日本電力需求側管理向小規(guī)模分布式能源體系轉型

　　福島核事故暴露出大規(guī)模集中式電力供給的脆弱性，日本由此下決心建設新一代電力系統(tǒng)和能源綜合管理，以實現(xiàn)電力需求側管理的智慧化向以可再生能源、蓄能為代表的小規(guī)模分布式能源體系轉型。但分布式電源如何動態(tài)優(yōu)化組合、如何保證供需的實時平衡成為這一轉型的難題。

　　在能源互聯(lián)網(wǎng)的大背景下，需求響應(DR)和虛擬電廠(VPP)成為日本電力市場的新寵，二者不僅可以降低系統(tǒng)基本負荷和峰值負荷，彌補因核電大量關閉帶來的電力缺口，而且在負荷側增加了電源多能集成的互補性，降低了火電調峰需求，提高了可再生能源的利用。同時，促使電網(wǎng)根據(jù)不同類型電源輸出特性實現(xiàn)優(yōu)化配置，推動電網(wǎng)智能化提升。因此，DR和VPP 成為當前日本分布式能源互聯(lián)網(wǎng)市場創(chuàng)新的一大亮點。

　　電力市場新變化

　　隨著大規(guī)?？稍偕茉唇尤腚娋W(wǎng)，以及智慧能源技術快速發(fā)展，近幾年來，推廣實施DR和VPP技術的新商業(yè)模式在日本不斷涌現(xiàn)。DR和VPP的興起源于日本電力市場環(huán)境出現(xiàn)的五個新變化。

　　第一是自由化。2016年4月，日本電力零售市場實現(xiàn)了全面自由化，多元化市場主體紛紛加入電力市場競爭大軍。截至今年3月，新成立的售電公司超過500多家，售電占比已達13%，電力公司簽約換手率突破16.2%。而且，電力用戶不僅可以自主選擇售電公司，還能直接參與需求響應和虛擬電廠的市場交易中，電力供需平衡不再僅依靠發(fā)電側的“用多少發(fā)多少”，轉而通過供應和需求兩側的市場進行調節(jié)，自由化是日本電力市場變革的起點。

　　第二是脫碳化。為完成巴黎協(xié)定國家自主減排目標，日本一方面從電力供給側入手，大力發(fā)展以光伏發(fā)電為主的可再生能源以彌補核電缺口和替代化石能源，但由于可再生能源發(fā)電本身的缺陷，仍難以保障電力的穩(wěn)定供應;另一方面，從電力需求側管理入手，除依靠傳統(tǒng)的節(jié)能措施外，深度挖掘用戶側的分布式能源潛力，這已成為日本實現(xiàn)脫碳化目標的一條新路徑。

　　第三是分散化。相較依靠大規(guī)?；痣?、核電等為中心的傳統(tǒng)集中式電力系統(tǒng)，日本正在構建以光伏、風電等小規(guī)模分布式電源以及結合儲能技術的新型分散化電力系統(tǒng)，終端用戶不僅僅是電力的消費者，同時又是電力的“生產者”。

　　第四是數(shù)字化。信息技術與能源產業(yè)的深度融合促進了電力數(shù)字化的發(fā)展，不僅可以遠程調控用戶側發(fā)電、蓄能和用電設備，而且能將大量散落的小規(guī)模電源聚合起來，形成強大的用戶側發(fā)電資源，配電系統(tǒng)由傳統(tǒng)的單向潮流向滿足供需平衡的雙向潮流轉變。

　　第五是人口過少過疏化。據(jù)預測，到2050年日本總人口將下降30%，到2100年將下降一半，電力需求在未來的10年預計將會減少10%左右，電力產業(yè)的規(guī)模經濟性將遭到巨大挑戰(zhàn)。

　　需求管理新模式

　　面對電力市場的新變化，DR和VPP作為需求側管理的重要模式異軍突起。傳統(tǒng)的DR從電力需求側管理中進化而來，以價格誘導和行政指令為主，主要包括分時電價、尖峰電價和可中斷負荷電價等方式，并通過下達指令，實現(xiàn)負荷削減，但很難做到快速響應。而在電網(wǎng)智能化的背景下，新型DR完全實現(xiàn)了自動調控。電力供應緊張時，自動向用戶發(fā)出削減負荷的需求響應信號，電力用戶自動接收信號，通過能量管理系統(tǒng)控制調整用電，并對需求響應結果自動報告。

　　VPP既是分布式能源也是能源互聯(lián)網(wǎng)的創(chuàng)新應用。從電力供應角度看，VPP利用互聯(lián)網(wǎng)和能源管理技術將用戶擁有的分散式小規(guī)模電源集成優(yōu)化，進行遠程控制和利用，像電廠一樣供應電力;從電力消費角度看，通過聚合控制用戶儲能裝置，實現(xiàn)消納可再生能源富余電力，保障電力供需平衡。據(jù)推算，到2030年日本分布式發(fā)電設備裝機容量能夠達到2591萬kW，相當于25座百萬千瓦級煤電機組;若10%的儲能設備參與電網(wǎng)調節(jié)，規(guī)模將達到1320萬kW，相當于26座百萬千瓦級煤電機組的調節(jié)能力。

　　VPP與RD既有重疊，又有差異。VPP重點在增加供給，會產生逆向潮流，而DR重點強調削減負荷，不會發(fā)生潮流逆向。因此，是否會造成電力系統(tǒng)產生逆向潮流是二者最主要的區(qū)別。

　　日本將狹義上的VPP定義為直接并網(wǎng)的可再生能源發(fā)電設備和儲能裝置，而廣義上的VPP還包括用戶側的新型DR，但傳統(tǒng)DR則不包含在其中。廣義的VPP涉及的分布式“電源”主要包括發(fā)電設備、儲能設備以及各種節(jié)電設備。

