可再生能源对辅助服务及系统稳定性的贡献---中德能源与能效合作.pdf

中德能源转型研究项目 可再生 能源对 辅助服 务及系 统稳 定性的 贡献 德国经验回顾 2 《 可 再生 能源 对辅 助服务 及 系统 稳定 性的 贡献》 是 德国 国际 合作 机构（GIZ）在中 德能 源转 型 研究项 目框架 下发布 的报 告。 中德 能源 转型研 究项 目支 持中 德两 国能源 领域 政府 智库 、研 究机构 之间 的交 流， 加强 中德 能 源转型 的科 研合 作， 分享 德国能 源转 型的 最佳 实践 经验。 项目 旨在 通过 加强 能源转 型智 库之 间的 国际 合作 与 互利政 策研 究和 建模 ，推 动以低 碳为 导向 的能 源政 策，帮 助中 国构 建更 有效 的低碳 能源 系统 。该 项目 是中 德 能源与能效合作伙伴这一中德能源领域政府交流平台和机制的组成部分，受德国联邦经济和气候保护部 （BMWK ）委托，中国国家能源局（NEA ）作为中方政府支持部门进行整体指导和协调。德国国际合作机构 （GIZ）作 为德方 牵头实 施机构， 与德国 能源署 (dena) 和 Agora 能源 转 型论坛联 合负责 项目实 施 。电力规 划设计总 院是该 项目的 中 方牵头实 施单位 。 发 行方 ： 中德能源 转型研 究项目 项目为中 德能源 与能效 合 作伙伴的 重要组 成 部分， 受德国联 邦经济 和气候 保 护部（BMWK） 委托 北京市朝 阳区亮 马河南 路14 号 塔园外交 办公楼1-15 邮编：100600 c/o 德国国际 合作机 构（GIZ ） Torsten Fritsche Köthener Str. 2 柏林10963 项 目负 责人： 克里斯托 弗·博特 （Christoph Both ） ， 德 国国际 合作机构 (GIZ) 作者 ： 德国能源 署（Dena）: 卡捷琳娜·西莫 （Katerina Simou） 弗里德里 克·泊 杰（Friederike Berger ） 安娜斯塔 西亚· 科姆莎 科 娃（Anastasiia Komshakova ） 挪威船级 社（DNV ）: 马蒂亚斯 ·穆勒 ·米恩 纳 克（Matthias Müller Mienack ） 康斯坦丁 诺斯· 卡拉曼 利 斯（Konstantinos Karamanlis ） 参编 ： 莱亚-瓦莱 斯 卡· 吉 贝尔（Lea-Valeska Giebel ）， 德国能源 署（Dena ） 版面 设计 ： edelman.ergo (on commission of BMWK) © 北京, 2022 年12 月 本报告全文受版权保护。 截至本研究报告发布前， 德国国际合作机构和相关 作者对出版物中所涉及的 数 据 和信息进行了仔细研究与 核对，但不对其中所涉及 内容及评论的正确性和完 整性做任何形式的保证。 本 报 告仅代表作者的观点，而 不代表项目合作伙伴的观 点，如有任何信息纰漏或 错误，报告作者负全责。 本 出 版物中涉及到的外部网站 发行方将对其网站相关内 容负责，德国国际合作机 构不对其内容承担任何责 任 。 本文件中 的观点 陈述代 表 委托方的 意见。 版本说明 3 执行 摘要 . 5 辅 助服 务和系 统稳 定性： 基本 原则和 定义 6 1.1 什么是辅助服务？ . 6 1.2 稳定的重要性 . 7 1.3 电网连接的协调性要求 8 回顾—— 德 国的辅 助服务 10 2.1 历史背景 10 2.2 参与方概况和监管环境 11 采 购选 择和标 准—— 监管 决策 14 3.1 监管背景 14 3.2 辅助服务采购的不同阶段 14 3.3 技术电网连接指导方针中的规范 .15 3.4 市场化采购 .16 3.5 辅助服务的成本 .17 3.6 未来的采购——利益相关方的意见 17 3.7 未决问题——利益相关方的意见 .19 展望 未来—— 技术 发展 21 4.1 惯量 21 4.2 快速频率响应（FFR ） .21 4.3 灵活性 22 4.4 电压控制 22 4.5 频率控制：50.2 赫兹 问题——为什么必须对要求做出前瞻性的调整 .22 4.6 未来的考量——利益相关方的意见 23 结论 25 目录 4 随着德国能源转型的推进，分布式以及通过逆变器 接入的电厂在系统中所占比重与日俱增。为了继续 确保系统运营的安全性，未来必须要通过可再生能 源、储能以及灵活的电力用户提供辅助服务。