中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：岑劍峰 廣西電網(wǎng)公司電網(wǎng)規(guī)劃研究中心
2021年，全球風(fēng)電、光伏發(fā)電量首次超過全球總發(fā)電量的十分之一（達(dá)到10.3%），其中已有50個(gè)國(guó)家實(shí)現(xiàn)風(fēng)電、光伏發(fā)電量占比超10%，而丹麥風(fēng)電、光伏發(fā)電量占比超50%[1]，在風(fēng)電、光伏高比例消納方面處于世界領(lǐng)先地位。在“雙碳”目標(biāo)的引領(lǐng)下，我國(guó)風(fēng)電、光伏等新能源發(fā)展成效顯著，裝機(jī)規(guī)模穩(wěn)居全球首位，發(fā)電量占比穩(wěn)步提升，丹麥新能源消納的實(shí)踐與經(jīng)驗(yàn)對(duì)我國(guó)應(yīng)對(duì)高比例新能源的接入具有研究?jī)r(jià)值與啟示。
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丹麥地理位置與資源稟賦
丹麥位于歐洲北部，南同德國(guó)接壤，西瀕北海，北與挪威、瑞典隔海相望（如圖1所示），屬溫帶海洋性氣候（春、冬季平均氣溫為0℃左右，夏、秋最高氣溫不超12℃）。由本土日德蘭半島、菲英島和西蘭島等附近400多個(gè)島嶼組成，面積約4.3萬(wàn)平方公里，人口約590萬(wàn)。
丹麥的化石能源較為貧乏，除天然氣和石油外，所需煤炭全部依靠進(jìn)口，而丹麥在全球范圍內(nèi)屬于風(fēng)力資源較豐富地區(qū)[2]，風(fēng)能資源分布特點(diǎn)為由東向西逐漸增強(qiáng)，陸上和海上50m高度的年平均風(fēng)速分別為6.5m/s、8.5—9m/s，風(fēng)能密度處于300—400W/m2。
立足于“缺煤、少油、少氣、富風(fēng)”的資源稟賦，丹麥大力發(fā)展風(fēng)電，形成了以風(fēng)電為引領(lǐng)的能源轉(zhuǎn)型路徑。2011年，丹麥發(fā)布了《能源戰(zhàn)略2050》，正式提出到2050年之前建成一個(gè)不含核能、完全擺脫對(duì)化石能源依賴的能源系統(tǒng)。
圖1丹麥地理位置
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丹麥電力系統(tǒng)基本情況
（1）電源情況
丹麥電源結(jié)構(gòu)以風(fēng)電、光伏為主，風(fēng)光發(fā)電裝機(jī)容量與發(fā)電量占比均超50%（如圖2所示）。
在裝機(jī)容量方面，2021年，丹麥電力系統(tǒng)電源總裝機(jī)容量1618萬(wàn)千瓦[3]，風(fēng)電、光伏的裝機(jī)容量為855萬(wàn)千瓦（其中風(fēng)電701萬(wàn)千瓦、光伏154萬(wàn)千瓦），占比達(dá)52.86%，支撐了丹麥電力系統(tǒng)的半壁江山。其余電源按裝機(jī)容量由高到低分別為化石能源、生物質(zhì)能以及水電，占比分別為36.10%、10.99%和0.04%。
在發(fā)電量方面，丹麥2021年全年總發(fā)電量為334億千瓦時(shí)[4]，風(fēng)電、光伏的發(fā)電量為173.2億千瓦時(shí)（其中風(fēng)電159.8億千瓦時(shí)、光伏13.4億千瓦時(shí)），占總發(fā)電量的51.85%，其他電源發(fā)電量占比分別為化石能源24.91%、生物質(zhì)能23.17%以及水電0.06%。
從裝機(jī)容量與發(fā)電量?jī)蓚€(gè)維度來看，風(fēng)電、光伏已成為丹麥電力系統(tǒng)中的主力電源。
（2）電網(wǎng)情況
