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德国储能市场转型:常规调频辅助服务趋近饱和,惯量采购即将拉开帷幕

作者:中国储能网新闻中心 来源:EdgeGrid 发布时间:2025-05-22 浏览:

中国储能网讯:随着德国能源转型的推进,电力系统的结构发生根本性变化:传统同步发电机(如火电、核电)逐步退出,风电、光伏等基于变流器的可再生能源占比大幅提升。这种转变导致电力系统的物理惯量(Tragheit)显著下降,威胁电网频率稳定性。传统同步机组通过旋转质量(Schwungmasse)提供的“瞬时储备”(Momentanreserve) 能够自动抑制频率变化率(RoCoF),而变流器主导的系统需依赖主动控制技术(如合成惯量)实现类似功能。

核心问题:

系统解列(System-Split)风险

在高比例可再生能源与跨区域输电激增的背景下,电网故障可能导致大规模网络解列,形成孤岛区域。此时,局部的功率失衡(如北部风电过剩与南部负荷需求)会引发极高频变,远超现有保护机制(如一次调频)的响应速度。

技术迭代转换

传统机组退役后,基于变流器的电源(如风电、储能)需通过“网构变流器”(Netzbildender Umrichter)模拟同步机特性,但其技术成熟度与市场激励不足。

监管框架缺失

原有法规(EnWG)未明确新型系统服务(如非频率相关服务)的采购规则,导致市场信号缺失。

于2025年4月22日作出如下决定,请更新法规法规BK6-23-010:

撤销2020年12月18日关于免除输电网络运营商(ÜNB)通过市场化采购方式获取“本地网络稳定性的惯量”中固有响应有效功率不平衡义务的决定(BK6-20-298),具体涉及为预防可能对网络稳定性构成关键威胁的(包括局部)频率控制限值超标而需进行的市场化采购。输电网络运营商(ÜNB)须根据本决定《采购方案》实施市场化采购。

附件1所规定的采购方案有效期至2031年12月31日。

保留撤销权。

1. 法规修订的理由

A. 法规背景

本确定法规涉及《能源经济法》(EnWG)第12h条第1款第1句第2项结合第5款规定的非频率相关系统服务(nfSDL)“本地网络稳定的惯量”。根据《能源经济法》第12h条的立法材料,“本地网络稳定的惯量”指通过固有或基于调节技术实现的响应来应对有效功率不平衡,以防止可能对网络稳定性构成关键威胁的(包括局部)频率控制限值超标。固有响应特指通过同步电机(飞轮质量)或组网型变流器(合成飞轮质量)提供的瞬时储备,其目标是通过即时响应电压相角的短期变化来抑制频率变化速率(RoCoF)。基于调节技术的响应则指通过控制策略实现的有延迟的功率调整,需与频率调节备用(Regelleistung)区分。

本决定第一条废除了联邦网络局于2020年12月18日作出的免除输电网络运营商(ÜNB)通过市场化采购获取“本地网络稳定的惯量”中固有响应义务的决定(BK6-20-298)。该部分废除仅针对“瞬时储备”(Momentanreserve)的市场化采购义务,而基于调节技术的响应仍保持豁免。

I. 背景

《能源经济法》第12h条基于欧盟《电力市场指令》(2019/944号)第31条第6-8款及第40条第5-7款的要求制定,旨在通过透明、无歧视且市场化的机制开放非频率相关系统服务(如电压调节、短路电流能力、黑启动能力等)的提供,以提升技术实现的多样性和经济效率。

“本地网络稳定的惯量”通过抑制电网频率偏离50Hz的额定值来维持系统平衡。电网稳定性依赖于发电与用电的实时平衡,而功率不平衡可能由预测误差、发电机组故障或系统解列(System-Split)引发。系统解列可能导致局部电网出现巨大功率缺口,引发频率急剧变化。

瞬时储备(Momentanreserve)通过同步电机的物理惯量或构网型变流器的合成惯量,在数秒内抑制频率变化速率(RoCoF),为后续调节备用(如一次调频)的启动争取时间。传统上,同步电机通过旋转质量的动能提供瞬时储备,但其贡献随火电退出而减少。未来需依赖风电、光伏及储能的组网型变流器提供瞬时储备,但相关技术标准(如VDE FNN的技术导则)仍在完善中。

当前可再生能源机组(如风电、光伏)因缺乏组网型变流器尚无法提供瞬时储备。VDE FNN已于2024年7月发布《组网型特性技术要求(含瞬时储备)》,并计划进一步制定认证规则。

