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1 山西电力系统灵活性与虚拟电厂 中德能源与能效合作伙伴 2 版本说明 本报告聚 焦中国 能源大 省山 西省，介 绍了山 西在当 前的 电力系统 发展和 电力市 场机 制背景下 的虚拟 电厂建 设与 运营 管理现状 ，列举 了山西 虚拟 电厂案例 ，并分 析了山 西虚 拟电厂未 来发展 的优势 与挑 战，为山 西虚拟 电厂的 下一 步发展提 出了建议 ，从而 助力煤 炭大 省山西的 绿色、 低碳能 源转 型。报告 在中德 能源与 能效 合作伙伴 项目框 架下发 布。 项目受德 国联邦经 济和气 候保护 部（BMWK ）委托和资助，中 国国 家发展和 改革委 员会、 国家 能源局作 为中方 政府合 作伙 伴提供支 持和指导 。项目 旨在围 绕能 效提升和 发展可 再生能 源， 通过深入 交流可 持续能 源系 统发展相 关的政 策、最 佳实 践和技术 知识，推 动高级 别政府 对话 ，企业与 政府交 流以及 技术 和政策法 规层面 交流， 从而 促进和推 动两国 能源转 型， 助力实现 气候目标 。受德 国联邦 经济 和能源部 委托， 德国国 际合 作机构（GIZ）负责 实施中 德能源与 能效合 作伙伴 项目 。 发行方 中德能源 与能效 合作伙 伴 德国联邦 经济和 气候保 护部（BMWK ）委托 北京市朝 阳区亮 马河南 路 14 号 塔园外交 办公楼 1-15 邮编100600 c/o 德国国际 合作机 构（GIZ） Torsten Fritsche Köthener Str. 2 柏林 10963 项目负责人 尹玉霞、 王昊 德国国际 合作机 构（GIZ） 作者 王鹏，刘 洪涛， 于筱涵 华北电力 大学 国家 能源发 展战略研 究院 版面设计 edelman.ergo 图片 BMWK/Cover shutterstock_192479264 P 8 shutterstock_130778297 P 10 shutterstock_644696806P 13 排版 翁芳萍 德国国际 合作机 构（GIZ） © 2022 年 6 月，北京 本报告全 文受版 权保护 。截 至本研究 报告发 布前， 德国 国际合作 机构和 相关作 者对 出版物中 所涉及 的数据 和信 息进行了 仔细研 究与核 对， 但不对其 中所涉 及内容 及评 论的正确 性和完 整性做 任何 形式的保 证。本 出版物 中涉 及到 的外部网 站发行 方将对 其网 站相关内 容负责 ，德国 国际 合作机构 不对其 内容承 担任 何责任。 本文件 中的观 点陈 述不 代表委托 方的意 见。 3 目录 引言 4 报告发布 背景 中 德能 源合作 电力系 统灵活 性 . 4 第一章 中国电力系统灵活性 . 5 1.1 中国能源与 电力 发展现 状 . 5 1.2 碳达峰、 碳中和 与新型 电力系统 的提出 7 1.3 中国 电力系 统灵 活性分 析 . 7 第二章 山西虚拟电厂实践 9 2.1 山西及其 电力系 统发展 情况 . 9 2.1.1 山西省社会经济 情况 . 9 2.1.2 山西省电力行 业发展 . 11 2.1.3 山西 省电力 市场建 设 14 2.2 山西省虚 拟电 厂建设 15 2.2.1 山西虚拟 电厂建 设与 运营管理 机制 . 15 2.2.2 山西省虚 拟电厂 建设 原则 16 2.2.3 山 西省虚 拟电厂 实践 案例 16 第三章 山西省虚拟电厂发展潜力 17 3.1 山西 发展虚 拟电 厂的有 利条件 . 17 3.2 山 西推广 虚拟电 厂面临 的挑战 . 17 3.3 山西 虚拟电 厂未 来发展 方向 18 参考文献 19 4 引言 为实现习 近平主 席提出 的 2030 年前碳达峰和 2060 年碳中和[1] 的目标，中国正在加快调整能源结构，提 高可再生 能源占 比。2030 年中国风 、光发 电总装 机计 划 达到12 亿千瓦以上 ，形成 由可再生 能源为 主的能 源体 系。 高比例可再生能 源并网，能源消费终端电气化水平提升， 高度电力电子化以及大规模分布式能源就地接入将会使 电力系统平衡、调 节和支撑能力面临巨大挑战，提高电 力系统的灵活性是 实现能源电力清洁低碳发展的重要手 段。 电力系统灵活性 是电力供 需 发生变动时系统 保持供 需平衡的应对能 力，灵活性资源来源于发电侧、电网侧、 用户侧与储能等多 个环节。