虛擬電廠效益評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建及其范例分析

毛田, 黃寧馨, 程韌俐, 周保榮, 謝平平, 趙文猛, 王滔

(1.直流輸電技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南方電網(wǎng)科學(xué)研究院)，廣州510663；2. 深圳供電局有限公司，廣東 深圳518000)

0 引言

在全球能源體系綠色低碳轉(zhuǎn)型背景下，虛擬電廠的研究和應(yīng)用受到越來(lái)越多的重視[1 - 7]。虛擬電廠通過(guò)分布式能源管理系統(tǒng)(energy management system, EMS)將地理位置分散的可再生能源、可控負(fù)荷和儲(chǔ)能系統(tǒng)聚合和協(xié)調(diào)優(yōu)化，作為一類(lèi)特殊電廠參與電力系統(tǒng)運(yùn)行，起到降低發(fā)電損耗和電網(wǎng)峰值負(fù)荷、提高供電可靠性并促進(jìn)資源優(yōu)化配置的作用[8 - 15]。

目前，國(guó)內(nèi)虛擬電廠正處于理論研究和早期試點(diǎn)的發(fā)展階段。建設(shè)虛擬電廠在安裝智能設(shè)備、開(kāi)發(fā)運(yùn)營(yíng)平臺(tái)等方面需要較大資金投入，全方位評(píng)估虛擬電廠的效益，對(duì)于虛擬電廠實(shí)際工程建設(shè)和投資運(yùn)營(yíng)等具有重要意義。經(jīng)濟(jì)效益方面，建設(shè)虛擬電廠能夠節(jié)約發(fā)電容量投資和輸配電投資，并通過(guò)參與電力市場(chǎng)和電網(wǎng)運(yùn)行獲得收益。社會(huì)效益方面，虛擬電廠能夠提高供電可靠性，引導(dǎo)激勵(lì)用戶(hù)參與需求響應(yīng)，有利于促進(jìn)源網(wǎng)荷協(xié)調(diào)互動(dòng)，提高電力系統(tǒng)運(yùn)行效率。環(huán)境效益方面，虛擬電廠有利于節(jié)能減排和節(jié)約土地資源，能夠?yàn)槠髽I(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)、政府進(jìn)行土地利用規(guī)劃等提供有價(jià)值的參考。

虛擬電廠相關(guān)研究主要集中在2個(gè)方面：1)虛擬電廠的概念、發(fā)展[1 - 2]和國(guó)際經(jīng)驗(yàn)[3 - 6]。2)虛擬電廠的優(yōu)化調(diào)度[7 - 11]和競(jìng)價(jià)策略[12 - 15]。在虛擬電廠效益方面，當(dāng)前研究主要關(guān)注虛擬電廠的經(jīng)濟(jì)效益。文獻(xiàn)[16]評(píng)估了虛擬電廠參與日前需求響應(yīng)計(jì)劃(DR program)的經(jīng)濟(jì)效益；文獻(xiàn)[17]對(duì)虛擬電廠參與平衡市場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了仿真；文獻(xiàn)[18]分析了獎(jiǎng)懲機(jī)制下虛擬電廠優(yōu)化調(diào)度效益?，F(xiàn)有的評(píng)估方法忽略了虛擬電廠的社會(huì)效益和環(huán)境效益，無(wú)法全面體現(xiàn)虛擬電廠的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

本文提出并構(gòu)建了虛擬電廠綜合效益評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并進(jìn)行范例分析。對(duì)虛擬電廠產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益進(jìn)行梳理，構(gòu)建了以投資評(píng)價(jià)、運(yùn)行收益評(píng)價(jià)、節(jié)能減排評(píng)價(jià)、供電可靠性評(píng)價(jià)為一級(jí)指標(biāo)，以節(jié)約容量投資、節(jié)約輸配電投資、節(jié)約土地投資、削峰/填谷收益、節(jié)煤效益、碳減排效益、硫減排效益、可靠性提升效益為二級(jí)指標(biāo)的虛擬電廠評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，根據(jù)該指標(biāo)體系對(duì)某虛擬電廠應(yīng)用試點(diǎn)進(jìn)行綜合效益評(píng)估。本文提出的虛擬電廠評(píng)價(jià)指標(biāo)體系可為虛擬電廠的建設(shè)投資和成本回收提供指導(dǎo)，對(duì)構(gòu)建適應(yīng)虛擬電廠參與的電力市場(chǎng)機(jī)制、促進(jìn)未來(lái)虛擬電廠的商業(yè)化運(yùn)營(yíng)意義重大。

