中國儲能網(wǎng)訊：實(shí)時供需平衡是電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵目標(biāo)。德國電力系統(tǒng)近10年經(jīng)歷了“新能源裝機(jī)逐步成為第一大電源，常規(guī)電源向調(diào)節(jié)性和保障性電源轉(zhuǎn)變”的重要發(fā)展階段。當(dāng)前，德國新能源裝機(jī)占比達(dá)到55%左右。在新能源占比迅速提高的同時，德國有力保障了電力系統(tǒng)實(shí)時平衡，供應(yīng)可靠性穩(wěn)中有進(jìn)。本文重點(diǎn)探討分析德國在這一發(fā)展階段中，發(fā)揮關(guān)鍵作用的平衡責(zé)任方機(jī)制、市場體系建設(shè)等措施，以期為各國電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型提供參考借鑒。
德國電力系統(tǒng)發(fā)展情況
德國是世界新能源發(fā)展的積極探索者。2011年德國正式出臺了能源轉(zhuǎn)型法案，提出40年內(nèi)將電力行業(yè)從依賴核能和煤炭全面轉(zhuǎn)向可再生能源。當(dāng)前，在世界GDP排名前10位的國家中，德國新能源裝機(jī)容量占比、發(fā)電量占比均居第一位（本文中新能源僅包含風(fēng)電與太陽能，下同）。2022年底，德國最大負(fù)荷7900萬千瓦，裝機(jī)容量2.3億千瓦。其中，新能源裝機(jī)超過1.3億千瓦（占比58%）。近年來，新能源發(fā)電量年占比最高達(dá)到33%，新能源發(fā)電量周占比最大達(dá)到51%。2011~2021年裝機(jī)變化如圖1所示。德國在新能源高速發(fā)展的同時，保障了電力系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。2011～2022年，德國電網(wǎng)可靠供應(yīng)水平穩(wěn)中有進(jìn)，電力平均中斷時間（SAIDI）由2011年的15分鐘/年，下降到目前的約10分鐘/年。德國電網(wǎng)頻率波動均值穩(wěn)定在49.9～50.1赫茲，具有較好的實(shí)時供需平衡水平。
德國電網(wǎng)運(yùn)行中出現(xiàn)了隨新能源裝機(jī)增長，備用使用量反而下降的情況。隨著新能源的持續(xù)發(fā)展，新能源出力的波動性和預(yù)測偏差將對電網(wǎng)實(shí)時平衡產(chǎn)生越來越大的影響。一般研究認(rèn)為，新能源增長會增加電網(wǎng)備用需求，備用需求的增量與新能源的裝機(jī)增量將呈線性關(guān)系。但與上述預(yù)測結(jié)果相反，在德國新能源裝機(jī)不斷提高的同時，德國備用使用量呈下降趨勢。根據(jù)最新數(shù)據(jù)（如圖2所示），2011~2021年，德國備用（主要指二次備用與三次備用）的實(shí)際使用量（以電量計(jì)）從2011年的70億千瓦時，下降到2021年的不足20億千瓦時。從使用百分比上，到2017年超過備用最大值80%的次數(shù)已經(jīng)下降到0次。這被稱為高比例新能源接入下的“德國悖論”。
德國實(shí)時供需平衡機(jī)制及關(guān)鍵措施
根據(jù)德國政府制定的《電網(wǎng)接入條例》，實(shí)時平衡機(jī)制主要涉及現(xiàn)貨、備用兩類市場，以及平衡責(zé)任方（BalanceResponsible Party，簡稱BRP）、輸電系統(tǒng)運(yùn)營商(Transmission System Operator，簡稱TSO)、平衡資源提供方（Balancing Power Suppliers，簡稱BSP）三類市場參與主體。