目前中国电力系统灵活性资 源以电源侧为主， 电网侧、需求侧等灵活性潜力尚未真 正有效发挥[2] ，虚拟电厂是多方位挖掘电力系统灵活 性资源，实现以可 再生能源为主体的新型电力系统的重 要途径。 山西省是中国的 能源与重 化 工基地，也是中 国能源 革命综合改革试点省。山西省在能源绿色低碳转型目标 下不断加快构建以新能源为主体的新型电力系统，扩大 新能源消纳，深化电力市场化改革，提升电力系统灵活 性，推动 虚拟电 厂建设 。 本报告通过介绍 中国能源 与 电力发展和转型 概况， 从发电侧、电网侧和需求侧宏观分析了中国电力系统灵 活性的潜力，报告聚焦山西省虚拟电厂在其社会经济发 展与电力系统和电力市场发展背景下的现状和模式，总 结了山西省发展虚拟电厂在政策环境、体制条件、需求 条件、技术基础和市场基础五方面的优势；分析了山西 省虚拟电厂发展在基础设施、信息技术系统支撑、运行 机制、激励机制和宣传方面所面临的挑战。报告建议山 西虚拟电厂未来的发展要充分借鉴国际经验、加强机制 设计、完善虚拟电厂运行所必备的硬件基础设施和信息 技术支撑 、及加 强虚拟 电厂 运行的安 全保障 建设。 报告发布背景 中德能源合作电力系统灵活性 电力系统 灵活性 一直是 德国 联邦经济 和气候 保护部 （BMWK ）、国 家能源 局指导 的中德能 源工作 组框 架下中德 能源合 作的重 要议 题之一。 过去几 年，GIZ 联 合其他中 德合作 伙伴， 围绕 德国电力 系统灵 活性的 发展经验 和最佳 实践及 其对 中国发展 高比例 可再生 能源 电力系统 的参考 意义， 不断 拓宽和深 化该议 题下的 中德合作 ，开展 交流研 讨、 联合编制 政策研 究报告 。在 中德能源 与能效 合作伙 伴和 中德能源 转型研 究项目 框架下， 陆续发 布了 德国 电力系统 中的灵 活性技 术和 措施、 对电 力系统 灵活 性的激励 德国 电力市 场的作用 、 京津冀 与德 国电力系 统灵活 性定量 与比 较研究 、燃 煤电厂 灵活 性改造工 具箱 和德 国虚拟电 厂的商 业模式 等 报告。 作为中国 重要的 能源基 地和 能源革命 综合改 革试点 省， 山西省电 力系统 灵活性 建设 与虚拟电 厂的发 展 对于其构 建以新 能源为 主体 的新型电 力系统 ，加速 能源 转型具有 重要的 支撑性 作用 。通过对 山西省 电力系 统及虚拟 电厂现 状的梳 理， 报告指出 了山西 省发展 虚拟 电厂的优 势与挑 战，并 对未 来虚拟电 厂在山 西的发 展提出了 建议。 山西省 虚拟 电厂的经 验及发 展思路 对于 中国其他 地区具 有重要 的借 鉴意义。 下一步 ，GIZ 计划在现 有项目 成果的 基础 上，以区 域为重 点，根 据区 域经济发 展与电 力系统 的特 点，从实 践出发 ，进一 步推动中 德两国 在电力 系统 灵活性和 虚拟电 厂领域 的合 作示范， 快速、 稳步的 促进 中国实现 以可再 生能源 为主体的 新型电 力系统 ，助 力中国完 成双碳 目标。 5 第一章 中国电力系统灵活性 1.1 中国能源与电力发展现状 中国的能源革命 推动其能 源 生产和消费结构 在近些 年不断优化，能源 利用效率显著提高，生产生活用能条 件明显改善，能源 安全保障能力持续增强，为服务经济 和社会的 高质量 发展提 供了 重要支撑[5]。 国家能源局数据显示，2021 年，中国原煤产量 40.7 亿吨，原油产量 1.99 亿吨，天 然气产 量 2052.6 亿 立方米， 发电总 装机容 量23.8 亿千瓦，县级 行政区 全部 通上大电网，经济 社会发展和民生用能需求得到有效保 障。 通过不断的新旧 能源改革 发 展，中国逐步形 成了全 球最大的能源供应体系，建成了以煤炭为主体，以电力 为中心，以石油、天然气和可再生能源全面发展的能源 供应格局[6] 。在深化能源供给侧结构性改革、优先发 展非化石能源等一系列政策措施的大力推动下，中国清 洁能源继续快速发展，清洁能源比重进一步提升，同时 中国能源消费增速明显放缓，能源结构持续优化[7] 。 2020 年一次能源消费 总量 49.8 亿吨标准煤，一 次能 源 生产总量42 亿吨标 准煤， 原煤、原 油、天 然气、 非化 石 能源消费 占比分 别为 56.8 、18.9、8.4和 15.9 。 