（报告出品方/分析师：东北证券研究所 黄净、吴雨萌）
虚拟电厂能够聚合分布式发电、储能、可控负荷资源，利用通信技术和软件算法优化电力调度，参与需求侧响应或电力交易从而最大化收益，较其他形式的电厂具有成本低、效率高的优势，投入成本约为火电厂的打开CPEM了解更多 1/8，是全球智能电网发展的重要技术之一。
虚拟电厂指利用软件系统和信息通信技术，将分布式发电、储能和可控负荷资源聚合并进行电力调度的协调优化，从而实现电力系统的供需平衡的电力管理系统。
实现双碳目标是我国发展虚拟电厂的大背景。 受政策推动，风电、太阳能等新能源将逐渐占据未来我国电力系统的主导地位：
从能源结构上看， 目前我国电力装机仍以火电为主，风电、太阳能装机量占比分别为 12.8%和 11.5%，而政策目标提出， 到 2030 年，风电、太阳能发电总装机容量达到 12 亿千瓦以上，风电、光伏装机仍有较大的上升空间 。
从风电、光伏特性上看， 以风电、光伏为主的新能源在我国存在时空错配的特征，新能源电站大规模装机并网后， 一方面将带来更多削峰填谷需求，另一方面也催生了更多分布式电源和储能的建设 ，其中 2020 年国家能源局发布《关于组织申报整县（市、区）屋顶分布式光伏开发试点方案的通知》后，整县光伏加速推进，分布式光伏累计装机容量达到 78GW，同比增长 25%， 分布式发电资源呈现爆发式增长。
能源消费：新能源电动车是电网稳定的双刃剑，可控负荷增多导致调度难度增大。 受油价上涨影响，中国消费者由传统汽油车市场流入新能源车市场，充电基础设施伴随新能源汽车同步发展，截至 2022 年 5 月，全国充电基础设施累计数量为358.1 万台，同比增加 91.5%。一方面，充电桩的大量接入将加剧电网负荷的波动性，电力调度难度进一步上升；另一方面，电动车也为电网带来更多可控负荷，在供给侧波动较大的情况下，对可控负荷加以利用，有助于实现削峰填谷，维持电力供需的平衡。
在储能、分布式电源装机容量上升的趋势下，虚拟电厂具备资源聚合能力，且建设成本低，未来将逐步受到重视，是我国智能电网建设的重要方向之一。 我们测算，未来全国虚拟电厂年收益规模或将达到 870 亿元。
1.1. 虚拟电厂的概念：聚集发电、用电资源并进行优化调度的特殊电厂
虚拟电厂的相关概念最早由 Shimon Awerbuch 博士于 20 世纪末提出，在《虚拟公共设施：新兴产业的描述、技术及竞争力》论文中对虚拟公共设施进行了定义：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。此后，行业内许多专家学者都表达了对虚拟电厂概念不同的理解。 目前虚拟电厂被广泛的认为是一种利用软件系统和信息通信技术，将分布式发电、需求侧和储能资源聚合并统一协调控制，从而参与电力市场和电网辅助服务并获取收益的物联网技术。
虚拟电厂的产业链由上游基础资源、中游系统平台和下游电力需求方共同构成。 分布式电源、储能、可控负荷的发展共同构成了虚拟电厂上游的基础资源，重点应用于包括工业、建筑和居民领域。在实践中各类资源混合杂糅，发展出微网、局域能源互联网等形态，作为虚拟电厂的次级控制单元。中游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。产业链下游为公共事业企业（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。
1.2. 虚拟电厂的产生：碳中和背景下电力供需平衡调整的重要手段
1.2.1. 能源供给侧：新能源装机导致电力供给波动性提升
虚拟电厂诞生的大背景：降碳成为全球共识。 多个国家和地区先后签署了《联合国气候变化框架公约》、《巴黎协定》等，旨在控制气候变化，而绿色低碳的可持续发展理念已逐渐成为全球共识。全球主要国家相继针对碳排放问题提出了相应的计划和措施，并对能耗做出具体要求。美国总统拜登提出，美国 2030 年碳排放将在 2005年的基础上减少 52%，并在 2050 年彻底实现零排放；欧盟预计到 2050 年，温室气体排放量减少 85-90%，并计划为 2030 年设定中期目标；我国中央财经委员会在 2021 年第九次会议指出力争 2030 年前实现碳达峰，2060 年前实现碳中和；计划至 2025 年，单位国内生产总值能耗比 2020 年下降 13.5%；单位国内生产总值二氧化碳排放比 2020 年下降 18%。