因其特殊的地理?xiàng)l件，丹麥電網(wǎng)分為西部電網(wǎng)和東部電網(wǎng)兩部分，并通過大貝爾特輸電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)直流連接。西部電網(wǎng)覆蓋范圍主要包括日德蘭半島和英菲島，與德國(guó)交流連接，是歐洲大陸同步電網(wǎng)[5]的一部分。與瑞典、挪威及荷蘭直流連接，西部電網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)線路容量為564萬(wàn)千瓦；東部電網(wǎng)覆蓋范圍為西蘭島，與瑞典交流連接，形成北歐同步電網(wǎng)[6]，與德國(guó)直流連接，東部電網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)線路容量為230萬(wàn)千瓦。
丹麥電網(wǎng)對(duì)外聯(lián)網(wǎng)能力強(qiáng)，與周圍國(guó)家（瑞典、挪威、荷蘭及德國(guó)）均有聯(lián)網(wǎng)線路，聯(lián)網(wǎng)線路總?cè)萘繛?94萬(wàn)千瓦，與風(fēng)電、光伏總裝機(jī)容量855萬(wàn)千瓦基本相當(dāng)，具備了較強(qiáng)的大范圍配置電力的能力。
（3）負(fù)荷情況
丹麥全年用電量約380億千瓦時(shí)，全社會(huì)用電負(fù)荷約為250萬(wàn)—650萬(wàn)千瓦，年負(fù)荷率約為0.67。丹麥全年用電負(fù)荷呈現(xiàn)冬季高峰、夏季低谷的特性，用電高峰為每年10月至次年3月，平均負(fù)荷約420萬(wàn)千瓦；用電低谷則出現(xiàn)在每年的6月至8月，平均負(fù)荷約為350萬(wàn)千瓦。受丹麥地處西風(fēng)帶的客觀因素影響，丹麥風(fēng)電出力特性為冬季出力較大、夏季出力較小，與用電負(fù)荷特性相吻合。
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丹麥風(fēng)電、光伏消納經(jīng)驗(yàn)
（1）熱電廠靈活性改造為系統(tǒng)提供調(diào)峰能力。
丹麥為滿足全年長(zhǎng)時(shí)間的供熱需求，火電機(jī)組基本上為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組。在風(fēng)電、光伏發(fā)電量占比逐步提高的過程中，丹麥持續(xù)對(duì)熱電廠進(jìn)行靈活性改造，不斷壓低火電機(jī)組的最小出力，提升系統(tǒng)調(diào)峰能力。根據(jù)風(fēng)電、光伏發(fā)電量占比與熱電廠改造意愿，丹麥熱電廠靈活性改造主要分為兩個(gè)階段：
①第一階段：風(fēng)電、光伏發(fā)電量占比小于20%時(shí)，且熱電廠改造意愿受國(guó)家監(jiān)管驅(qū)動(dòng)。熱電廠通過安裝鍋爐水循環(huán)系統(tǒng)、調(diào)整燃燒系統(tǒng)、升級(jí)控制系統(tǒng)等技術(shù)改造，將火電機(jī)組最小發(fā)電出力降低到15%—30%左右。該階段熱電廠通過靈活性改造獲取的收益較小，改造的驅(qū)動(dòng)力是為滿足國(guó)家對(duì)電廠具備特定最小穩(wěn)定出力的要求。
②第二階段：風(fēng)電、光伏發(fā)電量占比為20%—50%時(shí)，且熱電廠改造意愿轉(zhuǎn)為電力市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)。該階段風(fēng)電、光伏發(fā)電比重不斷提高導(dǎo)致了市場(chǎng)電價(jià)低于熱電廠邊際成本的時(shí)間段出現(xiàn)地更為頻繁，熱電廠必須進(jìn)一步加大靈活性改造避免造成損失。熱電廠對(duì)汽輪機(jī)進(jìn)行技術(shù)改造，實(shí)現(xiàn)熱電解耦，在保證供熱的同時(shí)可削減全部或大部分發(fā)電量。而且在風(fēng)電過剩時(shí)期還通過配置電熱鍋爐和熱泵來充分利用低電價(jià)蓄熱。同時(shí)，基于電力市場(chǎng)的收益也推動(dòng)了熱電廠靈活性改造的積極性。
