【专家观点】促进可再生能源并网：德国电力系统灵活性经验
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促进可再生能源并网
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德国电力系统灵活性经验
本文原文来源于德国国际合作机构（GIZ）Anders Hove为中欧能源合作平台（ECECP）发行的《EU-China Energy Magazine》（中欧能源杂志）杂志2021秋季刊撰写的客邀文章。
This is an invited article by Anders Hove for the ECECP “EU-China Energy Magazine” – 2021 Autumn Issue. For english version, click "read more".
专家视角 EXPERT VIEW
Anders Hove 侯安德
德国国际合作机构(GIZ)
中德能源转型研究项目
高比例可再生能源系统中能源消费侧的电气化是低碳能源转型的一个主要支柱。包括德国在内的许多发达经济体，已经在其电力系统中实现了高比例的波动性风电和光伏电力：2021年，德国可能有超过半数的发电量来自可再生能源，其中风电占比超过20%，光伏发电占比超过10%。德国2021年修订的《可再生能源法》设定了到 2030年可再生能源在电力总消费中占比65%的目标。该法案还规定，在2050年之前，德国在其本土生产或消费的所有电力都需要实现碳中和。2019年，德国电网中中压水平的系统平均停电持续时间仅为10分钟，低压水平仅为2分钟。德国的电力系统是工业国家中最可靠的电力系统之一，这说明德国电网有能力灵活处理电源结构中不断增加的可再生能源发电份额。
在许多国家，波动性可再生能源的发展仍然面临着多种障碍。尽管许多分析师将电力市场设计和政策激励视为阻碍可再生能源进一步并网的最重要因素，但在电力领域，专家们依然会强调技术方面的障碍。例如，在中国，人们在解释弃风弃光现象时，仍经常会提到西部可再生能源基地与东部消费中心之间的输电距离问题，以及中国北方冬季高比例的热电联产（CHP）。
那么欧洲是如何提高电力系统的灵活性来促进可再生能源系统并网的呢？相较之下，中国电力系统的灵活性如何？为了回答这些问题，我们在本文中将首先讨论德国和欧盟当前和未来关于电力系统灵活性的计划和政策，然后将总结由GIZ牵头实施的中德能源转型研究项目在去年开展的一项关于德国和中国京津冀地区灵活性量化研究的成果。
德国和欧洲如何实现高度的系统灵活性
从总体上来讲，截至2020年德国为实现能源转型所需的主要改革包括电力市场改革以及电力系统灵活性和能效提升的各项激励措施。
德国的电力市场改革始于1996年欧盟颁布的第一个电力市场自由化指令，要求将发电、输电、配电和电力交易进行拆分。1998年之后，这些改革开始在德国陆续实施，包括建立现货市场和实现大规模的现货市场交易，以及在德国各地建立电力平衡市场，加强德国市场与周边市场的整合，并为平衡市场明确各方角色和责任。
德国电力市场是一个纯电量市场，这意味着发电商只能通过出售实际发电量来获得报酬（而不是像容量市场那样按照发电意愿交易）。随着可再生能源份额的提升和价格波动的增加，那些能够更快、更灵活地提高和降低出力的发电厂可以享受能源价格的激励。德国的电力平衡市场能够在负荷突然和意外激增或下降的情况下发挥作用，为那些能够快速补充或减少馈电的生产者以及能够快速减轻或增加电网负荷的消费者提供激励，从而激发电力系统的灵活性。
图片来源：Shutterstock, ABCDstock
欧洲如何提高电力系统灵活性
为了实现其气候和能源目标，欧洲计划提升电力系统的跨境互联能力。电力系统的互联将有助于提高欧洲电力供应的安全性，并将更多的可再生能源纳入电力市场。因此，欧盟制定了到2020年跨境互联水平至少达到10%的目标，以鼓励各国更好地整合其发电产能。这意味着各成员国都应建设相应的输电线路以确保本国至少10%的电力可以跨境输送至邻国。欧盟计划到2030 年使跨境互联水平提升至15%。
此外，2020年生效的欧盟新电力法规定，必须更大程度地开放电力互联线路以促进电力的跨境交易。跨境交易的水平有望逐步提高，直到70% 的互联容量能够被实际用于跨境交易。这将有助于促进欧洲范围内的电力交易，并避免成员国使用跨境互联线路应对国内输电瓶颈，从而削弱互联能力。
