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    德國虛擬電廠發展經驗

    中國電力企業管理發布時間:2022-08-22 12:01:29  作者:尹玉霞

      為應對氣候變化,包括中國和德國在內的全球越來越多國家都提出了碳中和目標,并向國際社會作出了減排承諾。我國提出2030年前實現碳達峰,2060年實現碳中和,德國在去年對其氣候目標作出修改,將此前的2050年實現氣候中和目標提前到了2045年,并相應對其階段性目標作出了修正,包括到2030年德國較1990年溫室氣體排放量減少65%、到2040年減少88%、到2045年實現溫室氣體排放中和、到2050年實現負排放。

      德國在溫室氣體減排方面探索了很多不同的技術路徑。據統計,德國2020年通過發展可再生能源共減少了2.27億噸的溫室氣體排放,而2020年德國的溫室氣體總排放量為7.39億噸,因此大力發展可再生能源是實現德國氣候目標路徑的一個重中之重。這也是德國提高溫室氣體減排承諾后,馬上相應調整其可再生能源發展目標的原因。2030年德國可再生能源占比從目前的46%提高到80%,占一次能源的比例從目前的20%提高到30%。本文聚焦電網,僅從可再生能源這一技術路徑出發進行分析。

      德國如何保障高比例可再生能源電力系統的供應安全

      增加投資,擴建電網

      2019年,德國用于電網的投資高達106億歐元,其中約75億歐元用于配電系統建設,31億歐元用于輸電建設,這一投資額度分配契合德國以分布式為主的電力系統,因為絕大多數的可再生能源都是分散式并接入配電網,因此德國對配電網的擴建、升級改造要求最高,相應的投資也更集中在配電系統建設。而四項立法構成了德國電網擴建協調化、加速化和透明化的基礎,即《能源經濟法》(EnWG)《加速電網擴建法》(NABEG)《聯邦需求規劃法》(BBPlG)和《電網擴建法》(EnLAG)。

      電力系統服務為德國供電系統保駕護航

      談到德國電力系統較高的安全性和經濟性,就不能不強調德國的電力系統服務。電力系統服務是電網為適應可再生能源波動性和供需不平衡而采取的一攬子措施工程。

      2019年,德國輸電系統運營商的年度系統服務成本為18.2億歐元,在這一成本中,能源平衡服務的比重在逐年下降,這并不意味著服務減少了,而是成本降低了,這一方面歸因于德國輸配電網公司相互之間的協調得到大幅優化;另一方面是德國電力市場日間交易量越來越大,電力短期合同越來越多,使得平衡電力供需的成本有所降低。

      同時,電網備用和棄風棄光的服務成本在最近幾年呈現增長趨勢,這主要歸因于德國的電網規劃和擴建趕不上可再生能源快速發展的趨勢。德國電網規劃、立法、審批、建設整個流程較長,滯后于可再生能源發展,因此電網瓶頸、擁堵情況導致棄風、棄光現象及其成本增加。德國棄風、棄光在系統服務成本中占的比例大,實際棄風、棄光率并不是很高,約1%~3%;但棄風、棄光量的絕對值在最近幾年一直很高。

      保障供電安全的不同電力市場設計

      保障電力安全離不開歐洲不同的電力市場設計,目前在歐洲主要是容量市場和單一能量市場。德國采取的是單一能量市場,沒有容量市場,以杜絕容量市場為化石能源提供“補貼后門”的可能性。為了提高靈活性和效率,歐洲中部和北部的國家已經放開了能源市場,并選擇依靠單一容量市場。但隨著可再生能源比例越來越高,僅僅通過單一能量市場很難實現供需之間的完美匹配,因此這些國家(德國、瑞典、波蘭)在發展單一能量市場的同時,還引入了戰略儲備容量。

      與歐洲大電網互聯和跨境交易

      除本國電網保障措施外,德國非常依賴歐洲的大電網。如德國-挪威海底高壓直流系統、與丹麥開發的海上風電場互聯等,這對德國的電力供應安全性和經濟性都起到一定作用。德國的跨境電力交易在2015年減少了約10吉瓦的剩余峰值需求,預計2025年會減少20吉瓦。在德國,剩余峰值需求是一個專門的概念,不是指減掉目前所有裝機能夠提供的容量,而是減去可再生能源電力后剩下由傳統化石能源來滿足的需求。這一特殊概念的設置和德國退核、退煤密切相關,目的是慢慢減少其對傳統化石燃料電廠的依存度。

