提到丹麥，很多在能源領(lǐng)域扎根的人第一反應(yīng)想必不是“童話王國”，而是“風(fēng)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(fēng)力資源，這為丹麥風(fēng)電行業(yè)的興起奠定了堅(jiān)實(shí)的地理基礎(chǔ)。在丹麥隨風(fēng)轉(zhuǎn)動的白色風(fēng)車隨處可見，向人們展示著丹麥在風(fēng)能領(lǐng)域已位居世界領(lǐng)導(dǎo)地位。作為全球風(fēng)力發(fā)電的標(biāo)桿，丹麥目前百分之四十多的電力消耗來自風(fēng)能，目標(biāo)是到2020年風(fēng)電使用占比達(dá)到50%，到2050年實(shí)現(xiàn)100％非傳統(tǒng)能源供應(yīng)。但是眾所周知，風(fēng)力發(fā)電的波動性，往往會導(dǎo)致電網(wǎng)負(fù)荷增加，消納困難。那么這樣一個風(fēng)能王國，又是怎么使得風(fēng)力發(fā)電占比達(dá)到如此之高呢？
丹麥風(fēng)能現(xiàn)狀性概述
自上世紀(jì)八十年代起，丹麥的風(fēng)電行業(yè)就進(jìn)入了高速發(fā)展時期，截至2017年，風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到5300MW，位于世界前列。風(fēng)電在丹麥國內(nèi)電力供應(yīng)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(fēng)電占丹麥電力供應(yīng)的比例達(dá)到43.6%，遠(yuǎn)超其他所有國家。根據(jù)丹麥政府的能源規(guī)劃，到2020年，風(fēng)電占電力供應(yīng)的比重應(yīng)當(dāng)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(dá)到如此高的目標(biāo)，丹麥政府所面臨的挑戰(zhàn)自然也不小。
來源：www.ens.dk
風(fēng)電消納的挑戰(zhàn)
與傳統(tǒng)的可調(diào)度發(fā)電廠相比，風(fēng)力發(fā)電量波動巨大，并且相對來說難以預(yù)測。此外，風(fēng)資源也存在一定的長周期波動性，即存在風(fēng)資源富足時期、風(fēng)資源匱乏時期甚至無風(fēng)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?yàn)殡S時可能出現(xiàn)風(fēng)機(jī)電力供應(yīng)短缺或者供應(yīng)過剩的情況。
一般而言，促進(jìn)風(fēng)電發(fā)展有三個主要挑戰(zhàn)：
1.確保風(fēng)電價值，即風(fēng)資源富足時期，保障風(fēng)電價格與風(fēng)電的有效利用
2.在沒有風(fēng)的情況下確保整個電力系統(tǒng)足夠的電力供給。
3.平衡風(fēng)力發(fā)電波動，即管理由風(fēng)速變化引起的不可預(yù)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(jì)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(jì)性還無法保證。
挑戰(zhàn)1 確保風(fēng)電價值
目前，丹麥對陸上風(fēng)能的主導(dǎo)支持計劃是在電力批發(fā)市場價格之上支付風(fēng)電價格溢價。如果大部分基于風(fēng)力發(fā)電的電力以低價或負(fù)價出售，一方面不利于風(fēng)電運(yùn)營商，一方面又降低了風(fēng)電投資發(fā)展的動力，因此，必須確保風(fēng)電的社會經(jīng)濟(jì)價值，促進(jìn)風(fēng)機(jī)投資不斷增長。
為保證風(fēng)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(qiáng)的靈活性。在高風(fēng)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(jì)手段促進(jìn)電力的終端消納。
挑戰(zhàn)2 確保風(fēng)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?xì)廨啓C(jī)機(jī)組、靈活性燃煤機(jī)組），或通過增加電網(wǎng)與鄰國的耦合來實(shí)現(xiàn)更多的電力跨境進(jìn)口和出口，相應(yīng)措施的價值尤其取決于其應(yīng)用的持續(xù)時間。
挑戰(zhàn)3 平衡風(fēng)力發(fā)電
盡管風(fēng)力預(yù)測技術(shù)越來越精準(zhǔn)，但在實(shí)際電力生產(chǎn)方面仍存在挑戰(zhàn)，特別是在中強(qiáng)風(fēng)速期間。由于預(yù)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(yīng)方面，燃?xì)廨啓C(jī)，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(fèi)者和其他靈活消費(fèi)單位可以提供平衡服務(wù)。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(yīng)對過去20年來風(fēng)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(jī)制，大力推進(jìn)與鄰國直接的跨境交易
·與供熱市場耦合，促進(jìn)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組
·輔助服務(wù)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(jī)構(gòu)監(jiān)管的。20世紀(jì)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(jìn)電力現(xiàn)貨交易，大大促進(jìn)了風(fēng)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(jìn)行?，F(xiàn)在電力跨境交易，已經(jīng)是丹麥消納風(fēng)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(fēng)力發(fā)電大部分位于丹麥西部，2014年的比例達(dá)到51％，而丹麥東部的比例為21％。在2017年風(fēng)力發(fā)電和電力需求相對較低的情況下，丹麥西部的風(fēng)力發(fā)電率達(dá)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(fēng)量生產(chǎn)時出售電力，并在低風(fēng)量時段購買其他國家電力?？缇畴娏κ袌鰴C(jī)制能確保最便宜的發(fā)電機(jī)優(yōu)先用于發(fā)電，允許丹麥利用境外設(shè)施，如北歐水電站作為廉價的風(fēng)電存儲。然而，自2011年以來，各國的風(fēng)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(fēng)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(jìn)余電消納
