创新技术助力提升未来低碳电力系统的灵活性

本文是日立能源探讨电力系统的灵活性概念及其在低碳世界中扮演重要角色系列文章中的第二篇（共两篇）。同 首篇文章一样，我们邀请了德国亚琛工业大学高压设备与电网、数字化与能源经济研究院教授Albert Moser，日立能源市场创新部门全球负责人Jochen Kreusel，以及日立能源未来电力系统部门负责人Alexandre Oudalov。他们就提升电力系统灵活性的关键技术分享了观点，并描绘了灵活电力系统的未来愿景。

上篇文章指出，随着电力系统愈加依赖于取决于天气状况的可再生能源，间歇性和不确定性已日渐成为我们必须要面对的挑战，而灵活性能够帮助电力系统随时应对这些挑战。管理剩余负荷变得前所未有的重要和复杂，灵活性工具则是帮助有效应对未来清洁电力系统快速波动性的核心手段。

在本文中，我们将更深入地探讨提升灵活性的相关技术和工具，并从四个维度进行介绍：供给端灵活性、需求端灵活性、储能和动态可控电网。先进的数字化技术对于发挥这四个维度的全部潜力和互补性极为重要，并有助于实现更为优化和协调的响应。

供给侧灵活性

在发电侧，太阳能光伏电站和风力发电场等可再生能源发电极具波动性，这使得发电系统不再像以前一样高度可控和可调度。过去，电力供应可以由电站管理人员来决定，但现在供电越来越受到天气条件的影响，而不仅仅是由需求来驱动的。

迄今为止，最大的挑战是管理可再生能源发电的间歇性，以及由电气化带来的日益加剧的需求波动。对于电网运营商而言，供需之间的不平衡给频率的稳定性带来了严峻挑战。在电网拥堵的时候，这一问题尤为突出。

只有借助数字化工具，电网运营商才能有效管理电力输出的波动性，例如在太阳能和风能发电量过剩时减少发电量。但这必须在恰当的时间和地点进行，并结合对相关数据的深入分析来做出明智的决策。

展望未来，基于绿色氢能和氨能等可持续燃料的创新零碳排发电方式，将进一步提升供给侧的灵活性。这些新技术将作为可再生能源发电的备用方式，逐步取代基于化石燃料的备用发电机。新型发电资源有助于提供清洁电力，同时与电池的短期储能互为补充，尤其适用于上篇文章提到的沙尘暴和季风等极端天气期间。

需求侧灵活性

电力系统的灵活性解决方案不仅适用于发电侧，也同样适用于电网。对于配电网而言，拥堵管理可以更好地接入成倍增长的分布式可再生能源（其中大部分是安装在家庭屋顶上的太阳能光伏发电），以及吸收可能同时出现的新型负荷，如电动汽车充电和热泵。

灵活性是电动汽车和热泵的固有特性，因为它们能够将利用电池和隔热水箱进行储能以供后续使用。电动汽车不仅能够灵活充电，在紧急情况下还可以放电，将电力回馈到电网中。实现这一方式的关键是双向充电装置，不论是车载的还是接入电网中的，以及用于高效数据交换和最佳控制的数字连接设备。

需求侧灵活性，特别是在住宅方面，将越来越多地由聚合商管理。这些中间商将大量小型产消者的发电和用电集中起来形成灵活性服务，他们向电力平衡和备用市场以及日前和日内市场提供需求侧响应措施，来实现服务的商业化。

如今，聚合商已经向备用容量市场提供需求侧响应服务，以在意外情况下充当备用杠杆。在欧洲一些规模较大的电力市场中，参与备用市场竞标的资产最低容量已经从传统标准的5兆瓦降低到1兆瓦，以接纳规模更小、更灵活的容量。我们将在未来的电力系统中看到更多类似的服务。

储能

储能在提供短期（从秒到小时）和长期（从数天到数周）灵活性方面，发挥着核心的作用，同时还会帮助管理产消者的负荷和供电。储能能够转移用电需求和发电，这对于构建一个灵活且运作良好的未来电力系统而言至关重要。在一些市场，储能需求由本地提供解决方案，例如通过电动汽车的电池网络或储热水箱。