II. 程序经过

2020年12月18日,联邦网络局基于《能源经济法》第12h条第4款豁免了输电运营商(ÜNB)对“本地网络稳定的惯量”的市场化采购义务(BK6-20-298)。根据法律要求,此类豁免需每三年复审。本次决定基于2023年以来的市场变化和技术发展,重新评估了豁免的合理性:

2023年1月

联邦网络局与输电运营商(ÜNB)启动采购方案设计。

2023年9月

首次公开咨询草案,修订后于2024年9月再次咨询。

2024年10月

最终方案纳入各方意见,明确采购框架。

B. 决定依据

I. 法律基础

第一条的法律依据为《能源经济法》第12h条第1款第2项、第5款及第29条第1款;第二条依据《联邦行政程序法》(VwVfG)第36条第2款第1项;第三条依据《能源经济法》第29条第2款结合《联邦行政程序法》第36条第2款第3项及第49条。

II. 形式要件

联邦网络局依据《能源经济法》第12h条第5款具有管辖权,程序符合公众咨询要求,并征询了联邦卡特尔局及地方监管机构的意见。

III. 实体要件

撤销豁免并引入市场化采购(第一条)

原豁免(BK6-20-298)基于2020年分析报告,假设电网在“正常工况”下瞬时储备需求可通过现有同步电机满足。

当前电网结构因可再生能源占比上升、跨区域输电增加及系统解列风险加剧,需重新评估需求。根据《2035/2037电网发展规划》(NEP),德国需在2035年前新增约1330GWS的瞬时储备能力,且地域分布不均(如北部需应对过剩发电,南部需应对负荷缺口)。

市场化采购旨在激励新技术(如组网型变流器)投资,填补传统火电退出导致的惯量缺口。

采购方案设计

技术中立性

允许同步电机、储能、组网型变流器等多种技术参与。

固定价格机制

按预先公布的区域统一价格采购,确保透明度并降低市场进入门槛。

区域划分

根据电网拓扑、负荷分布及系统解列风险划分采购区域。

合同期限

最短2年,最长10年,允许灵活调整。

有效期至2031年(第二条)

为技术开发和市场成熟预留窗口期,后续可根据技术进展调整机制。

本决定通过市场化采购机制激活新兴技术对电网惯量的贡献,确保能源转型期的系统稳定性。联邦网络局将持续监测实施效果,并保留根据技术及市场变化调整规则的权利。

2. 技术细节

1. 瞬时储备的定义

物理本质

通过同步机旋转质量或变流器合成惯量,在毫秒级响应功率失衡,抑制频率变化率(RoCoF)。

分类

正瞬时储备

抑制频率下降(如释放旋转动能或储能放电)。

负瞬时储备

抑制频率上升(如吸收过剩功率或储能充电)。

2. 核心技术参数

额定功率(P_N)

设备在额定频率下的最大持续输出功率(MW)。

启动时间常数(T_AN)

表征惯量能力的物理量,定义为“以额定功率加速/减速至静止所需时间”(单位:秒)。

瞬时储备容量(E_Mom)

计算公式为


其中,m为市场化比例因子(0 < m ≤ 1),反映供应商申报容量占物理上限的比例。

3. 产品分类与可用性要求

可用性计算:

基于每15分钟的数据点,采用动态功率阈值判定设备是否就绪。例如,对变流器设备:


3. 市场机制:固定价格体系与采购流程

1. 固定价格(Festpreis)机制

定价原则

由UNB预先公布区域分产品的固定价格(€/MWs),技术中立且统一适用。

动态调整

引入“递减机制”(Degression),鼓励早期参与;允许联邦网络局批准例外价格调整。

2. 采购流程

区域划分

UNB根据电网拓扑、预测负荷及系统稳定性需求,划分多个“采购区域”。

信息公开

提前2年公布采购量、产品类型、合同模板及价格表。

供应商准入

需通过VDE-FNN技术认证,证明设备符合网构特性与瞬时储备能力。

合同签订

供应商提交容量与时间参数(最长10年服务期),UNB无条件接纳合规投标。

3. 补偿计算

基础产品

阶梯式补偿(30%-90%可用性区间线性递增)。

高级产品

仅当可用性≥90%时启动补偿,超限部分按比例奖励。

惩罚机制

未达最低可用性则当期补偿归零。

4.挑战与行业反馈

1. 技术障碍

变流器技术成熟度

当前多数可再生能源设备缺乏网构能力,需硬件升级与软件适配。

认证体系滞后

VDE-FNN技术标准(如AR-N 4131)尚在完善,影响供应商准入速度。

2. 市场争议

固定价格 vs. 拍卖机制

部分厂商呼吁引入竞争性拍卖,但BNetzA认为当前市场流动性不足,固定价格更利于激励早期投资。

小规模供应商参与

低电压等级设备(如分布式储能)需本地配网运营商(VNB)许可,增加协调成本。

3. 政策协调

与现有系统服务冲突

需避免瞬时储备与一次调频、黑启动等服务的资源竞争。

跨区域协调

采购区域划分需兼顾电网规划与市场效率,防止碎片化。

5.未来展望:2031路线图与技术演进

技术扩散

预计2027年后,网构变流器将成为风电、储能项目的标配,支撑大规模瞬时储备供应。

市场扩展

引入聚合商(Aggregator)模式,整合分布式资源参与投标。

监管迭代

2028年起评估固定价格机制成效,探讨引入混合定价或容量市场可行性。

跨国协同

推动欧洲统一系统服务标准,实现跨境瞬时储备交易。

6.最后我摘录一些行业企业在本次立法磋商中的发言和德国网络管理局的辩论讨论过程供大家参考

根据[第 12h 节](1)句 1 号 2,"局部电网稳定惯量 "是指对有功功率不平衡的固有反应或控制工程反应,目的是防止超出频率稳定限值(即使只是局部超出),而频率稳定限值对电网稳定至关重要。固有反应主要同步电机(飞轮质量)或构网型变流器(合成飞轮质量)的瞬时储备,其目的是限制频率梯度。瞬时储备对电压角的短期变化做出瞬时反应,抵消有功功率不平衡,限制频率梯度原点。以控制为基础的反应包括以控制为基础的有功功率变化,它有助于支持具有延迟的频率。这一点应与控制功率区分开来"关于固有反应,第 3 和第 4 句采用了立法材料中使用的定义。监管反应不属于市场采购的范围,因此也不属于采购概念的实质范围。

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Ørsted 和 BDEW 指出,如果测量足够精确,总是可以检测到电压角变化与发电设备或发电厂对电压角变化的反应(以提供瞬时储备的形式)之间的延迟。因此,应该对采购概念的文本进行补充,大意是发电设备 "通过提供或占用瞬时储备,对 电压角的短期变化做出本质上的和准瞬时的响应"。必须承认,从物理角度看,"原因"(频率变化)和 "响应"(提供瞬时储备)在基于变流器的系统中是有时间延迟的,尽管时间很短。不过,采购概念采用了立法材料中的定义。决策机构认为,其中所述的 "瞬时响应 "是指在没有外部控制影响和没有频率测量的情况下立即作出反应,这与传统发电厂同步发电机瞬时提供瞬时储备类似。其同意一位咨询参与者的意见,即 "局部电网稳定的惯量 "是一个不明确的术语,因为电网稳定并不是惯量。电网的稳定性与其说是一个惯量问题,不如说是一个阻尼问题,而瞬时储备也是一种与频率相关的系统服务。瞬时储备的是限制频率梯度。因此,它实际上与频率直接相关。瞬时储备的提供是由发电和用电之间的不平衡引起的,并抑制由此产生的频率增减。然而,这些都是德国和欧洲立法过程中应该考虑到的方面。就市场采购而言,采购概念和解释性备忘录明确了如何理解 "当地电网稳定的惯量"和 "瞬时储备 "这两个术语。

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一些磋商参与者认为,采购概念应正确地使用 "兆瓦"(作为功率的计量单位),而不是 "兆瓦"(作为能量的计量单位),因为瞬时储备是通过在瞬态时间范围内(即当功率平衡和频率发生变化时)馈入有功功率而产生的,而以兆瓦表示则表明可能存在较大的能量储备,但这些储备的馈入或吸收能力可能有限,因此对瞬时储备的影响较小。对 A.II. 部分进行了澄清,说明可能有更大的能源储备,但其反馈或吸收能力可能有限,因此对瞬时响应的影响减小。第 3 句中的补充说明了 "兆瓦 "这一计量单位的适用性,因为有偿瞬时储备是由作为市场瞬时储备基础的容量(兆瓦)和启动时间常数(秒)产生的。因此,很明显,选择 "兆瓦"(作为能量的计量单位)作为机组可发电瞬时储备量的计量单位是正确的。

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OTH Regensburg 的 Oliver Brückl 博士教授要求 TSO 证明在其控制区内分配多个采购区域是合理的,以免造成不必要的市场限制或流动性限制。对此的反驳是,规定的采购程序不会造成供应商之间的竞争,因此从竞争的角度来看,任何市场和流动性限制都是无关紧要的。

