中國儲能網(wǎng)訊：德國多達(dá)95%的可再生能源發(fā)電設(shè)施接入配電網(wǎng)，尤其集中在農(nóng)村電網(wǎng)。以德國西北部地區(qū)重要的能源供應(yīng)商EWE公司（以下簡稱“EWE”）為例，2023年EWE負(fù)責(zé)的北部農(nóng)村電網(wǎng)可再生能源占比超過100%，許多地區(qū)的風(fēng)能和光伏的返送功率早在十年前就已超過當(dāng)?shù)仄骄?fù)荷的十倍，而其年棄電率平均僅為3%。本文將系統(tǒng)分析德國配電網(wǎng)在規(guī)劃、運(yùn)行和市場規(guī)則等方面面臨的挑戰(zhàn)、創(chuàng)新及未來發(fā)展路徑，以期為中國配電網(wǎng)建設(shè)提供啟示。
01
挑戰(zhàn)
德國北部以風(fēng)電為主，許多配電網(wǎng)已接近、達(dá)到甚至超過100%可再生能源供電。其主要挑戰(zhàn)包括：控制配電網(wǎng)擴(kuò)建成本，應(yīng)對由配電網(wǎng)擁塞引發(fā)的再調(diào)度需求，以及基于可調(diào)配電變壓器的低壓配電網(wǎng)改造。
1、配電網(wǎng)擴(kuò)建
EWE的農(nóng)村配電網(wǎng)年均停電時間長期維持在3至4分鐘左右，處于德國領(lǐng)先水平，多次被德國聯(lián)邦網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管局作為評估基準(zhǔn)。這一成就源于其高電纜化率，目前其配電網(wǎng)已實現(xiàn)100%電纜化，并配備高度自動化的調(diào)度系統(tǒng)。在德國，過網(wǎng)費(fèi)依據(jù)高效成本制定，在事前以收益上限的形式獲得監(jiān)管批準(zhǔn)。盡管停電時間不會按每分鐘直接計費(fèi)，但會通過“質(zhì)量因素”間接影響電網(wǎng)運(yùn)營商的總體收益。根據(jù)EWE歷年年度報告，配電網(wǎng)幾乎每年都獲得了最高等級4%的獎勵。其配電網(wǎng)投資（包括消納可再生能源的擴(kuò)建）回報在整體收益中占據(jù)極高比例，大約相當(dāng)于監(jiān)管規(guī)定年收益率的5至6倍。
一般而言，返送功率是典型的匯流問題。在中壓配電網(wǎng)中，返送功率主要在高壓變壓器處引發(fā)過流風(fēng)險；而在高壓配電網(wǎng)中，則集中于超高壓變壓器，容易導(dǎo)致過流和電壓偏差問題。根據(jù)德國聯(lián)邦網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管局的統(tǒng)計，德國輸電網(wǎng)直接采取的棄電措施僅占全國總棄電量的約30%，這意味著大部分棄電實際上發(fā)生在配電網(wǎng)層級。然而，由于超高壓變壓器歸屬輸電網(wǎng)，大部分因棄電產(chǎn)生的賠償也由輸電網(wǎng)承擔(dān)，除非涉及系統(tǒng)安全問題。
由于貫通德國南北的超高壓直流輸電線路迄今未能建成，導(dǎo)致北部海上風(fēng)電難以有效送達(dá)南部負(fù)荷中心。這一結(jié)構(gòu)性瓶頸造成輸電網(wǎng)頻繁擁塞，線路過載問題突出。為應(yīng)對這一局限，輸電網(wǎng)被迫采取“再調(diào)度”措施，在北部棄風(fēng)、南部啟用燃?xì)怆姀S之間通過“一升一降”實現(xiàn)系統(tǒng)平衡。其中，棄風(fēng)以北部海上風(fēng)電為主，配電網(wǎng)層級的棄風(fēng)為輔。
經(jīng)過多年建設(shè)，大多數(shù)配電網(wǎng)已基本具備“可觀、可測、可調(diào)、可控”的能力。在此基礎(chǔ)上，配電網(wǎng)逐步具備了優(yōu)化棄電的能力，部分地區(qū)甚至實現(xiàn)了“全自動棄電控制”。盡管如此，當(dāng)前仍面臨一系列關(guān)鍵挑戰(zhàn)，包括“再調(diào)度2.0”、客戶流失及“動態(tài)過網(wǎng)費(fèi)”等復(fù)雜問題。