不少 可再生能源电厂已经具备了提供大量辅助服务的技 术能力，或者可以配备相应的能力。这种发展，再 加上数字化的推进以及创新技术的使用，将从根本 上改变电 力系统 。 电网运营商负责确保电网运营的高效性、安全性和 可靠性；2019 年 ，平均 电力中断 时间 为 12.20 分 钟， 1 对德国电网运营商而言，尽管在电网运营中 遇到的挑战越来越多，但“维持业务正常运行”依 然是重中之重。事实上，未来的能源系统也会变得 更加一体化——电、气、供暖和氢能网络之间均有 接口—— 协调工 作将变 得 更加复杂 。 当然，电网运营商应该有能力防止电压、频率及电 流过限等情况的出现，并有能力避免断电的发生。 当出现电力中断或者干扰的情况后，需要有能力立 即修复电网。一种叫“辅助服务”的手段可以让电 网运营商 满足以上 所 有要求 。 提供辅助服务的事宜已经在德国被讨论多年。为了 确保电网能够安全、可靠的运行，不论是输电网运 营商还是配电网运营商，都必须根据电压水平提供 各种辅助服务。以前，这种服务都是由大型热电厂 所提供。而大型热电厂将逐步退出电力系统，或是 降低运行频率。尽管它们仍然能够提供单项辅助服 务，例如在停机状态下也能够提供黑启动能力，但 未来，此项责任主要还是要由可再生能源（RE ） 电厂承担。随着大多数可再生能源电厂都已接入配 电网，未来，配电网中越来越多的服务将由电厂提 供。 如果再叠加考虑电动汽车及其他分布式容量（电池 储能、热泵）的话，这一点会变得更为显著，配电 网络运营商也将承担起更大的系统责任。未来的辅 助服务设计中将有巨大的回旋余地，必须加以合理 利用。这也适用于尚未直接归入典型辅助服务范畴 的领域。在此方面，最重要的范例可能就是惯量问 题。 关于辅助服务进一步发展的讨论仍是一项重要议题， 尤其是考虑到负荷流量大幅波动、德国境内电力输 送距离不断加大以及传统发电厂运营时间减少的背 景。这从根本上改变了对辅助服务的需求以及提供 方式。 必须对数量庞大的分布式发电厂的运营进行统筹协 调，才能满足系统要求。此外，跨电网运营也将变 得愈发重要，因为越来越多的潜在辅助服务提供商 将与配电网连接。因此，当下必须要为可再生能源 电厂提供各种技术能力奠定基础，以确保未来系统 运营的安 全性和 稳定性 。 本报告可以为中德两国的业内人士未来开展双边交 流提供基础。作为拥有世界上最大的可再生能源装 机容量的国家，中国在未来的某个时刻需要积极利 用辅助服务，才能顺利实现可再生能源的整合。另 一方面，德国辅助服务的发展也并非尽善尽美；因 此，深入了解中国的相应经验，后期也可能让德国 获益匪浅 。 谨启 科 琳娜·博林 蒂纳 努 德国能源署， 中德能源 转型研究项目 ，项目主 管 克 里斯 托弗· 博特 德国国际合作 机构，中 德能源转型研 究项目， 高级顾问 编辑 寄语 5 对任何高比例 可再生能 源的系统而言 ，如何确 保电网的安全 性和稳定 性都是一项始 终存在的 挑战。目前， 很多此类 服务本质上都 是由传统 电厂提供的， 而这通常 也是最具成本 效益的方 式。但在短期 内，传统 电厂的渗透率 仍将持续 下降，尤其是 在德国。 必须弥合这一 缺口并对 系统进行重新 设计，才 能确保未来有 充足的 辅 助服务供应商 ，能够以 一种有经济性 的方式， 满足对辅助服务的需求。 本 报告概述了 德国辅助 服务发展的现 状。其中 总结了有助于 电网可持 续运营的辅助 服务的关 键定义，即：  运行管理  频率控制  电压控制  供电恢复 此外，报告还 在更广泛 的范围内总结 了参与方 的情况，概括 了可再生 能源电厂要提 供必要的 辅助服务，就必须 满足 的相关技术条例。 目前 ， 德国在国家层 面上针对 辅助服务所推 行的监管 框架，基本上是在整个欧洲层面上确立的。 报告还描述了 单项辅助 服务的不同采 购选择和 标准。通过何 种方式（ 有约束力的并 网指导方 针、市场或电 网运营商 ）才是最有效 提供辅助 服务的方式只 能根据参 与方的结构和 市场设计 具体情况具体分析。 未来关于辅助 服务发展 的讨论要聚焦 于哪些方 面，也是一个 关键问题 。本文研究的 重点是对 频率控制、灵 活性、惯 量以及电压控 制的当前 讨论及长期构 想。其中 也讨论了在发 展过程中 发起临时监管 调整的经 验。核心要点 是一定要 正确估计及预 判系统的 变化，以使电 厂能够及 时配备适当的能力，适应相关流程。 