2020年的第一個(gè)季度，德國(guó)總電力消費(fèi)量中來(lái)自可再生能源的電量占比達(dá)到了52%，是第一個(gè)完整的季度中可再生能源貢獻(xiàn)了該國(guó)超過(guò)一半的電力需求。2月甚至創(chuàng)下了單月61.8％的新高。相比之下，2019年第一季度的占比為44%。如此高比例的接入主要與2、3月創(chuàng)紀(jì)錄的風(fēng)電和較高的太陽(yáng)能發(fā)電，以及新冠病毒大流行造成的總電力需求下降有關(guān)。本文將首先研究展示德國(guó)2020年以來(lái)各個(gè)月電力系統(tǒng)的負(fù)荷曲線，然后對(duì)德國(guó)電力系統(tǒng)能消納如此高比例的可再生能源的原因進(jìn)行解讀分析。在各國(guó)碳中和的大背景下，了解當(dāng)前德國(guó)電力系統(tǒng)電源結(jié)構(gòu)，研判其能源轉(zhuǎn)型的過(guò)去、現(xiàn)在和未來(lái)，將是十分有必要的。
01
2020年月度各類(lèi)能源發(fā)電占德國(guó)用電負(fù)荷的比例
我們先通過(guò)圖表看一下2020年以來(lái)德國(guó)可再生能源（光能，陸上風(fēng)能和海上風(fēng)能，以及抽水蓄能）發(fā)電量的情況。
黑色曲線代表一個(gè)月內(nèi)的負(fù)荷曲線，不同顏色的色塊代表不同的發(fā)電源，由上至下：淺黃色為太陽(yáng)能發(fā)電，淺綠色為海上風(fēng)電與陸上風(fēng)電之和，淺藍(lán)色則為抽水蓄能。接下來(lái)，橘黃色色塊為天然氣發(fā)電量，深、淺兩種棕色色塊則代表無(wú)煙煤與褐煤發(fā)電量之和。最底部構(gòu)成基礎(chǔ)負(fù)荷的則分別為核能（紅色），生物質(zhì)能（深綠色），及水力發(fā)電（深藍(lán)色）。下同。所有負(fù)荷曲線圖均來(lái)自Fraunhofer ISE研究所的Energy-Charts平臺(tái)。
德國(guó)國(guó)家緯度較高，一月的光照資源較少，但風(fēng)力資源相對(duì)較優(yōu)。一月的最后三天風(fēng)電發(fā)電量有力支撐了超過(guò)七成的負(fù)荷側(cè)電量消費(fèi)。尤其注意1月31日，當(dāng)天可再生資源最高生產(chǎn)了占總用電負(fù)荷76.8%的電量。
二月光照依然不充沛，但風(fēng)力發(fā)電量卻顯著上升，在2月22日達(dá)到了峰值46.88GW的發(fā)電量。2月1號(hào)是周六，因此第一天的負(fù)荷量就相對(duì)較低。整體看來(lái)，工作日與周末的總負(fù)荷明顯不同，這樣的需求側(cè)與電源側(cè)均為高波動(dòng)性情況下，德國(guó)高比例新能源電力系統(tǒng)如何打破能源不可能三角，長(zhǎng)期維持電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行、高可靠性和低棄電率，值得深度分析研究。
三月太陽(yáng)能發(fā)電量開(kāi)始逐漸變高，風(fēng)電則開(kāi)始減少。值得注意的是，三月下旬受新冠疫情的影響，全德經(jīng)濟(jì)活動(dòng)受到一定抑制，總負(fù)荷曲線開(kāi)始整體下調(diào)。3月22日正午12：30時(shí)，在負(fù)荷僅有53.13GW的情況下，僅光伏發(fā)電便達(dá)到了33.41GW，風(fēng)電則為20. 73GW。雖然由于基礎(chǔ)負(fù)荷無(wú)法繼續(xù)向下調(diào)節(jié)容量以消納所有風(fēng)光發(fā)電，因此存在一部分電力出口，但該時(shí)段可再生能源發(fā)電量達(dá)到了總用電消費(fèi)的83.7%。
四月的負(fù)荷曲線中可以看出新冠流行的封鎖對(duì)總負(fù)荷量的影響更大了，整個(gè)負(fù)荷曲線向下移動(dòng)了約10GW。光伏發(fā)電在四月總發(fā)電量中占比非常高，4月22日下午13：00，光伏設(shè)備共發(fā)電37.01GW，所有可再生能源發(fā)電占總負(fù)荷量約為84.6%。
五月、六月德國(guó)總用電負(fù)荷仍處于相對(duì)較低的水平，人均負(fù)荷略高于中國(guó)，風(fēng)力發(fā)電量逐漸降低，但光伏發(fā)電量仍較高。五月的光伏發(fā)電峰值為35.27GW（5月6日12：15），六月則為37.25GW（6月1日13：00）。
七、八月德國(guó)的光照資源仍十分優(yōu)越，由于總負(fù)荷還沒(méi)有回到正常范圍，許多天可再生能源與化石燃料發(fā)電量之和都超過(guò)了德國(guó)的總負(fù)荷量，得益于多年來(lái)發(fā)展的較好跨國(guó)電力通道建設(shè)，多余的電力通過(guò)跨國(guó)輸電網(wǎng)出口至其他歐洲國(guó)家, 共同消納。
