當前，世界各國的電力系統(tǒng)正在經(jīng)歷深刻的變革。隨著技術進步與成本下降，可再生能源飛速發(fā)展，與可再生能源相關的系統(tǒng)集成問題日益突出。電力系統(tǒng)靈活運行能力被視為電力系統(tǒng)優(yōu)化的關鍵，提高系統(tǒng)靈活性對可再生能源并網(wǎng)至關重要。
歐洲高比例可再生能源并網(wǎng)提出更高靈活性要求
歐洲能源轉(zhuǎn)型走在世界前列，也是全球可再生能源發(fā)展程度較高的地區(qū)。IEA根據(jù)電力系統(tǒng)所受影響程度將可再生能源接入電力系統(tǒng)劃分成不同階段。其中，第1階段：可再生能源對系統(tǒng)無相關影響;第2階段：可再生能源對系統(tǒng)運行有中度影響;第3階段：可再生能源決定系統(tǒng)運行模式;第4階段：可再生能源某些時段幾乎提供全部用電需求。圖1顯示了不同國家/地區(qū)可再生能源發(fā)電在其年度發(fā)電量中的占比，及其所處的系統(tǒng)集成階段。如圖所示，可再生能源在年度發(fā)電量中占比高于10%的多為歐洲國家，這些國家已進入可再生能源與電力系統(tǒng)集成的第3和第4階段，隨著可再生能源的進一步發(fā)展，其電力系統(tǒng)集成將向更高階段發(fā)展。
歐盟當前發(fā)電結構如圖2所示。歐盟發(fā)電總裝機容量略高于1太瓦，年發(fā)電量約3400太瓦時。發(fā)電總裝機中約一半為可再生能源裝機，可再生能源裝機中又有三分之二為風電和太陽能發(fā)電裝機。可再生能源發(fā)電量約占年發(fā)電量的三分之一，風電和太陽能發(fā)電量約占可再生能源發(fā)電量的一半。
高比例可再生能源并網(wǎng)勢必會對電力系統(tǒng)的平衡和穩(wěn)定運行產(chǎn)生諸多影響，并且這些影響會隨著可再生能源滲透率的提高而逐步增強。2020年上半年，受天氣狀況影響，歐洲風電光伏出力強勁，可再生能源甚至超過化石能源，占到發(fā)電量的40%，而同期歐洲各國電力需求在遭受疫情沖擊大幅下滑之后恢復緩慢，加之傳統(tǒng)發(fā)電機組啟停靈活性有限，造成某些時段的電力供給大于需求。以至上半年歐洲各國現(xiàn)貨電力市場約有100～200小時價格為負值，遠高于往年負電價小時數(shù)，包括挪威在內(nèi)的多個國家首次出現(xiàn)電價為負。頻繁發(fā)生的負電價反映了靈活性對電力系統(tǒng)的重要性，這是電力系統(tǒng)在高比例可再生能源并網(wǎng)過程中必須考慮的問題。
第1階段-波動性可再生能源對系統(tǒng)無相關影響 第2階段-波動性可再生能源對系統(tǒng)運行有中度影響
第3階段-波動性可再生能源決定系統(tǒng)運行模式 第4階段-波動性可再生能源某些時段幾乎提供全部用電需求
數(shù)據(jù)來源：IEA
圖1 不同國家/地區(qū)波動性可再生能源發(fā)電占比及相應的系統(tǒng)集成階段(2018年)
數(shù)據(jù)來源：IEA
圖2 2020年歐盟發(fā)電量和發(fā)電裝機容量(預估)
歐洲電力系統(tǒng)靈活性現(xiàn)狀
電力系統(tǒng)的靈活性資源分布于發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)，隨著技術的快速發(fā)展，儲能成為電力系統(tǒng)不容忽視的靈活性來源。歐洲提高可再生能源部署水平、提升現(xiàn)有電力系統(tǒng)靈活性主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
在電源側(cè)，廣泛應用各種發(fā)電機組靈活性提升技術，提高除風電和光伏之外其他發(fā)電廠的靈活度。歐洲國家靈活電源比重相對較高。根據(jù)公開資料顯示，德國、丹麥、西班牙、英國等國的靈活調(diào)節(jié)電源與可再生能源發(fā)電裝機的配比分別為44%、43%、140%和190%。