本文第1節(jié)分析了虛擬電廠的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益，第2節(jié)構(gòu)建了虛擬電廠評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及各指標(biāo)計(jì)算方法。在第3節(jié)將本文所提方法應(yīng)用于某虛擬電廠應(yīng)用試點(diǎn)。最后給出了本文結(jié)論。

1 虛擬電廠效益分析

虛擬電廠可充分調(diào)動(dòng)分布式資源的靈活性，挖掘用戶(hù)側(cè)潛在價(jià)值，在經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境方面能產(chǎn)生巨大效益。

1.1 經(jīng)濟(jì)效益

隨著電力負(fù)荷的增長(zhǎng)和可再生能源發(fā)電的快速發(fā)展，電力系統(tǒng)凈負(fù)荷峰谷差不斷拉大，需要新建更多的發(fā)電以滿(mǎn)足尖峰負(fù)荷的供應(yīng)需求。與投資傳統(tǒng)能源發(fā)電相比，虛擬電廠能夠聚合分布式電站和用戶(hù)側(cè)資源參與電網(wǎng)削峰填谷，不需要新建發(fā)電機(jī)組及配套輸變電設(shè)備，節(jié)約了投資成本。此外，虛擬電廠可代表其聚合資源參與電力市場(chǎng)和電網(wǎng)運(yùn)行，獲得相應(yīng)收益。

1.1.1 節(jié)約投資成本

新建傳統(tǒng)能源發(fā)電機(jī)組與虛擬電廠的投資成本組成如表1所示。虛擬電廠的投資成本主要為智能設(shè)備加裝成本和虛擬電廠平臺(tái)建設(shè)成本。傳統(tǒng)能源發(fā)電除發(fā)電設(shè)備投資成本和與電廠選址相關(guān)的土地投資成本外，還需要額外考慮接入系統(tǒng)的線(xiàn)路和變電站設(shè)備的投資。根據(jù)已建成電廠投資情況和容量進(jìn)行折算，虛擬電廠投資成本約為200元/kW，遠(yuǎn)低于氣電的2 500元/kW和煤電的3 200元/kW。

此外，傳統(tǒng)能源發(fā)電受網(wǎng)絡(luò)阻塞和網(wǎng)架結(jié)構(gòu)限制，并不是所有新增裝機(jī)都可以轉(zhuǎn)化為可供負(fù)荷的增量，而虛擬電廠為分布式能源，在實(shí)現(xiàn)相同削峰效果的前提下，虛擬電廠通常具有更低的投資成本。

表1 傳統(tǒng)能源發(fā)電與虛擬電廠的投資成本Tab.1 Investment comparison of traditional energy power generation and virtual power plant

1.1.2 獲取電網(wǎng)運(yùn)行收益

虛擬電廠參與電網(wǎng)運(yùn)行的收益模式主要有以下3種。

1)現(xiàn)貨市場(chǎng)交易

虛擬電廠可參與現(xiàn)貨市場(chǎng)交易，通過(guò)電量生產(chǎn)獲得電能量收益。虛擬電廠管理的所有終端均配有采集控制器，所有分布式電源的出力、用戶(hù)的負(fù)荷等都可以在控制中心進(jìn)線(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。虛擬電廠聚合多種分布式資源，使得不具備市場(chǎng)準(zhǔn)入門(mén)檻的用戶(hù)也能參與現(xiàn)貨市場(chǎng)，并能發(fā)揮多能互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)，當(dāng)某些可再生能源電廠的實(shí)際出力與預(yù)測(cè)存在較大偏差時(shí)，可調(diào)度其他資源平衡該偏差，節(jié)省了偏差考核電費(fèi)。

此外，根據(jù)現(xiàn)貨市場(chǎng)的價(jià)格波動(dòng)，虛擬電廠可以合理優(yōu)化和引導(dǎo)資源的發(fā)用電計(jì)劃。例如在高電價(jià)時(shí)讓水電、生物質(zhì)能或儲(chǔ)能電站多發(fā)電，在低電價(jià)時(shí)讓用戶(hù)多用電或讓儲(chǔ)能多充電，從而達(dá)到節(jié)約電費(fèi)、增加收益的目的。

