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单独来看，几千瓦的屋顶太阳能板或家用蓄电池对电网运营商而言，作为“发电厂”而言毫无价值。但如果将成千上万个这样的设备捆绑在一起，并通过通信和软件进行同步控制，其总输出功率就能与一座火力发电厂相媲美。这就是虚拟电厂（VPP）的基本理念。虚拟电厂并非一种全新的发电方式，而是一个信息平台，它将现有的分布式资源打包成一个可以在市场上交易的单元。关于分布式资源捆绑的通信和计量基础，已在智能电网入门中进行了介绍。本文将重点探讨基于此基础构建的商业模式，以及日本的制度设计和实际案例。
30 秒速览
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虚拟电厂 (VPP) 是一种机制，它通过通信和软件将特性迥异的分布式资源（例如屋顶太阳能、家用电池、电动汽车和工厂需求响应 (DR)）整合起来，并将其视为一个可控的单一电厂。
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在日本，该系统采用双层结构：“资源聚合商”，直接与消费者签订合同并控制其资源；以及“聚合协调员”，汇集多个资源聚合商的输出并处理批发交易。2022 年 4 月，日本启动了指定的批发供应商体系，ENERES 成为该体系下日本首家获得认证的聚合商。
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VPP 所针对的资源在响应速度、持续时间和可预测性方面各不相同。电池和电动汽车响应迅速；太阳能发电难以控制；而来自工厂暖通空调和生产设备的需求响应规模庞大，但灵活性有限。
日本虚拟电厂（VPP）的主要战场并非批发电力市场（JEPX）本身，而是平衡市场，即输配电公司采购调节电力的市场。该市场提供多种产品类别，按响应时间和持续时间划分，VPP 根据自身资源的特性选择参与竞标的产品。
例如，在 2022 年夏季电力供需紧张的情况下，REXEV 和 ENERES 将 V2G（车辆到电网）技术——利用共享电动汽车的电池——投入实际应用，提供调节电力。VPP 是一项制度设计和实际运行日益同步推进的技术，已超越示范阶段。
1. 什么是 VPP——“虚拟”的含义
VPP 中的“虚拟”指的是它本身不拥有任何实体电厂。太阳能电池板、家用电池、电动汽车车载电池以及工厂的需求响应能力，在物理上都只是位于不同地点的小型资源。通过网络连接这些资源，中央软件可以掌握每个资源的运行状态（剩余电量、发电预测、运行计划等），并在必要时发送增加或减少输出的指令。从电网运营商或电力市场的角度来看，这套系统就像一个“单一的发电厂”。
图 1 — 在虚拟电厂 (VPP) 中，资源聚合商直接与不同特性的分布式资源签订合同并进行控制，聚合协调员将这些资源汇集起来，与平衡市场、批发电力市场以及一般的输配电公司进行交易——这是一个两级结构。
2. 日本的聚合商系统 — 两级结构
日本的虚拟电厂 (VPP) 系统分为两个角色：资源聚合商和聚合协调员。资源聚合商直接与消费者（家庭或工厂）签订 VPP 服务合同，并控制其太阳能电池板、蓄电池或需求响应 (DR) 设备。聚合协调员汇集多个资源聚合商收集的输出，并与一般的输电公司进行直接电力交易。以及配电公司或零售电力供应商。
为这一结构提供制度支持的是指定的批发供应商（聚合商）系统，该系统于2022年4月启动。它为分布式资源的捆绑和电力批发业务提供了法律依据，使其运作方式与发电业务类似。ENERES成为日本首家在该体系下获得认证的聚合商。甚至在制度化之前，经济产业省的虚拟电厂示范项目（从2016财年到2020财年）就已经验证了资源聚合商和聚合协调员之间的角色划分，并实现了二者之间通信接口的标准化。
| 角色 | 主要职责 | 与消费者的关系 |
|---|---|---|
| 资源聚合商 | 与消费者签订合同、直接设备控制、基线管理 | 直接合同 |
| 聚合协调员 | 聚合多个资源聚合商的输出，与市场和电网运营商进行交易 | 间接（无合同） |
3. 资源的类型和特征虚拟电厂组合
虚拟电厂的目标资源并不统一。响应速度、持续时间和输出可预测性因资源而异，因此聚合商会根据资源组合方式来设计其提供的调节功率特性。
| 资源 | 响应速度 | 大约持续时间 | 控制方向 | 特性 |
|---|---|---|---|---|
| 家用电池/电网级电池 | 快速（几秒到几分钟） | 几十分钟到几小时 | 可充电和放电 | 响应速度快，用途广泛，但容量有限 |