同時(shí)還可以看到，自五月大面積的封鎖開(kāi)始后，德國(guó)每天的負(fù)荷曲線不再總是有明顯的出現(xiàn)在早晨和傍晚的兩個(gè)峰值，而形成了更多僅在午間達(dá)峰，早晚都偏低的負(fù)荷曲線形態(tài)。尤其是在五月，早晚與午間峰值的負(fù)荷差相較于二、三月更高，這都體現(xiàn)出了新冠封鎖和居家辦公帶來(lái)的人們生活、用電習(xí)慣的變化。
九月下旬至十月，全社會(huì)用電量開(kāi)始慢慢升至封鎖前的水平，早上和傍晚的兩個(gè)用電峰值也重新體現(xiàn)在了負(fù)荷曲線的形狀中。此外，10月開(kāi)始逐漸進(jìn)入冬季，光伏發(fā)電功率越來(lái)越低，最高發(fā)電量?jī)H為22.56GW，而風(fēng)力發(fā)電量則顯現(xiàn)增高趨勢(shì)，在10月21日達(dá)到了41.17GW的高峰發(fā)電量。
02
2020年第一季度與2019年第一季度對(duì)比
德國(guó)能源和水行業(yè)協(xié)會(huì)（BDEW）和巴登-符騰堡州太陽(yáng)能與氫能研究中心都對(duì)德國(guó)第一季度的可再生能源發(fā)電占比進(jìn)行了測(cè)算，均認(rèn)同二、三月天晴風(fēng)大的氣候因素和疫情導(dǎo)致的用電需求下降使得可再生能源發(fā)電占比快速增加。根據(jù)BDEW的測(cè)算結(jié)果，德國(guó)在2020年第一季度的總用電量（與2019年同期）下降2%，而總發(fā)電量卻同比下降了近7%。這其中核能和化石燃料發(fā)電減少了15%，風(fēng)力發(fā)電量卻激增20%。綜合這些因素，使得可再生能源達(dá)到總發(fā)電量的52%。我們可以通過(guò)比較2019年和2020年2，3月的負(fù)荷曲線看出這點(diǎn)。
2019年2月：
2020年2月：
相比之下，2020年2月的風(fēng)力資源確實(shí)明顯更優(yōu)，尤其是在2月中下旬，風(fēng)力發(fā)電量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于2019年2月。整個(gè)月內(nèi)有許多天風(fēng)光發(fā)電總和占當(dāng)日總電力負(fù)荷的超過(guò)50%。因此，2020年2月創(chuàng)下單月可再生能源發(fā)電占比61.8%的記錄也就不足為奇了。
2019年3月：
2020年3月：
2020年3月上中旬的風(fēng)力發(fā)電量相對(duì)低于2019年同期，光伏發(fā)電量也未占較高的優(yōu)勢(shì)。但自三月下旬起，風(fēng)光發(fā)電量都有所上升，尤其是太陽(yáng)能發(fā)電量，同時(shí)受疫情影響總電力負(fù)荷量開(kāi)始減少，兩種因素綜合之下，可再生能源發(fā)電量總和占比在3月反而增高了。
03
德國(guó)高比例風(fēng)光系統(tǒng)的靈活性調(diào)控
盡管近年來(lái)具有間歇性和不確定性的可再生能源發(fā)電比例一直在上升，德國(guó)仍然是世界上最可靠的電網(wǎng)之一，其電網(wǎng)安全穩(wěn)定性和供電可靠性都有一定的保障。根據(jù)德國(guó)聯(lián)邦網(wǎng)絡(luò)局（Federal Network Agency，Bundesnetzagentur）的數(shù)據(jù)，2019年德國(guó)每個(gè)用戶(hù)的年平均停電時(shí)長(zhǎng)為12.2分鐘，低于2019年的13.91分鐘，在整個(gè)歐洲及OECD國(guó)家中位列第二，僅次于瑞士，供電可靠率達(dá)到接近五個(gè)九的99.998%，綜合電壓合格率也極高。相比之下，其他歐盟國(guó)家如英國(guó)，法國(guó)和西班牙每年都有大約50分鐘的中斷。此外，根據(jù)美國(guó)能源信息署（EIA）的數(shù)據(jù)，2019年美國(guó)的平均電力中斷事件為284分鐘（約4.7小時(shí)），即使除去山火，颶風(fēng)和嚴(yán)重暴風(fēng)氣候的影響，用戶(hù)的平均斷電時(shí)間也高達(dá)92分鐘，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于德國(guó)的水平。
（source: https://www.bundesnetzagentur.de/EN/Areas/Energy/Companies/SecurityOfSupply/QualityOfSupply/QualityOfSupply_node.html）
