多管齊下，看丹麥怎樣破解風電消納難題

提到丹麥，很多在能源領域扎根的人第一反應想必不是“童話王國”，而是“風電王國”。綿延七千多公里的海岸線，四面環(huán)海，造就了丹麥豐富的風力資源，這為丹麥風電行業(yè)的興起奠定了堅實的地理基礎。在丹麥隨風轉(zhuǎn)動的白色風車隨處可見，向人們展示著丹麥在風能領域已位居世界領導地位。作為全球風力發(fā)電的標桿，丹麥目前百分之四十多的電力消耗來自風能，目標是到2020年風電使用占比達到50%，到2050年實現(xiàn)100%非傳統(tǒng)能源供應。但是眾所周知，風力發(fā)電的波動性，往往會導致電網(wǎng)負荷增加，消納困難。那么這樣一個風能王國，又是怎么使得風力發(fā)電占比達到如此之高呢?

丹麥風能現(xiàn)狀性概述

自上世紀八十年代起，丹麥的風電行業(yè)就進入了高速發(fā)展時期，截至2017年，風電裝機容量達到5300MW，位于世界前列。風電在丹麥國內(nèi)電力供應中的比重自1980年起穩(wěn)定增長，1990年，這一比重為1.9%， 此后則呈急劇增長趨勢。1999年，這一比重上升至10%，到了2015年的風電占丹麥電力供應的比例達到43.6%，遠超其他所有國家。根據(jù)丹麥政府的能源規(guī)劃，到2020年，風電占電力供應的比重應當超過50%，到2035年這一比重增至84%。到2050年，丹麥將完全終結(jié)使用化石燃料。為達到如此高的目標，丹麥政府所面臨的挑戰(zhàn)自然也不小。

來源：www.ens.dk

風電消納的挑戰(zhàn)

與傳統(tǒng)的可調(diào)度發(fā)電廠相比，風力發(fā)電量波動巨大，并且相對來說難以預測。此外，風資源也存在一定的長周期波動性，即存在風資源富足時期、風資源匱乏時期甚至無風時期。對于整個丹麥電力系統(tǒng)來說，電力生產(chǎn)中的這些大的波動要求整個系統(tǒng)的其余部分非常靈活，因為隨時可能出現(xiàn)風機電力供應短缺或者供應過剩的情況。

一般而言，促進風電發(fā)展有三個主要挑戰(zhàn)：

1.確保風電價值，即風資源富足時期，保障風電價格與風電的有效利用

2.在沒有風的情況下確保整個電力系統(tǒng)足夠的電力供給。

3.平衡風力發(fā)電波動，即管理由風速變化引起的不可預測的電力生產(chǎn)波動。

目前來說，這三個挑戰(zhàn)本質(zhì)上都是經(jīng)濟性挑戰(zhàn)，通過現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)完全能夠解決上述問題，然而其經(jīng)濟性還無法保證。

挑戰(zhàn)1 確保風電價值

目前，丹麥對陸上風能的主導支持計劃是在電力批發(fā)市場價格之上支付風電價格溢價。如果大部分基于風力發(fā)電的電力以低價或負價出售，一方面不利于風電運營商，一方面又降低了風電投資發(fā)展的動力，因此，必須確保風電的社會經(jīng)濟價值，促進風機投資不斷增長。

為保證風電的有效消納，整個丹麥的電力系統(tǒng)就必須做到具有極強的靈活性。在高風力饋電期間，有幾種選擇，一種是向鄰近國家輸出電力，其次是減少傳統(tǒng)可調(diào)度電廠的電力生產(chǎn)，還有就是以經(jīng)濟手段促進電力的終端消納。

挑戰(zhàn)2 確保風電低谷時電力供給

為保障足夠的電力供給，需要足夠的可調(diào)度發(fā)電容量(如：燃氣輪機機組、靈活性燃煤機組)，或通過增加電網(wǎng)與鄰國的耦合來實現(xiàn)更多的電力跨境進口和出口，相應措施的價值尤其取決于其應用的持續(xù)時間。

挑戰(zhàn)3 平衡風力發(fā)電

盡管風力預測技術(shù)越來越精準，但在實際電力生產(chǎn)方面仍存在挑戰(zhàn)，特別是在中強風速期間。由于預測偏差，會產(chǎn)生電力平衡的需求。電力平衡問題則可以從供給和需求兩個方面來解決。在供應方面，燃氣輪機，以及其他快速可調(diào)單元，如儲能，非常適合滿足這種需求。在需求方面，電鍋爐或熱泵，大型工業(yè)消費者和其他靈活消費單位可以提供平衡服務。此外，地區(qū)間的電網(wǎng)耦合，與鄰國能源系統(tǒng)的整合，也能提供更多能夠平衡的可能性。

