為應(yīng)對氣候變化，包括中國和德國在內(nèi)的全球越來越多國家都提出了碳中和目標，并向國際社會作出了減排承諾。我國提出2030年前實現(xiàn)碳達峰，2060年實現(xiàn)碳中和，德國在去年對其氣候目標作出修改，將此前的2050年實現(xiàn)氣候中和目標提前到了2045年，并相應(yīng)對其階段性目標作出了修正，包括到2030年德國較1990年溫室氣體排放量減少65%、到2040年減少88%、到2045年實現(xiàn)溫室氣體排放中和、到2050年實現(xiàn)負排放。

　　德國在溫室氣體減排方面探索了很多不同的技術(shù)路徑。據(jù)統(tǒng)計，德國2020年通過發(fā)展可再生能源共減少了2.27億噸的溫室氣體排放，而2020年德國的溫室氣體總排放量為7.39億噸，因此大力發(fā)展可再生能源是實現(xiàn)德國氣候目標路徑的一個重中之重。這也是德國提高溫室氣體減排承諾后，馬上相應(yīng)調(diào)整其可再生能源發(fā)展目標的原因。2030年德國可再生能源占比從目前的46%提高到80%，占一次能源的比例從目前的20%提高到30%。本文聚焦電網(wǎng)，僅從可再生能源這一技術(shù)路徑出發(fā)進行分析。

　　德國如何保障高比例可再生能源電力系統(tǒng)的供應(yīng)安全

　　增加投資，擴建電網(wǎng)

　　2019年，德國用于電網(wǎng)的投資高達106億歐元，其中約75億歐元用于配電系統(tǒng)建設(shè)，31億歐元用于輸電建設(shè)，這一投資額度分配契合德國以分布式為主的電力系統(tǒng)，因為絕大多數(shù)的可再生能源都是分散式并接入配電網(wǎng)，因此德國對配電網(wǎng)的擴建、升級改造要求最高，相應(yīng)的投資也更集中在配電系統(tǒng)建設(shè)。而四項立法構(gòu)成了德國電網(wǎng)擴建協(xié)調(diào)化、加速化和透明化的基礎(chǔ)，即《能源經(jīng)濟法》(EnWG)《加速電網(wǎng)擴建法》(NABEG)《聯(lián)邦需求規(guī)劃法》(BBPlG)和《電網(wǎng)擴建法》(EnLAG)。

　　電力系統(tǒng)服務(wù)為德國供電系統(tǒng)保駕護航

　　談到德國電力系統(tǒng)較高的安全性和經(jīng)濟性，就不能不強調(diào)德國的電力系統(tǒng)服務(wù)。電力系統(tǒng)服務(wù)是電網(wǎng)為適應(yīng)可再生能源波動性和供需不平衡而采取的一攬子措施工程。

　　2019年，德國輸電系統(tǒng)運營商的年度系統(tǒng)服務(wù)成本為18.2億歐元，在這一成本中，能源平衡服務(wù)的比重在逐年下降，這并不意味著服務(wù)減少了，而是成本降低了，這一方面歸因于德國輸配電網(wǎng)公司相互之間的協(xié)調(diào)得到大幅優(yōu)化;另一方面是德國電力市場日間交易量越來越大，電力短期合同越來越多，使得平衡電力供需的成本有所降低。

　　同時，電網(wǎng)備用和棄風棄光的服務(wù)成本在最近幾年呈現(xiàn)增長趨勢，這主要歸因于德國的電網(wǎng)規(guī)劃和擴建趕不上可再生能源快速發(fā)展的趨勢。德國電網(wǎng)規(guī)劃、立法、審批、建設(shè)整個流程較長，滯后于可再生能源發(fā)展，因此電網(wǎng)瓶頸、擁堵情況導(dǎo)致棄風、棄光現(xiàn)象及其成本增加。德國棄風、棄光在系統(tǒng)服務(wù)成本中占的比例大，實際棄風、棄光率并不是很高，約1%～3%;但棄風、棄光量的絕對值在最近幾年一直很高。

