德国智能电网现状（英）

1-1 德国智能电网现状 中德能源与能效合作伙伴 版本说明 《德国智能电网现状》报告概述德国智能电网目前适用的框架条件，探索可能对更多国家具有启发性的 成功理念和项目。报告在中德能源与能效合作伙伴项目框架下发布。项目受德国联邦经济和气候保护部 （BMWK）委托和资助，中国国家发展和改革委员会、国家能源局作为中方政府合作伙伴提供支持和指导。项目旨在围绕能效提升和发展可再生能源，通过深入交流可持续能源系统发展相关的政策、最佳实践和技术知识，推动高级别政府对话，企业与政府交流以及技术和政策法规层面交流，从而促进和推动两国能源转型，助力实现气候目标。受德国联邦经济和能源部委托，德国国际合作机构（GIZ）负责实施中德能源与能效合作伙伴项目。 发行方： 中德能源与能效合作伙伴 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）TorstenFritscheKöthenerStr.2 柏林10963 项目主任：尹玉霞 德国国际合作机构 报告管理和协调：王昊 德国国际合作机构 作者： 卡捷琳娜·西莫（KaterinaSimou），德国能源署 弗里德里克·泊杰（FriederikeBerger），德国能源署 安娜斯塔西亚·科姆莎科娃（AnastasiiaKomshakova），德国能源署 图片来源：BMWK/Cover Shutterstock/454323052(p.13)Shutterstock/1007325514(p.25) 致谢： 莱亚-瓦莱斯卡·吉贝尔（Lea-ValeskaGiebel），德国能源署 西蒙·戈斯（SimonGoess） 版面设计： Edelman.ergo（受德国联邦经济和气候保护部的委托） ©2022年8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。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。 目录 版本说明2 引言5 执行摘要6 1智能电网在德国的兴起7 1.1去中心化——智能电网的驱动力7 1.2通过发展智能电网应对挑战8 1.3什么是智能电网？9 1.4信息通信技术的影响10 2德国智能电网的发展12 2.1观念的转变——智能电网的参与方12 2.2智能电网运营14 2.3配电网扩建与智能电网规划17 2.4电动车接入电网18 2.5数据的使用19 3德国智能电网的挑战与尝试20 3.1技术挑战20 3.2监管挑战20 3.3运营挑战21 3.4相关研究和试点项目21 4德国的经验教训-智能电表的推广24 5结论26 图片列表27 参考文献28 引言 近年来，随着大量分布式可再生能源接入电网，德国传统的电力系统在确保电力供给侧和需求侧平衡、电网稳定方面面临许多挑战。随着传统电厂运行时长的减少，和间歇性可再生能源发电比例的提高，德国电力系统的灵活性亟待提高，并通过调整电力需求来匹配发电量。这样的问题复杂而又棘手，而智能电网是潜在的解决方案。 智能电网的概念涵盖了未来电力系统构成中的多个要素，包括灵活性、可靠性、安全性和兼容性。此外，智能电网的核心是能源供应的去中心化以及能源系统的数字化转型，这也是推动德国能源转型的两个主要趋势。同时，智能电网使得数据及电力的双向流动成为可能。 最近十年间，德国智能电网发展取得了一定进展。新的数字化解决方案，以及通过试点项目获取的经验，是德国智能电网取得决定性突破以及发展的关键因素。 德国新一届政府承诺，要确保能源转型朝着数字化、民主化和可持续方向发展。实现能源转型这一远大目标，需要智能电网保驾护航。 智能电网可以为消费者参与能源转型、电网的高效运行以及可再生能源进一步并网和消纳创造新的机会。为此，智能电网已经成为德国能源领域的热门话题。