可再生能源时代的电力系统组织结构

:引言：本报告概述了在能源转型背景下电力系统组织结构（简称电力系统结构）的发展过渡。探讨了在能源转型过渡期电力系统结构与能源系统之间失调的根源。展望新型模式发展的未来，并对适用于可再生能源系统的创新电力系统结构展开讨论。

（来源：微信公众号“直流建筑联盟”ID：DC_building）

电力系统结构，可以是自由市场、中央监管系统或两者的混合形式。其目的是为电力系统运行提供框架，同时实现向终端用户供电的目标。

一、电力系统的过渡期不是孤立存在的电力系统组织结构的重点是组织，计划和操作电源系统所需的结构。但是在能源转型过渡时期，电力系统结构的分析、规划和政策制定需要更大的视野。分析需要将电力系统嵌入能源系统、经济、社会和地球中，并在这些系统之间多次交互和反馈。

图1 电力系统结构的嵌入式

特性受约束的组织结构或分配机制（如市场）可能会错过系统的互动和反馈，因此需要自由市场加以补充。在一定条件下，自由市场能更有效地优化电力系统的经济状况，而分配机制能更好地解决整体系统需求。因此，每种社会经济背景都应追求市场和监管的适当结合，以期实现社会价值最大化。分布式能源（DER）的部署、主动能源的使用、可变可再生能源（VRE）的额外灵活性要求导致当前电力系统结构与新兴发电技术之间存在不兼容性。电力系统结构需要的新组件（例如可再生能源电站，储能站，需求侧资源和增加的部门耦合）和既有结构之间面临交互挑战。这是技术驱动的根本挑战，也是自由化和规范化的系统都将面临的挑战。

图2 所有电力系统结构共有的过渡挑战

因为与技术和社会问题息息相关，所以在每个电力系统结构中都面临着能源转型的挑战。过渡期将需要更多的积极参与者和更少的被动能源消耗。参与者之间的协作、积极的法规和新的市场规则是电力系统结构与基于可再生能源的能源系统相匹配的三要素。协作，监管和市场的正确组合将取决于当地的政策环境，但是可以预料到这三个组件在重新设计电力系统结构中都将发挥重要作用。

二、当前的批发电力价格结构不适用于基于可再生能源的电力系统现有的电力系统围绕集中发电技术（低成本，不灵活的“基本负载”和高成本，高灵活的“峰值负载”）进行配置，很大程度上可以满足被动需求。在自由化的系统中，电力批发市场中的发电是有偿的，其结算价格与运营支出（OPEX）、机会成本有关。大多数可再生能源技术的运营成本都非常低，这使得当前基于边际成本的批发市场结构不适合基于可再生能源技术的电力系统。而支持可再生能源部署的现行法规（如上网电价[FiT]，拍卖的购电协议[PPA]，生产税收抵免，可再生能源证书等）可以降低可再生能源的机会成本。可再生能源的边际成本低，报酬调节度宽，具有优先使用性。新增的可再生能源发电降低了电力批发市场的价格，从而使传统的热力发电机电价下跌，危及它们收回成本的能力。

图3 批发市场价格和已调度容量的演变

在批发电力市场中，特定时段内的电价设置为需求曲线和供应曲线的交点。大量低OPEX 、受管制的可再生发电机在降低电价的同时，也减少高边际成本发电机所产的能源量。虽然可再生能源技术的电力成本（LCOE）低于化石燃料技术，但是金融风险溢价将人为地增加可再生能源的LCOE，而电价下跌将阻碍额外的投资。因此，随着可再生能源发电的普及，当前的批发定价机制越来越不适用于由传统发电技术和可再生能源相结合的电力系统。

三、电力价值电力的成本，价格和价值常常失调错位，洞悉失调的根源有助于电力系统结构更好地利用电价变化。可再生能源技术的主要目标之一是价格最小化。随着可再生能源发电量的增长，单位发电量在电力系统中的价值随地点和时间的变化越来越大。

图4 电力成本，价格和价值（年度平均值示例）

上图说明了在不同情况和系统结构下运行的可再生能源和化石燃料发电站的成本、价格和价值之间的不匹配情况。案例2和3分别对应于当前电力系统结构下的可再生能源发电厂和适用于可再生能源技术的电力系统结构。案例2的成本低于案例3，但其电力系统价值也较低。此外，由于案例2的电力系统结构不适合可再生能源发电，因此需要更高的附加监管费用。在精心设计的电力系统结构中，价格将与成本以及电力系统的整体价值保持一致，其附加的社会价值是对社会平衡起到积极的作用。

四、未来展望电力系统的发展将从较少参与者向供需双方众多参与者转变，将从基于化石燃料的集中式单向电力系统向基于可再生能源的分散式、双向电力系统转变。

图5 电源系统结构更新对能量转换的影响

必须重新设计电力系统结构以适应新能源应用的增长，仅对当前的电力系统结构进行修复会造成功能配置的失调，也会阻碍能量转换过程。新的电力系统结构应结合地区情况，争取在竞争与监管之间取得适当的平衡，最大程度地提高利益相关者之间的协作。竞争，监管和协作之间的适当平衡可以克服自由化和受监管的电力系统的弊端，同时释放其变革潜力和发挥协同作用。

图6 争取竞争，监管和协作之间的适当平衡是成功实现能源转型的关键

五、未来模式：双重市场提案在双重市场设计中，传统的电力批发市场分为两个互补市场：能源市场和交付市场。拍卖成为能源市场的支柱，能源市场和输电市场都应设计为发出时间和位置价格信号，使得市场与输配电网协同最大化，降低电力系统的总成本。

表1 双重市场体系下的能源和交付市场的特征

双重市场中所有参与者共享适当的价格信号，增强对系统运作的参与度。用户尽可能地调整他们对能源市场的需求，并在需要时以更高的价格从输电市场购买能源。而且，通过对DER室外汇总，个体发电者可以参与这两个市场，依照对系统运行的贡献而获得合理的报酬。但这要求交付市场具有足够的响应能力，以实现包括储能，需求侧响应和扇区耦合在内的整个灵活性资源阵列，依照各系统的配置，加入其它市场进行补充。

总结：能源转型的来临，改变了电力的生产、运输和消费方式。重塑电力系统结构，充分利用可再生能源，是加深加快能源转型的重要条件。但是仅仅对资源和技术进行调整不足以满足整个转型过渡期的发展要求，使用必要经济手段的组合以及对新型模式转换的探讨至关重要。

原标题:可再生能源时代的电力系统组织结构