德國虛擬電廠樣本

德國聯邦環境局（UBA）年初發布的消息稱，德國2022年可再生能源生產創紀錄達到256太瓦時（TWh），可再生能源發電佔德國總用電量的44.6%。在這個過去只有幾十家傳統發電廠的地方，現在擁有超過3萬颱風力發電機、超過一百萬個太陽能發電系統和數千個生物質發電機組。

特別是俄烏危機爆發后，可再生能源在德國發展勢頭更加迅猛，虛擬電廠也成為一股不容忽視的力量。大量小型分佈式能源(DER)逐漸取代傳統發電廠，虛擬電廠（VPP）作為新型電力系統的重要支持，不僅聚合數以千計的電力生產商、消費者和存儲單元，並且通過智能系統監測、預測，優化發電和調度，讓電力資源實現更為高效的配置，幫助電網持續穩定。

如果你駕車穿過科隆附近的萊茵褐煤礦區，一定不會錯過Niederaussem電廠高達100多米的混凝土塔，它的運營商——德國傳統電力集團RWE ，通過這個燃煤電站全天候向外可靠地供電。同樣在科隆一箇舊廠房改造的辦公區內，Next Kraftwerke公司作為發電企業卻並不擁有物理意義上的發電廠，但其憑藉強大計算系統整合了上萬個發電工廠，成為歐洲最大的虛擬電廠運營商之一。

成立於2009年的Next Kraftwerke，是德國最早探索虛擬電廠的公司，也是目前德國最大的虛擬電廠運營商。2022年4月，該公司對外宣布，實現一個新的里程碑，即併網發電裝機容量已突破1萬兆瓦，通過智能控制系統，在德國、比利時、奧地利、法國、波蘭、荷蘭、瑞士和意大利運營着13000多個分佈式能源單元，而運用的電力設備也從最初的生物質慢慢擴展到風電、太陽能以及近兩年來的電池儲能、電動汽車等。據介紹，2018年至今，該公司的產品組合裝機從4600兆瓦增加到萬兆瓦，翻了一番多，其中超過6000兆瓦來自太陽能。

也正是可再生能源對電網的穩定性提出的挑戰給像Next Kraftwerke這樣的公司帶來新的機遇。“数字化連接、控制和調節大量不同的能源是虛擬發電廠的任務。”德國能源署 (Dena)数字化專家Philipp Richard解釋說。

如何工作？

可再生能源長期以來一直是電力供應的核心組成部分。鑒於可再生能源的快速發展，系統的協調和控制發揮着越來越重要的作用。在歐洲，電力系統由發電、輸電、配電和銷售四個環節構成，而電網運營主體可以劃分為輸電系統運營商（TSO）和配電系統運營商（DSO）。其中，TSO負責輸電網絡的控制和運營，是具有垄斷性質的業務；而DSO則主要負責將電力分配給用戶，是競爭性的業務。

因而，歐洲的虛擬電廠通常是由第三方運營商、發電廠，以及TSO合作運營的。首要任務也當然是為發電單位服務，並設法提升效率，降低成本。

“我們運營容量超過1萬兆瓦的虛擬發電廠，不僅說明了具有高比例可再生能源的能源系統如何工作，它還展示了許多分散式系統如何集中、智能、協同地為穩定的電力供應做出貢獻，Next Kraftwerke創始人Jochen Schwill說。

事實上，每一個獨立的能源系統都有可能成為虛擬電廠的一部分。Next Kraftwerke使用智能控制來聚合其成員的電力並靈活分配，相當於模仿一個集中式發電廠。也就是說，虛擬電廠以控制系統為核心，整合了氣象預測數據、負荷數據等，首先通過算法進行功率預測與負荷預測，然後基於多維數據智能決策，對資源配置做出判斷，在主網內發揮電廠的調節作用。

資料显示，Next Kraftwerke業務更為關注發電側，業務主要分為三塊：一是幫助新能源發電企業實時監測發電情況，幫助他們降低發電成本或者負電價帶來的損失；二是面向電網側，幫助客戶使用發電設備為電網提供短期柔性儲能服務，並賺取收益；三是根據電網狀況調整用電側的需求，將電網測的需求分配到現貨市場的低價時段。

在德國，日間電力市場允許接近實時的電力交易，訂單到交割之間的時間縮短產生了對在短時間內可獲得的快速可控靈活性資源的更多需求，而這類需求可以由虛擬電廠通過其資源組合提供。