2)輔助服務(wù)交易

虛擬電廠可參與電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻、備用，保障電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)接收到調(diào)度部門(mén)的指令時(shí)，虛擬電廠控制中心綜合考慮各個(gè)可調(diào)度分布式電站的出力水平、爬坡速度等，將該調(diào)度指令分解為無(wú)數(shù)個(gè)單獨(dú)的指令，自動(dòng)發(fā)送給各個(gè)可調(diào)度分布式電站。各電站根據(jù)虛擬電廠控制中心發(fā)出的指令進(jìn)行響應(yīng)，平抑虛擬電廠中風(fēng)電和光伏發(fā)電產(chǎn)生的波動(dòng)，并支撐電網(wǎng)頻率穩(wěn)定。

除了讓發(fā)電資源提供輔助服務(wù)外，虛擬電廠還可以聚合用戶(hù)側(cè)資源為電網(wǎng)提供輔助服務(wù)，其對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的作用是相同的。用戶(hù)側(cè)儲(chǔ)能(如電動(dòng)汽車(chē)電池)的規(guī)模通常較小，達(dá)不到調(diào)頻市場(chǎng)準(zhǔn)入條件，虛擬電廠通過(guò)聚合優(yōu)化電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能和用戶(hù)側(cè)儲(chǔ)能，精準(zhǔn)響應(yīng)電網(wǎng)調(diào)頻信號(hào)，實(shí)現(xiàn)虛擬電廠調(diào)頻應(yīng)用?？芍袛嘭?fù)荷也可作為電網(wǎng)的快速調(diào)頻資源。

當(dāng)前，我國(guó)虛擬電廠技術(shù)仍處于發(fā)展初期且市場(chǎng)體系不夠完善，虛擬電廠主要通過(guò)聚合用戶(hù)和儲(chǔ)能參與電網(wǎng)削峰填谷獲得需求響應(yīng)補(bǔ)貼收益[19]。對(duì)于用戶(hù)來(lái)說(shuō)，在高峰電價(jià)時(shí)減少用電、低谷電價(jià)時(shí)增加用電，通過(guò)改變自身用電習(xí)慣調(diào)整日負(fù)荷需求曲線(xiàn)，不產(chǎn)生運(yùn)行成本即可減少自身需繳納的電費(fèi)，并獲得需求響應(yīng)補(bǔ)貼收益[20]。對(duì)于儲(chǔ)能電站來(lái)說(shuō)，在低谷電價(jià)時(shí)充電、高峰電價(jià)時(shí)放電，通過(guò)參與電網(wǎng)削峰填谷獲取需求響應(yīng)補(bǔ)貼收益。同時(shí)，在負(fù)荷高峰時(shí)將提前存儲(chǔ)的電能售出，能夠獲得峰谷價(jià)差套利[21]。

虛擬電廠的削峰填谷效果優(yōu)于用戶(hù)側(cè)自發(fā)需求響應(yīng)?，F(xiàn)有的負(fù)荷削峰填谷大多是需求響應(yīng)參與主體針對(duì)電價(jià)進(jìn)行自發(fā)響應(yīng)，這種響應(yīng)通常是無(wú)序的，可能增加負(fù)荷波動(dòng)。虛擬電廠通過(guò)資源動(dòng)態(tài)聚合和集中協(xié)調(diào)優(yōu)化參與削峰填谷，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)削減負(fù)荷高峰、填充低谷負(fù)荷，達(dá)到電網(wǎng)運(yùn)行全局最優(yōu)。

3)容量市場(chǎng)交易

虛擬電廠可作為聚合資源參與容量市場(chǎng)。獲得容量合同的虛擬電廠需要履行合同義務(wù)，保證在交付年向批發(fā)市場(chǎng)提供可用容量，并獲得容量收益。2019年，美國(guó)Sunrun公司在新英格蘭(ISO-NE)第13次遠(yuǎn)期容量拍賣(mài)中與其他發(fā)電機(jī)組競(jìng)爭(zhēng)，贏得了一份容量合同，成為首家由虛擬電廠向電力批發(fā)市場(chǎng)供應(yīng)容量的公司[22]。隨著虛擬電廠技術(shù)的發(fā)展，以及市場(chǎng)機(jī)制更加公開(kāi)透明、無(wú)歧視，虛擬電廠參與容量交易的規(guī)模將進(jìn)一步擴(kuò)大。

1.2 社會(huì)效益

1.2.1 節(jié)約土地資源

虛擬電廠主要通過(guò)改變用戶(hù)用電方式達(dá)到需求響應(yīng)的目的，通過(guò)虛擬電廠的建設(shè)能在不進(jìn)行變電站擴(kuò)容或者新建變電站的情況下滿(mǎn)足現(xiàn)階段部分電力用戶(hù)的負(fù)荷要求，且不占用土地資源，也無(wú)需新建輸電通道。

