分散的灵活性和可再生能源的整合

中德能源转型项目 分散的灵活性和可再生能源的整合 在德国和中国前景的经历 法律信息 出版者: DeutscheEnergie-AgenturGmbH（dena）德国能源署 Chausseestraße12810115年柏林,德国电话:49(0)66777-0 传真:49(0)66777-699 电子邮件:info@dena.de互联网:www.dena.de 作者: 蒂姆•Menneldena HrvojeBrlecicLayer，denaLisaStrippchen，denaAndersHove，GIZ钱文云，GIZ 日期: 8/2022 保留所有权利。对本出版物的所有使用均需获得dena的批准。 请报: 德国能源代理（出版商）（dena，2022）“可再生能源的分散灵活性和整合” 《可再生能源的分散灵活性和整合》报告由德国能源署（dena）发布，作为中德能源转型项目的一部分。该项目支持中国政府智库与德国研究机构之间的交流，以加强中德能源转型科学交流，并与中国观众分享德国能源转型经验。该项目旨在推动以低碳为导向的能源政策，并通过国际合作和互利的政策研究和建模，帮助中国建立一个更有效的低碳能源体系。该项目得到了德国联邦经济事务和气候行动部（BMWK）的支持，作为中德能源伙伴关系的一部分，中德能源伙伴关系是中德两国在国家层面进行能源政策对话的中心平台。从中国方面来看，国家能源局（NEA）支持整体转向。德国国际合作机构（GIZ）与德国能源署（dena）和AgoraEnergiewende合作，领导项目实施。 内容 1德国的分布式发电和分散式灵活性5 1.1发展分布式发电2000-20226 1.2部署的存储和DSM在德国今天7 1.3德国和欧盟关于分散式可再生能源和灵活性的政策目标7 2可变可再生能源占比高的电力系统的技术挑战9 2.1挑战分布网格9 3分布式可再生能源并网的灵活性13 3.1灵活性作为发行版和系统级别问题的补救措施13 3.2灵活的网格分布13 3.3聚合分散灵活性15 4德国分销网络中分散灵活性的使用17 4.1User-sited电池电力储存17 4.2需求侧管理(DSM)20 5应用中国25 5.1分布式发电在中国25 5.2分布式存储28 5.3集中存储28 5.4需求管理29 5.5煤电厂的灵活性30 5.6辅助服务市场30 5.731日德国经验的重要性 5.8关于中国去中心化灵活性的建议31 33的列表数据名单表34 引用35 摘要：利用灵活性可以克服VRE电网挑战 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年可再生能源占其净电力消耗的80%，高于2021年的45%，连接到配电网的小型可再生能源必须与陆上和海上风电等大型能源一起贡献更大的国家能源输出份额。 到目前为止，德国的大部分分布式发电由太阳能光伏装置组成，包括屋顶和小型地面安装。其他小规模技术包括生物质、沼气和小规模水力发电。到2021年，德国拥有200万个屋顶太阳能光伏装置，约占该国太阳能光伏总容量的15%。 尽管太阳能通过替代化石燃料的电力来帮助减少碳排放，但其可变输出给配电网带来了技术挑战，最明显的是网络设备的热过载、违反电压限制、回馈问题和相位不平衡。 可再生能源的波动上网可能导致系统层面的一般发电充足性和稳定性问题，特别是随着德国逐步淘汰能够提供固定容量和辅助服务的更传统的发电。 灵活性措施是解决这些配电网问题的关键，并使分布式能源在取代系统中的传统工厂方面发挥充分作用。对于配电网而言，灵活性是指增加电力存储（主要是电池）和需求侧管理（DSM）的使用。 电力储存：在配电网层面，电池是最相关的技术。电池可以执行负载转移，以及广泛的电网服务，包括平衡功率、旋转储备和黑启动容量。在电表背后，电池可以为客户增加自我消耗和改善电能质量做出贡献。 帝斯曼：在配电网层面提供帝斯曼的典型技术是家用电器，如空调或热泵，或商业电器，如冷库或化学工艺。