德國目前正處于能源轉(zhuǎn)型的中期，2020年可再生能源發(fā)電比例已達(dá)到46%。隨著可再生能源比例的不斷增加，電力系統(tǒng)平衡和負(fù)電價問題逐漸突出，是能源轉(zhuǎn)型中出現(xiàn)的典型問題。
一、系統(tǒng)平衡問題
一般來說，可再生能源的比例越高，系統(tǒng)的波動性越大，系統(tǒng)平衡成本也越高。美國是這樣，英國和法國也都是如此，但德國卻是個特例。據(jù)德國網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管部門統(tǒng)計，從2009年到2020年，德國平衡發(fā)電和用電的調(diào)頻功率非但沒有增加反而有所下降。
圖一：德國輸電公司平衡功率的招標(biāo)情況，其中PRL為一次調(diào)頻功率，SRL為二次調(diào)頻功率，MRL為三次調(diào)頻功率
德國業(yè)界認(rèn)為這和德國電力市場的設(shè)計和可再生能源預(yù)測都有關(guān)系。
德國的現(xiàn)貨市場設(shè)計了一種平衡基團(tuán)的機(jī)制。平衡基團(tuán)是一個虛擬的市場基本單元，在此單元中，發(fā)電和用電量必須達(dá)到平衡。當(dāng)單元內(nèi)部達(dá)不到自平衡時，必須買入或賣出電量來保持平衡。平衡基團(tuán)負(fù)責(zé)每天預(yù)測該區(qū)域內(nèi)流入與流出電量，根據(jù)需要買入或賣出電量平衡該區(qū)域電量，并制成計劃上交給輸電網(wǎng)公司，而輸電網(wǎng)公司會根據(jù)這些表格在內(nèi)部平衡之后做出全區(qū)域的計劃。當(dāng)預(yù)測和實際發(fā)生偏差時，平衡基團(tuán)必須承擔(dān)系統(tǒng)的平衡費用。
平衡基團(tuán)的機(jī)制是德國電力市場設(shè)計的核心，一方面保證了電量可以像證券一樣進(jìn)行交易，另一方面保證了電網(wǎng)發(fā)電和用電的平衡，維護(hù)了電網(wǎng)的穩(wěn)定。
德國約有2700多個平衡基團(tuán)，用2700多種方式方法來控制平衡，可以說是一種分而治之的平衡機(jī)制。平衡基團(tuán)的預(yù)測和平衡控制做得越好，系統(tǒng)需要的平衡功率就越少，所以有人甚至認(rèn)為這一市場機(jī)制是德國可再生能源高消納的秘密之一。
平衡基團(tuán)的機(jī)制也在很大程度上促進(jìn)了可再生能源預(yù)測的發(fā)展，因為每一個平衡基團(tuán)都必須認(rèn)真做預(yù)測，預(yù)測做的不好會直接影響到平衡基團(tuán)的收益。
除了利用不同的數(shù)學(xué)預(yù)測方法之外，德國很早就采用了多種天氣預(yù)報的模型預(yù)測可再生能源發(fā)電。
除了各種標(biāo)準(zhǔn)天氣預(yù)報數(shù)據(jù)以外，還有其它眾多的相關(guān)數(shù)據(jù)來源，比如衛(wèi)星的圖像數(shù)據(jù)、氣象雷達(dá)和氣象氣球的實時數(shù)據(jù)，航海和航天的天氣預(yù)報數(shù)據(jù)等，數(shù)據(jù)量越來越大，需要大數(shù)據(jù)技術(shù)才能更好地解決新能源預(yù)測問題。
可再生能源發(fā)電的影響因素也很重要。對光伏發(fā)電的預(yù)測曾出現(xiàn)過系統(tǒng)性誤差，結(jié)果發(fā)現(xiàn)原來是一層薄薄的晨霧遮蓋住了光伏電池板。撒哈拉沙塵造成的光伏預(yù)測誤差曾引起過系統(tǒng)備用嚴(yán)重不足。后來越來越多的影響因素被計入預(yù)測模型，例如積雪、冷鋒、颶風(fēng)、云層空氣對流、網(wǎng)絡(luò)棄風(fēng)棄光、可再生能源站運行狀態(tài)及網(wǎng)絡(luò)檢修計劃等等。
