虛擬電廠是電網的「智能管家」，市場應用前景廣闊
虛擬電廠是電網的「智能管家」
虛擬電廠(Virtual Power Plant，VPP)是通過信息通信技術和軟體系統管理分布式能源，作為一個特殊電廠參與電力市場和電網運行的沒有實體存在的電廠形式，相當於一個電力「智能管家」。從某種意義上講，虛擬發電廠可以看作是一種先進的區域性電能集中管理模式，為配電網和輸電網提供管理和輔助服務。
對內，它將相對分散的電源、電網、荷載和儲能等進行聚合協調和優化控制，在局部實現「源網荷儲一體化」；對外，它則等效為一個可控的電源，既能作為「正電廠」向系統供電，也能作為「負電廠」消納系統的電力，靈活實現削峰填谷。虛擬電廠可以最大程度地調整新能源電力的強隨機波動性，提高新能源的利用率，打破了傳統電力系統中發電廠之間、發電側和用電側之間的物理界限。
根據山西省能源局《虛擬電廠建設與運營管理實施方案》，虛擬電廠分為負荷類虛擬電廠和一體化虛擬電廠：
1）「負荷類」虛擬電廠：指虛擬電廠運營商聚合其綁定的具備負荷調節能力的市場化電力用戶（包括電動汽車、可調節負荷、可中斷負荷等），作為一個整體（呈現為負荷狀態）組建成虛擬電廠，對外提供負荷側靈活響應調節服務；
2）「源網荷儲一體化」虛擬電廠：指列入「源網荷儲一體化」試點項目，建成後新能源、用戶及配套儲能項目通過虛擬電廠一體化聚合，作為獨立市場主體參與電力市場，原則上不占用系統調峰能力，具備自主調峰、調節能力，並可以為公共電網提供調節服務。
根據虛擬電廠對外特徵，不同類型特徵的虛擬電廠具有不同的服務能力，可將虛擬電廠分為電源型虛擬電廠、負荷型虛擬電廠、儲能型虛擬電廠、混合型虛擬電廠。
1）電源型虛擬電廠：具有能量出售的能力，可以參與能量市場，並視實際情形參與輔助服務市場。
2）負荷型虛擬電廠：具有功率調節能力 ，可以參與輔助服務市場，能量出售屬性不足。
3）儲能型虛擬電廠：可參與輔助服務市場，也可以部分時段通過放電來出售電能。4）混合型虛擬電廠：全能型角色。
虛擬電廠需要擁有三類核心能力：接入能力、控制能力、交易能力。
接入能力，是最基礎的能力，需要儘可能地接入優質的底層資產，包括分布式能源、儲能等優質可調設備以及有調節能力的優質負荷，在接入的基礎上，還需要有能力基於這些設備的機理、業主的用能需求進行可調性分析。
控制能力，是虛擬電廠的核心能力，虛擬電廠需要有相應的控制能力能夠保證各類策略和指令可以被執行，這不僅僅需要技術上的保障，也和商業能力緊密相關。
交易能力，是虛擬電廠的關鍵商業能力，因為市場交易是虛擬電廠初期的主要收入來源，虛擬電廠可以參與到電量交易、輔助服務、需求響應等等市場中獲得經濟收益。目前電力市場的改革還在推進的過程中，虛擬電廠需要基於對自己接入資源的理解和對市場的判斷，尋找最優策略，獲得最大的交易回報。建設虛擬電廠需要三大關鍵信息化技術：智能計量技術、協調控制技術和信息通信技術。
1）智能計量技術：精確地計量用戶側電、熱、氣、水等耗量，建立精準的能源網絡供需平衡，為虛擬電廠的調度、生產提供依據。
2）協調控制技術：收集、處理、聚合多樣化的信息，根據收集的信息建立完善的數學模型及優化算法，實現對系統高要求的輸出。
3）信息通信技術：通過網際網路、虛擬專用網、電力線路載波、無線通信等，接收各子系統的狀態信息、電力市場信息、用戶側信息等，並根據這些信息進行決策、調度、優化。
產業鏈由上游基礎資源、中游系統平台、下游電力需求方構成
產業鏈結構：由上游基礎資源、中游系統平台、下游電力需求方構成。
1）上游基礎資源：
主要包括可調負荷、分布式電源和儲能設備。可調負荷的重點應用領域主要包括工業、建築和居民等，不同應用場景負荷可調潛力差異較大。分布式電源指用戶現場及附近配置較小的發電機組，包括小型燃機、小型光伏和小型風電、水電、生物質、燃料電池等一種或幾種組合。儲能設備可分為機械儲能、化學儲能、電磁儲能和相變儲能。