盡管較低的年均停電時(shí)間已經(jīng)驗(yàn)證了德國(guó)電網(wǎng)的相對(duì)穩(wěn)定和可靠性，聯(lián)邦網(wǎng)絡(luò)局仍稱(chēng)目前德國(guó)的停電現(xiàn)象更多是由極端天氣引起的，認(rèn)為間歇性的可再生能源的過(guò)渡對(duì)電力供應(yīng)質(zhì)量并沒(méi)有較大的負(fù)面影響，供電可靠性與綜合電壓合格率持續(xù)處于高位。該機(jī)構(gòu)的一個(gè)新聞稿中稱(chēng)，自2006年開(kāi)始對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控以來(lái)，德國(guó)年度可再生能源電力生產(chǎn)量占總電力負(fù)荷的份額從11.8%上升至2019年的42.4%，2019年風(fēng)光出力最高時(shí)候的發(fā)電占比高達(dá)83.6%，但平均停電時(shí)間仍呈逐年減少趨勢(shì)。2017年雖中斷時(shí)間有所提高，但主要是因?yàn)轱Z風(fēng)，洪水和降雪等極端天氣事件所導(dǎo)致。
那么，德國(guó)到底是如何做到在不影響電網(wǎng)穩(wěn)定性的前提下不斷提高電網(wǎng)消納可再生能源發(fā)電的能力的呢？下面我們將對(duì)德國(guó)實(shí)現(xiàn)風(fēng)光最大化消納的技術(shù)手段進(jìn)行分析介紹。
1.常規(guī)基礎(chǔ)能源發(fā)電的靈活調(diào)度
為實(shí)時(shí)平衡中長(zhǎng)期、日內(nèi)、小時(shí)級(jí)用戶(hù)的需求和可再生能源的電力平衡與電量平衡，常規(guī)發(fā)電組合須得在任意時(shí)刻靈活調(diào)整出力，提高電力系統(tǒng)整體靈活性，落實(shí)《德國(guó)可再生能源法》中可再生能源全額消納要求，保證負(fù)荷側(cè)與電源側(cè)實(shí)時(shí)匹配和電力系統(tǒng)高可靠性和靈活性。在德國(guó)，大部分硬煤電廠最初在設(shè)計(jì)時(shí)都考慮了靈活出力，現(xiàn)存的建于19世紀(jì)八、九十年代的褐煤電廠雖然相對(duì)靈活性較低，近年來(lái)都經(jīng)過(guò)了改造，以允許其向下調(diào)節(jié)到最高出力的40%。類(lèi)似的，德國(guó)的燃?xì)怆娬疽苍谶M(jìn)行設(shè)計(jì)和改造，以提高其靈活性。目前德國(guó)的常規(guī)發(fā)電廠幾乎全都可以滿(mǎn)足市場(chǎng)負(fù)荷變化的要求。
以2020年2月10~16日的一周為例，該時(shí)段內(nèi)德國(guó)風(fēng)電產(chǎn)量非常高，峰值可達(dá)45.48GW。因此，燃?xì)獍l(fā)電，燃煤發(fā)電，甚至核電都在相應(yīng)調(diào)節(jié)出力。例如，2月16日周日午間13：00，德國(guó)總電力負(fù)荷量為54.38GW，相對(duì)工作日同一時(shí)間的負(fù)荷較少。由于正值正午，光電出力為8.59GW，而風(fēng)力發(fā)電則達(dá)到了39.63GW。為消納這部分可再生能源發(fā)電，燃?xì)怆姀S在該時(shí)段壓至當(dāng)周最高出力的15.4%，硬煤電廠和褐煤電廠則分別壓至當(dāng)周最高出力的19.5%和35.4%。核電廠相對(duì)本周最高出力也減少了約35%。
作為調(diào)節(jié)主力的燃?xì)怆姀S在短短幾天內(nèi)，從2月14日晚間13.32GW的出力峰值，降低到2月16日午間的2.7GW。到2月17日早間風(fēng)力發(fā)電量有所減弱時(shí)，燃?xì)怆姀S出力又重新升至5.22GW?？偟膩?lái)說(shuō)靈活性電源很好的保障了電網(wǎng)的穩(wěn)定安全供應(yīng)。
德國(guó)的抽水蓄能也具有很強(qiáng)的調(diào)節(jié)能力（藍(lán)色色塊），全國(guó)31座蓄抽水能電站主要在早，晚兩個(gè)用電高峰時(shí)間出力，分別對(duì)光電和風(fēng)電進(jìn)行補(bǔ)充和調(diào)節(jié)。部分蓄水池是由廢棄的礦井改造而成，也是對(duì)煤炭場(chǎng)舊址的合理利用。
2. 現(xiàn)貨市場(chǎng)電價(jià)調(diào)節(jié)機(jī)制
德國(guó)電力現(xiàn)貨市場(chǎng)的出清價(jià)格調(diào)節(jié)機(jī)制也使得常規(guī)發(fā)電源更有動(dòng)力根據(jù)風(fēng)光發(fā)電調(diào)節(jié)出力。電力現(xiàn)貨市場(chǎng)的價(jià)格往往與當(dāng)時(shí)清潔能源發(fā)電量的盈余程度成反比。一般情況下，越多可再生能源電力在電力系統(tǒng)中參與調(diào)度，電力市場(chǎng)的出清價(jià)格就會(huì)越低。這是因?yàn)橐环矫?，風(fēng)光發(fā)電的邊際成本在近幾年已經(jīng)低于煤炭和天然氣發(fā)電，另一方面，歐洲電力現(xiàn)貨市場(chǎng)體制機(jī)制是為邊際成本為零的可再生能源消納量身打造，當(dāng)可再生能源出力高時(shí)，現(xiàn)貨市場(chǎng)電價(jià)下降。