2、再調(diào)度2.0
自2022年起，德國配電網(wǎng)被正式納入“再調(diào)度”體系，所有裝機(jī)容量超過100千瓦的可再生能源設(shè)施需參與新實施的“再調(diào)度2.0”措施。該措施明確要求，在棄電情況下，配電網(wǎng)也必須實現(xiàn)系統(tǒng)平衡。
在執(zhí)行“再調(diào)度2.0”過程中，配電網(wǎng)調(diào)度需提前48小時進(jìn)行潮流預(yù)測，并據(jù)此優(yōu)化棄電方案。系統(tǒng)平衡的實現(xiàn)依賴于發(fā)電與負(fù)荷的靈活調(diào)節(jié)能力，以及現(xiàn)貨市場的交易機(jī)制。
然而，配電網(wǎng)在執(zhí)行“再調(diào)度2.0”時面臨諸多挑戰(zhàn)：一是中壓節(jié)點(diǎn)的可再生能源預(yù)測精度受限于統(tǒng)計特性不足，難以達(dá)到預(yù)期水平；二是外部等值電網(wǎng)建模精度仍顯不足，需要通過進(jìn)一步改善電網(wǎng)預(yù)測模型交互來解決；三是發(fā)電側(cè)與負(fù)荷側(cè)的靈活性有限。這些因素共同制約了“再調(diào)度2.0”的高效實施。
根據(jù)德國電氣工程師協(xié)會（VDE）發(fā)布的并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)《技術(shù)接入規(guī)定》，EWE配電網(wǎng)要求所有裝機(jī)容量在100千瓦及以上的分布式發(fā)電和儲能設(shè)備，必須按照無功—電壓特性曲線（Q(U)）或固定功率因數(shù)（cos φ）提供動態(tài)無功功率支持。此類設(shè)備需通過遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)傳輸無功功率的設(shè)定值與實際值，以實現(xiàn)本地電壓與無功功率的穩(wěn)定控制——這一機(jī)制已成為當(dāng)前減少外部無功功率采購的關(guān)鍵前提。得益于此，EWE配電網(wǎng)的自身無功補(bǔ)償成本大幅降低，僅配備一套無功補(bǔ)償裝置即可滿足整體需求。
根據(jù)EWE配電網(wǎng)公布的信息，自實施“再調(diào)度2.0”以來，與上游電網(wǎng)公司的協(xié)同再調(diào)度量減少約15%，系統(tǒng)整體的再調(diào)度成本也相應(yīng)下降。與此同時，過去十年中因棄電而觸發(fā)的電網(wǎng)調(diào)度干預(yù)次數(shù)激增近百倍，反映出配電網(wǎng)在應(yīng)對可再生能源波動方面的響應(yīng)速度與調(diào)節(jié)靈活性已顯著增強(qiáng)。
3、可調(diào)配電網(wǎng)變壓器
低壓配電網(wǎng)主要面臨光伏抬高末端電壓引起的越界問題。實踐證明，使用可調(diào)配電網(wǎng)變壓器無論是經(jīng)濟(jì)上還是技術(shù)上都是最理想的措施。
自2015年以來，EWE配電網(wǎng)已在其系統(tǒng)中接入近300臺可調(diào)配電變壓器。在電壓波動頻發(fā)的區(qū)域，這類變壓器已成為標(biāo)準(zhǔn)配置。示范階段運(yùn)行穩(wěn)定，未出現(xiàn)明顯技術(shù)問題。項目目標(biāo)——通過協(xié)調(diào)控制可調(diào)配電變壓器，實現(xiàn)中壓電網(wǎng)的集中電壓調(diào)節(jié)——已全面實現(xiàn)。實踐表明，在許多場景下，多個可調(diào)變壓器的協(xié)同運(yùn)行可有效替代或延緩傳統(tǒng)電網(wǎng)擴(kuò)建，同時顯著提升可再生能源的接入能力。
