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

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 法律信息 出版方： 德国能源署（dena）GermanEnergyAgencyChausseestraße128a10115Berlin,Germany电话：+49(0)3066777-0 传真：+49(0)3066777-699 电子邮件：info@dena.de网站：www.dena.de 作者： 蒂姆·门内尔（TimMennel），德国能源署 赫尔沃耶·布尔列西奇·蕾尔（HrvojeBrlecicLayer），德国能源署丽莎·施特里普根（LisaStrippchen），德国能源署 侯安德（AndersHove），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-GermanEnergyPartnership）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（AgoraEnergiewende），负责项目的实施。 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 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 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。 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。 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 50% 40% 562 546 17% 45% 40% 35% 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0% 44% TWh 620 600 580 560 540 520 500 480 19901992199419961998200020022004200620082010201620182020 来源：能源平衡工作组（AGEB），2022年3月 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 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 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。34 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 1.12000-2022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 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。52019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 GW 18 建筑物 空地 16 14 12 10 8 6 4 2 0 <10kW10-20kW20-40kW40kW-1MW1-10MW>10MW 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 但在德国，需求侧管理解决方案目前的应用范围依然有 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