3.1 電力市場(chǎng)下的傳統(tǒng)電廠與風(fēng)電
電力市場(chǎng)為電力生產(chǎn)方提供了很多選擇。電機(jī)的發(fā)電容量是一定的，而每臺(tái)電機(jī)也可以選擇參與不同的市場(chǎng)從而實(shí)現(xiàn)利益最大化。比如，某個(gè)燃煤電機(jī)可以首先將部分容量在納斯達(dá)克市場(chǎng)交易。這是因?yàn)檫@臺(tái)電機(jī)不確定未來(lái)燃煤的價(jià)格，所以在計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)后，可以將一部分容量交易，用于抵消對(duì)未來(lái)煤價(jià)浮動(dòng)的不確定性。在距離真正發(fā)電前的一兩天，此臺(tái)電機(jī)可以將剩下的容量參與日前市場(chǎng)競(jìng)價(jià)。這時(shí)電機(jī)也更加確定自己的成本，因而報(bào)價(jià)也更加準(zhǔn)確。如果電機(jī)在日前交易后還有剩余容量，那么電機(jī)還可以參與盤(pán)中甚至是平衡市場(chǎng)的交易。在這三級(jí)市場(chǎng)中，交易價(jià)格是有規(guī)律的。一般越靠近真正發(fā)電時(shí)刻，價(jià)格越高。因此，市場(chǎng)本著社會(huì)整體效益最大的前提，總會(huì)更多的從日前市場(chǎng)和盤(pán)中市場(chǎng)確定交易。而平衡市場(chǎng)更多的是用于抵消預(yù)測(cè)的誤差或者故障發(fā)生造成的某些區(qū)域的不平衡。這樣的電力市場(chǎng)設(shè)計(jì)使得即使在風(fēng)電和用電方都有不確定性時(shí)，傳統(tǒng)電機(jī)仍有充分補(bǔ)充電網(wǎng)平衡的積極性﹔同時(shí)也鼓勵(lì)了風(fēng)電提高自身預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。
電力市場(chǎng)是丹麥消納風(fēng)電的關(guān)鍵。目前，相較于相同級(jí)別的火電廠，風(fēng)場(chǎng)的建造和運(yùn)營(yíng)成本仍舊偏高。在沒(méi)有任何補(bǔ)貼的情況下，較高的成本將最終反映在電力市場(chǎng)的報(bào)價(jià)中。目前，為了讓風(fēng)電的價(jià)格在市場(chǎng)中有競(jìng)爭(zhēng)力，適當(dāng)?shù)难a(bǔ)貼是必不可少的。自2008年以來(lái)，丹麥可再生能源法明確了一系列對(duì)于風(fēng)能的補(bǔ)貼方案，從而降低其市場(chǎng)價(jià)格，使其被市場(chǎng)優(yōu)先消納。比如，對(duì)于大型風(fēng)電項(xiàng)目，給予整體項(xiàng)目5%的補(bǔ)貼，不但提高了投資競(jìng)標(biāo)方的積極性也降低了風(fēng)電的成本。另外，在風(fēng)電并網(wǎng)發(fā)電的最初2000小時(shí)，給予每兆瓦時(shí)250丹麥克朗的補(bǔ)貼(相當(dāng)于丹麥年區(qū)域電價(jià)的平均值水平)。由于補(bǔ)貼，風(fēng)電在市場(chǎng)中幾乎成為了“免費(fèi)”的電，完全被市場(chǎng)優(yōu)先接納。在這種補(bǔ)貼制度下，風(fēng)電上網(wǎng)發(fā)電問(wèn)題得到了解決。這種對(duì)于風(fēng)電的補(bǔ)貼模式和力度并不是一成不變的。通過(guò)調(diào)節(jié)對(duì)風(fēng)電的補(bǔ)貼，來(lái)控制風(fēng)電的發(fā)展使其與市場(chǎng)需求相匹配。最終目的是使風(fēng)電的并網(wǎng)消納進(jìn)入了良性循環(huán)。