電價(jià)下降也就意味著售電盈利減少，甚至出現(xiàn)負(fù)電價(jià)，各類(lèi)常規(guī)資源就會(huì)盡可能壓低出力。而風(fēng)光出力不足，現(xiàn)貨市場(chǎng)出清價(jià)上漲時(shí)，各類(lèi)傳統(tǒng)機(jī)組會(huì)嘗試逐步拉高出力，受高電價(jià)的激勵(lì)，而靈活性電源得益于其快速響應(yīng)能力，會(huì)在秒級(jí)和分鐘級(jí)別快速響應(yīng)提高出力，達(dá)成較好的盈利。有鑒于此，建設(shè)靈活性電源的積極性和商業(yè)成熟度會(huì)大大增強(qiáng)，同時(shí)常規(guī)電源機(jī)組也會(huì)產(chǎn)生較大意愿進(jìn)行靈活性改造以降低最低出力，增升爬升響應(yīng)速度。我們可以通過(guò)德國(guó)2月風(fēng)光資源較豐富和相對(duì)9月資源匱乏的兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)電力出清價(jià)格的比較看出這點(diǎn)。
先看9月：
圖中的藍(lán)色曲線代表每日的電價(jià)（右y軸），黃色和綠色色塊分別代表光伏、風(fēng)電出力，淺棕色色塊則是化石能源與核能（以下統(tǒng)稱(chēng)常規(guī)能源）的發(fā)電量?？梢钥闯觯旁码m然風(fēng)電出力較小，但光照資源較為優(yōu)越，因此電價(jià)曲線在一天內(nèi)有非常明顯的峰谷差，最高位和最低位現(xiàn)貨市場(chǎng)出清價(jià)格平均相差約20~30歐元/MWh–正午光電出力最高時(shí)電價(jià)非常低，早晚風(fēng)光發(fā)電都較弱時(shí)電價(jià)又會(huì)暴漲。燃煤、燃?xì)鈾C(jī)組的出力曲線因此與電價(jià)曲線的形狀十分相似，且能看出電價(jià)曲線一般會(huì)略先于基礎(chǔ)能源發(fā)電曲線，說(shuō)明現(xiàn)貨市場(chǎng)的價(jià)格變化有效激勵(lì)了這些常規(guī)電源的靈活出力和調(diào)峰。9月12~13日的周末，由于整體負(fù)荷較低，光伏出力又比較高，現(xiàn)貨市場(chǎng)甚至還出現(xiàn)了負(fù)電價(jià)。這是可再生能源大發(fā)情況下常出現(xiàn)的一種現(xiàn)象，意味著當(dāng)常規(guī)電源壓至最低出力仍不能消納所有可再生能源發(fā)電后，電力公司會(huì)向用戶(hù)支付一定的費(fèi)用讓他們開(kāi)啟家中的電力設(shè)備以消耗多余的發(fā)電，以避免導(dǎo)致電網(wǎng)阻塞和重載超載現(xiàn)象發(fā)生。
另外請(qǐng)注意9月15日，當(dāng)天晚間19：00電力現(xiàn)貨市場(chǎng)出現(xiàn)了德國(guó)2020年以來(lái)最高的出清價(jià)格，約554歐元/MWh。這主要是由于該時(shí)間段內(nèi)幾乎無(wú)風(fēng)電出力，一些成本較高的基礎(chǔ)電廠相應(yīng)調(diào)至最大出力承擔(dān)剩余負(fù)荷造成的。數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)時(shí)硬煤和褐煤電廠出力達(dá)本月最高水平的96%和78%，燃?xì)怆娬境隽t達(dá)本月最高水平的84%。
再看2月：
德國(guó)2月大部分日子的電價(jià)都在35歐元/MWh左右，低于9月的整體電價(jià)。但由于風(fēng)力資源較優(yōu)，全天候風(fēng)電出力都比較大，2月每天峰谷電價(jià)之差，即一天內(nèi)市場(chǎng)出清價(jià)格的波動(dòng)小于9月，且有多次都出現(xiàn)了負(fù)電價(jià)。常規(guī)電源機(jī)組出力曲線仍表現(xiàn)出一定滯后于電價(jià)，又與電價(jià)曲線波動(dòng)情況較為相似的形狀，反應(yīng)出電價(jià)機(jī)制良好的指引作用。
3. 堅(jiān)強(qiáng)的跨國(guó)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)
跨國(guó)電力聯(lián)網(wǎng)進(jìn)一步提高系統(tǒng)靈活性，有助于電力在更大范圍內(nèi)進(jìn)行資源配置。與德國(guó)接壤的9個(gè)歐洲國(guó)家，分別通過(guò)28條380kv~400kv和31條220kv~285kv的輸電線路進(jìn)行連接。當(dāng)?shù)聡?guó)可再生能源發(fā)電較高時(shí)，除了靠基礎(chǔ)電源調(diào)節(jié)出力，還可以將多余電力出口至鄰國(guó)電網(wǎng)。同樣以2020年2月和9月為例看德國(guó)的電力出口情況。