EWE配電網(wǎng)目前擁有約2萬臺配電變壓器，并已啟動一項持續(xù)的改造計劃，通過對新建和更換設(shè)備設(shè)定強(qiáng)制性可調(diào)變壓器配置要求。該計劃還包括推動配電變壓器全面接入數(shù)字化調(diào)度系統(tǒng)（計劃于2027年前完成），并開展集中式電壓控制的試點(diǎn)項目。EWE計劃到2035年將可調(diào)變壓器的比例提升至接近100%。這將成為提升配電網(wǎng)應(yīng)對高比例可再生能源能力、實現(xiàn)企業(yè)氣候中立目標(biāo)的關(guān)鍵舉措之一。
02
創(chuàng)新
德國配電網(wǎng)的創(chuàng)新主要集中在政府資助的大型研究項目中，其中最受關(guān)注的領(lǐng)域是削峰規(guī)劃與分布式可再生能源的靈活性市場。前者屬于監(jiān)管范疇，后者則屬于市場機(jī)制，兩者相輔相成，協(xié)同推進(jìn)配電網(wǎng)的高效與靈活運(yùn)行。
1、削峰規(guī)劃
在傳統(tǒng)電網(wǎng)規(guī)劃中，電網(wǎng)容量通常依據(jù)電流峰值進(jìn)行設(shè)計。根據(jù)德國早期的可再生能源法規(guī)，電網(wǎng)必須接收每一度可再生能源所發(fā)電量，這意味著配電網(wǎng)需按新能源發(fā)電的峰值水平進(jìn)行規(guī)劃與擴(kuò)建。從成本角度看，這不僅加重了電網(wǎng)企業(yè)的投資壓力，也可能推高電價，進(jìn)而增加居民和工業(yè)用戶的負(fù)擔(dān)——因為過網(wǎng)費(fèi)是電價的重要組成部分。
為應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，EWE率先提出了“5%實時削峰”概念。根據(jù)該原理，僅需削減分布式可再生能源約5%的發(fā)電量，即可使配電網(wǎng)的可接入容量提高至原來的兩倍以上。其核心在于：分布式新能源靠近負(fù)荷側(cè)運(yùn)行，峰值發(fā)電更容易被本地負(fù)荷吸收，從而顯著降低實際所需的削峰電量。
最終，電網(wǎng)規(guī)劃策略為該問題提供了制度化解決方案。在無需更換設(shè)備或增加投資的前提下，僅在電網(wǎng)規(guī)劃定容時預(yù)留3%的削峰空間，即可顯著降低擴(kuò)網(wǎng)成本。德國聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)部一個資助項目的結(jié)果表明，在最佳情境下，大多數(shù)配電網(wǎng)的投資可減少近一半左右，尤其對于中壓配電網(wǎng)而言。得益于行業(yè)長期的技術(shù)探索與政策推動，德國政府于2017年修訂《能源法》，正式引入“3%削峰”規(guī)劃原則，允許在電網(wǎng)規(guī)劃中保留一定的可控削減量，避免資源浪費(fèi)。該法規(guī)核心在于：對于不超過3%的削峰容量，電網(wǎng)公司無需進(jìn)行經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償，從而間接減輕了終端用戶的電價負(fù)擔(dān)。
2、分布式可再生能源靈活性市場
德國對分布式可再生能源靈活性市場的探索，正從早期“概念驗證”邁向以法規(guī)驅(qū)動、平臺支撐的成長期。實踐經(jīng)驗表明，唯有同步破解智能電表普及、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、流程簡化與監(jiān)管機(jī)制?四大瓶頸，市場才能真正發(fā)揮在緩解配電網(wǎng)擁塞、提升可再生能源消納方面的價值。