图 1 1980-2020 年全国能源 消费 量 来源中 国统计 摘要 2021 0 10 20 30 40 50 60 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 消费量（亿吨标准煤） 煤炭 石油 天然气 非化石6 图 2 2000 年及 2020 年 能源消 费占 比 来源国 家统计 局 在电力方面，中 国水电、 火 电、核电、风电 、太阳 能等各类 发电类 型的装 机容 量逐年提 升。2021 年中国全 口径发电 设备容 量 23.8 亿 千瓦，其 中火电 占 56.6煤电 占 46.7 。由于需要为大规模并网的风电、太阳能发电 进行调节，近年来 火电的年度运行小时数不断降低，从 设计的 5000-5500 小时，下降到了 2020 年的平 均 4216 小时，火电正逐步向灵活性支撑电源的角色变化，电力 向更清洁 低碳发 展的结 构调 整。 图 3 2012-2020 年火电发电 量占 比 来源 中国电 力行业 年度 发展报告 2021 2000 煤炭 石油 天然气 非化石 78.7 78.6 75.8 73.7 71.8 71.1 70.4 68.9 71.2 62.0 64.0 66.0 68.0 70.0 72.0 74.0 76.0 78.0 80.0 2012年 2013年 2014年 2015年 2016年 2017年 2018年 2019年 2020年 2020 煤炭 石油 天然气 非化石7 当前中国 能源产 业快速 发展 ，但“富 煤、贫 油、 少气”的 资源禀 赋特点 使中 国长期以 来形成 了以化 石 能源为主 的能源 消费结 构， 由此带来 了生态 环境破 坏 和能源资 源瓶颈 等问题[8]。在国际 气候协 议及国 内 环保压力 下，既 保障能 源供 给安全， 又满足 能源结 构 变革与产 业结构 转型的 要求 ，促进能 源、经 济、社 会、环境 协调发 展，推 动中 国经济高 质量发 展，是 中 国能源领 域面临 的重大 挑战 。自新冠 肺炎疫 情后全 球 政治经济 格局深 度调整 ，推 动绿色复 苏将加 快全球 绿 色能源发 展步伐 。“十 四五 ”开始中 国致力 于构建 国 内国际双 循环相 互促进 的新 发展格局 、推动 实现碳 达 峰碳中和 目标， 使得能 源绿 色转型变 得尤为 迫切 [9] 。 1.2 碳达峰、碳中和与新型电力系统的提出 2020 年 9 月 22 日，中国主席习近平 在第七 十五届 联合国大会上郑 重宣布，中国将提高国家自主贡献力度， 采取更加 有力的 政策和 措施 ，二氧化 碳排放 力争于 2030 年前达到 峰值， 努力争 取2060 年前实现碳中 和。为 实现 碳达峰、 碳中和 目标，2021 年 3 月 15 日 ，在中 央财 经 委员会第九次会议上，习近平总书记再次对能源电力发 展作出重要部署，强调“构建以新能源为主体的新型电 力系统”，既指明了能源电力行业服务“双碳”目标的 核心任务，也指明了能源电力创新突破的努力方向[10] 。 1.3 中国电力系统灵活性分析 构建以新能源为 主体的新 型 电力系统，支撑 高比例 新能源并网、提高 大电网运行安全性和可靠性，电力系 统灵活调节能力至 关重要。电力系统灵活性直接关系着 电力系统平衡安 全全局，并决定了新能源消纳利用水平。 灵活性资源广泛存 在于电力系统源、网、荷各个环节， 目前在中国，灵活 性以电源侧为主体，需求侧和电网 侧 灵活性潜 力尚未 真正有 效发 挥。 在电源侧灵活性 方面，抽 水 蓄能、燃气发电 是主要 的灵活性调节资源 。中国电源侧灵活性资源先天不足， 电源侧灵 活性装 机占比 较低 ，2020 年仅为6左右[24] ， 显著低于西班牙（34 ）、德国（18 ）、美国（49 ） 等新能源发展较早 的国家。且在风电、太阳能发电装机 分别占全 国72和61的“ 三北”地 区此情 况更为 严重 ， 灵活调节 电源不足 3。同 时，常规 火电灵 活性改 造推 进 滞后[2] 。电力发展“十三五”规划[13] 要求“十 三五”期 间“三 北”地 区热 电机组灵 活性改 造约1.33 亿 千瓦、纯 凝机组 改造约 8200 万千瓦。然而 截至 2020 年 底，“三 北”地 区火电 机组 灵活性改 造只完 成8241 万千 瓦，仅 达到改造目标 的 38。除此之外，核电也还不具 备广泛频 繁参与 系统调 峰的 跟踪调节 能力。 