证券研究报告|行业专题报告 公用事业 行业评级 强于大市（维持评级） 2023年08月02日 虚拟电厂蓄势待发， 源网荷储联动是新型电力系统必然选择 ——华福证券低碳研究 虚拟电厂专题报告 证券分析师： 汪磊 执业证书编号： S0210523030001 研究助理 ：陈若西 请务必阅读报告末页的重要声明 投资要点 ➢ 虚拟电厂的核心是分布式资源的聚合与优化。虚拟电厂并不是真实存在的电厂，而是一种智能电网技术，应用分布式 电力管理系统参与电网运行调度，实现“源-荷-网”聚合优化。虚拟电厂主要可分为站控层、过程层、资源层，其中 资源层的调节能力和质量决定虚拟电厂完成调度指令的能力，工商业储能作为最优质的调节资源之一，是虚拟电厂大 发展的重要前提条件。 ➢ 需求侧纳入灵活性，源网荷储联动是新型电力系统必然选择。虚拟电厂建设的必要性包括：风电、光伏尤其是分布式 光伏的快速增加带来的填谷需求，负荷峰值屡创新高带来的削峰需求，以及充电桩等新型负荷增加使得负荷侧管理难 度加大。当前，虚拟电厂可以通过需求侧响应、辅助服务市场和电力现货市场获得收益。 ➢ 极端天气频发，电力供应偏紧，虚拟电厂蓄势待发。持续高温天气下，全国用电负荷屡创新高，电力供需呈紧平衡态 势，如果出现长时段大范围极端高温天气，保供压力更甚。中电联预计，2023年正常气候情况下，夏季全国最高用 电负荷约为13.7亿千瓦左右，同比增加8000万千瓦；如果出现长时段大范围极端高温天气，全国最高用电负荷可能 将同比增加近1亿千瓦。电力供需紧平衡下，迫切需要需求侧调节发挥作用，尤其以虚拟电厂的形式参与电力保供。 ➢ 预计到2025年，虚拟电厂投资规模在330-550亿元，运营市场规模在百亿元级别。我们测算，虚拟电厂投资强度 675元/千瓦条件下，要完成需求侧响应能力达到最大负荷3%-5%的目标，到2025年虚拟电厂/需求侧响应所需的总 投资额为330/550亿元。同时我们测算，在一定假设条件下，虚拟电厂运营商通过辅助服务市场和电力现货市场获利 的市场规模分别为108和111亿元。由于二者存在较大重合，综合来看，到2025年，虚拟电厂运营市场规模或将在百 亿元级别。 ➢ 投资建议：电网信息化类公司有望率先受益，建议关注东方电子、国网信通、恒实科技；用电解决方案类公司形态将 进一步演变，建议关注安科瑞、苏文电能；聚合运营类公司长坡厚雪，建议关注芯能科技、中新集团、南网能源、朗 新科技。 ➢ 风险提示：政策推进不及预期；项目推进不及预期；市场竞争加剧；研究报告中使用的公开资料可能存在信息滞后或 更新不及时的风险。 2 目 录 ◼ 虚拟电厂是什么 ◼ 为什么需要虚拟电厂 ◼ 虚拟电厂如何创造收益 ◼ 虚拟电厂市场规模测算 ◼ 相关标的 ◼ 风险提示 3 虚拟电厂是什么：分布式资源的聚合与优化 ➢ 虚拟电厂概念最早起源于1997年《虚拟公共设施：新兴产业的描述、技术与竞争力》一书中对虚拟公共设施的定义， 虚拟公共设施即通过独立且以市场为驱动的实体间开展灵活合作，参与合作的实体无需拥有相应资产便可为消费者提供 所需服务，虚拟电厂便是在此概念基础上进行拓展延伸。 ➢ 根据《虚拟电厂的概念和发展》一文，虚拟电 厂（virtual power plant，简称VPP）是通过 先进信息通信技术和软件系统，实现分布式电 源、储能系统、可控负荷、电动汽车、充电桩 等分布式能源的聚合和协调优化，以作为一个 特殊电厂参与电力市场和电网运行的电源协调 管理系统。