分散式灵活性和可再生能源的整合——德国的经验和对中国的展望（中文版）-GIZ.pdf

1 中德能源转型研究项目 分散式 灵活性 和 可再生 能源的 整合 德国的经验和对中国的展望 2 法律 信息 出版方 德国能源 署（dena ） German Energy Agency Chausseestrae 128 a 10115 Berlin, Germany 电话49 030 66 777-0 传真49 030 66 777-699 电子邮件 infodena.de 网站www.dena.de 作者 蒂姆门 内尔（Tim Mennel ） ，德 国能源署 赫尔沃耶 布尔 列西奇 蕾尔 （Hrvoje Brlecic Layer ）， 德 国能 源署 丽莎施 特里普 根（Lisa Strippchen ） ，德国 能源署 侯安德（Anders Hove ）， 德国国 际合作机 构 钱文昀， 德国国 际合作 机构 日期 2022 年8 月 版权所有 。此出 版物的 任何使 用都 须得到德 国能源 署的同 意。 引 用格式 德国能源 署（出 版商） （dena ，2022 ）“分散 式 灵 活性和 可再生 能源 的整合” 本 报告 分散 式灵 活性和 可再 生能源 的整 合由 德国 能源署 （dena ）发 布， 属于中 德能 源转型 项目 的一部 分。 本项目 支持 中国政 府智 囊团和 德国 研 究 机构 之间的 交流， 以加 强中德 两国 在能 源转型 方面的 科学 交流， 并与 中国 受众分 享德国 能源 转型的 经验 。本 项目旨 在推广 以低 碳为导 向的 能源 政 策 ，通 过国际 合作 以及互 惠互 利的政 策研 究和建 模， 帮助中 国打 造更高 效的 低碳能 源系 统。本 项目 得到了 德国 联邦经 济和 气候保 护部 （BMWK ）的 支 持，构成中德能源与能效合作伙伴 （Sino-German Energy Partnership ）的一部分，后者 为德国和中 国在国家层面开展能源政策对话提 供了一个中 心平台。中国国家能源局 （NEA） 作为中方牵头单位，为项 目提供总 体的指导支持。德国国际 合作机构 （GIZ ）联合德 国能源署（dena ）和 德国Agora 能源转型 论坛（Agora Energiewende ）， 负责 项目 的实施 。 3 目录 1 德国的分 布式发 电和分 散式 灵活性 . 5 1.2 储能和需 求侧管 理目前 在德 国的部署 .6 1.3 德国和欧 盟在分 布式可 再生 能源和灵 活性方 面的政 策目 标 .7 2 高比例波 动性可 再生能 源电 力系统的 技术挑 战 .8 2.1 对配电网的挑战 8 3 电网整合 分布式 可再生 能源 的灵活性 11 3.1 以灵活性作为配电和系统层 面所出现问题的补救办法 . 11 3.2 配电网的灵活性 . 11 3.3 分散式灵活性的聚合 . 12 4 分散式灵 活性在 德国配 电网 中的应用 14 4.1 用户侧的电池储电 . 14 4.2 需求侧管理 . 17 5 在中国的 应用 21 5.1 中国的分布式发电 . 21 5.2 分布式储能 . 24 5.3 集中式储 能 24 5.4 需求侧管 理 25 5.5 燃煤电厂 灵活性 25 5.6 辅助服务 市场 26 5.7 德国经验 的相关 性 26 5.8 对中国分 散式灵 活性的 建议 27 图目录 . 28 表目录 . 29 参考文献 . 30 4 分布式发电在能源转型中发挥着越来越重要的作用。德 国 的目标是到2030 年 将 可再生能源在净电力消费中的占比从 2021 年的45 提高到80 ， 因此， 与 配电网相连接的小规模可 再生能源必须与 陆上风电和海上风电等大规模能源一起 ，在 在国家能源产出中贡献更大的份额。 到目前为止 ，德国 的大部分 分 布式发电是 由太阳 能光伏 设施构 成的 ，包括 屋顶 设施 和 小规模 地面 安装设 施。 其他小 规模技 术包 括生物 质、 生物 气 和小规 模水 力发电 。到2021 年， 德国有200万套屋顶太阳能光伏 设施，约占全国光伏总容量的 15。 尽管使用太阳能取代化石燃料发电，有助于减少碳排放， 但太阳能发电的波动性给配电网 带来了技术挑战，其中最突 出的是网络设备的热过载、电压越限、反向馈电问题以及相 位不平衡。