平衡參與主體
平衡責(zé)任方在保障實(shí)時平衡中發(fā)揮了重要作用。平衡責(zé)任方、輸電系統(tǒng)運(yùn)營商、平衡資源提供方，三者的相互關(guān)系如圖3所示。
平衡責(zé)任方（BRP）：BRP一般是指大型發(fā)電廠、工業(yè)大用戶，也可以是聚合商等新型市場參與者，負(fù)責(zé)組織管理一定數(shù)量的機(jī)組、負(fù)荷的出力，其中機(jī)組可包含新能源、傳統(tǒng)機(jī)組。從責(zé)任上講，BRP需要提前申報(bào)其管理機(jī)組負(fù)荷的出力曲線，并對實(shí)時運(yùn)行時發(fā)生的出力偏差負(fù)經(jīng)濟(jì)責(zé)任。德國輸電網(wǎng)的每個接入點(diǎn)都必須分配給一個BRP管理（共同形成平衡組），通過接入點(diǎn)計(jì)量電力。BRP減少偏差的手段（該動作可以是主動，也可以是被動的）包括調(diào)整內(nèi)部可控機(jī)組的出力，或者與其他BRP進(jìn)行交易。以圖3為例，偏差為負(fù)“-”的BRP 1可以與偏差為正“+”的BRP 2在市場上進(jìn)行交易，通過購進(jìn)電力，以修正申報(bào)曲線。
輸電系統(tǒng)運(yùn)營商（TSO）：TSO擁有輸電網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)經(jīng)營區(qū)域內(nèi)的平衡調(diào)度管理，向下管理BRP的申報(bào)曲線，在實(shí)時平衡中啟動備用。以圖3為例，如果實(shí)際運(yùn)行時，全部BRP的出力偏差之和為負(fù)“-”，則啟動正備用，補(bǔ)充功率缺額。
平衡資源提供方（BSP）：BSP可以是機(jī)組、負(fù)荷，或者是虛擬電廠等，負(fù)責(zé)提供備用容量，供TSO實(shí)時調(diào)度時使用。BSP有義務(wù)在預(yù)先規(guī)定的時間和動作條件下提供備用，包括提供一次調(diào)頻、二次調(diào)頻、三次調(diào)頻等。
平衡責(zé)任方運(yùn)作方式
市場體系。與實(shí)時平衡關(guān)系密切的主要包括現(xiàn)貨市場及備用市場。現(xiàn)貨市場分為日前交易市場、日內(nèi)交易市場兩類。日前交易在實(shí)際運(yùn)行前一天，組織市場交易。日內(nèi)市場在實(shí)際運(yùn)行當(dāng)天，提供時間顆粒度為15~60分鐘的連續(xù)交易和拍賣交易，在實(shí)際運(yùn)行前30~45分鐘關(guān)閉?，F(xiàn)貨市場中認(rèn)為機(jī)組與負(fù)荷提交的數(shù)值是確定性的，不考慮實(shí)際交付時的偏差。備用市場（也稱為平衡市場）主要保障系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時的電力電量平衡，提供多類型的備用產(chǎn)品的采購，以及不平衡資金的結(jié)算。
平衡責(zé)任方（BRP）具體工作過程。BRP動作的時間序列分為實(shí)際運(yùn)行前（t0- 45天至t0- 30分鐘）、運(yùn)行期（t0至t0+15分鐘）、運(yùn)行后（t0+1天）三個部分，如圖4所示。實(shí)際運(yùn)行前，BRP通過“申報(bào)”和“調(diào)整”兩個模塊管理運(yùn)行當(dāng)天的出力曲線?！吧陥?bào)”模塊基于日前合同等，向TSO提交運(yùn)行當(dāng)天的15分鐘顆粒度的出力曲線。在運(yùn)行當(dāng)天，基于更為準(zhǔn)確的出力預(yù)測，“調(diào)整”模塊使用日內(nèi)交易產(chǎn)品對曲線進(jìn)行調(diào)整，以盡量逼近實(shí)際運(yùn)行情況。在實(shí)際運(yùn)行時（15分鐘顆粒度），每個BRP管理區(qū)域的出力偏差量將被TSO記錄。在實(shí)際運(yùn)行后，BRP將通過備用市場結(jié)算，承擔(dān)不平衡偏差成本。