欧盟的十年发展规划也对解决输电瓶颈提供了帮助，并确保互连线路能及时促进清洁能源的完全整合，以实现碳中和目标。欧盟的输电规划过程依赖于发电和需求情景预测，这些情境由多个利益相关方参与设计，并考虑了天气因素和季节性的可再生能源出力变化。这种规划方法与仅采用输电线路利用率或可再生能源份额的简单经验法则来规划和设计单条输电线路的其他方法相比收效更佳。后者可能不会导向最优结果，因为其对需求灵活性、分布式能源和优化调度的重视程度远远不够，而对集中式发电的过分重视可能会导致为稳定发电产出而产生的过度投资，例如用于平衡供应侧而高价建设的中央储能设施或化石燃料备用电厂。
分布式能源和储能的部署也是提高电力系统灵活性的中长期战略。
尽管屋顶光伏发电的成本很高，但在21世纪初期，欧洲和北美许多地区的太阳能光伏发展都始于对分布式住宅光伏相对显著的政策倾斜，直到最近这些地区才对户用光伏结合储能产生浓厚的兴趣。如今，德国近70%的新装户用太阳能光伏系统都配备了电池储能。截至2020年底，德国户用储能市场的装机电量约为2.3GWh。现在，在德国居民家庭中，共安装了超过30万套电池储能系统，平均装机容量约为8-9kWh。预计2021年，德国将安装15万套户用储能电池，装机容量约为1.5GW，或占当年电池储能新增装机容量的三分之二。
需求侧也将在提供系统灵活性方面发挥着越来越重要的作用，例如通过小型热泵进行热能存储、在非高峰时段为电动汽车充电或进行充电调节，以及通过虚拟电厂来整合需求。虚拟电厂(VPP) 可以定义为一个中央IT系统，它能够控制或整合各类分散的发电和储能技术，以及那些主要接入配电网或靠近终端用户的需求侧灵活性资源。
图片来源：Shutterstock, penofoto
2012 年发布的欧盟能效指令首次提出了提供负荷管理的聚合服务商。2019 年，欧盟发布了全欧洲人共享清洁能源（Clean Energy for All Europeans）一揽子计划，鼓励成员国为能源供应商和公民能源合作社创造有利条件，以非歧视性的方式与其他发电商一起参与电力市场。在德国，联邦网络局 (BNetzA) 于2016年制定了虚拟电厂 行业指南，并在2021年新修订的德国能源经济法中增加了关于聚合服务商和消费者之间信息义务的相关条款。德国的虚拟电厂可以参与长期电力现货交易市场以及平衡市场，这些在中国背景下大都被视为辅助服务市场。大多数的电力交易发生在现货市场：虚拟电厂在日前和日内市场都很活跃，并且可以在15分钟和1小时市场中提供快速可控的灵活性，并且在交付前的5分钟内都是活跃的。
虚拟电厂参与平衡市场有两种形式：通过现货市场交易以及通过输电系统运营商（TSO）组织的招标，近期大多数虚拟电厂都通过这种招标机制参与交易。虚拟电厂参与辅助服务市场，包括自动（5 分钟）和手动调频市场，并根据实际使用情况采用容量价格和电力价格进行补偿。虚拟电厂还可以与系统运营商（TSO）一起参与中断负荷的投标，这仅适用于低至5MW 的负荷。
系统终端会通过电子信号的方式通知给客户或聚合服务商。德国电力虚拟市场规模虽小但有着良好的增长势头。比如，德国最大的虚拟电厂Next Kraftwerke汇集了11049 台发电机，可提供 9 GW 的发电容量，包括光伏、电池储能、小型水电和生物质电源。Sonnen是一家电池公司，为其客户整合光伏和电池储能系统，以参与电力交易和平衡服务。供暖和制冷设备供应商菲斯曼Viessmann不久前启动了一个虚拟电厂，能够将热泵和热能存储结合起来用于电力存储。
新研究表明德国的电力系统灵活性高于中国类似地区
尽管人们早就认识到欧洲的长距离输电系统、燃煤电厂和热电联产电厂的运行比中国更灵活，但在实践中衡量这一点向来并非易事。为帮助政策制定者、电网运营商和电力行业参与者了解提高灵活性的最佳途径，德国国际合作机构(GIZ)联合中国国家发改委能源研究所以及华北电力大学的研究人员，试图量化现有系统的灵活性，将系统的灵活性与可再生能源渗透率较高地区的最佳实践进行比较，并定量分析各类提高灵活性策略的成本和效益。该报告是中德能源转型研究项目的合作成果，项目受德国联邦经济和能源部（BMWi）资助委托，由德国国际合作机构（GIZ）作为德方单位负责牵头实施。
