生产和需求随时协调、所有人都参与电力系统平衡，才是实现100%可再生能源的最好方法。
（来源：微信公众号“能源新媒” 作者：范珊珊）
德国联邦环境局（UBA）年初发布的消息称，德国2022年可再生能源生产创纪录达到256太瓦时（TWh），可再生能源发电占德国总用电量的44.6%。在这个过去只有几十家传统发电厂的地方，现在拥有超过3万台风力发电机、超过一百万个太阳能发电系统和数千个生物质发电机组。
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特别是俄乌危机爆发后，可再生能源在德国发展势头更加迅猛，虚拟电厂也成为一股不容忽视的力量。大量小型分布式能源(DER)逐渐取代传统发电厂，虚拟电厂（VPP）作为新型电力系统的重要支持，不仅聚合数以千计的电力生产商、消费者和存储单元，并且通过智能系统监测、预测，优化发电和调度，让电力资源实现更为高效的配置，帮助电网持续稳定。
如果你驾车穿过科隆附近的莱茵褐煤矿区，一定不会错过Niederaussem电厂高达100多米的混凝土塔，它的运营商——德国传统电力集团RWE ，通过这个燃煤电站全天候向外可靠地供电。同样在科隆一个旧厂房改造的办公区内，Next Kraftwerke公司作为发电企业却并不拥有物理意义上的发电厂，但其凭借强大计算系统整合了上万个发电工厂，成为欧洲最大的虚拟电厂运营商之一。
成立于2009年的Next Kraftwerke，是德国最早探索虚拟电厂的公司，也是目前德国最大的虚拟电厂运营商。2022年4月，该公司对外宣布，实现一个新的里程碑，即并网发电装机容量已突破1万兆瓦，通过智能控制系统，在德国、比利时、奥地利、法国、波兰、荷兰、瑞士和意大利运营着13000多个分布式能源单元，而运用的电力设备也从最初的生物质慢慢扩展到风电、太阳能以及近两年来的电池储能、电动汽车等。据介绍，2018年至今，该公司的产品组合装机从4600兆瓦增加到万兆瓦，翻了一番多，其中超过6000兆瓦来自太阳能。
也正是可再生能源对电网的稳定性提出的挑战给像Next Kraftwerke这样的公司带来新的机遇。“数字化连接、控制和调节大量不同的能源是虚拟发电厂的任务。”德国能源署 (Dena)数字化专家Philipp Richard解释说。
如何工作？
可再生能源长期以来一直是电力供应的核心组成部分。鉴于可再生能源的快速发展，系统的协调和控制发挥着越来越重要的作用。在欧洲，电力系统由发电、输电、配电和销售四个环节构成，而电网运营主体可以划分为输电系统运营商（TSO）和配电系统运营商（DSO）。其中，TSO负责输电网络的控制和运营，是具有垄断性质的业务；而DSO则主要负责将电力分配给用户，是竞争性的业务。
因而，欧洲的虚拟电厂通常是由第三方运营商、发电厂，以及TSO合作运营的。首要任务也当然是为发电单位服务，并设法提升效率，降低成本。
“我们运营容量超过1万兆瓦的虚拟发电厂，不仅说明了具有高比例可再生能源的能源系统如何工作，它还展示了许多分散式系统如何集中、智能、协同地为稳定的电力供应做出贡献，Next Kraftwerke创始人Jochen Schwill说。
事实上，每一个独立的能源系统都有可能成为虚拟电厂的一部分。Next Kraftwerke使用智能控制来聚合其成员的电力并灵活分配，相当于模仿一个集中式发电厂。也就是说，虚拟电厂以控制系统为核心，整合了气象预测数据、负荷数据等，首先通过算法进行功率预测与负荷预测，然后基于多维数据智能决策，对资源配置做出判断，在主网内发挥电厂的调节作用。
资料显示，Next Kraftwerke业务更为关注发电侧，业务主要分为三块：一是帮助新能源发电企业实时监测发电情况，帮助他们降低发电成本或者负电价带来的损失；二是面向电网侧，帮助客户使用发电设备为电网提供短期柔性储能服务，并赚取收益；三是根据电网状况调整用电侧的需求，将电网测的需求分配到现货市场的低价时段。
在德国，日间电力市场允许接近实时的电力交易，订单到交割之间的时间缩短产生了对在短时间内可获得的快速可控灵活性资源的更多需求，而这类需求可以由虚拟电厂通过其资源组合提供。