1.2.2 提高供電可靠性

由于需求側(cè)響應(yīng)通常位于負(fù)荷中心，虛擬電廠響應(yīng)速度一般優(yōu)于發(fā)電側(cè)，且對(duì)系統(tǒng)電壓、頻率均有較好的提升作用。此外，在負(fù)荷高峰時(shí)期，傳統(tǒng)的錯(cuò)峰限電在應(yīng)對(duì)尖峰負(fù)荷壓力的同時(shí)，將影響工業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)進(jìn)度和產(chǎn)品質(zhì)量，給企業(yè)造成一定的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)，錯(cuò)峰限電將對(duì)企業(yè)產(chǎn)能、企業(yè)信譽(yù)以及員工穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，帶來(lái)不良的社會(huì)影響。通過(guò)激勵(lì)虛擬電廠聚合用戶(hù)側(cè)資源提供需求響應(yīng)，優(yōu)先保障可靠性要求較高的用戶(hù)的用電需求，能夠提高供電可靠性，降低工業(yè)企業(yè)停電損失。

1.2.3 培育市場(chǎng)主體，構(gòu)建新業(yè)態(tài)

基于虛擬電廠云平臺(tái)生態(tài)構(gòu)建，可以培育一大批負(fù)荷集成商等市場(chǎng)主體，促進(jìn)虛擬電廠和多能互補(bǔ)業(yè)務(wù)發(fā)展，帶動(dòng)樓宇節(jié)能、智能設(shè)備、平臺(tái)建設(shè)等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。同時(shí)帶動(dòng)新增就業(yè)，拉動(dòng)GDP增長(zhǎng)和帶來(lái)額外納稅等收益。

1.3 環(huán)境效益

通過(guò)虛擬電廠發(fā)揮靈活調(diào)節(jié)作用，調(diào)動(dòng)儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車(chē)、蓄冰/蓄冷空調(diào)負(fù)荷等資源在負(fù)荷低谷時(shí)段消納清潔能源，可有效促進(jìn)清潔能源消納，并降低高峰負(fù)荷需求、減小火電出力?；痣姲l(fā)電量減少一方面節(jié)約了燃煤，另一方面降低了二氧化碳和二氧化硫排放，有利于促進(jìn)電力行業(yè)節(jié)能減排。對(duì)于工商業(yè)用戶(hù)，接入虛擬電廠能夠促進(jìn)其優(yōu)化用能行為，提升用戶(hù)用電的精益化和智能化水平，降低企業(yè)能耗，促進(jìn)減少碳排放。

2 虛擬電廠效益評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

基于第1節(jié)分析的虛擬電廠經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益，本節(jié)提出虛擬電廠效益評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建的基本原則

遵循目的性、完備性、可操作性、獨(dú)立性等基本原則，構(gòu)建虛擬電廠效益評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[23]如圖1所示。

圖1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建的基本原則Fig.1 Basic principles for the construction of evaluation index system

1)目的性原則：所構(gòu)建的虛擬電廠效益評(píng)價(jià)指標(biāo)體系應(yīng)能夠反映評(píng)價(jià)的目的，準(zhǔn)確地刻畫(huà)虛擬電廠運(yùn)行產(chǎn)生的效益。

2)完備性原則：所提指標(biāo)體系應(yīng)涵蓋評(píng)價(jià)目標(biāo)的全部方面，詳細(xì)描繪評(píng)價(jià)對(duì)象的各類(lèi)特征。

3)可操作性原則：體系中的各項(xiàng)指標(biāo)都應(yīng)是可被觀測(cè)和衡量的，這對(duì)獲取評(píng)價(jià)結(jié)果十分關(guān)鍵，也是驗(yàn)證指標(biāo)是否可行的一大依據(jù)。

4)獨(dú)立性原則：各項(xiàng)指標(biāo)之間應(yīng)當(dāng)盡可能地避免重疊和交叉，每項(xiàng)指標(biāo)都能獨(dú)立地反映評(píng)價(jià)對(duì)象的某一特定特征。

5)顯著性原則：若在實(shí)際操作中，難以做到嚴(yán)格符合完備性原則和獨(dú)立性原則，那么所提指標(biāo)體系應(yīng)至少給出能夠反映評(píng)價(jià)對(duì)象主要特征的主要指標(biāo)。

