尤石 1，宋鵬翔 2
（1．丹麥科技大學電力與能源中心，靈比校區(qū)，丹麥 哥本哈根，DK2800；2．國家電網(wǎng)全球能源互聯(lián)網(wǎng)歐洲研究院， 德國 柏林，10117）
區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)作為加速促進世界向可持續(xù)能源轉(zhuǎn)變的重要手段之一，在近期倍受關注。丹麥是世界上較早使用以區(qū)域供暖為主的區(qū)域能源手段來解決能源問題的國家，目前正在積極推動向具有綜合能源特性和以靈活性交易為互聯(lián)手段的區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的轉(zhuǎn)型。
文章對丹麥區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀作了簡要介紹；對相關的理念和示范經(jīng)驗給出了具體描述；指出了當前區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)在技術上所遇到的瓶頸。文章將會為中國的區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展提供國際上的經(jīng)驗與參考。
0、引言
丹麥是世界公認的綠色國度之一。綠色能源在丹麥的大力發(fā)展則要歸因于20世紀70年代使丹麥經(jīng)濟嚴重受挫的石油危機。隨著1979年丹麥通過第一個供熱法案和第一臺30kW風力發(fā)電機的并網(wǎng)商業(yè)運行，以提高能效為主要目的的區(qū)域供暖（district heating，DH）和以解決能源不足為主要出發(fā)點的風力發(fā)電逐漸成為了丹麥能源體系中的兩大支柱。在石化能源逐步枯竭的今天，發(fā)展單一的能源手段不但無法滿足丹麥對清潔能源快速增長的渴求，還會給現(xiàn)有的能源基礎設施帶來巨大的負擔，而后者所導致的結果則往往是需要在現(xiàn)有的能源基礎設施上進行巨額的追加投資。以解決風電并網(wǎng)為例，電力系統(tǒng)管理者往往需要額外建設具有足夠電力容量的跨區(qū)域或跨國的電力通道以確保電網(wǎng)供需實時平衡。而這一舉措大大增加了使用清潔能源的綜合成本并延緩了清潔能源的發(fā)展節(jié)奏。為解決這一問題，丹麥開展了一系列針對區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)/綜合區(qū)域能源系統(tǒng)（integrated district energy system， IDES） 領域的研究與示范。其主旨在于對丹麥現(xiàn)有的區(qū)域能源系統(tǒng)升級改造。通過對區(qū)域內(nèi)各能源系統(tǒng)（energy system，ES）在源–網(wǎng)–儲–荷等多方面的靈活性（flexibility）進行深度挖掘、智能控制、優(yōu)化管理和自由交易，在發(fā)展兩大支柱能源手段的同時使其相得益彰。
1、從區(qū)域能源到區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的轉(zhuǎn)型
1.1 丹麥區(qū)域能源的發(fā)展
區(qū)域能源（district energy，DE）通常指根據(jù)某一區(qū)域內(nèi)的能源結構和能源稟賦，優(yōu)化配置各種能源資源，同時結合余熱利用、熱泵、儲能等先進技術，充分利用高、低品位能源，為區(qū)域內(nèi)用戶提供冷、熱、電等產(chǎn)品的技術解決方案［4］。而這里的區(qū)域往往既可泛指國家或城市中的行政分區(qū)，如鄉(xiāng)、鎮(zhèn)、村、街道等， 也可以根據(jù)某類特定行業(yè)和形態(tài)在一定地理范圍內(nèi)的統(tǒng)一表征來劃分，如工業(yè)園區(qū)、商業(yè)園區(qū)、農(nóng)業(yè)園區(qū)， 住宅區(qū)等。
在丹麥，區(qū)域能源目前的主要表現(xiàn)形式為區(qū)域供暖。隨著1903年丹麥建成了第一座通過垃圾焚燒來實現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)的電站（combined heat and power，CHP），區(qū)域供暖開始在大型城市被緩慢推廣。在此期間大型發(fā)電站產(chǎn)生的廢熱被視為主要熱源。隨著1973、1974年石油危機的爆發(fā)，人們開始清楚地意識到開發(fā)高效節(jié)能手段和尋找新型替代能源的重要性。在區(qū)域能源領域，其直接結果體現(xiàn)在各類高效節(jié)能型的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)在中小型城市被快速推廣。目前丹麥擁有6個大型集中區(qū)域供暖區(qū)和約400個小型分散的區(qū)域供暖區(qū)，通過總距離達到160km的輸熱管道為63%以上的丹麥家庭提供每年總量約為10 000GWh的生活熱水（domestic hotwater，DHW）和空間采暖（space heating，SH）服務。以煤、生物質(zhì)（如秸稈和木屑）、天然氣、垃圾等為燃料的熱電聯(lián)產(chǎn)機組為全丹麥提供了約73%的熱量，余下熱負荷由工業(yè)余熱和各類鍋爐以及熱泵等轉(zhuǎn)化手段提供。
