文 | 湯雨 趙榮美 王進
全球能源轉型，新能源特別是風電和光伏，將承擔歷史大任。在“雙碳”目標刺激下，全球新能源發展高歌猛進，但在中國已面臨一系列剛性約束（見電力大戰⑨：新能突飛猛進，未來天空無限？）。
新能源發展全民動員，各地跑馬圈地，大批項目在火熱中開發建設，若干年后會不會出現批量的“爛尾曬太陽項目”，并拖累一些巨頭企業？
如果新能源發展的剛性約束能有效突破，新能源產業的可持續發展才有保證，“爛尾”現象或不會出現。
在當前能源安全形勢極其嚴峻的歐洲，俄羅斯天然氣供應中斷，冬季供暖難度激增，能源及電力價格暴漲，風電及光伏滲透率在中國兩倍以上的基礎上加速提升，不僅沒有出現規模化的“棄風棄光”，也沒有隨意的“拉閘限電”。不久前，歐洲還通過法令并宣布，到2030年，可再生能源電力將占終端能源45%，風電光伏投資一路狂奔。
應對越來越高比例的新能源消納和越來越嚴峻的電力安全保障，歐洲底氣何在？其經驗是否值得我們借鑒？
歐盟制定基本法案
對能源轉型、可再生能源及零碳目標，歐盟各國形成了比較一致的共識，而這樣的共識已通過立法固定下來。
經過不斷更新和修訂，2019年，歐盟通過了《清潔能源法案》（即Clean Energy Package，簡稱CEP ），其中包含八個經過立法流程的法律或法令，以及一系列非立法性的倡議和措施，這是歐洲能源轉型的基本法。
八個法律包括以下：
（一）《建筑物能效法》（Energy Performance of Buildings Directive，EU2018/844）。在歐洲，建筑物消耗能源占比達40%，碳排放占比達36%，所以提高建筑物能效非常重要。《建筑物能效法》對2010年版進行了大量更新和補充，特別概括了建筑行業節能提效及應對挑戰的相關措施和辦法。
（二）《可再生能源法》（Renewable Energy Directive，2018/2001/EU）。為追求可再生能源全球領先，歐盟制定了雄心勃勃的強制性目標，于 2018年12月正式實施。
（三）《能源效率法》（Directive on Energy Efficiency 2018/2002/EU）。能源效率是基本法的關鍵目標，其中，節能既能降低碳排放，又幫助用戶省錢，而且最容易實現。《能源效率法》設定了強制性目標，到2030年能效提高至少32.5%，并于2018年12月起實施。
（四）《能源與氣候行動監管法》（Regulation on the Governance of the Energy Union and Climate Action 2018/1999/EU）。這一法律從2018年12月開始實施，力求從根本上推動歐洲能源體系轉型，建立一個高效能源體系和監管體制。為此，要求歐盟各國制定2021-2030年十年期的《國家能源與氣候計劃》（National Energy and Climate Plans，即NECP）。各國NECP規劃了在能源體系五個維度（5 Dimensions）應該實現的目標，以及到2050年的遠景目標。
這里五個維度包括：
一是安全、團結與信任（Security, solidarity and trust）。由于歐洲能源資源相對分散，需要各國合作與團結確保能源安全；
二是一體化的能源市場（A fully integrated internal energy market）。允許各類能源能夠通過合適的基礎設施自由輸送，而不受任何技術、規則與體制限制；
三是能源效率（Energy efficiency）。提高能源效率將有助于降低能源進口的依賴度、減少排放、增加就業機會并促進經濟增長；
四是氣候行動與經濟低碳化（Climate action, decarbonizing the economy）。歐盟希望盡快推動《巴黎氣候協定》并保持在可再生能源行業的領導力；