6)動(dòng)態(tài)性原則：當(dāng)評(píng)價(jià)對(duì)象隨外界發(fā)生變化時(shí)，評(píng)價(jià)體系也應(yīng)當(dāng)隨之進(jìn)行調(diào)整。隨著未來(lái)虛擬電廠技術(shù)的成熟和市場(chǎng)機(jī)制的完善，評(píng)價(jià)指標(biāo)也應(yīng)有所更新。

2.2 虛擬電廠效益評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

本文所構(gòu)建的虛擬電廠效益評(píng)價(jià)指標(biāo)體系共分5個(gè)一級(jí)指標(biāo)和15個(gè)二級(jí)指標(biāo)，如圖2所示。

圖2 虛擬電廠效益評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Fig.2 Index system for the benefit of virtual power plant

該指標(biāo)體系將虛擬電廠的各方面效益轉(zhuǎn)換為經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)進(jìn)行量化評(píng)估，各指標(biāo)的定義和計(jì)算如下。

2.2.1 成本評(píng)估指標(biāo)

1)硬件投資成本

虛擬電廠建設(shè)需要對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行一定程度的升級(jí)改造，由此產(chǎn)生一定的硬件投資成本，包括建筑樓宇設(shè)備改造、電動(dòng)汽車(chē)充電站改造、儲(chǔ)能站改造等。

Ih=Ir+Ic+…+Ib

(1)

式中：Ih為硬件投資總成本；Ir、Ic和Ib分別為樓宇設(shè)備、電動(dòng)汽車(chē)充電站及儲(chǔ)能站改造成本。

2)軟件投資成本

虛擬電廠建設(shè)需要開(kāi)發(fā)對(duì)應(yīng)的虛擬電廠平臺(tái)，并由此產(chǎn)生軟件投資成本Is。

3)運(yùn)行成本

虛擬電廠運(yùn)營(yíng)需要進(jìn)行一定的日常運(yùn)維，主要包括平臺(tái)的維護(hù)、智能設(shè)備的維護(hù)等，產(chǎn)生的相關(guān)成本包括了維護(hù)檢修人員的工資、設(shè)備材料更換等費(fèi)用。人力成本和運(yùn)維成本合計(jì)為虛擬電廠運(yùn)行成本IO，與投資成本一樣，同屬于固定成本。

2.2.2 投資效益評(píng)價(jià)指標(biāo)

1)節(jié)約容量投資

為滿(mǎn)足尖峰負(fù)荷供應(yīng)需求，傳統(tǒng)方法依賴(lài)于新建發(fā)電容量，投資成本巨大，虛擬電廠能夠充分激活用戶(hù)側(cè)資源，相比新增傳統(tǒng)電源容量能夠有效節(jié)約容量投資成本。節(jié)約容量投資的經(jīng)濟(jì)效益，其計(jì)算公式為：

Bcap=(CG,f-CVPP)×ΔC

(2)

式中：Bcap為節(jié)約容量投資的經(jīng)濟(jì)效益；CG,f為新增傳統(tǒng)電源發(fā)電設(shè)備的單位投資成本；CVPP為虛擬電廠單位投資成本；ΔC為虛擬電廠總?cè)萘俊?/p>

2)節(jié)約輸配電投資

系統(tǒng)尖峰負(fù)荷持續(xù)時(shí)間短，但需滿(mǎn)足系統(tǒng)尖峰負(fù)荷的配套輸配電投資規(guī)模較大。通過(guò)虛擬電廠開(kāi)展需求側(cè)響應(yīng)，一般不需要新建輸配電線(xiàn)路和變電站，可節(jié)約輸配電投資成本。節(jié)約輸配電投資的經(jīng)濟(jì)效益，其計(jì)算公式為：

BT&D=CG,T&D

(3)

式中：BT&D為節(jié)約輸配電投資的效益；CG,T&D為新增傳統(tǒng)電源發(fā)電所需配套的輸配電投資成本。

2.2.3 運(yùn)行收益評(píng)價(jià)指標(biāo)

根據(jù)1.1.2節(jié)分析，可評(píng)估虛擬電廠參與電網(wǎng)削峰、填谷、能量交易、調(diào)頻、備用等場(chǎng)景的收益，作為其運(yùn)行效益評(píng)價(jià)指標(biāo)。實(shí)際評(píng)價(jià)時(shí)，可根據(jù)虛擬電廠參與的運(yùn)行場(chǎng)景、參與時(shí)長(zhǎng)、相應(yīng)價(jià)格等，分別對(duì)虛擬電廠不同工況場(chǎng)景下的收益進(jìn)行計(jì)算，以實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬電廠運(yùn)行效益進(jìn)行客觀、全面的評(píng)價(jià)。

