城市虚拟电厂：多样化城市中的“能源魔方”——发展路径与多城市模式创新案例解析

中国项目投资产业基金

城市虚拟电厂：多样化城市中的“能源魔方”——发展路径与多城市模式创新案例解析

原创 胡宏峻 源网荷储创研新视界

在能源转型的时代浪潮下，城市虚拟电厂作为一种创新的能源管理模式，正逐渐崭露头角。它如同一个神奇的“能源魔方”，能够根据不同城市的特点，巧妙地组合和调配能源资源，实现能源的高效利用和可持续发展。本文将深入探讨城市虚拟电厂在多样化城市中的应用模式与发展路径，为城市能源的优化管理提供新思路。

一、多维度城市分类体系构建

（一）产业结构维度

工业主导型城市：这类城市以大型制造业、重化工业为核心产业，工业在经济结构中占据主导地位。其能源需求呈现出巨大且集中的特点，工业生产过程的能源消耗峰谷特征显著。例如，拥有大型钢铁厂、化工厂的城市，在生产作业时段能源消耗达到高峰，对能源供应的稳定性和可靠性要求极高，任何能源供应中断都可能对生产造成重大损失。

服务业发达型城市：金融、商贸、信息技术等服务业是这类城市的主要产业支撑。能源消耗相对分散，峰谷差异较小。以金融中心城市为例，办公时间内能源需求较为稳定，主要用于办公设备运行和场所照明等；非办公时间则大幅下降，大部分商业设施和非必要公共服务设施处于低负荷或关闭状态。

综合性城市：兼具工业生产、服务业、农业等多种产业类型，能源需求结构复杂，峰谷变化受多种因素综合影响。如沿海发达城市，产业结构多元化，能源需求同时受工业生产、商业活动和居民生活等多方面因素作用，不同产业在不同时段的能源需求各异，导致城市能源需求的峰谷变化更为复杂。

（二）能源消费结构维度

化石能源依赖型城市：主要依赖煤炭、石油、天然气等传统化石能源，可再生能源占比较低。在能源转型过程中面临较大压力，虚拟电厂的应用可侧重于促进化石能源的高效利用，如优化发电调度，减少能源浪费，同时逐步引入可再生能源，实现向清洁能源的过渡。

可再生能源潜力型城市：拥有丰富的太阳能、风能、水能等可再生能源资源，可再生能源在能源消费结构中占比较高或具有巨大的开发潜力。像一些西部风光资源丰富的地区或南方水电资源充沛的城市，虚拟电厂可重点围绕可再生能源的消纳和优化配置展开应用，通过智能调度和储能系统，解决可再生能源的间歇性和波动性问题，提高能源利用率。

能源结构均衡型城市：化石能源和可再生能源消费比例相对均衡，具备较好的能源转型基础。这类城市可以更加注重多种能源形式的协同优化和灵活调度，虚拟电厂可以实时监测和调整不同能源的供应，根据需求和资源状况，灵活调整能源结构，确保能源供应的稳定性和经济性。

（三）气候条件维度

高温高湿地区：夏季气温高、湿度大，居民生活用电需求大幅增加，尤其是空调等制冷设备的负荷较大。虚拟电厂可针对这一特点，通过需求响应策略引导用户在高峰时段合理调整用电行为。例如，鼓励居民在非高温时段使用电器，或者通过价格激励机制引导企业调整生产计划，避开电力高峰时段，从而减轻电网压力。

寒冷干燥地区：冬季取暖需求大，能源消耗集中在供暖期。虚拟电厂可以结合当地的可再生能源资源，如太阳能供暖、生物质能供暖等，优化供暖系统的运行。例如，利用太阳能集热系统在白天收集热量，储存并在夜间或阴天供应，提高能源利用效率，减少传统能源的消耗。

四季分明地区：不同季节的能源需求差异较大，虚拟电厂需要根据季节变化灵活调整应用策略。例如，在夏季加强制冷负荷管理，冬季加强供暖负荷管理，春秋季则可以侧重于优化其他负荷的调度，实现全年能源的均衡供应和优化配置。