　　保障供電安全的不同電力市場設(shè)計

　　保障電力安全離不開歐洲不同的電力市場設(shè)計，目前在歐洲主要是容量市場和單一能量市場。德國采取的是單一能量市場，沒有容量市場，以杜絕容量市場為化石能源提供“補貼后門”的可能性。為了提高靈活性和效率，歐洲中部和北部的國家已經(jīng)放開了能源市場，并選擇依靠單一容量市場。但隨著可再生能源比例越來越高，僅僅通過單一能量市場很難實現(xiàn)供需之間的完美匹配，因此這些國家(德國、瑞典、波蘭)在發(fā)展單一能量市場的同時，還引入了戰(zhàn)略儲備容量。

　　與歐洲大電網(wǎng)互聯(lián)和跨境交易

　　除本國電網(wǎng)保障措施外，德國非常依賴歐洲的大電網(wǎng)。如德國-挪威海底高壓直流系統(tǒng)、與丹麥開發(fā)的海上風電場互聯(lián)等，這對德國的電力供應(yīng)安全性和經(jīng)濟性都起到一定作用。德國的跨境電力交易在2015年減少了約10吉瓦的剩余峰值需求，預(yù)計2025年會減少20吉瓦。在德國，剩余峰值需求是一個專門的概念，不是指減掉目前所有裝機能夠提供的容量，而是減去可再生能源電力后剩下由傳統(tǒng)化石能源來滿足的需求。這一特殊概念的設(shè)置和德國退核、退煤密切相關(guān)，目的是慢慢減少其對傳統(tǒng)化石燃料電廠的依存度。

　　電網(wǎng)平衡基團

　　電網(wǎng)平衡基團，也叫電力供需平衡責任方，在德國電網(wǎng)安全運行中扮演著重要角色。他們分布在德國的四大輸電網(wǎng)運行區(qū)域內(nèi)，共有約2700多個平衡基團。德國電網(wǎng)或者電力市場之所以能夠?qū)崿F(xiàn)自平衡，最重要的依據(jù)或者最重要的基礎(chǔ)元素就是平衡基團。平衡基團首先是在自己基團內(nèi)部實現(xiàn)供需平衡，如實現(xiàn)不了，那就在平衡基團所在的輸電網(wǎng)控制區(qū)內(nèi)進行平衡匹配;如果控制區(qū)內(nèi)還不能實現(xiàn)，下一步就是跨區(qū)域平衡;如果國內(nèi)跨區(qū)域平衡不能實現(xiàn)，再到歐洲大電網(wǎng)，也就是國際電網(wǎng)控制合作組織(IGCC)成員國之間進行平衡。德國電網(wǎng)平衡基團滲透在德國的電力市場，平衡基團和輸電系統(tǒng)運營商的合作是電力供需平衡的關(guān)鍵，也是驅(qū)動虛擬電廠發(fā)展的重要因素。

　　德國虛擬電廠的發(fā)展

　　電力系統(tǒng)的靈活性是幫助德國實現(xiàn)高比例可再生能源電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，并助力實現(xiàn)碳中和的重要手段。而虛擬電廠(VPP)通過聚合并集中調(diào)度分布式能源，成為提升電力系統(tǒng)靈活性的解決方案。參與虛擬電廠的分布式電源主要包括連接到配電網(wǎng)或終端用戶附近的中小型資源，涵蓋分布式發(fā)電機組、需求側(cè)資源和儲能。單獨的中小型能源資源雖具有靈活性潛力，但由于規(guī)模過小、分布較分散、發(fā)電波動過大，無法直接提供系統(tǒng)服務(wù)。虛擬電廠通過聚合商，把獨立的分布式能源資源作為單一資源捆綁到發(fā)電資產(chǎn)組合中，通過中央信息技術(shù)系統(tǒng)監(jiān)控、預(yù)測和優(yōu)化來調(diào)度其發(fā)電、儲能等的電力需求，使分布式資源能參與電力市場交易并向系統(tǒng)運營商提供靈活性電源。

