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)計了一種平衡基團的機制。平衡基團是一個虛擬的市場基本單元，在此單元中，發(fā)電和用電量必須達到平衡。當單元內(nèi)部達不到自平衡時，必須買入或賣出電量來保持平衡。平衡基團負責每天預(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。當預(yù)測和實際發(fā)生偏差時，平衡基團必須承擔系統(tǒng)的平衡費用。
平衡基團的機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行交易，另一方面保證了電網(wǎng)發(fā)電和用電的平衡，維護了電網(wǎng)的穩(wěn)定。
德國約有2700多個平衡基團，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制。平衡基團的預(yù)測和平衡控制做得越好，系統(tǒng)需要的平衡功率就越少，所以有人甚至認為這一市場機制是德國可再生能源高消納的秘密之一。
平衡基團的機制也在很大程度上促進了可再生能源預(yù)測的發(fā)展，因為每一個平衡基團都必須認真做預(yù)測，預(yù)測做的不好會直接影響到平衡基團的收益。
除了利用不同的數(shù)學預(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。
除了各種標準天氣預(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、云層空氣對流、網(wǎng)絡(luò)棄風棄光、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)報中心也為準確預(yù)測可再生能源發(fā)電做出了很大的貢獻。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)達到了50%以上。
到2016年底，德國風電預(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)負電價的時候越來越多，主要出現(xiàn)在風電和光伏發(fā)電同時達到最高峰的時候，也就是發(fā)電過剩的時候。
圖二：出現(xiàn)負電價的時段
歐洲各國都出現(xiàn)過負電價，而且是逐年增多。德國2019年有101小時出現(xiàn)過負電價，2020年9月份已經(jīng)達到164小時。
圖三：歐洲各國出現(xiàn)負電價的小時數(shù)
負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和啟動費用太高，系統(tǒng)備用機組也停不下來，尤其是熱電聯(lián)產(chǎn)機組要供熱，由于熱電耦合還在繼續(xù)發(fā)電。德國業(yè)界認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。在負荷側(cè)可以實施電變熱、電變氣、電變液以及負荷控制。另外還可以補充儲能系統(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。
德國的負荷削峰填谷控制已經(jīng)相當完善，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)機組的燃氣鍋爐，使熱電聯(lián)產(chǎn)機組在電價恢復(fù)正常后能迅速啟動熱電聯(lián)產(chǎn)機組，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)機組中。
目前德國大型電變熱裝置的經(jīng)濟效益還不夠好，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)濟效益。大型電變熱裝置的經(jīng)濟效益還跟全負荷時間長短有關(guān)。一般來說，全負荷時間800-1000小時左右可以盈利，尤其是有負電價的情況。到2025年，德國的風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)負電價的時候。隨著負電價的時段越來越多，集成熱泵的虛擬電廠的經(jīng)濟效益會越來越好。
德國政府也在試圖取消負電價時對可再生能源的補貼，但受到了行業(yè)協(xié)會的強烈反對。行業(yè)協(xié)會認為2021年有相當一部分可再生能源的補貼期將滿，它們在市場負電價時停止發(fā)電，會在一定程度上緩解負電價的情況。
綜合上述，德國的經(jīng)驗表明，具有自平衡機制的能源市場，加上對可再生能源發(fā)電量的精準預(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)荷儲作為一個有機體來考慮，才能做到能源轉(zhuǎn)型的經(jīng)濟效益最佳。
【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】