2）中遊資源聚合商主要依靠網際網路、大數據等，整合、優化、調度、決策來自各層面的數據信息，增強虛擬電廠的統一協調控制能力，是虛擬電廠產業鏈的關鍵環節。
3）產業鏈下游為電力需求方，由電網公司、售電公司和大用戶構成。電網公司作為電網運營商，是電力市場的重要買方。售電公司包括獨立售電公司、擁有配網運營權的售電公司和電網領域的售電公司。大用戶主要指 B 端可直接參與電力批發市場交易的工商業電力大用戶，各省從用電量、電壓等級、產業類別等方面設計各自的大用戶標準。
資源聚合商有望成為虛擬電廠主角。一方面，資源聚合商通過算法優化和業務模式創新有望促進電力系統效率提升。另一方面，資源聚合商規模將進一步擴大。隨著分布式能源種類和數量越來越多，分布空間越來越廣，部分聚合商最終將成為一種跨種類、廣域的源網荷儲集成商，在電力行業發揮舉足輕重的作用。
二十年技術疊代，我國進入向市場化轉型階段
虛擬電廠主要起源於 21 世紀初期，於德國、英國、西班牙、法國、丹麥等歐洲國家興起，同期美國也推行與虛擬電廠意義類似的「電力需求響應（DR，Demand Response）」。
全球首個虛擬電廠項目誕生於 2000 年，德國、荷蘭、西班牙等 5 國 11 家公司共同啟動虛擬電廠項目 VFCPP，搭建了由 31 個分散且獨立的居民燃料電池熱電聯產(CHP)系統構成的虛擬電廠。發展至今，虛擬電廠概念及實踐在發達國家已經成熟，我國虛擬電廠建設也步入戰略發展階段。
虛擬電廠在歐美發達國家發展趨於成熟。在歐美各國已有一些可供借鑑的小規模示範項目。自 2001 年起，歐洲各國就開始開展以集成中小型分布式發電單元為主要目標的虛擬發電廠研究項目，現已實施的虛擬電廠項目有德國卡塞爾大學太陽能供應技術研究所的試點項目、歐盟虛擬燃料電池電廠項目、歐盟 FENIX 項目等。
美國虛擬電廠是在需求響應（DR）的基礎上建立的，2016 年 Con Edison 公司啟動的 CEVPP 計劃是美國首個虛擬電廠計劃，斥資 1500 萬美元，參與輸配電延遲、調峰、頻率調節、容量市場和批發市場等應用，探索了通過虛擬電廠平台支持能量存儲聚合的盈利能力。
我國虛擬電廠起步「十三五」，目前已有多個試點項目。「十三五」期間，我國江蘇、上海、河北等地開展了電力需求響應和虛擬電廠的試點工作。其中，江蘇省率先出台《江蘇省電力需求響應的實施細則》指導電力需求的調控。2019 年，建成國內首個虛擬電廠「國網冀北虛擬電廠」，實現了發電和用電的自我調節。2022 年 6 月，《北京市「十四五」時期電力發展規劃》首次將虛擬電廠的建設納入電力發展規劃中，虛擬電廠也隨基礎資源的快速發展而受到重視。
虛擬電廠技術已經歷多次演變。虛擬電廠的技術演變可以從內部資源類型變化的角度進行總結歸納。
1）虛擬電廠 1.0：最早出現的虛擬電廠主要為負荷側虛擬電廠，主要針對閒散的用戶電器開展聚合管理。負荷側虛擬電廠可以通過智能樓宇群控、工業負荷用電管理等手段實現，主要實現調峰、深度調峰、填谷等業務。
2）虛擬電廠 2.0：最為典型的是冀北虛擬電廠，實現了電採暖、智能家居、儲能、電動汽車充電站、分布式光伏等資源的智能調控。相比於虛擬電廠 1.0，由於資源的互補性、多樣性，虛擬電廠 2.0 在參與規模、資源種類、供電範圍、供電可靠性上有明顯的提高，初步參與了電力市場的調峰輔助服務市場，商業價值得到一定的展現。
3）虛擬電廠 3.0：隨著市場機制的建立和完善，海量的可調資源和綜合能源進入虛擬電廠的運行管理中，同時在市場的激勵下，虛擬電廠的服務目標更加多樣化，有調頻、調峰、電能量虛擬電廠，也有中長期虛擬電廠、實時虛擬電廠，還有支撐系統電壓、慣性的虛擬電廠。相較於上一代，資源側面臨著參與何種虛擬電廠的問題，資源池更加動態化。