近日，歐洲能源轉(zhuǎn)型智能網(wǎng)絡技術與創(chuàng)新平臺(ETIP SNET)發(fā)布《2021-2024年綜合能源系統(tǒng)研發(fā)實施計劃》，明確了未來四年將實施的關鍵研究創(chuàng)新優(yōu)先事項及相應預算。其中，在發(fā)電靈活性方面，將投入3970萬歐元用于研發(fā)，投入1330萬歐元用于示范，主要研發(fā)示范任務包括：開發(fā)用于風力渦輪機和太陽能光伏最大功率點追蹤的有效控件，以實現(xiàn)靈活性和儲備共享;增加水力發(fā)電和抽水蓄能電站運行靈活性;提高火電靈活性;使用碳中性燃料提高火電燃料靈活性;開發(fā)和測試集成靈活中小型火電、供熱和制冷、儲能的解決方案等。
在電網(wǎng)側(cè)，歐洲跨國輸電線路高度密集，遍布于成員國之間，大部分國家和其鄰國電網(wǎng)之間的互聯(lián)傳輸能力很高。通過高效的互聯(lián)電網(wǎng)和市場機制，北歐和南歐富余的可再生能源能夠輸往西歐東歐，替代當?shù)氐拿弘?，各國能夠利用跨國輸電容量來保證冬夏高峰負荷期的電力供給。電網(wǎng)互聯(lián)互通使得歐洲電力系統(tǒng)內(nèi)部有效共享發(fā)電容量和發(fā)電量，使得電力系統(tǒng)更加靈活，集成可再生能源的能力不斷增強。
為了增加電網(wǎng)互聯(lián)容量，歐盟提出2020年各成員國跨國輸電能力至少占本國裝機容量的10%，2030年要達到15%。目前，德國和鄰國電網(wǎng)間的電力交換能力已經(jīng)達到25吉瓦，占其總裝機容量的12%、冬季最高負荷的30%。歐洲輸電系統(tǒng)運營商聯(lián)盟(ENTSO-E)每兩年發(fā)布一次電網(wǎng)十年發(fā)展規(guī)劃(TYNDP)，ENTSO-E最新發(fā)布的TYNDP對跨國電網(wǎng)進一步互聯(lián)進行了詳細規(guī)劃，利用場景分析深入研究高比例可再生能源結合電動汽車、智能電網(wǎng)和儲能等和電網(wǎng)系統(tǒng)的融合，推動系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展。
在用戶側(cè)，借助于完善的市場機制，歐洲國家普遍開展了需求側(cè)響應，引導用戶根據(jù)市場需求增加、減少或改變電力需求，以維持系統(tǒng)平衡。歐洲境內(nèi)各大區(qū)域性電力市場有著不同的市場規(guī)則及技術標準，沒有一個整體性的需求響應實施計劃，因此歐洲各國依據(jù)各自的方案和規(guī)則開展需求響應。提高電力需求側(cè)的靈活性，主要是綜合運用儲能、熱泵、電動汽車、智能電表等技術手段，提高負荷的可調(diào)節(jié)性。
如今，技術進步和脫碳需求使傳統(tǒng)的集中式電網(wǎng)結構發(fā)生徹底改變，各級電網(wǎng)中接入的分布式電源和儲能系統(tǒng)越來越多，需求響應日益頻繁，需求響應水平日益提升。根據(jù)AFRY管理咨詢公司的分析，預計未來10年，歐盟27個成員國的需求響應容量將增加一倍以上，從目前的7吉瓦增加到15吉瓦。歐盟電力系統(tǒng)正在變得越來越智能化和分散化。
在電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)采用儲能技術，提高這些環(huán)節(jié)的靈活性。目前，歐洲電網(wǎng)側(cè)儲能裝機容量不足2吉瓦，其中約四分之三是鋰離子電池，其他技術包括鉛酸、氧化還原液流和鈉基電池。歐委會數(shù)據(jù)顯示，目前英國電池儲能裝機容量約為880兆瓦，為歐洲最大的市場份額;德國電池儲能裝機容量約530兆瓦。據(jù)悉，英國有1350萬千瓦電池儲能項目正在等待建設。