（2）跨國(guó)聯(lián)網(wǎng)線路利用穩(wěn)定電源與大電網(wǎng)作支撐。
周圍國(guó)家能夠接入到丹麥的總電力容量與丹麥風(fēng)光裝機(jī)容量相當(dāng)，再加上丹麥的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，保證了極端氣候條件下丹麥國(guó)內(nèi)的電力供應(yīng)穩(wěn)定和電網(wǎng)安全穩(wěn)定。此外，周圍國(guó)家不同類型的電源配比與歐洲大陸、北歐同步電網(wǎng)的負(fù)荷情況為丹麥風(fēng)電與光伏的消納提供了支撐和保障作用。
①發(fā)電類型互補(bǔ)。丹麥北部的挪威90%以上的發(fā)電量來自于水電、瑞典以水電和核電為主；丹麥南部的歐洲大陸德國(guó)火電貢獻(xiàn)超一半的電量、法國(guó)約70%的發(fā)電量來自于核電。周圍國(guó)家水電、火電以及核電這類相對(duì)穩(wěn)定可控的電源與丹麥不穩(wěn)定的風(fēng)電與光伏發(fā)電形成了互補(bǔ)，為丹麥電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。
②大電網(wǎng)作支撐。丹麥接入的歐洲大陸和北歐同步電網(wǎng)支撐了丹麥電網(wǎng)的安全運(yùn)行，兩個(gè)大電網(wǎng)的負(fù)荷需求支撐了丹麥風(fēng)電與光伏的消納。歐洲大陸同步電網(wǎng)總用電量為25892億千瓦時(shí)，北歐同步電網(wǎng)為4145億千瓦時(shí)，而丹麥為387億千瓦時(shí)，即丹麥用電量占北歐同步電網(wǎng)9.3%，僅為歐洲大陸同步電網(wǎng)的1.5%，占比相對(duì)較小。
（3）跨國(guó)電力市場(chǎng)推動(dòng)各方自發(fā)提供系統(tǒng)靈活性。
丹麥參與歐洲跨國(guó)電力市場(chǎng)交易，既由實(shí)時(shí)電價(jià)反映了電力的時(shí)間價(jià)值，又通過價(jià)格信號(hào)引導(dǎo)發(fā)電、輸配電及用電三方自發(fā)選擇最低單位成本來解決電力系統(tǒng)靈活性問題。
①由固定電價(jià)向?qū)崟r(shí)電價(jià)轉(zhuǎn)變，反映電力時(shí)間價(jià)值。在電源側(cè)，所有類型電源均參與現(xiàn)貨市場(chǎng)交易，由三段式固定電價(jià)（將一天分為低負(fù)荷、高負(fù)荷和峰值負(fù)荷三個(gè)固定時(shí)段定價(jià)）轉(zhuǎn)變?yōu)榉从趁啃r(shí)發(fā)電邊際成本的實(shí)時(shí)電價(jià)；在電網(wǎng)側(cè)，聯(lián)網(wǎng)輸送電量由國(guó)家間簽訂長(zhǎng)期合同的方式轉(zhuǎn)由通過現(xiàn)貨市場(chǎng)交易決定；在負(fù)荷側(cè)，包括居民用戶在內(nèi)的所有用戶都已實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)貨市場(chǎng)價(jià)格掛鉤的實(shí)時(shí)電價(jià)結(jié)算。
②引入“負(fù)電價(jià)”機(jī)制，緩解系統(tǒng)靈活性不足的壓力。通常在風(fēng)電和熱電機(jī)組的發(fā)電量供應(yīng)過剩時(shí)，市場(chǎng)出現(xiàn)負(fù)電價(jià)，且負(fù)電價(jià)最低可達(dá)每千瓦時(shí)-3.5元?！柏?fù)電價(jià)”的出現(xiàn)一方面促使風(fēng)電場(chǎng)降低出力以減少經(jīng)濟(jì)損失；另一方面進(jìn)一步推動(dòng)熱電廠加大對(duì)靈活性改造的投資，甚至通過配置電熱鍋爐等蓄熱裝置在“負(fù)電價(jià)”期間成為凈消費(fèi)者以獲取收益。