（四）地理区位维度

沿海城市：具有丰富的海洋能资源和便捷的海上运输条件，有利于大规模可再生能源的开发和能源的进出口。虚拟电厂可充分利用海洋能等特色资源，开展海上风电、潮汐能等分布式能源的集成与管理。例如，在沿海地区建设大规模海上风电场，通过虚拟电厂将风电与其他能源进行协同调度，提高能源系统的稳定性和可靠性。

内陆城市：能源资源的分布和获取方式与沿海城市有所不同，可能更依赖于本地的煤炭、水电等资源。虚拟电厂的应用可以侧重于本地分布式能源的整合和优化，提高能源自给率。例如，利用当地的生物质能资源建设小型生物质发电厂，与其他分布式能源共同组成虚拟电厂，保障本地能源供应。

边境城市：与周边国家或地区在能源合作方面具有独特的优势，可通过跨境能源交易、互联互通等方式，拓展虚拟电厂的发展空间。例如，与邻国签订能源合作协议，开展电力互济、能源贸易等活动，通过虚拟电厂实现跨境能源的优化配置。

二、基于多因素综合分析的

城市分类示例

A类城市：工业主导型、化石能源依赖型、高温高湿气候、沿海城市。以上海为例，作为我国重要的工业基地和金融中心，能源需求大且集中在工业生产和商业活动时段，夏季高温高湿，居民用电需求高。同时，作为沿海城市，具有丰富的海洋能资源和便捷的能源进出口通道。

B类城市：服务业发达型、可再生能源潜力型、寒冷干燥气候、内陆城市。如成都，以服务业和高新技术产业为主，能源消耗相对分散。城市周边太阳能、风能资源丰富，冬季取暖需求大。

C类城市：综合性、能源结构均衡型、四季分明、边境城市。如哈尔滨，产业结构多元化，化石能源和可再生能源消费比例相对均衡。四季分明，不同季节能源需求差异大，且与俄罗斯在能源领域有一定的合作基础。

三、针对不同类型城市的虚拟电厂

应用策略和发展路径

（一）工业主导型、化石能源依赖型城市

应用策略

能源效率提升：借助虚拟电厂技术，对工业生产过程中的能源消耗进行实时、精准监测与分析。运用大数据分析和人工智能算法，挖掘节能潜力，优化生产工艺和设备运行参数。例如，根据生产负荷动态调整设备运行频率，避免设备在低负荷状态下的高能耗运行，提高能源利用效率，降低能源消耗。

化石能源清洁化利用：结合碳捕集、利用与封存（CCUS）技术，对传统化石能源发电过程进行全面改造。将捕集到的二氧化碳进行资源化利用，如用于化工生产、地质封存等，减少碳排放。同时，利用虚拟电厂的智能调度功能，合理安排化石能源发电与其他分布式能源的协同运行。例如，在电力需求低谷时，适当减少化石能源发电，增加可再生能源发电比例，提高能源系统的整体效率。

需求响应管理：针对工业用户制定差异化的需求响应策略。通过经济激励手段，如峰谷电价、补贴政策等，鼓励企业在非高峰时段调整生产计划，参与电网的需求响应。例如，引导企业在夜间或周末等低谷时段进行生产，避开用电高峰。同时，通过虚拟电厂平台，实时监控企业用能情况，为企业提供节能建议和技术支持，引导企业安装储能设备，在高峰时段释放电能，减轻电网负荷压力。

发展路径

短期：开展全面的能源审计和能效评估，运用专业的能源评估工具和方法，确定重点节能企业和环节。推广先进的节能技术和设备，如高效电机、余热回收装置等。建立初步的虚拟电厂管理平台，实现对部分大型工业用户的能源监测和需求响应管理，通过试点项目积累经验和数据。