五是研究、創新與競爭力（Research, innovation and competitiveness）。大力支持低碳與清潔能源技術突破，優先支持研發與創新以推動能源轉型及提升產業競爭力。
（五）《電力市場設計法案》（Electricity market design）。包括四個法令，其中兩個關于電力的新法令、一個關于風險準備的法令以及一個增強ACER（Agency for the Cooperation of Energy Regulators，即能源監管合作組織）監管職能的法令。這四個法令旨在建立一個現代化的歐盟電力市場機制，以適應新形勢下的工商業需求、更靈活、市場導向、以及更高比例的新能源并網消納。
以上八條法律或法令的立法過程，都經歷了同樣的流程：由歐洲委員會提議，到歐盟內部機構之間討論溝通與協商，形成政治上的協議后，得到歐洲議會同意，最后經過歐盟最高權力機構即歐洲理事會的批準，正式頒布并實施。
非立法性的倡議及措施包括：
煤炭地區轉型（coal regions in transition）倡議；
清潔能源支持歐洲各島嶼（clean energy for EU islands）倡議;
識別并支持歐洲脆弱群體用能（energy poverty）措施等。
基本法案不僅確定了能源轉型目標、路徑、時間節點，而且設計了轉型、效率及市場機制中的各種規范，不存在個別國家或企業集團有法不依、違法不追、不查或不罰的法律土壤，將電力市場中“店大欺客、客大欺店”的現象消弭于萌芽。
為配合CEP，歐洲互聯電網（即ENTSO-E）在電力管制、風險預防、區域協調中心、泛歐資源評估及網絡代碼等方面更新了相關規范并在TSO體系內貫徹。
歐洲配網組織（The EU DOS Entity），雖然根據歐洲電力監管法規（Electricity Regulation），2019年才開始籌備，2022年正式開始運作，現有906家會員，也在提升輸電網系統（TSO）與配電網系統（DSO）的合作與協調、提高運行效率、促進可再生能源、分布式能源及儲能與配網系統融合、推動配網范圍內電力市場并提高需求側靈活性、推進配網系統的數字化升級，包括智能系統、智能電表、數據管理、網絡安全及數據保護等方面做出明確規范，以支持CEP在配網體系貫徹實施。
各國配合修訂法規
歐洲能源轉型的基本法即CEP實施過程中，歐盟各國是如何配合的？以歐盟國家中的表率德國為例。
德國將碳中和目標提前到2045年，可再生能源發展需要更激進的政策支持。2020年，德國可再生能源占發電量占50.9%（248.82TWh），其中，風光發電量達37.2%（183.27TWh）。2045年可再生能源發電量計劃增至 899TWh，占比近80%，其中風光將占主導地位。
在配合歐盟CEP，并支撐德國能源轉型的過程中，德國三大法律起了基礎作用。
一是《可再生能源法》。從2000年頒布到現在，幾乎每三年修訂一次，旨在引導可再生能源健康發展，快速提升可再生能源比例。
二是《能源經濟法》。1998年，德國啟動了電力市場化改革，推動電力市場自由化，修訂《能源產業法修訂案》，將垂直一體化電力系統中的發電、輸電、配電和售電嚴格拆分，讓TSO、DSO獨立出來，為電力市場參與者提供了公平的競爭環境。
三是《溫室氣體排放交易法》。2004年7月正式頒布，增加了燃煤電廠發電成本。
考慮絕大多數的可再生能源都直接接入配電網即DSO，因此德國對配電網的擴建、升級改造要求很高，相應的投資主要集中在配電系統。為推動分布式自平衡為主的電力系統，德國又修訂了《加速電網擴建法》、《聯邦需求規劃法》和《電網擴建法》等法令，為德國電網特別是配網的加速建設、技術升級及協調發展夯實基礎。