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對(duì)我國(guó)新型電力系統(tǒng)建設(shè)的啟示
從全球范圍來看，丹麥?zhǔn)蔷G色能源轉(zhuǎn)型的先行國(guó)度，據(jù)丹麥能源署估計(jì)，到2028年，丹麥新能源發(fā)電量將超過其全社會(huì)用電量。截至2021年，我國(guó)風(fēng)電與光伏發(fā)電裝機(jī)容量雙雙突破3億千瓦大關(guān)，發(fā)電量占全社會(huì)用電量的11%左右，新能源占比逐漸提高的新型電力系統(tǒng)建設(shè)仍任重而道遠(yuǎn)。丹麥獨(dú)具特色的能源轉(zhuǎn)型經(jīng)驗(yàn)對(duì)我國(guó)有諸多借鑒之處。
（1）加大火電靈活性改造，全面提升電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力。
在我國(guó)的發(fā)電裝機(jī)構(gòu)成中，抽水蓄能、燃?xì)獍l(fā)電等靈活調(diào)節(jié)電源裝機(jī)占比不足6%，電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力不足。相較而言，歐美等國(guó)靈活電源比重較高，美國(guó)、西班牙及德國(guó)占比分別為49%、34%與18%。
對(duì)比各類靈活調(diào)節(jié)電源，抽水蓄能電站受站址資源與建設(shè)周期的限制；氣電受氣源、氣價(jià)等約束而發(fā)展規(guī)模有限；現(xiàn)階段儲(chǔ)能電站建設(shè)成本高，短期內(nèi)尚不具備大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用條件。而火電靈活性改造成本優(yōu)勢(shì)明顯，改造單位千瓦調(diào)峰容量成本約為500元—1500元，低于抽水蓄能、氣電與儲(chǔ)能電站等其他系統(tǒng)調(diào)節(jié)手段。因此“十四五”期間應(yīng)切實(shí)推動(dòng)煤電靈活性改造，應(yīng)改盡改，全面提升電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力。
（2）充分發(fā)揮煤炭“壓艙石”作用，推動(dòng)煤炭與新能源的優(yōu)化組合。
立足于我國(guó)“富煤、少油、少氣”資源稟賦，短時(shí)期內(nèi)我國(guó)以煤電為主的電源結(jié)構(gòu)將很難改變，而且目前新能源并網(wǎng)的穩(wěn)定性尚不能有效保障、儲(chǔ)能技術(shù)尚未取得關(guān)鍵突破，打好煤炭和新能源優(yōu)化組合的基礎(chǔ)就顯得非常關(guān)鍵。作為“壓艙石”的煤炭仍需保持一定比例，同時(shí)大力發(fā)展風(fēng)電光伏、生物質(zhì)能等，因地制宜開發(fā)水電，安全有序發(fā)展核電。傳統(tǒng)能源逐步退出要建立在新能源安全可靠的替代基礎(chǔ)上，堅(jiān)持先立后破，確保穩(wěn)妥有序、安全降碳。
（3）加強(qiáng)跨區(qū)跨省電力互濟(jì)，發(fā)揮電網(wǎng)大平臺(tái)資源優(yōu)化配置作用
我國(guó)幅員遼闊，各地資源稟賦與發(fā)展情況差異較大，能源分布與消費(fèi)呈逆向分布。建設(shè)以輸送清潔能源為主的跨區(qū)跨省輸電通道，增強(qiáng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，將電能從新能源密集的三北地區(qū)和水電密集的西南地區(qū)向中東部負(fù)荷中心傳輸，實(shí)現(xiàn)電力遠(yuǎn)距離、大規(guī)模傳送將是電網(wǎng)發(fā)展的主要方向和重點(diǎn)任務(wù)。同時(shí)，互聯(lián)大電網(wǎng)可充分利用不同地區(qū)用電負(fù)荷的錯(cuò)峰效應(yīng)，開展跨區(qū)跨省電力互濟(jì)，減少系統(tǒng)備用，提升發(fā)輸變電設(shè)備投資效率和利用率。
