2022德国和欧洲电力系统充裕度评估及对中国的经验和借鉴意义.pdf

分析报告 德国和欧洲电力系统充裕度评估及德国和欧洲电力系统充裕度评估及对中国的经验对中国的经验和和借鉴借鉴意义意义中德能源转型研究项目 3 目录目录 1 1 引言：报告的目的、定义和研究问题引言：报告的目的、定义和研究问题 .6 6 2 2 德国容量充裕度量化方法德国容量充裕度量化方法 .7 7 2.1 流程、职责和定义的背景.7 2.2 相关定量方法.7 2.2.1 德国输电系统运营商对国家电力平衡的测算方法.8 2.2.2 欧洲输电系统运营商网络（ENTSO-E）采用的资源充裕度评估方法.9 2.2.3 2015-2021 年德国联邦经济与能源部的供电安全监测.11 2.2.4 德国联邦网络管理局（BNetzA）自 2021 年起的供电安全监测.18 2.2.5 确定德国容量备用的规模.21 3 3 电网和系统充裕度的定量方法：德国电网发展计划（电网和系统充裕度的定量方法：德国电网发展计划（NEPNEP）中的方法）中的方法 .2222 3.1 流程和责任的相关背景.22 3.2 电网发展计划中的容量充裕度.23 4 4 德国所使用方法的比较德国所使用方法的比较 .2424 5 5 德国电力系统评估的新兴发展德国电力系统评估的新兴发展 .2929 5.1 燃煤电厂和核电厂逐步淘汰引起的预期变化.29 5.2 是否有其他可能或者必要的变化？.31 6 6 结论及对中国的实际意义结论及对中国的实际意义 .3333 采访合作伙伴及参加相关大会、利益相关者会议等采访合作伙伴及参加相关大会、利益相关者会议等 .3636 缩写缩写 .3737 图列表图列表 .3838 表列表表列表 .3939 参考文献参考文献 .4040 4 政策制定者和规划者早就认识到评估容量充裕度在维持电力系统可靠性方面所发挥的关键作用，而后者反过来对于保证经济平稳运行、并为全球持续开展低碳能源转型提供社会支持也起到至关重要的作用。风能和太阳能的规模化发展对电力系统规划提出了新的挑战。虽然，一些国家已经证明高比例波动性可再生能源系统与可靠的电力供应可以相互兼容，但它们确实带来了更多的不确定性，因此评估和规划过程也变得更为复杂。此外，规划者还不得不在电动汽车充电和需求侧灵活性等领域纳入新的实践。2021 年，中国多个省份出现拉闸限电和电力短缺现象。虽然停电原因多种多样，但 2021 年 9 月和 10 月的停电主要与市场因素有关，即由高煤价与燃煤电厂发电的固定价格之间的不匹配造成。这导致了许多燃煤电厂实物燃料短缺并不得不以低容量系数运行。虽然这一事件似乎主要与市场设计有关，而非由于系统充裕度规划原因所致，但任何电力短缺或断电现象都不可避免地提高了对供应侧提供更可靠容量的要求。中国政府也确实不仅仅通过提高电价、限制煤矿利润来应对短缺，而且制定了旨在提高燃煤电厂产能的新规定。旧的、效率较低的燃煤电厂退役后应进入储备状态，政府将要求煤电公司以至少与往年一样高的价格运营电厂。政府文件中对能源安全，尤其是供应安全，的重视程度与日俱增，这可能会导致新燃煤发电能力建设提速，以满足高峰负荷。本报告的目的是解释和说明德国和欧洲如何调整其系统评估和规划流程，以确保传统燃煤电厂和核电厂容量的退役与可靠性和能源安全目标完美相容。毕竟，德国拥有世界上最为可靠的电力系统最新的 2030 年系统充裕度研究表明，即便德国即将于本年代末逐步淘汰其最后剩余的核电站和大部分煤电产能，德国该年度电力不足概率 (LoLP)也比该国当前标准安全 20 倍。1然而，由于该分析是基于德国过去政策目标所做的假设，这些目标与此同时已发生诸多变化，因此未来更新的容量充裕度评估可能会得出略有不同的结果。德 国 也 经 历 了 被 称 为“黑 暗 低 谷 期”(dark doldrums)的时期即在秋冬两季，风速下降，太阳能发电量也随之下降的时期。事实上，德国风能和太阳能的季节性低迷远比中国更为明显。中国的冬季阳光更加稳定，风能出力通常在较冷的月份达到峰值。鉴于欧洲和德国的可再生能源已在其电力生产中占据相当大的份额，将天气不确定性纳入容量充裕度评估已成为关键一环。上述工作应与对传统电厂、输电线路和化石燃料供应的短期中断、以及对气候事件或汽车电气化可能引发的长期需求增长的不确定性建模一起进行。另外，对不确定性的现实水平的建模也非常重要，建模所采用的方法不应使规划结果偏向于安装成本更高的发电和储能，而是应该优先考虑在输电、跨境电力交易和需求侧灵活性方面相对具有更佳成本效益的投资。