丹麥綜合能源系統(tǒng)解決方案

為了解決應對過去20年來風力發(fā)電量增加所帶來的挑戰(zhàn)，丹麥做出了各種嘗試，最終形成了現(xiàn)在的綜合能源系統(tǒng)。其主要解決方案包括：

·構(gòu)建丹麥電力現(xiàn)貨市場機制，大力推進與鄰國直接的跨境交易

·與供熱市場耦合，促進余電消納

·傳統(tǒng)電廠靈活性改造及優(yōu)化

· 鼓勵系統(tǒng)友好的風力發(fā)電機組

·輔助服務市場

1 構(gòu)建跨境電力市場

傳統(tǒng)的丹麥能源電力行業(yè)也是油耗由政府和非營利性機構(gòu)監(jiān)管的。20世紀90年代起，北歐國家和歐盟面臨著越來越大的壓力，要求通過自由化提高效率和貿(mào)易，丹麥積極推進電力現(xiàn)貨交易，大大促進了風電的市場消納。與此同時，各地區(qū)市場耦合也在不斷加速進行?，F(xiàn)在電力跨境交易，已經(jīng)是丹麥消納風電最重要的手段之一。

丹麥的電力系統(tǒng)由兩個子系統(tǒng)組成：西部電力系統(tǒng)主要涵蓋Jutland和Funen地區(qū)，與歐洲大陸電力系統(tǒng)耦合;東部主要涵蓋Zealand地區(qū)，與北歐國家耦合。丹麥的風力發(fā)電大部分位于丹麥西部，2014年的比例達到51%，而丹麥東部的比例為21%。在2017年風力發(fā)電和電力需求相對較低的情況下，丹麥西部的風力發(fā)電率達到近100%，也歸功與此。

來源：德國能源署

通過向挪威，瑞典和德國提供6.4GW的凈轉(zhuǎn)移能力(丹麥峰值需求約6GW)，丹麥能夠在高風量生產(chǎn)時出售電力，并在低風量時段購買其他國家電力。跨境電力市場機制能確保最便宜的發(fā)電機優(yōu)先用于發(fā)電，允許丹麥利用境外設施，如北歐水電站作為廉價的風電存儲。然而，自2011年以來，各國的風光出力份額都顯著增加，尤其是德國，在過去三年中，西丹麥和德國之間互聯(lián)互通的電力出口限制越來越多，依靠電力跨境交易的手段消納風電也逐漸不再那么有效。

來源：Energinet.dk

2 與供熱系統(tǒng)耦合，促進余電消納

當然，除了跨境市場耦合，丹麥在早期也在境內(nèi)與其他供能系統(tǒng)耦合，以便整合不斷增加的風電。丹麥的大部分電力生產(chǎn)都與區(qū)域供熱系統(tǒng)相連。除少數(shù)外，丹麥的所有發(fā)電廠理論上都能實現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)。電力系統(tǒng)和區(qū)域供熱系統(tǒng)的整合為可再生能源的進一步消納提供了的良好的基礎。

來源：丹麥能源署

在過去十年中，丹麥政府采取了一系列監(jiān)管措施，以鼓勵電力和熱力系統(tǒng)之間靈活的相互作用，包括針對熱電聯(lián)產(chǎn)稅收的減免政策，以激勵熱電聯(lián)產(chǎn)電廠在風電過剩，電價較低時，將電廠模式，轉(zhuǎn)變?yōu)楣釣橹髂Ｊ?當價格恢復時，電廠可以很快回到熱電聯(lián)產(chǎn)模式;風電低谷時期，電廠轉(zhuǎn)變?yōu)楣╇姙橹髂Ｊ?。此外通過稅收制度，政府也鼓勵，在電價低時使用電力產(chǎn)熱，然而，電鍋爐和熱泵仍然在區(qū)域供熱中發(fā)揮有限的作用。迄今為止，輔助服務市場一直是電鍋爐產(chǎn)熱模式的唯一盈利模式。

3 傳統(tǒng)電廠靈活性改造及優(yōu)化

丹麥在過去20年很早就預料到其風電比例將會很高，早期相關(guān)部門就嘗試提高火力發(fā)電廠的靈活性。從發(fā)電廠的角度來看，由于可變風力發(fā)電的高比例導致的剩余需要靠電廠提供的負荷也具有高波動性。電廠需要盡量實現(xiàn)低成本的快速啟動和盡可能低限度的最小功率發(fā)電。因此，最初設計為基本負荷裝置的丹麥燃煤發(fā)電廠現(xiàn)在已經(jīng)是歐洲一些最靈活的發(fā)電廠。到目前為止，丹麥燃煤機組的額定功率容量變化(單位%P / min)4%已經(jīng)是丹麥的標準配置，最低運行功率可達10%-20%額定功率。換句話說，額定裝機容量為500兆瓦的燃煤發(fā)電廠能夠每分鐘增加或減少20兆瓦的輸出，最低運行功率可達50兆瓦。對于燃氣發(fā)電廠，其最大額定輸出變化可達9%P / min，最小運行功率可降低至10%P(即額定裝機容量為500MW的發(fā)電廠為50MW)，并且可在不到一小時內(nèi)快速啟動。