（4）加快建設(shè)多層次統(tǒng)一電力市場(chǎng)體系，穩(wěn)妥推進(jìn)新能源參與電力市場(chǎng)交易。
目前，風(fēng)電、光伏發(fā)電尚未完全參與市場(chǎng)化競(jìng)爭(zhēng)，基本上采取固定上網(wǎng)電價(jià)方式結(jié)算，無(wú)法反映出電力時(shí)間價(jià)值。建議加快建設(shè)多層次統(tǒng)一電力市場(chǎng)體系，完善適應(yīng)高比例新能源的市場(chǎng)機(jī)制，在保障新能源合理收益的前提下，穩(wěn)妥推進(jìn)新能源參與電力市場(chǎng)交易。建立與新能源特性相適應(yīng)的中長(zhǎng)期電力交易機(jī)制，引導(dǎo)新能源簽訂較長(zhǎng)期限的中長(zhǎng)期合同。鼓勵(lì)新能源報(bào)量報(bào)價(jià)參與現(xiàn)貨市場(chǎng)，對(duì)報(bào)價(jià)未中標(biāo)電量不納入棄風(fēng)棄光電量考核。在現(xiàn)貨市場(chǎng)內(nèi)推動(dòng)調(diào)峰服務(wù)，隨著新能源比例的提高進(jìn)一步探索引入爬坡等新型輔助服務(wù)。
（5）統(tǒng)籌協(xié)調(diào)好新能源與電網(wǎng)的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)高比例新能源友好接入。
新能源占比逐步提升、高度電力電子化的新型電力系統(tǒng)將呈現(xiàn)低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、寬頻域振蕩、源荷雙側(cè)波動(dòng)等新的動(dòng)態(tài)特性。一方面，新能源并網(wǎng)應(yīng)按照相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，具備主動(dòng)支撐控制能力，接近或高于同步電源的控制特性，為系統(tǒng)電壓、頻率穩(wěn)定提供必要支撐。另一方面，運(yùn)用數(shù)字化技術(shù)對(duì)電網(wǎng)形態(tài)進(jìn)行挖潛、改造、升級(jí)，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)“可觀、可測(cè)、可控、可調(diào)”，提升新能源消納能力及電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行能力，構(gòu)建新能源友好接入的新型電力系統(tǒng)。
注釋
[1]數(shù)據(jù)來源：英國(guó)獨(dú)立氣候智庫(kù)Ember發(fā)布的《2022年全球電力行業(yè)回顧》。
[2]丹麥風(fēng)能密度處于300～400W/m2，據(jù)國(guó)標(biāo)《風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估方法》（GB/T 18710-2002），風(fēng)功率密度在250W/m2以上的評(píng)價(jià)等級(jí)為“很好”。
[3]數(shù)據(jù)來源：國(guó)際可再生能源署（IRENA）發(fā)布的《2022年全球可再生能源裝機(jī)容量統(tǒng)計(jì)年鑒》。
[4]數(shù)據(jù)來源：英國(guó)獨(dú)立氣候智庫(kù)Ember發(fā)布的《2022年全球電力行業(yè)回顧》。
[5]歐洲互聯(lián)電網(wǎng)主要包括歐洲大陸、北歐、波羅的海、英國(guó)、愛爾蘭五個(gè)同步電網(wǎng)區(qū)域。
[6]北歐同步電網(wǎng)包含除冰島外的四個(gè)北歐國(guó)家，分別為丹麥、挪威、瑞典和芬蘭。