为了让研究更 加深入， 本 报告还纳入 了与此领 域相关参与方 进行的访 谈，受访者介 绍了德国 可再生能源增 长及辅助 服务发展的相 关经验以 及他们对这种 经验的实 际洞察。这些 访谈也揭 示了眼下必须 进一步改 进监管制度的 需求。受 访的参与方包 括德国电网 运营商、监 管机构、 发电厂运营商 以及行业 代表，也有来 自欧洲其 他国家的输电 系统运营 商和监管当局 。访谈由 顾问机构挪威船级社（DNV ）完成。 总而言之，本 报告旨在 介绍德国辅助 服务领域 的过去、当前 发展状况 以及未来需要 采取的行 动。这一主题 仍在不断 发展演变，所 以可以将 本报告视作一 张瞬时快 照。本报告旨 在向该 领 域的国家层面 及国际层 面的业内人士 介绍德国 辅助服务的演变过 程以 及与此相关的讨论 要点 。 执行 摘要 6 1.1 什 么是 辅助服 务？ 能源政策的最重要 目标 是确保可靠的能源 供应 。 因此，电力系 统必须能 够随时满足电 力用户的 用电需求，同时确保电力系统的安全运行。 电网运营的参 与者数量 众多、关系复 杂，因此 系统可能出现 偏差和错 误，例如负荷 或供应波 动、设备故障 以及发电 中断。为了避 免系统出 现这些错误和 故障，需 要不间断地提 供将频率 和电压维持在 可接受数 值范围内的服 务，或者 在发生偏差或 故障后， 将这些数值恢 复到正常 范围的服务。 保证这种 技术过程的服 务被称为 辅助服务。 2 表 1 ：主 要辅 助服务 产品 辅助服务 ：正常 运行和 正 常运行波 动 频率控制 电压控制 系统恢复 运行管理 ■ 控制功率 ■ mFRR ■ aFRR ■ FCR ■ 可中断负 荷 ■ 快速频率 备 用* ■ 直接电压 控制 ■ 切换操作 ■ 变压器分 接头 ■ 无功功率 控制 ■ （准）静 止** ■ 静止同步 补偿装 置或者 移相器 ■ 黑启动能 力** ■ 能源备用 ■ 孤岛运行 能力** ■ 转换到辅 助负荷 ■ 协调 ■ 信息通信 技术和 数据交 换 ■ 运行规划 ■ 网络安全 管理 ■ 调整运行 模式以 适应无 功功率控 制 ■ 系统自动 化（例 如 联锁跳闸 ） 辅助服务 产品 * 作为 新的辅 助服务 产品 或者对一 级控制 备用的 更 改 ** 不 受频率 约束的 辅助 服务 来源：德国能源署（2020） 在欧洲的法律 体系中， 根据“关于内 部电力市 场的共同规则”的 2019/944 号指令条款 2 （48 ）， “辅助服务”这一术语指的是输电 或配电系统运 行所必需 的一项服务， 包括平衡 及非频率辅助 服务。尽 管此指令中并 未明确提 到 阻塞管理，但它依然是输电系统运营商 （TSOs ）在运行管理中频繁使用的一个重要 工具。 辅助服务分为四大类：运行管理、频率控 制、系统恢复和电压控制（参见表 1 ）。为 了提供四项辅助服务，电网运营商建立了 大量流程，使用了多项辅助服务产品。这 些产品不仅仅通过网络运营商的资源提供， 而且也来自网络用户。必须对确保单位设 施及系统文件性的技术能力、始终维持运 转的产品（例如故障穿越能力）以及仅在 必要时要求启动的产品（例如控制备用） 进行区分。 运行 管理 作为运行管理 的一部分 ，电网运营商 须承担起 组织安全、可 靠的电网 运行的任务—— 具体来 说，就是由输 电系统运 营商提供持续 的监测和 控制，由配电系统运营商（DSO ）提供网络管 理。运行管理 是提供其 他辅助服务的 基础，因 此它对系统运 营极为重 要。最重要的 运行管理 活动包括： 1 辅 助服 务和 系统 稳定性 ：基 本原则 和定 义 7  设备的控制，不超过容许的限值  数据收集、聚合和交换  通过网络阻塞管理，避免网络内输电线路 的物理过载  为必要的网络维护、转型或扩容提供支持 的运行及停机规划 3 频率 控制 系统运营商平衡发电量和用电量，保障 50 赫 兹的标准频率 。频率控 制是平衡供需 的核心支 柱。比如，如 果发电量 高于用 电量， 过剩的能 量会造成系统 加速。频 率会因此提高 ，从而给 接入电网的负 荷及发电 设备造成危险 。同理， 如果电力需求 高于供应 ，即电力短缺 时，则频 率下降。按以 下次序采 取措施，可以 确保符合 50 赫兹的额定频率：  平衡电力是由灵活发电厂、电力用户 或 储 能 系统所 提供。他们在特定框架内调整其 发电或用 电 量以满足要求，并出于此目的 切换电网运营商的技术参数。