电能将取代化石燃料作为主要的终端用能形式，风电、太阳能发电占比逐年提升。 能源危机的日益加深及化石燃料带来的环境污染，使可再生能源逐步在全球范围内得到广泛应用。目前多国选择通过提升电能占终端用能的比例来实现降低碳排放的目标，全球范围内以风电、太阳能为主的新能源装机量及发电量占比显著提升。截至 2021 年，全球风电、太阳能发电量占比分别达到 6.59%和 3.72%，全球风电、太阳能装机容量分别为 845GW 和 942GW，2011-2021 年全球风电、太阳能装机量年复合增长率分别为 13.51%和 29.69%。风电和太阳能作为清洁能源和可再生能源的重要组成部分，将成为降低碳排放，实现全球气候、可持续发展目标的重要抓手。
风电、太阳能发电可预测性有限，峰谷差问题催生更多储能资源需求。 与传统火电、水电相比，风电及太阳能布点分散，易受天气等环境因素影响，因此发电功率呈现明显的间歇性和波动性特征。随着风电、太阳能并网比例提升，电网消纳及电力调度面临挑战，系统调峰调频需求提升。储能技术改变了电能生产、输送和使用同步完成的模式，随着风、光为主的新能源大规模并网，储能将覆盖电力生产及调配的各个环节，是削峰填谷的重要途径之一。截至 2021 年，全球储能装机容量 203.5GW，同比增长 6.5%，其中抽水蓄能装机容量 177.8GW，电化学储能装机容量为 15.3GW。储能资源接入电网，一方面实现了削峰填谷的功能，另一方面也为电网统筹调度增添了难度，需要通过信息技术手段来优化储能资源的调度配置。
分布式电源兼具环保与经济性，发展迅速，但对电网提出了更高的要求。 分布式电源指分布在用户侧的能源利用系统，通常功率较低，与环境兼容，用以满足电力系统和用户特定的要求。目前，分布式电源根据使用技术的不同，可分为热电冷联产发电、内燃机组发电、燃气轮机发电、小型水力发电、分布式光伏、分布式风电等。
分布式电源通常为中小型模块化设备，具有投资规模小、建设周期短、维护方便的特点，能够广泛利用当地资源实现密集分布型用户的低耗降损和灵活调节，因此近年来在欧洲、美国、日本等国家有力的政策支持下增长迅猛。根据 IRENA《Renewable Capacity Statistics 2019》表明，当前全球分布式可再生能源已占据总装机容量的三分之一；IEA 预测，到 2024 年全球分布式光伏将占据光伏市场总量的近一半，分布式太阳能光伏容量有望达到 600 兆瓦。分布式电源的灵活性和环保性特征使其被认为是实现电力削峰填谷以及解决电力供应紧张问题的有效途径之一，例如，在负荷高峰期夏季/冬季，采用分布式热电冷联产发电可解决供冷/供热需要，同时也产生电力，可对电网起到削峰填谷作用。
虚拟电厂聚合发电、储能资源，并进行统一优化调度，是解决峰谷差的有效形式。 风电、太阳能等发电形式将对电网出力端形成较大的冲击，影响到电力系统的稳定性维护。同时，峰谷差问题催生的储能、分布式电源的大规模装机也增加了出力资源的数量，调度复杂度大幅提升。虚拟电厂（VPP）能够有效聚合分布式电源和储能电站等资源，依靠物联网等技术，处理风电、光伏等出力端带来的不确定性，帮助电网实现协调优化控制，加强新型电力系统内部各单元间的协同，从而提升电力系统的灵活性与稳定性。
1.2.2. 能源需求侧：电动车等可控负荷增加使得负荷端控制力逐步提升
新能源电动车销量提升及节能管理的应用带动可控负荷大幅增长。 可控负荷一般指在供电部门的要求下，按照合同可以限制用电一段时间的特定用户的负荷。从用户用电的角度看，新能源汽车充电、户用及工商业节能管理是可控负荷的主要形式。
首先，新能源电动车保有量上升，充电需求为电网带来大量负荷。 随着全球油价上涨和新能源电动车技术的日益成熟，电动车销量不断上升，截至 2021 年，全球新能源汽车销量达到 630 万辆，同比增长 94.44%。 其次，智慧楼宇、智能家居等节能管理技术逐渐成熟，为负荷端的灵活控制创造条件。 对于工商业用户而言，节能控制系统能够实现空调、电梯、照明等系统的智能化管控，能够有效降低能耗成本；对于居民用户而言，智能家居能够在供暖、热水供应、制冷等场景下帮助家庭达到节能目的，减少居民电费支出。
虚拟电厂通过有效利用可控新增负荷，有效降低新增负荷对电网的冲击，甚至可以实现对电网的削峰填谷。 从新能源电动车的角度看，大量电车充电将会为电网带来更大的负荷需求。以家用充电为例，在傍晚的用电高峰期，大规模的电车充电需求将加剧电网的峰谷差，甚至引发电力供应不足的问题；而应用虚拟电厂技术，能够将用电时间推后，在不影响充电效果的情况下适当降低充电速度，减缓电力峰谷差。
