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虚拟电厂:既不虚拟,也不发电,更不建厂

发布时间:2022-09-24 14:42     微财商          来源:IT之家

伴随着全球气候问题越来越严重,受极端天气影响的传统电网面临着巨大的崩溃危险。

2021年美国极寒天气导致德州电网瘫痪,东北风电出力骤降导致大面积停电,2022年川渝大旱导致以水电为主的电力供应崩溃,加州高温天气导致供电危机...所有这些都显示了能源供求关系的恶化同时,能源供应结构中波动性强,稳定性差的可再生能源的不断增加,也对电网的适应性提出了新的要求

如何建立一个更加灵活,可靠,高效的电力资源管理系统,以满足供需双方的新需求,已成为当务之急。

虚拟发电厂只是一个可能的答案。

什么是虚拟发电厂。

虚拟电厂是一个高度智能化的能源管理系统它基于物联网,整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的服务虚拟电厂的功能与电厂类似,但没有传统意义上的厂房,所以被称为虚拟电厂

1997年,经济学家Simon Avebuch博士提出了虚拟电厂的概念在《虚拟公共设施:新兴产业的描述,技术和竞争力》一书中,他将其定义为由市场驱动的独立实体之间的灵活合作,在不必拥有相应资产的情况下,为消费者提供所需高效电能服务的能力

日前,全国首个虚拟电厂管理中心在深圳揭牌它连接了14个分布式储能,数据中心,充电站,地铁和其他类型的负载聚合器,接入容量为87万千瓦,接近大型燃煤电厂的装机容量虚拟电厂可以在电力供应紧张期间直接调度分散的充电桩,空调,储能等电力资源,减少它们的用电量

虚拟电厂最显著的特点是具有源—负荷的特性可作为正电厂向系统供电调峰,作为负电厂增加负荷消耗,配合系统填谷可以快速响应指令,合作保障电网稳定并获得经济补偿,也可以直接参与电力市场交易,电力辅助服务交易等比如传统的发电厂

由于虚拟电厂依托高度智能的控制系统,连接大量设备的物联网,理论响应速度和调节能力远高于传统调峰方式,尤其是以风,光,电为主,需要电网快速响应的可再生能源。

虚拟发电厂的另一个优势是其出色的经济性根据国家电网的测算,如果电力系统削峰填谷,用火电厂填谷,满足5%的高峰负荷需要4000亿元而虚拟电厂只需要投入500 ~ 600亿元就可以实现这个目标,也就是火电厂成本的1/8~1/7,其性价比优势远远优于传统的冗余系统建设方案

虚拟电厂的产业链由上游基础资源,中游虚拟电厂运营商和下游电力需求者组成:

上游基础资源:可调负荷,分布式电源和储能设备可控负荷主要是工业,商业和公共建筑,居民等商业和公共建筑的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分散,单点容量小,聚合困难分布式发电是指小型分布式光伏,风电,火电,水电等机组包括储能,机械能储能,化学能储能等

中游虚拟电厂运营商:包括资源聚合和技术服务资源聚合器主要依靠物联网,大数据等技术,对来自各个层面的数据信息进行整合,优化,调度和决策,实现虚拟电厂的核心功能——协调控制,是虚拟电厂产业链的关键环节技术服务提供商专注于虚拟电厂软件平台的建设,为资源聚合者提供技术服务

下游电力需求者:公用事业企业,能源零售商以及所有参与电力市场交易的主体,从而实现参与电力交易,调峰调频,需求侧响应并获取利润。

目前,虚拟电厂在国内尚未建立明确的商业模式,但国外有两个相对成熟的范例可供参考一是以分布式发电机组为主,通过参与电力交易获得收益,另一种是专注于用户端的电力资源,通过提供辅助服务来获取收益

第一种商业模式在欧洲比较常见在这种模式下,虚拟电厂主要通过提供技术支持,优化发电成本,减少不必要的损失来收取佣金或者辅助发电机组接入电网,完成电力交易,获得服务费和溢价分成代表企业是德国虚拟电厂公司Next Kraftwerke,也是欧洲最大的虚拟电厂运营商

接下来Kraftwerke的盈利模式大致可以分为三种一种是为可再生能源发电企业提供服务,协助发电企业监控发电,节省不必要的成本,二是向电网侧提供短期灵活储能服务,从发电侧提供调峰调频服务获取收益,第三,通过控制需求侧,服务电网侧,可以赚取相应的费用