波动 的 可再生能源馈入可能在系统层面上导致总 体的发电充裕度和稳定性的问题，尤其是随着德国逐步淘汰 更多能够提供稳定容量和辅助服务的传统发电技术。 为解决这些配电网问题并 使分布式能源能够充分发挥取 代系统中传统电厂的作用，灵活性措施是其中关键。对于配 电网，灵活性指的是增加电力储存（主要是电池）和需求侧 管理（DSM）的使用。 储电在配电网层面上，电池是最相关的技术。电池可以 提供负荷转移以及各种电网服务，包括平衡电力、空转备用以 及黑启动容量。在电表背后，电池可以帮助增加用户的自用消 费，并改进用电质量。 需求侧管理在配电网层面上，提供需求侧管理的典型技 术是空调或热泵等家用电器，或者冷冻仓库等商用设备或化学 工艺。电表计量的用户可以对市售电器进行需求侧管理，从而 优化自身的购电策略，减少电费开支。此外，配电网运营商可 以和去分散式需求侧管理提供者签订负荷控制合同，以管理电 网阻塞，降低所有用户的成本。 要激活灵活性，就需要改变电力部门的监管。在自由化的 欧盟电力系统中，网络运营已从发电和电力交易中拆分出来， 须接受管理监督，尤其是在电网投资方面。为发挥储能和需求 侧管理的潜力，欧盟及成员国须做出进一步的监管变化 首先，电网监管必须有利于智能电网投资，例如电网公 司的通讯和控制技术，这是激活灵活性的先决条件。其中应该 包括现代智能电表技术，以及为所有用户和产消者提供入口， 让他们能够参与实时负荷控制计划让网络运营商能够利用 灵活性、可能由第三方聚合商公司管理的计划。 其次，灵活性资产所有人需要一个为灵活性提供报酬 的 适当框架。理想情况下，为分散式灵活性支付的报酬应该充分 反映其对系统的价值，避免电网或发电投资。其中应该包括引 进灵活性市场或创新性辅助服务，将负荷控制和电池交由配电 网 运营 商（DNO ）支 配。 动态 电网费 用会 激励 将灵 活性 用于 阻 塞管理。 第三，监管机构必须通过市场数据透明性和市场准入， 进 一步鼓励分散式灵活性的聚合。通过独立的聚合商，可以使 产消者和小公司为批发和平衡市场提供分散式灵活性。因此， 分散式灵活性可以帮助负荷转移和系统稳定性。 即便德中两国的监管制度不同，但德国也能为中国提供有 用的经验教训。过去十年间，中国的分布式发电容量激增，到 2021 年 ， 中国的 分布 式光 伏发 电容量 已超过100 吉瓦 ，其中 工 业设施占主导地位。工业用户是分散式灵活性的理想选择，因 为他们比居民用户更加复杂，并且更可以接触到能源服务公司。 我们建议同时加速储能和需求侧管理的发展当各地实现 太阳能光伏的高渗透率时，网络设备的热限值越限、电压以及 反向馈电等电网问题就可能给中国的配电网带来挑战。激活灵 活性提供了应对这些挑战的机会。配电网运营商应该使用储电 和需求侧管理来管理阻塞问题。这要求通过适当的报酬激励 分 布式灵活 性。 摘要灵活性的使用可以克服波动性可再生能源 给 电网 带 来的挑战 5 可再生能源在德国一次能源消费中所占比重越来越高，在 2020年达 到了17 。 过去 二十 年间， 可再生 能源 在电 力供应 中 占据了举足轻重的地位。2021 年，可再生能源在净发电量中所 占比重达到大约45，而在2000 年时，此数值尚不足4。 相反，可再生能源目前在消费部门中所起到的作用不大。 例如，在交通部门 ，石油及石 油制品提供了90 的能源。 1 在 工业和供热部门的能源使用中，化石燃料也占到巨大比重。随 着热泵、电动汽车和制氢的应用，电气化程度将不断提高，再 加上能效的提升，这些部门的化石燃料消费量将会下降。因此， 未来二十年间，即便波动性可再生能源所占比重将提高，电力 消费量也会提高。 图1 可 再生能 源在一次 能源总消 费量和发 电量中 所占比 重 来源能源平衡工作组（AGEB ），2022年3 月 德国当前的年电力消费总量大约为500太瓦时。根据2021 年政府 的 联合 协议 ， 由于 电气 化的原因，到2030 年， 德国 的 用电负荷可能增长到750太瓦时 。 2 要通过可再 生能源满 足此种电 力消费量的 大部分增 长， 就必须大 幅增加 可再生 能源的 装机容量 。截至2021 年， 德国 可再生能源装机容量为138吉瓦64吉瓦的陆上和海上风电以 及59 吉 瓦的太 阳能 光伏。 最常 见的光 伏发电 技术 是屋顶 太阳 能系统和空地太阳能。 风能和太阳 能都是波动 性能源 ，其馈入量 的波动性 会给 电网带来挑战 ，例 如过载 或者 电压问 题。