風(fēng)電的補(bǔ)貼來(lái)自于人們對(duì)環(huán)境保護(hù)的貢獻(xiàn)。在丹麥，所有用戶(hù)必須履行公共服務(wù)責(zé)任，即根據(jù)電量的消耗繳納額外的費(fèi)用(PSO)。這項(xiàng)公共服務(wù)責(zé)任費(fèi)用中一部分就用于通過(guò)上網(wǎng)電價(jià)(Feed-in tariff)補(bǔ)貼風(fēng)電。上網(wǎng)電價(jià)又可以理解為準(zhǔn)入電價(jià)，保證了風(fēng)電的價(jià)格低于其它形式的發(fā)電價(jià)格從而被市場(chǎng)優(yōu)先消納。上網(wǎng)電價(jià)是基于生產(chǎn)成本核算出的，是一種長(zhǎng)期合同價(jià)格，為生產(chǎn)者和投資方提供了一個(gè)穩(wěn)定的回報(bào)預(yù)期，激勵(lì)了風(fēng)電的發(fā)展。同時(shí)，上網(wǎng)電價(jià)往往是隨著時(shí)間逐漸降低，這是由于考慮到技術(shù)的進(jìn)步使得生產(chǎn)成本降低。同時(shí)這種價(jià)格調(diào)整，反過(guò)來(lái)也會(huì)激勵(lì)生產(chǎn)投資方改進(jìn)自身的技術(shù)，提高生產(chǎn)效率。此外，在丹麥，由于電力零售市場(chǎng)的開(kāi)放，普通用戶(hù)有機(jī)會(huì)自由選擇電力零售商。而終端用戶(hù)的電價(jià)往往是每半年調(diào)整一次。而對(duì)于風(fēng)電，很多零售商對(duì)終端用戶(hù)推出實(shí)時(shí)變動(dòng)價(jià)格，由于人們對(duì)環(huán)境保護(hù)的關(guān)注，很多用戶(hù)在可以自由選擇用電來(lái)源時(shí)，還是會(huì)選擇波動(dòng)的風(fēng)電。根據(jù)價(jià)格變化，靈活用電，間接的幫助平衡電力供需。這樣的電力消費(fèi)平臺(tái)的創(chuàng)立，使得普通用戶(hù)也有了對(duì)環(huán)境做貢獻(xiàn)的機(jī)會(huì)與積極性。參與平衡電力供需的用戶(hù)也會(huì)得到經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償。在這種補(bǔ)貼制度和市場(chǎng)機(jī)制下，風(fēng)電在電網(wǎng)中的比重大大提高。為減少污染物排放而征收的各種費(fèi)用也加大了傳統(tǒng)電廠的發(fā)電成本，使得傳統(tǒng)電廠必須積極配合接納風(fēng)電，提高自身的靈活性以及生產(chǎn)效率，更多參與平衡市場(chǎng)，或者為風(fēng)電提供備用服務(wù)來(lái)彌補(bǔ)風(fēng)能的波動(dòng)性帶來(lái)的供需不平衡，從而得到經(jīng)濟(jì)回報(bào)。
大型熱電聯(lián)產(chǎn)電機(jī)可以靈活的調(diào)節(jié)自身出力，這是以犧牲發(fā)電效率實(shí)現(xiàn)的。效率較低的熱電聯(lián)產(chǎn)電廠(發(fā)電效率40%左右)在電力經(jīng)營(yíng)方面很難盈利。沒(méi)有一家大型電廠愿意低效運(yùn)行，除非回報(bào)大于損失。而熱電聯(lián)產(chǎn)的供熱能力作為人們生活的另一個(gè)必需品，成為了對(duì)傳統(tǒng)電廠盈利的一個(gè)補(bǔ)充。只有在電力市場(chǎng)的作用下，使得傳統(tǒng)電機(jī)低效運(yùn)行時(shí)也能得到經(jīng)濟(jì)回報(bào)。因?yàn)闊犭娐?lián)產(chǎn)發(fā)電會(huì)同時(shí)產(chǎn)生熱，其總能源轉(zhuǎn)換效率將會(huì)達(dá)到90%以上，這就使得熱電聯(lián)產(chǎn)廠可以從供熱服務(wù)中獲得回報(bào)。任何電廠的調(diào)節(jié)技術(shù)都是為市場(chǎng)服務(wù)的。當(dāng)市場(chǎng)有需求，技術(shù)就會(huì)誕生。熱電聯(lián)產(chǎn)安裝了電鍋爐，儲(chǔ)熱設(shè)備等等，增加了電力生產(chǎn)的靈活性，用以配合市場(chǎng)中電價(jià)較低時(shí)，可以產(chǎn)生熱并儲(chǔ)存起來(lái)。以目前技術(shù)水平，熱能可以被儲(chǔ)存3天以上。而當(dāng)沒(méi)有風(fēng)，市場(chǎng)中電價(jià)較高時(shí)，熱電聯(lián)產(chǎn)的穩(wěn)定輸出也會(huì)獲得更高的利益。實(shí)現(xiàn)這些技術(shù)要考慮需求以及成本。