需求侧方面灵活 性资源潜 在 类型丰富，如大 工业、 工业 负荷，交通负荷，公共市政、商业建筑、居民负荷 等。但目前由于基础设施不完善、电价机制尚未健全、 激励机制不成熟，难以充分引导需求侧灵活性资源的释 放，导致国内需求侧响应实施规模还偏小，调节方式相 对单一，主要通过电力负荷的时序转移和有序用电实现 “削峰”，应对迎峰度夏、迎峰度冬等特定时段电力不 足的挑战。但目前需求侧灵活性“填谷”能力不足，对 提升新能 源的消 纳能力 作用 有限[15]。 电网侧方面灵活 性资源主 要 是跨区特高压直 流通道 运行曲线的灵活性，目前种类少，技术要求高，应用范 围有限。特高压直流通道运行曲线只能在一定程度上参 与受端区域调峰，调节频次和幅度基本固定，且基本不 考虑送端 调峰需 求[2]。 储能技术路线多元 ，但应用 规模有限，装机容 量小， 同时技术不成熟，技术经济性不高，在当前缺乏完善的 应用电价体系和补偿机制的电力市场条件下，投资成本 难以收回[2]。 实现碳达峰、碳 中和，推 进 新型电力系统的 建设， 需要 大力发展非化石能源，实施可再生能源替代行动， 促进新能源占比逐渐提高。“十四五”现代能源体系8 规 划[11]已明确指 出要加快推动能源绿色低碳转型， 全面推进风电和太 阳能发电大规模开发和高质量发展。 预计到2060 年，中国以风 光为主的 新能源 装机占 比会 超 过 80 。同时 ，能源消费电气化率也会大幅提升。2020 年，中国电能占终端能源消费比重为 26.5 ，已基本与 发达国家 处于同 一水平 区间 。预计2060 年，中国电能 占 终端能源消费比重将达到 70 左右[16] 。高比例的可再 生能源并网对电力 系统的调节、支撑、保障能力提出了 更高要求。 “十三 五”期间，中国电力系统灵活性调节 能力不足的现实已 经造成系统难以完全适应新能源的爆 发式增长。电力系 统面临灵活性资源有限导致的新能源 消纳能力不足、系 统可靠性下降、用户用能风险升高、 系统成本 不断攀 升等众 多问 题[12]。 综上所述，接入 高比例可 再 生能源，提升电 力系统 调节能力，需要更多地引入灵活性资源，加快虚拟电厂 建设。虚拟电厂将不同空间的可调节（可中断）负荷、 储能、微电网、电动汽车、分布式电源等一种或多种资 源聚合起来，实现自主协调优化控制，参与电力系统运 行和电力市场交易。虚拟电厂新业态既可作为“正电厂” 向系 统 供电调峰，又可作为“负电厂”加大负荷消纳配 合系统填谷。其经济性效益一方面来自快速响应指令配 合保障系统稳定并获得经济补偿，另一方面可等同于电 厂，参与容量、电量、辅助服务等各类电力市场获得收 益。从中国全国层面来说，虚拟电厂这项工作刚刚启动， 还存在一些问题，包括对其定位与作用认识不足；规 范标准不 统一； 激励和 市场 化机制不 到位。 9 第二章 山西虚拟电厂实践 2.1 山西及其电力系统发展情况 2.1.1 山西省社会经济情况 山西省，中华人 民共和国 省 级行政区，省会 太原， 位于中国华北，地处黄河流域中部。全省总面积 15.67 万平方公 里，2020 年底常 住人口 为 3491.56 万人，城镇 化率 62.53 。设 11 个辖区市，117 个县级行政 单位。 山西是中国第一 产煤、输 煤 和煤炭出口大省 及能源 重化工基地，2020 年煤炭 产量 10.63 亿吨，占全国 的 29.2。 2020 年，山西省全年地区生产总值（GDP ） 17651.93 亿元，按不变 价格 计算，比 上年增 长3.6。其 中，第一 产业增 加值 946.68 亿元，增 长 3.6，占地 区 生产总值 的比 重 5.4；第二产业增 加值 7675.44 亿元， 增长 5.5，占地区生产总 值的比重 43.4；第三产业 增 加值 9029.81 亿元，增长 2.1，占地区生产总 值的比 重 51.2[17] 。第二产业贡献了地区经济增长的主要部分。 图 4 2016-2020 年全省地区 生产 总值 及增 速 2016 2017 2018 2019 2020 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000 地区生产总值 亿元 0 2 4 6 8 比上年增长 来源山 西省国 民经济 和社 会发展统 计公报 10 图 5 1952-2020 山西三大类 产业 产值 变化 来源山 西省国 民经济 和社 会发展统 计公报 2020 年，全 年全省 规模以 上工业企 业实现 营业收 入 20673.3 亿元 ，比上 年 下降 1.7 。