反过来，平 衡电力的提供者会收到网络运营商支付的 经济补贴。平衡电力分三个时间阶段提供： 一级平衡电力（与电网频率设定值的偏差 达到特定值时，在 30 秒内自动全面启动）、 二级平衡电力（在电网运营商调用之后的 5 分钟内全面启动）以及分钟备用电力（在 网络运营商调用后的 15 分钟内完全启动）。  可切断的负荷可在 350 毫秒或者 15 分钟之 内立即启动（例如可在炼钢厂的熔炼过程 中执行）。这种切断是自愿的，须经过协 商并提供补偿。与下一条项中提到的系统 保护计划框架内的停机不同，这种切断可 以得到赔偿。  如果控制容量不足，采用自动频率补救 （或者区域断电）作为应急措施。与前一 条项不同，这种停机是发生在系统保护计 划的框架之内。 4 系统 恢复 如果频率升高到 51.5 赫兹以上或者下降到 47.5 赫兹以下，电厂将出于保护目的关停。在 整个系统关停 （停电） 之后，系统恢 复的目标 首先是恢复网 络，然后 是在尽可能短 的时间内 恢复供电。为 了恢复超 高压网络，电 厂可以在 完全关停状态下重启。 电力恢复辅助服务是一项复杂的协作型任 务，只能分阶 段执行， 因为电力系统 中已经激 活的部分必须 始终维持 在平衡状态。 如果发生 大规模断电， 须由负责 的输电系统运 营商与相 连 的 配电系统 的运营商 协调完成此项 任务，也 须与邻近的输 电系统及 电厂运营商进 行磋商。 首先在单个“ 孤岛”内 重建电压，然 后再 实现 这些子网络频率的彼此同步。 电压 控制 电源电压是电 网内能源 供应商所 提供 的、用于 传输电力的电 压。在欧 洲，几乎所有 地方的交 流电电网的电压都是 230 伏特 50 赫兹频率 。 这个数值在世 界其他地 方可能有所不 同，但设 备必须与相应的电源电压相匹配。 电网运营商确 保系统的 运行电压维持 在适当水 平，不超过电 压限值。 尽管电压可以 在特定的 范围内变化， 但网络内 的电压必须维 持在特定 的电压范围内 。否则， 如果网络电压 过高，就 可能造成接入网络设备的损坏。 网络运营商有各种稳定电压的方案。 - 规划过程中的考量: 在规划网络项目时， 首先要 考虑 的是 有功 功 率的输 送。 但其 实在选 择合 理的 网络 拓 扑结构 、进 行网 络的技 术设 计时 ，可 能 已经把 电压 稳定 性考虑在内了。 - 负荷流 控制 设备 ：在 系 统运行 时， 切换 运行可 能改 变网 络拓 扑 结构或 者切 换变 压器的匝比，从而影响电压。 - 电厂自 身的 控制 ：最 后 ，可以 通过 具体 影响所 连接 系统 或者 网 络组件 的无 功功 率行为，影响电压。 5 1.2 稳 定的 重要性 为了保障电力系统 的长 期安全，在正常运 行中 ， 需要通过辅助 服务来满 足运行限值。 然而，一 旦现有安全备 用耗尽且 超过了技术限 值，就会 有其他机制介入。 为了 避免故障及破坏的 蔓延 ， 网络运营商会依赖稳定性措施。 稳定性措施是 用于控制 偶发事件。应 该限制故 障的影响，且 应按照系 统保护计划中 的说明， 在不进一步超 限的情况 下，让系统从 故障运行 状态恢复到正常运行。 6 8 为了评估系统稳定性，一种常见的做法是将 “稳定”分为 三类：频 率稳定性、电 压稳定性 和角度稳定性。 取决于具体情 况的相关 性，对辅助服 务或者稳 定性的需求可 以 决定具 体的维度。在 正常运行 以及发生故障 的情况下 ，惯量对维持 频率至关 重要。局部网 络可运行 性也是网络恢 复及频率 稳定的一个重 要前提。 因此，往往不 宜明确地 区分辅助服务和稳定性。 根据输电系统运营商之前的观点，辅助服务 仅限于频率控 制、电压 控制、网络恢 复和运行 管理。稳定性被视为附加领域。 表 2 概述了出于个体稳定性目的要分配的具体 产品。应该注 意，在进 行系统设计时 ，还必须 将进一步的稳 健性要求 、网络中断以 及系统和 网络保护纳入考虑范围。 