2正如我们在本报告中所展示的那样，尽管仍处于早期阶段，但欧洲的容量充裕度评估方法中已经开始更多的将这些因素纳入考量。最近对其他市场的几项研究表明，随着越来越多的储能容量的上线，适度数量的储能主要是短期储能，如 4 小时储能容量在确保充分利用每兆瓦风能或太阳能容量以满足峰值负荷方面将发挥巨大作用。3 最后，虽然本报告侧重于欧洲和德国系统充裕度评估的技术方面，但这里讨论的概念不仅与技术专家有关，也与政策制定者有关。电力系统的规划与评估不仅存在于技术报告领域，也存在于公共政策领域。对于政策制定者来说，此类评估方法可以用于设定高水平的可再生能源或碳目标时。当出现停电或电力短缺情况时，有关专家和政策制定者可编辑寄语编辑寄语 5 以利用这些分析结果，对诸如建立“更可靠的基荷能源”这样的简单化处理，或强制“所有可再生能源配备成本高昂的用户驻地储能设施”之类的一刀切做法予以直接回绝。正确的评估不仅有助于维护正常运转，而且有助于就可再生能源在能源转型中的作用和价值进行更富有成果的公开讨论。因此，规划者和政策制定者应努力使这一过程对更广泛的受众开放，并为其所理解，即便其对数据的要求和方法学会变得越来越复杂化。本报告概述了德国当前和预期中未来电力系统的规划和评估实践，并分析了过去十年德国相关电力系统规划机构发表的各种出版物中所使用的方法。这些机构包括：德国输电系统运营商、联邦经济和气候行动部（2021 年底前为经济事务与能源部）和德国联邦网络管理局。此外，报告还介绍了欧洲输电系统运营商网络(ENTSO-E)在欧洲层面相关评估中所采用的方法。两者的结论和基础方法都被用于德国的评估和方法论的开发中。正如报告所示，德国所开发和应用的方法具有一些共性，特别是在从确定性计算转向天气和其他事件的概率评估，以及扩大分析的地理范围方面。这些方法也似乎随着时间的推移而趋于一致。当前的争论表明，有必要将迄今为止主要由输电系统运营商（TSO）提供的电网和系统充裕度评估纳入整体容量评估当中。这一发展也证实了我们的预想，即淘汰煤电将使德国纳入更多的容量和电网充裕度评估。本报告是研究欧盟电力系统规划和评估实践的众多报告之一，这些实践对中国和其他国家向低碳能源系统转型具有一定意义。中欧能源合作平台(ECECP)于 2021 年 11 月发布的ENTSO-e中国电网规划建模展示報告阐述了单条输电线路的规划方法，并在中国选出一些潜在的新输电线路应用该方法。4 中欧能源合作平台的报告主要着眼于输电规划，而本报告侧重于更广泛的容量充裕度问题但鉴于输电在确保互连互通区域内容量充裕度方面所起的作用，这两者显然是有关联的。两份报告在某些方面具有互补性，可以一并阅读。我们希望这项研究能够帮助中国和其他地方的政策制定者了解德国和欧洲在系统充裕度规划方面的持续演变，以及它们是如何朝着对低碳能源转型做出积极贡献的方向发展的。我们相信，在中国建设以新能源为主体的电力系统的进程中，分享系统充裕度方面的经验和方法对各方都有启发，不仅有助于我们确保可靠的电力供应，也有助于政策制定者和公众预想如何才能建立一个清洁、可靠和具有成本效益的未来能源系统。此致，科琳娜博林蒂纳努 德国能源署（dena）中德能源转型研究项目主任 侯安德 德国国际合作机构（GIZ）中德能源转型项目主任 6 供应安全包括两个方面：发电容量充裕度；电网和系统充裕度。5 关于容量充裕度，调查研究了电力市场在特定时期内是否以及如何才能达到供需平衡。这种平衡可以通过对一个国家或一组国家的电力市场进行建模来决定。6 为保持一致性，本报告使用“容量充裕度”一词，作为发电充裕度和资源充裕度的同义词，虽然引用报告的作者会使用其他术语表达相同的概念。电网和系统充裕度涉及电网的稳定运行。电网规划和运营中的一项重要基本原则被称为 n-1 安全供电原则。该原则指出，如果单个发电机组或灵活性措施失灵，则电网技术参数（例如电流、电压或频率）必须保持在一定的容差范围内。7 本报告篇章架构如下：第 2 节讨论了容量充裕度的分析方法，并在 第 2.2.2、2.2.4 和第 3节中探讨了电网和系统充裕度问题。第 4 节通过一个长格式表比较了前几节中讨论的所有方法，指出了它们的异同、优势和劣势。第 5 节概述了因德国逐步淘汰煤电和核能，预计将发生的容量充裕度评估方法上的变化。鉴于正在进行的低碳能源转型，本节还讨论了对当前方法进行其他更改的可能性或必要性。