德国国际合作机构的报告称，Next Kraftwerke管理系统可以根据日间市场信号进行调整，日间市场是保持整体电力系统平衡必不可少的工具。Next Kraftwerke公司根据电力市场波动调整其资源池中的可调度能源发电机组和负荷的出力和需求，为客户带来收入，同时为系统平衡做出贡献。
以接入该公司的生物质电厂为例，NEXT Box系统将电厂和远程控制中心连接起来，实现无线双向远程传输，对其发电量按照15分钟的间隔进行调控，根据电力批发市场的价格波动每天上下调整20次，以优化发电收入。
除了管理发电，Next Kraftwerke还提供了负荷管理的服务。为鼓励工商业客户转移负荷，Next Kraftwerke按照日间市场电价的变化，向工商业客户提供不同类型的电价（电价构成取决于使用时间、用户调整生产计划的灵活性等）信息。客户可以根据Next Kraftwerke发出的价格信号自行决定执行计划，也可以完全由Next Kraftwerke进行远程自动调控。
在德国，输电运营商是独立的机构，Next Kraftwerke可以进行实现完全平衡管理或部分平衡管理，通过优化发电量和用电量预测，继而参与日间市场的电力交易，最终解决预测和次日实际计划之间的偏差，实际上是充当了“电网调度员”的作用。
通过网络提供软件服务除了运行虚拟电厂，Next Kraftwerke还提供可定制虚拟电厂（NEMOCS）服务，为能源公司建立自己的虚拟电厂提供软件解决方案。也就是说，虚拟电厂是一个集中分散式能源的管理系统，汇集可再生和不可再生单元、存储设备和可调度负载的容量，把他们捆绑成一个规模较大的组合，为电力系统服务。
核心是什么？
管理巨大的分散的可再生能源系统，强大的收集数据、分析和做出决策的系统是虚拟电厂管理的核心。Next Kraftwerke亦是如此。
“我们为可再生能源提供市场准入以及发电量预测，并看到到对控制可再生能源解决方案的不断增长的需求，帮助电网实现平衡，并预测电力市场将发生什么。可再生能源的日益普及给无数国家的电网运营商提出了许多需要回答的问题：电力从何而来？它去哪儿了？四小时后会发生什么？我们可以告诉客户，可再生能源这一秒在每个电网交叉点产生多少电力，并将过程可视化，预测四小时后会发生什么。”Jochen Schwill称。
除了强大的数字化的系统作为支撑，在该公司国际部经理Leonard Hirsch看来，他们善于收集客户的数据，来预测市场的变化。特别是目前价格很贵的情况下预测更要正确，告诉输电商第二天可以提供的电力情况，现货市场的日前和日间交易更考验公司的能力。
这是一种聚合服务，由他们的控制系统完成，使用基于大数据（例如电厂运行情况、 天气数据、市场价格信号、电网数据）的智能算法，使可再生能源发电机组和工业用户更加灵活，对价格信号的响应更快。通过更有效地部署电网资产，分布式资源的聚合，降低了每个人的电力成本，尤其是虚拟电厂参与者。
在德国，虚拟电厂应用已经进入到了商业化的阶段。作为独立的虚拟电厂运营商，Next Kraftwerke竞争对手主要是电力交易商、电力公司和能源领域的技术公司。在Jochen Schwill看来，公司研发的核心在于技术和气象学。“这就是为什么我们一直关注有趣的技术发展，这仍然是一场相当抽象的比赛，但我们将不得不面对它。例如，我们需要机器学习和改进算法来实现更为准确的天气预报。”
对Next Kraftwerke来说，电动汽车在近两年的发展也给其提出新的挑战，数以百万计的电动汽车将在一夜之间接入电网，这意味他们为电网运营商更大的灵活性提供可能，提供了大量存储空间供我们使用，那么，这意味着虚拟电厂运营商将直接进入家庭。
Jochen Schwill认为，最迟到2050年，可再生能源可以满足德国100%的电力需求，电力系统将足够灵活，问题是两个系统仍然并存：旧的中心化市场系统和新的去中心化市场系统，这从长远来看是行不通的。“随着可再生能源在电力系统中所占份额的增加，我们不能再像旧系统那样简单地跟踪负载和供应。而是生产和需求必须相互协调，现在是所有参与者调整和适应新系统，以实现100%可再生能源的时候了。”