平衡責(zé)任方的價(jià)格激勵。備用市場上的電價(jià)一般高于現(xiàn)貨市場，兩者差異稱為不平衡價(jià)差。典型的年平均價(jià)差最高值可達(dá)到132歐元/兆瓦時，瞬時值可能高達(dá)上千歐元/兆瓦時。不平衡價(jià)差與系統(tǒng)不平衡量總體上呈正相關(guān)關(guān)系，越大的系統(tǒng)實(shí)時功率缺額，將導(dǎo)致越高的價(jià)差。不平衡價(jià)差提供了有力的經(jīng)濟(jì)激勵，引導(dǎo)BRP積極在現(xiàn)貨市場上進(jìn)行交易活動，提升新能源預(yù)測水平等技術(shù)，盡量縮小不平衡偏差。
主要改進(jìn)措施
在市場體系下，德國近10年來不斷出臺改進(jìn)措施，提升實(shí)時運(yùn)行水平。
提升操作精細(xì)度。通過改進(jìn)現(xiàn)貨市場日內(nèi)交易關(guān)閉時間和交易產(chǎn)品的時間顆粒度，使BRP能夠更好地調(diào)整申報(bào)曲線。德國日內(nèi)交易產(chǎn)品最小時長從1小時縮短至15分鐘，交易關(guān)閉時間從實(shí)際運(yùn)行前的45分鐘縮短至30分鐘。德國每天早晚時段凈負(fù)荷爬坡率大，對備用需求高，通過操作精細(xì)度的提升，系統(tǒng)在這一時間段對備用的需求大幅下降。
擴(kuò)展平衡地域范圍。通過跨區(qū)跨國多層次合作機(jī)制，形成大范圍的統(tǒng)一平衡區(qū)域。統(tǒng)一平衡區(qū)域的組織者是各國TSO，各子區(qū)域間通過聯(lián)絡(luò)線相互提供備用支持。德國備用容量可以從多個電網(wǎng)運(yùn)營商和其他國家獲得，當(dāng)前的合作機(jī)制包括NRV（4個TSO之間）、IGCC（國家間）等，構(gòu)建了覆蓋德國及周邊的大范圍協(xié)同平衡區(qū)。合作模式包括協(xié)同備用調(diào)度采購、協(xié)同備用容量計(jì)算等。
發(fā)展多類型備用資源。備用資源中，傳統(tǒng)機(jī)組（包含抽蓄）仍占主要地位，其中火電（含煤電、氣電）占比35%，主要通過降低機(jī)組最低出力和提升爬坡率獲得，如改造后氣電、硬煤電廠最低出力分別降至額定出力的20%、25%。德國也在積極發(fā)展應(yīng)用儲能、需求側(cè)響應(yīng)和友好型新能源機(jī)組，為系統(tǒng)提供備用能力。當(dāng)前，電池備用總?cè)萘窟_(dá)到57萬千瓦，大部分用于一次調(diào)頻。負(fù)荷側(cè)備用總?cè)萘窟_(dá)到265萬千瓦，大部分用于二次與三次調(diào)頻，主要通過靈活性大工業(yè)負(fù)荷提供。新能源方面，風(fēng)電備用總?cè)萘窟_(dá)到19萬千瓦，大部分用于三次調(diào)頻，主要通過多風(fēng)電場聚合的形式提供。新興技術(shù)方面，德國已嘗試?yán)镁G氫生產(chǎn)工廠負(fù)荷調(diào)節(jié)能力提供一次調(diào)頻備用。
總結(jié)與思考