      電網平衡基團

      電網平衡基團,也叫電力供需平衡責任方,在德國電網安全運行中扮演著重要角色。他們分布在德國的四大輸電網運行區域內,共有約2700多個平衡基團。德國電網或者電力市場之所以能夠實現自平衡,最重要的依據或者最重要的基礎元素就是平衡基團。平衡基團首先是在自己基團內部實現供需平衡,如實現不了,那就在平衡基團所在的輸電網控制區內進行平衡匹配;如果控制區內還不能實現,下一步就是跨區域平衡;如果國內跨區域平衡不能實現,再到歐洲大電網,也就是國際電網控制合作組織(IGCC)成員國之間進行平衡。德國電網平衡基團滲透在德國的電力市場,平衡基團和輸電系統運營商的合作是電力供需平衡的關鍵,也是驅動虛擬電廠發展的重要因素。

     

      德國虛擬電廠的發展

      電力系統的靈活性是幫助德國實現高比例可再生能源電力系統安全穩定運行,并助力實現碳中和的重要手段。而虛擬電廠(VPP)通過聚合并集中調度分布式能源,成為提升電力系統靈活性的解決方案。參與虛擬電廠的分布式電源主要包括連接到配電網或終端用戶附近的中小型資源,涵蓋分布式發電機組、需求側資源和儲能。單獨的中小型能源資源雖具有靈活性潛力,但由于規模過小、分布較分散、發電波動過大,無法直接提供系統服務。虛擬電廠通過聚合商,把獨立的分布式能源資源作為單一資源捆綁到發電資產組合中,通過中央信息技術系統監控、預測和優化來調度其發電、儲能等的電力需求,使分布式資源能參與電力市場交易并向系統運營商提供靈活性電源。

      據德國伍珀塔研究院對虛擬電廠商業運營模式的研究成果預測,德國的能源聚合市場和靈活性市場規模為75吉瓦,這一數字預計到2030年將翻一番。在德國,虛擬電廠已經完全實現商業化。由于《可再生能源法》引入了可再生能源發電直接銷售的要求,德國虛擬電廠運營商的一項主要業務是在批發市場銷售100千瓦以上中型可再生能源電廠生產的電量,在日前市場優化其售電,使這些電廠成為虛擬電廠資源。此外,虛擬電廠還有利于靈活性較高的機組(生物質發電和水電)在日間市場和平衡市場中獲利。根據運營商不同,德國的虛擬電廠大致可分為三種類型:

      一是獨立虛擬電廠運營商,這類運營商不隸屬于傳統客戶的電力供應商,但可成為電力供應商(目前主要是裝機在100千瓦以上的大客戶)。

      二是大型電力公司(跨國、地區和市級企業)將自己的發電資源及可能的負荷用戶和發電機組聚合到虛擬電廠當中。作為電力公司,他們也是平衡責任方。

      三是新型市場參與者,特別是小規模分布式能源資源的制造商,主要將其用戶的資源聚合到虛擬電廠當中。

      德國虛擬電廠發展驅動因素——市場與監管

      虛擬電廠這幾年在德國發展迅速主要受益于市場與監管的驅動因素。首先,德國電力市場高度自由化,無論是電網、電廠,還是輸電、配電、售電,這些電力相關業務都互相拆分。根據《德國能源經濟法》第七條規定,所有客戶超過10萬家的能源公司必須依法將其電網運營業務從競爭性的發電或供電業務中剝離;規模較小的公司必須為發售電和輸電業務分別設立獨立賬戶。德國電力市場的高度開放為新興市場主體進入市場,并發展成為可持續運營且獲利的新型商業模式提供了重要前提條件。而上文提到的電網平衡基團則是虛擬電廠發展的另一大驅動因素。平衡基團確保平衡區內總發電量、總外購電量與用電量相匹配。目前很多虛擬電廠的運行商和平衡基團之間是合作關系,很多平衡基團的責任方也可以運營自己的虛擬電廠。