本报告回答了以下主要问题：德国是如何定义供电安全、容量充裕度以及电网和系统充裕度的？在德国，容量充裕度的估算和计算过程中涉及哪些主要参与者？他们承担哪些责任？德国系统规划者如何估算发电容量、互连容量和系统灵活性（需求响应、储能、发电厂爬坡率）是否足以满足在 1 到 10 年间任何相关时段内该年所有小时的系统负荷？德国规划者如何将电网灵活性、发电厂灵活化和需求侧灵活性等系统要素纳入容量评估中？德国使用哪些量化指标，例如：等效带负荷能力(ELCC)？在评估较长时期内的系统充裕度时，相较于传统火力（煤及核能）电源相比，系统规划者如何定量评估不同形式电源（如波动性可再生能源（RE）、波动性可再生能源和储能结合（混合）、独立储能、分布式储能等）？如何确定德国的备用容量大小？如何对电厂进行补偿？参与的电厂类型以及未来十年将如何变化？随着德国越来越多煤电和核电站退役，未来十年这些计算和估值将发生何种变化？德国电力系统评估方法应作出哪些必要的改变？1 1 引言：报告的目的、定义和研究问题引言：报告的目的、定义和研究问题 本报告旨在诠释当前和未来德国电力系统评估中所采用的量化方法。这种评估最重要的目的是在保证供电安全的同时，建立一个能满足经济和生态要求的电力系统。7 2.12.1 流程、职责和定义流程、职责和定义的的背景背景 德国的输电系统运营商、联邦经济和气候行动部及联邦网络局都采用了相似的容量充裕度定义。由 Consentec 和 r2b 能源咨询公司编写的 2015 年德国联邦经济和能源部报告将容量充裕度描述为“电力供应系统中电力平衡的一种长期安全性，特别是可以在任意时间点为电力市场的供需平衡提供足够可用的发电容量。”82020 年发布的最新版输电系统运营商电力平衡报告建议，可通过计算因负荷减少的可靠可用容量与需求侧管理(DSM)潜力之间的差值来评估容量充裕水平。9 如第 2 节中所述，不同机构为容量充裕度建模及确定容量充裕度水平所采用的基础方法并不相同。目前德国围绕容量充裕度评估和建模的相关讨论主要集中在以下三个问题上：模型是否、以及如何更好地整合/考虑概率分析的相关元素？如何在模型中更好地整合/考虑灵活性措施，例如需求侧管理、跨境电力交换以及天然气和电力部门的连接等？模型如何更好地整合电网和系统充裕度？电力系统建模理论对以下内容进行了基本区分：概率方法（probabilistic approaches），即根据各种发电-负荷情况的相互作用和可能同时发生的情况，对容量充裕度作出基于概率的说明；以及 确定性方法（deterministic approaches），明确定义的各种情况被认为是彼此独立的，不考虑它们发生的概率。10 概率方法的首要目的是更好地整合不确定性，例如波动性可再生能源发电以及发电厂或输电线路的停运等。概率方法还旨在将灵活性更好地整合到容量充裕度模型当中去。由于德国缺乏一个可囊括众多灵活性措施（如柔性负荷）的适当法律框架，因此德国目前基于概率法的方法忽视了柔性负荷和部门耦合的影响和作用。下一节中我们将详细介绍德国的输电系统运营商、联邦经济和气候行动部和联邦网络局当前采用的方法。2.22.2 相关定量方法相关定量方法 德国输电系统运营商对国家电力平衡的测算方法从 2011 年到 2015 年，根据相关法律要求，德国的输电系统运营商需承担一项编撰有关德国供电安全联合报告的义务。目前，这些输电系统运营商仍在继续定期编写上述联合报告。输电系统运营商将他们运用的方法学称为“国家电力平衡方法”。直至 2015 年，德国并未就供电安全报告中所用的方法学制定任何法律规则。输电系统运营商的分析是一种基于包含与发电机组可用性和负荷变化相关的概率元素的确定性方法。而这些又基于历史和预测数据。输电系统运营商在后来的报告中继续采用这种方法。该方法借鉴了欧洲输电系统运营商网络及其前身所应用和进一步完善的方法。11然而，德国输电系统运营商仅侧重国内的发电机组和负荷，包括在技术上分配给德国电力系统的所有机组，并没有考虑欧洲内部市场的影响。此外，它们仅依据历史数据和预测来调查过去和未来特定时间点的具体供电情况，而非可能或可预想到的情况。德国输电系统运营商 2020 年发布的最新报告对 2018 年的情况进行了回顾，并对 2019-2022年情况进行了预测。输电系统运营商每年会选定一个参考日进行调查：2 2 德国容量充裕度量化方法德国容量充裕度量化方法 8 2018 年：2018 年 2 月 28 日晚上 7 点（参考情景基于历史数据）；2019 年：12 月的第三个星期三晚上 7 点（参考情景基于历史数据）；2020-2022 年：1 月 的 第 三 个 星 期 三 晚 上 7:00（基于预测的未来情景）。