特別需要注意的是，《電網加速擴建法》經修訂，2021年10月1日正式生效，規定100千瓦以上規模的電廠和所有DSO均有義務參與再調度，使得參與再調度的整體容量有了大幅提升，有助于實現電力市場平衡并增加電力系統的安全性。
積極創新電力模式
在歐洲能源轉型的整體法律框架及各國全力配合下，歐洲各國在提高能效、發展可再生能源、建設能源一體化市場體系、鼓勵技術創新、增強經濟競爭力、增加相互合作及保障能源安全等方面“八仙過海各顯神通”，發揮各自優勢和特長，進行了各種模式創新。
以德國為例，電網平衡結算單元（下稱平衡基團）與虛擬電廠孿生模式，是其電力市場的基礎，并在一些開放型的電力市場國家廣泛應用，包括英國和美國等。
平衡基團系統包括平衡單元和平衡單元管理人（或責任方），平衡單元管理人協調市場參與者，包括電力生產者、電力供應商、TSO和DSO等，力求電力在平衡單元內實現自平衡。
德國電網接入法令對平衡基團進行了規定。一個調度區域大約有100至200個平衡基團。原則上，每個電力用戶唯一地分配給與其電力供應商對應的平衡基團，如果電力用戶更換其電力供應商，其所屬的平衡基團將隨之更換。
一個電力供應商可以從屬于多個平衡基團，或者作為平衡基團管理人管理多個平衡基團。一般而言，規模較大的電力供應商都會在每個調度區域加入或管理一個平衡基團，這樣在每個調度區域都有供電資格并參與售電競爭。
平衡基團管理人可以是電力供應商、電力生產商、大型用電戶或其他市場參與者，必須是電力交易所會員，并與TSO簽訂合約。
平衡基團管理人需要準確地彌補在其平衡基團隨時出現的發電和負荷之間的偏差，這就需要管理人精準地預測平衡單元內所有用戶負荷及其變化，并在電力交易所通過各種電力交易來滿足這些負荷及其變化。電力生產者，作為電力賣方，需要履行其發電及交易義務，將足額的電力按時送到電網中；而TSO則需承擔彌補平衡基團中發電量和用電量之間實際偏差的輸送及調度責任。
德國四大TSO中約有2700多個平衡基團，德國電力市場以平衡基團為基礎，平衡基團管理人確保平衡單元內發電量、外購電量與用電量相匹配，因此，平衡基團首先追求在單元內實現供求平衡，偏差優先在調度區內解決；如果調度區內還不能實現，就進行跨區平衡，再到歐洲電網體系內進行平衡。
2700多個平衡基團如何各自維持并實現單元內電力供求平衡？虛擬電力（VPP）則提供了迄今為止最適合的解決方案。
虛擬電廠大有作為
虛擬電廠聚合分布式能源并集中調度，為電網和電力市場提供靈活性服務，大大提升電力系統靈活性。
單獨分散的中小型電力資源，雖然具有靈活性的潛力，但由于規模不大、分布分散、發電波動性大，難以直接提供系統服務，而虛擬電廠通過電力聚合商，將獨立的分布式電源組合起來，通過先進的信息技術系統，準確地預測、監控和優化來調度系統內的各種發電、儲能、放電及靈活用能以滿足單元內的電力需求，實現電力動態平衡。分布式電源通過電力聚合商參與電力市場交易，并提供靈活性服務。
據估計，德國現有電力聚合及靈活性市場規模約為75GW，到2030 年將翻倍。
這里，聚合的分布式電源以中小型為主，大致包括：
（一）分布式發電機組，如熱電聯產機組、沼氣電廠、水電、風電和光伏等可調度電源；
（二）需求側響應，即來自電力用戶需求側的靈活響應；
（三）已經接入了DSO或與電力用戶相聯的各類儲能，如電池、飛輪等。
如何運營虛擬電廠？
一是獨立電力聚合商運營模式。例如，2009年設立的Next Kraftwerke（NEXT），是歐洲規模最大的虛擬電廠之一，聚合了超過1萬臺各類發電機組，聯網容量超過9000MW。NEXT通過其功能齊全的控制系統與智能算法，利用發電廠運行、天氣、市場價格、電網運營等大數據，與各電源、TSO、DSO、電力用戶、電力交易所等參與方無縫聯結，并實時交互數據和信息，讓風電與光伏等發電和電力用戶更加靈活，參與方對價格信號響應更快，在促進市場平衡的過程中，實現參與方利益最優化。