以EWE—?dú)W洲現(xiàn)貨市場平臺的聯(lián)合試點(diǎn)為例：在現(xiàn)場測試中，生物質(zhì)氣和風(fēng)電機(jī)組根據(jù)實時價格信號主動降出力。同時，弗里斯蘭法雷爾的一臺電動天然氣壓縮機(jī)與一座混合儲能裝置被激活，以吸收富余電力。與傳統(tǒng)強(qiáng)制限發(fā)不同，靈活性資源能夠“看價”自發(fā)響應(yīng)，測試結(jié)果證實該模式可有效緩解局部擁塞并提高分布式能源的接入能力。
試點(diǎn)也暴露了兩大挑戰(zhàn)：
1. 供應(yīng)方成本過高——電池儲能與可調(diào)負(fù)荷等潛在提供者認(rèn)為其機(jī)會成本（例如生產(chǎn)中斷）尚未得到充分補(bǔ)償
2. 監(jiān)管不確定性——基線核算、價格形成及地方市場監(jiān)管規(guī)則尚待明確，策略性“增發(fā)—減發(fā)”套利風(fēng)險需防范
圍繞上述痛點(diǎn)，探索正沿兩條路徑推進(jìn)：一是德國計劃在“再調(diào)度?3.0?”框架下，將分布式靈活性資源納入統(tǒng)一的市場出清流程。二是歐洲現(xiàn)貨市場平臺在他國試點(diǎn)“本地靈活性交易”，以驗證區(qū)域化出清機(jī)制。當(dāng)前高質(zhì)量資源供給仍顯不足，但隨著電池價格持續(xù)下降，這一結(jié)構(gòu)性瓶頸有望逐步緩解，為靈活性市場走向成熟奠定基礎(chǔ)。
03
未來路徑
未來，德國配電網(wǎng)將面臨兩項主要任務(wù)：一是將大量戶用光伏、電池和熱泵納入配電網(wǎng)的調(diào)度與市場機(jī)制中，以減少負(fù)電價現(xiàn)象，提升可再生能源的消納能力；二是推行動態(tài)過網(wǎng)費(fèi)機(jī)制，增強(qiáng)統(tǒng)一市場價格對配電網(wǎng)擁塞的引導(dǎo)與疏導(dǎo)作用。
1、再調(diào)度3.0
為了更好地消納可再生能源，減少負(fù)電價現(xiàn)象，德國已經(jīng)在著手準(zhǔn)備引入“再調(diào)度3.0”機(jī)制。也就是說，將戶用光伏、電池和熱泵及電動車納入配電網(wǎng)調(diào)度和市場機(jī)制。
研究結(jié)果表明，家庭接入的電動車在采用靈活充電策略的情況下，系統(tǒng)成本最高可降低約70%。為進(jìn)一步釋放分布式靈活性潛力，現(xiàn)有的基于成本的“再調(diào)度2.0”機(jī)制將被擴(kuò)展為涵蓋分布式靈活性資源的市場化再調(diào)度機(jī)制。這些分散、規(guī)模較小的靈活性資源將由聚合商進(jìn)行整合，并統(tǒng)一提供給電網(wǎng)運(yùn)營商使用。系統(tǒng)通過一份統(tǒng)一的優(yōu)先排序清單完成資源出清，選擇最合適的資源參與電網(wǎng)擁塞管理。大型發(fā)電裝置仍按照成本獲得補(bǔ)償，而需求側(cè)靈活性則通過市場機(jī)制獲得報酬。這一混合模式有望推動新型靈活性資源的高效接入與協(xié)調(diào)運(yùn)行，為實現(xiàn)更具彈性的電力系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。
目前德國已開展的首批試點(diǎn)項目在實踐中證實，分散、規(guī)模較小的靈活性資源在技術(shù)上完全具備參與電網(wǎng)擁塞管理的能力。項目參與方也在總結(jié)中指出，用戶舒適性在整個過程中得以保持，未受到明顯影響。當(dāng)前正在推進(jìn)的試點(diǎn)項目則將在更大范圍內(nèi)測試，在電網(wǎng)高負(fù)荷條件下，哪些用戶側(cè)容量具備可調(diào)節(jié)性與可轉(zhuǎn)移性。
EWE配電網(wǎng)正為接入功率低于100千瓦的微型靈活性資源開展接入準(zhǔn)備工作，并計劃自2024年起在其自有電網(wǎng)區(qū)域內(nèi)啟動首輪現(xiàn)場測試。此舉是EWE在“再調(diào)度3.0”聯(lián)合項目框架下推進(jìn)分布式靈活性資源整合的關(guān)鍵步驟之一，旨在探索微型資源在實際運(yùn)行中參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)和擁塞管理的可行性。