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与 Engie 的意见相反,招标模式作为固定价格制度的替代并不可取。如果 Engie 认为这种模式更灵活,从而能吸引更多的投标者,例如通过使用更小的时间片(月、天或小时),那么在未来市场设计发生变化的情况下,这可能会变得很重要。未来,招标可能会通过相应的价格信号来揭示瞬时储备的临时短缺,而在瞬时储备供应充足的时候,不需要的单位可以在其他市场上销售,如平衡储备市场。无论如何,由于上述供应不足,目前这种招标是不合适的。由于 Engie 公司担心固定价格系统会对电力市场和平衡储备市场产生影响,因此应澄清采 购概念意味着机组可用的所有时间都应计入报酬。只有当其他规定实际限制了瞬时储备能力时,才会降低可用性并相应减少报酬。尽管不能排除对其他市场的影响,但这些影响通常与新市场的建立有关。在这种情况下,可以根据 G.III 节的规定选择调整固定价格,或者根据第 3 条的规定行使取消权。

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根据 A.VII 节的规定,如果市场上提供的其他辅助服务或能源市场的营销损害了瞬时储备的提供,则根据F 节的规定,将以牺牲可用性为代价。这就避免了同时使用会妨碍瞬时储备的提供的有偿使用。同时,提供商的营销主权也不会受到限制。因此,参与多个市场是明确允许的。该条例在第一次市场咨询后进行了修订。当时的规定仍然如下"瞬时储备的提供不得因其他辅助服务的市场提供或能源市场的营销而受到损害"。Ørsted 和 BDEW 认为,应该明确规定,由于市场提供其他辅助服务或能源市场的营销,可用机组有可能转入不可用状态。必须明确无误地规定,签订了瞬时储备合同的机组也可以在任何时候缩减,或者,例如,由于负价格而关闭。禁止市场削减将使瞬时储备的价格变得极其昂贵,因为所有因失去灵活性而造成的损失都必须计入价格。Fluence Energy 认为,在维持规定的最低可用性的前提下,通过提供辅助服务或在能源市场上使用,可以对瞬时储备的提供进行轻微的减损。E.ON DSOs 要求说明,如果电网运营商将电力输出或消耗降至零或低于规定的最低输出(如通过重新调度)瞬时储备贡献可能会减少。西门子能源和德国机械设备制造业联合会(VDMA)表示,该措辞将排除参与有功/无功运行和/或提供其他服务并可提供瞬时储备机组。相反,瞬时储备的提供应考虑到其他辅助服务的市场化提供或瞬时储备的提供。

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第 A.IX.第 1 句规定,每个单位只能提交一份上升产品和一份下降产品的投标书。根据第 2 句,如果一个单位属于一个单位组,这也同样适用。这些规定避免了在瞬时储备中重复销售一个机组。因此,VDMA 在第二次市场咨询中提出的建议也应被否决,根据该建议,每个叫停方向只能有一个投标的限制应仅适用于基于逆变器的技术。此外,A.IX.部分简化了 TSO 对市场化采购的处理:如果允许供应商为一个设备和一个产品提交多个标书,这将大大增加合同签订的复杂性。例如,有必要标明互补性和替代性报价。此外,还必须计费和监测中合并或区分限值和可用性。需要说明的是,能够对称提供瞬时储备的单位--即正负两个方向--可以提交正负瞬时储备的竞标(如电池储能)。只要符合每种情况下的产品定义和报酬要求,市场上的瞬时储备量可以不同。由于这是两种不同的服务,绝不会同时提供,因此不存在重复营销。BVES 和 RWE 认为,每个叫停方向只能出价一次的限制会降低电厂的利用率。因此,尽管电厂可以为基本产品等提供临时储备,但部分电厂将处于闲置状态。如果有合适的负荷预测,就通过将优质产品和基本产品分开来实现更高的供应量。从经济角度看,这样可以更有效地提供瞬时储备。分拆的风险将由提供商承担,这不会对 TSO 任何不利。决议组认为,该意见书的意思是,在高级产品中销售部分瞬时储备--即供应商确知在 90% 的计费期内可以使用的部分--而在基本产品中销售另一部分具有相同调用方向的瞬时储备。因此,供应商可以提供可用性高的数量,同时提供可用性较低的额外数量。,应该注意的是,如果可以为每个关机方向提交多个出价,那么机组在技术上的表现并不会不同,因为只有启动时间常数和额定有功功率瞬时储备量起决定性作用。每台机组的这两项参数都是固定的,即使提交了多个出价也不会改变。这意味着,即使提交了多个标书,机组提供的瞬时储备量也与只提交一个标书时相同。因此,将每个调用方向的出价划分为多个出价,对于供应商来说只是一种经济优化方案,并不能提供更多的瞬时储备量,从而为电网和供电安全带来额外的好处。