| 电动汽车/V2G | 快速（几秒到几分钟） | 取决于车辆的运行状态 | 可充电和放电 | 平衡驾驶需求和提供调节功率是一项挑战 |
| 屋顶太阳能 | — | 取决于阳光 | 主要向下（输出削减） | 基本上无法向上控制 |
| 工厂/建筑暖通空调和生产设备（需求响应） | 中等（几分钟到十分钟多一点） | 取决于合同条款 | 主要向下 | 规模庞大，但受舒适性和生产需求限制 |
由于太阳能发电在没有阳光的情况下无法增加输出，因此它并不适合作为向上需求响应资源。另一方面，电池和电动汽车可以双向充电和放电，这使得它们很可能成为虚拟电厂 (VPP) 的核心调电来源。利用电动汽车的 V2G（车辆到电网）理念是，将车载电池不仅用作交通运输的能源，还用作车辆闲置时段的调电来源。
4. 控制架构 — 通信层回顾
为了使虚拟电厂能够真正控制大量小型资源，智能电网入门中介绍的通信层直接构成其基础。ECHONET Lite 通常用于家庭设备控制，而 OpenADR 用于自动化企业间需求响应信号。在聚合商的云侧系统中，各个资源的状态（SOC、运行计划、发电预测）被聚合，并接收来自市场的指令，分配给各个资源。这种分配算法的精度和速度直接决定了虚拟电厂（VPP）能够提供的调频功率的质量。
5. 日本市场结构——平衡市场和JEPX
虚拟电厂的主要收入来源大致分为两类：电力批发市场（JEPX），电力本身在此进行买卖；以及平衡市场，一般输配电公司在此采购调频功率以维持频率和供需平衡。
平衡市场自2021财年起分阶段开放，交易的产品涵盖从一次调频功率到三次调频功率②——按响应时间和持续时间分类（该分类的详细物理背景在电网惯性和频率调节入门中有所介绍）。快速响应的电池和电动汽车适用于这些产品类别。响应时间短的资源需求响应（DR）更适合响应时间要求较高的应用场景，而响应速度相对较慢的工厂需求响应则更适合响应时间要求较高的应用场景。虚拟电厂（VPP）通过评估其整合资源的响应特性来决定参与哪个产品类别的竞标。
此外，“收益叠加”（即叠加多种收益来源，例如在批发市场售电、在平衡市场提供调节电力以及通过削峰降低消费者的成本）决定了虚拟电厂的商业可行性。即使某种资源无法仅通过单一市场收回投资，但一旦结合多种用途，有时也能实现盈利。
6. 真实案例——从示范到实际的V2G
日本的虚拟电厂行业，通过经济产业省（METI）在2016财年至2020财年期间开展的虚拟电厂示范项目，已有多家公司作为资源聚合商和聚合协调员参与其中，验证了通信标准和运行规则。KDDI和ENERES已推进一项基于5G和MEC（多接入）技术的虚拟电厂计划。边缘计算就是一个众所周知的例子，它试图从通信基础设施层面改善虚拟电厂（VPP）的控制延迟和可靠性。
作为一个已投入实际应用的具体案例，在2022年夏季电力供需异常紧张的情况下，REXEV和ENERES在小田原/箱根地区一家共享汽车公司实际应用了一项方案：利用车辆到电网（V2G）技术，在车辆闲置时段对电动汽车的车载电池进行放电，并将输出电力作为调压电力提供给关东地区。这旨在从同一辆车的电池中获取两种价值——既作为交通工具，又为电网提供调压电力——这被视为V2G技术达到实际应用阶段的一个例证。
7. 虚拟电厂与电池和智能电网的关系
虚拟电厂本身并不取代电网级电池的技术（例如电池化学、电池管理系统、往返效率等）。相反，它是一个“业务层”，将[动力电池]中涵盖的各个电池捆绑在一起。将电池（参见智能电网入门）整合为可在市场上交易的单元。同样，虚拟电厂（VPP）是一种建立在智能电表和通信协议等硬件基础设施之上的制度和运行机制，它离不开智能电网入门中介绍的计量和通信基础设施。理解虚拟电厂、电池和智能电网时，应该将它们视为不同的、相互叠加的技术层，而不是相互竞争的技术层。
8. 当前挑战和研究重点
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通信延迟和可靠性：需要一种机制，能够同时向大量资源发送命令，并在指定的时间窗口内确认响应。使用 5G 和 MEC 是应对这一挑战的一种解决方案。
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基线精度：衡量需求响应（DR）的效果需要将其与“未受控制情况下的估计使用量”（基线）进行比较，而该估计的准确性直接决定了需求响应的有效性。市场信誉。
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网络安全：随着大量家用设备和电动汽车接入网络，管理攻击面变得至关重要。
