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日本虚拟电厂的发展现状与市场展望

作者:周杰 来源:能源研究俱乐部 发布时间:2020-08-23 浏览:
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日本虚拟电厂的发展现状与市场展望

周  杰

(国际清洁能源论坛(澳门)秘书长、武汉新能源研究院研究员)

2019年日本可再生能源发电占比达到了18.5%(含水),预计可提前完成2030年占比达到22%~24%的目标。可再生能源大规模增长和高比例接入对现有电网可靠性以及电能质量带来了严峻的挑战。而虚拟电厂(Virtual Power Plant,简称VPP)不仅可以低成本实现电网供需平衡,助力解决高比例可再生能源消纳问题,还可通过需求响应(Demand Response,简称DR)发挥移峰填谷的作用,同时还兼具防灾减灾的多重效益。因此,随着数字化电力技术进步和分布式能源发展,日本以VPP为生态的新技术、新业态和新模式迅速崛起,VPP商业化发展将在2021年之后迎来一个高光时期。

一、日本VPP的概念与范畴

虚拟电厂广泛利用大数据、云计算、人工智能、区块链、移动互联、物联网、边缘计算等信息与智能技术,通过优化运行控制与市场交易,实现电源侧多能互补与负荷侧灵活互动,为电网提供电能、调峰、调频、备用等服务,是能源电力领域迅速实现数字化转型的典型应用。但由于各国电力结构不同和推广目的不同,VPP的概念与范畴并无统一规定,原因是各国VPP定义、侧重点和电力市场环境有所不同。欧洲大多数国家分布式能源较为普及,重点要解决可再生能源消纳和电网平衡问题,因此从发展分布式能源思路更加强调VPP在辅助市场的功能;而美国电力需求旺盛,需要建设大量配套电站作为备用电源,为解决备用电源的经济性问题,从电源需求侧管理出发更加强调DR在容量市场的作用;而日本由于能源短缺,从节能角度出发更加重视两者融合发展,故要兼顾容量市场与辅助市场。

图1  日本利用VPP/DR构建的ERAB商业模式

VPP与DR既有联系,又有区别。实际上VPP是利用物联网技术聚合分布式电源及其需求侧零散电源,通过需求响应方式调节电力供给和电网平稳的一项技术。因此,DR是VPP发展的基础。如图1所示,VPP的重点在于增加供给,会产生逆向潮流现象;DR则重点强调削减负荷,不会发生逆向潮流现象,是否会造成电力系统产生逆向潮流是VPP和DR两者最主要区别之一。日本将狭义上的VPP范畴定义为需求侧分散电源(Demand Side Resource,简称DSR)和分布式电源(Distributed Energy Resources,简称DER),DSR包括需求侧的发电、储能和用电设备,DER则包括可直接并网的可再生能源发电设备和储能装置,两者统称为“虚拟发电电厂”,而广义上的VPP范畴还包括被称之为“虚拟节电电厂”的激励协议型DR。

“需求响应”主要分为价格诱导型和激励协议型两种类型。以分时电价、尖峰电价等为主的传统价格诱导型DR并不在VPP范畴之列。尽管其操作简单,用户比较容易操控,但节能只能任凭用户的自觉行为,随意性很强、实际效果并不佳,日本各种数据表明尖峰时间的用电负荷并不会通过价格调节减少,而且还往往很难做到快速响应。而激励协议型的新型DR完全实现了自动调控,在电力供应紧张时,自动向用户发出削减负荷的DR信号,居民或企业等用户自动接收DR信号,通过自己的能量管理系统控制调整用电,并对DR结果自动进行报告。新型DR能够实现迅速、高效和精准的电力实时动态调控,能有效解决电力供给侧可再生能源发电带来的巨大不确定性,因而被列入广义VPP的范畴。

日本将广义VPP的概念和范畴定义为ERAB(Energy Resource Aggregation Business)商业模式。ERAB商业模式主要有三大类交易产品:为售电企业提供“正瓦特”,为售电企业提供“负瓦特”,为系统运营商提供“正瓦特或负瓦特”。VPP具有提供电力供给、备用服务和平衡服务三大基本功能,并分别在批发市场、容量市场和辅助市场实现其价值。