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Fluence Energy 和 BVES 希望 TSO 能够及时传达所有相关信息(技术产品定义的进一步发展和市场采购的框架条件)。这对于当前预测电厂瞬时储备能力的投资决策是必要的,以便能够在经济规划和技术设计阶段考虑到提供瞬时储备的能力。这一要求是可以理解的。但结果是,技术服务供应商向市场提供信息的时间与信息适用的时间或时期将进一步偏离。这就剥夺了 TSO 对市场发展做出反应的机会,在最坏的情况下,还会危及电网安全。上述公布义务可确保市场框架条件始终透明。然而,咨询参与者提到的大多数"技术产品定义 "都是由 VDE FNN 制定的,而市场设计则是由联邦网络局作为规范的一部分来决定的--程序和咨询要求随之适用。

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BDEW、BVES、RWE Generation、Uniper 和 vgbe 认为,不清楚为何将提供期限制为 10 年。就电池储能系统而言,提供瞬时储备所需的组件使用寿命长达 15 年。应该可以整个生命周期或额外运营成本以及维护、保养和人员成本的合同。然而,以下理由支持将履约期限制为最长 10 年:在固定价格的帮助下,投资费用必须能够在提供期内再融资。是在 "较短 "的供应期内用相应 "较高 "的固定价格,还是在 "较长 "的供应期内用 "较低 "的固定价格,在数学上没有区别。此外,只有当机组义务瞬时储备时,才会产生参与磋商者列出的费用。如果因提供瞬时储备而产生额外的运行、服务、维护和人员费用,则在供应期结束后,机组不再与提供瞬时储备的单位签订合同。在这方面,上述费用不再产生。在规定储备期的最长期限时,还应考虑到对某些技术而言,不仅投资成本,而且运行成本,特别是机会成本也可能是相关的。然而,预留期越长,由于市场环境的不确定性,就越难预测未来可能出现的机会成本。因此,裁决庭认为,预留期超过十年的弊大于利。

一些参与磋商者询问,在供应期结束后,机组是否不能再获得瞬时储备收入,是否可 以拆除,以及应如何运营。采购概念中特意没有这方面的规定。因此,供应方原则上可以在当时适用的法律法规框架内,在供应期结束后按照自己的意愿处理其设备。在供应期结束后,机组是否能继续获得提供瞬时储备的收入将主要取决于未来的瞬时储备采购制度,目前尚无法对此做出详细说明。Fluence 公司提出的关于确定长期合同机组转入未来采购系统的条件的要求将得到满足。

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根据第 2 句,启动时间常数决定了机组在出现频率梯度时可提供的瞬时储备量。启动时间常数是指与电网同步的机组旋转部件在额定转矩下从静止加速到额定转速所需的时间。对于基于变频器的设备,合成飞轮质量参数与同步电机的飞轮质量属性相同。无论合成飞轮质量还是机械飞轮质量,都会在电网中产生惯性,从而防止电网频率变化过快。启动时间常数高,表示飞轮质量(合成或机械)大,因此瞬时储备贡献大;启动时间常数低,表示飞轮质量小,瞬时储备贡献小。

BDEW、Ørsted 和 VDE FNN 在第一次市场咨询中指出,启动时间常数应被定义为 "衡量发电设备或牵引设备瞬时储备能力的指标"。的确,启动时间常数与瞬时储备能力之间存在一定的比例关系。启动时间常数越大,瞬时储备能力也越大。然而,这里所选择的作为瞬时储备量(数量)度量的定义更为合适,因为可以根据启动时间常数直接计算出需要补偿的瞬时储备量(H.VI 节)。频率变化率 RoCoF 与瞬时储备量也成正比,同样适用于计算瞬时储备功率。

VDMA 希望能提供同步电机 "启动时间常数 "的计算公式,因为每一位读者都应该清楚该 计算公式,它不同于变流器技术(可选参数)的计算公式。第 H.VI 节显示了启动时间常数与瞬时储备量之间的公式关系。

如果西门子能源认为启动时间常数应基于视在功率而非有功功率,请参阅 B.XI 节中的评论。对于并网逆变器来说,启动时间常数是一个可以在逆变器的设计、配置和控制中选择的参数。最初,有人建议并网逆变器的启动时间常数是一个可以在控制系统设计中自由选择的参数。在第一次市场咨询中,BDEW、Ørsted 和 VDE FNN 要求增加这方面的参数,根据这些参数,基于成网逆变器的发电系统的可用瞬时储备量将由其他设计参数确定。

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