值得一提的是，德國天氣預(yù)報中心也為準(zhǔn)確預(yù)測可再生能源發(fā)電做出了很大的貢獻(xiàn)。該中心歷經(jīng)8年時間前后完成了三期國家研究項目，改進(jìn)了氣象模型，納入了可再生能源的實時觀察數(shù)據(jù)，推出了兩個可再生能源預(yù)測的專項服務(wù)產(chǎn)品，把發(fā)布預(yù)測時間縮短到了15分鐘，把預(yù)測周期延長到了45小時，還為架空線實時監(jiān)控提供了預(yù)測數(shù)據(jù)。最近德國氣象預(yù)報中心還完成了針對撒哈拉沙塵預(yù)報服務(wù)的研究項目，今后將提供服務(wù)專項，繼續(xù)減少光伏發(fā)電的預(yù)測誤差。
隨著逐年的大浪淘沙，德國市場上最后僅剩下了5家做預(yù)測服務(wù)的小公司。它們充分利用了平臺的規(guī)模效應(yīng)，不僅向德國同時還向全球提供預(yù)測服務(wù)，用最經(jīng)濟(jì)的價格滿足了市場預(yù)測的需求。據(jù)不完全統(tǒng)計，其中的兩家小公司在全球可再生能源預(yù)測服務(wù)市場的份額已經(jīng)達(dá)到了50%以上。
到2016年底，德國風(fēng)電預(yù)測的誤差已經(jīng)下降到2-4%左右，光伏發(fā)電的誤差下降到5-7%左右，大大減少了可再生能源引起的系統(tǒng)平衡費用。
由于德國現(xiàn)貨市場的設(shè)計和可再生能源預(yù)測都做得非常好，使現(xiàn)貨市場甚至取代了系統(tǒng)調(diào)頻輔助服務(wù)市場的一部分功能，成為德國能源轉(zhuǎn)型的一條很寶貴的經(jīng)驗。
二、負(fù)電價問題
歐洲尤其是德國隨著可再生能源比例增加，現(xiàn)貨市場上出現(xiàn)負(fù)電價的時候越來越多，主要出現(xiàn)在風(fēng)電和光伏發(fā)電同時達(dá)到最高峰的時候，也就是發(fā)電過剩的時候。
圖二：出現(xiàn)負(fù)電價的時段
歐洲各國都出現(xiàn)過負(fù)電價，而且是逐年增多。德國2019年有101小時出現(xiàn)過負(fù)電價，2020年9月份已經(jīng)達(dá)到164小時。
圖三：歐洲各國出現(xiàn)負(fù)電價的小時數(shù)
負(fù)電價時仍然有大量電廠在繼續(xù)發(fā)電，因為大電廠尤其是核電廠停機(jī)和啟動費用太高，系統(tǒng)備用機(jī)組也停不下來，尤其是熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組要供熱，由于熱電耦合還在繼續(xù)發(fā)電。德國業(yè)界認(rèn)為這些問題都是因為能源系統(tǒng)的靈活性不足而造成的。
圖四：傳統(tǒng)電廠在負(fù)電價時的占比
能源系統(tǒng)靈活性是指能源系統(tǒng)根據(jù)外部信號(價格信號或激活)而靈活地改變能源生產(chǎn)和消費的能力。
提高能源系統(tǒng)靈活性有多種方式。在電源側(cè)的措施有降低發(fā)電廠的停啟費用、熱電聯(lián)產(chǎn)集成電變熱裝置、增加再生能源裝置的可控性。在負(fù)荷側(cè)可以實施電變熱、電變氣、電變液以及負(fù)荷控制。另外還可以補(bǔ)充儲能系統(tǒng)，采用新能源市場直銷、虛擬電廠以及聚合營銷等捆綁方式售電用電。
德國的負(fù)荷削峰填谷控制已經(jīng)相當(dāng)完善，較大規(guī)模的可再生能源發(fā)電必須直銷現(xiàn)貨市場，虛擬電廠也已經(jīng)普及，而熱電聯(lián)產(chǎn)和電變熱方面的潛力還很大。
目前德國的供熱運營商正在改造熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的燃?xì)忮仩t，使熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組在電價恢復(fù)正常后能迅速啟動熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，做到隨叫隨到。
德國的供熱運營商已經(jīng)并正在安裝更大的電變熱模塊，以便在電價非常低或負(fù)電價時能夠暫時關(guān)閉或完全關(guān)閉熱電聯(lián)產(chǎn)電廠，并通過電變熱廉價提供剩余的熱負(fù)荷。這項措施的作用是減少銷售熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電的損失，尤其是在天然氣價位高的時候。