计量客户可以在市场电器中使用帝斯曼来优化其电力采购策略并减少电费。此外，配电网运营商可以与分散式DSM提供商签订负载控制合同，以管理电网拥堵并降低所有客户的成本。 灵活性的激活需要改变电力部门的监管。在自由化的欧盟电力体系中， 网络运营与发电和贸易无关，并受到监管监督，特别是电网投资。欧盟和成员国将需要进一步的监管改革，以实现存储和DSM的潜力： 首先,网格监管必须使智能电网投资如电网公司的通信和控制技术，这是激活灵活性的先决条件。这应该包括现代智能电表技术以及网关，使所有消费者和产消者能够参与实时负载控制计划，使网络运营商能够灵活使用，可能由第三方聚合公司管理。 其次，灵活性资产所有者需要一个合适的框架薪酬的灵活性.理想情况下，去中心化灵活性的支付应充分反映其在避免电网或发电投资方面对系统的价值。这应包括引入灵活性市场或创新的辅助服务，将负载控制和电池交由配电网运营商（DNO）使用。动态电网费用将激励使用灵活性进行拥堵管理。 第三,监管者必须进一步鼓励分散灵活性的聚合通过市场数据透明度和市场准入。独立聚合商可以为产消者和小型企业提供分散的灵活性 ，以实现批发和平衡市场。因此，分散的灵活性有助于负载转移和系统稳定性。 德国可以为中国提供有益的经验教训，尽管监管制度不同。过去十年 ，中国的分布式发电激增，2021年分布式太阳能光伏超过100吉瓦，以工业装置为主。工业客户是分散灵活性的理想选择，因为与家庭和能源服务公司相比，工业客户更加复杂。 我们建议加速储能和DSM：一旦地方达到太阳能光伏的高渗透率，电网问题，如违反网络设备的热限制，电压和回馈问题可能会挑战中国的配电网。激活灵活性为应对这些挑战提供了机会。 配电网运营商应使用电力存储和DSM来管理拥堵问题。这将需要通过适当的报酬来激励分布式灵活性。 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量达到德国发电量的45%，到2030年可能会超过80%，即使德国将交通、工业和供暖电气化。分布式发电将做出重大贡献。随着风能和太阳能光伏装机容量的增加，系统需要采取灵活的措施来平衡可变的可再生能源输出。在配电网层面，小规模电力存储和DSM有助于电网的稳定性。由于它们的重要性和价值日益增加，德国和欧盟最近的立法侧重于提高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的作用正在增加，到2020年将达到 17%。在过去的二十年中，可再生能源在电力供应中变得尤为重要。 2021年，可再生能源占净发电量的份额从2000年的不到4%上升到约 45%。 相比之下，可再生能源在当今的消费部门中扮演着次要角色。在移动领域 例如，石油和石油产品提供90%的能量。1化石燃料在工业和供暖部门的能源使用中也占很大份额。随着热泵、电动汽车和氢气生产的电气化程度不断提高，以及效率的提高，这些行业的化石燃料消耗将减少 。因此，电力消耗将在未来二十年内上升，即使可变可再生能源份额也在上升。 图1可再生能源在初级消费总量和发电量中所占份额 50% 45% 40% 35% 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0% 44% 40% 562 546 17% 19901992199419961998200020022004200620082010201620182020 TWh 620 600 580 560 540 520 500 480 总用电量 占全国发电总量的RE份额占一次能源消费的RE份额 来源:AGEB,2022年3月 目前德国每年的总用电量约为500太瓦时。根据2021年政府联合协议 ，由于电气化的贡献，到2030年德国的电力负荷可能会上升到750TWh。2 用可再生能源满足这种增加的电力消耗的很大一部分需要大幅扩大可再生能源装机容量。