7 表 2 ：主 要的 稳定性 产品 稳定性 干预 的 控制 频率稳定 性 电压稳定 性 角度稳 定性 共振和控 制器稳 定性 ■ 瞬时备用** ■ 孤岛运行 能力 ■ 可中断负 荷的自 动切 断 ■ 系统保护 计划 ■ 超频下的 有限频 率敏 感模式/ 欠频下 的有限 频率敏感 模式 ■ 削减发电 量 ■ 削减负荷 ■ 动态电网 支持** ■ 脉冲激励 ■ 短路电流** ■ 直接电压 控制 ■ 无功功率 控制 ■ 动态/ 快速 ■ 系统保护 计划 ■ 削减负荷 ■ 变压器分 接头闭 锁 ■ 瞬时备用 ■ 快速功率 调整 （“快速 调阀” ） ■ 电网构建 ■ 谐波阻尼 ■ 隔绝能力 ■ PSS 和 POD 控制 器*** 稳定性产 品 * 作为 新的辅 助服务 产品 或者对一 级控制 备用的 更 改 ** 不 受频率 约束的 辅助 服务 *** 电力系 统稳定 器（PSS ）和 功率振 荡阻尼 （POD ） 来源：德国能源署（2020） 1.3 电网 连接 的协 调性 要求 随着传统电厂 比例的下 降，可再生能 源发电厂 需要在断电及 正常的运 行过程中为维 持电网稳 定性做出贡献。网络连接规范（NC ）要求接 入系统的所有 设备自接 入之时起，且 在其整个 寿命周期内， 都符合网 络连接规范中 设定的规 范。网络规范是欧洲输电系统运营商网络 （ENTSO-E ）在欧洲能源监管合作署（ACER ） 的指导下，拟 定的一系 列规则，旨在 促进欧洲 电力市场的协 调、整合 和效率。每一 条网络规 范都是建成内部市场不可或缺的一部分。 8 2016 年 4 月，欧盟委 员会发布了设定网络规 范 的新条例， 对接入电 网的发电设备 提出了要 求（RfG ）。此法令的连接条件适用于新建的 发电厂。2018 年 5 月 17 日，欧洲对发电设 备 提出的要求正式生效。 发电设备要求的网络规范（RfG ）协调发电设 备接入电网所 必须遵守 的标准。这些 （欧洲范 围内）协调标 准旨在刺 激发电技术市 场，提高 竞争力。此条 例涵盖了 从频率稳定能 力、无功 功率的提供直 到大型设 施黑启动能力 等在内的 各个方面。 9 发电设备要求条例： 9 • 为电网连接打造一个明确的法律框架。 • 促进整个欧盟范围内的电力交易。 • 保证系统安全性。 • 支持可再生能源的整合。 • 推动竞争，从而使电力用户受益。 10 技术连 接规则 （TCR ）是欧洲网络规范中定义 的一部分，欧 洲网络规 范是德国为了 进一步满 足欧洲标准， 委托电气 、电子和信息 技术协会 （VDE FNN ）制定的规范 。技术连接规则意味 着可再生能源 在电网中 的安全整合、 电网的互 操作性以及投资和规划安全。 技术连接规则： • 概述了 电力 用户 系统 接 入公用 事业 电网 的基本要求。 • 为设备运行提供重要信息。 • 确定电网运营商、电厂运营商 、规划者 和电力用户的职责。 FNN 目前正在修订所有四项技术连接规则（每 一电压水平一 条规则） 。修订的焦点 是贯彻欧 洲网络规范。 11 10 2.1 历史 背景 德国曾经是以 化石燃料 的为主导的系 统，多为 一体化公司， 主要是利 用传统发电厂 的同步发 电机的固有特 征（感应 电压、惯量） ，维持电 力系统的稳定性 。2000 年，德国颁布了第一 部《可再生能源法（EEG ）》，自此发起了能 源转型。 转型 很快就影 响到了各个层 面上的系 统运行。 之前，可再生 能源一度 只被认为是系 统的附加 品。只要它们 不干扰系 统的稳定性， 就可以保 持电网连接状 态，可一 旦出现疑问， 就会被切 断连接。随着 越来越多 传统发电厂的 退役，这 种方式遭到了越来越多的挑战。 此外，电力市 场拆分及 市场自由化都 加速了新 参与方的涌现，使得第一批电力市场出现。 1990 年代和 2000 年代 ，大部分欧洲国家都建 立了电力市场 。德国的 电力市场自由 化是始于 1990 年代 的多项 努力 的成果 12 ，随着 《能源 产业法》（EnWG ）的 修订而成形。 13 如今的电力市 场的一个 关键特征是平 衡市场。 审视平衡市场 的发展进 程，有以下引 人注目的 里程碑事件：  作为可用辅助服务的一部分，平衡服务 （也称为控制备用）包括平衡容量和平衡 能源。在平衡容量市场上进行平衡容量交 易的同时，最近，又引入了平衡能源市场 作为一项辅助措施。 14 通过资格预审且未 参与平衡容量市场的平衡服务提供商，只 要能够在短时间内提供可用容量，即被准 许参与平衡能源市场。 15 因此，输电系统 运营商可以获得更接近实时的附加平衡投 标。  直到最近，提供平衡能源的资格预审标准 以及产品定义，都主要是为了适应传统发 电厂而设计的。 16 考虑到可再生能源的崛 起，在一定程度上重新选择了产品规范。 这确保了可再生能源能够不受歧视地进入 平衡市场。  