9月：
以0GW為界，圖中低于0GW的發(fā)電量均為出口，而高于0GW的淺紫色色塊（如黃圈中標(biāo)出的部分）則為凈電力進(jìn)口。可以看出，9月風(fēng)光資源一般的情況下電力出口量并不高，最高電力進(jìn)口量也不超過(guò)10GW。
2月：
二月的電力出口明顯多于九月，最多的一天（2月9日晨間）出口量達(dá)14.94GW，而當(dāng)時(shí)德國(guó)總負(fù)荷量也僅為41.10GW，其中可再生能源占72%，也就是說(shuō)雖然有近半數(shù)的風(fēng)，光，水力發(fā)電并沒(méi)有被消納，但卻靈活地出口到了其他國(guó)家。2月27日傍晚17：30，太陽(yáng)接近下山后光伏幾乎無(wú)出力，風(fēng)力發(fā)電也僅有5.95GW，幾乎是整個(gè)2月的最低。為應(yīng)對(duì)可再生能源的低出力，硬煤和褐煤電廠分別提升至了本月最高出力的80%和72%，燃?xì)怆娬緞t提升至本月最高出力的93%。在仍無(wú)法滿(mǎn)足全部負(fù)荷的情況下，德國(guó)從鄰國(guó)電網(wǎng)中進(jìn)口了8.47GW電力，成功保障了電力供應(yīng)安全。
基于2月的出口數(shù)據(jù)，接下來(lái)我們來(lái)看一看德國(guó)主要的電力進(jìn)出口國(guó)家分別有哪些。以下數(shù)據(jù)均取自Agora數(shù)據(jù)平臺(tái)。
主要電力出口國(guó)：（按圖標(biāo)順序，下同）瑞士，波蘭，奧地利，捷克，盧森堡
主要電力進(jìn)口國(guó)家：丹麥，瑞典
電力進(jìn)出口均較多的國(guó)家：法國(guó)，荷蘭
在地圖上顯示各國(guó)與德國(guó)的進(jìn)出口關(guān)系如下。
當(dāng)前國(guó)內(nèi)少數(shù)專(zhuān)家誤傳德國(guó)高比例新能源電力系統(tǒng)主要依賴(lài)于波蘭的煤電，甚至誤傳波蘭在兩國(guó)邊境沿線建設(shè)煤電機(jī)組，需要正本清源的是，這與事實(shí)不符。波蘭與德國(guó)在電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)中屬于弱聯(lián)絡(luò)，且在電力邊貿(mào)方面，波蘭每年從德國(guó)進(jìn)口九十億度來(lái)自可再生能源占主所發(fā)的電力，屬于典型電力凈進(jìn)口國(guó)，德國(guó)幾乎不從波蘭進(jìn)口電力，并沒(méi)有依靠波蘭煤電滿(mǎn)足自身需求，相反，波蘭需要德國(guó)可再生能源發(fā)電供應(yīng)傳輸滿(mǎn)足其國(guó)內(nèi)電力需求。與此同時(shí)，波蘭政府已經(jīng)于2020年與歐盟達(dá)成一致，最遲于2049年徹底退出煤炭煤電領(lǐng)域，所有煤電機(jī)組將會(huì)于三十年內(nèi)全部關(guān)停。至此，歐盟主要經(jīng)濟(jì)體甚至全部27國(guó)已經(jīng)在退出煤炭煤電領(lǐng)域方面達(dá)成高度一致，未來(lái)歐洲大陸各國(guó)建設(shè)新一代高比例新能源電力系統(tǒng)，將成為引領(lǐng)全球能源轉(zhuǎn)型的主流宏觀趨勢(shì)。
4. 先進(jìn)的風(fēng)光預(yù)測(cè)及調(diào)度運(yùn)行技術(shù)
雖然風(fēng)光發(fā)電量是隨時(shí)變化的，但卻有一定的可預(yù)測(cè)性。消納高比例可再生能源的一個(gè)基礎(chǔ)就是正確的對(duì)其發(fā)電功率開(kāi)展超短期負(fù)荷預(yù)測(cè)。在德國(guó)，基于天氣預(yù)報(bào)的新能源功率預(yù)測(cè)屬于商業(yè)領(lǐng)域。各大電網(wǎng)公司以及電力供求各方皆會(huì)購(gòu)買(mǎi)來(lái)自專(zhuān)業(yè)機(jī)構(gòu)的預(yù)測(cè)服務(wù)?；谔鞖忸A(yù)報(bào)的結(jié)果提前數(shù)分鐘甚至數(shù)天來(lái)預(yù)測(cè)可再生能源的輸出，并對(duì)此進(jìn)行精確的建模和預(yù)先調(diào)度，可以減輕電力市場(chǎng)的靈活性要求負(fù)擔(dān)。德國(guó)50Hertz電力公司全網(wǎng)日前風(fēng)電功率預(yù)測(cè)均方根誤差可以達(dá)到2%～4%，太陽(yáng)能可以達(dá)到5%～7%。大型新能源場(chǎng)站，如正在大力開(kāi)發(fā)的德國(guó)北部海上風(fēng)電，也要開(kāi)展功率預(yù)測(cè)工作，根據(jù)預(yù)測(cè)發(fā)電能力參與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。
04
進(jìn)一步提高消納比例的挑戰(zhàn)
