可再生能源時代的電力系統(tǒng)組織結構

:引言：本報告概述了在能源轉型背景下電力系統(tǒng)組織結構（簡稱電力系統(tǒng)結構）的發(fā)展過渡。探討了在能源轉型過渡期電力系統(tǒng)結構與能源系統(tǒng)之間失調的根源。展望新型模式發(fā)展的未來，并對適用于可再生能源系統(tǒng)的創(chuàng)新電力系統(tǒng)結構展開討論。

（來源：微信公眾號“直流建筑聯(lián)盟”ID：DC_building）

電力系統(tǒng)結構，可以是自由市場、中央監(jiān)管系統(tǒng)或兩者的混合形式。其目的是為電力系統(tǒng)運行提供框架，同時實現(xiàn)向終端用戶供電的目標。

一、電力系統(tǒng)的過渡期不是孤立存在的電力系統(tǒng)組織結構的重點是組織，計劃和操作電源系統(tǒng)所需的結構。但是在能源轉型過渡時期，電力系統(tǒng)結構的分析、規(guī)劃和政策制定需要更大的視野。分析需要將電力系統(tǒng)嵌入能源系統(tǒng)、經(jīng)濟、社會和地球中，并在這些系統(tǒng)之間多次交互和反饋。

圖1 電力系統(tǒng)結構的嵌入式

特性受約束的組織結構或分配機制（如市場）可能會錯過系統(tǒng)的互動和反饋，因此需要自由市場加以補充。在一定條件下，自由市場能更有效地優(yōu)化電力系統(tǒng)的經(jīng)濟狀況，而分配機制能更好地解決整體系統(tǒng)需求。因此，每種社會經(jīng)濟背景都應追求市場和監(jiān)管的適當結合，以期實現(xiàn)社會價值最大化。分布式能源（DER）的部署、主動能源的使用、可變可再生能源（VRE）的額外靈活性要求導致當前電力系統(tǒng)結構與新興發(fā)電技術之間存在不兼容性。電力系統(tǒng)結構需要的新組件（例如可再生能源電站，儲能站，需求側資源和增加的部門耦合）和既有結構之間面臨交互挑戰(zhàn)。這是技術驅動的根本挑戰(zhàn)，也是自由化和規(guī)范化的系統(tǒng)都將面臨的挑戰(zhàn)。

圖2 所有電力系統(tǒng)結構共有的過渡挑戰(zhàn)

因為與技術和社會問題息息相關，所以在每個電力系統(tǒng)結構中都面臨著能源轉型的挑戰(zhàn)。過渡期將需要更多的積極參與者和更少的被動能源消耗。參與者之間的協(xié)作、積極的法規(guī)和新的市場規(guī)則是電力系統(tǒng)結構與基于可再生能源的能源系統(tǒng)相匹配的三要素。協(xié)作，監(jiān)管和市場的正確組合將取決于當?shù)氐恼攮h(huán)境，但是可以預料到這三個組件在重新設計電力系統(tǒng)結構中都將發(fā)揮重要作用。

二、當前的批發(fā)電力價格結構不適用于基于可再生能源的電力系統(tǒng)現(xiàn)有的電力系統(tǒng)圍繞集中發(fā)電技術（低成本，不靈活的“基本負載”和高成本，高靈活的“峰值負載”）進行配置，很大程度上可以滿足被動需求。在自由化的系統(tǒng)中，電力批發(fā)市場中的發(fā)電是有償?shù)?，其結算價格與運營支出（OPEX）、機會成本有關。大多數(shù)可再生能源技術的運營成本都非常低，這使得當前基于邊際成本的批發(fā)市場結構不適合基于可再生能源技術的電力系統(tǒng)。而支持可再生能源部署的現(xiàn)行法規(guī)（如上網(wǎng)電價[FiT]，拍賣的購電協(xié)議[PPA]，生產(chǎn)稅收抵免，可再生能源證書等）可以降低可再生能源的機會成本?？稍偕茉吹倪呺H成本低，報酬調節(jié)度寬，具有優(yōu)先使用性。新增的可再生能源發(fā)電降低了電力批發(fā)市場的價格，從而使傳統(tǒng)的熱力發(fā)電機電價下跌，危及它們收回成本的能力。

