2023年中国虚拟电厂行业研究报告--艾瑞咨询.pdf-solarbe文库

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部门投资研究部 ©2023 iResearch Inc. 中国虚拟电厂行业研究报告 2023年署名赵坤、邱斯瑶 2©2023.8 iResearch Inc. www.iresearch.com.cn 虚拟电厂 VPP研究范畴界定虚拟电厂既是电力交易市场的重要组成，也是能源互联网的有机节点分别从 VPP的两个核心驱动要素来看，其中商业规模化主要对应了“电力交易市场”的逐渐迭代，技术应用驱动，主要是对应了 “能源互联网”的大技术系统研究范式。当然，考虑本报告的阅读主体主要是企业经营者、投资机构、第三方研究机构等更加侧重于市场商业化、企业案例分析等方向，所以本文的研究范围主要聚焦在 VPP在电力交易市场背景下的商业范式研究。来源国家电网、国家电力调度控制中心、艾瑞咨询研究院自主研究及绘制。虚拟电厂不同行业落位分类电力交易市场能源互联网电力现货交易市场虚拟电厂研究范围电力中长期交易市场电力辅助服务市场虚拟电厂分布式发电可控负荷分布储能安全保障智慧能源虚拟电厂数字量测 AMI 广域测量 WAMS 智能监控 / 辅助决策绿色发展快速仿真 / 模拟交易窄口径技术泛口径短期相关长期相关 3 目录 CONTENTS 01 中国虚拟电厂行业发展背景 02 全球虚拟电厂行业发展现状 03 中国虚拟电厂行业发展现状 Development background Global Industrial perspective China Industrial perspective 04 国内外典型企业案例 Case study 4 中国虚拟电厂行业发展背景 Development background 01 5©2023.8 iResearch Inc. www.iresearch.com.cn 1.1中国电力能源供给端风光发电装机量递增，对应峰谷调拨及合理消纳需求旺盛从每年新增发电装机量来看，风光电装机量虽然存在一定的投资周期性，但是长期来看，仍是比较核心的成长型电力资产。结合其在全天候场景下存在明显的“波动性”、“低出力”特征。从长期的投资收益角度考虑，需要结合“补贴叠加充分交易”来实现经济效益和绿色效益的双提升。来源国家能源局，中电联，艾瑞咨询研究院自主研究及绘制。 2015-2022年中国新增发电装机量结构分布中国电源出力全天候分布特征 10 26 40 35 25 25 31 45 51 42 34 34 42 30 28 23 24 17 15 17 24 38 27 19 10 10 10 7 4 7 13 125 6 2 7 4 1 2 1 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 光电火电风电水电核电 0 30 60 90 120 0时 2时 4时 6时 8时 10时 12时 14时 16时 18时 20时 22时火电核电风电光电 6©2023.8 iResearch Inc. www.iresearch.com.cn 1.1中国电力能源供给端风光发电规模扩大，未来有效消纳成为绿色经济持续发展的首要目标从能源发电结构来看，中国能源发电量占比中，风光发电的占比出现明显的扩大趋势。当然聚焦 2022年，可以看到，发电量相对占比出现了一定程度的下滑。考虑到发电装机量（前置投资因素），有效并网量（后置消纳因素）。当下节点，需要有效的解决风光电长期、合理消纳的问题。才能在相对理想的条件下，实现在 2025年达到 16.5发电占比的目标。当然，从整个电力网络的有效运营角度来看，有效解决其“峰谷调拨”及“合理消纳”问题，将成为能源市场持续繁荣的重中之重。来源国家能源局，全球能源互联网发展合作组织，艾瑞咨询研究院自主研究及绘制。 2015-2022年中国能源发电量结构 2025-2060年中国能源发电量结构预测 74 69 68 67 70 19 18 18 16 14 4 9 10 12 11 3 5 5 5 5 2015 2019 2020 2021 2022 火电水电风、光电及其他核电 17 65 70 84 35 30 2025e 2050e 2060e 风、光电其他 7©2023.8 iResearch Inc. www.iresearch.com.cn 1.1中国电力能源供给端分布式发电摊薄集中投资收益，平抑长期供需缺口及短期波动性从政策推动性角度来看，分布式风光电自 2021年起，开始进入强政策推动期。