浅析高比例间歇性可再生能源融入电网的方法

下一阶段，通过创新实现灵活性水平的提升

2019年1月，在阿布扎比举行的国际可再生能源署第九届大会上，能源行业的部长和首席执行官齐聚一堂，讨论电力行业转型问题。与会部长们普遍认识到，创新是能源转型的关键推动力，各国必须跟上最新发展，以制定适合其需要和发展情况的解决办法。

在成本的迅速下降和可再生能源发电在全球能源结构中的占比持续上升的背景下，大家已经把注意力转移至与间歇性可再生能源（VRE）电网融和的相关成本上，特别是在与转型相关的成本—效益计算方面。幸运的是，电力系统的灵活性不是静态的。创新可以提高整个价值链（包括电源、输配电和需求）的电力系统灵活性，同时降低系统总成本。

当前和未来电力系统的灵活性

国际可再生能源署的综合研究，即《可再生能源电力的创新蓝景》，包含迄今为止最全面的间歇性可再生能源电网融和创新分析。报告中认为，我们并非缺乏创新—相反，我们需要找到办法，使最近的创新和公开宣布变得具有意义。本报告的目的是使指导成员对于这个复杂的主题更易接触，以助于其创新。它确定了30种创新类型和11种基于这些创新的实际解决方案。它还确定并分析了200多个实际项目和应用。研究结果不是蓝图，而是工具箱，因为应用这些创新时必须考虑每个电力系统的现实。

3种创新趋势

国际可再生能源署认为推动能源转型的3大趋势终端能源部门的数字化、分散化和电气化。这些趋势是由强大的经济和社会效益推动的。正如我们所知，它们一起可以改变能源行业。

结合三种创新趋势提高灵活性

终端用户部门的电气化

上一节详细讨论了可再生能源电气化是终端用户部门（运输、建筑和工业）脱碳化的基石。例如，电动汽车（EV）提供了新的灵活性来源，2019年初已有560万辆电动乘用车上路。在全球约10亿辆汽车中，中国和美国形成了最大的市场，两国分别拥有260万和110万辆电动汽车。供暖的电气化也在增长。预计截止2017年底，欧洲已安装超过1000万台热泵。

在消费端连接的分布式能源（DERs）的出现正在使电力系统分散化。它们包括屋顶太阳能光伏、微型风力涡轮机、电表后端电池储能系统、热泵和插电式混合动力汽车（PHEV）。值得注意的是，目前占全球发电量约1%的屋顶光伏发电正在加速增长。基于分布式能源的分散化是灵活性的重要来源，比如采用需求响应措施。例如，非洲的公司利用即用即付模式向肯尼亚和乌干达的家庭提供太阳能家庭系统。移动支付系统用于收集付款。这些国家为60多万户家庭提供了电力，使家庭能够拥有照明、手机充电器以及电视和冰箱等家用电器。

电力部门的数字化

数字化是能源转型的关键“放大器”，能够管理大量数据，并且对具有许多小型发电机组的系统实现优化。增强的沟通、控制基于区块链技术的自动化智能合约允许分布式能源资源由"集合商"捆绑在一起。智能电表和传感器的广泛应用、物联网（IoT）的应用以及通过人工智能对大量数据进行管理，为系统提供新的服务创造了机会。

数字技术以多种方式支持电力部门的转型，包括更好地监测资产及其业绩；更精细的操作和控制更接近现实时间；实施新的市场设计；以及新业务模式的出现。据估计，全球已经安装了7亿多台智能电表，仅在中国就有4亿台左右。到2025年，全球预计将有750亿台电器通过物联网实现互联互通，为消费者、制造商和公用事业提供商提供丰富的信息。例如，2018年，德国电池解决方案公司Sonnen提供电网服务，并参与了该国的电力平衡市场。电网服务由3万户家庭联网家庭储能系统提供。

创新的4个维度

正如国际可再生能源署的工作所证实的，没有一个单一能改变游戏规则的创新。任何孤立的创新都不可能产生重大影响，而是需要伴随着电力所属部门的创新。国际可再生能源署调查了大量创新的前景，这些创新可促进将高份额间歇性可再生能源融入到电力系统中，确定并集合了30项变革性创新，包括支持技术、业务模型、市场设计和系统操作。

创新的4个维度

支持技术电池储能、需求端管理和数字技术正在改变电力行业，为释放系统灵活性的新应用敞开大门。终端用户部门的电气化正在成为可再生能源的一个新市场，但如果以智慧的方式应用，也可以提供其他灵活需求的方法（第4节进一步阐述）。

商业模式创新的商业模式是使这些技术创造的新价值货币化的关键。在消费者方面，许多创新的商业模式正在出现，同时，创新计划允许在选择有限的地区（如离网或人口稠密地区）提供可再生电力供应。

市场设计使市场设计适应不断变化的模式——转向拥有高间歇性可再生能源份额的低碳电力系统—对于实现价值创造和充足的收入流至关重要。

系统运营随着新技术和健全的市场设计到位，系统运行也需要创新，并且对更高份额的间歇性可再生能源融入电网进行相应。其中包括适应不确定性的创新以及系统集成分布式能源（DER）的创新运营。

创新，以实现经济高效的转型

在过去十年中，创新使可再生能源技术成本大幅下降，太阳能光伏发电成本在2009~2018年间下降了近75%，而陆上风电成本也下降了近25%。因此，可再生能源发电的业务案例在目前非常强劲。从现在起，重点应转向降低这些技术的融入电网的成本。

根据国际可再生能源署的分析，为了在2015~2050年实现深度脱碳的投资水平，应加强电网基础设施、储能和灵活的传统发电建设以实现间歇性可再生能源融入电网，该方面的投资规模与其他可再生能源发电技术所需的总投资规模相似。在与《巴黎协定》目标一致的情景中，假设只完成有限的灵活性，在2015年至2050年期间，这些投资或将高达18万亿美元。

这一预测强调了创新在提高电力系统灵活性方面的重要性。德国汉堡市给出了创新可以降低此类成本的一个例子，在大规模采用电动汽车之后，电网面临瓶颈。在高需求期间（如同时为数千辆电动汽车充电）或紧急负载条件下（例如相邻线路停止使用时）满足所需负载，为需要加固约10000公里的0.4千伏电缆线路。作为替代方案，汉堡斯特罗姆内茨与西门子合作，试图通过使用数字技术测试智能解决方案，减少在同一地区电网上同时充电的电动汽车数量。该解决方案的成本估计为200万欧元，仅为加固电网常规解决方案成本的10%，其中包括安装30个控制单元和私人充电基础设施负载监控设施。

此案例表明，具有实际影响的实际解决方案来自创新的组合。正确的组合和最佳解决方案对于每个国家可能不同，但许多国家都有共同点。将这4个维度的创新相结合所产生的解决方案降低了电力系统成本。国际可再生能源署已详细阐述了11种解决方案，以提高电力系统的灵活性，以说明如何结合创新，从而在针对间歇性可再生能源集成的定制方法中产生效果。

灵活性解决方案

翻译＆编辑Mirakuru＠ERR能研微讯团队