在这份名为《京津冀与德国电力系统灵活性定量比较研究》的分析报告中，我们使用五个指标来量化德国与中国京津冀地区的系统灵活性（京津冀地区的人口和电力负荷均高于德国）。这五个指标分别是：电力不足概率 (LOLP)、向下灵活性不足概率、向上灵活性不足概率以及弃风率和弃光率。我们使用历史数据来确保研究的可靠性，但未来的分析也可能会考虑到预测数据。
京津冀地区与德国日电力不足率比较
来源：发改委能源研究所，2020
总体的研究结果表明，京津冀与德国电力系统灵活性资源类型具有相似性，但资源灵活调节能力存在较大差异。冀北地区在冬季和夏季都具有很高的电力不足概率（LOLP），并且在这两个季节都缺乏向下灵活性。这种灵活性不足直接导致了可再生能源弃电。
该报告进一步比较了四种提升京津冀地区电力系统灵活性策略的成本，即燃煤电厂灵活性改造、现有输电系统升级、储能和需求侧管理。本研究所使用的模型发现燃煤电厂灵活性改造对于系统灵活性提升的改善效果最大。但中国近年来未能实现燃煤电厂灵活性改造的目标。改进互联也是一种具有成本效益的策略，但收益并不明显。假设可再生能源装机容量继续增长，则有必要改进互联并提升系统运行的灵活性。目前，该地区的互联线路主要用作应急储备，提供基荷电源或峰值服务。这些互联线路尚未用于促进电力的双向流动，也未能用于实现区域现货市场或提供跨省跨区的短期平衡。报告参考了2018年的储能成本，发现储能是效率最低的灵活性策略。但随着储能价格的下降以及越来越多的可再生能源发电厂配备现场储能设施以满足近期的政策要求，预计未来储能有望在京津冀的系统灵活性方面发挥作用。
小结
德国的案例经验表明，电力系统灵活性的改善成功帮助该国将可再生能源发电份额提升至50%，并能同时保障电网稳定和电力供应的高度安全性。随着风电和光伏发电新增装机容量的增加，对电力系统灵活性的需求也在增长，未来将需要更多的灵活性资源。运行良好的电力市场、燃煤电厂灵活性改造和输电灵活互济都是有助于提高电力系统灵活性的首选解决方案。一旦这些方案得以完全实施，分布式储能和需求侧灵活性就会发挥作用。要实现电力系统中可再生能源的高比例渗透和达成碳中和目标，所有这些灵活性方案都将不可或缺。
信息来源：
[1]“Die Energie der Zukunft. 8. Monitoring-Bericht zur Energiewende –Berichtsjahre 2018 und 2019”, BMWi, on 9 August 2021, at https://www.bmwi.de/Redaktion/DE/Publikationen/Energie/achter-monitoring-bericht-energie-der-zukunft.pdf.
[2]“Comments on National Energy Administration’s ‘Advancing Electricity Spot Market Implementation,’” Regulatory Assistance Project, March 2019, at https://www.raponline.org/wp-content/uploads/2019/03/rap-comments-NEA-march-2019-spot-marketpolicy-EN.pdf; Hao Zhang, “Prioritizing Access of Renewable Energy to the Grid in China:Regulatory Mechanisms and Challenges for Implementation,” Chinese Journal of Environmental Law, 3 December 2019, at https://brill.com/view/journals/cjel/3/2/article-p167_3.xml.
[3]Qi Ye et al., “Wind Curtailment in China and Lessons from the United States,” Brookings Institution, March 2018, at https://www.brookings.edu/wp-content/uploads/2018/03/wind-curtailment-in-china-and-lessons-from-the-united-states.pdf.