VPP的分布式电源主要包括如下几类:(1)发电设备,包括屋顶光伏、燃料电池、自备电厂、热电联产系统、可再生能源发电设备等;(2)储能设备,包括家用蓄电池、车载蓄电池、固定式蓄电池、冷藏冷冻仓库、热泵、蓄热空调、电子热水器等;(3)节电设备,包括空调和照明设备等。日本推广VPP/DR的重点集中在居民住宅、办公大楼、工厂、商业设施、学校、医院等公用事业部门以及电动汽车等七大领域,“光伏+储能”为主要形式。据经济产业省推算,到2030年日本VPP可利用的分布式电源装机容量将达到3770万千瓦,相当于37座百万千瓦级大型火电厂。因此,日本VPP/DR商业化规模潜力巨大。

二、VPP技术与市场发展现状

(一)“负荷集成商”成为VPP市场的主体

面对分布式能源体系的普及和扩张的新形势,电力产业结构和商业模式正在不断变革。VPP市场兴起就是这种变革的体现,因而电力市场诞生了“负荷集成”新业态。日本VPP负荷集成商一般分为两类,一是负荷集成调度商(Aggregation Coordinator,简称AC),与系统运营商、售电企业和可再生能源发电企业直接进行交易,提供需求侧负荷的集成调度服务;二是负荷集成代理商(Resource Aggregator,简称RA)与居民住宅和工厂等需求侧用户直接签订VPP服务协议,负责聚合用户的各类负荷,两者兼而有之也屡见不鲜。

负荷集成商通过聚合调控分散式电源获取市场利益,为售电企业提供电力供给和电网平衡服务;为系统运营商提供系统平衡、备用以及保障电力质量服务;为可再生能源发电提供富余电力消纳服务;为需求侧用户提供能源管理服务。

(二)数字通信技术与响应速度是支撑VPP商业化发展的技术要因

日本从2011年至2014年在横滨、丰田、京阪奈学研(京阪奈学研位于横跨京都、大阪、奈良3府县的文化和学术研究基地)、北九州建立了四个智慧能源城市示范工程,当时DR技术并未得到特别重视,只在单点上测试了DR技术的可靠性和经济性,但测试发现了一个意外结果:响应时间最快可达到10分钟左右,500个测试用户响应量竟达到11万千瓦,相当于一座较小规模电站的容量。于是,日本开始高度重视DR技术开发和推广应用。

2015年6月,日本政府出台了“日本再兴战略(2015)”,首次明确提出推广VPP政策。2016年4月,《能源革新战略》又进一步提出了推动VPP技术开发的示范项目计划(2016-2020),该计划的政府补助金额从2016年度的26.5亿日元提高到2020年度的70亿日元,并计划到2020年实现VPP商业化目标。因此,今年是日本VPP技术开发示范项目的收官之年,近五年来,日本VPP技术研发取得了长足的进步和成效。

1.验证了50兆瓦以上虚拟电厂技术的可靠性。制定了OpenADR 2.0b(负荷集成商与用户)、ECHONET Lite(用户与机器)等通信技术规范和相关接口标准。目前通信协议常用的有广为普及的互联网HTTPS协议,也有应用于物联网的MQTT协议以及应用于工业领域的Modbus协议,正在推进新的节能型LPWA无线通信协议。

2.加快DR响应时间的技术开发。示范项目计划设定了各类需求响应时间目标,快速响应须在5分钟内完成,平衡需求响应须在15~30分钟内完成,备用需求响应须在1~3个小时内完成。目前日本已经完成了DR的小时级和分钟级需求侧响应的可靠性试验,正在进行秒级需求侧响应的测试。

3.开发电动汽车车载蓄电池群的调控技术。V2G是利用车载电池充放电满足电力系统需求的一项技术,是VPP最具市场前景的技术之一。2019年度东京电力公司聚合了59台EV/PHEV,成功地实现了电动汽车蓄电池群如何通过充放电与电网融通的技术应用。目前正在开发基于电力批发市场价格联动的动态定价充电系统,以实现电动汽车的有序充电和削峰填谷效应。

4.聚合大规模储能装置,积极开发电转气技术(P2G),以扩大光伏、风电消纳。2019年度关西电力公司聚合了1万台蓄电池,成功地实现了秒级充放电的远程精准控制,首次检验了大规模蓄电池群参与可再生能源调频的有效性。

5.开发家用燃料电池热电联产系统等分布式电源的聚合优化调控技术。2020年度大阪燃气公司聚合1500台搭载IoT系统的家用燃料电池热电联产系统参与VPP技术开发实验,而东京燃气公司则整合“光伏+燃气+蓄电池”,验证如何精准远程调控分散电源,以及VPP系统的安全可靠性和逆向潮流的计量方法等项目。