因此，虚拟电厂能够在电能消费侧有效缓解无序充放电给电网产生的负面影响，丰富电力系统的运行和控制手段，并参与系统削峰填谷、 提供频率稳.定和备用容量等辅助服务。
1.3. 虚拟电厂的技术：计量、通信、调度算法和 VPP 专用信息安全技术
各国开发的虚拟电厂各有特色，我们将在后文中进行讨论，但总结各国虚拟电厂项目的运作模式和架构后，我们认为，各国虚拟电厂所运用的核心技术具有很强的相似性。 计量、通信、智能调度决策算法以及信息安全防护技术是虚拟电厂的技术支撑：
1）计量技术： 精确地计量用户侧电、热、气、水等耗量，建立精准的能源网络供需平衡，为虚拟电厂的调度、生产提供依据；
2）通信技术： 控制中心接收各子系统的状态信息、电力市场信息、用户侧信息等，并根据这些信息进行决策、调度、优化；目前可利用包括互联网、虚拟专用网、电力线路载波、无线通信等技术，在此基础上还需要开发虚拟电厂专用的通信协议和通用平台；
3）智能调度决策技术： 各子系统的统筹优化调度是虚拟电厂实现分布式能源的消纳及保障电网安全、高效、稳定运行的关键；控制中心需要收集、处理的信息包括：用户的需求信息、各子系统运行信息、电网调度信息、电力市场价格信息以及影响分布式电厂的天气、风能、太阳能等信息；根据收集的信息，控制中心需要建立完善的数学模型及优化算法；
4）信息安全防护技术： 虚拟电厂与各个分布式能源站的工业控制系统、面向用户的用电信息系统、公开的市场营销信息系统、电网的调度信息系统都存在接口，需要做好系统安全防护、强化边界防护、提高内部安全防护能力，保证信息系统安全；在当前针对工业控制系统的安全防护技术和面向用户的用电信息系统防护技术基础上，发展与虚拟电厂相适应的大型综合用电信息系统安全技术也是未来虚拟电厂发展的关键。
2.1. 虚拟电厂发源欧洲
基于市场驱动+独立运营的理念，全球多国对虚拟电厂纷纷开展研究，其中欧洲、美国、日本、澳大利亚等国家目前均实施了相关项目。本章节将选取欧洲、美国为代表，研究海外成熟虚拟电厂的运作模式。
欧洲为虚拟电厂发源地，以发电资源的聚合为主要目标。 全球首个虚拟电厂项目诞生于 2000 年，德国、荷兰、西班牙等 5 国 11 家公司共同启动虚拟电厂项目 VFCPP，以中央控制系统通信为核心，搭建了由 31 个分散且独立的居民燃料电池热电联产(CHP)系统构成的虚拟电厂。
2005 年，英、法等 8 国 20 家机构启动了 FENIX 项目，以 FENIX 盒、商业型虚拟电厂和技术性虚拟电厂为创新点，分别在英国和西班牙实施，该项目为接下来虚拟电厂的设计奠定了框架基础。随后，丹麦、波兰、比利时等国家也开展了虚拟电厂项目的尝试，运用智能计量、智能能量管理和智能配电自动化等支柱技术，先后在虚拟电厂中引入电动汽车充电站平台、氧化还原电池、锂电池、光伏电站、风电场、小型水电站等资源，虚拟电厂规模逐渐扩大。
2012 年，挪威国家电力公司 Statkraft 在德国建立了第一个商业化虚拟发电厂，并向英国提供1GW 灵活燃气发电；2013 年，德国 Next Kraftwerke 公司研发的虚拟电厂 Next Pool开始为德国 4 大输电网运营商（TSO）提供控制储备服务。Statkraft 和 Next Kraftwerke的案例标志着欧洲的虚拟电厂产业全面进入商业化阶段。
与欧洲模式略有不同，美国模式偏重需求测。 美国虚拟电厂是在需求响应（DR）的基础上建立的，即通过控制电力价格、电力政策的动态变化来引导电力用户暂时改变其固有的习惯用电模式，从而降低用电负荷或获取电力用户手中的储能来保证电网系统稳定性。2005 年，美国颁发《能源政策法案》，大力支持对需求响应的建设，将需求响应上升到国家发展层面，逐步建立了完善的需求响应管理系统。
2016 年，美国纽约州 Con Edison 公司启动 CEVPP 计划，该项目是美国首个虚拟电厂计划，斥资 1500 万美元为布鲁克林和皇后区的约 300 户家庭配备租赁的高效太阳能电池板和锂离子电池储能系统并参与虚拟电厂计划，该虚拟电厂参与输配电延迟、调峰、频率调节、容量市场和批发市场等应用，探索了通过虚拟电厂平台支持能量存储聚合的盈利能力。2017 年至今，美国佛蒙特州、纽约州、德克萨斯州及加利福尼亚州的公共事业公司相继开展虚拟电厂计划，邀请业主参与计划并给予补偿费用。