德國(guó)的目標(biāo)是到2030年達(dá)到50％的可再生能源份額，到2050年達(dá)到80％的份額。到目前為止，德國(guó)尚未在電網(wǎng)資源配置方面遇到顛覆性難題，成功地平衡了其可再生能源的不穩(wěn)定發(fā)電，棄風(fēng)棄光率也長(zhǎng)期處于低位，這在一定程度是配電網(wǎng)從無(wú)源轉(zhuǎn)向有源，德國(guó)電力系統(tǒng)在貫徹“分層分區(qū)就地平衡”方面做的極為嚴(yán)謹(jǐn)卓越。與此同時(shí)，為進(jìn)一步提高消納比例，維持一如既往的超高供電可靠性，德國(guó)的電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)公司還面臨著很多挑戰(zhàn)。
1. 國(guó)內(nèi)輸電網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展瓶頸
德國(guó)的風(fēng)力發(fā)電是可再生能源發(fā)電的重要部分，出力一般高于太陽(yáng)能發(fā)電。然而，現(xiàn)存的以及規(guī)劃中即將新建的風(fēng)電場(chǎng)大部分位于風(fēng)力資源優(yōu)厚的德國(guó)北部，而大都市區(qū)和高耗能的工廠多建于該國(guó)的南部和西部，因此發(fā)電和耗電中心并不匹配。
按照Amprion電網(wǎng)公司針對(duì)2015年與2030年情景所做電力平衡，未來(lái)十年后德國(guó)南部電力緊缺，北部電力盈余（南缺北豐現(xiàn)象），然而，目前連接德國(guó)南北部35，000公里的直流輸電線并不能完全承擔(dān)將北部的剩余發(fā)電傳至南部的任務(wù)。特別是在大風(fēng)天，北部的現(xiàn)貨電力市場(chǎng)中有大量廉價(jià)的可再生能源參與競(jìng)價(jià)，大大壓低電力批發(fā)價(jià)格，鼓勵(lì)南部用戶(hù)購(gòu)電，然而現(xiàn)有的輸電線卻無(wú)法將這些風(fēng)能全部輸送給客戶(hù)。因此，雖然北部發(fā)電中心可以在一定程度上通過(guò)靈活性調(diào)節(jié)和出口避免浪費(fèi)風(fēng)電，但南部電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商仍需調(diào)度價(jià)格較高的常規(guī)能源機(jī)組進(jìn)行發(fā)電，從而提高了饋電成本。此外，由于各個(gè)北歐國(guó)家都在擴(kuò)大風(fēng)光發(fā)電能力，并且所有市場(chǎng)的用戶(hù)行為都表現(xiàn)出很大的相似性，因此調(diào)整進(jìn)出口以滿(mǎn)足德國(guó)電力市場(chǎng)穩(wěn)定性的能力將會(huì)越來(lái)越有限。這就使得南北輸電線的建設(shè)更有必要。
對(duì)此，德國(guó)政府和電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)開(kāi)始加快建設(shè)更多的南北輸電線，見(jiàn)上圖。根據(jù)聯(lián)邦網(wǎng)絡(luò)局的數(shù)據(jù)，2025年之前，預(yù)計(jì)將有4650公里的新電線建成，另有約3050公里的電力線被翻新。雖然鋪設(shè)新線路涉及到土地，居民等方方面面的協(xié)調(diào)管理，但若不加快輸電線的建設(shè)以減少南北能源消費(fèi)和生產(chǎn)的不平衡情況，這一問(wèn)題可能會(huì)成為德國(guó)當(dāng)前目標(biāo)達(dá)成的向100%可再生能源發(fā)電的最大阻礙因素。
德國(guó)與周邊國(guó)家電力潮流交換圖
2. 轉(zhuǎn)型帶來(lái)的高電價(jià)
雖然德國(guó)的可再生能源發(fā)電發(fā)展迅速，但這也是有代價(jià)的。政府通過(guò)補(bǔ)貼使廉價(jià)的可再生能源在電力市場(chǎng)中優(yōu)先競(jìng)價(jià)出清，從而壓低了現(xiàn)貨市場(chǎng)的電價(jià)。對(duì)于部分在批發(fā)市場(chǎng)中直接購(gòu)電的高能耗大型工廠來(lái)說(shuō)，這減少了他們的電費(fèi)支出，使其受益。然而，對(duì)于無(wú)法以批發(fā)價(jià)在現(xiàn)貨市場(chǎng)購(gòu)電的家庭或小型企業(yè)來(lái)說(shuō)，大量可再生能源實(shí)際上推高了他們的電價(jià)。這是因?yàn)檎畬?shí)際上是通過(guò)在終端居民賬單中加征可再生能源稅，網(wǎng)絡(luò)費(fèi)用等來(lái)向風(fēng)電場(chǎng)和光伏電站提供資金補(bǔ)貼，這些費(fèi)用甚至能占到總電價(jià)的三分之二。下圖說(shuō)明了近20年來(lái)德國(guó)電價(jià)和各種稅收的增長(zhǎng)。