截至2021年，德国拥有138吉瓦的可再生能源装机容量：64吉瓦的陆上和海上风电和59吉瓦的太阳能光伏。最常见的光伏技术是屋顶太阳能系统和露天太阳能。 风能和太阳能都是可变能源，其波动的馈电给电网带来了挑战，例如过载或电压问题。相比之下，可调度的可再生能源（如水力发电或生物质能）提供较低的可变性，并且无需补充储能即可更容易调度。然而，水电和生物质在德国的增长潜力有限。2021年，生物质能和水电贡献了德国发电量的11%左右，即65太瓦时。生物质和水电解决方案将无法覆盖传统能源的退出和替代。大多数未来的可再生能源增长将来自可变风能和太阳能，因此需要更加关注灵活性措施。3 图2德国各规模光伏装机容量 资料来源:Bundesnetzagentur,2020年 1.12000-2022分布式发电的发展 过去可再生能源的大部分扩张是由于连接到输电网的大规模装置，德国将其定义为电压高于220kV的长距离输电。在未来的低碳电力供应系统中，更多的发电将被分散并用于生产的地方。私人家庭和小企业已经在运营可再生能源发电机组，连接到配电网络，低压和中压电网 。 的潜在客户是一类分布式能源所有者，既消耗分布式资源的能量，又将部分输出馈入电网。这能源共同体是一个类似的概念，附近的邻居直接消耗产生的电力。小规模光伏没有通用的定义。在本报告中，容量高达1MW的装置被认为是小规模的。 分布式发电已经占德国可再生能源总容量的主要部分，其中大部分是太阳能光伏。2021年，德国拥有大约59GW的太阳能光伏，位于大约200万个系统中，其中60%小于10kW。52019年,德国 10千瓦以下的光伏发电量为7.1吉瓦，几乎占光伏总装机容量的15%。 10至20千瓦的小型光伏总容量约为4.7吉瓦，占总量的10%。露天光伏对小型光伏装机容量的贡献很小。6 为了充分发挥光伏发电的潜力，浮动光伏或建筑一体化光伏等创新和集成技术将在未来发挥更大的作用。 除太阳能光伏外，其他各种小型可再生能源也以低电压水平连接到电网。这些包括小规模的水力、生物质和沼气。7生物质和沼气的作用不同于分布式光伏发电。生物质主要用于灵活性。 沼气不仅可以发电，还可以送入常规燃气网络进行加热。还有基于化石燃料的分散式发电系统，例如通常使用甲烷气体的热电联产（CHP）系统。 1.2今天部署的存储和DSM在德国 从高压水平的可控发电向输电网和配电网水平可变发电的能源系统过渡，对电网，特别是在配电层面提出了新的挑战。可再生馈电的短期变化会导致网络问题，例如过载、电压问题、相位不平衡和回馈问题 。这些可能会损害电网的热极限。此外，电气化程度提高带来的新负荷模式可能会导致新的需求高峰，从而导致电网拥堵。 至关重要的是，产消者应发挥建设性作用，为电力供应的效率和稳定性做出贡献，降低拥堵成本或避免对电网或发电资产进行不必要的投资。发挥这一作用的关键是激活和提供灵活性，本报告对此进行了探讨。两种技术灵活性选项是需求侧管理（DSM）和电力存储。 需求侧管理可以通过打开和关闭需求负载或向上或向下调节负载来帮助平衡生产和需求波动。配电网运营商（DNO）使用的DSM可以通过个人消费者或通过第三方聚合器管理的大量消费者来帮助稳定电网 。根据设备或负载的类型，帝斯曼可以缓解需求高峰，补偿可再生能源的大量馈电，并通过开辟停电规划的新方法，并通过负载转移或可中断负载减少配电网络的技术损失来降低运营成本。 然而，德国对帝斯曼解决方案的应用仍然有限。小型和定期电价 欧盟设定了到2050年实现气候中和的目标。德国甚至收紧了目标，力争到2045年实现气候中和。这些目标需要大力扩展可再生能源，包括分布式可变可再生能源。在政府层面，欧盟和德国已经承认 规模较大的消费者尚未完全反映电网的拥堵和平衡成本。聚合器服务面临各种市场进入障碍。此外，许多帝斯曼技术才刚刚开始进入市场 。 第4.2节给出了一些例子和试点项目作为说明。 分散的电力存储可以作为技术灵活性工具，为输电和配电网络提供平衡能量。电力存储可以直接促进可再生能源的整合。 尽管许多参与者正在探