电力系统的灵活性——能源转型的关键驱动力

灵活性是未来低碳电力系统的核心要素

在本期《视点》文章中，德国亚琛工业大学（RWTH Aachen University）高压设备与电网、数字化与能源经济研究院教授Albert Moser，日立能源市场创新全球负责人 Jochen Kreusel，以及日立能源未来电力系统负责人 Alexandre Oudalov，共同探讨了电力系统 灵活性 这一关键话题。

在讨论未来电力系统的形态时，“灵活性”是其中的一个热门词汇。但“灵活性”究竟代表着什么？为什么我们说它是向低碳经济转型的关键？实现灵活性又会带来哪些挑战？本文将深入探讨电力系统灵活性的定义，并阐述灵活性将如何塑造碳中和电力系统。

灵活性定义

我们对电力系统灵活性的确切定义进行了大量研究，结果发现有多种不同的解释，这让我们更想深入地研究这一话题。我们认为，灵活性是电力系统随时应对波动性和不确定性的能力。

灵活性是电力系统运营管理的关键，可以在正常运行或大概率扰动情况下，始终确保足够的供电安全性。灵活性解决方案能够在各种时间尺度上（从毫秒到数年不等）做出响应，并涵盖电力系统的稳定性、可靠性和充裕性。

衡量灵活性

随着灵活性变得日益重要，我们该如何衡量以鉴别潜在的不足和预测未来的灵活性需求呢？我们认为，量化电力系统灵活性最简单方法，就是确定该系统在发生变化后重建供需平衡的有效性。在可再生能源供应短缺或过剩时，电力系统的灵活容量能够以多快的速度进行相应调节？同样重要的是，要评估电力系统能否经济且快速地解决短期和长期的供需不平衡问题，以及能否在极端情况下满足最高的峰值需求。

剩余负荷调控挑战

在定义灵活性时，了解经常提到的剩余负荷概念也很重要。在过去，一天之中的电力需求很大程度上是可预测的，但随着波动性较大的可再生能源（特别是太阳能光伏）装机容量的快速增长，电力需求峰值和发电峰值之间的不匹配情况加剧。剩余负荷，或净负荷，指的是电网总需求与可再生能源发电之差。当前，剩余负荷的管理变得愈加重要，因为它的爬坡率（或变化率）非常快。因此，灵活性资源对于尽可能地减少清洁电力弃用至关重要。

在德国电力市场，剩余负荷的变化尤为明显。德国的太阳能光伏装机容量从2008年的约6.1吉瓦 （GW）增加到2022年的超过67.5 GW，增幅达到十倍。德国政府计划，到2030年，太阳能光伏装机容量将达到215 GW，这表明可再生能源对德国市场的影响将继续加深。其结果是， 德国的剩余负荷曲线从典型的“鸭子”曲线演变为“峡谷”曲线，突显了市场当前对电力爬坡服务的需求。

历史上的灵活性

当前的讨论可能会让你认为，灵活性是电力系统中的一个新话题，但实际上并不是这样。过去，电力系统灵活性由大型发电厂提供，它们通过燃烧更多或更少的燃料（主要是天然气或煤炭）来增加或减少发电。现在，大型发电厂仍然在提供一定的灵活性。

即便在欧洲大陆这样庞大的电力系统中，也只有数百家灵活性服务提供商。在可预测和稳定的电力需求模式下，他们的服务相对简单直接，即电力是按照预期的需求准确购买的。而像现在愈发常见的、因供应过剩导致的负电价，在过去是闻所未闻的。在过去的电力系统中，灵活性更像是集中的、高度可调度的发电设备的副产品。

天气的影响

现在，灵活性正成为碳中和经济中必不可少的新型电力系统的核心。除了剩余负荷的影响之外，对可再生能源发电的日益依赖，也迫使电力系统更加受制于天气条件的影响。意料外的无风天气和比预期日照更强烈的天气，都会对电网的平衡需求产生巨大影响。

各地区的天气模式对世界各地的电力市场构成了相应的挑战。例如在中东地区，沙尘暴可能会连续数天对太阳能光伏发电造成破坏性影响。同样，欧洲也会经历缺乏光照和风力的“Dunkelflaute”天气，从而导致可再生能源发电减少，并且这种天气通常发生在冬季用电高峰期。此外在一些亚洲国家，阴云密布的季风天气也会导致太阳能光伏发电的长期中断。

同样，一些区域的天气条件可能会导致可再生能源的供大于求。而过剩就可能导致大规模绿色电力的弃用，这与全球追求净零排放的努力背道而驰。当电力系统未能或仅采取有限的灵活性措施时，这种现象尤为严重；随着全球可再生能源装机容量的不断增加，灵活性工具在防止绿色电力弃用方面变得越来越重要。

在日本、爱尔兰等国家以及美国加州地区，我们注意到，可再生能源占比的增加与弃用量之间存在密切的关系。

灵活性的四个维度

我们认为有四个维度是应对未来碳中和能源系统日益增长的波动性与不确定性的关键：供给侧灵活性、需求侧灵活性、储能以及主动输配电网。数字化技术在提高电力系统灵活性方面发挥着关键作用，是确保这四个领域发挥最大潜力的催化剂。数字化技术可以跨越不同的时间尺度和地理位置，利用互联的资源尽可能提升效率和适用性。

在未来电力系统中，应对波动性和不确定性的必要性日渐增长。这一需求是由当前能源转型推动的：这一进程中将接入更多依赖天气的可再生能源以实现发电的低碳化。我们需要利用已有和新兴的灵活性工具来应对供需之间的波动性。

在接下来的第二篇文章中 ，我们将更加深入地探讨相应的技术领域，以及各种技术如何为构建更灵活的电力系统做出贡献。