虚拟电厂并不是真实存在的电厂， 而是一种智能电网技术，应用分布式电力管理 系统参与电网运行调度，实现“源-荷-网”聚 合优化。 资料来源：古瑞瓦特，华福证券研究所 4 虚拟电厂是什么：结构——站控层+过程层+资源层 ➢ • 站控层：虚拟电厂的大脑，与大电网连接的枢纽 虚拟电厂站控层包括SCADA系统、优化计算模块、结算 管理模块等。对上，站控层接收大电网中电力调控中心 下发的调峰、调频等指令；对下，站控层与智能终端进 行数据通信，获取接入资源的数据，建立用户资源模型 ，基于所采集的数据实现对资源灵活性预测、聚合与解 聚的优化计算，并向智能终端下发优化结果。 ➢ • 过程层：实现对资源数据的采集、测量和控制 虚拟电厂过程层安装在用户资源现场的数据采集、通信 及控制设备柜，主要由数据终端组成。对上，过程层向 站控层通过通信远程传送运行数据，并接收站控层下发 的控制指令；对下，过程层实现对接入资源实时运行数 据的采集和测量，并下发控制指令。 ➢ • 资源层：虚拟电厂的基础单元 资源层主要包括各类具备调节能力的分布式资源，是站 控层建立虚拟电厂模型的基础，也是执行优化调度指令 的最终主体。 资料来源：刘健等《虚拟电厂关键技术及其建设实践》，华福证券研究所 5 虚拟电厂是什么：结构——可调节性是资源层的核心 ➢ 资源层的调节能力和质量决定虚拟电厂完成调度指令的能力，工商业储能作为最优质的调节资源之一，是虚拟电厂大发 展的重要前提条件。 • • 源：目前接入资源以分布式光伏为代表，自身不具备调节能力，可和工商业负荷视为整体，构成一个可调节负荷。 荷：可调节负荷各有自身能力限制，工业负荷往往受生产计划强制约，且响应速度慢；空调负荷在时间维度不可平移， 基本没有填谷能力，且受用户体验和天气等因素限制，可调节范围有限；充电桩作为直接面向C端的负荷，其调节能力 不可预测性较强。 储 ：可调节能力、响应速度和可靠性都较为优质的调节资源，同时具备削峰和填谷能力，虚拟电厂进行高频次大幅度 响应的必备资源。 • 图表：虚拟电厂常见资源情况 资源 分类 工业 可调节负荷 储能 分布式电源 建筑 代表资源 连续性工业 非连续性工业 公共、商用、居民建筑中 的空调资源 新能源汽车/充电桩 抽水蓄能、飞轮储能 铅酸电池、钠硫电池 超级电容、超导储能 交通 机械储能 化学储能 电磁储能 相变储能 小型燃机、小型光伏和小型风电、水电、生物质、燃料 电池 向上调节能力（填谷） 向下调节能力（削峰） 较弱，受生产计划限制 较强，受生产计划限制 弱 有一定调节能力 中等，受用户行为限制 强 强 新能源几乎无调节能力 资料来源：北极星电力网，华福证券研究所 6 虚拟电厂是什么：技术——协调控制+智能计量+信息通信 ➢ 虚拟电厂所需核心技术主要包括协调控制技术、智能计量技术和信息通信技术。 协调控制技术 持续优化建模聚合、调控优化、分析 预测等方面技术，深化研究交易模型 、出清、结算等技术 • 预测及风险管理 • 调度 • 控制 • 内部结算机制 智能计量技术 对精细化智能计量技术进行研 究，提升虚拟电厂实际调节量 的准确性 • 自动抄表技术 • 智能计量管理技术 • 数字孪生技术 信息通信技术 随着可调节资源接入规模的增长，需 要建立安全、高效的信息通信体系 • 边缘计算 • 云计算 • D2D（设备到设备）通信 • 时延控制技术 资料来源：吴晓刚等《“双碳”目标下虚拟电厂关键技术与建设现状》，王宣元等《虚拟电厂参与电网调控与市场运营的发展与实践》，华福证券研究所 7 目 录 ◼ 虚拟电厂是什么 ◼ 为什么需要虚拟电厂 ◼ 虚拟电厂如何创造收益 ◼ 虚拟电厂市场规模测算 ◼ 相关标的 ◼ 风险提示 8 为什么需要虚拟电厂：风光快速增加带来的填谷需求 ➢ ➢ 风光装机快速增长，加剧电力系统不可控性。