德國自2011年通過能源轉(zhuǎn)型法案，歷經(jīng)10年，新能源發(fā)展成為第一大電源，裝機(jī)比例超過50%，氣電、煤電等利用小時數(shù)大幅下降，并向承擔(dān)調(diào)節(jié)保障作用轉(zhuǎn)變。在這一發(fā)展過程中，德國結(jié)合自身情況，較為正確地處理了政府與市場、常規(guī)電源與新能源、本國電網(wǎng)與跨國互聯(lián)之間的關(guān)系，保持了電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行和較高的實(shí)時供需能力。政府與市場間，德國政府通過《電網(wǎng)接入條例》，明確了平衡參與主體，既充分發(fā)揮了市場在資源配置中的決定性作用，又規(guī)范了參與者的責(zé)任和激勵。常規(guī)電源與新能源間，在這一階段，德國保持了常規(guī)電源總量穩(wěn)定，裝機(jī)仍超過最大負(fù)荷。相較2011年，常規(guī)電源裝機(jī)總量保持平穩(wěn)，但煤電、氣電年利用小時數(shù)大幅下降，其中硬煤電廠已不足2000小時。本國電網(wǎng)與跨國互聯(lián)間，德國電網(wǎng)較為堅(jiān)強(qiáng)，安全穩(wěn)定水平較高，同時德國仍然不斷提高電網(wǎng)互聯(lián)水平，構(gòu)建大范圍跨國電網(wǎng)。德國電網(wǎng)以400千伏輸電線路為骨干網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)架較為堅(jiān)強(qiáng)，與周邊9個國家接壤，跨國輸電線路（220千伏以上）60條左右。
依托整體政策市場體系、堅(jiān)強(qiáng)的互聯(lián)電網(wǎng)、充足的常規(guī)機(jī)組，德國實(shí)時供需平衡機(jī)制具有以下特色：
一是構(gòu)建了較為有效的平衡基本單元，協(xié)調(diào)市場體系與調(diào)控運(yùn)行。以歐洲電力市場機(jī)制為基礎(chǔ)，通過平衡責(zé)任方機(jī)制，整合新能源機(jī)組、傳統(tǒng)機(jī)組及負(fù)荷，可以形成內(nèi)部多類電源與負(fù)荷的互補(bǔ)互濟(jì)，引導(dǎo)常規(guī)機(jī)組主動調(diào)節(jié)，在市場方面形成了有效的參與主體，在調(diào)度方面提供了可控性更好的管理對象。通過價(jià)格激勵，形成了較好的跨市場耦合機(jī)制，引導(dǎo)平衡責(zé)任方更多地通過現(xiàn)貨市場交易，提高運(yùn)行出力的精確度，減輕實(shí)時平衡壓力。
二是形成跨區(qū)跨國“一盤棋”，實(shí)現(xiàn)資源更大范圍的配置。地域方面，平衡區(qū)域的擴(kuò)大首先可以利用不同地區(qū)新能源出力間、負(fù)荷間的互補(bǔ)；其次，新能源預(yù)測誤差也可相互抵消，減少整體的備用容量需求。從時間方面，由于各國電力系統(tǒng)特性不同，備用需求時間分布存在差異，更容易獲得低成本的備用資源，提升備用利用的經(jīng)濟(jì)性。
三是充分利用常規(guī)機(jī)組調(diào)節(jié)能力，積極引入新型調(diào)節(jié)參與者。當(dāng)前德國備用資源中，火電仍然占據(jù)較高比例。德國通過不平衡偏差費(fèi)用懲罰與備用市場收益，合理反映了參與系統(tǒng)調(diào)節(jié)的經(jīng)濟(jì)性，引導(dǎo)火電進(jìn)行深度技術(shù)改造，充分發(fā)揮調(diào)節(jié)優(yōu)勢。備用市場上較高的價(jià)格也為電池、需求側(cè)、友好型新能源機(jī)組的發(fā)展提供了更好的收益，為電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)不斷引入新鮮活力。