德國國際合作機構的報告稱，Next Kraftwerke管理系統可以根據日間市場信號進行調整，日間市場是保持整體電力系統平衡必不可少的工具。Next Kraftwerke公司根據電力市場波動調整其資源池中的可調度能源發電機組和負荷的出力和需求，為客戶帶來收入，同時為系統平衡做出貢獻。

以接入該公司的生物質電廠為例，NEXT Box系統將電廠和遠程控制中心連接起來，實現無線雙向遠程傳輸，對其發電量按照15分鐘的間隔進行調控，根據電力批發市場的價格波動每天上下調整20次，以優化發電收入。

除了管理髮電，Next Kraftwerke還提供了負荷管理的服務。為鼓勵工商業客戶轉移負荷，Next Kraftwerke按照日間市場電價的變化，向工商業客戶提供不同類型的電價（電價構成取決於使用時間、用戶調整生產計劃的靈活性等）信息。客戶可以根據Next Kraftwerke發出的價格信號自行決定執行計劃，也可以完全由Next Kraftwerke進行遠程自動調控。

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在德國，輸電運營商是獨立的機構，Next Kraftwerke可以進行實現完全平衡管理或部分平衡管理，通過優化發電量和用電量預測，繼而參与日間市場的電力交易，最終解決預測和次日實際計劃之間的偏差，實際上是充當了“電網調度員”的作用。

通過網絡提供軟件服務除了運行虛擬電廠，Next Kraftwerke還提供可定製虛擬電廠（NEMOCS）服務，為能源公司建立自己的虛擬電廠提供軟件解決方案。也就是說，虛擬電廠是一個集中分散式能源的管理系統，彙集可再生和不可再生單元、存儲設備和可調度負載的容量，把他們捆綁成一個規模較大的組合，為電力系統服務。

核心是什麼？

管理巨大的分散的可再生能源系統，強大的收集數據、分析和做出決策的系統是虛擬電廠管理的核心。Next Kraftwerke亦是如此。

“我們為可再生能源提供市場准入以及發電量預測，並看到到對控制可再生能源解決方案的不斷增長的需求，幫助電網實現平衡，並預測電力市場將發生什麼。可再生能源的日益普及給無數國家的電網運營商提出了許多需要回答的問題：電力從何而來？它去哪兒了？四小時後會發生什麼？我們可以告訴客戶，可再生能源這一秒在每個電網交叉點產生多少電力，並將過程可視化，預測四小時後會發生什麼。”Jochen Schwill稱。

除了強大的数字化的系統作為支撐，在該公司國際部經理Leonard Hirsch看來，他們善於收集客戶的數據，來預測市場的變化。特別是目前價格很貴的情況下預測更要正確，告訴輸電商第二天可以提供的電力情況，現貨市場的日前和日間交易更考驗公司的能力。

這是一種聚合服務，由他們的控制系統完成，使用基於大數據（例如電廠運行情況、 天氣數據、市場價格信號、電網數據）的智能算法，使可再生能源發電機組和工業用戶更加靈活，對價格信號的響應更快。通過更有效地部署電網資產，分佈式資源的聚合，降低了每個人的電力成本，尤其是虛擬電廠參与者。

在德國，虛擬電廠應用已經進入到了商業化的階段。作為獨立的虛擬電廠運營商，Next Kraftwerke競爭對手主要是電力交易商、電力公司和能源領域的技術公司。在Jochen Schwill看來，公司研發的核心在於技術和氣象學。“這就是為什麼我們一直關注有趣的技術發展，這仍然是一場相當抽象的比賽，但我們將不得不面對它。例如，我們需要機器學習和改進算法來實現更為準確的天氣預報。”

對Next Kraftwerke來說，電動汽車在近兩年的發展也給其提出新的挑戰，數以百萬計的電動汽車將在一夜之間接入電網，這意味他們為電網運營商更大的靈活性提供可能，提供了大量存儲空間供我們使用，那麼，這意味着虛擬電廠運營商將直接進入家庭。

Jochen Schwill認為，最遲到2050年，可再生能源可以滿足德國100%的電力需求，電力系統將足夠靈活，問題是兩個系統仍然並存：舊的中心化市場系統和新的去中心化市場系統，這從長遠來看是行不通的。“隨着可再生能源在電力系統中所佔份額的增加，我們不能再像舊系統那樣簡單地跟蹤負載和供應。而是生產和需求必須相互協調，現在是所有參与者調整和適應新系統，以實現100%可再生能源的時候了。”