标杆项目——FENIX：在电力运营商、电力市场及用户之间建立链接，实现各机组设备的全息感知和高效调配。 FENIX 项目在探索适合欧洲电力系统的虚拟电厂这一目标上实现了重大突破，因此我们以 FENIX 项目为例，解读虚拟电厂的通用架构。FENIX 将分布式能源（DER）整合入大型虚拟电厂（LSVPP），并对其进行分级管理，由代理系统提供分布式能源的成本曲线和其他运行特性（发电和负荷容量、爬坡率、启停时间等），并形成竞标曲线，进一步发送至电力交易系统并参与市场交易。FENIX 包括 3 个核心元素：FENIX 盒（FENIX box）、商业型虚拟电厂（CVPP）以及技术性虚拟电厂（TVPP）。
? FENIX box：与 DER 控制系统相连接，以实现远程监测和控制；
? TVPP：在配电管理系统（DMS）中运行，主要功能包括实施发电调度、管理DER，并控制电压和缓解电网阻塞。TVPP 主要为所在地区的配电网运营商（DSO）和输电网运营商（TSO）提供平衡服务和其他配套服务，其功能包括为 VPP 运营者提供可视化的 DER 信息，优化 DER 运行，并根据当地电网的运行约束提供配套服务。
? CVPP：负责 DER 的调度和能源优化，提供的服务包括在电力批发市场中进行交易，平衡交易组合，以及通过提交出价和要价，为 TSO 提供辅助服务，其功能包括对用户需求和发电潜力进行预测，以优化和调度用电量。
FENIX 是全球首个集成了技术目标和市场目标的虚拟电厂项目，开发了可扩展和分层流动的信息和通信架构，提供了成本收益分析，量化了 VPP 的经济效益，证明了欧洲应用 VPP 的可行性，为完善现行的大型虚拟电厂提供了宝贵的经验。
2.2. 欧洲虚拟电厂：最早开始 VPP 模式探索，商业化进程领先全球
2.2.1. 商业模式：聚焦分布式发电资源，参与电力交易获取收益
欧洲虚拟电厂通常由独立 VPP 运营商、发电企业或部分输电网运营商（TSO）提供服务。 从产业链角度看，欧洲的电力系统分为发电、输电、配电和售用电环节，而电网运营主体可以划分为输电网运营商（TSO）和配电网运营商（DSO）。其中， 输电网运营商（TSO） 负责控制和运行输电网（欧洲 220kV 和 380kV 电压的输电网络），包括监测和控制电网内断路器、开关以及输电网的电压，欧洲各国根据区域划分输电网运营商的管辖范围，并依靠跨国电网链接，属于区域性垄断业务。 配电网运营商（DSO） 负责将能源进行分配和管理，并输送给终端消费者，属于竞争性业务。基于以上分工，目前商业化欧洲虚拟电厂主要由独立第三方运营商、发电公司或 TSO 提供服务。
? 以德国为例，德国四家 TSO（TenneT，50Hertz，Amprion 和 TransnetBW）分别负责德国四部分区域输电网的运营，同时四家运营商通过参与欧洲互联电网（ENTSO-E）的方式进行跨国电力交易；德国 DSO 数量超过 900 个，分别负责德国 900 多个配电网区域。随着分布式可再生能源（DER）直接输入配电网，以及 DER 的间歇性和随机性，配电网负载压力越来越大，因此上游运营商主导的虚拟电厂应运而生。
欧洲虚拟电厂聚焦发电侧，聚合资源参与电力交易或辅助服务实现降本增效。 欧洲在新能源发电和装机上领先全球，20 世纪初，欧洲大力淘汰和限制煤炭发电，同时风电、太阳能等可再生能源发电成本持续下降并逐渐实现平价上网。根据欧盟统计局，截至 2020 年，欧盟可再生能源发电量占比达到 38%。由于欧洲发电资源较为分散，早期虚拟电厂主要聚焦于电力供给侧，聚合发电资源，帮助可再生能源稳定并网，协调发电功率。从收益方式的角度看， 一方面，虚拟电厂能够帮助发电企业降低不必要的发电成本或负电价带来的损失，并从中获取服务费分成；另一方面，虚拟电厂可以直接参与电力现货交易和辅助服务，优化双边交易，获取辅助服务及电力交易收益的分成。
2.2.2. 代表企业：德国 Next-Kraftwerke，欧洲最大的虚拟电厂运营商