在传统的电力市场，储能容量主要由抽水蓄能电站提供。这些超大型水库利用电力来驱动水泵，在供电过剩时，将大量下水库的水抽到上水库，然后在用电需求较大时，再将水放出来驱动电机发电。

中国国家能源局正在积极推动抽水蓄能项目的发展，这一举措对于增强电网的灵活性至关重要，特别是可以更好地接入日益增长的风能和光伏发电。根据国家能源局2021年制定的战略规划，中国计划在2025年之前，抽水蓄能投产总规模达到6200万千瓦以上；到2030年，达到1.2亿千瓦左右。这些举措彰显了中国致力于优化可再生能源基础设施和电力系统方面的承诺。

未来，水力发电在提供系统灵活性方面也将继续发挥重要作用。例如在挪威，由自然水补给的水电站水库已成为储能灵活性工具，用来平衡通过跨海电缆连接的来自邻国的间歇性风电。例如， NordLink互联输电线路将德国和挪威电力市场连接起来，实现了太阳能、风能和水电的接入与跨国交换，突显了电网互联对于跨区域共享灵活性资源的重要性，我们将在下一节中继续探讨这个话题。

因此，储能解决方案的当务之急在于电池储能系统（BESS）。锂离子电池是目前主流的电池储能技术。与电动汽车电池相比，固定的、大规模的电网级电池储能系统在可接受的电池技术和能量密度方面提供了更多的灵活性。这种灵活性让供应链的适应性更强，并且为电动汽车电池的二次应用提供了可能。

然而，正如第一篇文章所述，目前的储能技术还没有解决季节性灵活能力不足的问题，而这一领域的突破也将有助于应对恶劣天气带来的挑战。经济上而言，当前的电池应用也比较受限，只能提供几个小时的放电量。

在用电需求较高的寒冷冬季，面对长时间的低风速和日照不足，低碳电力系统将如何应对这些挑战？这也是长期困扰许多专家的挑战之一，目前仍然没有良好的解决方式。

解决长期的能源短缺问题需要技术的支持，来以相对较低的成本储存大量的能量。上述提到的绿氢和绿氨等技术是被业内推荐的一些解决方案，但有限的效率及高额的初始投资成本，是阻碍这些技术广泛应用的主要障碍。

对更可控和更互联电网的需求

我们认为，更加互联和可控的电网在电力系统中扮演着决定性的角色。将储能容量与一个稳健互联的电网相结合，可以构成打造未来低碳、灵活电力系统的关键支柱。因为这可以在最广泛的区域内实现供需的转移。互联地区的气候、地理和时间越多样化，电力系统就变得越灵活。例如，当一个依赖于太阳能光伏的地区的日照少于预期时，它可以从位于遥远沿海地区的海上风电场输入能源来进行补偿。

与相对孤立的市场相比，互联的电力系统在共享灵活性资源方面表现出色。实际上，一个良好互联的电网，可以通过在更广泛的区域内更为有效地分配可再生能源的间歇性，来减少对灵活性措施的需求。增强电力市场的互联互通性成为提高电力系统灵活性最具成本效益的策略。充分互联的电力市场是提高电力系统灵活性的最低成本选择。各种研究表明，孤立的电力系统正面临更高的成本，这是因为其现有的可再生能源发电容量没有得到有效利用，甚至遭到弃用，另外还需要建造额外的储能场所。

欧盟内部电力市场规则规定，到2030年，各成员国的跨境互联水平必须至少达到各国发电能力的15%。除此之外，到2025年底，欧盟电网运营商还必须提供至少70%的跨境容量用于日常电力交易。但是，欧盟能源监管机构合作署（ACER）近日警告称，目前欧洲输电系统运营商（TSOs）仍未能达到这一目标，这可能会给欧洲能源消费者带来价格上涨的风险。

跨市场互联不仅能够更好地进行电力传输，还有助于需求侧的整合，从而更有效地利用过剩的可再生能源发电，满足了对于额外电力的需求。这尤其适用于人口密集地区。例如， 最近加拿大和美国之间的高压直流互联 帮助实现了魁北克省和纽约市大都会区之间的可再生能源传输。

此外，跨市场互联在服务于现货市场的同时，在备用市场中的作用也愈发不容小觑。购买邻国的储备容量，意味着各互联市场之间拥有更强大的能源安全性。互联线路也由此成为备用电力市场的灵活性工具。