控制区域内的合作——德国有四个控制区 域，为了避免激活的控制功率被抵消，德 国改进了这些控制区域内的合作。 能源市场自由 化过程中 实现的另一大 里程碑事 件是通过《可中断负荷指令》（AbLaV ），实 现可中断负荷的参与， 这是确保频率稳定性的 一 个 途径。在 收到输电 系统运营商的 相关要求 后，这些负荷 必须能够 在短时间内减 少或者切 断自身的电力使用。 另一项措施是缩短提前期，即从产品开放交易 到交付的时间跨度。2015 年，德国日内市场 的提前期从 45 分钟减 少到 30 分钟，到 2017 年又进一步减少到 5 分钟。 17 提前期的缩短是 精准解决日内 电力交易 不平衡性的重 要一步。 18 电网运营商可采用 不同 措施来维持电压的 稳定 。 其中，无功功率控制和故障穿越（FRT ）在近 几年得到了更 为广泛的 应用。为了影 响电压， 电网运营商可 以使用接 入的电厂或电 网组件的 无功功率。传 统电厂具 有自动电压调 节，因此 反应更为迅速 ，能满足 今天大部分的 无功功率 需求。如果在 配电网内 ，越来越多地 使用可再 生能源取代正逐步 淘汰 的大型电厂的部分 功能 ， 也必须大幅提高这些电厂的反应速度。 19 这会 改变在配电网 内提供无 功功率的要求 ，也会改 变为输电网额外提供无功功率的要求。 目前，无功功 率按不同 “速度”进行 区分，即 较快及相对较 慢的无功 功率提供。在 电压缓慢 变化的情况下 ，使用（ 准）静止无功 功率维持 静态电压，而 在动态电 网支持的背景 下，则向 电网馈入较快 的无功功 率，以平衡电 压的快速 变化。正常运 行状态下 ，可再生能源 正常运行 状态下电压变 化会更快 ，因此未来对 快速无功 功率的需求也会更高。 20 电网故障时对 动态支持 的要求以及为 限制压降 而提供的相关 电压支持 （亦称为故障 穿越）不 会受到这种快 速无功功 率的影响。原 则上，通 过转换器连接的系 统能 够处理快速的无功 功率 。 但其前提是转换器可实现足够快速的控制。 回顾—— 德国 的辅 助服务 11 为了管理阻塞 ，一年前 引入了面向未 来的监管 改革：随着再 调度 2.0 的引入再调度程序通过 纳入低至 100 千瓦的所有发电机组，基本上是 已对可再生能 源开放了 。可再生能源 和传统电 厂也遵从同一优先次序。再调度 2.0 的首要目 标是以非歧视 性且具有 成本效益的方 式，消除 定期和不定期 的网络瓶颈。 21 这种措施最终优 化了网络管理 ，降低了 消除网络瓶颈 的成本。 以前，再调度 是由输电 系统运营商执 行的，但 自 2021 年 10 月起，配 电系统运营商以及接入 低、中、高压 电网的电 力用户和电厂 也被纳入 到再调度计划中。 这些立法变化 预计会降 低由再调度措 施导致的 高成本，因为 分布式可 再生能源电厂 会 更加接 近 阻塞点，从 而能够相当高效地解决问题。 22 但仍然要以入 网优先级 为准：优先由 传统电厂 执行再调度措 施，而可 再生能源电厂 只有在其 成本比传统电厂低 10 倍的情况下，才会被考 虑。 23 德国联邦网络局（BNetzA ）的最新提案 为可再生能源电厂设定的最低系数是 10 ，为 热电联产（CHP ）厂设定的最低系数是 5 。 回顾德国输电 系统运营 商为辅助服务 支付的成 本，可以明显 看出它们 为维持电网平 衡及稳定 支付的费用在不断提高（参见图 1 ）。 24 根据 德国联邦网络局（BNetzA ）的监测报告，辅 助服务的成本从 2014 年的 12.11 亿欧元增长 到 2020 年 12.183 亿欧 元，四年时间里，增长 了大约 67% 。这种趋势预计还将延续，目前正 在进行立法修 订，以期 在未来抵消这种 趋势。 但是，未来需要推行的变革可能不止于此。 图 1：辅 助服 务的成 本发 展 来源：德国联邦网络局（2021） 2.2 参 与方 概况和 监管 环境 辅助服务领域 的持续发 展会影响到各 个执行阶 段所涉及的众多参与方。2019 年 6 月，欧洲 通过了对“关 于内部电 力市场的共同 规则的指 令”（第 2019/944/EU 号）的修正案。此 修 正案是所谓的 “清洁能 源一揽子计划 ”的一部 分。 根据该 指令， 电网运营 商主要将在市 场上购买 辅助服务，只要 这种方 式具有经济效 益。具体 来说，必须采购 六项“ 非频率辅助服 务”，包 括电压调节、本地 电网 稳定性惯量、短路 电流 、 动态无功电流 支持、孤 岛运行能力以 及黑启动 能力。