Next-Kraftwerke 是欧洲最大的虚拟电厂运营商之一。 Next-Kraftwerke 公司成立于2009年，前身是德国清洁技术公司Next Kraftwerke GmbH，主营业务为应急发电机、风力涡轮机和沼气发电厂的聚合工作，从而弥补电网波动；2011 年，公司研发的虚拟电厂平台首次投入测试，完成了从可再生能源到输电网运营商的储能运输控制；2020 年，公司和东芝成立合资企业，拓宽虚拟电厂在日本的业务布局；2021 年，公司被壳牌公司以现金全资收购。目前，Next-Kraftwerke 公司在德国、比利时、奥地利、法国、波兰、荷兰、瑞士和意大利运营着 13930 个分布式能源单元，接入发电装机容量 10613 兆瓦，2019 年参与电力交易量 15.1TWh。公司 2020 年实现营业收入 5.95 亿欧元，是目前德国最大的虚拟电厂运营商。
Next-Kraftwerke公司的虚拟电厂业务可以分成三种模式：面向发电侧进行能源聚合、面向电网侧进行灵活性储能供应以及面向需求侧的需求响应。
? 虚拟平台向可再生能源发电企业提供服务： 由于可再生能源发电的随机性和波动性，发电商经常无法准时向 TSO 提供之前承诺的电量；一旦发生这种情况，发电商将会承受所有平衡电量所需的成本，例如从其它发电商购买昂贵的电力。
虚拟电厂可以通过帮助发电商实时监测发电情况，避免出现发电量预测不准的情况，节省发电商的成本。此外，虚拟电厂实时监控可再生能源价格，协助发电商优化电力产品结构，帮助发电商扩大盈利，进而为聚合商赚取辅助收益。
? 虚拟平台向电网侧提供短期柔性储能服务： 在接收到电网运营商发出的提高或降低发电量的信号后，虚拟电厂的中央控制系统将该信号传递给各个可调度的可再生能源发电厂，考虑到响应时间、充电站容量、发电量等方面的限制，对发电量进行调整以支持电网频率，并抵消虚拟电厂中其他单元（光伏太阳能和风能）造成的波动。虚拟电厂通过向 TSO 提供来自发电侧的调峰、调频服务来赚取收益。
? 虚拟平台通过控制需求侧的用电量来服务电网侧： 由于发电量的增加和用电量的减小对于电网产生的调峰调频效果是一致的，因此虚拟平台可以通过对需求侧的控制来对电网侧进行辅助服务，进而赚取辅助费用。此外，虚拟电厂可以将电网侧的消耗分配到现货市场上的低价时段，从而降低电力的采购成本。
标杆案例 1：奥地利南部 Lichtenegg 公司的可再生能源发电辅助交易。 Lichtenegg公司拥有 1.8MW 风力发电机，Next-Kraftwerke 向其提供虚拟电厂的辅助交易功能，辅助其在现货市场的日常交易中出售 20%的电力，而 20%的电力占据了发电量60%-70%的总收入。公司将从辅助可再生能源发电厂进行现货交易中获得的分成收入。
标杆案例 2：德国西部鲁尔地区 OBO 公司的短期柔性储能业务。 Next-Kraftwerke公司帮助 OBO 公司向电网提供柔性储能服务，为 OBO 安装了两台紧急备用发电机，当电网频率发生过度偏移时，Next-Krafttwerke 虚拟电厂的控制系统将激活这两台设备，向电网输送提供高达 500KW 的电力。公司将从虚拟电厂解决方案和激活中获得的利润中分成。
标杆案例 3：德国西部多特蒙德市临床中心的需求响应。 Next-Kraftwerke 公司帮助临床中心更高效地利用其备用发电机，通过将可调度的备用发电机联网到 Next krafttwerke 虚拟电厂中，该诊所可以提供 400 千瓦功率的电能，并利用 TSO 辅助服务来获取利润，公司则从诊所获得的利润中分成。
2.3. 美国虚拟电厂：脱胎于需求侧响应，Tesla 或是最大的虚拟电厂供应商
2.3.1. 商业模式：聚焦用户侧资源，获取辅助服务补偿
美国电力市场运营商高度分散，虚拟电厂计划通常由公共事业企业（Utility）或能源零售商运营。这主要与美国电力市场的情况有关。 美国联邦政府对于电力市场的监管相对缺乏，长期的私有化、市场化改革造就了如下格局：1）约 40%的区域（中西部为主）由公共事业企业垄断一体化运营，即发输配售垂直管理；2）约 60%的区域由七大 独立系统运营商（ISO） 管理，电力产业链分散为发电主体、输配电主体和能源零售商三个环节。美国七大 ISO（包括 PJM、MISO、ERCOT、SPP、CAISO、NYISO 和 ISO-NE）负责调度、发电、输电规划以及系统的运行安全和发电端-输配电端（批发市场）、输配电端-零售端（零售市场）市场运行的管辖。
ISO 的成立打破了公共事业企业对发电-输配电环节的垄断，允许各独立储电主体参与到与输配电网的交易中，进而催生了虚拟电厂的需求。现有美国虚拟电厂计划由公共事业公司或能源零售商承担运营职能。