下表概述了基于不同來源的丹麥和德國發(fā)電廠的靈活性參數(shù)(Blum，R.，Christensen，T。(2013)，F(xiàn)eldmüller，A。(2013))。與燃煤發(fā)電廠相比，燃氣發(fā)電廠的靈活性通常更高。開放式循環(huán)燃氣輪機(OCGT)和燃氣式蒸汽輪機(ST)在靈活性方面優(yōu)于聯(lián)合循環(huán)燃氣輪機(CCGT)。從下表可以看出，在所有考慮的類別中，丹麥發(fā)電廠的靈活性平均比德國發(fā)電廠更高。

在電廠實際運行層面，為保證傳統(tǒng)電廠的效益最大化，需要對電廠的資產(chǎn)組合進行最優(yōu)化配置：

· 第一步，需要對電廠的長期發(fā)電計劃進行優(yōu)化，通過長期的情景研究(未來10 - 20年)，評估負荷波動的最大可預期幅度。

· 接下來，需要估算和排列所有可用靈活性措施的經(jīng)濟價值，以確定應優(yōu)先考慮哪些措施。

· 然后，可以使用自上而下的方法結(jié)合自定義運營管理軟件的部署來優(yōu)化電廠組合。

· 最后，每個發(fā)電廠的單獨優(yōu)化以逐步迭代的方法進行。

在這方面，必須首先通過分析數(shù)據(jù)和采訪工廠人員來確定靈活性瓶頸，只有這樣才能確定可實現(xiàn)的靈活性閾值。通過由上之下的優(yōu)化分析，能夠在最少的人力物力成本下，確保各個電廠之間的協(xié)調(diào)，最大程度利用電廠的靈活性。

除了以上幾種手段，丹麥政府還通過引入輔助服務交易市場，鼓勵大功率風機及海上風電等電網(wǎng)友好型風電機組的手段，來改善電網(wǎng)負荷情況，本文不再贅訴。

丹麥綜合能源系統(tǒng)對我國的啟示

丹麥作為全球能效最高的國家之一，拜托了GPD發(fā)展伴隨著搞能耗和高碳排放的魔咒，實現(xiàn)了它的“能源童話”。

從政策層面看，丹麥政府制定了有效的政策，建立了激勵風電消納的稅收制度，積極引導了丹麥風電的跨境市場耦合以及與供熱系統(tǒng)的耦合。

從市場層面看，丹麥大力發(fā)展了電力跨境交易市場，有效地從市場層面促進了風電的積極消納與波動平衡。風電能夠在豐富時期，通過市場價格優(yōu)勢，向境外鄰國輸送;低谷時期，由于價格劣勢，可從境外購買相對廉價電力。

從技術(shù)層面，丹麥成功推廣了區(qū)域供暖和熱電聯(lián)產(chǎn)，使得電力系統(tǒng)與供熱系統(tǒng)強力耦合在了一起，有效的減少了風電帶來的波動負荷;此外電廠的高靈活性改造，使得電網(wǎng)的負荷波動在短時間能夠有效緩和，保障了電能的質(zhì)量。

我國可再生能源資源十分豐富，隨著新能源技術(shù)的逐漸發(fā)展完善，我國光伏風電新能源的新增和累計裝機容量均為在2014年底成為全球第一。僅截至2016年低，我國風電新增裝機量2337萬千瓦，累計裝機量高達1.69億千瓦;其中海上風電新增裝機59萬千瓦，累積裝機容量為163萬千瓦。我國光伏發(fā)電新增裝機容量3454萬千瓦，累計裝機容量達7742萬千瓦;其中，光伏電站累計裝機容量6810萬千瓦，分布式累計裝機容量1032萬千瓦。然而，我國現(xiàn)有的新能源電力裝機容量，由于地域性限制，一直處于東西部嚴重不平衡狀態(tài)，以風光為主的大型新能源地面電站主要集中在西北地區(qū)(主要包括甘肅、寧夏、新疆和蒙西)。但由于當?shù)叵{能力有限，因此在過去幾年裝機量快速增長的同時，棄光限電情況逐年惡化，部分地區(qū)棄風棄光率高達 50%以上。

就我國而言，上訴手段應當有一定的借鑒意義。