中期：逐步扩大虚拟电厂的覆盖范围，整合更多的分布式能源资源。除企业自备电厂、余热余压发电外，还可引入其他可再生能源发电项目。加强与周边城市的能源合作，建立能源互济机制，实现能源的跨区域优化配置。例如，与周边城市的虚拟电厂进行电力交易，共享能源资源。

长期：推动产业升级和能源转型，加大对可再生能源的投资和开发力度。鼓励企业采用清洁能源替代传统化石能源，逐步降低对化石能源的依赖。构建以虚拟电厂为核心的智能能源系统，实现能源的高效、清洁、可持续利用。例如，建设虚拟电厂与分布式能源的协同控制平台，实现能源的智能化管理和优化调度。

案例解析

以唐山为例，作为典型的工业主导型、化石能源依赖型城市，其钢铁产业发达，能源消耗巨大且集中。当地引入虚拟电厂项目后，对重点钢铁企业的生产设备进行能源监测。通过大数据分析发现，部分高炉在低负荷运行时能耗过高。于是，利用虚拟电厂技术，根据生产订单和市场需求，实时调整高炉运行参数，在半年内就使这些企业的能源利用效率提升了15%。同时，结合CCUS技术，将部分钢铁厂的二氧化碳捕集并用于化工生产，既减少了碳排放，又创造了额外的经济效益。在需求响应方面，通过峰谷电价激励，引导企业将部分非关键生产环节调整到夜间低谷时段，有效缓解了电网高峰压力。

（二）服务业发达型、可再生能源潜力型城市

应用策略

分布式能源集成与管理：充分利用城市丰富的可再生能源资源，如太阳能、风能等，通过虚拟电厂将分布式能源进行集成和管理。采用智能微电网技术，实现分布式能源的就地消纳和优化配置。例如，在城市建筑物上安装太阳能光伏板，通过智能逆变器将直流电转换为交流电，并接入本地电网。虚拟电厂实时监测分布式能源的发电情况，根据负荷需求进行智能调度，提高可再生能源的利用率。

储能系统应用：由于可再生能源具有间歇性和波动性，需要配套建设储能系统。虚拟电厂可以实时监测储能系统的充放电状态，根据电网负荷需求和可再生能源发电情况，优化储能系统的运行策略。例如，在可再生能源发电过剩时，将多余的电能存储在储能系统中；在发电不足或用电高峰时段，释放储存的电能，确保电网的稳定运行。

需求响应与虚拟电厂协同：结合服务业用户的用电特点，制定灵活的需求响应策略。例如，在非办公时间引导商业用户调整照明、空调等设备的运行，参与虚拟电厂的需求响应。通过虚拟电厂的智能调度，实现需求响应与分布式能源的协同运行。例如，当可再生能源发电不足时，通过价格激励机制引导商业用户减少用电负荷，同时调整储能系统的充放电策略，保障电网的稳定供电。

发展路径

短期：加快可再生能源的开发建设，完善分布式能源接入电网的相关配套设施。建立虚拟电厂示范项目，探索适合服务业城市的虚拟电厂运营模式和管理机制。加强与设备供应商、技术服务提供商的合作，引进先进的智能微网技术和储能设备。

中期：进一步扩大可再生能源的装机规模，提高分布式能源在能源消费结构中的比重。加强储能技术的研发和应用，构建储能与虚拟电厂的协同运行体系。例如，研发高性能的储能电池和储能管理系统，提高储能系统的效率和可靠性。

长期：打造以可再生能源为主体的虚拟电厂，实现能源的自给自足和零碳排放。加强与周边城市的能源互联互通，推动区域可再生能源的协同发展。例如，与周边城市共同建设大规模的可再生能源发电基地，通过虚拟电厂实现能源的统一调度和优化配置。