美国虚拟电厂脱胎于需求侧响应，聚焦负荷端资源统一调配。由于美国电价过去 20年上涨了 59% ，且美国太阳能资源丰富，因此在大量政府补贴和激励政策下，家用光伏系统逐渐成为消费者降低电价成本的替代选择，从而实现电力的自发自用。根据 Statista，2021 年美国家用光伏装机容量达到 22.5GW，同比增长 20.9%，因此美国存在大量与用电侧直接相连的分布式太阳能资源。随着户用光伏等需求量的增长，美国逐渐开始实行需求侧响应，以应对用电高峰时期的供应紧张情况，并逐渐将需求侧响应演化为虚拟电厂计划。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。
2.3.2. 代表企业：美国 Tesla，依靠 Powerwall 与 Utility 企业开展虚拟电厂合作
特斯拉布局家用储能 Powerwall。 Powerwall 是特斯拉 2015 年 5 月推出的家用储能电池，使特斯拉与太阳能面板安装商 SolarCity 合作的第一款产品。Powerwall 可搭配特斯拉家用太阳能电池 Solar Roof，白天利用太阳能电池对 Powerwall 进行充电，内置电池容量 7-13.5kWh。充电后可随时使用储存的能量为家庭供电，同时也接入电网，在阴天或无光时从配电网处获取电力。Powerwall 实现了家庭用户电能的自发自用，避免电网停电时家庭断电的情况。用户可在手机 APP 上实时了解光伏发电、家庭的用电、Powerwall 的储存电量以及电网的供电情况，并通过手机 APP 对Powerwall 进行自定义设置，达到个性化节流的目的。
Powerwall 使储能系统得到分布化应用，与公共事业公司合作开展虚拟电厂计划。 Powerwall 自身管理了家用储能、光伏以及负荷的情况，在发电、储能、用电资源的聚合上有得天独厚的优势。基于以上特性，特斯拉与 Energy Locals，Green Mountain Power，PG&E 等公共事业公司和电力零售商先后开展了虚拟电厂项目。项目帮助 Powerwall 扩大系统的安装量，同时电力零售商通过与 Powerwall 使用者签订协议，能够获取这些分布式电池电力的部分使用权，实现聚合需求侧的资源以及虚拟电厂的商业化扩张。
标杆案例 1：提供 Powerwall 优惠，佛蒙特州能源零售商 GMP 获取业主电力的部分使用权。 2017 年，特斯拉与佛蒙特州公用事业公司 Green Mountain Power 合作开展了虚拟电厂项目，Green Mountain Power 作为 Powerwall 的渠道销售商，给业主提供 Powerwall 折扣价：业主可以选择以每月 55 美元分期 10 年或一次性 5500 美元（2017 年 Powerwall 原价 5900 美元）的优惠价格获得 Powerwall 产品，但需要放弃一部分电池控制权，允许电力公司使用设备中储存的部分能量对电力系统进行削峰填谷。Green Mountain Power 虚拟电厂聚合家用储能资源，参与调频市场、动态容量供应市场和交易电力批发市场并获取利益。
标杆案例 2：1 度电 2 美元，加州公共事业公司 PG&E 借助 Powerwall 向用户直接购买电力。 2022 年，特斯拉与加州公用事业公司 PG&E 合作开展了名为Emergency Load Reduction Program的虚拟电厂项目，拥有 Powerwall 的 PG&E 用户可以自愿通过特斯拉应用程序注册加入该虚拟电厂项目。所有参与计划的 Powerwall 所有者在电网面临巨大压力的紧急情况下，每向电网提供一度电即可获得 2 美元收益，远高于加州平均住宅电价 25 美分/度电。加州夏天气温极高，各类场所对空调制冷的需求增加，常对电网造成过量负荷，夏日野火也可能导致断电，该虚拟电厂计划主要目的为解决加州夏季电力供应紧张的情况。聚合的廉价绿色能源可以有效替代原本使用的昂贵燃气火电，进而为虚拟电厂赚取差价收益。
标杆案例 3：南澳政府出资建设虚拟电厂，加速可再生能源经济转型。 2018 年，特斯拉与南澳大利亚电力零售商 Energy Locals 合作开展了 SA VPP 虚拟电厂项目。SA VPP 旨在为所有南澳大利亚人提供更经济、可靠和安全的电力，同时提高用户对清洁能源的接受度，并支持南澳大利亚向可再生能源经济转型。南澳大利亚政府通过可再生技术基金提供了 200 万美元赠款和 2000 万美元贷款，通过电网规模存储基金提供了 1000 万美元赠款，将为 5 万家庭免费提供太阳能板和特斯拉 Powerwall，将民居建设为相互连接的虚拟电厂，帮助维持电网的稳定。