依據外圍條件的不同和市場發展規律，虛擬電廠的發展階段通常可分為邀約型階段、市場化階段、自主調度型階段。
1）邀約型階段：在沒有電力市場的情況下，由政府部門或調度機構牽頭組織，通過政府部門或電力調度機構發出邀約信號，各個聚合商、虛擬電廠參與組織資源以可控負荷為主進行響應，共同完成邀約、響應和激勵流程。
2）市場化階段：在電能量現貨市場、輔助服務市場和容量市場建成後或已建設成熟，虛擬電廠聚合商以類似於實體電廠的模式，基於自身商業模式分別參與這些市場獲得收益。在第 2階段也會同時存在邀約型模式，其邀約發出的主體是系統運行機構。
3）自主調度型階段：隨著可聚合的資源種類越來越多、數量越來越大、空間越來越廣，實際上可稱之為「虛擬綜合電力系統」，既包含分散各地的分布式能源、儲能系統、可控負荷等基礎資源，也囊括由這些基礎資源進一步組合而成的微網、主動配電網、多能互補多能源系統、局域能源網際網路等，實現發用電方案的持續優化。
我國虛擬電廠建設目前正處於向市場型轉型階段，資源聚合商有望優先受益。我國目前主要屬於在邀約型階段中，市場參與度較低，進入市場型階段後，資源聚合商將成為主體，以類似於實體電廠的模式，分別參與這些市場獲得收益，增強虛擬電廠的統一協調控制能力。隨著我國逐步向市場型轉型過程逐步深化，資源聚合商重要性進一步加深。
虛擬電廠規模增長，我國市場前景廣闊
全球虛擬電廠市場規模快速增長。根據諮詢機構 P&S 預計，全球虛擬電廠市場將從 2017年的 19.75 億美元增長至 2023 年的 55.10 億美元。據 GIR (Global Info Research)調研，按收入計，2021 年全球虛擬電廠收入大約 621.1 百萬美元，預計 2028 年達到 2296.3 百萬美元，2022 至 2028 期間，年複合增長率 CAGR 為 20.5%。從全球看，供需潛力釋放將促進虛擬電廠市場規模持續高速增長。
我國分布式發電裝機量大，虛擬電廠前景廣闊。虛擬電廠可以降本增效，為電力行業未來主要發展方向，戰略意義重大。根據國家能源局公布數據顯示，從光伏發電領域來看，我國分布式光伏發電併網裝機容量逐年增長，增速加快。據中國光伏行業協會統計，2021年我國分布式光伏發電併網裝機容量為 107.5GW，同比增長 37.56%。
據國家電網數據，2030 年國家電網經營區下的分布式電源裝機將達到 290GW，占總裝機量 10%左右，其中：分布式光伏裝機達到 260GW、分散式風電裝機量達到 30GW。從區域電力輸送來看，據中電聯數據，我國跨省及跨區輸送電量持續提升。2021 年我國跨省輸送電量為1600GWH，跨區輸送電量為 690GWH。從電力交易市場來看，2022 年我國電力交易市場飛速發展。據中電聯數據，2021 年我國電力市場交易電量累計為 3778.7GWH，同比增長 19.34%。2022 年 1 月電力市場交易電量累計為 497.08GWH，同比增長 97.80%，實現飛速增長。
政策利好虛擬電廠建設，技術賦能迎變革
利好政策頻出，電力市場逐漸放開
電力市場持續開放。放開電力市場交易是國家政策大趨勢，2018 年 10 月國家發展改革委、國家能源局聯合發布《關於積極推進電力市場化交易，進一步完善交易機制的通知》，以促進清潔能源消納，支持電力用戶與水電、風電、太陽能發電、核電等清潔能源發電企業開展市場化交易。2022 年《關於加快建設全國統一電力市場體系的指導意見》，明確了到 2030 年，全國統一電力市場體系基本建成，新能源全面參與市場交易。2022 年 6 月 23 日，山西省能源局發布《虛擬電廠建設與運營管理實施方案》，指出虛擬電廠的類型、技術要求、參與市場、建設及入市流程，並明確併網運營技術和管理運營規範。