相 反， 水力发 电或 生物质 等可调 度可 再生 能源 波动 性较 低，在 没有 储能作 为补 充的情 况下， 更容 易调度 。但 是，德 国水力 和生 物质资 源的 增长潜力 有限。2021 年， 生物 质和水力 发电在 德国发 电量中 所占比重约为11，数值为65太 瓦时。生物质和水力发电无法 填补传 统资源 退出 和替代 留下 的空缺 。未来 ，大 多数可 再生 能源增 长将来 自于 波动的 风能 和太阳 能，因 此必 须更加 注重 灵活性措施。 3 4 1.1 2000-2022 年分布式发电的发展 之前的可再 生能源扩 张在很 大 程度上是源 于接入配 电网 的大规模设施，德国对此的定义是电压在220 伏特以上的长 距离输电 。在未 来的 低碳电力供 应 系统 中，发 电将 更加分 散 ， 直接在电 力生产 地使用 。居民 和小企业 已经在 使用与配电网 和中低压电网相连的可再生能源发电机组。 产消者是一 类分布式 能源的 所 有者，他们 既消费分 布式 能源生产 的 能量 ，又能 将一部 分发电量 馈入到 电网中 。能源 社区是一 个类似 的概念 ，即附 近的邻居 直接消 费发电 量。小 546 562 44 40 17 480 500 520 540 560 580 600 620 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2016 2018 2020 电力消费总量 可再生能源在全国发电总 量中占 比 可再生能源在一次能源消 费中占 比 TWh 1 德 国的 分布式 发电 和 分散 式 灵 活性 2021 年，基于风能和太 阳 能光伏的 可再生 能源发 电在 德国发电 量中所 占比重 达 到 45 ，到 2030 年，即便届时德国 实现 了 交通、 工业和 供热领 域的电 气化， 此比重 也可能 会超过 80 。 分 布式发 电将做 出巨 大贡献 。随着 风电和 太阳能 光伏 装 机 容量的 增长， 系统需 要采用 灵活性 措施来 平衡 波动 性 可再 生 能源 的 输出 。在 配电网 层面上 ，小规 模储能 和需求 侧管 理 会有助于 提高电 网的稳 定性。 因 其 与日 俱 增的 重要 性和价 值，当 前的德 国和欧 盟立法 都 聚焦 于推动 分布式 发电和 分散 式 灵活性 。 6 规模光伏没有通用的定义。在本报告中，容量不到1 兆瓦的 设施被视作小规模设施。 分布式发电 已经是德 国可再 生 能源总容量 中的主要 组成 部分，其中 大多数 为太阳 能光 伏。2021 年， 德国的 太阳能光 伏容量约为59 吉瓦 ，分布 于大 约200 万 个系统 中，其中60 容 量不到10 千瓦。 5 2019 年，德国10 千瓦以下光伏系统的总容 量为7.1 吉瓦， 在总光伏 装机容 量占到约15 。10 千瓦到20 千 瓦之间的小规模光伏系统的容量总和约为4.7 吉瓦，在总容 量中占到10 。空地光伏系统仅在小规模光伏的装机容量中 占到一小部分。 6 未来，为了充分发挥光伏发电的潜力，浮动光伏或者建 筑一体化光伏（BIPV ） 等创新和 整合技术将发挥更大的作用。 除了太阳能光伏以外，各种其他小规模可再生能源也接 入了低电压水平的电网。其中包括小规模水力、生物质和生 物气。 7 生物质和生物气的角色有别于分布式光伏发电。生 物质主要用于灵活性。生物气不仅可生产电力，也可以馈入 普通供气网络用于供热。还有基于化石燃料的分布式发电系 统，例如热电联产（CHP）系统 ，通常会使用沼气。 图 2 德国光 伏系统 的装机 容量 ，按规模 列示 来源德国联邦网络局（Bundesnetzagentur），2020 1.2 储能和需求侧管理目前在德国的部署 从高电压水平的可控发电向 输配电网层面 的 波动性发电 的能源系统转型 ，给电网带来 了 新 的 挑战，尤其是在配电网 层面上。可再生能源发电馈入量的短期变化可能导致网络问 题，例如过载、电压问题、相位不平衡和反向馈电问题。这 些可能损 害电网的热限值。此外，不断提高的电气化所产生 的 新负荷模式，可能会引起新的需求峰值，从而引发电网阻 塞。 至关重要的是，产消者要发挥建设性的作用，为电力供 应的效率和稳定性做出贡献，降低阻塞成本，或避免不必要 的电网或发电资产投资。要发挥此种作用的关键在于激活和 提供灵活性，这也是本报告研究的内容。