丹麦经验：大规模风电并网下如何维护电力供需

　　随着风电在电力系统中的比重不断增加，电力供需平衡与电网稳定运行将会面临的挑战。如何协调电力系统中的各个参与者配合消纳较难预测的风电?什么样的政策能够激励发电端甚至消费端积极配合辅助电力的供需平衡?这些问题的答案将会是风电能否进入良性循环发展并成为电力系统主角的关键。 2014年底，丹麦风电全年平均覆盖负载的比列已经达到了39，大时刻甚至达到132。经过多年从政策到运营的摸索，丹麦形成了一套有效的风电发展和消纳的方法。这使得丹麦在2020年实现50的电力来自于风能成为可能。

　　1. 风能带给电网运营的挑战

　　电力系统中的电力生产与消耗需要时刻保持平衡。电力消耗的上下浮动主要取决于人们的生产和生活方式。因此，为了维持供需平衡，传统发电厂可以通过实时调节化石燃料的燃烧量而改变发电量来匹配电力的消耗。目前还没有一个有效的技术能够大量的存储电网中的电，供需平衡需要实时调节、并以分钟计保持平衡。在这个背景下，大规模的风电并网给系统运行带来了的挑战。首先，相较传统发电厂，风电的间歇性和波动性是不可控的。其次，传统电厂例如煤电厂，需要24小时甚至更长时间启动。那么为了维护供需平衡，在一定量的电力消耗下，大规模风电所导致的短时的供大于求会迫使传统电厂下线。而一旦传统电厂下线，就需要等待至少24小时才能重新发电。在这段时间，一旦风电不能满足负载，供需平衡将不能维持，甚至大停电。电力系统一旦崩溃将造成巨大的经济损失。这种情况使得电力生产以及调度变得更加具有挑战。因此，为了消纳风电，电力系统要根据风机的出力，除了调节风机本身还要调节传统电厂甚至负载端来达到整个系统的供需平衡。可见，大规模风电并网的挑战之一就是电力系统多方协作维护系统的供需平衡。

　　2. 措施

　　风电是绿色能源，即使人们希望使用风电，愿意为风电较高的成本买单，但是由于风电的波动性和间歇性可能导致的严重的供需不平衡甚至大停电，仍旧使人望而生畏。既然风电会给系统带来如此严峻的挑战，那么如何才能使电力系统积极的接纳风电呢?或者说，在目前情况下，如何有效的解决供需不平衡问题呢?

　　从技术角度讲，维护大规模风电并网下的电力供需平衡，实际上是寻求一种经济有效的储能方式，从而弥补风能的波动性和间歇性。这里说的储能方式是广义的，它可以是用户端的电动汽车、热泵，也可以是其它的电力与其它能源转化的形式。如水电就是对风电的一个重要补充，即通过调节水电站水位来弥补风能的波动性。然而，这些措施终都要一套切实可行的机制有效的结合起来，共同维持电力供需平衡。没有经济效益，水电是不会配合风电调节自己本身的发电量。没有经济效益，电动汽车，热泵也不可能发展起来。

　　为了摆脱丹麦能源系统对化石燃料的依赖，保护环境，丹麦从上世纪80年代起开始发展风能。起初，风能的规模很小，以分散的小型陆上风机为主。集体筹资建造。政府规定，所有风电无条件并网发电，并且补贴其成本激励大家发展风电。由于这类风机的规模较小，没有对电力系统的供需平衡产生影响。但是到了 2000年后，大型海上风电场开始出现。其额定功率已经可以媲美传统火电厂。这类风场的供电波动性不能忽视。实际上，如果风电可以被预测并且通过对系统中其它参与者提供平衡服务给予一定的补偿，那么风电就可以被很好的接纳。丹麦是通过电力市场机制实现这个方法的。

　　3. 北欧电力市场

　　北欧电力交易所(Nordpool)是挪威﹑瑞典﹑芬兰﹑丹麦等国共同参与的电力交易平台，覆盖了该地区70以上的电力交易。该交易所主要包括两个现货市场，即日前交易市场和盘中交易市场。市场参与者被划入不同电价区域，各个区域的电价是由买卖双方竞价所决定，反映了电力以小时为间隔的供需平衡。电力市场根据距离发电时刻的时间长短又可以分为三个等级。级为日前市场，在供电时刻前24小时关闭。买卖双方向电力交易所提交每小时的报价单。电力交易所汇总所有的报价单以供需平衡为基础，以实现区域内大社会经济效益为前提，核算出每小时的边际价格。第二级为盘中市场，在供电时刻前1小时关闭。由于电力系统运行的不确定性，在日前市场核算时达到的平衡很可能被打破。盘中市场为买卖双方提供了另一个交易平台来调节供需、协商价格。第三级为平衡市场，主要由传输线路运营商(TSO)的调度室参与的终交易，即在真正调度的30分钟到5分钟前买入上调或下调电量以维持电力的终平衡。无论哪一级市场，买卖双发一旦达成交易就必须在供电时刻按照交易的电量生产和使用电力。一旦一方或者双方违背协议供需电量，将会导致系统的不平衡。那么违背协议方需要缴纳违约金。此外，北欧电力市场中的交易合同也可以在纳斯达克市场中交易。这里销售者和购买者签订以一定价格在规定时间内输送定量电力的期货合同。这个期货市场的交易发生在发电前的6年到36小时。其目的大多是发电方为了对冲未来发电价格的不确定性，其交易结果则为现货市场的边际价格提供了参考。除了纳斯达克市场，还有电力备用市场。在这个市场里，赢得竞价的发电厂会提供备用电源服务，保证电网充足的供电以及稳定运行。比如频率控制备用，瞬时扰动备用，快速启动备用，慢速启动备用和无功备用。只有具备完善的电力市场，可再生能源才能得以稳定并有效的应用。

　　图1. 丹麦主要电力市场以及参与者