[4]“20 Jahre Strommarkt-Liberalisierung: Befreiung für saubere Energiewende-Lösungen“, Agentur für Erneuerbare Energien, on 27 April 2018, at https://www.unendlich-viel-energie.de/themen/politik/europaeische-union/artikel14031;“Was versteht man unter Liberalisierung und Unbundling von Strommärkten?“, NextKraftwerke, accessed on 19 August 2021 at https://www.next-kraftwerke.de/wissen/liberalisierung-strommaerkte
[5]“Was ist der Energy-Only-Markt?”, NextKraftwerke, accessed on 20 August at https://www.next-kraftwerke.de/wissen/energy-onlymarkt.
[6]“Incentivizing Flexibility: The Role of the Power Market in Germany,” Sino-German Energy Partnership, October 2019, at https://www.energypartnership.cn/fileadmin/user_upload/china/media_elements/publications/2019.10_Flex_Studie/EN_Final_giz_Study_Flexibility_2019_Web_1029.pdf.
[7]“Electricity interconnection targets”, European Commission, accessed on 19 August 2021 at https://ec.europa.eu/energy/topics/infrastructure/electricity-interconnection-targets_en.
[8]Andy Calthorpe, “More than 300,000 battery storage systems installed in German households,” Energy Storage News, 23 March 2021, at https://www.energy-storage.news/news/more-than-300000-battery-storage-systems-installed-in-german-households.
[9]Sandra Enkhardt, “Germany may install 150,000 residential batteries this year,” PV Magazine, 20 May 2021,at https://www.pvmagazine.com/2021/05/20/germany-may-install-150000-residential-batteries-this-year/.
[10]“DIRECTIVE (EU) 2019/944 OF THE EUROPEAN PARLIAMENT AND OF THE COUNCIL of 5 June 2019 on common rules for the internal market for electricity and amending Directive 2012/27/EU (recast)“, Official Journal of the European Union, on 14 June 2019, at https://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/PDF/; Emiliano Bellini, “EU publishes directive, regulations for Clean Energy Package”, PV Magazine, on 17 June 2019, at https://www.pv-magazine.com/2019/06/17/eu-publishes-directive-and-regulations-forclean-energy-package/
[11]“Beschluss Az. BK6-17-046”, Beschlusskammer 6, Bundesnetzagentur, on 14 September 2017, at https://www.bne-online.de/fileadmin/bne/Dokumente/Englisch/Policy_Papers/BNetzA_BK6_17_046_Beschluss_vom_14_09_2017.pdf.
[12]“Energiewirtschaftsgesetz (Gesetz über die Elektrizitäts-und Gasversorgung)“, 16 July 2021, at https://dejure.org/gesetze/EnWG/41e.html.
[13]Zhang Yanan et al., “A Quantitative Comparative Study of Power System Flexibility in Jing-Jin-Ji and Germany,” Energy Research Institute of National Development and Reform Commission, December 2020, at https://www.energypartnership.cn/fileadmin/user_upload/china/media_elements/publications/Power_system_flexibility_in_Jingjinji_and_Germany.pdf.
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报/告/下/载
中欧能源合作平台于2019 年5 月15 日启动，旨在支持和落实《关于落实中欧能源合作的联合声明》中宣布的各项活动。ECECP 平台的总体目标是：“加强中欧能源合作。与欧盟的能源联盟战略、欧洲人人享有清洁能源倡议、以及应对气候变化的《巴黎协议》、欧盟的全球战略保持一致，通过加强合作，将有助于提高欧盟和中国之间的相互信任和理解，为推动全球能源向清洁方向转型，以及建立可持续、可靠和安全的能源体系的共同愿景做出贡献。”
简介
中德能源转型研究项目
中德能源转型研究项目受德国联邦经济和能源部(BMWi)委托，在中国国家能源局的支持下，致力于在中德两国在低碳能源政策的深入交流合作。项目结合德国能源转型的优秀实践经验及遇到的问题和挑战，为中国能源领域的政治决策者和能源政策研究相关的智库提供政策领域的参考建议，并积极将中国在能源转型领域取得的成绩介绍给包括德国在内的国际社会利益攸关方。项目在中国国家能源局和德国联邦经济和能源部（BMWi）的指导和支持下，由德国国际合作机构(GIZ)牵头实施。电力规划设计总院是该项目的中方牵头实施单位。
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编辑、校审 | 翁芳萍
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