两个技术灵活性选 择分别是需求侧管理（DSM）和 储能。 需求侧管理 （DSM ） 可以 通 过 接通或关 闭需求 负荷或 调节 负荷的增减来帮助平衡生产和需求的波动性。配电网运营商 （DNO ） 使用的需 求侧管理 可以 通过个体电 力用户或 第三方聚 合商管理的大量用户帮助 稳定电网。取决于设备或负荷的类 型，需求侧管理可以缓解峰值需求，补偿可再生能源电力的 大量馈入，并通过负荷转移或可中断负荷，在计划停电和减 少配电网的技术损耗方面开辟新的途径，来降低运营成本。 但在德国，需求侧管理解决方案目前的应用范围依然有 限。小型和普通规模的用户电价还没有充分反映电网的阻塞 和平衡成本。聚合商服务在市场准入方面面临着诸多障碍。 此外，很多 需求侧管 理技术才 刚开始进入 市场。章 节4.2 提供 了几个例子和试点项目作为例证。 分 布 式 储能可以作为一种技术灵活性工具，为输电和配 电网提供平衡能量。储能可以直接推动可再生能源的整合。 尽管很多参与者都在探索创新的储能技术，但在德国， 传统电池储能是最受欢迎的选择。随着成本的下降和产品选 择的增加，德国的分布式储能系统在过去两年间取得了指数 级增长。截至2022 年， 德国安 装了超过500,000 个 光伏储能系 统，总储存容量约为4.4 吉瓦时、储能输出容量约为2.5 吉瓦。 8 这些储能系统可以通过提高自用消费比例、降低峰值负荷 和峰值太阳能发电馈入量，为分布式电力的整合做出巨大贡 献。 电动汽车（EV ）电池是一个可以帮助整合分布式能源的 新兴领域。2021 年 ，新增电动 汽车注册量增加 到了680,000 辆， 总容量约为22.45 吉瓦时，总输出量31 吉瓦。 9 德国政府宣布 了在2030 年之前实现1500 万辆电动汽车的目标。未来，电动 汽车将用作一种灵活性选择。目前仅在 少数车型上 提供 的 双 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 10 MW 建筑物 空地 GW 7 向充电技术可以 使电动汽车作为一种电力储存设备。私人电 动汽车平均每天停放大约23 个小时，因此它们有提供电网服 务或者储存分布式可再生能源发电量的巨大潜力。随着交通 领域的电气化，电动汽车将在提供灵活性、整合可再生能源 方面发挥更加重要的作用。 使用电动汽车 作为灵活性工具，也给电网运营商带来了 挑战。目前，电动汽车充电、储电和放电时间缺乏可预测性， 尤其是在最小规模的居民 或社区层面上。要确保车辆充电及 其向电网的馈电在整体系统功能中发挥有益的作用， 则 一定 要协调车辆的充电。 1.3 德国和欧盟在分布式 可再生能源和灵活性 方面的政策目标 欧盟设定了在2050 年 之前达成 气候中和的目标。 德国甚 至提出了 更高目 标，力争 在2045 年之前 实现气 候中和 。要实 现这些 目标， 必须 扩大可 再生 能源的 应用， 包括 分布式 的波 动性可 再生能 源。 在政府 层面 上，欧 盟和德 国认 可分布 式发 电的作 用，以及需 要灵活 性选 择来顺 利实现 能源 转型。 即便 欧盟没 有就分 布式 发电或 灵活 性选项 设定明 确的 目标， 但当 前的法规中包含安装分布式能源系统的激励措施和义务。 在欧盟层面上，可再生能源指令（RED II ）引进了相关 措施， 作为全欧 洲人共 享清 洁能源 倡议的一 部分。 在屋 顶太阳 能的推 广方 面，可 再生 能源指 令针对 成员 国设定 了一 项义务 ，即使 用公 共建筑 以及 公私混 合建筑 安装 可再生 能源 发电设 施。此 外， 可再生 能源 指令禁 止针对 能源 社区的歧 视 性措施或条件 “成员国应 确保终端 用户 尤其是居民 用户 有权 参与可 再生能源 社区，同 时也 要维持 他们作 为终端用户 的权 利或义 务，不 得施 加不公 平或 歧视性 的条件 或程 序，阻 碍他 们参与 可再生 能源 社区， 前提 是对于 私营企 业而 言，参 与可 再生能源社区不能构成它们的主要商业或专业活动。” 10 一揽子立法 计划也包 括关于欧 盟内部电力 市场共同 规则 的指令中关于灵活性服务的规定，以及对电力指令的修正 “成员国应 提供必要 的监管框 架允许提供 灵活性，并 通 过激励 措施鼓 励配 电系统 运营 商获取 灵活性 服务 ，包括 其区 域内的 阻塞管 理， 以改进 配电 系统运 营和发 展的 效率。 