由于目前適應(yīng)虛擬電廠參與的市場(chǎng)機(jī)制尚未完善，本論文只針對(duì)虛擬電廠削峰、填谷收益指標(biāo)進(jìn)行建模，未來(lái)可考慮虛擬電廠參與調(diào)頻、備用等收益建模。

BS=ΔCS×Δt×pVPP,S

(4)

BF=ΔCF×Δt×pVPP,F

(5)

式中：BS和BF分別為削峰收益和填谷收益；ΔCS和ΔCF分別為削峰響應(yīng)容量和填谷響應(yīng)容量；Δt為響應(yīng)時(shí)長(zhǎng)；pVPP,S和pVPP,F分別為削峰激勵(lì)電價(jià)和填谷激勵(lì)電價(jià)。

2.2.4 社會(huì)效益評(píng)價(jià)指標(biāo)

1)節(jié)約用地資源收益

建設(shè)虛擬電廠無(wú)需新增用地，節(jié)省了土地資源成本，其計(jì)算公式為：

Bland=SG×CG,land

(6)

式中：Bland為節(jié)約土地投資的效益；SG為建設(shè)傳統(tǒng)電源電廠所需占地面積，CG,land為單位面積工業(yè)用地的售價(jià)。

2)避免停電損失收益

傳統(tǒng)錯(cuò)峰限電在應(yīng)對(duì)尖峰負(fù)荷壓力的同時(shí)，將影響工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)進(jìn)度和產(chǎn)品質(zhì)量，給企業(yè)造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。虛擬電廠通過(guò)優(yōu)化用戶(hù)用電方式，可避免錯(cuò)峰限電造成的損失，計(jì)算公式為：

Bpre=Epre×Clos

(7)

式中：Bpre為避免錯(cuò)峰限電損失的收益；Epre為錯(cuò)峰限電對(duì)應(yīng)電量；Clos為度電經(jīng)濟(jì)損失成本。

2.2.5 環(huán)境效益評(píng)價(jià)指標(biāo)

虛擬電廠可調(diào)動(dòng)靈活性資源在低谷負(fù)荷時(shí)段消納清潔能源，有效促進(jìn)節(jié)能減排，其環(huán)保效益主要體現(xiàn)為以下3個(gè)方面。

1)煤效益

(8)

式中：pcoal為標(biāo)煤?jiǎn)蝺r(jià)；Ccoal為節(jié)約的總標(biāo)煤量；TVPP為虛擬電廠填充低谷負(fù)荷的年運(yùn)行總時(shí)數(shù)；λ為虛擬電廠參加填谷時(shí)的清潔能源利用比例(若全部調(diào)用清潔能源進(jìn)行低谷負(fù)荷填充，則取1)。

2)碳減排效益

(9)

式中：ΔWcarbon為二氧化碳減排量；pcarbon為碳排放交易價(jià)格；βc為標(biāo)煤折合二氧化碳系數(shù)。

3)硫減排效益

(10)

式中：ΔWsulfur為二氧化硫減排量；psulfur為二氧化硫排污權(quán)價(jià)格；βs為標(biāo)煤折合二氧化硫系數(shù)。

3 算例分析

根據(jù)所構(gòu)建的虛擬電廠效益評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，對(duì)某200 MW虛擬電廠應(yīng)用試點(diǎn)進(jìn)行綜合效益評(píng)估，本節(jié)給出了評(píng)價(jià)指標(biāo)詳細(xì)的計(jì)算過(guò)程。

3.1 成本評(píng)價(jià)

1)硬件投資成本

按照建筑樓宇平均改造成本，1棟樓中央空調(diào)負(fù)荷約300～500 kW，對(duì)應(yīng)改造成本約20～30萬(wàn)元，預(yù)計(jì)接入30 MW建筑樓宇資源，對(duì)應(yīng)用戶(hù)改造費(fèi)用約1 200～3 000萬(wàn)元；充電站平均改造成本20萬(wàn)元/站，接入負(fù)荷160 MW，共計(jì)20個(gè)充電站，總計(jì)400萬(wàn)元；儲(chǔ)能10 MW，平均改造成本10萬(wàn)元/MW，總計(jì)100萬(wàn)元。

