• 近日，由中國研究院主導制定的首個虛擬電廠國際標準釋出，填補了該領域國際標準的空白。
  • 虛擬電廠是一個基於能源網際網路技術的分散式能源網路。它將自身聚合的分散式能源資源組合在一起，發電並響應電力需求。
  • 分散式能源資源指分佈在使用者端的能源綜合利用系統。它種類多樣，包括太陽能電池板、電池、電動汽車和其他可以生產、儲存或消耗電力的裝置。
  • 虛擬發電廠可以用來平衡電網，整合可再生能源，減少高峰需求。與此同時，它們還可以降低能源成本和在電網服務的花費。

全球氣候不斷變暖，人們對電動汽車、資料中心和空調等裝置的需求隨之攀升。即使美國的電力需求已經保持穩定未增長的水平近20年，在此宏觀背景之下，電力需求也開始無法避免地飆升。但是，以煤炭、天然氣或核能發電的傳統電廠生產的電力已無法滿足人們的需求。此外，即使新型電廠不斷湧現，這一速度也遠遠趕不上傳統電廠被淘汰的速度。同時，新的問題也隨之出現。新型電廠多以風能、太陽能為主，它們的發電量隨天氣而變化，波動不定，這都會擾亂正常的供電節奏。

這使得電力公司亟需尋求能夠維持電力供需平衡的新方法。而虛擬電廠，正逐漸獲得他們的青睞。

虛擬電廠究竟是什麼？“虛擬”意味著他們並非實體的發電設施，所以虛擬電廠並不是真正意義上的發電廠，而是一種基於能源網際網路技術的“看不見的電廠”。虛擬電廠是電力生產者、消費者和儲存者的集合體，電網管理者可以呼叫它們來平衡電力需求和供應。通常情況下，我們將這些電力生產者、消費者和儲存者統稱為分散式能源。

分散式能源的種類十分多樣。比如電池就是電力的儲存者，而工廠則為電力的消費者。兼具生產者與消費者的角色正是虛擬電廠的獨特優勢所在。當總體電力需求較高時，工廠等消費者如果同意減少電力使用，便能為其他消費者騰出能源。同時，與新型電廠相比，虛擬電廠通常選址歷時更短，建造速度更快，運營更清潔，成本也更低。

分散式能源不斷湧現

虛擬電廠並不新鮮。根據美國能源部的估計資料，目前正在執行的太陽能電池板數量，已經高達30到60千兆瓦。1千兆瓦相當於10億瓦，這也就意味著，目前太陽能電池板的發電總量，已經約等於250萬塊太陽能光伏板或一個大型核反應堆的發電總量了。

早先，虛擬電廠的主體主要是工廠。他們同意在條件緊張的時期減少對電力的需求，這意味著當電網經歷高需求和有限供應時，電網依舊能夠得到很好的平衡，確保每個人都有穩定的電力供應。而現在，隨著越來越多的家庭和小企業也開始在屋頂安裝太陽能電池板，使用電池和電動汽車，他們也可以用太陽能電池板發電，用電池儲存，並將多餘的電力賣給電網，進一步實現“生產者”和“消費者”兩種角色的統一。

具體而言，在陽光明媚的晴天，房主可以在使用屋頂太陽能電池板發電的同時，將多餘的電力儲存在電池中以備之後使用。在晚上，當電力需求高，電價也可能因此更高時，房主可以將電池中的電力放回電網，出售他們儲存的電力。

隨著越來越多的家庭和企業採用智慧恆溫器、熱水器、屋頂太陽能電池板和電池等技術，虛擬電廠得到愈發廣泛的使用。美國能源部估計，到2030年，虛擬電廠的規模可能會增加兩倍，能夠滿足美國50%不斷增長的需求，並替補50%即將被淘汰的老舊發電廠。顯然，虛擬電廠規模的擴大能夠有效減少新建風能、太陽能和天然氣發電廠的需求，從而限制與擴大美國發電能力相關的成本。

此外，由於虛擬電廠通常位於用電地附近，透過發電和電力的管理，它們能夠有助於減少電力傳輸系統的負擔，緩解增設新電力傳輸線路的壓力。

加州的一住宅小區中200棟房屋已實現全自動供電。太陽能電池板、電池配備齊全，微電網連線通暢，可以在大範圍停電的情況下依舊確保居民供電。圖中為其中一間樣板房內的電池展示板。 Image: Watchara Phomicinda/MediaNews Group/The Press-Enterprise via Getty Images

能源消費者的新角色

虛擬電廠改變了電力生產者和消費者的角色。

傳統模式是先在電廠發電，然後將電力輸送給消費者。在這種模式下，為使電網正常執行，供需雙方必須始終保持精確平衡。

電廠通常要提前預測消費端的需求。這一需求可能會隨天氣變化而波動，但仍會遵循相當可預測的模式。為了更靈活地調整發電量，電網運營商會混合排程煤電廠和核電廠等能持續執行的基荷電源，以及天然氣和水電等可根據需要快速調節輸出的更靈活電源。

不過，風能和太陽能發電場的發電量在白天時高時低，因此其他能源必須更加靈活地執行，以保持供需平衡。儘管如此，傳統電廠的基本理念就是透過大型設施為數百萬被動消費者生產電力。

虛擬發電則顛覆了這一模式，讓消費者可以控制自己的電力需求。工業消費者很早就已經學會了靈活變更運營時間，在電力供應緊張時限制需求來換取低價電費或補貼。

而如今，普通家庭也能透過與電網通訊的恆溫器和熱水器來調節需求。例如，智慧電熱水器可以在電力充足、價格便宜的時候加熱大部分的水，並在電力不足的時候限制需求。

在美國佛蒙特州，當地的綠山電力公司為客戶提供安裝電池的激勵措施，這些電池將在最需要的時候向電網供電。在我居住的得克薩斯州，2021年致命的停電事故凸顯了加強孤立電網的重要性。現在，這裡的電力公司正在使用特斯拉推出的家用電池產品Powerwall（電力牆），讓每家每戶變成電網的虛擬電源。

在澳大利亞，當地南澳大利亞州也在試圖建立該國最大的虛擬發電廠，用太陽能和電池連線5萬個家庭。

2021年2月，一場嚴重的冬季暴風雪導致美國得克薩斯州電網停電併發生災難性故障。人們在休斯敦排隊加註丙烷。

虛擬電力，真實挑戰

虛擬電廠並非靈丹妙藥。許多普通消費者連讓電網臨時控制恆溫器都不願意，也不想讓自己的電動汽車充電速度變慢。一些消費者還擔心智慧電錶的安全和隱私問題。我們目前仍不知道究竟有多少使用者會來加入這些新興專案，當地運營商又將如何有效調節供需。

虛擬電廠在業務方面也存在挑戰。管理數百萬消費者要比管理數十家發電廠難得多。虛擬電廠運營商可以透過補貼客戶，協調他們的用電需求來靈活調整供需，從而克服這一挑戰。

經濟增長要求電力供給也能跟上腳步。而隨著電力正逐漸取代使用化石燃料的汽車和火爐，人們對可再生資源依賴逐步增加，電網管理者將需要極力發揮自身靈活性來平衡風能和太陽能發電的可變輸出。虛擬電廠在這一趨勢下可以幫助重塑電力行業，使其變得更加靈活、高效，並對不斷變化的條件和客戶需求做出快速反應。

本文作者：

Daniel Cohan，萊斯大學土木與環境工程系副教授

本文與The Conversation合作釋出，原載於世界經濟論壇Agenda部落格