、削峰填谷等城區(qū)（黃浦）商業(yè)建筑需求側(cè)管理示范項目、虛擬電廠運營項目試點等工商業(yè)負荷、儲能等以商業(yè)樓宇為主的虛擬電廠體系冀北新能源消納、廣域需求響應等冀北泛在電力物聯(lián)網(wǎng)虛擬電廠示范工程等光伏、電采暖等多主體參與時間交易名稱出清情況參與主體2021年5月6日“雙碳”主題虛擬電廠需求響應削峰容量：6.2萬千瓦價格：2.4元/千瓦時填谷容量：2.1萬千瓦價格：0.96元/千瓦時騰天節(jié)能、前灘新能源、綜合能源服務公司、5G

鐵塔基站等2020年9月29日“十一”填谷需求響應交易容量：2.5萬千瓦價格：1.2元/千瓦時綜合能源服務公司、蔚來汽車、騰天節(jié)能、前灘新能源4家虛擬電廠2020年6月25日端午節(jié)填谷需求響應交易容量：1.7萬千瓦電量：4.02萬千瓦時價格：1.2元/千瓦時2家虛擬電廠運營商2019年12月5日迎峰度冬專項試點交易響應時長：2小時電量：1.83萬千瓦時收益：43950元4家運營商及其226個客戶，共8.7萬千瓦負荷圖表20：上海虛擬電廠開展交易情況資料來源：《面向“雙碳”目標的上海虛擬電廠運營實踐》_王偉等，人民網(wǎng)上海頻道，北極星輸配電網(wǎng)，國海證券研究所上海黃浦商業(yè)建筑虛擬電廠于2021年投運，依靠能源互聯(lián)網(wǎng)管理體系，精細化調(diào)解用戶用電，實現(xiàn)柔性負荷控制和在線實施調(diào)頻。黃浦區(qū)有大型商業(yè)建筑數(shù)量超過200幢，年耗電量約13億千瓦時，峰值負荷近50萬千瓦，樓宇能耗占全區(qū)總能耗65%以上。黃浦區(qū)虛擬電廠總體架構(gòu)上實現(xiàn)了“物聯(lián)網(wǎng)通信”+“互聯(lián)網(wǎng)聚合”+“人工智能調(diào)度”+“智慧樓宇控制”，精準有效管理每棟建筑的每小時能源消費。每個建筑均具備約200kW的柔性負荷調(diào)節(jié)能力，即虛擬發(fā)電能力。該虛擬電廠作為上海電力需求響應日常調(diào)度資源，截至2021年11月累計調(diào)度超