在欧盟，有多个重要的互联项目正在进行，这将大幅提高相关国家市场的灵活性 —— 并最终提升整个欧盟内部电力市场的灵活性。例如， 英国和法国之间的电网互联项目将强化双方电网和可再生能源并网。

同样，  西班牙与法国之间的全新海底高压直流互联线路，也会帮助西班牙可再生能源电力向中欧和北欧的输送。

这些项目还凸显了这一现实：提升整个电力系统的灵活性要求电网本身具有更大的灵活性。

传统上，交流电线是通过阻力最小的路径分配电力的，但未来的电力系统却要求将电力传输到新的方向。例如，德国在过去一直是南欧的电力净出口国。但由于地中海沿岸的太阳能和风电容量预计大幅增加，更多的电力将开始从南欧流向北欧。

在不断演进的能源格局中，通过先进的电力电子技术实现动态和灵活的潮流控制将变得越来越重要。 高压直流技术是实现电网现代化的关键技术，在需要时能够有效控制和引导电力的流动，从而优化电力传输，并尽可能地减少可再生能源的弃用。

数字化是推进电力系统灵活性的基础

数字化是所有这些变化的基石，也是我们迈向灵活低碳电力系统的关键推动技术之一。没有高速计算机、信号检测、数据收集和智能算法的使用，以及功能强大的安全通信系统，我们就无法推动能源转型。面对能源市场，数字化为我们提供了更高的准确性、更深入的洞察力，以及更强的控制能力，同时引领能源行业朝着更强的自主性发展。

此外，数字化也是融合未来低碳电力系统所需的所有灵活性技术的粘合剂。数字化技术有助于协调各个部分，例如电池存储、互联线路或需求侧响应工具等，这些技术也将在优化后的电力系统中发挥更大的价值。在向低碳电力系统过渡的各个阶段，我们需要向数字化工具借一臂之力：规划最高效的电力系统，从供需角度预测需求，并实时监控运营情况，来帮助我们更好地应对意外情况。对于输电系统运营商（TSOs）而言，对前沿数字化工具的投资对于尽可能地提升可用灵活性解决方案的效率至关重要。

灵活电力的未来

综上所述，目前，我们已有大量技术来提高低碳电力系统的灵活性。每个市场都有不同的传统和相应的特点，会影响技术的选择，但我们坚信，将多个解决方案组合起来，是构建稳定电力系统的最优选择。就灵活性而言，并没有一种放之四海而皆准的解决方案。

如果将上述所有因素结合起来，灵活的数字电力系统会是什么样子的呢？

事实上，电力系统的灵活性需求和解决方案在全球各地都各不相同，这些是由其地理位置和电力系统规范来决定的。

欧洲正在加大努力来提高电力系统的灵活性，以实现气候目标，加强能源安全和优化电力系统资产的效率。未来几年内，预计这一趋势将在全球得到更广泛的关注。

对于电力市场相对孤立的国家和地区，例如韩国或日本，将储能与强大的微电网相结合，将是其提升灵活性的主要特点。

另外一些表现较为突出的市场，计划在未来几年里完全依赖可再生能源发电，例如沙特的碳中和城市NEOM，其全部供电都将依赖于太阳能光伏和风力发电。NEOM电力系统面临的主要挑战并不是太阳能光伏发电的昼夜间歇性，而是罕见的沙尘暴对太阳能电池板的影响，这样的现象可能持续数天。在太阳能发电产量减少的时段里，需要持续的灵活性解决方案来进行应对，例如长期抽水蓄能、热能储存，以及与更广泛的电网进行互¹。

在电网高度互联的地区，电力系统的灵活性将包含我们在文中探讨的四大要素：需求侧灵活性、供给侧灵活性、储能和可控电网。协调和优化这些多样且地理位置分散的资源是一项复杂的挑战，亟需采用先进的数字化解决方案。随着灵活性在未来能源系统中的角色愈发重要，它也将成为一项重要的、有市场基础的服务，为灵活性供应商提供可观的回报。

最重要的是，电网基础设施需要优先进行调整适应，以应对灵活的数字化电力系统所带来的挑战。