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多管齊下,看丹麥怎樣破解風電消納難題

2019-08-26  來源:中國風力發電網  [已有0人評論]  [有償投稿]
核心提示:丹麥風能現狀性概述。
中國風力發電網訊: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,四面環海,造就了丹麥豐富的風力資源,這為丹麥風電行業的興起奠定了堅實的地理基礎。在丹麥隨風轉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100%非傳統能源供應。但是眾所周知,風力發電的波動性,往往會導致電網負荷增加,消納困難。那么這樣一個風能王國,又是怎么使得風力發電占比達到如此之高呢?
丹麥風能現狀性概述
自上世紀八十年代起,丹麥的風電行業就進入了高速發展時期,截至2017年,風電裝機容量達到5300MW,位于世界前列。風電在丹麥國內電力供應中的比重自1980年起穩定增長,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。根據丹麥政府的能源規劃,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自然也不小。
風電消納的挑戰
與傳統的可調度發電廠相比,風力發電量波動巨大,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來說,電力生產中的這些大的波動要求整個系統的其余部分非常靈活,因為隨時可能出現風機電力供應短缺或者供應過剩的情況。
一般而言,促進風電發展有三個主要挑戰:
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足夠的電力供給。
3.平衡風力發電波動,即管理由風速變化引起的不可預測的電力生產波動。
目前來說,這三個挑戰本質上都是經濟性挑戰,通過現有技術已經完全能夠解決上述問題,然而其經濟性還無法保證。
挑戰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市場價格之上支付風電價格溢價。如果大部分基于風力發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展的動力,因此,必須確保風電的社會經濟價值,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,其次是減少傳統可調度電廠的電力生產,還有就是以經濟手段促進電力的終端消納。
挑戰2 確保風電低谷時電力供給
為保障足夠的電力供給,需要足夠的可調度發電容量(如:燃氣輪機機組、靈活性燃煤機組),或通過增加電網與鄰國的耦合來實現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時間。
挑戰3 平衡風力發電
盡管風力預測技術越來越精準,但在實際電力生產方面仍存在挑戰,特別是在中強風速期間。由于預測偏差,會產生電力平衡的需求。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,大型工業消費者和其他靈活消費單位可以提供平衡服務。此外,地區間的電網耦合,與鄰國能源系統的整合,也能提供更多能夠平衡的可能性。
丹麥綜合能源系統解決方案
為了解決應對過去20年來風力發電量增加所帶來的挑戰,丹麥做出了各種嘗試,最終形成了現在的綜合能源系統。其主要解決方案包括:
·構建丹麥電力現貨市場機制,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
·傳統電廠靈活性改造及優化
· 鼓勵系統友好的風力發電機
·輔助服務市場
1 構建跨境電力市場
傳統的丹麥能源電力行業也是油耗由政府和非營利性機構監管的。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易,丹麥積極推進電力現貨交易,大大促進了風電的市場消納。與此同時,各地區市場耦合也在不斷加速進行?,F在電力跨境交易,已經是丹麥消納風電最重要的手段之一。
丹麥的電力系統由兩個子系統組成:西部電力系統主要涵蓋Jutland和Funen地區,與歐洲大陸電力系統耦合;東部主要涵蓋Zealand地區,與北歐國家耦合。丹麥的風力發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年風力發電和電力需求相對較低的情況下,丹麥西部的風力發電率達到近100%,也歸功與此。
通過向挪威,瑞典和德國提供6.4GW的凈轉移能力(丹麥峰值需求約6GW),丹麥能夠在高風量生產時出售電力,并在低風量時段購買其他國家電力??缇畴娏κ袌鰴C制能確保最便宜的發電機優先用于發電,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。

2 與供熱系統耦合,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與其他供能系統耦合,以便整合不斷增加的風電。丹麥的大部分電力生產都與區域供熱系統相連。除少數外,丹麥的所有發電廠理論上都能實現熱電聯產。電力系統和區域供熱系統的整合為可再生能源的進一步消納提供了的良好的基礎。
在過去十年中,丹麥政府采取了一系列監管措施,以鼓勵電力和熱力系統之間靈活的相互作用,包括針對熱電聯產稅收的減免政策,以激勵熱電聯產電廠在風電過剩,電價較低時,將電廠模式,轉變為供熱為主模式;當價格恢復時,電廠可以很快回到熱電聯產模式;風電低谷時期,電廠轉變為供電為主模式。此外通過稅收制度,政府也鼓勵,在電價低時使用電力產熱,然而,電鍋爐和熱泵仍然在區域供熱中發揮有限的作用。迄今為止,輔助服務市場一直是電鍋爐產熱模式的唯一盈利模式。
3 傳統電廠靈活性改造及優化
丹麥在過去20年很早就預料到其風電比例將會很高,早期相關部門就嘗試提高火力發電廠的靈活性。從發電廠的角度來看,由于可變風力發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。電廠需要盡量實現低成本的快速啟動和盡可能低限度的最小功率發電。因此,最初設計為基本負荷裝置的丹麥燃煤發電廠現在已經是歐洲一些最靈活的發電廠。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的發電廠為50MW),并且可在不到一小時內快速啟動。
下表概述了基于不同來源的丹麥和德國發電廠的靈活性參數(Blum,R.,Christensen,T。(2013),Feldmüller,A。(2013))。與燃煤發電廠相比,燃氣發電廠的靈活性通常更高。開放式循環燃氣輪機(OCGT)和燃氣式蒸汽輪機(ST)在靈活性方面優于聯合循環燃氣輪機(CCGT)。從下表可以看出,在所有考慮的類別中,丹麥發電廠的靈活性平均比德國發電廠更高。
在電廠實際運行層面,為保證傳統電廠的效益最大化,需要對電廠的資產組合進行最優化配置:
· 第一步,需要對電廠的長期發電計劃進行優化,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濟價值,以確定應優先考慮哪些措施。
· 然后,可以使用自上而下的方法結合自定義運營管理軟件的部署來優化電廠組合。
· 最后,每個發電廠的單獨優化以逐步迭代的方法進行。
在這方面,必須首先通過分析數據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的靈活性閾值。通過由上之下的優化分析,能夠在最少的人力物力成本下,確保各個電廠之間的協調,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友好型風電機組的手段,來改善電網負荷情況,本文不再贅訴。
丹麥綜合能源系統對我國的啟示
丹麥作為全球能效最高的國家之一,拜托了GPD發展伴隨著搞能耗和高碳排放的魔咒,實現了它的“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的耦合。
從市場層面看,丹麥大力發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。
從技術層面,丹麥成功推廣了區域供暖和熱電聯產,使得電力系統與供熱系統強力耦合在了一起,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,使得電網的負荷波動在短時間能夠有效緩和,保障了電能的質量。
我國可再生能源資源十分豐富,隨著新能源技術的逐漸發展完善,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,以風光為主的大型新能源地面電站主要集中在西北地區(主要包括甘肅、寧夏、新疆和蒙西)。但由于當地消納能力有限,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。

 
 

(來源:交能網  作者:陳玉升)

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