12 该报告基于两种情景分析了 2020 年至 2022年的发展情况：即逐步淘汰和不逐步淘汰煤电两种情景。根据 2020 年 1 月通过的逐步淘汰煤炭法草案，逐步淘汰情景考虑了 2022 年前关停相关（燃煤）电厂的情形。逐步淘汰煤炭法草案13预计，2038 年前将逐步淘汰煤电。法案于 2020年 7 月成为法律。相应地，参考情景可以和未来可能的发展进行比较，其中包括了最坏情形即：虽然逐步淘汰煤电的计划已经做好，但在输电系统运营商发布报告时尚未正式执行。2.2.1 2.2.1 德国输电系统运营商对国家电力平德国输电系统运营商对国家电力平衡的测算方法衡的测算方法 定量指标定量指标 图 1 展示了德国输电系统运营商使用的电力平衡估算方法。一般流程包含了几个步骤，这些步骤计算每年的主要模型指标并考虑不同的情景：1.可靠可用容量，即从总装机容量（净发电量）中扣除各种不可用要素（不可用容量）。不可用容量是指未用于覆盖因大修、与燃料或天气有关的停机（不可利用容量）、其他计划外停机以及辅助服务（系统服务储备）而产生的负荷的容量。2.计算德国境内可能发生 的最高负荷（高峰负荷）。3.计算负荷减少的潜力（电力需求侧管理潜力）。4.计算剩余容量（或边际容量）。即在年度峰值负荷下，可靠可用容量和因电力需求侧管理潜力而减少的负荷间的差值。输电系统运营商的分析表明，系统容量充裕度取决于剩余容量（或边际容量）的大小。如果边际容量值为正，这意味着有足够的发电容量来满足负荷，并且在所考虑的情景中可以输出剩余出力。如果该值为负，则表明负荷超过了可靠可用容量，并且，在非灵活负荷的情况下，输电系统运营商考虑的情景中还存在一定的进口依存度。14 9 图 1 德国输电系统运营商的电力平衡估算方法 资料来源：Consentec,r2b 能源咨询公司（2015 年）15。不同电源的定量值及其他假设不同电源的定量值及其他假设 在计算可靠可用容量、峰值负荷和需求侧管理潜力时，分析研究了概率性参数。这些参数通过模拟峰值负荷、可再生能源发电和热电厂平均可用率的历史和预测数据以及抽水蓄能电厂的容量预测得到。但是，使用这种方法，输电系统运营商并未就单项技术分配任何具体的容量值，因为这一数值会随着所考虑的时间点不同而发生变化。输电系统运营商在分析生物质和沼气发电厂的可用容量时只将在至少 99%的情况下可用的容量纳入考量。关于传统电厂的可用性，输电系统运营商假设在达到年度峰值负荷时会发生计划外停机，供电安全水平（停电的累积概率）为 95%。16 2.2.22.2.2 欧 洲 输 电 系 统 运 营 商 网 络欧 洲 输 电 系 统 运 营 商 网 络（ENTSOENTSO-E E）采用的资源充裕度）采用的资源充裕度评估方法评估方法 2014 年 10 月，欧 洲 输电 系统 运营 商网 络（ENTSO-E）发布了更新的资源充裕度评估方法。17 欧洲输电系统运营商网络决定逐步摒弃确定性方法，改用概率方法，以更好地对系统波动性和不确定性以及随机效应建模主要是可再生能源发电、强迫停机和天气条件。欧洲输电系统运营商网络不推荐开展具体国家的评估，而是主张开展涵盖欧洲大部分地区的评估，以作为对本地或国家视角的补充。因此，调查应该涵盖若干输电容量有限的互连互通区域。这样可以对跨境电力的输入和输出进行更好、更系统的分析。因此，欧洲输电系统运营商网络的新方法考虑了发电侧（可用发电）、需求侧和电网侧，包括通过互连线路进行的跨境电力交易。这与德国输电系统运营商采用的方法不同，后者忽略了跨境电力交易。图 2 以简化结构图的形式展示了 2020 年中期充 裕 度 预 测（Mid-term Adequacy Forecast,10 MAF）中所采用的欧洲输电系统运营商网络方法的要素。2020 年中期充裕度预测标志着开始落实欧洲资源充裕度评估（ERAA），即泛欧洲区域内对电力系统资源充裕度进行的新型监测评估18 图 2 2020 年中期充裕度预测中采用的欧洲输电系统运营商网络方法的要素 来源：欧洲输电系统运营商网络（ENTSO-E）（2020）19。此 种 方 法 的 主 要 部 分 是 使 用 蒙 特 卡 罗（Monte Carlo,MC）模拟，按照时间顺序对整个互连互通线路系统进行每小时模拟。