當(dāng)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(fēng)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(shí)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(jìn)一步消納提供了的良好的基礎(chǔ)。
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(fēng)電過剩，電價較低時，將電廠模式，轉(zhuǎn)變?yōu)楣釣橹髂Ｊ?；?dāng)價格恢復(fù)時，電廠可以很快回到熱電聯(lián)產(chǎn)模式；風(fēng)電低谷時期，電廠轉(zhuǎn)變?yōu)楣╇姙橹髂Ｊ健４送馔ㄟ^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(wù)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(yù)料到其風(fēng)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(fēng)力發(fā)電的高比例導(dǎo)致的剩余需要靠電廠提供的負(fù)荷也具有高波動性。電廠需要盡量實(shí)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(shè)計為基本負(fù)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(jī)組的額定功率容量變化（單位％P / min）4％已經(jīng)是丹麥的標(biāo)準(zhǔn)配置，最低運(yùn)行功率可達(dá)10%-20%額定功率。換句話說，額定裝機(jī)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(yùn)行功率可達(dá)50兆瓦。對于燃?xì)獍l(fā)電廠，其最大額定輸出變化可達(dá)9％P / min，最小運(yùn)行功率可降低至10％P（即額定裝機(jī)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?xì)獍l(fā)電廠的靈活性通常更高。開放式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)（OCGT）和燃?xì)馐秸羝啓C(jī)（ST）在靈活性方面優(yōu)于聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)（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(shí)際運(yùn)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(jìn)行最優(yōu)化配置：
· 第一步，需要對電廠的長期發(fā)電計劃進(jìn)行優(yōu)化，通過長期的情景研究（未來10 - 20年），評估負(fù)荷波動的最大可預(yù)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(jì)價值，以確定應(yīng)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(yùn)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(dú)優(yōu)化以逐步迭代的方法進(jìn)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(shí)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(wù)交易市場，鼓勵大功率風(fēng)機(jī)及海上風(fēng)電等電網(wǎng)友好型風(fēng)電機(jī)組的手段，來改善電網(wǎng)負(fù)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(shí)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(fēng)電消納的稅收制度，積極引導(dǎo)了丹麥風(fēng)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(jìn)了風(fēng)電的積極消納與波動平衡。風(fēng)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(qiáng)力耦合在了一起，有效的減少了風(fēng)電帶來的波動負(fù)荷；此外電廠的高靈活性改造，使得電網(wǎng)的負(fù)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(fēng)電新能源的新增和累計裝機(jī)容量均為在2014年底成為全球第一。僅截至2016年低，我國風(fēng)電新增裝機(jī)量2337萬千瓦，累計裝機(jī)量高達(dá)1.69億千瓦；其中海上風(fēng)電新增裝機(jī)59萬千瓦，累積裝機(jī)容量為163萬千瓦。我國光伏發(fā)電新增裝機(jī)容量3454萬千瓦，累計裝機(jī)容量達(dá)7742萬千瓦；其中，光伏電站累計裝機(jī)容量6810萬千瓦，分布式累計裝機(jī)容量1032萬千瓦。然而，我國現(xiàn)有的新能源電力裝機(jī)容量，由于地域性限制，一直處于東西部嚴(yán)重不平衡狀態(tài)，以風(fēng)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(dāng)?shù)叵{能力有限，因此在過去幾年裝機(jī)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(fēng)棄光率高達(dá) 50%以上。
就我國而言，上訴手段應(yīng)當(dāng)有一定的借鑒意義。