目前丹麥的區(qū)域供暖正處于第三代向第四代的轉(zhuǎn)型時期。相對于早期的第一代蒸汽供熱系統(tǒng)和第二代的高溫加壓熱水系統(tǒng)，第三代區(qū)域供暖將供水溫度降低到80℃左右，回水溫度在40℃左右，并輔以熱存儲設備和熱交換站。這使熱電聯(lián)產(chǎn)電廠可在一定程度上對電和熱的生產(chǎn)進行解耦，從而打破了傳統(tǒng)上以熱定電的運行方式，并取得了在北歐電力現(xiàn)貨交易中一定的靈活性。第四代區(qū)域供暖旨在進一步提升區(qū)域供暖系統(tǒng)的效率和靈活性，其主要改進體現(xiàn)在：
1） 采用更多的低溫區(qū)域供暖（ low temperature district heating，LTDH）技術（如55oC供水25 oC回水， 又如35～45oC供水）以減少傳輸過程中的熱損耗。
2）燃料將主要由生物質(zhì)燃料組成，并充分利用太陽能、地熱、風能等其他可再生能源。
3）產(chǎn)熱方面將進一步推廣各類型的熱泵、電鍋爐等電轉(zhuǎn)熱手段并用于一次和二次加熱。
4）針對熱力系統(tǒng)中源–網(wǎng)–儲–荷等各方面優(yōu)化的能量管理。
隨著第四代區(qū)域供暖在丹麥的推進，電力系統(tǒng)與熱力系統(tǒng)之間的互聯(lián)互動變得更加緊密。以圖1所演示的低溫區(qū)域供暖用戶側(cè)連接示意為例，為使入戶后的熱水達到生活熱水的質(zhì)量標準，用戶側(cè)需要采用熱泵或電加熱器等方式對入戶熱水進行二次加熱并配以小型的水箱來提高整體系統(tǒng)的能效和經(jīng)濟效益。這一設計使得電、熱兩系統(tǒng)之間的關系從傳統(tǒng)以大中型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)為代表的供給側(cè)熱源與高中壓電網(wǎng)的互聯(lián)互動拓展至以小微型熱泵或電加熱器為代表的負荷側(cè)熱源與低壓電網(wǎng)的互聯(lián)互動，從而使丹麥的區(qū)域能源朝著全分布式系統(tǒng)（fully distributed）的方向發(fā)展。
1.2、 丹麥的區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)理念
為實現(xiàn)丹麥2050年全社會能源體系中100%可再生能源（其中風電占電力能耗50%）的目標，建設和發(fā)展具有綜合能源特性的區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)技術成為最為重要的手段之一。如圖2所示，在區(qū)域能源系統(tǒng)的基礎上，區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)被定義為在一定區(qū)域內(nèi)以電、熱、氣為能源載體，具有多種源、網(wǎng)、儲、荷技術組合的一個綜合且復雜的綜合區(qū)域能源系統(tǒng)。隨著區(qū)域邊界的變化， 一個單一區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)既可能表示以能源配送網(wǎng)絡結合分布式能源為主的小型區(qū)域性網(wǎng)絡系統(tǒng)，也可能成為集產(chǎn)輸配為一體的大型城市級網(wǎng)絡系統(tǒng)。針對區(qū)域內(nèi)部各類能源技術組合的協(xié)同規(guī)劃和管理運營所產(chǎn)生的一系列問題的復雜性也會隨著區(qū)域范圍的擴大以幾何倍數(shù)增長。
圖1 低溫區(qū)域供暖家庭用戶側(cè)二次加熱方式示例
Fig.1 Examples of heat boosting solutions for domestic customers connected to a LTDH network
圖2 在廣域綜合能源系統(tǒng)中的區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)
Fig.2 Integrated district energy system (s) in a wide area integrated energy system
圖3 電力系統(tǒng)中靈活性的來源分布與相對成本
Fig.3 Flexibility options in a power system and their relative costs
另外，區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)有別于傳統(tǒng)區(qū)域能源的另一主要特征是其與廣域綜合能源系統(tǒng)（wide area integrated energy system，WAIES）的互聯(lián)特性。這意味著區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)在解決其區(qū)域內(nèi)部的前提下，需要為廣域系統(tǒng)提供有力的支撐和服務，通過區(qū)域內(nèi)自治、區(qū)域間協(xié)作的方法解決廣域范圍內(nèi)的能源問題。
2、基于靈活性的區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)