根据欧洲输电 系 统 运 营 商 网 络（ENTSO-E）网 站 的 内 容，“蒙特卡罗方法的核心理念是使用随机的输入变量样本或输入值，探索一种复杂的系统或过程在多种可能的未来电网状态下的行为。”20在此模拟中，将针对每一时间点（小时），使用一种优化程序尝试满足每一区域的预计负荷需求根据优先次序使用本区域内以及其他区域的可用发电量，并适当考虑互连线路的限制。21为此，建模者会获取一系列描述系统的时间点，它们被称为蒙特卡罗样本。在这些样本中，随机输入变量（可再生能源发电馈入、负荷、发电机组强制停机和互连线路）在特定的年份彼此组合，以实现最优结果。通过基于不同气候条件的模拟确定可再生能源供电量。22在 2020年中期充裕度预测中，目标年份包括 2025 年和2030 年。23 这种方法可评估随机效应，例如恶劣的天气条件及其持续时间和对可再生能源产出的影响，以及在这种极端天气持续期内不同的负荷情况。24图 3以图形展示了该程序。储能储能可用发电量可用发电量需求需求确定性预测确定性预测欧洲输电系统运营商网络的情景计划内停机确定性预测确定性预测欧洲输电系统运营商网络的情景不确定性：不确定性：风能发电太阳能发电水力发电强迫停机不确定性：不确定性：温度电网基础设施充足不足可用发电量可用发电量负荷负荷11 图 3 特定目标年份的蒙特卡洛模拟原则 来源：欧洲输电系统运营商网络（ENTSO-E）（2020）25。定量指标定量指标 欧洲输电系统运营商网络（ENTSO-E）模型对各种天气条件和电厂可用性条件下的大量年度每小时模拟进行了分析，评估了与不同指标相关的结果。这些指标反映了容量充裕度的概率性特征。其中包括以下主要指标：负 荷 期 望 损 失（Loss of load expectancy,LoLE）代表每年可用发电量无法满足负荷的预期小时数。以每年的小时数为单位计量。26 电 力 不 足 概 率（Loss of load probability,LoLP）与负荷期望损失类似，但以百分比为单位计量或者没有任何单位。27它代表的是特定期限内（周、月或年）负荷超过可用发电量的概率。电力不足概率（LoLP）也是负荷峰值期发生电量不足期望值（EENS）（见下文）的概率。例如，如果在特定年份内，有一周时间的发电量不足，则按周计算的电力不足概率等于 1/52。28电力不足概率也可以每小时或每日为单位计算。29 电 量 不 足 期 望 值（Expected energy not served,EENS）或者电量损失预期（Loss of energy expectation,LoEE）指因发电量不足而无法满足的年度负荷。以吉瓦时为单位计量。30 不同电源的定量值及其他假设不同电源的定量值及其他假设 欧洲输电系统运营商网络（ENTSO-E）的资源充裕度评估方法基于很多不同年份的天气条件，计算可再生能源发电量。此程序可以尽可能多的体现各种不同可设想的天气条件。例如，2020 年中期充裕度预测将 3 年的历史天气数据考虑在内，为可再生能源发电量和电力需求建模。31但是，此种方法并没有就单项技术分配具体的容量值，因为所考虑的时间点不同，容量值会因不同的天气条件或发电厂的停机或电网瓶颈而发生变化。2.2.3 2.2.3 20152015-20212021 年德国联邦经济与能源年德国联邦经济与能源部的供电安全监测部的供电安全监测 2015 和 2019 年，德国联邦经济与能源部委托了两份旨在开发容量充裕度方法的报告。32这些分析成为德国联邦经济与能源部监测及报告供电安全的依据。2021 年 4 月，德国联邦经济与能源部基于之前所开发的方法，发布了最后一份容量充裕度报告。33如前文所述，2021 年 1 月，德国联邦网络12 管理局（BNetzA）接管了监督德国供电安全的责任。上述两份报告都是在 2014 年引入的欧洲输电系统运营商网络方法基础上的扩展，方法描述见前文章节。因此，德国联邦经济与能源部（BMWi）和德国联邦网络管理局（BNetzA）摒弃了德国输电系统运营商所采用的电力平衡方法。德国联邦经济与能源部报告在方法层面上最重要的事项和发现将在下文章节中描述。容量充裕度的跨国评估容量充裕度的跨国评估 所谓的容量充裕度的跨国评估就源自于这两项研究中的第一项（Consentec，r2b，2015）。34它是基于概率性和跨境方法，与欧洲输电系统运营商网络（ENTSO-E）的方法类似。它考虑了系统要素的随机特征以及跨境电力交易（输入/输出）的影响和输电限制。