到2019年初，德國一共有36套大型電變熱裝置投入運行，功率分別為0.5到60兆瓦，總功率達(dá)555兆瓦，大部分集成到了城市綜合能源公司的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組中。
目前德國大型電變熱裝置的經(jīng)濟(jì)效益還不夠好，因為任何形式的用電都必須繳納“可再生能源稅”。從2014年以來行業(yè)協(xié)會一直在努力說服政府，希望能對電變熱免去附加稅費，而政府認(rèn)為這樣會一定程度上影響其它靈活用電裝置的市場公平性，所以也有公司將電變熱同時用于現(xiàn)貨和調(diào)頻輔助服務(wù)市場，以提高經(jīng)濟(jì)收益。從今年開始，德國政府已經(jīng)決定降低“可再生能源稅”，這將有助于提高大型電變熱裝置的經(jīng)濟(jì)效益。大型電變熱裝置的經(jīng)濟(jì)效益還跟全負(fù)荷時間長短有關(guān)。一般來說，全負(fù)荷時間800-1000小時左右可以盈利，尤其是有負(fù)電價的情況。到2025年，德國的風(fēng)能和太陽能的比例將超過55%，預(yù)期每年約有1000多小時的多余發(fā)電時間，大型電變熱裝置有希望進(jìn)入轉(zhuǎn)虧為盈的階段。
熱泵是另一種常見的電變熱裝置，大多數(shù)規(guī)模都不大。德國目前約有9萬多個熱泵，熱泵總功率已達(dá)到了10多GW。按照德國熱泵協(xié)會的估算，到2050年德國至少需要1700萬個熱泵，才能完成供熱轉(zhuǎn)型。目前已經(jīng)有一部分集成到了虛擬電廠系統(tǒng)里，用于現(xiàn)貨和調(diào)頻服務(wù)輔助市場，尤其是出現(xiàn)負(fù)電價的時候。隨著負(fù)電價的時段越來越多，集成熱泵的虛擬電廠的經(jīng)濟(jì)效益會越來越好。
德國政府也在試圖取消負(fù)電價時對可再生能源的補(bǔ)貼，但受到了行業(yè)協(xié)會的強(qiáng)烈反對。行業(yè)協(xié)會認(rèn)為2021年有相當(dāng)一部分可再生能源的補(bǔ)貼期將滿，它們在市場負(fù)電價時停止發(fā)電，會在一定程度上緩解負(fù)電價的情況。
綜合上述，德國的經(jīng)驗表明，具有自平衡機(jī)制的能源市場，加上對可再生能源發(fā)電量的精準(zhǔn)預(yù)測能有效降低平衡成本。持續(xù)提高能源系統(tǒng)的靈活性不僅可以有利于發(fā)揮現(xiàn)貨市場的作用，還可以防止負(fù)電價現(xiàn)象，是能源轉(zhuǎn)型成功的關(guān)鍵措施之一。
事實上，提高能源系統(tǒng)的靈活性始終貫穿于德國能源轉(zhuǎn)型的整個過程，動力主要來自通過利用能源系統(tǒng)靈活性企業(yè)可以在現(xiàn)貨和調(diào)頻市場上獲得更多的盈利，防止負(fù)電價造成的虧損。虛擬電廠就是一個典型的利用能源系統(tǒng)靈活性來賺錢的商業(yè)模型。
德國的經(jīng)驗還表明，綜合能源是能源轉(zhuǎn)型的終極方向，其中包括綜合能源服務(wù)和綜合能源網(wǎng)絡(luò)。只有把源網(wǎng)荷儲作為一個有機(jī)體來考慮，才能做到能源轉(zhuǎn)型的經(jīng)濟(jì)效益最佳。
【作者簡介：郭欣，博士，1984年赴德國讀博，畢業(yè)后一直在德國從事網(wǎng)絡(luò)控制工作，是德國第一代綜合能源網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的開拓者之一，主管過德國BTC商業(yè)技術(shù)咨詢公司的“智能網(wǎng)絡(luò)”業(yè)務(wù)，擔(dān)任過BTC公司上海分公司能源部總經(jīng)理，現(xiàn)任德國PSI軟件公司高級業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理】