虛擬電廠利好政策頻出。《「十四五」現代能源體系規劃》（發改能源〔2022〕210 號）等多個政策文件均提出，我國將完善新型電力系統建設和運行機制，完善適應可再生能源局域深度利用和廣域輸送的電網體系，健全適應新型電力系統的市場機制，完善靈活性電源建設和運行機制，並開展各類資源聚合的虛擬電廠示範。同時，浙江、上海、廣東等地也持續探索通過虛擬電廠項目積極響應削峰填谷需求，提高電力系統運營效率。國家與地方政策的陸續出台落地，為虛擬電廠建設與發展提供了良好的政策環境。
碳中和工作；我國二氧化碳排放力爭 2030 年前達到峰值，力爭 2060 年前實現碳中和；要抓緊制定 2030 年前碳排放達峰行動方案，支持有條件的地方率先達峰；要加快調整優化產業結構、能源結構，推動煤炭消費儘早達峰，大力發展新能源，加快建設全國用能權、碳排放權交易市場，完善能源消費雙控制度；要繼續打好污染防治攻堅戰，實現減污降碳協同效應；要開展大規模國土綠化行動，提升生態系統碳匯能力。」 2021 年是「十四五」開局之年，以虛擬電廠為首的綜合能源服務有望實現跨越式發展。
數位技術賦能虛擬電廠發展
數位化是提升電網消納能力的重要基礎。現階段新能源併網的關鍵是電網消納能力，其中核心在於調度調節能力以及大規模超遠距離輸電能力，這兩點均離不開數位化手段的輔助。通過數位化技術，可以實現電網整體的協調優化控制。通過使用數位化技術，虛擬電廠有望和儲能一起成為電力體系智能協調、效率提升的重要方式。
儲能雲網平台可實現儲能及新能源電站的多方參與、聯合生產以及統一調度，達到資源最優調配。儲能雲網平台實現儲能及新能源電站的多方參與、聯合生產以及統一調度，達到資源最優調配。通過儲能雲網平台將分布式儲能資源或零散分布、不可控的負荷資源轉化為隨需應變的「虛擬電廠」資源，利用虛擬電廠的聚合功能，形成規模化「削峰填谷」響應，實現儲能資源的最大化利用。
區塊鏈技術助力虛擬電廠建設。從虛擬電廠的構建和運營來看：
1）源端，區塊鏈可對設備進行唯一性認證並進行出力核查。
2）網端，可構建去中心化雲平台，實現各類數據信息「可信、可管、可控、可知」的傳輸，結合用戶側需求響應與發電側出力信息進行智能調度，提升供需兩端匹配效率。同時可利用帳本技術，採用可信交易積分等手段完善信用體系，提高交易效率。
3）荷端，可對負荷進行唯一性認證，鼓勵負荷端節能減排或參與電力市場交易。儲能技術日臻完善，成本下降。儲能技術逐漸朝多樣化發展，壓縮空氣儲能、儲氫技術、固碳制氨技術不斷問世；而組件及控制技術日漸成熟，使得成本快速下降，根據BloombergNEF 數據顯示，2021 年全球鋰離子電池組均價約為 132 美元/kWh，至 2024年，這一價格或會降至 100 美元/kWh，等於自 2010 年以來下降了 89%，從地區看，中國的鋰離子電池組均價最低，為 111 美元/kWh。儲能技術的成本下降為虛擬電廠的發展奠定了經濟基礎。
全球能源數位化技術發展態勢顯著
目前，世界各國紛紛採取措施，推動數位化進程，將大數據分析及機器學習、區塊鏈、分布式能源管理和雲計算等數位技術，應用到能源生產、輸送、交易、消費及監管等各個環節。能源和資源數位化後，將得以智能化分配，大幅提高利用效率，使碳捕獲和儲存等特定的清潔能源技術受益。
特斯拉掀起虛擬電廠浪潮，我國企業緊跟發展時機
特斯拉：打造全方位能源供應，引領虛擬電廠浪潮
特斯拉是美國最大的電動汽車及太陽能公司。公司 2003 年成立於美國矽谷，2004 年 2 月，埃隆·馬斯克（Elon Musk）向特斯拉投資 630 萬美元後，正式成為特斯拉的聯合創始人。成立以來，特斯拉透過收購不同領域的公司提高自身生產能力及核心技術積累，業務範圍涉及模具衝壓、機器工程、自動化設備製造及電池包組裝等。目前，公司秉承著「加速世界向可持續能源的轉變」的使命，構建光伏發電-電動車-清潔能源儲能產業鏈，能源業務與汽車業務並駕齊驅，目標是逐步培養出一個清潔能源的生態系統。