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资源多元化：正在探索整合新型资源，例如热泵热水器、工业热泵和数据中心负荷调节。
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标准化：构建用于控制不同制造商设备的标准接口以及统一的通信标准，会影响聚合商进入市场的难易程度。
总结：虚拟电厂并非“发电厂”，而是“捆绑层”
虚拟电厂并非新一代技术，而是一种通过通信和软件将现有分布式资源（例如太阳能、电池、电动汽车和需求响应）捆绑成一个可交易单元的机制。日本已构建了由资源聚合商和聚合协调员组成的两级系统，并借助平衡市场提供的具体交易场所，正从示范阶段向实际部署阶段过渡。
在评估虚拟电厂项目时，应考虑以下因素：值得检查以下内容：
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哪些资源（太阳能、电池、电动汽车、需求响应）被捆绑在一起？响应速度和持续时间如何？
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它是资源聚合商还是聚合协调商？角色划分是如何构建的？
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使用了哪些收入来源组合——批发市场、平衡市场、成本削减——以及如何使用？
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如何确保基线测量或通信可靠性？
牢记这四点，就能将虚拟电厂 (VPP) 的公告理解为一个具体的结构——分布式资源是如何捆绑的，以及它们在哪里进行交易。
所有聚合的 VPP 容量是否始终可用？
充电状态、设备限制、用户需求和通信都会影响可用性。区分已安装容量和特定时间的可交付灵活性。
参考资料
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[机构]自然资源与能源局——什么是虚拟电厂 (VPP) 和需求响应 (DR)？（https://www.enecho.meti.go.jp/category/saving_and_new/advanced_systems/vpp_dr/about.html）
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[自然资源与能源局——虚拟电厂/需求响应术语表]（https://www.enecho.meti.go.jp/category/saving_and_new/advanced_systems/vpp_dr/term.html）
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[自然资源与能源局——虚拟电厂/需求响应的应用]（https://www.enecho.meti.go.jp/category/saving_and_new/advanced_systems/vpp_dr/negawatt.html）
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[ENERES 株式会社——在电力供需紧张的情况下利用电动汽车电力]（https://www.eneres.co.jp/news/20220414.html）
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[REXEV 株式会社——在电力供需紧张的情况下利用电动汽车电力]（https://rexev.co.jp/2022/04/14/3549/）
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[KDDI——ENERES 和 KDDI 如何通过虚拟电厂 (VPP) 实现脱碳社会]（https://biz.kddi.com/beconnected/feature/2022/220601/）
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[电力储备交易所 (EPRX)——什么是平衡市场？]（https://www.eprx.or.jp/outline/outline.html） )
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