EWE的虛擬電廠平臺支持設(shè)備運(yùn)營商將其發(fā)電能力——包括再調(diào)度服務(wù)——整合至統(tǒng)一系統(tǒng)，參與電力市場交易。該平臺已實現(xiàn)與“再調(diào)度2.0”系統(tǒng)的技術(shù)對接，EWE也已為其售電客戶提供相關(guān)服務(wù)。同時，光伏等分布式能源可通過該平臺實現(xiàn)直接售電。該運(yùn)營模式為微型靈活性資源的市場化利用提供了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)，并為其在“再調(diào)度3.0”框架下的廣泛接入奠定了條件。
2、動態(tài)過網(wǎng)費(fèi)
歐洲及德國在現(xiàn)貨市場采用的統(tǒng)一電價，好處是允許更多的交易組合，因而市場非?；钴S。但作為前提的電網(wǎng)容量卻不足，所以現(xiàn)貨交易受到電網(wǎng)擁塞的影響。節(jié)點(diǎn)電價可以考慮到電網(wǎng)擁塞的影響，但節(jié)點(diǎn)下靈活性往往不足，影響市場參與者的盈利，造成市場不太活躍。
為了能夠考慮電網(wǎng)擁塞的影響，以及高比例可再生能源地區(qū)過網(wǎng)費(fèi)負(fù)擔(dān)過高的情況，德國政府啟動了全國范圍內(nèi)的電網(wǎng)成本均攤機(jī)制，并在北部地區(qū)試點(diǎn)實施削峰電量補(bǔ)貼與拍賣機(jī)制。
在此之前，過網(wǎng)費(fèi)通常采取兩種計費(fèi)方式：按電量分級計價或采用最大功率合同制。根據(jù)新規(guī)，削峰電量可獲得40歐元/兆瓦時的固定上網(wǎng)補(bǔ)貼，適用于通過虛擬電廠整合的電轉(zhuǎn)熱、大型熱泵和電池等負(fù)荷資源，但補(bǔ)貼電量不得進(jìn)入市場交易。政府計劃自2026年10月起，將補(bǔ)貼分配方式轉(zhuǎn)為拍賣制。
這一機(jī)制實質(zhì)上是在統(tǒng)一電價體系內(nèi)引入了“節(jié)點(diǎn)電價”的效率優(yōu)勢。同時，它又規(guī)避了節(jié)點(diǎn)電價的制度剛性，使原本屬于監(jiān)管領(lǐng)域的削峰規(guī)則逐步邁向市場化。據(jù)估算，該舉措可使可再生能源的再調(diào)度成本減少約6億歐元。
EWE配電網(wǎng)是該試點(diǎn)項目的主要參與方之一。為配合實施，EWE配電網(wǎng)需對信息與計費(fèi)系統(tǒng)進(jìn)行大幅改造，以支持動態(tài)過網(wǎng)費(fèi)的管理與結(jié)算，導(dǎo)致試點(diǎn)啟動多次推遲。
總體來看，首輪試點(diǎn)效果不佳，主要受制于技術(shù)、組織及監(jiān)管方面的障礙，成效有限。隨著智能電表的全面推廣、標(biāo)準(zhǔn)化平臺的建設(shè)以及流程的持續(xù)優(yōu)化，第二階段試點(diǎn)計劃于2025年4月啟動。唯有及時破解上述瓶頸，動態(tài)過網(wǎng)費(fèi)機(jī)制才能在緩解配電網(wǎng)擁堵、整合分布式靈活性資源方面真正發(fā)揮作用。
綜上所述，德國配電網(wǎng)在高比例可再生能源并網(wǎng)的過程中，已由“被動擴(kuò)容”邁向“智能調(diào)度”，但技術(shù)迭代并不代表轉(zhuǎn)型終點(diǎn)。展望未來，監(jiān)管層需通過動態(tài)過網(wǎng)費(fèi)和靈活的再調(diào)度機(jī)制持續(xù)降低系統(tǒng)總成本。市場層面，則應(yīng)以戶用光伏、電池儲能和熱泵為基礎(chǔ)，逐步完善分布式可再生能源的靈活性市場。