分 门类看 ，采 矿 业 7118.2 亿元，下降 6.1 ；制造业 11015.2 亿元 ，增 长 1.2 ；电力 、热力 、燃 气及水生 产和供 应业 2539.8 亿元，下 降 1.2 。规 模以 上工业企 业实现 利润总 额 963.8 亿元， 下降 20.2 。 2020 年，全 年山西 省规模 以上原煤 产量 10.63 亿 吨，增长 8.2 ；焦炭 产量 1.05 亿吨， 增长 5.6 ； 发 电量 3366.9 亿 千瓦时 ，增 长 2.1 ；非常 规天然 气产 量 85.2 亿立 方米。 全年全 省一次能 源生产 折标准 煤 7.5 亿吨，增 长 8.3 ；二次 能 源生产折 标准煤 6.4 亿吨 ， 增长 19.6。 11 表 1 2020 年 全省 规模 以上 工业 增加 值增 长速 度（ ）[25] 指标 比上年增长 规规规规规规 5.7 规规规规规规 8. 0. 规规规 4.2 规规规规规规规规规规规规规规规规 - 1. 0 规规规规规规规规规 5.4 规规规规规规规 - 7. 6 规规规规规 6.5 规规规规规规规规规规规 5.1 规规规规规规规 8.4 规规规规 6.6 规规规规 - 2. 3 规规规规规规规 6.4 规规规规 8.3 规规规规规规 - 11. 3 规规规规 4.5 规规规规 - 0. 7 规规规规 - 1. 7 规规规规规 5.7 2.1.2 山西省电力行业发展 （1 ）发电侧 基于山西省充足 的煤炭资 源 特点与全国能源 转型背 景，山西 省电力 生产结构长期以燃煤发电为主。近年来， 随着 国 家双碳目标的提出及能源清洁低碳发展的大趋势， 山西发电结构持续优化，火电占比不断下降，新能源占 比加速提 升。 截止十 三五 末的 2020 年底，山西 全省 发电装 机容 量 1.038 亿千瓦，较十 二五 末的 2015 年增长 49.05；12 其中，火 电占比 66.2，较 2015 年下降了 19.1；新能 源（风电、光伏）为省内第二大电源，占比 31.6 ，较 2015 年提升了 20.39。全 省发电量 3395.4 亿千瓦时， 其中新能源发电量 424.3 亿千瓦时，占全省发电量的 12.5 ，较 2015 年提升 8.11 ，新能源消纳率达到 97.03 。随着山西省可再生能源发电量的增加，电力系 统凸显灵活性电 源占比严重不足，调峰形势严峻的问题。 为了促进和保障 可再生能 源 发电上网，发挥 煤电的 支撑性作 用，山 西省能 源局2020 年印发了关于加 快推 进煤电机组灵活性改造的通知，要求各发电集团加快 煤电灵活性改造。但是，由于山西省煤电的总规模和调 峰性能限制，山西煤电灵活性资源总量提升潜力有限， 难以与新能源的快速增长相匹配，因而只在发电侧做工 作的调节方式将很难以为继新能源为主的新型电力系统 所需的安 全、灵 活调控 能力 。 图 6 山西 省电 力装机 结构 变化 来源山 西省国 民经济 和社 会发展统 计公报 图 7 山西 省新 能源装 机占 比变 化 来源山 西省国 民经济 和社 会发展统 计公报 6329 6366 6628 6687 6878 771 872 1043 1251 1974 297 590 864 1088 1309 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 2016 2017 2018 2019 2020 火电 风电 光伏 10.4 11.1 12.2 13.9 19.4 4.0 7.5 10.1 12.1 12.9 0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 2016 2017 2018 2019 2020 风电 光伏13 （2 ）负荷侧 2020 年全年 山西省 全社会 发电量 3395.4 亿 千瓦 时，同比 增长 4.4 。向 省 外输送电 力 1053.6 亿千 瓦 时，增长 6.3。山 西省全 社会用电 总量 2341.7 亿千 瓦时，排 名全国 第 13 位。 其中，第 一产业 用电 18.5 亿 千瓦时， 占全社 会用电 量的 比重 0.8 ；第二 产业用 电 1804.3 亿千 瓦时 ，占全 社 会用电量 的比重 77.1 ，其 中工业用 电 1780.6 亿千瓦 时，占全 社会用 电量比 重为 76.04 ， 在全社 会用电 量 中仍占主 导地位 ，高载 能用 户约占大 工业用 户 50 以 上。