(三)经济性是影响VPP/DR规模化发展的首要原因

随着电力市场自由化改革的深入,从2017年度开始起,系统运营商采购调节电源实行公开竞标制度,调节竞价市场是VPP参与竞标的主要平台。如图2所示,日本调节电源分为三类:电源Ⅰ为系统运营商用于实时平衡的调节电源,电源侧同时收取装机容量费和度电费。其中电源Ⅰ-a的响应时间限定5分钟内,须具备调频功能;电源Ⅰ-b响应时间为15分钟内,非调频电源;电源Ⅰ'为冬夏两季峰荷备用电源(削峰型DR);电源Ⅱ为售电企业可在线调度的调节电源,电源侧仅计量收费;电源Ⅲ为系统运营商不可在线调度的调节电源。

图2  削峰型DR参与调节电源竞标的坐标位置

2017年度系统运营商调节电源首次实行公开竞价招标,电源Ⅰ'中标容量合计为132万千瓦,其中DR资源中标容量为95.8万千瓦,远高于发电厂中标容量36.1万千瓦,DR资源平均中标价格为3609日元/千瓦,远低于发电厂的5210日元/千瓦,DR协议总价为35.93亿日元。如图3所示,2018年度电源Ⅰ交易总额为1297.93亿日元,其中Ⅰ-a占85%,Ⅰ-b占11%,Ⅰ'仅占4%。受响应速度影响,DR资源目前还参与不了Ⅰ-a市场的竞争,Ⅰ-a中标价格为10971日元/千瓦,而Ⅰ'中标价格不足一半,仅为4085日元/千瓦。电源Ⅰ'中标容量的DR资源为96.1万千瓦,约占全部的70%左右,协议总价约36亿日元。从最新完成的2020年度竞标情况来看,尽管DR参与电源Ⅰ'中标容量为128.9万千瓦,DR平均中标价格升到5916日元/千瓦,协议总价也翻番达到66亿日元,但DR所占份额则大幅下降。总体来说,DR资源平均占电源Ⅰ'中标容量的一半以上,DR平均中标价格约低于发电厂的30%左右。

图3  2018年度系统运营商调节电源招标结果

VPP/DR交易价格决定市场的活跃程度。从过去近十年的电力批发市场来看,全国平均电价均为20日元/千瓦•时以下,即使福岛核事故发生后的计划停电时期,市场交易价格也没有超过40日元/千瓦•时。据2015年日本经济产业省“发电成本核算工作组”计算,燃油发电的成本在不同燃料发电成本的核算中为最高,也仅达到了40日元/千瓦•时。因此,VPP聚合的电力价格必须控制在40日元/千瓦•时以下,否则就没有任何竞争力。但根据响应次数和实际持续时间转换为度电单价时发现其价格仍高于电力批发市场均价。从交易价格来看,VPP当前还没有太多的经济性优势,如果没有大规模高频次交易很难生存。但是,VPP经济性不能只与批发市场或火电调峰价格去攀比高低,当前更重要的还是更多地吸引用户参与到电力交易中来,才能发展和壮大这一市场。

(四)建立和完善市场机制是VPP/DR可持续发展的关键

日本一年内仅1%时间启用的备用电站建设和运维费用竟占整个电力系统运维费的10%。因此,2014年6月的“第4次能源基本计划”提出:为推动用户侧有效开展节电,要积极创造条件引进新型“需求响应”模式,通过用户侧需求管理,维持发电容量的合理规模,实现电力稳定供给。“日本再兴战略(2016)”提出到2030年负瓦特交易量要实现与美国相同水平,达到最大电力需求6%的目标。日本最大电力需求峰值约为160吉瓦,按6%计算则为10吉瓦,相当于10座百万千瓦级火电机组。DR响应电量在电力批发市场(JEPX)上市交易,开创了日本电力市场的先河,故2017年被称为日本的“DR元年”。2017年4月,日本负瓦特市场正式启动。

近几年的负瓦特市场实践表明,减少负荷与增加度电具有相同效用和价值。于是,日本电力市场改革开始重新评估市场各方的利益和价值。保障电力供给所必需的容量价值和调节供需平衡以及维持电能质量的实时平衡价值应当显性化,即从电能本身的能量价值中独立出来。为此,2020年日本启动了容量市场,这一市场将成为DR的主战场,对DR资源的基本要求是:参与交易的最小单位1000千瓦,响应时间3个小时,持续时间3个小时,每年发起12次。

