超越聚合：虚拟电厂（VPP）的工程化挑战

近年来，以间歇性风电和太阳能为代表的发电形式不断取代传统同步发电，正在重塑电网的底层运行特性。

对于现代能源系统而言，核心挑战在于如何以具成本效益的方式接纳更多可再生能源，并通过使分布式能源资源（DER）具备可靠的可调度性来维持系统稳定。同时，越来越多的用电客户，尤其是大型工商业用户，也在积极探索通过多种策略优化能源使用，例如部署分布式发电装置（如屋顶光伏、电池储能系统等）以及智能能源管理系统。

虚拟电厂（VPP）能够在解决这一难题中发挥关键作用。通过对数十甚至数百个分布式能源资源进行数字化聚合与协同，VPP可作为一个统一资源，灵活向电网提供容量，在需求高峰或系统惯量较低（即电网稳定性降低、需要支撑以防止扰动扩散）时缓解供需不平衡。

VPP还为资产所有者和产消者带来价值，将其表后分布式能源资源转化为主动且灵活的价值来源。这使工商业企业在不牺牲可靠性或控制权的前提下，既可降低能源成本，又可通过参与电网服务或电力市场获取额外收益。

在美国，已有超过70个VPP在25个州运行，总装机规模约为30–60吉瓦。根据美国能源部（DoE）的数据，到2030年将VPP容量提升至80–160吉瓦，有望覆盖10–20%的峰值需求，并每年节约约100亿美元的电网成本¹。

在欧盟、中国等地区，VPP同样得到广泛应用。印度也正成为重要市场，该国在应对分布式能源快速增长、配电公司提升可靠性的压力，以及推进印度能源体系（India Energy Stack）等数字化基础设施建设方面具备显著需求。

在全球许多电网中，当前已具备足够的分布式能源基础，可构建具备商业可行性的VPP。真正的难点并不在于简单聚合，而在于如何在真实电网约束和市场条件下，实现资产协同与优化，使虚拟电厂能够以可预测、可靠的方式运行。最终，VPP必须具备与传统发电同等的调度可信度。

日立能源正是基于这一需求开发了VirtuPlan，随着该解决方案的推出，进一步强化了其在规划、运行与交易软件领域的整体解决方案组合。

VPP如何运行

VPP并非传统意义上的发电厂。它不依赖单一物理地点、燃料类型或集中式发电源，而是作为一个数字与运营层，通过连接分布式能源资源集合，实现对资源可用性的预测、使用优化以及输出或用能调节，从而在本地能源市场中获取收益。

VPP可包含多种表后发电及/或储能资产，例如电池储能系统、屋顶或工商业光伏发电、风电场或备用发电机。同时，还包括可通过控制实现灵活削减负荷的用能侧资源。

分布式能源资源通过通信接口、边缘设备和能源管理软件实现连接。VPP平台持续采集资产状态、运行约束、能源可用性、本地条件、价格信号以及电网需求等数据，并通过优化算法决定各资产的运行方式，同时确保不违反其技术约束。

例如，一个VPP可以由分布在多个工商业或居民场景中的屋顶光伏、电池、热泵、冷却设备及电动汽车充电设施组成。

在需求高峰或系统惯量较低出现扰动时，电网调度方会发出资源响应请求。VPP通过对各类分布式资产进行微调实现响应，例如释放电池电量、调整温度设定、优化制冷周期或降低非关键负荷。虽然对单个用户影响较小，但整体聚合响应能够释放电网容量，减少额外发电机启用需求，并有助于维持系统平衡。

VPP还可参与提供多种辅助服务，包括旋转备用或不同时间尺度（从秒级到日前）的频率调节服务。

VPP的机会与挑战

在许多区域，VPP的价值已得到充分验证。其可以使表后分布式能源以优化方式参与系统运行，实现成本节约，同时支撑电力供需平衡。这有助于延缓或减少对传统发电、输配电基础设施的投资，并提高现有可再生能源资产利用率，从而降低电网碳排放。

一项最新研究显示，通过VPP获取峰值容量的净成本比其他替代方案（如大型电池储能或燃气调峰电站²）低约40%–60%。同时，VPP还为分布式能源资产所有者提供新的变现路径。然而，使VPP具备这些优势的特性，也带来了相应的技术挑战。

与集中式电厂不同，VPP依赖多种类型的分布式资源，其运行约束、响应时间、通信协议及可用性特征各不相同。仅通过将这些资产接入同一平台实现功率调节或负荷削减，仅是解决方案的一部分。其核心价值在于优化，即在考虑技术约束与市场条件的前提下，确定每个资产在何时、以何种方式运行。

开发具备上述能力的VPP，需要涵盖电力系统、资产行为、控制逻辑、网络安全、电网规范以及运营风险等多领域专业能力。这在提供关键电网服务（如调频）时尤为重要。数字化平台必须具备内在智能，既能判断对资产所有者或聚合商而言具有经济价值的操作，又能确保在技术上可行。

总体来看，一个有效的VPP必须满足三个关键条件：

1. 物理资产行为：调度方式必须符合资产技术约束。
2. 市场与结算要求：需具备可靠基线、结算完整性及多类型收益协同能力，同时实现收益最大化。
3. 运行合规性：通过系统韧性、运行效率以及可执行的决策建议建立运营信任，确保稳定运行并应对复杂场景。