第三 产业用 电 288.4 亿 千瓦时， 占全社 会用电 量的 12.3 ；城 乡居民 生活用 电 230.4 亿千瓦 时，占 全社会 用电量的 9.8 。 空间上看 ，山西 省电源 主要 集中在北 部，但 山西的 工业中心 位于中 南部地 区， 因此山西 省中南 部负荷 较 重，与电 源结构 呈逆向 分布 ，电源与 负荷严 重不匹 配。 同时，近 年来随 着分布 式光 伏大量接 入，电 源与负 荷在 时间维度 的错配 也逐渐 加剧 。随着分 布式能 源的广 泛接 入，统调 用电负 荷早高 峰下 降较为明 显，中 午负荷 低谷 甚至比后 半夜负 荷更低 ，负 荷高峰主 要在 1700 2100，夏季 最大负 荷一般 在 2000 左右 ，冬 季最大 负 荷一般在 1800 左 右。空 间、时间 的错配 导致山 西省 电 源调峰与 新能源 消纳的 矛盾 不断加深 。2020 年 1-2 月 份，受新 冠疫情 及春节 影响 ，全省用 电负荷 长期低 位徘 徊，为了 兼顾民 生供热 与新 能源消纳 ，在省 内供热 机组 连续 30 天 按保 供热最 小方 式运行的 情况下 ，仍出 现了 6.6 亿 千瓦时 的弃 风弃光 电 量，远远 高于全 国平均 水 平。 （3 ）电网侧 山西为外 送型电 网，以 500 千 伏“三 纵四横 ”为 骨干网架 ，220 千伏分 区环 网运行。 作为国 家“西 电东 送”北通 道之一 ，依托 晋北 、晋中、 晋东 3 个 千万千 瓦 级外送基 地，已 建成投 运包 括晋东南 （长治 ）南阳 荆门、蒙 西晋北天 津南 、榆横 晋中 潍坊 1000kV 特高 压交流 ，晋北 （雁门关 ）江 苏（淮 安） ±800kV 直流 “三交 一直 ”在内的 4 个特高 压外送 通 道和 5 个 500 千伏 外送通 道，最高 外送能 力 3830 万 千瓦，超 过发电 总装机 的三 分之一，2020 年最 大外送 电力 1050 万千瓦 。 从发电、 负荷和 电网侧 的角 度看山西 电力系 统的变 化可以看 出，近 些年山 西省 电力结构 不断优 化，新 能源 比例迅速 增长， 正处在 向以 新能源为 主体的 新型电 力系 统转型建 设的关 键时期 ，且 作为西电 东送的 重要通 道， 山西对全 国电力 系统起 到了 重要的支 援作用 。随着 高比 例新能源 的接入 ，山西 省电 力系统的 平衡、 调节和 支撑 能力面临 更高要 求。且 目前 电源结构 与负荷 结构时 空错 配严重， 发电侧 现有调 节能 力及潜力 不足以 支撑新 型电 力系统的 安全稳 定运行 。只 有快探索 挖掘灵 活性资 源调 节潜力， 建设虚 拟电厂 ，适 应新能源 特性的 电力系 统运 行新模式 ，才能 满足山 西新 型电力系 统发展 需求， 进而 对全国新 型电力 系统建 设起 到带动、 支撑作 用。 14 2.1.3 山西省电力市场建设 完善市场 机制， 发挥市 场配 置资源的 决定性 作用， 是中国建 设以可 再生能 源为 主的新型 电力系 统的机 制基 础。自 2015 年 中共中 央发 布文件〔2015〕9 号 关于 进一步深 化电力 体制改 革的 若干意见 以来 ，中国 推进 电力市场 化改革 ，取得 显著 成效，但 要进一 步适应 新能 源为主体 的新型 电力系 统还 存在诸多 挑战。 从全国电 力市场 层面看 ，面 临的共性 问题是 伴随新 能源大规 模发展 ，常规 煤电 电源定位 将由原 来的主 力电 源逐步向 调节电 源转变 ，角 色定位改 变导致 常规煤 电电 源单纯依 靠发电 量获取 收益 的运营模 式难以 为继。 为适 应能源结 构的调 整，需 要以 市场方式 充分发 现调节 资源 的价值， 引导煤 电电源 作为 市场主体 主动参 与系统 调 节。这就 要让其 通过市 场机 制获得合 理的收 益，实 现新 能源与常 规煤电 电源的 协同 运营。 同时，中 国目前 分布式 能源 正在蓬勃 发展。2020 年全国光 伏发电 新增装 机 4820 万千 瓦，其 中分布 式光 伏 1552 万 千瓦， 占 32 。 以中小用 户为代 表的产 销者 大量涌现 ，带来 大量分 散化 、小规模 的电力 交易需 求。 