尤其 是，监 管框架 应确 保配电 系统 运营商 能够从分布 式发电 商 提 供 处获 得这些 服务 、需求 侧 响 应或者 储能， 并应 推广能 效措 施的应 用， 因为 这些 服务 可以 经济有 效的减 少升 级或更 换电 力容量的需求，支持配电系统的高效和安全运行。” 11 尽管德国还 没有全面 落实欧盟 的措施，但 新政府已 经发 布了发电 部门的 新目标 ，即在2030年之前 实现可 再生能 源占 比80，并在2038 年全面淘汰燃煤电容量之后或者理想情况下 在2030 年实 现碳中 和。分 布式 发电和灵 活性将 这 种碳 中和电 力系统 中发挥 重要 作用。 新政 府的联 合协议 中 宣 布了改 进对 能源社 区和分 布式 发电的 规章 ， 引 进新 的 指令 。 其中包 括在 新建筑 物上安 装屋 顶太阳 能系 统的义 务。可 再生 能源法 律的 修正设 定了扩 大太 阳能光 伏的 新目标 ，其中 包含 能源共 享法 规的改 进。联 合协 议也提 到了 旨在改 进储能 和负 荷管理 的工 具，但其中并未描述具体的措施 “为了激 励发电 容量的 快速扩 张，我们 将评估 现有工 具， 调查具 有竞争 力的 技术中 和的容量机 制和灵 活性 。这 包括 可 再生能 源、配 有热 电联产 的高 效燃气 电厂（ 作为 相应的 法律 进一步 发展的 一部 分）、 一个创新项目、储 能、 能效措 施和 负荷管理。” 12 因此，德国 目前正在 扩大分布 式可再生能 源、储能 和电 动汽车 的规模 ，同 时政策 制定 者也处 于探索 监管 选择以 确保 分布式 能源在 能源 系统中 发挥 更大作 用的早 期阶 段。正如下 一章中 所 讨论 的 ，这 给 电网 带来 了挑 战，要 求额 外的政 策来 支持灵活性。 8 现有电力系统的设计是为了满足20 世纪电力系统的需求， 它 基于从传统、集中式、大规模的 发电设施到终端用户 的单 向电力流动。输电网运营商专注于预防大型发电厂或输电线 路的故障，而配电网运营商则专注于本地电网的规划和运行， 以满足峰值负荷。 在21 世纪，电网面临着新的挑战，尤其是需要整合高比 例 的集中式和分散式波动性可再生能源以及供热、交通和工 业部门的电气化。要确保电力系统的可靠性、稳定性和安全 运行，必须采用新的思维方式，以适应及克服这些挑战。 图 3 高比例 可 再生 能源的 灵活 性要求 德国 冬季两 周的负 荷曲线实 例 负荷 剩余负荷40可再生能源 来源博众能源转型论坛，2022年6 月 2.1 对配电网的 挑战 波动性可再 生能源（VRE ） 比重 的不断提高 可能给电 网带来挑 战，尤其是在配电网层面上。剩余负荷即电力消费量减 去 波动性可再生能源发电量的差值可能如上 图 所示 ， 一 下减少到趋近于零，之后又在几天或几个小时的短时间内大 幅增长。 13 对于太阳 能光伏发 电，其在配电层 面上的输出量 可能在数秒钟之内激增。 在 用户侧，终端使用设备的进一步电气化可能导致电网 电力需 求的临 时激增 ，从 而造 成电网 的压力 。 14 配电 网可 能面 临多种技术问题，会给供应安全性、稳定性和安全运行造成 威胁。当意外的电力流动超过了电力系统设备的运营限值或 者违反电压门槛值时，可能发生严重的损坏或停电。 15 第一个问题与供热造成的热过载相关，因为电网中的电 力超过 了系统 组件的 额定 功率 。 16 此问题 可能 影响电 网电 缆或 者变压器，这些也是电力系统中最昂贵的组件之一。如果电 网运营商没有或者无法立即做出响应，那么任何严重过载都 可能导致损坏或者停电。 第二个问题与电压的变化相关，此问题可能导致电压扰 动的情况，甚至是电压越限。电压扰动可能以长期及短期电 压变化、电压闪变及谐波失真的形式发生。在电压越限期间， 系统会遇到超出监管机构规定的标准范围之外的电压。扰动 可能导致用户电气装置和电网设备的磨损。 第三个问题是反向馈电问题。反向馈电的定义是与系统 设计相反的电力流动。分布式发电商产生的双向电力流动可 能导致局部电压问题。在并非针对双向电力流动而设计的配 电网中，用户 拥 有的分布式光伏系统可能导致反向馈电，从 而引起配电系统的损坏。 17 随着时间的推移，不断提高的分布式能源馈入量将加剧 配电网的阻塞 ， 并 需要积极的管理、昂贵的再调度以及新的 电网投资。 