2021年日本还将开启供需调节市场,系统运营商的调节电源公开竞价将平移到这一市场,目前正在完善一次、二次和三次调节服务产品的基本要件。需求调节市场设计的服务产品根据响应速度和持续时间长短各有其用,新市场的创设为VPP/DR资源直接参与交易提供了可能。一次调节要求为响应时间10秒以内,持续时间5分钟以上,适合发电设备、蓄电池参与;二次调节要求为响应时间5分钟之内,持续时间15分钟以上,适合发电设备、DR、蓄电池参与;三次调节要求响应时间15~45分钟,持续时间3小时以上,适合发电设备、DR和个人用户剩余电力参与。

市场机制的完善使VPP/DR在不同市场环境下形成调度和竞价,从而在批发市场、容量市场、供需调节市场更具有广泛的适用性和多重效益性。因此,在市场刚启动之初,如何用好对于响应速度要求不高、交易量比较大的VPP资源对于培育市场具有重大意义。VPP/DR将从响应速度要求不高的三次调节开始参与,今后逐步扩展到响应速度要求高的一次、二次调节服务后才能彰显其经济性。

三、VPP未来市场展望

目前全球DR市场规模只占电力消费的1%左右,据IEA预测,到2040年将达到电力消费的18%。2019年度日本国内的ERAB市场规模约44亿日元,随着容量市场和供需调节市场的开设,ERAB市场将进入大发展轨道,2021、2025、2030年的VPP/DR收入总额预计将分别达到75亿、365亿和730亿日元。

加快发展VPP商业化,首先必须进一步扩大电源聚合优化调控规模,从目前的数十万千瓦扩展到数百万千瓦的水平;其次要加强VPP相关技术开发的资金投入,降低蓄电池和电动汽车的成本,扩大可调资源规模;再次要提高VPP交易平台的快捷性、安全性和可靠性,获得用户的高度认可与信赖才能吸引更多用户参与;最后要完善需求调节等各类市场的基础设施,改革现有的单向潮流的计价制度,以优化VPP/DR准入交易的市场环境。随着数字化发展和电力技术创新,根据VPP本身特性,市场还将产生多种多样的VPP商业模式。日本未来可以预期的重点市场领域有:

第一,为FIT期满的光伏用户提供聚合增值服务。2019年11月首批户用光伏补贴到期,出现了200~300万千瓦非FIT的光伏资源,之后每年还会有百万千瓦的增量,预计到2023年达到670万千瓦。对于进入零补贴时代的光伏用户来说,为实现光伏收益最大化,一般居民用户会加购成本不断下降的家用固定型蓄电池或发挥车载蓄电池的作用,“光伏+蓄电池”的VPP模式仍为主要形式。今后随着商用光伏以及风电项目补贴到期,此类商业模式将进一步扩大。

第二,蓄电池成为VPP/DR最重要的分布式电源。蓄电池的普及与利用直接关系到ERAB市场能否扩大,特别是搭载蓄电池的电动汽车,利用V2X(V2H、V2B、V2G)技术可以扩大VPP/DR的应用场景。到2030年电动汽车普及目标要占新车的20%~30%,因此电动汽车蓄电池的容量将会远远超过家用固定式蓄电池的容量。此外自备发电机、大型卡车、建设机械、农业机械、船舶等动力燃料基本使用柴油,若将这些设备和交通工具实现蓄电池替代,VPP市场潜力将更加巨大。

第三,激活备用电源资源。日本目前全国拥有的防灾备用发电机6193台,装机容量约1吉瓦。热电联产设备约有1.7万台,其中民用1.29万台,工业用4673台,装机容量约10.6吉瓦。公共设施和大楼还设有大量的防灾专用蓄电池,将这些平日闲置的资源投入市场交易,将大大扩大VPP市场规模,特别是100千瓦以上的天然气热电联产系统拥有8吉瓦的装机容量,未来有可能成为VPP市场的主力军。

第四,用户侧之间实现P2P直接交易新模式。为加强VPP交易的公平性、安全性和准确性,以P2P直接交易为特点的VPP平台主要基于区块链技术开发,VPP平台可自动调控逆向潮流,采用区块链技术可实现分布式电源出力的精确核查、点对点电力交易的撮合等革命性应用,让电力生产者、售电部门和消费者可以实现“直连”,未来个人用户的光伏发电无须经过电力公司就可直接交易上网,此举将大幅降低电力交易成本,提升交易效率。

第五,提供VPP平台的增值服务。如同智能手机一样,利用VPP平台可提供安保、医疗、保健等能源领域之外的多种服务,为客户创造新价值。分布式能源具有多源、多点及与需求侧密切互动的特点,是一个开放式的能源系统,特别适合构建具有能源互联网经济特征的商业生态,因此,分布式能源互联网市场必将产生更多的新商业模式。

原文首发于《电力决策与舆情参考》2020年7月31日第29、30期

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