当前许多商业VPP平台仅针对其中某一方面进行优化，能够同时满足三方面要求的较少。这些维度本质上相互耦合，必须协同实现，才能将灵活性真正转化为系统运行的可靠性。

VirtuPlan：日立能源用于分布式资源聚合与优化的数字化解决方案

为满足不断演进的电网对VPP解决方案的需求，日立能源开发了VirtuPlan。

VirtuPlan是一款灵活且具备网络安全特性的数字化工具，用于在地理分散的资产之间协调和优化分布式能源资源。其灵活性来源于工商业企业所拥有的分布式资产。VPP运营商或电力零售商可对这些资产进行聚合与编排，将其转化为可参与电网及市场运行的可靠容量。

依托日立能源在电力系统与电网接入方面的深厚经验，VirtuPlan可根据不同市场电网的实际运行特征进行适配，并满足资产所有者的个性化需求。

该解决方案的关键优势包括：

• 可预测性：通过智慧能源管理、先进算法和预测能力，VirtuPlan支持资产所有者参与现货交易及调频、拥塞管理等辅助服务，推动需求响应、削峰填谷及多能协同优化。虽然当前多数VPP解决方案具备一定预测能力，但采用充分考虑分布式资源运行约束的数学优化方法的较少。
• 可扩展性：VPP组合通常会随着客户需求变化及市场机会拓展而不断演进，因此平台需具备应对更复杂运行场景的能力。VirtuPlan的模块化架构支持这一增长，使聚合商在不影响现有运行的情况下扩展资源容量并引入新功能。
• 定制化与灵活性：VPP需在异构环境中运行，涉及多技术、多厂商及多通信标准。其资源既包括传统系统，也包含新型数字资产、客户侧设备、电网侧基础设施以及场站特定运行约束。

VirtuPlan的灵活性不仅体现在软件层面，还源于日立能源在电力系统、协议分析及电网接入方面的专业能力，使解决方案能够同时满足资产所有者和运营方需求。根据不同应用场景，VirtuPlan既可作为自动决策工具，也可作为规划与决策支持工具使用。

商业模式：从战略到落地

需要强调的是，VirtuPlan不仅是一个数字聚合平台。它通过覆盖更广泛生命周期的方法进行交付，包括：

• 电网需求与电力市场分析
• 定制化解决方案设计
• 工程实施（部署、测试与投运）
• 运维支持与升级

本质上，VirtuPlan作为VPP的“大脑”，而自动化系统或SCADA系统负责实时控制与执行。两者之间的协同对于将优化决策转化为实际运行结果至关重要。

VirtuPlan的价值体现在多个方面，包括优化能源成本管理、获取新市场收益、提供电网服务，以及实现分布式资产的协调化、灵活化运行与规模化扩展。

系统部署始于结构化评估阶段，包括评估分布式资产组合、审查现有自动化与系统能力、分析相关能源市场并明确关键绩效指标及目标。在此基础上，通过资产建模、策略制定及接口设计对系统架构进行配置与优化，随后完成系统集成、测试与验证。

灵活的交付模式至关重要，因为不同VPP运营商的起点各不相同。构建可扩展且稳健的VPP，需要以咨询为导向并具备模块化能力的商业模式。其目标不仅是实现资源聚合，更是确保这些资源在当前及未来能够以可靠且具经济性的方式独立及协同运行。

VPP实践应用

日立能源在真实电网环境中部署VPP方面具备丰富经验。

例如在中国，日立能源为浙江省能源集团虚拟电厂的智能结算业务提供了数字化解决方案及咨询服务。

浙江是我国电力消费规模较大的地区之一，夏季高温会对本地电力供应带来严峻挑战。该VPP通过“源—网—荷—储”的交互，实现智能化支撑，提供削峰调峰、频率响应及备用发电等辅助服务，从而缓解电网压力。

该平台接入超过200个分布式资源，总容量达175兆瓦，涵盖储能及可调节负荷。依托数字化协调控制技术，实现7×24小时连续运行的实时兆瓦级响应与调度优化，有助于缓解电力供需矛盾。

其平均负荷调节速率超过每分钟20兆瓦，调节精度最高可达99%，频率响应性能优于传统燃煤机组。此外，该VPP还可用于削峰。在7月某高温日，该VPP协调26家企业的灵活用能资源，实现电力供应增加33,000千瓦时。

在另一个项目中，运营方希望利用分布式能源的可调节能力为电网提供辅助服务，提高调节能力。

日立能源实施的VPP连接了来自不同区域的40多个分布式资源，实现资源优化配置并提升新能源消纳水平。该项目为电网现代化投资节省约1200万美元。与同等容量的煤电相比，该VPP每年减少约8万吨二氧化碳排放。

展望未来：容量并非唯一成功因素

随着分布式能源渗透率不断提高，传统发电在电网平衡中的作用逐步减弱，电网运营方需要新的方式获取灵活性、维持可靠性并应对峰值负荷。VPP通过将数十或数百个表后资产转化为统一协同资源，为实现这些目标提供了有效路径。

然而，要充分释放VPP潜力，仅靠资产聚合并不足够，还需要精准预测、优化调度以及对分布式资源与电力系统交互机制的深入理解。

最终，决定VPP成效的，并非其聚合容量规模，而在于其能否实现资源的互操作性、可靠可调度性，以及在多样化电网环境、传统系统与数字基础设施中的无缝集成。同时，借助人工智能开展先进数据分析的能力也愈发关键。

VirtuPlan正是为此而设计。通过融合数字智能、咨询驱动的定制能力以及电网接入专业知识，该平台在分布式资产潜力与实际运营价值之间架起桥梁，助力打造具备可靠性、经济性及面向未来发展的虚拟电厂。