公司主打全方位的能源供應。在家庭能源方面，公司推出「太陽能發電+儲能」產品體系。2015 年 5 月，公司首先推出 Powerwall，一款家用儲能電池，能夠將電能存儲下來，用以應對傍晚用電高峰或電網斷電。2016 年 6 月特斯拉提議以 25 億到 30 億美元價格收購 SolarCity，10 月推出第一代 Solar Roof 產品，正式進入光伏屋頂市場，Solar Roof 利用全集成太陽能系統為家庭供電，可通過長期能源生產，抵消前期資金投入。以太陽能滿足家庭供電需求，有效控制每月電費支出。Powerpack 和 Megapack 則是商用能源產品，分別於 2017 年和 2019 年推出，力求通過大規模存儲和利用清潔能源，改變為世界提供能源的方式。
公司著手布局虛擬電廠建設。公司依靠 Powerwall，使儲能系統得到分布化應用，與 2018年、2017 年和 2022 年分別與 Energy Locals，Green Mountain Power，PG&E 等公共事業公司和電力零售商先後開展了虛擬電廠項目，實現虛擬電廠的商業化擴張，加速新能源經濟轉型。2022 年 7 月 8 日，PG&E 公司與電力公司與特斯拉正式推出虛擬電廠試點項目，特斯拉邀請 Powerwall 的家庭用戶參與其位於加州虛擬電廠項目的消息放出，自此 A 股市場虛擬電廠景氣度上升，預計虛擬電廠建設將進一步得到市場重視。
公司近年營收快速增長。公司 2017 年營業收入 117.59 億美元，於 2021 年增長到了538.23 億美元，年均複合增長近 46.27%，增長迅速。得益於產品結構調整，公司歸母淨利潤近年增長更為迅速，已經從 2017 年虧損 19.61 億美元淨利潤增長到了 2021 年的55.19 億美元淨利潤，2021Q1 歸母淨利潤同比增長 657.53%。公司 2021 年四費總體占總營收的 33.13%，到了 2022Q1 四費總體只占總營收的 15.79%，波動較大。
公司主營業務分別為電動汽車銷售及租賃業務、能源及儲能業務、服務及其他業務。2017-2021 年公司汽車業務從 96.41 億美元增長到了 168.61 億美元，年均複合增長約 48.77%。同期蓄能發電業務營收從 11.16 億美元增長到了 27.89 億美元，年均複合增長約 25.72%。
同期服務和其他業務營收從 10.01 億美元增長到了 38.02 億美元，年均複合增長約39.60%。業務均保持較快的增長速度。公司的汽車業務毛利率較高，2022Q1 約為 32.85%，蓄能發電業務受上游元器件材料價格上升影響，毛利率明顯下降，2021Q1 為-11.69%。
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國能日新是服務於新能源行業的軟體和信息技術服務提供商。公司致力於成為行業內領 先的清潔能源管理專家，主要向新能源電站、發電集團和電網公司等新能源電力市場主 體提供以新能源發電功率預測產品（包括功率預測系統及功率預測服務）為核心，以新 能源併網智能控制系統、新能源電站智能運營系統、電網新能源管理系統為拓展的新能 源信息化產品及相關服務。作為一家以創新驅動的高新技術企業，公司多年以來一直專注於新能源管理領域，通過不斷的自主創新和持續的研發投入，取得了一系列的科研成果，掌握了多項核心技術。公司是國家高新技術企業、國家「專精特新」小巨人企業、北京市軟體企業，截至目前已累計獲得發明專利 28 項，軟體著作權 73 項。
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風險提示：
虛擬電廠推進不及預期，電力市場交易進展不及預期，技術研發突破不及預期，疫情影響供應鏈運作。
來源：國元證券