二是中大型發電企業運營模式。發電企業可以將其發電資源、負荷用戶及發電機組聚合到虛擬電廠當中。例如，德國有五家主要的能源電力公司及約900家由市政所有的市級電力公司，他們擁有自己的發電資源。
在虛擬電廠運營中，可按最優化安排并出售其發電量及靈活性；優化利用其所有發電機組、用戶的工業負荷、水泵、熱電聯產和儲能設施，通過大數據及信息化手段，遠程管理發電及其他能源資源，最大化其利益并參與平衡服務。
在需求側負荷方面，虛擬電廠可將生產綠氫的電解水工廠納入其調控，鼓勵電解水工廠利用富余的可再生能源生產綠氫，通過快速調節綠氫產能提供靈活性，綠氫支持高耗能生產過程脫碳，并提供季節性平衡和市場平衡服務，增加額外收入。
虛擬電廠還可側重家庭的靈活性，為家庭安裝智能電表，鼓勵家庭在可再生能源發電較多的時段用電，有助于調節需求響應，調整負荷，實現削峰填谷，改善平衡基團以及局部電網平衡狀況。
三是分布式發電商運營模式。分布式電源發電企業，可以將其發電資源聚合進入虛擬電廠。分布式能源在靈活性方面具有一定的潛力，家庭電池儲能設施、熱泵、電動汽車等分布式能源供應商通過聚合其客戶及平衡基團內的分布式能源資源，推出虛擬電廠服務。
例如，作為一家家用電池供應商，Sonnen集合其風電、光伏及儲能等客戶組建會員制，通過區塊鏈技術與智慧化軟件實現智能聯結，形成虛擬能源池，會員富余的電力可輸送到虛擬的能源池，能源池隨時輸出電力滿足平衡需求。按照規則與合同，會員既可獲得一定量的免費電量，還可獲得一定的收入。另外，熱泵在德國也變成靈活性資源，可以參與虛擬電廠，預計將快速增長。
平衡單元的電力動態平衡對虛擬電廠的依賴性越來越高，而虛擬電廠在平衡基團運營中大有作為，最顯“用武之地”。當前，很多虛擬電廠運營商和平衡基團之間是合作關系，不少平衡基團管理人也運營虛擬電廠。
虛擬電廠經營環境
在德國，虛擬電廠大有可為，也大有作為，但虛擬電廠的生存和發展需要合適的經營環境。
（一）法律制度環境
在傳統垂直一體化供電體系中，虛擬電廠大都只是概念，難以實質性落地。在《電力大戰⑤：歐洲分拆制度，“三公”市場之核心？》中，我們介紹了歐盟《第三組能源法案》，其核心和基礎就是分拆（unbundling）制度。
根據《第三組能源法案》，德國修訂了《能源經濟法》，將TSO和DSO獨立于發電、交易和供應等其他電力市場主體，規模較小DSO須為發售電設立完全獨立賬戶。法律的強制效應使得德國大部分電力可以在電力批發市場進行公平、公正和公開交易，平等競爭的市場環境對新參與者（如以各種模式運營的虛擬電廠）的生存和發展至關重要。
德國《可再生能源法》推出了可再生能源在電力市場直接銷售與固定上網電價并存的可選替代方案，也就是說，可再生能源可以在批發市場直接售電，以獲取可能的市場溢價。之后的修正案直接規定，所有100kW以上的新增可再生能源都必須直接進入市場銷售，并增加沼氣發電，均能享有容量靈活性補貼。
《可再生能源法》的修訂鼓勵了100kW以上的大中型規模的可再生能源接入虛擬電廠，大大增加了虛擬電廠的容量規模，增強了虛擬電廠平衡服務能力，虛擬電廠在維護電力市場平衡中發揮越來越關鍵的作用。歸因于直接銷售以及靈活性補貼條款，參與虛擬電廠的各類能源，特別是可再生能源，可以實現更多的收益。
另外，相關的法令法規也要求TSO及DSO在采購輔助服務時，對虛擬電廠及需求側響應的電力聚合商不得有任何歧視，為虛擬電廠發展提供了更大的自由和空間。另外，虛擬電廠或電力聚合商可以將來自多個平衡基團的發電資源和靈活性捆綁在一起，活躍于電力批發和電力平衡市場，既降低交易成本，又擴大聚合規模，并提高盈利水平。