案例解析

在杭州，这座以互联网经济等服务业为主导的城市，可再生能源潜力巨大。当地在众多写字楼和商业综合体的屋顶安装了太阳能光伏板，构建了虚拟电厂系统。在夏季用电高峰时，某大型商场原本空调等设备能耗巨大。通过虚拟电厂的需求响应机制，商场在非营业时间降低了照明亮度，优化了空调运行时间和温度设置，参与虚拟电厂的负荷调控。同时，当太阳能发电过剩时，虚拟电厂将多余电能存储到附近的储能电站；在阴天或用电高峰时，储能电站释放电能，保障商场用电稳定。这不仅使商场的用电成本降低了20%，还提高了城市可再生能源的消纳比例。

（三）综合性、能源结构均衡型城市

应用策略

多种能源协同优化：充分发挥城市多种能源形式的优势，通过虚拟电厂实现煤炭、天然气、电力、可再生能源等多种能源的协同优化。根据不同能源的特点和市场需求，灵活调整能源供应结构。例如，在可再生能源发电充足时，减少传统化石能源的发电比例；在用电高峰时段，优先调用储能系统的电能和其他灵活调节的能源资源，提高能源系统的整体效率。

智能微网建设：在城市不同区域建设智能微网，将分布式能源、储能设备、用户终端等进行有机整合。虚拟电厂通过智能微网的互联互通，实现对城市能源的精细化管理。例如，在商业区建设智能微网，集中管理商业建筑物的能源消耗，通过实时监测和智能调度，实现能源的高效利用。

需求响应多元化：针对城市中不同类型的用户，制定多元化的需求响应策略。例如，对于工业用户，侧重于生产过程的节能优化，通过推广先进的节能减排技术和工艺，降低工业生产的能耗；对于商业用户，注重照明、空调等设备的智能控制，鼓励用户采用节能灯具和智能空调系统；对于居民用户，通过宣传教育和技术支持，引导其参与需求响应。例如，开展节能宣传活动，推广家庭能源管理系统，鼓励居民合理调整用电时间和用电方式。

发展路径

短期：完善能源监测和管理体系，建立多种能源数据的共享平台。开展智能微网试点建设，选择具有代表性的区域进行智能微网建设，探索不同能源形式在微网内的协同运行模式。加强与能源供应商、用户等相关方的沟通与协作，共同推动虚拟电厂的建设和发展。

中期：逐步扩大智能微网的建设规模，实现多种能源在更大范围内的协同优化。加强需求响应平台建设，提高用户参与需求响应的积极性和便利性。例如，开发便捷的需求响应APP，方便用户实时了解电网负荷情况和参与需求响应的收益，引导用户主动参与需求响应。

长期：构建以虚拟电厂为核心的综合能源系统，实现城市能源的智能化、高效化、清洁化发展。加强与周边城市的能源合作，推动区域综合能源市场的形成和发展。例如，与周边城市建立能源交易平台，实现能源的跨区域优化配置和交易。

案例解析

以南京为例，作为综合性城市，能源结构较为均衡。在某工业园区，建设了智能微网并接入虚拟电厂系统。园区内既有工业企业，也有商业设施。通过虚拟电厂，实现了天然气分布式能源、太阳能发电、储能系统以及电网电力的协同供应。对于工业企业，通过推广先进的变频调速技术，优化生产流程，降低能耗。对于商业设施，安装智能照明和空调控制系统，根据人员活动情况自动调节设备运行。在夏季用电高峰，通过需求响应APP，引导居民合理调整空调温度和用电时间，参与削峰填谷。这些措施使园区整体能源消耗降低了12%，能源利用效率显著提升。

（四）沿海城市

应用策略

海洋能开发利用：充分利用沿海城市的海洋能资源，如潮汐能、波浪能、海上风电等，通过虚拟电厂将海洋能发电进行集成和管理。开发海洋能与其他分布式能源的互补运行模式，提高能源供应的稳定性和可靠性。例如，在海上风电项目中配套建设储能系统，在风力发电不稳定的时段，利用海洋能发电补充，确保电力供应的连续性。

海上能源运输与存储：结合沿海城市的港口优势，建设海上能源运输和存储设施。虚拟电厂可以实时监测海上能源的运输和存储情况，根据电网负荷需求和能源供应情况，优化能源的调配和使用。例如，当电网负荷较高时，优先调用海上储能系统的电能，减轻陆地电网的压力。