硬件投資成本合計(jì)約1 700～3 500萬(wàn)元。

2)軟件投資成本

建設(shè)虛擬電廠平臺(tái)，開(kāi)發(fā)費(fèi)用約1 000萬(wàn)元。

3)運(yùn)行成本

虛擬電廠運(yùn)行成本按總投資成本的5%考慮，約為135～225萬(wàn)元。

3.2 投資效益評(píng)價(jià)

根據(jù)3.1節(jié)成本評(píng)價(jià)，該200 MW成本區(qū)間為2 700～4 500萬(wàn)元，單位投資成本約200元/kW。

1)節(jié)約容量投資評(píng)價(jià)指標(biāo)

將虛擬電廠投資建設(shè)成本與其它典型類(lèi)型電源進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表2。根據(jù)計(jì)算，相比于傳統(tǒng)能源發(fā)電，建設(shè)200 MW虛擬電廠預(yù)計(jì)可節(jié)約發(fā)電容量投資4.6～12.9億元。

表2 不同能源利用形式下的投資成本對(duì)比(20 MW)Tab.2 Investment comparison for different energy utilization methods(200 MW)

2)節(jié)約輸配電投資評(píng)價(jià)指標(biāo)

若通過(guò)虛擬電廠削減的200 MW負(fù)荷由傳統(tǒng)能源發(fā)電機(jī)組來(lái)滿(mǎn)足，則電網(wǎng)需要配套投資輸配電設(shè)備，輸配電設(shè)備投資按照下述標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算。

1)新建50 km的220 kV線(xiàn)路，單位造價(jià)114萬(wàn)元/km，共計(jì)5 700萬(wàn)元；

2)新建80 km的110 kV線(xiàn)路，單位造價(jià)54萬(wàn)元/km，共計(jì)4 320萬(wàn)元；

3)新建40 km的10 kV線(xiàn)路，單位造價(jià)40萬(wàn)元/km，共計(jì)1 600萬(wàn)元；

4)220 kV變電站擴(kuò)建一臺(tái)240 MVA主變，單位造價(jià)7.7萬(wàn)元/MVA，共計(jì)1 848萬(wàn)元；

5)220 kV變電站擴(kuò)建一回出線(xiàn)，共計(jì)236萬(wàn)元。

電網(wǎng)配套輸配電設(shè)備投資共計(jì)需要1.37億元。因此，該虛擬電廠應(yīng)用試點(diǎn)可節(jié)約輸配電投資1.37億元。

3.3 運(yùn)行收益評(píng)價(jià)

需求響應(yīng)可以分為邀約需求響應(yīng)和實(shí)時(shí)需求響應(yīng)，前者在響應(yīng)日的前日或提前一定時(shí)間完成響應(yīng)邀約和確認(rèn)，并在響應(yīng)日約定時(shí)段執(zhí)行響應(yīng)，后者參與的負(fù)荷具備可立即中斷或可快速中斷的特性，以自動(dòng)需求響應(yīng)為主，兩者存在成本上的差異?？紤]3種方案，對(duì)虛擬電廠削峰填谷補(bǔ)貼收益進(jìn)行測(cè)算：

1)低成本方案中，假定全部為約定型需求響應(yīng)，按削峰最低補(bǔ)貼15元/kW，填谷需求響應(yīng)最小補(bǔ)貼5元/kW；

2)高成本方案中，假定全部為實(shí)時(shí)型需求響應(yīng)，按削峰最高補(bǔ)貼45元/kW，實(shí)時(shí)填谷需求響應(yīng)最大補(bǔ)貼24元/kW；

3)中等成本方案中，假定按表3約定需求響應(yīng)比例進(jìn)行考慮。

表3 需求響應(yīng)比例假定情況Tab.3 The ratio assumptions for different demand response types

根據(jù)該地負(fù)荷曲線(xiàn)和應(yīng)用需求，測(cè)算得到3種方案下，虛擬電廠的削峰填谷收益預(yù)計(jì)為400～1 700萬(wàn)元，如圖3所示。

圖3 虛擬電廠削峰填谷收益Fig.3 Revenue for virtual power plant from peak shaving and valley filling

3.4 社會(huì)效益評(píng)價(jià)