报告囊括德国及其地理和电力邻国。图 4 Consentec 和 r2b 研究中的德国及其电力邻国（2015 年）来源：Consentec，r2b（2015 年）。35 11剩余负荷：剩余负荷：每小时电力需求和再生能源发电之间的差距 分析使用的数据与 2014 年欧洲输电系统运营商网络（ENTSO-E）36情景展望和充裕度预测中的最佳预测情景（情景 B）相同，使用的数据涉及可再生能源装机容量的发展、峰值负荷、传统电厂以及进一步中央监管参数的确定方面。37评估的主要目标和结果是确定使用所考虑地理范围内的可用容量全面满足负荷（LBP）的概率。为了评估负荷平衡可能性（LBP），研究采用了基于计算机的随机和时间耦合模拟。此项模拟主要包括对各种发电及负荷情景的效应进行建模，以测试传统发电或者其他电力来源（例如需求侧管理、储能、输入或者其他容量）能否以及如何满足剩余负荷。此项模拟基于单项输入变量值会随时间变化的假设，例如因天气条件变化、电厂停机或者输电瓶颈等而引起的变化。模型的进一步优化包括抽水蓄能系统的跨时期（时间耦合）约束：有限的水库、泵容量、自然流入量的时间分布及其可能对满足负荷做出的贡献。38 评估确定了不同参数的数值以及负荷平衡可能性（LBP），不仅针对德国，也针对其邻国。因此，研究也可以确定电力输入在多大程度上是必要和可能的。39研究为三个不同预测年份制定了情景和结果：2015、2020 和 2025。定量指标定量指标 图 5 以示意图的形式展示了 Consentec 和 r2b在容量充裕度的跨国评估中所使用的方法。一般流程包含几个主要步骤，在此过程中，建模者会计算主要的模型指标：1.第 1 步包括提出假设（发电和负荷情景）和中央监管参数。2.基于第 1 步，建模者设计了三种时间序列，在每个预测年份（2015、2020 和 2025 年）内，对每个国家的剩余负荷1和可再生能源发电馈入进行每小时模拟。针对每个国家，建模者使用13 源自 2010、2011 和 2012 基准年份的历史负荷和天气数据，以计算负荷和波动性可再生能源产出之间的区域性和基于时间的相关性。3.在第 3 步，建模者基于与传统电厂可用性相关的假设，针对每一预测年份，设定了 333 个随机性停机情景。每一情景都包括每一电厂的每小时产量，考虑典型的停机率，以确定电厂的每小时可用性。4.在第 4 步，建模者将每一预测年份剩余负荷的三种时间序列（第 2 步）和每一预测年份的333 个停机情景（第 3 步）整合成了每一预测年份的 999 个供应情景。之前的分析表明这一数量是足够的。5.在第 5 步，建模者使用供应情景作为输入数据，进行跨境供需匹配模拟。模拟针对所有 999 个情景，研究了是否可在任何时间满足负荷需求，其中考虑了如互连线路限制等至关重要的技术监管条件。6.最后，建模者基于到目前为止的结果，计算了所研究的每一预测年份和国家的负荷平衡可能性（LBP）。40 负荷平衡可能性（LBP）描述了，可用容量能够在特定时间点满足负荷的可能性。这种可能性被定义为负荷中不具备价格弹性的短期负荷部分。应该能够通过可用发电量、可用需求侧管理或者欧洲电力市场上可用的发电容量，满足负荷需求，无需采取任何进一步措施。图 5 容量充裕度跨国评估方法概述 来源：Consentc，r2b 能源咨询（2015 年），第 14 页41。分析结果表明考虑到跨境电力交易，尤其是区域内的组合效应，德国及其地理和电力邻国的负荷和发电量在任何时刻都非常有可能达到平衡。负荷平衡可能性（LBP）极高，到 2025 年几乎达到100%。实际上，一个技术系统永远不可能完全达到 100%的可能性，因为总有可能出现超出模拟范围的极端情况或者没有想到过的情况。任何情况下，研究都确认了跨国电力交易的益处以及对系统充裕度进行跨国监测的必要性，“不论未来容量的实际发展如何”。42 发电和需求/负荷的情景每一国家剩余负荷的时间序列传统电厂容量停止供应所考虑地理范围内的供应/需求跨境供需匹配的模拟（1年的封闭式线性优化，以每小时为间隔，考虑水力发电厂的时间耦合限制以及互连线路限制）对匹配以下每一项供需的能力进行评估1.情景2.小时和3.国家每一国家的负荷平衡可能性m个历史基准年份备用容量传统电厂容量传统电厂的平均可用性n个情景n*m个情景n*m个情景峰值负荷14 不同电源的定量值及其他假设不同电源的定量值及其他假设 正如欧洲输电系统运营商网络的方法（2014）一样，Consentec 和 r2b 没有就单项技术分配任何具体的容量值，因为这一数值会随着所考虑时间点的不同而产生变化。