2.1 能源系統(tǒng)中的靈活性和其來源
能源系統(tǒng)中的靈活性是指其應變和響應能力，并依此減小各種不確定因素帶來的負面影響。圖3給出了電力系統(tǒng)中靈活性的來源分布及其對應成本。源側(cè)的靈活性多來自對各類發(fā)電機組的靈活改造，荷側(cè)的靈活性則來自各類需求響應計劃，網(wǎng)側(cè)的靈活性則要靠對網(wǎng)絡的規(guī)劃和管理來實現(xiàn)，各類儲能因其自身特性也呈現(xiàn)出在不同時空尺度上的靈活性特性。除此之外，提出有針對性的運營方法和改進市場策略也可成為挖掘靈活性的重要手段。熱力系統(tǒng)與燃氣系統(tǒng)呈現(xiàn)出的靈活性來源分布與電力系統(tǒng)十分近似，這一元素為建設以靈活性交易為協(xié)調(diào)手段的區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)提供了便利的條件。
2.2 基于市場模式的靈活性控制、管理和交易
由于北歐的能源市場出現(xiàn)相對較早，丹麥的市場機制已經(jīng)非常成熟。以電力系統(tǒng)為例，除了丹麥國家電網(wǎng)公司Energinet以輸電網(wǎng)絡運營商（transmission system operator，TSO）的角色負責110kV及以上電壓等級網(wǎng)絡的管理和調(diào)度，電力的生產(chǎn)、配送和銷售等環(huán)節(jié)則由多達64個配電網(wǎng)絡公司（distribution system operator， DSO ）， 45個平衡責任提供者（ balance responsible party，BRP）以及近百家電力零售商在北歐的電力市場Nordpool中協(xié)作完成。由于區(qū)域互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)部的靈活性不僅要服務自身也要服務廣域綜合能源系統(tǒng)，建立以靈活性為商品的靈活性市場成為了行之有效的一種手段。
圖4中的（a）、（b）兩圖分別給出了靈活性市場的核心理念和針對一般靈活性產(chǎn)品的特征描述。供需雙方需要首先確定靈活性商品的一般特征參數(shù)，如功率范圍、響應速度和時長等。在產(chǎn)品特征描述達成共識的前提下，靈活性需求者和靈活性擁有者在基于供求理論的市場中分別對其所買/所賣的靈活商品進行控制、管理、定價和交易。在靈活性的控制和管理上，各種直接和間接的控制手段都可以用來控制獨立的靈活性資源或者基于聚合方式（aggregation）的大量靈活性資源。
圖4 靈活性產(chǎn)品市場
Fig.4 Flexibility market
3、丹麥區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的示范經(jīng)驗
3.1 電力靈活性交易平臺FLECH在iPower和Ecogrid2.0 中的開發(fā)及示范
iPower作為丹麥智能電力領域最大的創(chuàng)新和研究戰(zhàn)略平臺幾乎涵蓋了丹麥所有電力相關企業(yè)，高校和科研機構。圖5 所示的針對負荷側(cè)的靈活性交易平臺（flexibility clearing house，F(xiàn)LECH）是其在2011–2016年期間的主要成果之一。這一平臺主要用于解決丹麥在當前電力市場形式下各利益主體之間（輸配電公司，靈活性聚合商等）因信息不對等而無法對靈活性進行合理發(fā)掘和優(yōu)化利用的問題。作為信息交互和靈活性交易的載體，平臺自身的功能主要包括市場清算、合同管理、服務結算等。靈活性的管理工具包括在供需兩側(cè)對靈活性的需求和供給能力的分別量化，以及對靈活性的控制和調(diào)度等技術模塊。
目前，這一平臺及相關工具正被另一大型示范項目Ecogrid2.0（2016–2019年）拓展開發(fā)，并用于丹麥Bornholm島基于靈活性市場的區(qū)域電力系統(tǒng)運行。其間會有近2 000電力用戶通過兩大聚合商參與靈活性市場為配電網(wǎng)和輸電網(wǎng)解決阻塞管理、功率平衡等問題。
3.2、Energylab Nordhavn中的城區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)
北港（Nordhavn）作為丹麥首都哥本哈根的老港口區(qū)目前正被改造成一個至少擁有4萬居民的新型城市社區(qū)。由丹麥能源技術發(fā)展和示范基金會（Danish Energy Technology Development and Demonstration Programme，EUDP）出資1 100萬歐元所支持的Energylab Nordhavn項目（2015–2019年）正在北港地區(qū)示范以電熱互聯(lián)為主體的城市區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)工程。如圖6所示，該工程沿用了FLECH的理念，并將其拓展到熱力系統(tǒng)，使該區(qū)域內(nèi)的熱力公司（district heating operator，DHO）也可參與受益。