智 能电网不仅为德国在严峻挑战下实现能源转型这一宏伟目标推波助澜，也成为解决全球气候问题的有效方案。 本报告旨在概述德国智能电网目前适用的框架条件，探索能够启发更多国家的成功理念和项目。报告在中德能源与能效合作伙伴的框架下，由德国国际合作机构 （GIZ）委托德国能源署（dena）编制。 包括智能电网在内的高比例可再生能源电力系统灵活性一直是德国联邦经济和气候保护部、国家能源局指导的中德能源工作组框架下中德能源合作的重要议题之一。过去几年，GIZ联合其他中德合作伙伴，围绕德国电力系统灵活性的发展经验和最佳实践及其对中国发展高比例可再生能源电力系统的参考意义，不断拓宽和深化该议题下的中德合作，开展交流研讨、联合编制政策研究报告。在中德能源与能效合作伙伴，陆续发布了 《德国虚拟电厂的商业模式》、《山西电力系统灵活性与虚拟电厂》、《德国电力行业的供应安全：挑战与措施简述》等报告。在深化各项研究的同时，GIZ未来还计划从实践层面出发，以区域为重点，进一步推动电力系统灵活性相关的中德合作示范，助力中国在双碳目标下向以可再生能源为主体的新型电力系统的快速、稳步转型。 编者 执行摘要 随着可再生能源的进一步发展，德国电力系统发生了根本性的转变，为此，电网需要相应的扩建、电力系统灵活性需要进一步提升，且电力系统要实现双向流动等。这样的趋势促成了电网运营的转变，主要体现在对分布式发电资源的协调以及对包括电动车、热泵、产消者和分布式电池等诸多新的灵活性电力资源的整合。在智能电网的框架内，电厂、电网、供给侧和消费者都要发挥其灵活性，且需要先进的信息与通信技术来确保网络管理的智能化。 本报告将智能电网定义为：通过信息与通信技术，对其组成部分进行动态控制，能实现数据和电力双向流动的，数字化、去中心化的能源系统。 研究表明，智能电网会形成额外的驱动力，并对不同的利益相关方产生影响。尤其是配电系统运营商 （DSO），未来必须加强与输电系统运营商（TSO）之间以及消费者与能源生产商之间的协调，向符合智能电网发展的趋势转型，以面对越来越复杂的挑战。 智能电表和数字化基础设施可以支撑并改善需求侧管理，以应对电动车需求的快速增长。且为了实现能源转型的全面数字化，需要高度重视智能电表的应用。通过智能电表实现的数字化，可以提供负荷侧及发电侧数据的访问权，为系统运营商指导及监督电网运行提供支持。 电网扩建成本高昂，已经引发了德国公众的广泛讨论，而智能电网的发展可以减少电网扩建。智能电网可以智能化管理可控负荷，提升现有电力基础设施的效率，降低电网扩建的需求。为确保智能电网进一步发展，近期亟需解决的问题包括：电力系统新型分布式资源的接入与电网可用容量、电压与电流间的相位差问题和电动汽车对电网的挑战。通过提升智能电网的使用效力，促进电力系统中比重与日俱增的可再生能源与分布式负荷的发展，能有效减少电网扩建需求。 要通过智能电网统筹协调改进分布式能源发电与消纳的问题，须满足技术、监管及运营方面的众多先决条件。德国也并非尽善尽美，目前像电网运营数字化和电价信号的问题尚在解决中，电网费用改革需要进行评估，而人工智能在电网运营中的应用还待完善。 过去几年，在配电系统运营商及相关部委的积极推动下，智能电网试点项目发展迅猛。报告介绍了“智慧能源展示计划”项目以及NETZlaborSonderbuch和flexQgrid项目，的相关成果。这些项目检验了新的理念，也为智能电网在更大范围内的应用奠定了基础。 通过全面审视德国智能电网的最新发展，报告提出了在国家层面推广智能电网的可行性，为推动智能电网相关研究，改善智能电网的技术、监管和运营提供了进一步的思路。 1智能电网在德国的兴起 过去几年，可再生能源在德国的能源供应体系中稳步推进。在能源转型的同时要面对一系列新的挑战。可再生能源生产依赖天气，与此同时，与日俱增的分布式发电机组发挥着越来越重要的作用。