3. 中国：新能源高景气+电力市场化催生八百亿虚拟电厂市场空间
3.1. 发展现状：虚拟电厂尚处于起步阶段，以需求响应为主要激励方式
我国虚拟电厂的三大上游基础资源——分布式电源、储能、可控负荷，均处于高速发展阶段，三类资源的更新升级将推动虚拟电厂调控能力的扩张。 依据外围条件的不同，我们认为，我国虚拟电厂的发展可以分为邀约型、交易型和自治型三个阶段：
1）邀约型： 在没有成熟的电力市场下，由政府部门或者电网调度机构牵头组织，共同完成邀约响应和激励的流程；邀约型虚拟电厂主要通过需求响应激励资金池推动市场需求；但我们认为，该模式难以长久，并且存在一定程度的寻租问题；
2）交易型： 在电能量现货市场、辅助服务市场和容量市场建成后，虚拟电厂聚合商以类似于实体电厂的模式，分别参与这些市场并获得收益。目前我国的虚拟电厂正处于从邀约型向市场型转型阶段，各省开展的虚拟电厂项目以试点为主，尚未形成一套成熟的解决技术方案；
3）自治型： 随着虚拟电厂聚合的资源种类、数量、空间的进一步拓展，虚拟电厂向虚拟电力系统升级，其中既包含可控负荷、储能和分布式能源等基础资源，也包含了这些基础资源整合而成的微网、局域能源互联网。虚拟电厂通过聚合资源参与电力交易获取收益；我们认为该模式需要较为彻底的市场化改革。
我国虚拟电厂起步十三五，目前已有响应细则出台并建成多个试点项目。 十三五期间，我国江苏、上海、河北等地开展了电力需求响应和虚拟电厂的试点工作。其中，江苏省率先于 2015 年出台官方文件《江苏省电力需求响应的实施细则》指导电力需求的调控。此后，中国虚拟电厂进入研发、探索阶段，2019 年，国家电网提出泛在电力物联网，并建成国内首个虚拟电厂国网冀北虚拟电厂，实现了发电和用电的自我调节。到目前为止，北京、上海、广东、江苏、浙江等地先后开展虚拟电厂项目试点。2022 年 6 月，《北京市十四五时期电力发展规划》首次将虚拟电厂的建设纳入电力发展规划中。我国可供参与虚拟电厂运营的控制资源体量庞大，可调负荷资源超过 5000 万千瓦，虚拟电厂也随基础资源的快速发展而受到重视。
示范工程——国网冀北虚拟电厂：聚沙成塔，实现能源的高效利用。 国网冀北虚拟电厂是国内首个虚拟电厂试点项目，于 2019 年 12 月建成投运。该工程实时接入并控制了蓄热式电采暖、可调节工商业、智能楼宇、智能家居、储能、电动汽车充电站、分布式光伏等 11 类、19 家泛在可调资源，容量约 16 万千瓦，涵盖张家口、秦皇岛、廊坊三个地市。
冀北虚拟电厂的核心——智能管控平台可实现设备数据和互动信息的计算、存储以及集成能源运行管理、交易、服务功能，整合优化各类可调资源与电力系统实时交互。在 2019 年 10 月的第 83 届国际电工委员会大会上，国网冀北电力公司虚拟电厂示范工程被写入 IEC 国际标准用例，并向国际首次公开展示虚拟电厂测试床。
从虚拟电厂运营效果上看，2020 年，冀北电网夏季空调负荷将达 600 万千瓦，10%空调负荷通过虚拟电厂进行实时响应，等于少建一座 60 万千瓦的传统电厂；煤改电最大负荷将达 200 万千瓦，蓄热式电采暖负荷通过虚拟电厂进行实时响应，预计可增发清洁能源 7.2 亿千瓦时，减排 63.65 万吨 CO2。 虚拟电厂有效实现了清洁能源的高效利用和灵活可调，可挖掘价值空间巨大。
虚拟电厂兼具环保性与经济性，投入成本约为火电厂的 1/8。 我国东西部电力供需关系趋紧，电力峰谷差矛盾日益突出，各地年最高负荷 95%以上峰值负荷累计不足50 小时。峰谷差问题可以依靠多种手段缓解，但总体来看，随着虚拟电厂技术的日渐成熟，虚拟电厂将成为削峰填谷投资成本最低的手段。根据国家电网测算，通过火电厂实现电力系统削峰填谷，满足 5%的峰值负荷需要投资 4000 亿，而通过虚拟电厂，在建设、运营、激励等环节投资仅需 500-600 亿元，既满足环保要求，又能够降低投入成本。
3.2. 中外对比：发展背景类似欧洲+盈利模式类似美国，有望吸收欧美经验蓬勃发展
与欧美国家对比，中国虚拟电厂兼顾发电侧、储能、用户侧多种资源。 上一章节我们提到，欧洲的虚拟电厂起步于发电侧，以分布式电源、储能资源的整合，并形成统一调配，降低弃风弃电、负电价损失为主要目标；美国虚拟电厂则脱胎于需求侧响应，更注重整合用电需求侧的资源，填补电力供应缺口并获取补偿收益。