因此，基于很多不同气象年份的天气数据，计算出风能和太阳能的发电量。通过此程序可以尽可能多的映射出可设想的天气条件。分析考虑三个历史气象年份（2010、2011 和 2012年），并建立了可再生能源供电量和用电负荷的模型。在传统电厂方面，分析考虑了发电机组的停机以及输电瓶颈。在抽水蓄能方面，分析考虑了其跨时期限制，就水库规模、自然流入量及其随时间的分布做出了假设。自然流入量（每年每个国家的总流入量）取决于天气条件。为了确定流入量，分析采用了与负荷和可再生能源发电馈入时间序列相同的历史气象年度。每一个国家的抽水蓄能系统及其他储能电厂整合成一个抽水蓄能厂和一个储能电厂。43 在生物质方面，在确定剩余负荷时，分析中仅考虑了不灵活发电的部分，将生物质电厂与传统热电厂同等对待。44 VSVS(供应安全供应安全)分析模型（分析模型（20192019 年）年）2019 年，另 一项在德 国联邦经济与能 源部（BMWi）委托下进行的分析发布了结果。该分析旨在评估德国的容量充裕度。此项研究由 r2b、Consentec、Fraunhofer ISI 和 TEP Energy 准备，采用了比此前 2015 年的研究更广泛的方法。45它为供电安全的分析引入 VS 分析模型，此模型是基于 Consentec 和 r2b 在 2015 年研究中使用的概率性跨境方法，并在各个方面进行了进一步完善。尤其是，VS 分析模型采用不同的定量指标评估德国的供电安全水平。所采用的方法解决了以下两个关键问题：1.欧洲电力系统在报告所述期限内将如何发展？2.欧洲供电系统是否有效地维持供电安全？为了回答这些问题，研究需要创设电力系统的发展情景，然后基于已设定的可靠性标准（VS-标准）评估每一情景下的供电安全水平。参考情景（气候变化方面没有任何额外政策情况下的最佳猜测情景）的开发是基于详细的研究以及与其他研究的比较，反映了现有的法律框架条件和政策目标。分析通过对替代情景进行敏感性审视了电力系统内的替代发展。46 模型区分了核心区域以及已明确建模和未建模的卫星区域（见图 5）。研究将德国及其邻国、意大利、英国和斯堪的纳维亚国家定义为核心区域，将伊比利亚半岛定义为建模的卫星区域。建模者标注了核心区域国家之间以及核心地区和建模的卫星地区之间的电力输入与输出。卫星区域和核心区域之间的输入与输出以聚合方式计算。4715 图 6 VS 分析模型中的建模区域 来源：r2b 能源咨询、Consentec、Fraunhofer ISI、TEP Energy（2019 年），第 241 页48.如前文所述，分析的主要目的是确定德国的供电安全水平。因此，建模者主要应用了电力不足概率（LoLP）指 标。确 定 指 标 的 整 个 程 序 与Consentec 和 r2b 在 2015 年研究中介绍的程序类似。主要区别（除了所使用的指标以外）包括：五 个 目 标 年 份 而 不 是 三 个：2020、2023、2025 和 2030。五个历史负荷和气象年份而不是三个：2009、2010、2011、2012 和 2013。1750 个供电情景（模拟年份）而不是 999 个，对应每年 1533 万个建模小时。对于 1750 个模拟年份中的每一年以及整个地理区域，建模者决定考虑范围内的每一竞价区的负荷能否始终被满足。建模考虑了可用的发电机组以及可用的灵活性潜力。与 2015 年的研究类似，其中也考虑了所有相关的技术边界条件，例如发电厂停机及可用跨境容量。49 VS 分析模型的基本目的是证明与未来系统充分性相关的方程组和不等式是否有解。这一方程组与任何时间均可满足特定竞价区内负荷的要求相关。这要求使用所有不同的供电来源，例如传统电厂、不同的灵活性选项、储能容量及跨境输电容量。50 如果以此种方式描述的方程组和不等式可以得出一个解，则在特定年份内所考虑的整个地理区域内的全部负荷就可以被满足。如果方程组无解，则至少有一个竞价区在一个小时的期限内无法实现负荷平衡。为了确定电力不足概率，并确定额外要求的负荷损失的频率、规模和地点，建模者提出采用线性优化。51此种优化的目的是将所考虑的整个建模年份和区域内的负荷损失的持续时间降至最低。此外，在此种优化中，仅当竞价区无法凭借自身发电机组或者灵活性措施满足自身需求时，才考虑跨境交易。