以丹麥普通居民為例，平均電價(jià)大約2元人民幣每千瓦時(shí)(以2015年3月匯率，1丹麥克朗對(duì)換0.9元人民幣計(jì)算)。而真正的發(fā)電輸電成本大約占電價(jià)的50%;公共服務(wù)責(zé)任費(fèi)用及稅費(fèi)占了剩下的50%。較高的電價(jià)事實(shí)上增加了居民使用私人熱泵供熱的成本。目前丹麥最廉價(jià)的供熱依然是來(lái)源與大型熱電聯(lián)產(chǎn)。以普通家庭為例，室內(nèi)溫度常年維持在23攝氏度，房屋絕熱等級(jí)為 B級(jí)(即較好)。來(lái)自熱電聯(lián)產(chǎn)的供熱年花費(fèi)大約在1萬(wàn)元人民幣，而加裝私人熱泵需要一次性投資成本約10萬(wàn)元人民幣。這樣的對(duì)比關(guān)系為熱電聯(lián)產(chǎn)留下了供熱方面的經(jīng)濟(jì)空間。同時(shí)，大型的熱電聯(lián)產(chǎn)廠還會(huì)通過(guò)為電網(wǎng)提供無(wú)功等輔助性服務(wù)而得到經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償，也為大規(guī)模風(fēng)電消納提供了補(bǔ)充。
3.2 電力市場(chǎng)下的國(guó)際互聯(lián)與風(fēng)電
國(guó)際聯(lián)絡(luò)線(xiàn)對(duì)于丹麥?zhǔn)腔谑袌?chǎng)原則下的重要選項(xiàng)。丹麥目前的冬季最大負(fù)荷大約是6000MW。傳統(tǒng)火電容量4400MW，其能力足以覆蓋載荷的 75%。而風(fēng)機(jī)裝機(jī)容量截止到2014年大約是4900MW。全年風(fēng)電覆蓋負(fù)荷最大比率132%。同時(shí)配合小型熱電聯(lián)產(chǎn)和太陽(yáng)能等等，總裝機(jī)容量有能力獨(dú)立覆蓋丹麥所有的負(fù)載。在本地充足容量的保證下，電力市場(chǎng)為丹麥供電平衡和風(fēng)能消納提供了優(yōu)化經(jīng)濟(jì)效益的平臺(tái)。北歐電力市場(chǎng)被劃分為多個(gè)電價(jià)區(qū)域。當(dāng)?shù)湷霈F(xiàn)過(guò)多的風(fēng)電，丹麥的區(qū)域電價(jià)會(huì)變得極低。這時(shí)鄰國(guó)的電力市場(chǎng)參與者會(huì)優(yōu)先選擇低價(jià)的丹麥風(fēng)電，直到滿(mǎn)足該地區(qū)的平衡，即在滿(mǎn)足聯(lián)絡(luò)線(xiàn)不過(guò)載的條件下區(qū)域間電價(jià)趨同。同時(shí)由于區(qū)域功率擾動(dòng)平衡的問(wèn)題，會(huì)對(duì)聯(lián)絡(luò)線(xiàn)上傳出功率的變化率作一定要求。對(duì)于北歐電力市場(chǎng)，不同電價(jià)區(qū)域的小時(shí)的變化率被限制在±600MW。這個(gè)功率交換限制會(huì)在未來(lái)被放開(kāi)到±1200MW或者更大以提供靈活性。所以國(guó)際聯(lián)絡(luò)線(xiàn)與風(fēng)能消納之間是市場(chǎng)下的聯(lián)動(dòng)關(guān)系，而并非依賴(lài)關(guān)系。
3.3 電力市場(chǎng)下的負(fù)載響應(yīng)與風(fēng)電
電力汽車(chē)，熱泵等消費(fèi)端對(duì)風(fēng)能的輔助調(diào)節(jié)都可以被歸納為負(fù)載響應(yīng)。負(fù)載響應(yīng)實(shí)際上是負(fù)載以?xún)r(jià)格為信號(hào)調(diào)節(jié)自身的用電量，在不影響人們生活舒適度的前提下，優(yōu)化利用資源。至于如何調(diào)節(jié)以及調(diào)節(jié)的力度都取決于用戶(hù)的要求和工程師的設(shè)計(jì)。