（二）電力市場機制
電力市場的首要目標是安全、經濟、動態地保證發電與負荷之間的平衡。
電力交易產品體系：電力交易所主要有期貨、日前現貨和日間現貨三個電力產品。
期貨交易可以延長到實際交割前二三年，主要用于對沖電價波動太大的風險。短期交易占據電力交易量的絕大部分，主要在歐洲電力交易所（EPEX）現貨市場進行。短期交易包括日前市場和日間市場，日前市場要求在中午12:00前對次日給定的某一小時電量進行報價，一旦出價交易成功，發電商就應啟動發電，并在當日14:30前將發電計劃提交給對應的TSO。
日前市場導致的偏差可通過日間市場進行彌補。當前，15分鐘前的出價和1小時前的出價可以交易到交割前5分鐘。日間交易通過連續報價模式，交易系統自動匹配買家和賣家，完成交易。
德國日間交易模式于2018年在歐洲范圍推廣，成就了歐洲跨境日間交易（XBID）模式和一套統一的歐洲跨區域日間市場體系。隨著歐洲各國可再生能源發電比例不斷增加，日間市場越顯重要，大大有助于平衡基團管理人（或責任方）更好地應對負荷變化和可再生能源發電量預測偏差。
虛擬電廠主要活躍在日前和日間市場。日間市場交割期短，偏好短時間內能迅速反應的靈活性電源，而虛擬電廠的靈活性電源恰好符合日間市場的偏好。除了滿足日間市場需求外，虛擬電廠還可以為TSO提供電力平衡服務，以解決電力系統可能的即時失衡及其導致的頻率偏差。
電力平衡市場：德國于2010年起就建立了統一的電力平衡市場，由眾多的平衡服務提供商為TSO提供靈活性服務。
電力系統頻率的穩定可以通過頻率三次控制備用保證。一次控制備用通過頻率控制；二次控制備用通過自動和手動激活的頻率恢復；三次控制備用通過手動控制，啟動時間稍長，以補充二次控制備用。三類控制備用的激活時間從30秒到15分鐘不等。
一次備用的最低投標單位為1 MW，且對稱投標，在正負兩個方向上提供相同的容量。一次控制備用的供應商只獲得容量價格的收益，而二次和三次控制備用對正負備用分別詢價，最低投標單位分別為5MW，并通過容量價格和平衡價格獲得收益，平衡能量的成本將轉嫁給引起啟動備用的平衡基團管理人（或責任方）。
在德國，每個發電廠和電力用戶都會被分配到相應的平衡單元，由平衡基團管理人保證平衡單元內的總發電量及外購電量與用電量之間的動態平衡。每個管理人須以15分鐘為單位，準確預測單元內第二天的電力供求，并向相應的TSO提交各自的平衡計劃。TSO則根據各管理人的報告，負責調度區內電力供應和負荷之間的平衡，并每15分鐘為每個平衡單元進行一次清算。
TSO實時監控每個平衡單元預測與實際情況之間的偏差，并購買平衡市場上的平衡服務解決各單元的實際偏差，費用即平衡電量耗費的成本，由各管理人承擔。為降低這一費用，管理人可在日間市場購電或售電以減少偏差。
由于市場的高度透明，發電企業將根據發電成本和預期價格，以成本最優的組合確定其發電計劃。電力市場將根據電力市場競價上網優先順序，即按機組的發電邊際成本優先排序進行交易，而風電及光伏等發電的邊際成本最低，總能夠在市場上優先出清。
電力市場交易的大數據將實時同步到TSO，并由TSO進行調度。電力交易后各平衡單元的實際供求差異，由TSO購買平衡服務來解決。如果電網發生阻塞，TSO可進行再調度，調整各類發電機組的發電量。
另外，為激勵各行各業提供靈活性，德國于2013年通過《可中斷負荷協議條例》，并進一步修訂，允許TSO對可中斷負荷進行招標。可中斷負荷既可以參與電力平衡市場，還可以參與TSO招標，從接入高壓高載能工業負荷到接入6-60kV 中壓電網分布式能源以及聚合的小負荷都可參與投標。
綜上，法律制度環境與電力市場機制促進了德國虛擬電廠的蓬勃發展。