      德國的電力市場按交易時間不同,主要分為期貨市場、日前市場和日間市場幾大類,虛擬電廠目前主要活躍在日前和日間市場,因為日間市場主要用于彌補日前預測的偏差,可在交割前5分鐘交易15分鐘和1小時產品,而虛擬電廠作為可在短時間內迅速作出反應的靈活性資源,在日間市場具有很大的發展契機。此外在為解決系統實時供需失衡及其導致的頻率偏差的平衡電力市場上,虛擬電廠在二次和三次備用服務市場最為活躍,而根據法律要求輸電系統運營商必須接受聚合資源參與平衡市場。

      德國虛擬電廠迅速發展的另一個驅動因素是《可再生能源法》的兩次修訂。2012年引入可再生能源電力“直接銷售”,即批發市場直接售電,作為固定上網電價的可選替代方案。2014年《可再生能源法》修訂案規定,100千瓦以上的新增可再生能源機組都必須進行直接銷售,從而鼓勵中型可再生能源發電機組聚合形成虛擬電廠,在批發市場上售電、優化發電收入,使虛擬電廠能夠發揮關鍵作用。

      此外,德國針對電網阻塞管理的一系列措施同樣推動了虛擬電廠的發展。為解決電網阻塞問題,德國的輸電系統運營商可以要求進行再調度;在2021年之前,只有容量大于10兆瓦的傳統燃煤電廠有法定義務參與再調度,若這一再調度舉措仍不能滿足系統需求,可采取限制并網措施,這就給可再生能源帶來影響,如棄風、棄光。2021年10月1日起,經修訂的《電網加速擴建法》生效,規定100千瓦以上規模的電廠和所有配電系統運營商均有義務參與再調度,使得參與再調度的整體容量有了大幅提升。

      對聚合商法律層面的保障是驅動德國虛擬電廠發展的再一個因素。歐盟委員會2019年提出指令,規定聚合商可以參與所有平衡電力市場,還要求成員國確保輸電系統運營商和配電系統運營商在采購輔助服務時,不得歧視需求響應的聚合商。德國政府對聚合商的角色、市場機會和義務也進行了法律界定;虛擬電廠有足夠的自由確定其資源組合,包括分布式能源資源的數量和類型。

      最后,為居民(產消一體)使用靈活電力提供法律基礎和條件有助于德國虛擬電廠的快速推廣。在德國,《能源經濟法》將居民家庭歸類為終端客戶,既可從電網購電和儲電,也可向電網售電,這部分儲能未來也有參與虛擬電廠的可能。

      虛擬電廠運行的關鍵要素

      維持虛擬電廠正常運行,一是對系統軟硬件的要求相對較高。軟件方面包括先進的采集和分析數據的能力(如電廠運行情況、氣象數據、市場價格信號、電網情況),先進的預測技術和算法(制定優化的調度計劃),從而確保安全快速地在虛擬電廠、單個資源、輸電系統運營商和電力市場間進行通信,使其迅速響應市場要求。硬件方面,需要智能電表、遠程控制和自動化系統等對應的硬件設備配合,以獲取實時數據、通信并控制發電資產組合的分布式能源資源。

      二是要有足夠的靈活性資源,建立包括需求側、供應側和儲能在內的多樣化分布式能源資源池。在德國,生物質/沼氣發電廠和水電因高靈活性成為虛擬電廠中的優質資源;可以提供短期和長期靈活性服務的綠氫電解廠也將成為重要的靈活資源;電動汽車電池、熱泵、家用儲能設施、屋頂光伏等小規模分布式能源資源將為電力系統提供更大的靈活性;需求響應也是重要的低成本靈活性來源(平衡市場、容量市場)。

      德國虛擬電廠發展的有利條件和面臨的挑戰

      如前文所提到的,德國政府要求可再生能源電廠,特別是中型可再生能源電廠直接參與市場交易,日間電力市場允許接近實時的電力交易;德國能源相關法律規定了聚合商的市場角色、機會和義務,以及虛擬電廠能夠以分布式能源資源聚合的形式進入批發和平衡市場并進行交易,且有足夠的自由確定其資源組合。

      德國虛擬電廠也面臨諸多挑戰和待改善之處,比如從立法層面進一步推動間歇性可再生能源(特別是太陽能和風能)和其他小規模分布式能源資源參與電力批發市場和平衡市場,發揮需求響應的作用;針對小規模分布式能源資源為電網運營商提供靈活性而設計額外的市場機制,如建立小范圍區域靈活性市場;在獨立的聚合商、平衡責任方和電力用戶之間制定標準化程序,以及加快推廣智能電表、智能電網發展等。

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