18 目前，在运营侧 ，配电网运营商 （DNO ） 可能 通过切负荷 和 波动性可再生能源限电来解决网络阻塞问题，但须 以 提高 发电量为成本，以取代被缩减的可再生能源发电量。延展和 扩大传统配电网也可以容纳越来越多的波动性可再生能源馈 入量。 2 高 比例 波动性 可再 生能源 电力 系统的 技术 挑战 波 动性可 再生能 源在能 源结 构中的 高比重 给电力 系统 带来了 巨大的 挑战， 尤其 是接入 配电网 的分布 式可 再生能 源。挑 战 包括在 高馈入 量时期 可能 发生的 电网设 备热限 值 的 越限以 及电压 问题和 反向 馈电问 题。德 国及其 他国 家的配 电网运 营 商承担 起了解 决这些 问题 的新责 任。在 系统层 面上 ，可再 生能源 馈入量 的高 比重也 加剧了 电网扩 张的 需求。 随着传 统发电设 施的逐 步淘汰 ，系 统也需要 新的辅 助服务 来源 。 9 分散式灵活性可以帮助减少或避免与上文所述挑战相关 的 主要成本。未来的电力市场将要求调整传统的 配电网规划 和运营，因此，也要求配电网运营商扮演新的角色。配电网 运营商有效地成为配电系统运营商（DSOs ）。切负荷和波动 性 可再生能源限电都应该属于例外情况，如果有成本更低的 替代选择，就应该避免在扩张传统电网方面的投资。 配电系统运营商除了担任网络运营商的角色之外，也可 以 深化其作为积 极系统运营 商 的角色。 19 例如，他 们可以从 其网络用户处获得灵活性服务，通过对本地阻塞和电压控制 等非频率辅 助服务进 行管理， 为输电系统 运营商（TSO ）提 供 无功功率 支持 ，而输 电系 统运 营商仅 对调频 辅助服 务负 责。 20 此外，配电系统运营商仍然可以参与切负荷和波动性可再生 能源的限电。但是，配电系统运营商应该将这些措施作为最 后的手段，因为它不可避免地会导致可预见的批发市场中 交 付量的扭曲。 任何情况下，适当的监管框架都是一项先决条件。下图 比较了配电网运营商在传统电力系统中的角色以及配电系统 运营商在以分布式可再生能源为主导的系统内的角色。 图 4 配电系 统运营 商的新 角色 来源国际可再生能源署（IRENA），2019 系 统层面上 的挑战 地方层 面上 的高 比例 分布 式波 动性可 再生 能源 不仅 会对 配电网产 生影响 ，也 会在 系 统 层面上产生 影响 。因 分布式可 再生能源 的输出 与接 入高压 输 电网的集 中式风 力 和 太阳能的 输出同时 发生， 所以 分布式 风 电和光伏 发电量 会加剧 输电网 现有的 阻塞 问题 。这 意味包 括 跨境电力 交易在 内的 输电网的 运营面临新的成本。 在德国 ，政 策制 定者 和输 电系 统运营 商一 直致 力于 扩大 电网规模 ，以 减少 电网 阻塞 ， 但电网扩 张已经 滞后 于风电和 太阳能发 电容量 的扩 张。德 国 的输电计 划旨在 更好 地将 可再 生能源集中 的地 区（ 尤其是 北 方的风电 ）与负 荷中 心（例如 德国中部 和南部 地区 的产业 集 群）地区 连接在 一起 。2015 年， 德国修正 了电 力线 路扩建 法 ，其中 设定了 规划 从德国南 部到北部的高压输电线路的监管框架，即SuedLink 和 SuedOstLink。 21 即便在 新线 路开 始运 行之 时， 德国的 输电 网扩 建也 跟不 上未来风 电及太 阳能 发电量 增 加的脚步 。因此 ，在 风电和太 阳能发电 占高比 重的 系统中 ， 输电扩容 无法作 为确 保系统稳 定的主要 解决方 案。 在解决 系 统层面上 的网络 阻塞 方面，基 通过分布式能源进行峰值 负荷管 理 网络堵塞管理 为输电系统运营商提供无 功 功率 支 持 获得电压支持 电力市场的技术认定 传统电力系统的结构 输电系统 运营商 配电系统 运营商 终端消费者 配电系统运 营商的传统 角色 分布式能源的连接和断开 网络的规划、维护和管理 供应中断的管理 能源计费（仅在垂直整合的情况下） 部署分布式能源的电力系统结构 双向电力流动 其他分布 式能源 使用分布式 能源的终端 消费者 配电系统运 营商的新兴 附加角色 输电系统 运营商 配电系统 运营商 10 于灵活容 量（主 要是 燃气电 厂 ）的再调 度将发 挥越 来越重要 的作用。 