虛擬電廠保障了高可再生能源比例電力系統的安全。一方面，虛擬電廠通過聚合各類分布式能源，根據電價波動調節電力供應和需求，在平衡市場為TSO提供平衡服務，大大提升了電力系統的靈活性，并支持可再生能源提供靈活性服務，有助于解決再調度及電網阻塞問題。另一方面，隨著可再生能源并網比例逐步提高，以小規模電源為主聚合的虛擬電廠也已啟動，可以顯著優化中低壓電網的電力平衡。
虛擬電廠在提升可再生能源消納空間的同時，還降低了電力基礎設施投入成本。虛擬電廠為可再生能源在電力市場直接銷售打下堅實基礎，并通過提供靈活性服務，促進可再生能源更大規模更大比例的并網消納。同時，虛擬電廠的靈活性服務可以大大降低電力系統基礎設施投資，減少傳統發電機組的投入，避免由于用電峰值增加導致的電網擴容。而且，虛擬電廠還為分布式能源投資人穩定投資回報預期，增加額外收入。
當然，德國虛擬電廠模式還在進一步完善中，包括研究探討是否建立更加靈活的市場機制，以容納更多的可再生能源、電動汽車電池和熱泵等小規模能源參與；是否創建獨立交易平臺，容納更小區域范圍的靈活性市場，并融合小規模能源和DSO為虛擬電廠運營商提供更多的發展機會，允許小規模能源進行投標，給提供靈活性的小型用戶降低資費，免除家用儲能提供靈活性的稅費和過網費等。
中國特色中國新能
截至2021年底，中國可再生能源裝機規模已突破11億千瓦，新能源發電量首次超過1萬億千瓦時，水電、風電、光伏、生物質發電裝機均居世界第一，但風光發電量占比還不到10%。
若干年前，中國一些電力專家認為可再生能源占比超過10%，電網系統很大可能會崩潰。如今，德國可再生能源占發電量占比達50.9%，風光發電量占比達37.2%，隨著虛擬電廠模式的進一步改善，對德國電網未來融入60%以上的風光發電有期待、亦有信心。
當前，中國以整縣開發為主題的分布式光伏如火如荼，可再生能源大基地建設風起云涌，各種模式的新能源項目遍地開花，未來將迎來高增長大比例的風光發電并網。
實際上，風光發電的不確定性，曾一度導致中國“棄風棄光”現象嚴重。考慮風光實際建成的裝機規模、并網比例、并網后的實際消納電量等數據，歷年來中國“棄風棄光”的實際比例恐怕比公布的數據要高，且風光發電并網導致的系統干擾和網絡可控性等問題，也曾引起風電場脫網事故。
中國特色下的中國新能源，能否像德國的新能源發展那樣，一路狂奔而不至于摔跤？
首先，中國需不需要一套關于支持可再生能源快速發展的新的法律體系？如歐盟的《第三組能源法案》和《清潔能源法案》。在現有能源電力相關法律框架下，各委辦部局相關部門頒發的從各自管轄權益出發的各類政策，是否有相當的制約力和有效性？
其次，中國現有的電力體制及改革的目標模式能否支撐大規模、高比例的風光接入和消納，并保證電力供應安全、用戶權益以及各市場主體的權益？
再次，中國現有并正在深化的電力市場，越過平衡基團，大談并鼓勵虛擬電廠，并同時大規模建設特高壓線路和儲能設施，這是否是中國電力市場和平衡市場的最佳選擇？
再次，按照碳中和目標的要求，到2060年，中國非化石能源占比要達到終端用能的80%，可再生能源將成為絕對主流。堅持現有的中國特色新能源發展模式是否能有效支撐碳中和的目標？
最后，如果全面學習全球比較公認的德國經驗和歐洲電力模式，能源改革的目標和路徑將面臨重大調整，中央企業的全國性電網資產，特別是配網資產，將不得不面臨分拆、社會化投資和經營。按照“四個革命一個合作”的能源安全新戰略，能源體制將不應是修修補補式的補充與完善，而是徹徹底底的體制機制革命。如果雙碳目標、能源安全和新能源發展構成革命的源動力，那么，這樣的革命誰來推動？如何推動？
（本文經作者授權發布，僅代表作者觀點。作者單位為國合洲際能源咨詢院。該機構專注于石油、天然氣、煤炭、電力、可再生能源及氣候變化等相關領域的深度研究、評估和咨詢。）