面對(duì)居民日益加重的用電負(fù)擔(dān)，2012年德國(guó)政府緊急剎車(chē)，開(kāi)始削減對(duì)可再生能源的補(bǔ)貼，尤其為光伏設(shè)置了補(bǔ)貼容量上限。這在一定程度上避免了電價(jià)的繼續(xù)飛漲。當(dāng)前聯(lián)邦政府已經(jīng)明確，同時(shí)可再生能源將進(jìn)一步增長(zhǎng)的同時(shí)，未來(lái)德國(guó)電價(jià)將持續(xù)穩(wěn)定，德國(guó)將進(jìn)一步改善激勵(lì)機(jī)制，在不影響可再生能源低價(jià)上網(wǎng)出清的前提下減少德國(guó)終端用戶(hù)的電費(fèi)支出。
05
世界各國(guó)的電力系統(tǒng)穩(wěn)定性挑戰(zhàn)
隨著可再生能源份額的增長(zhǎng)，世界上各個(gè)國(guó)家都在應(yīng)對(duì)高比例風(fēng)光給電網(wǎng)帶來(lái)的挑戰(zhàn)。德國(guó)通過(guò)一系列煤氣靈活性改造，與周邊國(guó)家互聯(lián)網(wǎng)架等已經(jīng)達(dá)到了很高的可再生能源滲透率，許多其他國(guó)家也在采取類(lèi)似或不同的措施達(dá)到此目標(biāo)。在美國(guó)，電力市場(chǎng)監(jiān)管者更多從需求方進(jìn)行管理，推動(dòng)需求側(cè)響應(yīng)，分布式發(fā)電滲透，輔助服務(wù)市場(chǎng)的發(fā)展，或增加電力系統(tǒng)與其他部門(mén)的耦合等。加利福尼亞州尤其是各種創(chuàng)新技術(shù)和機(jī)制的施行地。在歐洲，丹麥主要通過(guò)與鄰國(guó)電網(wǎng)互聯(lián)，尤其是北歐國(guó)家的電網(wǎng)，達(dá)到高比例的風(fēng)光整合率并穩(wěn)定的保持電力供應(yīng)的安全。除此之外，丹麥創(chuàng)新性的將發(fā)電與供熱結(jié)合在一起，根據(jù)風(fēng)光資源發(fā)電的波動(dòng)改變熱電聯(lián)產(chǎn)工廠的儲(chǔ)熱和發(fā)電比例，由此靈活改變出力以達(dá)到系統(tǒng)的平衡。風(fēng)力發(fā)電較高的西班牙依靠更先進(jìn)的電網(wǎng)控制技術(shù)和風(fēng)力預(yù)測(cè)系統(tǒng)，以及其靈活的水力資源發(fā)電，也達(dá)到了大區(qū)域電網(wǎng)的平衡。在與其他電網(wǎng)相對(duì)獨(dú)立的南澳大利亞，由于無(wú)法依靠跨國(guó)網(wǎng)架平衡電力輸出，因此也一直在開(kāi)發(fā)先進(jìn)的風(fēng)光預(yù)測(cè)技術(shù)，以減少電力市場(chǎng)的波動(dòng)。
此外，包括冰島，挪威，新西蘭等國(guó)家可再生能源比例實(shí)際上已經(jīng)達(dá)到了驚人的60~99%，但在這些國(guó)家，可再生能源主要指的是可調(diào)度的水電，地?zé)峄蛏镔|(zhì)發(fā)電，與太陽(yáng)能和風(fēng)能發(fā)電相比間歇性和波動(dòng)性較小。因此這些國(guó)家的可再生能源并網(wǎng)挑戰(zhàn)并不是我們關(guān)注的重點(diǎn)。
06
對(duì)中國(guó)的啟示
20年前，國(guó)家電網(wǎng)部分電力專(zhuān)家認(rèn)為電網(wǎng)中可再生能源占比超過(guò)百分之十，由于其波動(dòng)性，電網(wǎng)就很大可能會(huì)崩潰。現(xiàn)在，德國(guó)已經(jīng)證明了一季度內(nèi)52%的可再生能源供應(yīng)也是安全可靠的，且這是在完全沒(méi)有儲(chǔ)能裝置的情況下做到的。隨著各類(lèi)電力系統(tǒng)靈活性資源的挖掘和支撐，未來(lái)德國(guó)電網(wǎng)80%甚至100%可再生能源電力系統(tǒng)指日可待。
在中國(guó)也有越來(lái)越多的可再生能源并網(wǎng)，然而風(fēng)光發(fā)電的不確定性曾一度導(dǎo)致我國(guó)棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象嚴(yán)重，僅2015年我國(guó)可再生能源發(fā)電削減總量就超過(guò)了338億千瓦時(shí)，相當(dāng)于劉家峽水電站6年的發(fā)電量。高比例可再生能源并網(wǎng)導(dǎo)致的干擾和網(wǎng)絡(luò)可控性不足的問(wèn)題也導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)脫網(wǎng)事故頻發(fā)。這些都使得高比例風(fēng)光消納在我國(guó)成為一大挑戰(zhàn)。然而，在探索和破解高比例可再生能源發(fā)展的道路上，我們事實(shí)上可以從德國(guó)的轉(zhuǎn)型經(jīng)驗(yàn)中得到一定的啟示：