这里的 再调 度指 德国 及欧 盟国 共有的 以下 实践 如 果输 电系统运 营商预计 由 市场交 易 导致的调 度计划 （或 调度）即 将 出现瓶 颈，或 存在 短期过 载 ，则输电 系统运 营商 可向 发电 商 发出指 令要求其 更改调 度计 划（或调 度）以减缓 网络 阻塞 ， 发电商基于行政指令提供服务，将获得相应报酬。 德国联 邦政 府发 起的 最新 电力 市场改 革扩 大了 允许 提供 辅助服务 （包括 平衡 服务） 的 资产范围 。德国 联邦 议院颁行 了“电力市场2.0 ”的改革，包括推动电力部门能源转型的 措施。政 府的目 标是 在改进 灵 活性激励 措施的 同时 ，加强发 电、需求 和储存 之间 的竞争 。 德国也制定 了保 障机 制，包括 网络备用 和容量 备用 ， 这里的备用指的 是当批 发或 控制能量 市场不能 供应充 分电 力以满 足 全部需求 时，可 向 输 电系统运 营商提供市场外附加容量。 2022年之 前， 大多 数观 察者 都 预计德 国不 会激 活容 量备 用。但是 ，目前欧 洲的供 气危 机使得德 国必须激 活容量 备用 ， 以替代燃气发电，节省供热部门稀缺的燃料供应。 尽管目前 德 国电 力系 统的 可用 灵活性 足以 确保 系统 稳定 性，但从 中长期来看 ，随 着核 电和燃煤 发电按计 划逐步 淘汰 ， 灵活性传 统发电 资产 的容量 将 不断降低 ，维护 系统 稳定性将 面临跟多 挑战。 因此 ，德国 政 府宣布了 进一步 推行 电力市场 改革以提 高灵活 性资 源可用 性 的计划， 改革可 能更 加强调需 求侧管理和电池等分散式灵活性资产的作用。 11 3.1 以灵活性作为配电和系统层面所出现问题 的补救办法 传统和智能电网组合的方案有助于解决分布式和集中式 可再生能源（例如风能和太阳能）整合所面临的挑战。传统 解决方案包括建造输电线路和变压器等新基础设施， 通过铺 设更多电缆和更换变压器扩大现有基础设施的规模，以及基 于可用网络容量优化波动性可再生能源扩建部分的地理分配。 智能电网解决方案依赖于系统灵活性的应用。通过这些 解决方案，可以改进电网的运行效率、波动性可再生能源馈 入量的管理以及负荷控制。基于信息和控制软件，电网运营 商可以预测和监控网络阻塞问题，包括热限值超限、反向馈 电和电压问题，然后电网运营商可以激活系统内的技术补救 措施。 如前文所述，储能和需求侧管理是两大灵活性技术措施。 目前可以通过抽水储能和电池提供电力储存，未来可以利用 氢能。需求 侧管理（DSM ） 是通 过工业设备 提供的， 未来预期 将通过小企业和居民提供。 网络运营商使用灵活性的先决条件是智能电网技术的可 用性， 促成及执行该技术的投资是德国和欧洲能源转型的关 键挑战。目前，欧盟委员会和德国电网监管机构（BNetzA ） 正在制定法规，目的是加强欧盟和德国电力网络中的智能电 网容量。 要使用储能和需求响应提供的灵活性，必须在电网中向 电网运营商提供信息、通信和控制技术，这 统称为智能电网 技术。智能电网技术包括以下基本要素  通信，例如移动通信网络  促成双向通信的智能电表  监管设备和系统之间数据交流的通信软件  所有需求侧管理设备中的控制要素 只有在所有层面采用整合到电力系统中的智能电网技术， 分散式灵活性才能在整合分散式可再生能源中发挥充分的作 用。此外，智能电网技术有利于发展更实用、更透明的电力 市场，让用户能够监督及减少自用消费量，将消费转移到有 更多清洁能源生产量的时间段。 3.2 配电网的灵活性 欧洲电力行业在分散式、自由的市场模式下运行，受到 多项欧盟指令和法规的监管。 这 种模式强制执行具有竞争性 的发电和电力交易市场，而输配电依然受到输配电价格的行 政监管。在法律上，发电、 电力交易与输电、 配电彼此分离 ， 这种分离被称为 分拆。 分拆对灵活性产生影响网络运营商在储电所有权和运 行以及需求响应方面面临着严格的限制。因为电网运营商 （包括输电系统运营商和配电系统运营商）无法买卖电力， 这意味着他们无法在系统中充分运行电池，例如用于负荷转 移或者储存在指定时间点上超出负荷的太阳能光伏发电量。 相反，网络运营商从市场参与者处获得辅助服务和备用电量 ， 确保网络稳定性，这是输电系统运营商和配电系统运营商的 法律义务。此外，在紧急情况下，当没有其他选择的时候， 允许电网运营商在技术上干预和控制电网的馈入和输出。 德国有发展完善的辅助服务市场。对于电网可能遇到的 多重标准，输电系统运营商拥有一套完善的竞争性采购程序 ， 最重要的手段 是 平衡服务，包括一级、二级和三级控制备用 储量， 控制备用按照其激活时间和可用性区分。