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【科学·近距离】
电能是工业的动力和命脉。它从“实”中来，要到“实”中去。可虚拟电厂又是怎么回事呢？
要想说清这个问题，先要从新能源系统说起。
新能源体系建设是一场全方位的能源革命。一方面，以风能发电、光伏发电为代表的新能源具有很强的可再生特性，不仅可以减少对化石能源的依赖，提高能源自主性；还可为广大欠发达地区、低收入人群提供普惠可及的能源，让更多人享受到新能源带来的生活便利和社会福祉，有助于缩小地区发展差距。但另一方面，新能源的一些特性，如波动性、间歇性和不可控性，给电力系统的安全稳定运行带来了新难题，如电网的供需平衡问题、能源存储和调度问题等。这些问题不仅影响了新能源的高效利用，也对电力系统的稳定性提出了更高要求，成为保障国家能源安全的新挑战。
完善新能源消纳和调控政策措施是构建新型能源体系的重要组成部分，旨在提升电力系统对新能源的消纳能力，确保新能源大规模发展的同时保持合理利用水平，降低对电网运行安全的挑战。正是在这种情况下，虚拟电厂应运而生。它被公认为能源领域的新质生产力，在促进新能源消纳和调控方面的作用正逐渐显现。
虚拟电厂不需要大额投资建设一座新的物理上的电厂，而是利用先进的信息通信和控制技术，将分布式电源（如自用小型发电装置）、各类可调负荷（电网中所有具备调节能力的用户和设备的电功率总和）和储能装置（如电池）等聚合成可控集合体，成为一个虚拟的能源供应和消纳单元。我们可以将虚拟电厂想象为一个“网约车平台”，在这里，它将多个乘客（能源需求）和司机（能源供应）的信息集中起来，智能匹配，以提高车辆（电力资源）的使用效率。传统的火电厂和水力发电设施往往集中在一地建设，虚拟电厂则通过互联网，对分散在多地的电源、储能和负荷聚集起来形成合力，“集中力量办大事”，解决各地能源供需的失衡问题。
进一步研究发现，在我国的通信行业中就隐藏着一座“发电能力”比三峡大坝还要大的潜在虚拟电厂——5G网络基站中的电池资源。
5G网络基站具备了建设虚拟电厂所需的主要条件：
首先，规模大。我国的5G网络凭借世界领先的技术快速发展，在工业和民用领域取得了显著成果。根据工信部截至2024年9月的数据，我国目前5G基站总数为408.9万座，网络规模全球最大。以每个5G基站平均负荷10千瓦功率计算，仅中国铁塔股份有限公司持有的230万座5G基站的潜在可调负荷，总计将可达2300万千瓦，与三峡大坝的装机总量2250万千瓦量级相同。
其次，可调节。由于考虑电力中断时需要应急通信，每个5G基站均已配备了备用电池，可以在一定时间段内按需使用备用电池供电，对外呈现的是电网负荷变小，可起到发电能力增大的近似效果。
最后，投资低。根据国家电网有限公司的测算，预计2025年全社会用电功率为15.7亿千瓦，从可调负荷需求看，按照在全国构建不少于最大负荷5%的可调节负荷资源库，需构建可调负荷资源库约7850万千瓦。为满足这个调节能力，需要4000亿元火电投资，在满足相同调节能力的要求下，通过建设、运营、激励等环节构建虚拟电厂的投资成本约为传统火电厂的12%。如前所述，由于基站内的备电资源已经建成，无须额外投资购买电池，可以节省购买电池组的高额费用。经粗略测算，5G基站方案下构建的虚拟电厂建设成本，仅为同样规模传统火电方案建设成本的1%，可谓是低成本撬动大收益。
笔者认为，这座虚拟电厂一旦建成，将给我们带来一系列的好处：
一是这些5G基站作为电网的用电大户，如果能在发电与用电供需不平衡时控制自身电池组放充电，调节电网负荷，将大大减轻对电网的调节压力，保障电网安全平稳运行。
二是通过虚拟电厂优化电力资源配置和利用效率，可以降低电力交易成本，让普通百姓在享受稳定可靠用电服务的同时，降低用电支出。
三是由于5G的技术特性，其能耗是4G网络的10倍左右，大量高能耗的5G基站产生的高额电费也是困扰电信运营商的一个难题。建设虚拟电厂将显著降低运营商的电费支出，进而降低百姓使用先进通信网络的成本，为未来6G技术的发展和推广积累宝贵的经验。
总之，如果建设基于5G基站的虚拟电厂，将这座隐藏的宝藏挖掘利用好，无须大规模投资又可以利国利民，将成为新能源消纳和调控的典范，为新能源体系建设做出贡献。
由此可见，类似通信这种可以利用自身备电资源的行业，能通过类似云业务的发展模式，首先在行业内部实现虚拟电厂的运行和完善，然后逐步向其他行业快速复制和推广。这种模式不仅可以提高相关行业的能源效率，还能为全社会的能源管理提供新的解决方案。
目前，基于5G基站方案构建的虚拟电厂在一些省市已经实际参与到电网负荷调节中，并取得了良好的效果。
例如2024年夏季，上海经历了罕见的持续高温天气，高温橙色预警频发，最高用电负荷首次突破4000万千瓦整数关口。基于少量5G基站构建的虚拟电厂，以4万千瓦的负荷成功参与需求侧响应，在用电高峰时段启动备电电池，满足自身用电需求以降低对电网的压力，相当于瞬间启动了一座每小时需要16吨燃煤的中型火电站，却没有产生任何空气污染和碳排放。
而在夜间用电低谷期，风电等新能源可能处在发电高峰期，发电量往往超出电网的消纳能力，如果不能充分利用，不仅浪费了清洁能源，过多的发电量还可能导致电网频率和电压的波动，威胁电网的安全。这时，可以启动虚拟电厂为基站内的备电电池充电，把消纳不掉的新能源电量储存起来，提高新能源利用效率的同时，助力电网安全运行。
据不完全统计，如果将上海地区的5G基站全部组织起来，由其组成的虚拟电厂响应负荷将达80万到90万千瓦，相当于一座大型火电场的发电能力，能够为近百万户家庭提供清洁的生活用电。随着各行各业更多类似的可调负荷，如配备储能设施的充电桩等被纳入虚拟电厂，将形成一个调节能力更强大的虚拟电厂资源池。
与此同时，虚拟电厂作为能源行业新质生产力的典型应用，对于国家能源安全也具有重要的现实意义。能源安全不仅关系到经济的稳定和发展，还涉及人民生活水平的提高和社会的长治久安。虚拟电厂在无须大量投资的前提下，通过技术创新、政策支持和市场机制的完善，通过“削峰填谷”等措施可以有效应对新能源的波动性、间歇性等特点，实现能源的绿色低碳转型，保障能源供应的稳定性和可靠性。同时，通过新能源稳定可靠的供应，逐步降低对进口化石能源的依赖，可以有力提高我国的能源独立性。
因此，作为一种新型的电力资源管理和运营模式，虚拟电厂对促进国家能源安全具有重要意义，是保障国家能源安全的重要手段。
（作者：胡继业 韩亦舜，分别系清华大学博士生，清华大学数据科学研究院教授）