1.高比例消納可再生能源本質(zhì)上是電源的平衡和調(diào)節(jié)過(guò)程，因此如抽水蓄能等靈活性資源就及其重要。中國(guó)目前以煤電為主的電網(wǎng)確實(shí)缺乏較強(qiáng)的為風(fēng)光發(fā)電做深度調(diào)峰的能力。雖然國(guó)家能源局自2016年起就開(kāi)始試行煤電廠火電靈活性改造項(xiàng)目，挖掘燃煤機(jī)組調(diào)峰潛力，提高可再生能源消納能力，但不管是調(diào)峰能力，爬坡速度，還是啟停時(shí)間，我國(guó)目前的煤電改造成果相較于德國(guó)，丹麥等還沒(méi)能達(dá)到最高水平。同時(shí)，相較于煤電機(jī)組，燃?xì)鈾C(jī)組的調(diào)峰能力更強(qiáng)。因此在以燃?xì)怆娬据^為普及的國(guó)家，即使不經(jīng)靈活性改造，其電網(wǎng)可再生能源發(fā)電并網(wǎng)的能力也更高，從而在一定范圍內(nèi)能有效減少風(fēng)光波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的危害。在目前我國(guó)2030年碳排放達(dá)峰，2060年達(dá)到凈零碳的目標(biāo)下，對(duì)化石燃料機(jī)組的靈活性改造將是支撐可再生能源持續(xù)并網(wǎng)，達(dá)到電力系統(tǒng)凈零碳的第一步。
2.與德國(guó)類(lèi)似，中國(guó)也存在一定程度上發(fā)電中心和負(fù)荷中心的電力不平衡矛盾，因此加強(qiáng)和擴(kuò)展輸電網(wǎng)絡(luò)，推動(dòng)智能配電網(wǎng)的發(fā)展，踐行分層分區(qū)就地平衡，以集中式與分布式協(xié)同發(fā)展，將是提高可再生能源消納比例的另一個(gè)重要策略。
3.大力推進(jìn)電力期貨與電力現(xiàn)貨市場(chǎng)建設(shè)，持續(xù)深化推進(jìn)電力體制改革也是提高電力系統(tǒng)消納能力的重要支撐。
4. 歐盟2050碳中和目標(biāo)與中國(guó)2060碳中和目標(biāo)高度一致，新一代高比例新能源電力系統(tǒng)將成為重要?jiǎng)傂孕枨蟆?
作者評(píng)論
作為傳統(tǒng)工業(yè)強(qiáng)國(guó)的德國(guó)，煤電有力支撐了十九世紀(jì)德國(guó)第一次工業(yè)革命和第二次工業(yè)革命，但德國(guó)人意識(shí)到——“石器時(shí)代的結(jié)束并不是因?yàn)槭^被用光了，煤炭時(shí)代的結(jié)束也絕不會(huì)是煤炭被燒光”，伴隨著可再生能源的蓬勃發(fā)展和全民環(huán)保意識(shí)的極大增強(qiáng)，保守傳統(tǒng)而嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牡聡?guó)人，已經(jīng)下定決心，立下宏愿，在德國(guó)能源轉(zhuǎn)型和歐盟碳中和目標(biāo)引領(lǐng)下，推動(dòng)德國(guó)電力系統(tǒng)從傳統(tǒng)火電慣量支撐下的電網(wǎng)，向80%新能源電量占比的高比例新能源電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型發(fā)展。德國(guó)聯(lián)邦政府已于2019年達(dá)成決議，繼2022年徹底退核后，最遲在2038年前德國(guó)徹底退出煤電煤炭領(lǐng)域，所有煤電機(jī)組，包括經(jīng)過(guò)多年建設(shè)剛投運(yùn)的煤電機(jī)組均需在2035年前，最晚2038年前全部退役，補(bǔ)償和再就業(yè)由發(fā)電企業(yè)和兩級(jí)政府共同承擔(dān)兜底。未來(lái)適應(yīng)高比例新能源發(fā)展的德國(guó)電力系統(tǒng)靈活性將由31座抽水蓄能電站、生物質(zhì)燃?xì)怆娬?、?jiān)強(qiáng)的跨國(guó)電力輸送通道提供的國(guó)間電力互濟(jì)，以及正在蓬勃發(fā)展的電源側(cè)和用戶(hù)側(cè)儲(chǔ)能提供支撐，而德國(guó)及歐洲現(xiàn)貨電力市場(chǎng)、電力輔助服務(wù)市場(chǎng)和歐盟碳交易市場(chǎng)為主的三大市場(chǎng)平臺(tái)為這些靈活性電力資源的提供了完整制度保障，通過(guò)搭建更好的法律、政策和市場(chǎng)體制機(jī)制保證靈活性資源的商業(yè)營(yíng)利性，隨著第三次工業(yè)革命到如今德國(guó)工業(yè)4.0的同步發(fā)展，2050年德國(guó)電力系統(tǒng)發(fā)展形態(tài)更呈現(xiàn)出完全不同的形態(tài)，電力能源行業(yè)將煥發(fā)全新活力。