截至2022年第二季度,Next Kraftwerke已经管理了14414台分布式发电设备,包括生物质发电设备,热电联产,水电站,风能和太阳能发电站以及其他高度多样化的设备,总管理规模为10836MW。

第二种模式常见于美国电力市场具体来说,能源零售商实施虚拟电厂计划,通过提供低成本的储能电池或现金,换取一部分家庭用电的控制权,必要时向零售商提供电力零售商的虚拟电厂在用电高峰期将储能汇总提供给有需求的用户,从而获得辅助服务的收入

不是救世主。

我们需要明确的是,虚拟电厂确实有很多积极意义,但并不意味着完全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协调分布式发电资源和各种形式的可利用发电容量或存量电力,实现更智能的用电配置,并不能从根本上解决短缺。

比如刚才四川,重庆的严重缺电,就是因为严重干旱,水电系统发电量骤降40%到50%,水电占当地发电结构的80%以上叠加高温导致的居民用电量大幅上升,造成了巨大的电力短缺

这是虚拟电厂无法解决的回顾当时的情况,即使当地有成熟的虚拟电厂系统,也只能进行有限的优化,进一步减少未被重视的不必要消耗,以更高效的方式保证居民用电但是,巨大的缺口他们也无能为力,更别说保证工业生产了

毕竟虚拟电厂,即使有再大的本事,也不能白白发电,变电来塞缺口。

在当前欧洲的能源危机和美国加州,德州的电力危机中也是如此虚拟电厂既不能填补天然气的短缺,也不能从根本上解决供需矛盾他们所做的只是整合,协调和管理,并不具备从根本上解决问题的能力

归根结底,一个可靠的能源系统,无论具体的发电结构如何,无论是依赖传统化石能源还是各种可再生能源,都必须能够满足需求。

其次,虚拟电厂的建设远不止开发一个新的数字控制系统,还依赖于与其功能相匹配的设备。

比如在虚拟电厂的描述中,新能源汽车的动力电池往往被视为分布式的临时储能工具但在目前的实践中,并不是所有的充电桩都具备从车载电池获取电能的功能,自然无法向电网输送电能这种现象也广泛存在于各种被纳入虚拟电厂概念,但尚不具备智能化管理条件的电力设备中

目前的电网要想适应虚拟电厂的调控模式,就需要大范围的技术设施升级考虑到电网的巨大体积和复杂性,相应的基础设施将是一项相当繁琐和长期的系统工程

虚拟电厂作为一种理想的管理系统,对于新时代的电力系统是必要的,但这并不意味着它可以超越现有的电网或完全取代现有的能源供应模式我们不需要也不应该对虚拟电网抱有不切实际的幻想,更应该警惕炒作的氛围

特殊风险

虚拟电厂与传统电力设施结合后,设备的大规模互联,高度智能化的运行模式,以及传统电力设施本身的特点,带来了一个过去并不突出的风险:网络安全漏洞。

对于能源行业的数字化转型来说,获取数字化技术和全新的控制系统起着至关重要的作用,但将过去网络有限的关键设备融合成更复杂的大系统,会使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,整个系统由大量互联的设备组成,这就导致了任何一台并网设备上都可能发生网络攻击,而末端的设备又不太可能具有与核心设备类似的安全性,这就使得它们特别容易受到网络攻击,大大增加了防范的难度。

微电网是一个类似的例子高度复杂的地方电网使系统运行高度依赖计算机网络进行控制和管理,但也增加了网络攻击的风险和被攻破后可能造成的潜在损失

另一方面,日益突出的暴露风险也与能源行业本身的特点有关。

能源产业作为现代工业社会的基础,对任何社会成分来说无疑都是重要的,而这在产业的具体发展过程中表现出对新技术的保守态度。

能源行业并不排斥新技术,但对可靠性和安全性要求较高,这就必然导致对新技术监管严格,采用率相应较低这在硬件中表现为相对较慢的更新和相对较长的验证周期,在软件层面,意味着控制系统更长的投资周期和使用寿命,尤其是与那些系统升级非常频繁的行业相比