但将该部 分交易 直接纳 入集 中批发市 场，将 大大提 升市 场出清优 化技术 难度， 同时 大批量小 额电量 交易带 来的 价值难以 匹配所 需的交 易成 本[18]。随着分布式可 再生 能源的快 速发展 ，以负 荷聚 合商等方 式聚合 分布式 发 电、储能 、可调 节负荷 等资 源的新型 商业模 式亟待 开 发。这种 模式以 聚合商 为单 一市场主 体参与 电力市 场， 并在聚合 资源内 部根据 资源 特性、用 户需求 等实现 灵活 分配，为 中小用 户参与 电力 市场交易 提供有 效的支 撑。 山西作为 中国第 一批 8 个 电 力现货市 场建设 试点省 份（广东 、蒙西 、浙江 、山 西、山东 、福建 、四川 、甘 肃）之一 ，已初 步构建 起“ 中长期交 易 现货 交易 电力 辅助服务 ”的电 力市场 交易 体系。中 长期交 易包括 年 度、季度 、月度 、月内 的多 日交易； 现货交 易包括 日前 交易和小 时级别 的实时 交易 。中长期 交易与 现货交 易都 存在省内 的直接 交易和 跨省 跨区交易 ，发电 企业间 允许 合同转让 交易。 山西电 力市 场遵循交 易规则 的设计 初 衷，即以 中长期 交易规 避风 险、锁定 收益， 以现货 交易 发现价格 、调节 供给， 通过 市场化方 式保障 电力平 衡。 目前山西 电力市 场已初 步具 备通过现 货市场 价格信 号引 导各类主 体参与 市场调 节的 条件。且 从 2019 年 9 月 1 号山西现 货市场 正式试 运行 后 ，实现中 长期交 易与现 货 市场的衔 接机制 ，及现 货市 场与深度 调峰辅 助服务 的融 合，为山 西推进 电力系 统灵 活性和虚 拟电厂 以适应 高比 例可再生 能源发 电奠定 了基 础。 2021 年，山 西的交 易平台 在册市场 主体 11051 家。其中 ，发电 企业 448 家，售电 公司 529 家 ，电力 用户 10074 家，分 别新增 33 家、168 家、2561 家。 在册市场 主体参 与交易 10263 家，占 比 92.87 。共 组织省间 交易 41 次， 成交 电量 477.16 亿千 瓦时。 全 省外送电 量累计 完成 1234.65 亿千瓦 时，同 比增加 181.03 亿千 瓦时 ，增长率 17.18 ，其中， 华北方 向增 长电量占 年度增 长电量 87.74 ， 是全省 外送电 量的主 要增长点 。直接 交易累 计成 交电量 1382.02 亿千 瓦时 ， 达到年度 交易规 模（1200 亿千瓦时 ）的 115.17 ％。183 家售电公 司参与 交易， 交易 电量 1306.49 亿 千瓦时 。 24 家 电力用 户参与 交易， 交易电量 68.22 亿千瓦 时 ， 累计成交 合同转 让交易 228.08 亿千 瓦时。 以现货市 场为核 心的山 西电 力市场体 系充分 发挥了 现货市场 发现价 格的作 用， 建立了相 对稳定 的中长 期分 时交易机 制和有 效竞争 的现 货交易机 制，初 步实现 了对 电力辅助 服务交 易的融 合， 有效的发 挥了市 场配置 资源 作用，培 养了各 类主体 参与 市场互动 的积极 性，为 虚拟 电厂等新 技术、 新模式 的落 地实施奠 定了良 好的市 场机 制基础。 15 2.2 山西省虚拟电厂建设 虚拟电厂 可以定 义为将 不同 空间的可 调负荷 、储 能、微电 网、电 动汽车 、分 布式电源 等一种 或多种 可控 资源聚合 起来， 实现自 主协 调优化控 制，参 与电力 系统 运行和电 力市场 交易的 智慧 能源系统[3] [4] 。 虚拟电厂 市场主 体地位 自山 西在 2021 年 提出第九 版山西省 电力市 场交易 规则 （V9.0 ） 开始明 确，既 售电 公司聚合 其绑定 的具备 负荷 调节能力 的市场 化电力 用 户，可通 过负荷 侧虚拟 电厂 方式作为 整体对 外提供 用电 调峰资源 和服务 。2021 年 02 月 19 日 ，山西 能源监 管 办印发了 山西 独立储 能和 用户可控 负荷参 与电力 调峰 市场交易 实施细 则（试 行） ，进一 步明确 了包括 独立 储能、独 立用户 、用户 侧储 能、售电 公司、 辅助服 务聚 合商、独 立辅助 服务供 应商 等多种市 场主体 参与调 峰交 易的具体 细则。 