可再生能源对辅助服务及系统稳定性的贡献

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 版本说明 《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）TorstenFritscheKöthenerStr.2 柏林10963 项目负责人： 克里斯托弗·博特（ChristophBoth），德国国际合作机构(GIZ) ©北京,2022年12月 作者： 德国能源署（Dena）: 卡捷琳娜·西莫（KaterinaSimou） 弗里德里克·泊杰（FriederikeBerger）安娜斯塔西亚·科姆莎科娃（AnastasiiaKomshakova） 挪威船级社（DNV）: 马蒂亚斯·穆勒·米恩纳克（MatthiasMüllerMienack） 康斯坦丁诺斯·卡拉曼利斯（KonstantinosKaramanlis） 参编： 莱亚-瓦莱斯卡·吉贝尔（Lea-ValeskaGiebel），德国能源署（Dena） 版面设计： edelman.ergo(oncommissionofBMWK) 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。 目录 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 编辑寄语 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 执行摘要 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。 1辅助服务和系统稳定性：基本原则和定义 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： 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