具体来说,在能源行业运行良好的时候,往往只更换接近其使用寿命的设备,对数字化系统的升级需求并不是很强烈即使在目前,以风能,太阳能,电力为代表的可再生能源带来了全方位的冲击,整个行业的发展仍在以几年的周期推进,纵向上明显加速,但横向上与其他行业相比仍需审慎

可是,这种发展速度并不适应数字时代的发展模式。

能源行业行事冷静的传统风格,在应对各种各样,隐秘的网络攻击时,很可能慢得危险,无法有效应对危机。

最近几年来,我们看到了这样的例子。

相对更早的2015年,乌克兰电力公司遭遇网络入侵,导致乌克兰一半以上地区大规模停电,2019年至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,巴西电力公司遭到勒索软件攻击,被黑客勒索1400万美元等。

最近几天,2021年5月7日,美国最大的燃油管道运营商科洛尼尔管道运输公司遭到黑客攻击,被迫关闭整个管道系统这导致美国许多地区出现燃料短缺和恐慌性购买,燃料价格飙升,甚至迫使联邦政府宣布全国进入紧急状态恐慌一直持续到13日交通系统再次上线2022年初,包括阿姆斯特丹和安特卫普在内的欧洲多个航站楼也遭受了大范围的网络攻击石油装卸和转运严重受阻,向内陆城市运输石油的驳船延误

在国内,某省电网安全监测数据显示,2020年该省电网遭受网络攻击超过42万次,其中高危攻击占65.4%,境外攻击占18.27%,主要来自美国,印度等国家高危攻击和专业化攻击有大幅增加的迹象,能源系统安全压力加大

如果类似的成功网络攻击出现在虚拟电厂系统中,结合其特点,可能会导致整个电网大范围瘫痪,损失也会伴随着覆盖范围的增大而迅速扩大。

如何解决智能能源系统进程中日益增加的潜在风险,将是未来高度智能能源网络必须回答的问题。

另一方面,能源行业不太可能自己完成数字化基础设施的建设,必然会引入外部合作伙伴,如网络提供商,云服务提供商等,但这些提供商往往对安全性和可靠性要求不高。

例如,最近几年来,亚马逊的云服务不止一次出现大规模宕机,甚至系统完全崩溃,所有服务暂时不可用能源行业是不可能接受这样的风险的,其造成的损害和损失远不止交易系统关闭或者物流混乱这么简单

要化解这样的风险,能源行业可能还需要建立新的协作框架,向供应商购买安全级别更高的数字服务,更好地适应互联网时代的安全措施升级周期,但这无疑代表着更多的成本和更低的利润率。

如何平衡安全性和经济性,如何与其他行业建立更有效的合作机制,也将是数字时代能源行业面临的难题。

超越技术

作为一个相对前瞻性的概念,虚拟电厂在发展过程中面临的不仅仅是技术问题。

作为一个处于探索初期的行业,虚拟电厂在国内电力市场的定位和发展路线比较模糊,缺乏顶层设计一些关键问题,如谁建设,谁运营,谁监管,谁参与,如何设计制度,定价机制,技术标准和补贴等,仍然不明确,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不一,各试点示范项目差异也不小,可能导致部分资源的浪费,也不利于未来统一接入大电网。

虚拟电厂的具体商业模式还需要进一步探索虽然运营模式不同,但虚拟电厂的本质仍然是电力交易,只是中国目前的电力市场还没有完全开放电力行业不完全市场化的好处是电价可以保持在较低水平,但这大大削弱了虚拟电厂的盈利能力,商业化运营变得非常困难

同时,过低的电价也挫伤了供电单位的参与积极性目前国内虚拟电厂主要是邀请,由政府部门主导,积极参与者有限无法吸引足够多的社会参与者,意味着虚拟电厂将难以保证基本的供电能力

如何探索出一套符合中国电力市场特点的商业模式,也是虚拟电厂必须面对的课题。

只能说,作为一个新生事物,虚拟电厂还有很长的路要走。

参考资料:

德邦证券:德邦证券电力系列报告:虚拟电厂,电改东风已至,浩瀚蓝海将成. 2022.08.17。

陈明:突然!黑客攻击欧洲港口石油设施,油轮无法靠岸!油价飙升至7年新高,万亿新能源赛道卷土重来

(责编:白鸽)

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