系統(tǒng)中靈活性來源包括大型熱電聯(lián)產(chǎn)設備，各類熱泵， 大型電力儲能（battery storage，BS）與熱力儲能（thermal storage，TS）設備，電動汽車（electric vechile，EV），智能樓宇和為低溫區(qū)域供暖系統(tǒng)提供二次升溫的直接加熱設備（direct electric heater，DEH）以及具有儲能功能的電加熱器等（electric storage heater，ESH）。在靈活性產(chǎn)品方面，該項目截至目前已經(jīng)為區(qū)域內(nèi)所涉獵的4個靈活性需求方設計了以電、熱負荷聯(lián)合調(diào)度為代表的9類智慧能源網(wǎng)絡服務（smart network services，SNSs）產(chǎn)品， 用于優(yōu)化協(xié)調(diào)區(qū)域內(nèi)部電網(wǎng)，熱網(wǎng)，靈活性設備，傳統(tǒng)電、熱負荷，以及各相關利益主體之間的運作。
圖5 靈活性交易平臺FLECH的基本功能以及相關工具需求
Fig.5 Basic functions of FLECH and the associated toolsets
圖6 EnergyLab Nordhavn中以智慧能源網(wǎng)絡服務為紐帶的電熱系統(tǒng)互動設計
Fig.6 Integrated operation of EnergyLab Nordhavn based on SNSs
3.3、 其他示范經(jīng)驗
除了上述提及的示范項目，丹麥還進行了一系列以實現(xiàn)高比例清潔能源為目標的區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)示范工程。如在Lolland島打造的世界第一座氫能村莊以風電電解水制氫，再利用小型基于燃料電池技術的熱電聯(lián)產(chǎn)設備為村中每戶居民提供相應的能源需求。該系統(tǒng)同時可為廣域電力系統(tǒng)提供功率平衡等服務。再如丹麥 Sams?島以電力輸出和基于熱泵的零碳區(qū)域供暖為主要技術手段實現(xiàn)了高于其本地電力消耗3倍的風能和太陽能發(fā)電量的并網(wǎng)和消納。另外在Svalin、Fuglekvarter等小型居民社區(qū)所展開的能源共享（energy collective） 和端對端能源交易（peer-to-peer energy trading）的嘗試為區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)中的能源管理提供了全新的商業(yè)模式。
4、區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)所面臨的技術挑戰(zhàn)
目前區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的的發(fā)展在技術上存在以下4 個方面的技術挑戰(zhàn)：
1）區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)中，各能源系統(tǒng)內(nèi)在的物理特性、市場機制、信息化和自動化水平有著顯著的區(qū)別。隨著各能源系統(tǒng)間的耦合與互動的增加，深入理解各能源網(wǎng)絡之間的互動機理成為了發(fā)展大型區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)需要解決的首要問題。
2）用戶側(cè)的靈活性由于個人行為習慣的不同會帶有很強的隨機性和不確定性，需要通過大量的實際樣本采集和理論推導工作來量化。
3）針對區(qū)域間以及區(qū)域和廣域能源互聯(lián)網(wǎng)的協(xié)作模式的研究仍處于初期階段，需要大量科研投入來最終實現(xiàn)區(qū)域能源網(wǎng)絡與現(xiàn)運行的各能源系統(tǒng)的無縫對接。
4）目前缺少為設計區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的整體方案和多時空尺度下運行規(guī)則服務的相關工具?，F(xiàn)有的工具往往對各能源系統(tǒng)內(nèi)的運維、控制等機理做出高度簡化， 并局限于解決規(guī)劃階段的供需平衡與投資回報等問題。
5、結語
中國的區(qū)域能源技術目前正朝著多能互補的方向發(fā)展，許多相關科研領域和示范性工程的經(jīng)驗正被快速積累。但目前所取得的各項成果在通用性層面上仍有很大的進步空間，這使得很多有著巨大潛力的尤其在需求側(cè)的靈活性資源還未被開發(fā)和使用。另外在如何合理促進各區(qū)域能源網(wǎng)絡之間的協(xié)作方面，相關的研究和經(jīng)驗還并不多見。丹麥在其現(xiàn)有的區(qū)域能源基礎上所開展的一系列區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的研究和示范工作將為中國在不久的未來實現(xiàn)清潔低碳、安全高效、可持續(xù)發(fā)展的新一代能源系統(tǒng)提供寶貴的參考經(jīng)驗。
作者簡介
尤石，男，博士，研究員，研究方向為需求響應、主動配電網(wǎng)絡和綜合能源系統(tǒng)相關的規(guī)劃、管理和控制等。
宋鵬翔，男，博士，高級工程師，研究方向為儲能技術、燃料電池技術、能源互聯(lián)網(wǎng)場景下的能源轉(zhuǎn)化與多能互補技術。