为实现 此目的， 须在国家层面 上，引进 一种非歧视、市场化的辅助服务采购模式。 上述指令必须在 2020 年底之前在成员国的国 家立法中体现 。在德国 ，由德国联邦 经济和气 候保护部（BMWK ）牵头，基于专家委员会 （即 SDL-Zukunft ）形成的专家意见，设定了 基本原则。而 关于具有 经济效益的辅 助服务意 味着什么，则 须由国家 监管当局裁量 。如果并 未选择基于市 场的方式 ，主管当局必 须证明它 们选泽的替代 方案是对 所有利益相关 方都更为 高效的方式。 12 成员国必须考 虑具体的 立法措施，其 中包括修 订现有法律以 及通过新 的法规。在 德国 ， 需要 修正《 能源产 业法》（EnWG ）。一份重要的 修正案就是对《能源产业法》第 12 条（h ）款 的修订，此修 订旨在授 予德国联邦网 络局确定 辅助服务采购模型的权限。该法于 2020 年 11 月 27 日生效。 25 德国联邦网络局（BNetzA ）设定采购非频率 辅助服务的规 范和要求 。或者，德国 联邦网络 局可以要求网 络运营商 共同制定适当 的规范和 要求，让所有 相关网络 用户参与其中 ，并最终 交由其审批。 26 如果基于市场的辅助服务采购 不具有经济效 益，德国 联邦网络局可 以作出豁 免规定。豁免 的情况须 至少每三年复 核一次。 德国联邦网络 局参与了 德国联邦经济 和气候保 护部发起的专 家评审过 程，但其最终 决定并不 受限于此评审过程的结果。 27 通常由输电系 统运营商 负责确保系统 安全性， 但它们也越来 越依赖于 低电网级别和 电厂运营 商来提供必要的辅助服务。 28 运行管理负责 各电网运 营商，且必须 考虑到各 上游电网运营 商的必要 要求。输电系 统运营商 全面承担起维 持系统稳 定性的责任， 也需要与 其他欧洲输电系统运营商协调行动。 输电系统运营 商通过维 持发电与用 电 的平衡， 来维持频率。 在电压调 节方面，由输 电及配电 电网运营商负 责维持其 各自电网区域 内的电网 电压，将之维 持在与电 压质量相对应 的容许范 围内。工作是在其自身电网级别上的完成 的，但须将上下游电网的要求都考虑在内。 发生大规模断 电的情况 下，输电系统 运营商必 须能够与配电 系统运营 商合作，在尽 可能短的 时间内恢复电力供应（系统恢复）。 网络运营商的活动 得到 “技术监管机构” 电气 、 电子和信息技术协会网络技术/ 网络运营论坛 （VDE FNN ） 的支 持。VDE FNN 在 技术 设施 连接和运行的 具体技术 指导方针中， 设定了将 政治框架条件 考虑在内 的系统要求。 立法机构 要求为能源厂 的建设和 运行提供技术 安全担保 （《能源产业法》第 49 条）。在此方面，立 法机构的使命 只是设定 一个保护目标 ，技术规 范须交由 VDE FNN 负 责。立法机构认可这一 套规则，推定满足 VDE FNN 的技术规则，即 代表可以确保技术的安全性。 29 设备制造商基 于这些规 范设计设备， 由设备运 营商决定是否 提供辅助 服务。只有所 有参与方 都获得可靠的框架 条件 以及充分的规划确 定性 ， 才可能确保系统的安全性。 30 在 2007 年的输电规范 中，设定了德国所有四 个 输电系统运 营商区域 内的电网接入 条件。这 一套规则最初是由 VDE FNN 在 1998 年拟定 的，其主旨是 回应电力 市场的自由化 以及《能 源产业法》（EnWG ）的相应修订。 31 涵盖整 个欧洲市场的 网络规范 则是由欧洲输 电系统运 营商网络（ENTSO-E ）开发的。 13 图 1 ：参 与方 及其活 动概 况 可以看出欧洲层面 上不 断出台新的法规、 指令 、 决议和标准， 且之后必 须在德国贯彻 实施。但 是，信息的流 动并不是 单向的。比如 ，在设定 德国的 技术规 则时，VDE FNN 可以纳入更加 具体的规定——前 提是 不得与欧洲法规相 抵触 ； 此外，它也可 以通过相 关的咨询，影 响即将出 台的欧洲法规。 32 14 3.1 监管 背景 如前文所述，2019 年 6 月，欧盟委员会通过 了对“关于内 部电力市 场的共同规则 的指令” （第 2019/944/EU 号）的修正。其中描述了 未来如何组织 提供所谓 的“非频率辅 助服务” （nf-AS ）。 