2021 年 8 月 31 日， 国家 能源局发 布并 网主体 并网运行 管理规 定（征 求意 见稿）[20] 与 电力 系统 辅助服务 管理办 法（征 求意 见稿）[20] ， 在全国 范围 内明确提 出积极 推进新 型储 能、用户 可调节 负荷、 聚合 商、虚拟 电厂等 资源参 与电 力辅助服 务，为 全国范 围加 快虚拟电 厂建设 提供了 明确 的政策信 号。 2.2.1 山西虚拟电厂建设与运营管理机制 山西省虚 拟电厂 当前建 设的 内容包括 以电网 为依 托，利用 互联网 、物联 网、 大数据计 算、工 业自动 化控 制等技术 ，构建 技术支 持系 统；聚合 、优化 、协调 、控 制所属资 源运行 出力， 整体 作为一个 调度对 象参与 电网 调度运行 控制； 作为一 个市 场主体参 与电力 市场交 易， 执行交易 结果并 开展市 场结 算；以实 现电网 灵活性 资源 的聚合和 协调优 化调度 。山 西省能源 局 2022 年 6 月发 布的虚 拟电厂 建设与 运营 管理实施 方案 对电源 侧、 负荷侧和 储能侧 三类虚 拟电 厂聚合资 源提出 了明确 要 求，电 源侧资 源应为 在山 西电网并 网运行 的光伏 、风 电、生物 质发电 等，负 荷侧 资源应为 省级智 慧能源 综合 服务平台 可调节 负荷资 源库 中的电力 用户， 储能侧 资源 应为省内 电源侧 、电网 侧、 用户侧各 类储能 设施。 根据山西 省的实 际情况 以及 下一步的 发展方 向，山 西省设计 了“负 荷类” 和源 网荷储一 体化” 两种虚 拟电 厂模式。 “负荷类 “模式 指售电 公司 聚合其绑 定的具 备负荷 调节能力 的市场 化电力 用户 ，作为一 个整体 （呈现 为负 荷状态） 对外提 供负荷 侧灵 活响应调 节服务 。“负 荷 类”虚拟 电厂运 营商应 是具 有山西电 力市场 交易资 格的 售电公司 或电力 用户。 市场 建设初期 ，“负 荷类” 虚拟 电厂参与 中长期 、现货 及辅 助服务市 场，后 期视电 力市 场发展情 况适时 进行调 整。 “源网荷 储一体 化”模 式， 指列入“ 源网荷 储一体 化”试点 项目， 建成后 新能 源、用户 及配套 储能项 目通 过虚拟电 厂一体 化聚合 ，作 为独立市 场主体 参与电 力市 场，原则 上不占 用系统 调峰 能力，具 备自主 调峰、 调节 能力，并 可以为 公共电 网提 供调节服 务。“ 一体化 ”虚 拟电厂运 营商应 是“一 体化 ”项目主 体或者 授权代理 商，并具 有山西 电力市 场售 电资格， 参与现 货及辅 助服 务市场， 后期视 电力市 场发 展情况适 时进行 调整。 山西省能 源局对 虚拟电 厂包 括资源聚 合能力 、调节 能力和数 据接入 、通信 接口 、安全防 护、感 知能力 和计 量采集等 在内的 技术条 件做 出了明确 要求。 1. 聚合资源 能力上 ，要求 初期 调节容量 不低于 20MW ，且不 低于最 大用电 负荷的 10 ，响 应时 长上要求 具备持 续参与 响应 不小于 2 小 时的能 力。 2. 响应能力 上，要 求调节 速率 不低于（ 调节容 量 *3 ）/ 分 钟，且 不低于 0.6 兆瓦/ 分钟 ，精度 上要 求“负荷 类”虚 拟电厂 每 15 分 钟偏差 率不超 过± 15 ，“ 一体化 ”虚拟 电厂 不超过±10 。 3. “负荷类 ”虚拟 电厂需 按交 易时段分 别测试 确定调 节容量等 技术指 标，适 用不 同的中长 期交易 成交量 约束、金 融套利 约束， 申报 现货市场 运行上 、下限 以及量价 曲线， 保证虚 拟电 厂出清功 率曲线 的可执 行性。以 “报量 报价” 方式 参与现货 市场。 每日各 交易时段 分别申 报用电 负荷 上下限以 及递减 的 3-10 段用电电 力- 价 格曲线 ，按 照“负发 电”模 式参与 现货市场 出清， 形成现 货运 行日用电 计划曲 线。 4. “一体化” 虚拟电 厂参照 火 电机组报 价模式 报价， 需申报运 行日用 电负荷 与发 电负荷的 最大值 ，以用 电负荷最 大值的 负值作 为运 行下限， 以发电 负荷的 最大值作 为运行 上限， 申报 3-10 段 发电递 增量价 曲线，作 为全天 24 小时参 与现货市 场的出 清依 据。市场 初期， 申报用 电负 荷最大值 应小于 等于 “一体化 ”项目 用户 侧 负荷的 50
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