国家能源局及其他相关部委，分别按照不同行政层级（省、县、市、区），以及不同执行主体（公共机构、政府机构、企业单位等）推动分布式光伏、分散式风电的加快发展。比如在 2022年 5月发布的关于促进新时代新能源高质量发展的实施方案，明确提出到 2025 年，公共机构新建建筑屋顶光伏覆盖率力争达到 50。当然，国内分散式风电，相较分布式光电，仍存在较为明显的技术商业化差距。来源国家能源局， CWEA，艾瑞咨询研究院自主研究及绘制。 2017-2022年中国分布式光电装机量 2017-2021年中国分散式风电装机量 5258 4400 3000 3452 6748 8600 13000 17400 20400 23852 30600 39200 2017 2018 2019 2020 2021 2022 新增装机量（万千瓦）累计装机量（万千瓦） 12 14 30 100 803 50 64 94 194 996 2017 2018 2019 2020 2021 新增装机量（万千瓦）累计装机量（万千瓦） 8©2023.8 iResearch Inc. www.iresearch.com.cn 1.2中国电力能源需求端第三产业居民电力消费比重逐年升高，弹性系数分布区间长期上移从整体电力消费结构来看，第三产业居民用电的消费比重逐年升高，一方面对应了整体中国经济结构发展中，泛口径下的高端制造业和软件服务业、物流服务业等，肩负了更强的新经济动能。同时另一方面，基于全产业数字化的背景下，用电终端（包括居民用户）的用电依赖性也在逐渐增强。结合长周期下的，在未来国内经济增速维持温和增长的前提下，考虑到第三产业居民用电的分布式储能渗透率逐渐提升，电力消费弹性系数，大概率会进入低波动、高运行的新区间。来源国家能源局，中电联，艾瑞咨询研究院自主研究及绘制。 2010-2021年中国电力消费弹性系数2010-2022年中国电力消费分布结构 75 75 74 74 74 72 71 70 69 68 68 68 66 11 11 11 12 12 13 13 14 16 16 16 17 17 12 12 13 13 13 13 14 14 14 14 15 14 15 2 2 2 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 第二产业第三产业居民用电第一产业 1.43 1.3 0.73 0.98 0.56 0.14 0.74 0.95 1.25 0.73 1.41 1.28 1.4 1.1 0.95 1.2 9©2023.8 iResearch Inc. www.iresearch.com.cn 25 32 39 49 57 74 6 9 15 21 28 37 6 11 16 22 28 34 2020 2021 2022 2023e 2024e 2025e 数据中心（亿千瓦时）新能源汽车（亿千瓦时） 5G通信（亿千瓦时） 1.2中国电力能源需求端新兴行业电力依赖性与日俱增，负荷特征呈现复杂化趋势作为国内新经济增长的典型电力负荷需求方，数据算力、 5G通信、新能源汽车等，其电力需求在量级增速方面，呈现出明显的快速增长。当然从负荷特征来看，数据中心因为其产业发展的应用场景已经开始从“中心化网络”向“边缘计算”过渡，所以有可能呈现出“大者更大，小者更密”的分布特征，对应电力负荷特征也会出现两极分化。新能源汽车，特别是 BEV车型的高渗透率，也对应会增加电力负荷的随机性。从整体来看，更加系统化、动态化的电力系统，会成为未来电力供需网络的核心形态。来源信达证券研究中心，艾瑞咨询研究院自主研究及绘制。 2020-2025年中国新兴产业电力消费结构 CAGR24.2 CAGR44.5 CAGR43.4 2020-2025年中国新兴产业电力负荷结构 4063 4508 4835 5264 5740 6047 1612 2296 2089 2469 2789 31672185 2797 3416 4317 5009 6435 1825 2183 2439 2724 3043 3399 411 434 498 558 606 649 210 334 548 762 1018 131614 15 16 17 18 20 2020 2021 2022 2023e 2024e 2025e 新能源汽车充电（亿千瓦时）电炉钢（亿千瓦时）计算机、通信和其他电子设备制造业（亿千瓦时）数据中心（亿千瓦时）光伏制造（全产业）（亿千瓦时）通讯基站（亿千瓦时） 10©2023.8 iResearch Inc. www.iresearch.com.cn 341 104 76 681 160 117 随车配建充电桩公共交流充电桩公共直流充电桩 2022万台） 2023e（万台） 1.3中国电力能源服务端分布式储能技术的规模化应用，将成为电力供需结构矛盾的核心节点结合前面讨论的新能源发电的并网量级矛盾、结果矛盾来看，新型储能技术的规模化，一方面能够在时间层面解决“并网错峰”的现实问题；同时也能主动促进电力负荷端的“源荷一体化”改善。