大量新负荷接入电网，尤其是在低电压水平上接入电网。在此背景下，能源系统的各部分都需要智能化地连接与协调，发展智能电网成为一条必由之径。 1.1去中心化——智能电网的驱动力 过去几十年间，在能源系统去中心化需求的驱动下，德国发起了能源供应的根本性变革，引进了以风能和太阳能光伏为主的大量可变可再生能源。能源转型启动后，成为德国公众讨论及政治辩论的热点。尽管目前已经进入能源转型末期，要确保转型成功，仍需采取多种措施，付出巨大的努力。 德国新一届政府提出了更具雄心的能源转型目标，其中最重要的两个趋势是：可再生能源发展和提高电力使用效率，降低一次能源消费。由于其他部门（工业、供热和交通）的大规模电气化，电力需求在短时间内的急剧增长的情况屡见不鲜。为了满足电力需求的增长、取代基于化石燃料的发电，必须大规模发展可再生能源。 1未来几年，德国能源转型的目标包括： 到2030年可再生能源在电力需求中占比80% o到2030年海上风电达到30吉瓦（截至2021年的总装机容量为8吉瓦），陆上风电达到115吉瓦（截至2021年的总装机容量：56吉瓦） o到2030年光伏（PV）装机容量达到215吉瓦 （截至2021年的光伏总装机容量为59吉瓦） o到2030年德国的电解槽装机容量达到10吉瓦 到2050年一次能源消费比2008年下降50% 电力系统要始终维持供需平衡。随着可再生能源在发电结构中所占比重的不断提高，维持供需平衡遇到了新的挑战，且电力供需关系也发生了变化。以前，德国的供电系统是按需发电。不同的传统电厂不仅能有效地满足基础负荷，也能应对任何需求峰值，从而保障供需平衡，确保电网稳定。而可再生能源发电的高可变性和不确定性使电力系统的运行更为复杂，必须相应提高系统灵活性，并在一定程度上调整电力需求以适应发电量。 此外，电力系统已不再只是单向流动：私人家庭安装了屋顶光伏系统，有些公司甚至配备了热电联产机组或者燃料电池。2截至2020年，德国已经有超过170万套分布式发电装置，将风能、太阳能或者生物质能提供的绿色电力接入电网。如图1所示，90%以上的分布式发电装置接入了配电网，这为网络运营商带来了新的挑战。3这些小规模分布式发电商积极参与市场，并加入需求侧响应。在德国，170万千米的配电网络将发电厂、家庭和企业紧密联系起来。4 图1：太阳能发电装机容量，按电压水平列示（2019） 1德国联邦经济和气候保护部（ZielederEnergiewende） 2E.ON（2022） 3Maaßen（2019） 4德国联邦经济和气候保护部（DasdeutscheStrom-Verteilernetz） EHV/HVHV/MV HV 0%5%2% EHV0% MV36% *缩写 -低压(LV); -中压(MV); -高压(HV); -特高压(EHV) LV54% MV/LV3% 来源：德国联邦网络局5 综上所述，配电网目前正在发生前所未有的能源转型。且电动车、部门耦合、储能等对配电网产生直接且巨大影响的消费侧，尚未被考虑在内。6新型电力消费者（例如电动车、热泵、产消者、分布式电池系统）的崛起，需要更进一步的部门耦合，尤其是交通和供热与电力的耦合。以上这些都会对德国众多配电系统运营商 （DSO）产生影响，也可能导致相应的电网扩建。 低电压水平的新负荷未来会越来越多，但配电系统运营商并不清楚消费者的行为将如何演变。未来，通过新的业务模型，消费者可以在有大量光伏发电或风电接入电网的超低电价时段用电。7且在低价时段，消费者可以在用电的同时进行充电，导致负荷的同步增长，对电力系统产生影响。德国的目标是采取安全、快速且高效的方式，整合电网中新的灵活的消费者。 德国正致力于打造气候中和的能源系统，而智能电网可以确保电力系统不会逆趋势发展，智能电网是解决供需两侧日益复杂情况的关键。 1.2通过