多管齐下，看丹麦怎样破解风电消纳难题

提到丹麦，很多在能源领域扎根的人第一反应想必不是“童话王国”，而是“风电王国”。绵延七千多公里的海岸线，四面环海，造就了丹麦丰富的风力资源，这为丹麦风电行业的兴起奠定了坚实的地理基础。在丹麦随风转动的白色风车随处可见，向人们展示着丹麦在风能领域已位居世界领导地位。作为全球风力发电的标杆，丹麦目前百分之四十多的电力消耗来自风能，目标是到2020年风电使用占比达到50%，到2050年实现100%非传统能源供应。但是众所周知，风力发电的波动性，往往会导致电网负荷增加，消纳困难。那么这样一个风能王国，又是怎么使得风力发电占比达到如此之高呢?

丹麦风能现状性概述

自上世纪八十年代起，丹麦的风电行业就进入了高速发展时期，截至2017年，风电装机容量达到5300MW，位于世界前列。风电在丹麦国内电力供应中的比重自1980年起稳定增长，1990年，这一比重为1.9%， 此后则呈急剧增长趋势。1999年，这一比重上升至10%，到了2015年的风电占丹麦电力供应的比例达到43.6%，远超其他所有国家。根据丹麦政府的能源规划，到2020年，风电占电力供应的比重应当超过50%，到2035年这一比重增至84%。到2050年，丹麦将完全终结使用化石燃料。为达到如此高的目标，丹麦政府所面临的挑战自然也不小。

来源：www.ens.dk

风电消纳的挑战

与传统的可调度发电厂相比，风力发电量波动巨大，并且相对来说难以预测。此外，风资源也存在一定的长周期波动性，即存在风资源富足时期、风资源匮乏时期甚至无风时期。对于整个丹麦电力系统来说，电力生产中的这些大的波动要求整个系统的其余部分非常灵活，因为随时可能出现风机电力供应短缺或者供应过剩的情况。

一般而言，促进风电发展有三个主要挑战：

1.确保风电价值，即风资源富足时期，保障风电价格与风电的有效利用

2.在没有风的情况下确保整个电力系统足够的电力供给。

3.平衡风力发电波动，即管理由风速变化引起的不可预测的电力生产波动。

目前来说，这三个挑战本质上都是经济性挑战，通过现有技术已经完全能够解决上述问题，然而其经济性还无法保证。

挑战1 确保风电价值

目前，丹麦对陆上风能的主导支持计划是在电力批发市场价格之上支付风电价格溢价。如果大部分基于风力发电的电力以低价或负价出售，一方面不利于风电运营商，一方面又降低了风电投资发展的动力，因此，必须确保风电的社会经济价值，促进风机投资不断增长。

为保证风电的有效消纳，整个丹麦的电力系统就必须做到具有极强的灵活性。在高风力馈电期间，有几种选择，一种是向邻近国家输出电力，其次是减少传统可调度电厂的电力生产，还有就是以经济手段促进电力的终端消纳。

挑战2 确保风电低谷时电力供给

为保障足够的电力供给，需要足够的可调度发电容量(如：燃气轮机机组、灵活性燃煤机组)，或通过增加电网与邻国的耦合来实现更多的电力跨境进口和出口，相应措施的价值尤其取决于其应用的持续时间。

挑战3 平衡风力发电

尽管风力预测技术越来越精准，但在实际电力生产方面仍存在挑战，特别是在中强风速期间。由于预测偏差，会产生电力平衡的需求。电力平衡问题则可以从供给和需求两个方面来解决。在供应方面，燃气轮机，以及其他快速可调单元，如储能，非常适合满足这种需求。在需求方面，电锅炉或热泵，大型工业消费者和其他灵活消费单位可以提供平衡服务。此外，地区间的电网耦合，与邻国能源系统的整合，也能提供更多能够平衡的可能性。

丹麦综合能源系统解决方案

为了解决应对过去20年来风力发电量增加所带来的挑战，丹麦做出了各种尝试，最终形成了现在的综合能源系统。其主要解决方案包括：

·构建丹麦电力现货市场机制，大力推进与邻国直接的跨境交易

·与供热市场耦合，促进余电消纳

·传统电厂灵活性改造及优化

· 鼓励系统友好的风力发电机组

·辅助服务市场

1 构建跨境电力市场

传统的丹麦能源电力行业也是油耗由政府和非营利性机构监管的。20世纪90年代起，北欧国家和欧盟面临着越来越大的压力，要求通过自由化提高效率和贸易，丹麦积极推进电力现货交易，大大促进了风电的市场消纳。与此同时，各地区市场耦合也在不断加速进行。现在电力跨境交易，已经是丹麦消纳风电最重要的手段之一。

丹麦的电力系统由两个子系统组成：西部电力系统主要涵盖Jutland和Funen地区，与欧洲大陆电力系统耦合;东部主要涵盖Zealand地区，与北欧国家耦合。丹麦的风力发电大部分位于丹麦西部，2014年的比例达到51%，而丹麦东部的比例为21%。在2017年风力发电和电力需求相对较低的情况下，丹麦西部的风力发电率达到近100%，也归功与此。

来源：德国能源署

通过向挪威，瑞典和德国提供6.4GW的净转移能力(丹麦峰值需求约6GW)，丹麦能够在高风量生产时出售电力，并在低风量时段购买其他国家电力。跨境电力市场机制能确保最便宜的发电机优先用于发电，允许丹麦利用境外设施，如北欧水电站作为廉价的风电存储。然而，自2011年以来，各国的风光出力份额都显着增加，尤其是德国，在过去三年中，西丹麦和德国之间互联互通的电力出口限制越来越多，依靠电力跨境交易的手段消纳风电也逐渐不再那么有效。