在接入电网 的市场参与者违背其电网使用计划、危及电 网稳定性时，必 须采用控制备用储量来确保频率稳定性。系统层面上的其他 辅助服务包括运转备用、电压支持和黑启动容量。 根据传统供电模式的需要，输电系统运营商有多种监督 和管理自身网络的方法 ，即发电资产通过输电网彼此连接， 再通过配电网将电力分配给在较低电压水平上的用户。 目前，成千上万的小规模分布式发电设施已接入德国的 配电网，这改变了电网运营商的角色。如前文所述，未来配 电网运营商 应该被称 为配电系 统运营商（DSO ）， 这个术语 似 乎更适合当前配电网所需要的角色。 配电系统运营商必须加大力度来管理负荷和馈入量，以 稳定电网。现如今，德国强制要求采用智能电网技术，例如 可再生能源设施的控制设施， 在产销者家庭引进智能电表将 增大这种可能性。 除了智能电网运营所需的技术升级以外，系统需要一种 新的监管框架，确保配电系统运营商能够合法获得及使用配 电网的灵活性。目前有多种不同模式正在进行讨论 和试点运 行 中 ，这些模式之间存在多方面的差别， 例如在不同模式中， 配电系统运营商在分布式发电或储电资产的控制方面，采用 了不同的覆盖范围和时间安排，也有不同的报酬机制。 3 电 网整 合分布 式可 再生能 源的 灵活性 二十年来 ，德国 及其他 国家 的电网运 营商学 会了如 何 应对 能源结 构中比 重不断 提高 的波动性 可再生 能源。 尽管 自由化 市场系统 中监管 和电网 管理 的基本设 置在可 再生能 源扩 张的早期 阶段提 供了可 行的 框架，但 可再生 能源的 比重 提高 后，就必 须推行 根本性 的监 管变革 ，涉及智 能电网 技术 和灵活性 的激活 采用 智能 电网技术 ， 配 电网 运营 商可 以使用 储存和负 荷控制 来解决 阻塞 问题，避 免高成 本的投 资， 这有利于 所有 用户 的利 益。 12 图 5 灵活性 使用的 替代 管 理模 式 来源德国能源署（Dena），2022 在行政报酬方面，法规 规 定了灵活性的范围，监管机构 设置了适用于灵活性提供者的税费表。使用灵活性的范围可 能变化， 一 种 极端情况是当发生紧急情况时，网络运营商可 以对储能和需求侧管理等可用灵活性施加完全的控制 ； 另一 项 管理方案涉及一个配额系统，限制配电系统运营商对特定 时间段和容量的控制权，例如参与者电池储存容量的20。 灵活性的竞争性采购是一种 替代方案，由配电系统运营 商设定所需的灵活性的具体范围（ 如辅助服务） ，并开展要 求技术资格预审的招标。之后，储能和需求侧管理运营商可 以投标，出售其技术能力。在采购频率和持续期方面有不同 的方式配电系统运营商通过签订中长期合同，购买数周或 数月时间内灵活性资产的控制权，这 种控制权有明确的范围 界定。相反，在短期灵活性市场上，通过每日竞价在平台上 交易灵活性。 当前的德国立法允 许 采用之前模式的某些版本根据能 源市场法，配电网运营商和能源用户之间的具体合同 允 许个 体、灵活的电网费用，为灵活性的提供给与补偿。德国联邦 政府的SINTEG 研究平台深入研究了后一种模式，兼顾了理论 研究和试点项目，旨在调查不同形式的灵活性市场。但截至 目前，德国立法机关还没有针对这 种灵活性交易的匿名平台 引进法律框架，因为关于 这些平台中无赖玩家潜在的市场滥 用行为的争论仍在继续。 3.3 分散式灵活性的聚合 因为将户用光伏发电 量馈入电网获得的报酬低，所以越 来越多的配备了光伏系统的德国家庭安装了家用蓄 电池，以 提高自用消费的比例。尽管从电网的角度来看，这么做有一 定的好处，但并不是理想的做法。单纯出于自用消费而部署 的现场电池可能导致无规律和 无法预测的馈入电网量，例如 当 居民在某些天或者某些时段没有任何电力负荷时。此外， 分布式能源所有者几乎都没有开始参与需求响应计划，部分 原因是配电系统运营商缺乏标准付款框架。 此外，即便与法国和比利时等邻国相比，德国的聚合商 市场依然处于发展初期。术语聚合商指的是与小规模灵活性 提供者签 订合同， 在电力系统次级市场上利用其潜力、分享 交易所得的市场角色。对小规模用户而言，直接参与批发市 场和辅助服务市场是不切实际的。到目前为止，交易成本 包括了解及管理小规模系统能源流所花费的时间 远远 超出了潜在的收益。 聚合商将成百上千的产消者的潜力， 与电池和具有需求 响应潜力的小企业