　　上世紀70年代，日本開始大力推行電力需求側管理(DSM)。從1973年到2014年，GDP增加了2.4倍，但工業(yè)能耗卻減少了10%，節(jié)能水平達到世界之最。進入90年代，日本著手DR技術研究，但真正開始實施是在2011年東日本大地震之后。

　　新型DR技術近幾年開始興起，2014年6月，日本第4次能源基本計劃提出：為推動用戶側有效開展節(jié)電，隨著電力改革穩(wěn)步推進，要積極創(chuàng)造條件引進新型“需求響應”模式，通過用戶側需求管理，維持發(fā)電容量的合理規(guī)模，實現(xiàn)電力穩(wěn)定供給。2016年日本政府制定的“日本再興戰(zhàn)略”提出到2030年要實現(xiàn)需求響應占總電力需求6%的目標。2016年日本電力公司的需求響應容量約為10.7GW，其中78%負荷得到釋放。伴隨DR響應電量(電源Ⅰ-b)在批發(fā)市場上市交易，2017年被稱為日本的“DR元年”。2017年12月，日本電源Ⅰ通過競價實現(xiàn)對電力用戶側負荷資源統(tǒng)一調控，全年完成133萬kW的響應量，其中DR達到95.8萬kW，價值約合36億日元。

　　2015年6月，“日本再興戰(zhàn)略”明確提出推廣VPP的政策。2016年4月，“能源革新戰(zhàn)略”制定了從2016年到2020年的政府補貼規(guī)劃，大力支持企業(yè)開展VPP技術研發(fā)，重點任務之一是驗證50MW以上虛擬電廠技術的可靠性，計劃到2020年實現(xiàn)VPP經濟自主。2018年7月出臺的第5次能源基本計劃，繼續(xù)明確了加快低成本儲能電池、V2G(Vehicle to Grid)、電轉氣(P2G)等技術推廣，加強低功率廣域網(wǎng)絡技術(LPWA)和M2M、P2P的技術研發(fā)，以進一步推動電源的低碳化。2016年日本有7個示范項目獲得總計26.5億日元的補助，2017年有6個示范項目得到總計60多億日元補助。

　　運行機制市場化

　　完善市場機制是DR和VPP規(guī)?；l(fā)展的關鍵。

　　2015年11月，日本首相安倍晉三指示要在2017年創(chuàng)建“負瓦特市場”，以提高民眾節(jié)電的積極性。傳統(tǒng)發(fā)電廠發(fā)出的電能被稱為“正瓦特”，而節(jié)電產生的電能則被稱為“負瓦特”，電網(wǎng)的負荷平衡可通過電源供給“正瓦特”或削減負荷的“負瓦特”實現(xiàn)。“負瓦特市場”參與各方可以通過市場共同分享利益。

　　負荷集成商通過聚合調控分散式電源獲取市場利益，企業(yè)通過自身的儲能裝置、備用電源和電動汽車等向負荷集成商提供電能而獲益，通信和IT公司通過提供電力控制技術以及相關數(shù)據(jù)分析等獲得商機，個人電力用戶則可通過提供屋頂光伏、儲能裝置和電動汽車向負荷集成商提供電能。由此可見，市場主體之間有效合作機制的建立，才能保證所有參與者的合理收益，使參與者保持長期參與的積極性，確保市場的穩(wěn)定性和價值實現(xiàn)。

　　“日本再興戰(zhàn)略(2016)”提出，到2030年，負瓦特交易量要實現(xiàn)與美國相同水平，達到最大電力需求的6%。日本最大電力需求峰值約為160GW，按6%計算則為10GW，相當于10座百萬千瓦級煤電機組，潛力巨大。

　　2017年4月，日本負瓦特市場正式啟動，目前按交易主體和目的可以分為兩大類，第一類是電力零售企業(yè)，主要目的是調控用戶側節(jié)電量與計劃發(fā)電量的匹配;第二類是輸配電企業(yè)，目的是通過增減負荷保障供需平衡。

　　日本電力市場實行自由化之前，電價完全按成本核算，電價不僅包括電能本身的價值、還包括保障電力供給所必須的電力容量價值，以及調節(jié)電力供需平衡和維持電能質量的調峰容量價值。負瓦特市場使得減少負荷電力需求與電源發(fā)送電力具有相同價值。于是，電力市場設計開始重新評估市場各方的利益和價值。

　　經過幾輪電改，日本逐步建立起了基于期貨市場、日前市場、小時前市場、現(xiàn)貨市場等DR和VPP參與的市場運營機制，今后還將陸續(xù)建立和形成基荷市場、容量市場、非化石價值市場、輔助服務市場等新的電力市場機制。從今年5月起FIT綠色證書將在非化石價值市場交易，2019年該市場還將向所有非化石能源開放;為促進新電力公司參與基荷電源交易競爭，日本計劃2019年創(chuàng)建基荷電能市場;競爭性電力市場還要求建立電力容量和調節(jié)容量的市場機制，2020年日本將啟動容量市場，并創(chuàng)設需求調節(jié)市場。市場機制的完善使DR和VPP在不同市場環(huán)境下形成調度和競價，更具有廣泛的適用性，但也必須注意市場價格和響應速度是影響其發(fā)展的關鍵。

　　綜上所述，DR和VPP商業(yè)模式不僅是收集分散的電能、控制負荷量，還可以參與系統(tǒng)調度，提供調峰、調頻輔助服務等，從而在促進可再生能源大規(guī)模發(fā)展的同時提升電力系統(tǒng)的調節(jié)能力和可靠性。隨著分布式能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，未來發(fā)電、容量、調峰三大價值將形成獨立市場體系，日本電力市場將進入以DR和VPP為代表的電力供需耦合新時代。