1)節(jié)約用地收益

該虛擬電廠應(yīng)用試點(diǎn)僅對(duì)現(xiàn)有用電資源進(jìn)行微型采集和控制終端改造，虛擬電廠平臺(tái)的部署也將充分利用現(xiàn)有計(jì)算機(jī)房資源，不會(huì)新增用地。若采用燃?xì)怆姀S，建設(shè)200 MW燃?xì)怆姀S預(yù)計(jì)占地面積3.63×104m2。按2020年9月29日該虛擬電廠所處位置的工業(yè)用地成交價(jià)格進(jìn)行折算，建設(shè)燃?xì)怆姀S的土地資源總價(jià)值在9～10億元左右。因此，該虛擬電廠應(yīng)用試點(diǎn)可節(jié)約9～10億元的土地投資，節(jié)省的土地資源將可用于工業(yè)企業(yè)引入等。

2)避免停電損失收益

根據(jù)該虛擬電廠所在地和用電量，測(cè)算得出該地度電經(jīng)濟(jì)損失成本約28.57元/kWh。預(yù)計(jì)該虛擬電廠可避免錯(cuò)峰限電尖峰電量為331.2 MWh，總計(jì)可避免經(jīng)濟(jì)損失946.3萬(wàn)元。

3.5 環(huán)境效益評(píng)價(jià)

預(yù)計(jì)該虛擬電廠投入運(yùn)行每年可進(jìn)行低谷負(fù)荷填充60 h，假設(shè)全部消納可再生能源，預(yù)計(jì)每年可節(jié)約標(biāo)煤3 492 t，減排二氧化碳9 288.7 t、二氧化硫7.28 t。

1)節(jié)煤效益

以標(biāo)煤?jiǎn)蝺r(jià)770元/t進(jìn)行計(jì)算，節(jié)煤效益為：770×3 492=268.9萬(wàn)元。

2)碳減排效益

碳排放交易價(jià)格因時(shí)間和地區(qū)而異。以碳排放配額成交價(jià)35.53元/t進(jìn)行計(jì)算，碳減排效益為：35.53×9 288.7=33.0萬(wàn)元。

3)硫減排效益

排污權(quán)交易價(jià)格因時(shí)間和地區(qū)而異。以二氧化硫排污權(quán)價(jià)格6 552.77元/t進(jìn)行計(jì)算，硫減排效益為：6 552.77×78.2=51.3萬(wàn)元。

綜上，依據(jù)所建立的評(píng)估指標(biāo)體系，該虛擬電廠效益評(píng)估結(jié)果如表4所示。

表4 虛擬電廠預(yù)期效益評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.4 Benefit evaluation outcome of the virtual power plant

3.6 指標(biāo)體系價(jià)值分析

根據(jù)所提指標(biāo)體系，評(píng)估了某200 MW虛擬電廠綜合效益。由范例分析可知，新建立的指標(biāo)體系可從成本、投資效益、運(yùn)行效益、社會(huì)效益、環(huán)境效益等5個(gè)維度，通過(guò)不同視角審視虛擬電廠價(jià)值。例如，從虛擬電廠建設(shè)主體，可參考的指標(biāo)包括成本評(píng)估指標(biāo)和運(yùn)行收益評(píng)價(jià)指標(biāo)；從電網(wǎng)運(yùn)行主體，可參考的指標(biāo)包括投資效益評(píng)價(jià)指標(biāo)；從政府和社會(huì)角度，可參考社會(huì)效益評(píng)價(jià)指標(biāo)以及環(huán)境效益評(píng)價(jià)指標(biāo)。同時(shí)，各效益不能簡(jiǎn)單疊加。因此，表4虛擬電廠預(yù)期效益評(píng)價(jià)結(jié)果僅給出各指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果，但可參考本文所提方法，根據(jù)需求開(kāi)展更為深入的研究和對(duì)比分析。

4 結(jié)語(yǔ)

目前，虛擬電廠示范項(xiàng)目的建設(shè)正在穩(wěn)步推進(jìn)，作為一種重要的可調(diào)度資源，虛擬電廠的效益評(píng)估將對(duì)虛擬電廠發(fā)展與新型電力系統(tǒng)建設(shè)產(chǎn)生重要影響。本文以此為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)虛擬電廠的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益進(jìn)行研究，提出了一套虛擬電廠效益評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并以某虛擬電廠應(yīng)用試點(diǎn)為范例進(jìn)行分析。虛擬電廠的效益評(píng)價(jià)主要可從成本評(píng)估、投資效益、運(yùn)行收益、社會(huì)效益和環(huán)境效益等5個(gè)方面展開(kāi)。研究表明，虛擬電廠投運(yùn)可顯著節(jié)約電網(wǎng)設(shè)備投資，同時(shí)可帶來(lái)可觀的運(yùn)行收益、環(huán)保效益和社會(huì)效益。