从产业供需两端，改善电力能源的市场化应用的问题。同样以新能源汽车相关配套的充电桩为例，伴随着其作为电力负荷端的基础设施密度的快速增长，“光储冲放一体”模式，结合 BEV的先天储能属性，亦能从负荷端，实现分布式源荷载体的经济及社会效益优化。来源 CNESA，中国充电联盟，艾瑞咨询研究院自主研究及绘制。 2022年 -2023年中国充电桩保有量2022年 Q1-Q3中国新型储能装机规模（新增投运）工业 12 电网侧 30 电源侧 55 独立储能 37 变电站 18 储能光伏 18 储能常规机组 8 储能风电 2 储能风电光电 2 用户侧 15 产业园 2 其他 2 99.6 54.5 53.9 11©2023.8 iResearch Inc. www.iresearch.com.cn 1.3中国能源管理端负荷聚合从被动向主动过渡，高基数能源需求的精益效益显现从能源需求端的负荷特征来看，本身相较供给端就具备更强的“分散性”、“随机性”。同时，随着需求端电动汽车、储能设备的快速应用扩张，未来负荷的主动优化的需求，也推动从过往相对中心化的被动聚合，向主动聚合过渡。同时，未来亦存在分布能高渗透率场景下的“源荷一体”趋势，该场景下的，自发电 /并网收益双运行模式，更加依赖主动聚合方式下的有效精益控制，实现公共效益和个体效益的双平衡。来源负荷聚合技术及其应用，艾瑞咨询研究院自主研究及绘制。主动负荷聚合方式及相关控制路径聚合方法负荷特征应用场景空调、冰箱、热水器等温控负荷调压基于参数辨识大量随机负荷功率平衡、有功备用等基于蒙特卡洛模拟物理模型阶数较低的负荷平抑可再生能源波动、调压、需求响应用户最低舒适度分析等基于福克普朗克状态随时间明显变化的负荷负荷跟踪等基于马尔科夫链被动负荷聚合方法及相关负荷特征主动负荷聚合控制方式刚性负荷控制全部用户侧可控负荷全部 /负荷关停柔性负荷控制部分用户侧可控负荷（空调、电热水器、冰箱等）改变设备运行参数、运行模式控制路径集中控制负荷控制中心铺设专用电力信息通道，双向协调控制分布式控制分布式智能控制设备用户侧安装智能控制设备，单向反馈控制控制主体核心差异 12 全球虚拟电厂行业发展研究 Development status 02 13©2023.8 iResearch Inc. www.iresearch.com.cn 2.1全球虚拟电厂市场发展历程政策环境对比各国基于本国电力市场现状，在推动切入点存在差异结合各国在自身市场环境下的政策差异，可以看出，宏观层面碳中和目标是较为一致的长期目标。另外考虑到电力市场交易天然具备较强的垄断性禀赋和安全性要求，所以几乎都是“电力市场改革虚拟电厂技术商业化”并行推动。并且从投资视角来看，虚拟电厂明显具备“强政策驱动” “强技术投资前置”的双特征，所以核心市场主体更适配“资产运营收益”的投资模型。来源 GEIDCO，艾瑞咨询研究院整理及绘制。全球主要国家虚拟电厂政策区域和相关环境英国法国德国美国日本澳大利亚 14©2023.8 iResearch Inc. www.iresearch.com.cn 2.1全球虚拟电厂市场发展历程发展路径对比欧洲国家侧重电源端整合，美国市场侧重需求侧管理追溯至欧洲的能源行业上游，能源紧缺性和可再生能源的蓬勃发展互为因果，所以如果长期有效的解决多形态能源的电源侧资源整合是其需要核心解决的主要问题。同时，考虑到各国下游能源需求结构的明显差异性，跨区协作以及长效交易也是其在电源端推动虚拟电厂建设的主要原因。在美国市场，一方面由于大部分州的电力市场上游基本处于寡头垄断状态（部分州是基于行政原因，部分州是基于市场原因），新进入者和技术商业化玩家考虑到市场进入成本、资源整合成本等问题，主要在需求响应侧进行项目建设。来源 GEIDCO，艾瑞咨询研究院整理及绘制。