沿海产业能源协同：针对沿海城市的海洋产业、临港工业等特色产业，制定相应的能源协同策略。通过虚拟电厂技术，实现产业园区内能源的优化配置，降低企业的能源成本，提高产业的竞争力。例如，在海洋产业园区建设集中供热供冷系统，采用可再生能源或海洋能作为能源来源，为园区内企业提供能源服务。

发展路径

短期：开展海洋能资源的调查和评估，掌握海洋能资源的分布和开发潜力。推进海洋能示范项目建设，选择合适的项目进行试点建设，积累建设和运营经验。加强海上能源运输和存储设施的规划设计，制定建设方案和发展规划。

中期：扩大海洋能的开发规模，提高海洋能在能源消费结构中的比重。完善海上能源运输和存储体系，建设更多的海上能源运输通道和储能设施，实现海洋能与其他分布式能源的有效协同。例如，建设海上综合能源岛，将海洋能发电、储能、输电等功能集成在一个岛屿上。

长期：打造以海洋能为特色的虚拟电厂，形成海洋能开发利用的产业集群。加强与国内外沿海城市的能源合作，推动海洋能的国际交流与合作。例如，与国际海洋能研究机构和企业在技术研发、项目合作等方面开展广泛合作，引进先进的技术和经验。

案例解析

在青岛，作为沿海城市大力发展海上风电。当地建成了大规模海上风电场，并通过虚拟电厂与陆地分布式能源及储能系统协同运行。在某临港工业园区，利用虚拟电厂实现了能源的优化配置。园区内的海洋装备制造企业原本能源成本较高，通过虚拟电厂协调，将海上风电和园区内的太阳能发电进行整合，为企业提供稳定且低价的能源。同时，建设了海上储能平台，在风电过剩时存储电能，在用电高峰或风电不足时释放电能，保障了园区的能源供应稳定性，企业能源成本降低了18%。

（五）内陆城市

应用策略

本地分布式能源开发：结合内陆城市的资源禀赋，开发本地的分布式能源资源，如生物质能、地热能等。通过虚拟电厂将本地分布式能源进行集成和管理，提高能源的自给率。例如，利用农作物秸秆、林业废弃物等生物质资源建设生物质能发电厂，为城市提供电力供应。

能源存储与调峰：由于内陆城市的可再生能源可能存在间歇性和波动性，需要加强能源存储技术的应用。虚拟电厂可以通过智能调度储能设备，在能源供应不足时释放电能，保障电网的稳定运行。例如，在分布式能源发电过剩时，将多余的电能存储在储能系统中；在可再生能源发电不足或用电高峰时段，释放储能系统的电能，满足用户需求。

区域能源互联互通：加强与周边城市的能源互联互通，通过跨区域的能源传输和交易，实现能源的优化配置。虚拟电厂可以作为区域能源协调的重要平台，促进区域内能源的协同发展。例如，与周边城市共建跨区域电网，实现电力资源的互补和共享。

发展路径

短期：开展本地分布式能源资源的普查和评估，全面了解本地可再生能源资源的分布和潜力。推进生物质能、地热能等分布式能源的开发建设，选择合适的项目进行试点建设。建立能源存储示范项目，探索适合内陆城市的能源存储技术和应用模式。例如，建设小型分布式储能电站，验证储能系统的性能和效果。

中期：扩大本地分布式能源的开发规模，提高能源存储能力。加强与周边城市的能源合作，推进区域能源互联互通项目的建设。例如，建设跨区域输电线路或能源管道，实现能源的互联互通。同时，加强能源存储技术的研发和应用，提高储能系统的效率和可靠性。

长期：构建以本地分布式能源为基础、区域能源互联互通为支撑的虚拟电厂体系，实现内陆城市能源的安全、稳定、高效供应。加强与周边城市的能源规划和协调发展，制定统一的能源发展战略和规划。