　　據(jù)德國伍珀塔研究院對虛擬電廠商業(yè)運營模式的研究成果預(yù)測，德國的能源聚合市場和靈活性市場規(guī)模為75吉瓦，這一數(shù)字預(yù)計到2030年將翻一番。在德國，虛擬電廠已經(jīng)完全實現(xiàn)商業(yè)化。由于《可再生能源法》引入了可再生能源發(fā)電直接銷售的要求，德國虛擬電廠運營商的一項主要業(yè)務(wù)是在批發(fā)市場銷售100千瓦以上中型可再生能源電廠生產(chǎn)的電量，在日前市場優(yōu)化其售電，使這些電廠成為虛擬電廠資源。此外，虛擬電廠還有利于靈活性較高的機組(生物質(zhì)發(fā)電和水電)在日間市場和平衡市場中獲利。根據(jù)運營商不同，德國的虛擬電廠大致可分為三種類型：

　　一是獨立虛擬電廠運營商，這類運營商不隸屬于傳統(tǒng)客戶的電力供應(yīng)商，但可成為電力供應(yīng)商(目前主要是裝機在100千瓦以上的大客戶)。

　　二是大型電力公司(跨國、地區(qū)和市級企業(yè))將自己的發(fā)電資源及可能的負荷用戶和發(fā)電機組聚合到虛擬電廠當中。作為電力公司，他們也是平衡責任方。

　　三是新型市場參與者，特別是小規(guī)模分布式能源資源的制造商，主要將其用戶的資源聚合到虛擬電廠當中。

　　德國虛擬電廠發(fā)展驅(qū)動因素——市場與監(jiān)管

　　虛擬電廠這幾年在德國發(fā)展迅速主要受益于市場與監(jiān)管的驅(qū)動因素。首先，德國電力市場高度自由化，無論是電網(wǎng)、電廠，還是輸電、配電、售電，這些電力相關(guān)業(yè)務(wù)都互相拆分。根據(jù)《德國能源經(jīng)濟法》第七條規(guī)定，所有客戶超過10萬家的能源公司必須依法將其電網(wǎng)運營業(yè)務(wù)從競爭性的發(fā)電或供電業(yè)務(wù)中剝離;規(guī)模較小的公司必須為發(fā)售電和輸電業(yè)務(wù)分別設(shè)立獨立賬戶。德國電力市場的高度開放為新興市場主體進入市場，并發(fā)展成為可持續(xù)運營且獲利的新型商業(yè)模式提供了重要前提條件。而上文提到的電網(wǎng)平衡基團則是虛擬電廠發(fā)展的另一大驅(qū)動因素。平衡基團確保平衡區(qū)內(nèi)總發(fā)電量、總外購電量與用電量相匹配。目前很多虛擬電廠的運行商和平衡基團之間是合作關(guān)系，很多平衡基團的責任方也可以運營自己的虛擬電廠。

　　德國的電力市場按交易時間不同，主要分為期貨市場、日前市場和日間市場幾大類，虛擬電廠目前主要活躍在日前和日間市場，因為日間市場主要用于彌補日前預(yù)測的偏差，可在交割前5分鐘交易15分鐘和1小時產(chǎn)品，而虛擬電廠作為可在短時間內(nèi)迅速作出反應(yīng)的靈活性資源，在日間市場具有很大的發(fā)展契機。此外在為解決系統(tǒng)實時供需失衡及其導(dǎo)致的頻率偏差的平衡電力市場上，虛擬電廠在二次和三次備用服務(wù)市場最為活躍，而根據(jù)法律要求輸電系統(tǒng)運營商必須接受聚合資源參與平衡市場。

　　德國虛擬電廠迅速發(fā)展的另一個驅(qū)動因素是《可再生能源法》的兩次修訂。2012年引入可再生能源電力“直接銷售”，即批發(fā)市場直接售電，作為固定上網(wǎng)電價的可選替代方案。2014年《可再生能源法》修訂案規(guī)定，100千瓦以上的新增可再生能源機組都必須進行直接銷售，從而鼓勵中型可再生能源發(fā)電機組聚合形成虛擬電廠，在批發(fā)市場上售電、優(yōu)化發(fā)電收入，使虛擬電廠能夠發(fā)揮關(guān)鍵作用。