欧洲国家 /美国虚拟电厂市场化发展历程对比 2000 年2000年 2005年启动全球收个虚拟电厂项目 VFCPP 德国、荷兰、西班牙等启动 FENIX 项目，搭建首个适合欧洲电力系统的虚拟电厂项目英国、法国、西班牙等 8国 7家公司启动 EDISON项目，以电动车系统为核心丹麦、德国等国家启动 Web2 Energy项目；采用智能计量、智能能量管理、配电自动化技术聚合多种电力资源德国、波兰为首 2006年 2009年 2010年颁发能源政策法案，大力支持对需求响应的建设美国颁发需求响应年度报告，系统分析需求响应实施背景与现状、需求响应对系统的影响美国颁发美国复苏与再投资法案，划拨 45 亿美元用于整合需求响应设备和实现智能电网技术美国颁发需求响应国家行动计划，将需求响应上升到国家层面美国 2012年 2013年 2016年 2017年 2021年开始大规模商业化应用， Next Pool开始为德国四大输电网运营商提供控制储备服务德国美国纽约州 Con Edison公司开始启动 CEVPP计划，首次探索虚拟电厂项目美国美国佛蒙特州 Green Mountain Power公司搭建虚拟电厂平台，接入 2000 余个家庭用户美国特斯拉与 PE与次年 3月提案获批正式立项。 2017年 -2018年 29©2023.8 iResearch Inc. www.iresearch.com.cn 3.4中国虚拟电厂典型运营项目国网冀北虚拟电厂国内最为成熟的虚拟电厂运行示范项目相较于国内其他运营项目的有效覆盖范围和调控规模，国网冀北虚拟电厂示范项目，不仅围绕着“云 -管 -边 -端”建立起了较为完善的管控架构，在实际的运营中，也完成了从社会效益向经济效益的有效过渡。从其参与华北调峰辅助服务市场的实际效果来看，不仅具备了跨区域协同的管控经验，同时也具备了对电力市场的服务性有效接入的示范经验。来源虚拟电厂参与电网调控与市场运营的发展与实践，艾瑞咨询研究院整理及绘制。冀北虚拟电厂整体运行架构冀北虚拟电厂智能管控平台聚合优化调控运行市场交易微应用开放应用程序接口订阅、通知规则引擎数据采集设备管理安全与鉴权物联网云平台其他系统云侧 4G/5G/ 光纤 4G/5G/ 光纤 4G/5G/ 光纤管侧标准化通信协议边缘智能网关边缘智能网关边侧标准化通信协议端侧分布式电源用户可调节工商业电动汽车蓄热式电锅炉储能单元邯郸邢台衡水石家庄沧州保定廊坊张家口唐山秦皇岛承德可调节资源张家口、秦皇岛、承德廊坊地区的蓄热式电采暖、智慧楼宇、可调节工商业等 11类可调节资源运行能力总容量 358MW 理论最大调节能力 204MW 实际最大调节能力 154MW 最大调节速率 15.7MW/min 运行效益 ⚫ 自 2019年 12月 -2021年 4月，全程参与了华北调峰辅助服务市场出清，在线连续提供调峰服务超过 3200h，累计增发新能源电量 34.12GW∙h，单位电量收益为 183元（ MW ∙ h）。 ⚫ 虚拟电厂运营商 /负荷聚合商收益为 395.95万元 ⚫ 用户侧资源收益 228.25万元。冀北虚拟电厂整体运行近况 30©2023.8 iResearch Inc. www.iresearch.com.cn 3.4中国虚拟电厂典型运营项目上海虚拟电厂以点带面，协同推进，兼顾资源多样性和交易规模性上海地区本身就面临着较为复杂多样的负荷类型，同时在平台化的目标下，还需要考虑不同区域因为经济禀赋不同所对应的聚合特征的差异性。同时，从长期发展路径上来看，双向发电用能的可协调性，以及在电力交易市场接入后的安全性、有效性也是其建设虚拟电厂过程中需要时刻锚定的目标。来源中国储能网，艾瑞咨询研究院整理及绘制。上海虚拟电厂发展路径及未来规划虚拟电厂全国试点地区之一根据上海可聚合资源特点，分别构建了商业楼宇型和能源站型两大类虚拟电厂四个平台两种类型多种交易 1. 增强对聚合资源的自动化控制方向以黄浦区商业楼宇虚拟电厂为试点 2. 增强平台综合控制能力、优化楼宇用能策略以世博 B区作为试点，构建可发可用虚拟电厂 3. 虚拟电厂感知层设备研发、试用、运行控制平台等工作以电力公司自有楼宇作为试点接入电力交易平台统一各级虚拟电厂，参与市场运营如申能储能虚拟电厂以负荷集成商的形式接入上海电力交易平台，统一进行响应申报和负荷管理引入多方参与主体引入前滩新能源、蔚来汽车、远景能源、 5G基站等新主体参与聚合调控未来规划 1、发展目标在聚合分散点能数据和负荷控制的基础上，能够进一步提供系统调控，以及调峰调频和电力市场交易服务 2014年 2021年2019年 2020年 2、资源扩围以园区方式构建虚拟电厂，结合上海自身实际情况，进一步扩大 5G铁塔基站、电动汽车的响应容量 3、生态营造优化市场化交易流程；探索绿色电力交易模式；推动多平台线上运营和融合；引入更多市场资源和商业主体，共建商业网络首次大规模节能减碳 2021年国内最大规模精准调控工业、商业楼宇、微电网、分布能源、储能等 11类不 /负荷