圖3 批發(fā)市場價格和已調度容量的演變

在批發(fā)電力市場中，特定時段內(nèi)的電價設置為需求曲線和供應曲線的交點。大量低OPEX 、受管制的可再生發(fā)電機在降低電價的同時，也減少高邊際成本發(fā)電機所產(chǎn)的能源量。雖然可再生能源技術的電力成本（LCOE）低于化石燃料技術，但是金融風險溢價將人為地增加可再生能源的LCOE，而電價下跌將阻礙額外的投資。因此，隨著可再生能源發(fā)電的普及，當前的批發(fā)定價機制越來越不適用于由傳統(tǒng)發(fā)電技術和可再生能源相結合的電力系統(tǒng)。

三、電力價值電力的成本，價格和價值常常失調錯位，洞悉失調的根源有助于電力系統(tǒng)結構更好地利用電價變化?？稍偕茉醇夹g的主要目標之一是價格最小化。隨著可再生能源發(fā)電量的增長，單位發(fā)電量在電力系統(tǒng)中的價值隨地點和時間的變化越來越大。

圖4 電力成本，價格和價值（年度平均值示例）

上圖說明了在不同情況和系統(tǒng)結構下運行的可再生能源和化石燃料發(fā)電站的成本、價格和價值之間的不匹配情況。案例2和3分別對應于當前電力系統(tǒng)結構下的可再生能源發(fā)電廠和適用于可再生能源技術的電力系統(tǒng)結構。案例2的成本低于案例3，但其電力系統(tǒng)價值也較低。此外，由于案例2的電力系統(tǒng)結構不適合可再生能源發(fā)電，因此需要更高的附加監(jiān)管費用。在精心設計的電力系統(tǒng)結構中，價格將與成本以及電力系統(tǒng)的整體價值保持一致，其附加的社會價值是對社會平衡起到積極的作用。

四、未來展望電力系統(tǒng)的發(fā)展將從較少參與者向供需雙方眾多參與者轉變，將從基于化石燃料的集中式單向電力系統(tǒng)向基于可再生能源的分散式、雙向電力系統(tǒng)轉變。

圖5 電源系統(tǒng)結構更新對能量轉換的影響

必須重新設計電力系統(tǒng)結構以適應新能源應用的增長，僅對當前的電力系統(tǒng)結構進行修復會造成功能配置的失調，也會阻礙能量轉換過程。新的電力系統(tǒng)結構應結合地區(qū)情況，爭取在競爭與監(jiān)管之間取得適當?shù)钠胶猓畲蟪潭鹊靥岣呃嫦嚓P者之間的協(xié)作。競爭，監(jiān)管和協(xié)作之間的適當平衡可以克服自由化和受監(jiān)管的電力系統(tǒng)的弊端，同時釋放其變革潛力和發(fā)揮協(xié)同作用。

圖6 爭取競爭，監(jiān)管和協(xié)作之間的適當平衡是成功實現(xiàn)能源轉型的關鍵

五、未來模式：雙重市場提案在雙重市場設計中，傳統(tǒng)的電力批發(fā)市場分為兩個互補市場：能源市場和交付市場。拍賣成為能源市場的支柱，能源市場和輸電市場都應設計為發(fā)出時間和位置價格信號，使得市場與輸配電網(wǎng)協(xié)同最大化，降低電力系統(tǒng)的總成本。

表1 雙重市場體系下的能源和交付市場的特征

雙重市場中所有參與者共享適當?shù)膬r格信號，增強對系統(tǒng)運作的參與度。用戶盡可能地調整他們對能源市場的需求，并在需要時以更高的價格從輸電市場購買能源。而且，通過對DER室外匯總，個體發(fā)電者可以參與這兩個市場，依照對系統(tǒng)運行的貢獻而獲得合理的報酬。但這要求交付市場具有足夠的響應能力，以實現(xiàn)包括儲能，需求側響應和扇區(qū)耦合在內(nèi)的整個靈活性資源陣列，依照各系統(tǒng)的配置，加入其它市場進行補充。

總結：能源轉型的來臨，改變了電力的生產(chǎn)、運輸和消費方式。重塑電力系統(tǒng)結構，充分利用可再生能源，是加深加快能源轉型的重要條件。但是僅僅對資源和技術進行調整不足以滿足整個轉型過渡期的發(fā)展要求，使用必要經(jīng)濟手段的組合以及對新型模式轉換的探討至關重要。

原標題:可再生能源時代的電力系統(tǒng)組織結構