根据笔者的看法，这种类型的建模与电力市场经济模拟的建模不同，因为除非是为满足负荷而必要的情况，否则它不会因为更廉价的境外发电资源的可用性等经济指标而考虑加入跨境交易。因此，这种模型能确定跨境交易对维持供电安全的贡献。52重要的是，VS 分析模型中的跨境交易具有应急措施的功能，其使用不会造成另一个竞价区的进一步负荷损失。53 说明：Kernregion：核心区域 Satellitenregion modeliert：建模的卫星区域 Satellitenregion：未建模的卫星区域 16 如报告中所述，线性优化的结果可用于确定每一竞价区和每一年的不同指标，以评估供电安全水平。下一章节将介绍这些指标。定量指标定量指标 VS 分析模型中用于供电安全评估的主要指标与欧洲输电系统运营商网络（ENTSO-E）所采用的指标类似。这些指标包括（这里的解释源自于2b、Consentec、Fraunhofer ISI和TEP Energy（2019）的出版物）：电力不足概率（LoLP）描述在所考虑的所有小时段内，可用发电量无法满足任何消费者负荷的可能性。以百分比为单位计量或者没有任何单位。54 负荷期望损失（LoLE）代表每年可用发电量无法满足负荷的预期小时数。以每年的小时数为单位计量。电量不足期望值（EENS）或者电量损失预期（LoEE）指因发电量不足而无法满足的年度负荷。以吉瓦时为单位计量。55 系 统 平 均 停 电 持 续 时 间 指 标（System Average Interruption Duration Index,SAIDI）描述一个特定电网用户/负荷受到因电网相关原因造成的非自愿供电中断影响的可能性，现实中主要是因为配电网的故障所引起。为了确定系统平均停电持续时间指标（SAIDI），需要确定一年内所有供电中断的持续时间以及同一年内所有受到影响的电网用户/负荷的总负荷损失。接下来，必须计算损失负荷与一年内总负荷之间的关系。取决于分析所关注的参数，系统平均停电持续时间指标（SAIDI）可采用时间单位（小时或分钟）/每 2 每个实施容量机制的欧盟成员国都必须采用可靠性标准（Reliability standard）。这是一个关于电力系统经济效率的欧洲标准。其目的是确保从长期角度，只有那些为消费者带来的成本不超过收益的容量才是容量机年计量，或者采用每年受影响负荷与总负荷的相对数值计量。56 电力市场系统平均停电持续时间指标（Power Market SAIDI）：无法满足特定负荷的可能性。该指标考虑了通过负荷转移或削峰等措施，实现的电网用户/负荷的灵活性潜力及其自愿的负荷损失。为了确定特定竞价区内的电力市场系统平均停电持续时间指标，电量不足期望值（EENS）需要除以所有电网用户/负荷的年度用电量减去其自愿负荷损失潜力的年度积分。57此指标以百分比或者以时间为单位（例如小时/每年）计量。电 力 输 入 对 确 保 供 电 安 全 的 贡 献(Contribution of imports to ensure the security of supply)描述跨境电力交易对供电安全的影响。能源行业法（EnWG）明确要求在供电安全监测中考虑跨境电力交易的影响。监测应该提供“电力输入在多大程度上有助于确保德国的供电安全”的信息（能源行业法案第二章第 63 条）。但是，对于VS 分析，只有在必须输入电力以避免负荷损失的时候它才具有相关性，只有在输入被纳入考虑范围时。因市场参与者的经济考量引发的实际或者预计的电力输入没有相关性，也就是说，在理想市场条件下，当具有技术可行性且相比国内发电或灵活性措施更具成本效益时，会发生跨境交易。相反，VS 分析模式区分了维持供电安全所必需的电力输入和纯粹出于经济原因进行的电力交易。58 VS 分析模式中，评估德国电力系统适当体量的主要指标是电力不足概率（LoLP）。59 VS 分析确定 0.06%的电力不足概率是维持德国供电安全的可靠性标准数值 2。此数值对应每年 5 个小时制的一部分。可靠性标准的价值是在新容量的投资成本和电力用户愿意为不间断的电力供应付费之间的权衡。可靠性标准适用于一个竞价区。由于德国和卢森堡位于 17 的负荷期望损失或者每年大约 5 到 10 分钟的电力市场系统平均停电持续时间指标（SAIDI）。60 然而，可靠性标准在 2021 年 8 月被更新，目前对应的负荷期望损失为每年 2.77 小时（见 2.2.4 小节）。61 这一数值是充裕度计算结果的参考值。如果计算出的负荷期望损失值低于可靠性标准，就证明供应安全。对于德国来说，