　　此外，德國針對電網(wǎng)阻塞管理的一系列措施同樣推動了虛擬電廠的發(fā)展。為解決電網(wǎng)阻塞問題，德國的輸電系統(tǒng)運營商可以要求進行再調(diào)度;在2021年之前，只有容量大于10兆瓦的傳統(tǒng)燃煤電廠有法定義務(wù)參與再調(diào)度，若這一再調(diào)度舉措仍不能滿足系統(tǒng)需求，可采取限制并網(wǎng)措施，這就給可再生能源帶來影響，如棄風、棄光。2021年10月1日起，經(jīng)修訂的《電網(wǎng)加速擴建法》生效，規(guī)定100千瓦以上規(guī)模的電廠和所有配電系統(tǒng)運營商均有義務(wù)參與再調(diào)度，使得參與再調(diào)度的整體容量有了大幅提升。

　　對聚合商法律層面的保障是驅(qū)動德國虛擬電廠發(fā)展的再一個因素。歐盟委員會2019年提出指令，規(guī)定聚合商可以參與所有平衡電力市場，還要求成員國確保輸電系統(tǒng)運營商和配電系統(tǒng)運營商在采購輔助服務(wù)時，不得歧視需求響應(yīng)的聚合商。德國政府對聚合商的角色、市場機會和義務(wù)也進行了法律界定;虛擬電廠有足夠的自由確定其資源組合，包括分布式能源資源的數(shù)量和類型。

　　最后，為居民(產(chǎn)消一體)使用靈活電力提供法律基礎(chǔ)和條件有助于德國虛擬電廠的快速推廣。在德國，《能源經(jīng)濟法》將居民家庭歸類為終端客戶，既可從電網(wǎng)購電和儲電，也可向電網(wǎng)售電，這部分儲能未來也有參與虛擬電廠的可能。

　　虛擬電廠運行的關(guān)鍵要素

　　維持虛擬電廠正常運行，一是對系統(tǒng)軟硬件的要求相對較高。軟件方面包括先進的采集和分析數(shù)據(jù)的能力(如電廠運行情況、氣象數(shù)據(jù)、市場價格信號、電網(wǎng)情況)，先進的預(yù)測技術(shù)和算法(制定優(yōu)化的調(diào)度計劃)，從而確保安全快速地在虛擬電廠、單個資源、輸電系統(tǒng)運營商和電力市場間進行通信，使其迅速響應(yīng)市場要求。硬件方面，需要智能電表、遠程控制和自動化系統(tǒng)等對應(yīng)的硬件設(shè)備配合，以獲取實時數(shù)據(jù)、通信并控制發(fā)電資產(chǎn)組合的分布式能源資源。

　　二是要有足夠的靈活性資源，建立包括需求側(cè)、供應(yīng)側(cè)和儲能在內(nèi)的多樣化分布式能源資源池。在德國，生物質(zhì)/沼氣發(fā)電廠和水電因高靈活性成為虛擬電廠中的優(yōu)質(zhì)資源;可以提供短期和長期靈活性服務(wù)的綠氫電解廠也將成為重要的靈活資源;電動汽車電池、熱泵、家用儲能設(shè)施、屋頂光伏等小規(guī)模分布式能源資源將為電力系統(tǒng)提供更大的靈活性;需求響應(yīng)也是重要的低成本靈活性來源(平衡市場、容量市場)。

　　德國虛擬電廠發(fā)展的有利條件和面臨的挑戰(zhàn)

　　如前文所提到的，德國政府要求可再生能源電廠，特別是中型可再生能源電廠直接參與市場交易，日間電力市場允許接近實時的電力交易;德國能源相關(guān)法律規(guī)定了聚合商的市場角色、機會和義務(wù)，以及虛擬電廠能夠以分布式能源資源聚合的形式進入批發(fā)和平衡市場并進行交易，且有足夠的自由確定其資源組合。

　　德國虛擬電廠也面臨諸多挑戰(zhàn)和待改善之處，比如從立法層面進一步推動間歇性可再生能源(特別是太陽能和風能)和其他小規(guī)模分布式能源資源參與電力批發(fā)市場和平衡市場，發(fā)揮需求響應(yīng)的作用;針對小規(guī)模分布式能源資源為電網(wǎng)運營商提供靈活性而設(shè)計額外的市場機制，如建立小范圍區(qū)域靈活性市場;在獨立的聚合商、平衡責任方和電力用戶之間制定標準化程序，以及加快推廣智能電表、智能電網(wǎng)發(fā)展等。