越來越多的歐洲國家認識到，電池儲能將在可再生能源擴張中發(fā)揮關鍵作用。歐洲各國政府正在消除監(jiān)管壁壘，為儲能設施與發(fā)電廠競爭創(chuàng)造一個公平的競爭環(huán)境，歐盟承諾為儲能技術提供資金支持，歐洲對電池能源儲能的政策支持力度逐漸增強。如意大利、英國、葡萄牙和愛爾蘭等國設計的容量市場中，儲能運營商可以在拍賣中競標合同。這為儲能運營商提供了固定和可預測的收入流，以便其擴展儲能容量。
此外，歐洲電力市場相對成熟，盡管不同國家電力市場不完全相同，但都采用了中長期交易、日前市場、日內(nèi)市場、平衡市場等多級市場相結合的市場機制，多級市場協(xié)調(diào)配合，共同處理可再生能源波動性出力特性引起的系統(tǒng)不平衡電量。并且歐盟著力推進統(tǒng)一電力市場建設，在統(tǒng)一的電力市場中，通過多個國家的日前市場聯(lián)合出清，擴大資源優(yōu)化配置范圍，促進可再生能源在更大范圍內(nèi)消納。
歐洲主要電力市場及靈活性資源增長趨勢
伍德麥肯茲最新研究數(shù)據(jù)顯示，在歐洲5大電力市場(英國、德國、法國、意大利和西班牙)，波動性可再生能源發(fā)電(風電、光伏發(fā)電)最快有望在2023年成為最大的發(fā)電來源。在歐洲上述幾個電力市場中，未來將接入較大比例的風電、光伏及其他可再生能源，到2040年，預計將新增169吉瓦風電和172吉瓦光伏發(fā)電裝機。除了可再生能源，其他電源裝機未來幾年都將減少。由于新建核電項目無法跟上現(xiàn)有核電站退役步伐，到2040年，核電裝機將減少41吉瓦。德國計劃于2038年前關閉所有燃煤電廠，是歐洲幾個主要的電力市場中最后一個將煤電從電網(wǎng)容量中退役的市場。繼煤炭之后，無碳捕獲措施的燃氣將成為下一個退役目標。大型燃氣裝機(CCGT)將從2020年的87吉瓦減少到2040年的46吉瓦。
為了平衡可再生能源激增，抽水蓄能電站、天然氣調(diào)峰電站、儲能系統(tǒng)、電網(wǎng)互聯(lián)項目等靈活性資源必不可少。預計系統(tǒng)靈活性資源將從2020年的122吉瓦增加到2030年的202吉瓦、2040年的260吉瓦(見圖3)。
資料來源：Wood Mackenzie
圖3 2020～2040年歐洲5大電力市場可再生能源和靈活性資源新增裝機預測
天然氣調(diào)峰電站就目前而言，是歐洲電力市場重要的靈活調(diào)節(jié)電源，但由于燃料和碳價格不斷上漲，技術成本卻沒有大幅下降，在零碳政策驅(qū)動下，到2030年，儲能系統(tǒng)將取代天然氣調(diào)峰電站。歐洲5大電力市場儲能裝機容量預計將從目前的3吉瓦(不含抽水蓄能)增長至2030年的26吉瓦、2040年的89吉瓦。伍德麥肯茲預測認為，到2040年，上述市場擁有的儲能容量有望實現(xiàn)系統(tǒng)的秒級平衡，其中大部分將來自于電網(wǎng)側(cè)電池儲能系統(tǒng)。屆時電池儲能將成為平衡歐洲電網(wǎng)、取代氣電調(diào)峰的更優(yōu)選擇。
參考文獻：
[1]IEA.Status of Power System Transformation 2019 [R].2019.[2]Rory McCarthy.Power system flexibility key to Europe's net zero targets [EB/OL]. https://www.woodmac.com/news/opinion/power-system-flexibility-key-to-europes-net-zero-targets.
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