根据指令的规 定，未来 的辅助服务采 购须采用 透明、非歧视 的市场方 式，电网运营 商通过电 网运营设备自 行提供 这种服务的情况除外。 33 如果监管当局 认定非频 率辅助服务的 市场化采 购没有经济效 益，则可 被豁免遵守此 项规定。 此义务不适 用于完 全一 体化的网络 组件（FINC ， 要获取进一步 的解释，参见以下子章节 3.3 ）。 众多国家性法 律法规受 到此指令的影 响，各成 员国被要求采 取各种措 施贯彻此指令 。因此， 德国不得不修订《能源产业法》，并于 2020 年 10 月通过了一部监管辅助服务市场化采购 的法律。 34 与欧洲指令类似，这项法规的目的 是通过引进透 明且非歧 视性的市场程 序，允许 所有市场参与 者（即发 电商、储能设 施或者电 力用户）提供 辅助服务 。除了刺激竞 争以外， 亦可据此法规 发挥额外 的技术潜力， 提供辅助 服务，从而提升系统运行的整体安全性。 35 德国联邦网络 局设定了 具体的采购系 统。如果 辅助服务产品 的市场化 采购不具有经 济效益， 德国联邦网络 局可能批 准相应的豁免 情况。此 法律于 2020 年 11 月 27 日生效。 36 为了进一步支 持市场化 采购体系的引 进，德国 联邦经济和气候保护部（BMWK ）启动了 SDL-Zukunft 项目（由顾问公司 ef.Ruhr 落 实），在此项 目中，经 气部与德国联 邦网络局 密切合作，并 让网络运 营商、行业协 会和研究 人员等利益相 关方参与 其中探讨该推 荐何种辅 助服务市场化采购模式。 37 德国联邦网络局采纳了 SDL-Zukunft 报告的建 议之后，初步 完成了对 市场化采购模 式的效率 评估，但本报告 对 德国 联邦网络局没有约 束力 ， 并不能以任何 方式预先 制止德国联邦 网络局的 决定。 38 目前，正式设定采购模式的过程再次 交由德国联邦网络局负责。2020 年，在 SDL- Zukunft 框架内执行的 初步效率评估只是一个 前奏。如前文 所述，在 定期评估的框 架内，德 国联邦网络局 应至少每 三年复审一次 其豁免决 定。 3.2 辅 助服 务采购 的不 同阶段 采购辅助服务产品 时， 必须通过三个决策 阶段 ： 1. 技术能力的提供：第一步就是必须从根本 上设定设施的技术能力，确保设备有能力 提供必要的辅助服务产品。可以在相应的 网络规范及指导方针中规定这种技术能力， 在适用的情况下，还应一并设定技术连接 要求或者其他国家规定。 2. 容量的提供：下一步，就是必须确保设施 的可用性，确保网络运营商可以获得其使 用权。 3. 服务的提供：之后，流程的最后一步就是 实际提供辅助服务产品。 除了由电网运 营商直接 提供辅助服务 以外，原 则上，也可以 通过市场 参与者满足系 统要求。 采购的组织方式有三种不同变体： 1. 义务性，没有报酬 2. 义务性，有报酬 3. 基于激励和报酬的自愿性 前两种义务性模式 是通 过技术连接要求，规定 必须提供辅助 服务产品 。之后，取决 于决策阶 段以及不同的 辅助服务 产品，可以对 报酬进行 不同的调节。 39 采 购选 择和标 准—— 监管 决策 因为供电 系统和欧洲法律要求的 变化，辅助服务产品的 采购也必须进一步发展 。可用的采购选择 包 括市场化 采购、技术电网连接指 导方针中有约束力的要 求以及由电网运营商提 供。要完成此项工作 必 须执 行本章 节开 头部分 论及 的三个 决策 阶段。 15 另一 方面，自 愿采购模式一 般都是以 市场为基 础的。根据德国联邦经 济和气候保护部的解释 ， 市场化采购要 求由辅助 服务产品的提 供商可以 自由决定至少一个 参数——价格或数量。 因此 ， 对于在调节模 式下获得 报酬的辅助服 务产品， 只要提供商一 方可以自 由地通过相应 的数量发 盘做出回应，即可被定义为以市场为基础。 总的来说，辅 助服务产 品的市场化采 购有四种 不同选择：  调节报酬  双边合同  招标  竞拍 最后，在面对 不同辅助 服务产品的采 购时，必 须要解答以下问题：  应由电网运营商还是电网用户提供辅助服 务产品？  服务的提供应该是强制的还是自愿的？  辅助服务是否应该收到报酬？  如果是，采用何种报酬模式？ 图 3 全面概述了这些问题。问题有时候会相当 复杂，因为有 众多的因 素（例如交易 成本、市 场 失灵、影响、系 统需 求等）必须要考虑 在内 。 图 3 ：辅 助服 务采购 的级 别 3.3 技