案例解析

以成都为例，成都周边生物质能资源丰富，通过虚拟电厂项目，当地利用农作物秸秆和林业废弃物建设了多个生物质能发电厂。这些发电厂接入虚拟电厂管理平台，实现了统一调度。在夏季用电高峰期间，某生物质能发电厂与市内分布式储能电站协同运作。当光伏发电因云层遮挡而减少时，储能电站释放电能，同时生物质能发电厂加大发电功率，保障了市区部分区域的电力稳定供应。此外，成都与周边城市共同推进区域电网互联互通工程，虚拟电厂在其中发挥协调作用，根据各地用电需求和能源供应情况，优化电力分配，降低了整体能源损耗 ，提高了能源利用效率。

（六）边境城市

应用策略

跨境能源合作：利用边境城市的地缘优势，加强与周边国家或地区的能源合作。通过虚拟电厂技术，实现跨境能源的交易、调度和管理，促进能源资源的优化配置。例如，与邻国签订跨境电力合作协议，实现两国电网的互联互通，促进电力资源的互济和共享。

能源安全保障：边境城市的能源供应可能受到国际形势和地缘政治的影响，需要加强能源安全保障。虚拟电厂可以通过实时监测和预警系统，及时掌握跨境能源的供应情况。一旦出现供应中断或供应不稳定的情况，能够迅速制定应急预案，保障城市的能源安全。例如，建立多渠道的能源供应渠道，加强能源储备和应急管理。

特色能源开发利用：结合边境城市的资源特点和产业需求，开发具有特色的能源项目。例如，利用边境地区的风能、太阳能等可再生能源，建设分布式能源基地，通过虚拟电厂进行统一管理和调度。这些特色能源项目不仅可以满足本地能源需求，还可以通过跨境能源合作，将多余的能源供应到周边国家或地区。

发展路径

短期：加强与周边国家或地区的能源沟通与协调，建立跨境能源合作机制。开展特色能源资源的调查和评估，深入了解边境地区的能源资源状况和开发潜力。推进特色能源示范项目建设，选择具有代表性的项目进行试点建设，积累建设和运营经验。

中期：深化跨境能源合作，扩大能源交易规模。加强与周边国家或地区的能源协商和谈判，争取更多的能源合作机会。完善能源安全保障体系，提高虚拟电厂的应急响应能力。例如，建立跨境能源应急调度机制，确保在突发情况下能源供应的稳定性和安全性。

长期：打造以跨境能源合作为特色、能源安全保障有力的虚拟电厂体系，推动边境城市的能源国际化发展。加强与周边国家或地区的能源基础设施互联互通，促进能源资源的跨国流动和优化配置。

案例解析

以满洲里为例，作为我国重要的边境城市，与俄罗斯在能源领域合作紧密。当地借助虚拟电厂技术，参与跨境电力交易。通过实时监测跨境电网的电力供应和本地能源需求，虚拟电厂优化调度本地的风能、太阳能等分布式能源与跨境输入电力。在冬季供暖季，当本地能源需求增大时，虚拟电厂一方面协调本地分布式能源加大发电出力，另一方面合理安排从俄罗斯进口电力，保障了城市的供暖电力需求。同时，当地建设了能源储备中心，配合虚拟电厂的预警系统，在跨境能源供应出现波动时，能够迅速启用储备能源，维持城市能源供应稳定，进一步深化了与周边国家的能源合作，提升了能源利用效率和安全性。

四、结 语

城市虚拟电厂作为一种创新的能源管理模式，为多样化城市的能源优化提供了可行的解决方案。通过构建多维度城市分类体系，针对不同类型城市制定相应的应用策略和发展路径，充分发挥虚拟电厂在能源管理中的“能源魔方”作用，有望实现城市能源的高效、清洁、可持续发展，为全球能源转型贡献力量。在未来的发展中，随着技术的不断进步和应用的深入推广，城市虚拟电厂将在城市能源领域发挥更加重要的作用，助力城市迈向绿色低碳发展的新时代。