截至2023H1，我国风电装机389.21GW，太阳能装机470.67GW，风光 合计占总装机的31.76%。其中，2023年H1我国风电新增装机22.99GW，对比22年同期新增12.94GW，同比+77.67% ；太阳能新增装机78.42GW，对比22年同期新增30.88GW，同比+153.95%，风、光均加速增长。新能源出力主要受 来风、来光影响，人为干预作用小。因此，当新能源出力与负荷用电特性不吻合时，便存在新能源电力消纳问题，处理 不当会引发电力系统安全事故，且造成投资的浪费。 光伏建设速度远超风电，分布式光伏成为主力。2022年我国光伏装机首次超过风电，其中分布式功不可没。2022年分 布式光伏新增装机51.11GW，占当年全部光伏新增的58.48%；截至23H1，分布累计装机达198.23GW。分布式建设 、选址简单，项目周期短，装机提升快。由于其出力时间高度集中，受电网调度管控程度相对低，消纳问题正在显现， 山东、河南等分布式装机大省已出台分布式配储文件。 图表：2018-2023H1风光累计装机 图表：2018-2023Q1新增分布式光伏装机 资料来源：国家能源局，Wind，北极星电力网。华福证券研究所 9 为什么需要虚拟电厂：风光快速增加带来的填谷需求 ➢ ➢ “鸭子曲线”变“峡谷曲线”，光伏增加带来填谷需求。“鸭子曲线”最早由美国加州电网运营商CAISO提出，即在光 伏出力高峰的中午，净负荷曲线下降，随后在晚上光伏发电量下降时净负荷急剧上升。随着光伏装机增加，CAISO的净 负荷曲线出现了向“峡谷曲线”的转变，即中午净需求更低，跌至零值甚至负值；傍晚负荷增加更加陡峭，其他电源必 须快速爬坡出力以适应负荷的急剧攀升。 国内以山东为代表的部分省份同样有明显的填谷需求。山东装机结构与CAISO相似，截至22年底，光伏装机占比达到 22.5%。在2023年五一假期期间，山东省内用电负荷下降约15%，引发连续负电价现象。值得注意的是，4月29日-5月 1日现货价格曲线形状类似鸭子曲线，期间10时-15时负电价出现尤为频繁，而该时段为光伏发电高峰。结合此前山东 将中午时段划分为电价深谷时段，新能源装机增加改变了原有的负荷曲线，使得新能源集中大发时段，电网净负荷出现 了一个深谷，需要对负荷进行时间上的转移（填谷）以平滑变化、促进新能源消纳。 图表：CAISO“鸭子曲线”和“峡谷曲线” 图表：山东4月29日-5月3日实时现货价格曲线（元/MWh） 资料来源：山东电力交易中心，中和储能，华福证券研究所 10 为什么需要虚拟电厂：负荷峰值屡创新高带来的削峰需求 ➢ ➢ 第三产业和居民用电增速快于工业，负荷峰值增速大于用电量增速。近十年 以来，我国第二产业增速相对较低，在用电结构占比明显降低，从2013年的 73%下降至2022年的66%，第三产业和城乡居民生活用电占比之和则由 2013年的25%提高至2022年的33%。 用电结构变化带来负荷新变化：1）日负荷峰谷差更大；2）受极端天气和消 费能力等因素影响，年负荷曲线呈现夏、冬双高峰特征 ；3）第二产业用电 负荷稳定、持续，第三产业和居民用电波动性较