中国虚拟电厂目前还处于探索初期，而从能源结构和市场机制的特征来看，中国有望结合欧洲、美国两种模式，探索出兼顾分布式电源、可控负荷以及储能资源的模式。从能源结构看，我国风电、光伏及电网系统更接近于欧洲模式。
第一，中国新能源补贴政策与欧洲各国较为相似，且欧洲国家在风电、光伏等新能源发展方面领先中国，风电、光伏装机容量占比达到约 34%，中国则为 24%，未来我国的发电结构将向欧洲水平趋近。
第二，中国与欧洲电网的职能、架构更为类似：a) 欧洲各国之间有成熟的跨境电网，并由专门的跨境电网运营商进行调度，而中国的电网一直由国家电网、南方电网负责运营，能够实现跨省、远距离的电力调度；b) 与美国相比，中国与欧洲的需求侧很难直接与分布式发电相连，即使是发展较快的整县光伏项目，也需接入配电网，再输送至近距离用户，因此很难实现美国例如家用光伏的发电与用电合二为一。因此我国虚拟电厂的早期实践案例聚合了较多风电、光伏资源，与欧洲模式具有较强的相似性。
从市场机制看，我国电力交易市场尚处于试点起，虚拟电厂的运营仍以邀约制下的需求侧响应为主要模式，因此当前情况下更接近于美国模式。 欧洲虚拟电厂利用软件算法设定电力现货市场的竞价策略，实现交易收益的最大化。但我国电力市场处于起步阶段，目前仅有广东省对电力现货交易实行了试点，当电力供给出现缺口或存在调峰调频需求时，通常依靠电网公司牵头邀约，实现需求侧响应或辅助服务，因此目前用户侧资源以参与需求侧响应为主，与美国模式更为接近。
3.3. 发展趋势：目前以补贴为盈利来源，未来有望从电力交易中获益
虚拟电厂收益空间巨大，每年市场空间或超 800 亿元。 我国虚拟电厂仍处在邀约型阶段，以需求侧响应、调峰调频为主要的收益来源。目前广东省作为缺电大省，每年 30%左右电量来自于外省输送，是我国电力市场化需求最为迫切、也是市场化进展领先的地区。因此我们以广东省的情况为例，测算了虚拟电厂的市场空间：《广州市虚拟电厂实施细则（征求意见稿）》中提出，通过开展需求响应实现削峰填谷，逐步形成约占广州市统调最高负荷 3%左右的需求响应能力，对参与响应的用户或聚合商给予补贴，削峰补贴最高 5 元/度，填谷补贴最高 2 元/度。
根据测算，补贴环境下，预计每年广东省虚拟电厂的收益空间有望达到 294 亿元；若考虑日后退补的情况，参考广东电力现货交易试点的价格，预计每年广东省内虚拟电厂的收益空间约为 83 亿元；按照同样的测算方法，市场化情况下， 预计全国虚拟电厂收益空间约为 870 亿元。
发展趋势探讨：广东、浙江、江苏等地或成为我国虚拟电厂发展最快的地区。 虚拟电厂商业模式与需求侧响应和电力现货交易具有很强的关联性。
我们发现：
1）现存虚拟电厂项目与电力现货交易试点区域几乎重合 ：除河北冀北虚拟电厂外，目前开展虚拟电厂试点项目的省份均在两批电力交易试点省份名单中。其中广东开展虚拟电厂项目最多，也是电力交易试点进展最快的省份。
2）广东、江浙沪等经济发达地区由于缺电严重，对虚拟电厂需求更加旺盛，聚合资源普遍聚焦于需求侧： 从 2021 年各省的外受电量情况来看，其中广东、浙江、山东、江苏是外受电量最多的省份，也是用电人口多且缺电较为严重的地区。从各省虚拟电厂项目来看，上海、深圳、广州等经济发达地区的虚拟电厂聚合资源以用电端的充电桩、商业体为主，参与需求侧响应较多；其他省份虚拟电厂则多为聚合了发电、储能、用电负荷多种资源的综合型虚拟电厂。我们认为，对于经济发达和人口密集的地区， 一方面，这些省份具有用电需求大、缺电风险高的特点，发展虚拟电厂迫切性较高；另一方面，这些地区可控负荷较多，具备参与需求侧响应的条件。
伴随电力现货交易试点的推进，虚拟电厂的商业模式将得到持续优化。从试点进展来看，广东、江苏、蒙西已率先进入现货交易结算试运行的阶段，其余试点省份则已完成模拟试运行，预计将陆续进行连续现货交易结算试点。结合外受电量、电力现货交易试点以及虚拟电厂项目试点情况，我们认为目前广东、浙江、江苏更具备发展商业化虚拟电厂的条件，有望成为引领全国电力交易和虚拟电厂建设的地区。 全国虚拟电厂建设或将以缺电省及电力现货交易试点省份为起始点，从需求侧响应和可控负荷的聚合出发，逐步向供电省和发电侧扩展覆盖，最终形成更多聚合多种源-荷-储资源的综合型虚拟电厂。
风险提示：
1、 我国虚拟电厂推进不及预期；
2、 电力现货交易进展不及预期。
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