来源：Energinet.dk

2 与供热系统耦合，促进余电消纳

当然，除了跨境市场耦合，丹麦在早期也在境内与其他供能系统耦合，以便整合不断增加的风电。丹麦的大部分电力生产都与区域供热系统相连。除少数外，丹麦的所有发电厂理论上都能实现热电联产。电力系统和区域供热系统的整合为可再生能源的进一步消纳提供了的良好的基础。

来源：丹麦能源署

在过去十年中，丹麦政府采取了一系列监管措施，以鼓励电力和热力系统之间灵活的相互作用，包括针对热电联产税收的减免政策，以激励热电联产电厂在风电过剩，电价较低时，将电厂模式，转变为供热为主模式;当价格恢复时，电厂可以很快回到热电联产模式;风电低谷时期，电厂转变为供电为主模式。此外通过税收制度，政府也鼓励，在电价低时使用电力产热，然而，电锅炉和热泵仍然在区域供热中发挥有限的作用。迄今为止，辅助服务市场一直是电锅炉产热模式的唯一盈利模式。

3 传统电厂灵活性改造及优化

丹麦在过去20年很早就预料到其风电比例将会很高，早期相关部门就尝试提高火力发电厂的灵活性。从发电厂的角度来看，由于可变风力发电的高比例导致的剩余需要靠电厂提供的负荷也具有高波动性。电厂需要尽量实现低成本的快速启动和尽可能低限度的最小功率发电。因此，最初设计为基本负荷装置的丹麦燃煤发电厂现在已经是欧洲一些最灵活的发电厂。到目前为止，丹麦燃煤机组的额定功率容量变化(单位%P / min)4%已经是丹麦的标准配置，最低运行功率可达10%-20%额定功率。换句话说，额定装机容量为500兆瓦的燃煤发电厂能够每分钟增加或减少20兆瓦的输出，最低运行功率可达50兆瓦。对于燃气发电厂，其最大额定输出变化可达9%P / min，最小运行功率可降低至10%P(即额定装机容量为500MW的发电厂为50MW)，并且可在不到一小时内快速启动。

下表概述了基于不同来源的丹麦和德国发电厂的灵活性参数(Blum，R.，Christensen，T。(2013)，Feldmüller，A。(2013))。与燃煤发电厂相比，燃气发电厂的灵活性通常更高。开放式循环燃气轮机(OCGT)和燃气式蒸汽轮机(ST)在灵活性方面优于联合循环燃气轮机(CCGT)。从下表可以看出，在所有考虑的类别中，丹麦发电厂的灵活性平均比德国发电厂更高。

在电厂实际运行层面，为保证传统电厂的效益最大化，需要对电厂的资产组合进行最优化配置：

· 第一步，需要对电厂的长期发电计划进行优化，通过长期的情景研究(未来10 - 20年)，评估负荷波动的最大可预期幅度。

· 接下来，需要估算和排列所有可用灵活性措施的经济价值，以确定应优先考虑哪些措施。

· 然后，可以使用自上而下的方法结合自定义运营管理软件的部署来优化电厂组合。

· 最后，每个发电厂的单独优化以逐步迭代的方法进行。

在这方面，必须首先通过分析数据和采访工厂人员来确定灵活性瓶颈，只有这样才能确定可实现的灵活性阈值。通过由上之下的优化分析，能够在最少的人力物力成本下，确保各个电厂之间的协调，最大程度利用电厂的灵活性。

除了以上几种手段，丹麦政府还通过引入辅助服务交易市场，鼓励大功率风机及海上风电等电网友好型风电机组的手段，来改善电网负荷情况，本文不再赘诉。

丹麦综合能源系统对我国的启示

丹麦作为全球能效最高的国家之一，拜托了GPD发展伴随着搞能耗和高碳排放的魔咒，实现了它的“能源童话”。

从政策层面看，丹麦政府制定了有效的政策，建立了激励风电消纳的税收制度，积极引导了丹麦风电的跨境市场耦合以及与供热系统的耦合。

从市场层面看，丹麦大力发展了电力跨境交易市场，有效地从市场层面促进了风电的积极消纳与波动平衡。风电能够在丰富时期，通过市场价格优势，向境外邻国输送;低谷时期，由于价格劣势，可从境外购买相对廉价电力。

从技术层面，丹麦成功推广了区域供暖和热电联产，使得电力系统与供热系统强力耦合在了一起，有效的减少了风电带来的波动负荷;此外电厂的高灵活性改造，使得电网的负荷波动在短时间能够有效缓和，保障了电能的质量。

我国可再生能源资源十分丰富，随着新能源技术的逐渐发展完善，我国光伏风电新能源的新增和累计装机容量均为在2014年底成为全球第一。仅截至2016年低，我国风电新增装机量2337万千瓦，累计装机量高达1.69亿千瓦;其中海上风电新增装机59万千瓦，累积装机容量为163万千瓦。我国光伏发电新增装机容量3454万千瓦，累计装机容量达7742万千瓦;其中，光伏电站累计装机容量6810万千瓦，分布式累计装机容量1032万千瓦。然而，我国现有的新能源电力装机容量，由于地域性限制，一直处于东西部严重不平衡状态，以风光为主的大型新能源地面电站主要集中在西北地区(主要包括甘肃、宁夏、新疆和蒙西)。但由于当地消纳能力有限，因此在过去几年装机量快速增长的同时，弃光限电情况逐年恶化，部分地区弃风弃光率高达 50%以上。

就我国而言，上诉手段应当有一定的借鉴意义。