負(fù)載響應(yīng)已經(jīng)在丹麥起步。以熱泵類(lèi)負(fù)載響應(yīng)為例，丹麥一些私有公司會(huì)與最終用戶(hù)簽訂合同，通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控管理最終用戶(hù)的熱泵用電量。然后同時(shí)與電力市場(chǎng)中的平衡負(fù)責(zé)方簽訂合同，間接參與電力供需平衡調(diào)節(jié)。這些公司開(kāi)發(fā)了一些在線(xiàn)監(jiān)測(cè)和管理軟件，通過(guò)監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)電價(jià)和最終用戶(hù)的室內(nèi)溫度，根據(jù)室內(nèi)溫度的可控范圍，調(diào)節(jié)熱泵的耗電量。當(dāng)電價(jià)高且室內(nèi)溫度也高于下限時(shí)(比如22攝氏度)，關(guān)停熱泵。當(dāng)室內(nèi)溫度低于舒適溫度時(shí)，打開(kāi)熱泵。這樣做，不但為最終客戶(hù)省下一筆開(kāi)支(10%-20%)，同時(shí)由于用電量根據(jù)價(jià)格波動(dòng)，使得價(jià)格高時(shí)(體現(xiàn)供不應(yīng)求的趨勢(shì))，減少用電量，從而幫助調(diào)節(jié)電力供需平衡。這些公司大多都是剛剛起步，相信在未來(lái)電力市場(chǎng)機(jī)制激勵(lì)下，會(huì)有更多發(fā)展空間。
4. 風(fēng)電預(yù)測(cè)
目前在丹麥，為了接納風(fēng)電，當(dāng)風(fēng)電沒(méi)有按照市場(chǎng)協(xié)議電量發(fā)出電力時(shí)，風(fēng)機(jī)不需要繳納違約金。如果由于風(fēng)機(jī)沒(méi)有按照協(xié)議電量發(fā)電但又卻恰恰在那時(shí)刻幫助電網(wǎng)達(dá)到平衡目前丹麥有超過(guò)5千臺(tái)風(fēng)機(jī)在運(yùn)行，其中有些是上世紀(jì)末安裝的。當(dāng)時(shí)安裝的很多風(fēng)機(jī)在風(fēng)機(jī)并網(wǎng)口都沒(méi)有測(cè)量設(shè)備，只有風(fēng)機(jī)廠商，地理位置和裝機(jī)容量等基本信息，無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。2004年后大量風(fēng)機(jī)并網(wǎng)，電力系統(tǒng)才提出需要對(duì)風(fēng)機(jī)的發(fā)電量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，甚至是根據(jù)天氣情況預(yù)測(cè)風(fēng)機(jī)的出力。那么在丹麥?zhǔn)侨绾螌?shí)現(xiàn)風(fēng)電預(yù)測(cè)的呢?
首先，把丹麥劃分為若干區(qū)域，如下圖1所示丹麥西部日得蘭半島的風(fēng)資源區(qū)域劃分圖。這些區(qū)域是根據(jù)歷史風(fēng)速，將風(fēng)速情況較接近的地區(qū)歸并為一個(gè)區(qū)域。所有陸上風(fēng)機(jī)都會(huì)被劃分到各個(gè)區(qū)域。在每個(gè)區(qū)域中，沒(méi)有安裝實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的老式風(fēng)機(jī)會(huì)根據(jù)臨近風(fēng)機(jī)所測(cè)的風(fēng)速估測(cè)其出力。每個(gè)區(qū)域的風(fēng)機(jī)出力會(huì)根據(jù)預(yù)測(cè)更新，越靠近史跡發(fā)電時(shí)刻，風(fēng)機(jī)的預(yù)測(cè)出力精度越高。在距離真正發(fā)電時(shí)刻1小時(shí)時(shí)，風(fēng)機(jī)的預(yù)測(cè)出力已經(jīng)可以達(dá)到很高的精度，如圖2所示1小時(shí)到15分鐘預(yù)測(cè)結(jié)果與真實(shí)測(cè)量值的比較。這樣，調(diào)度室可以最少在15分鐘內(nèi)匯總所有地區(qū)由于風(fēng)機(jī)造成的不平衡，從而在平衡市場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償。
風(fēng)場(chǎng)主和電網(wǎng)公司各自從風(fēng)電預(yù)測(cè)公司購(gòu)買(mǎi)預(yù)測(cè)服務(wù)。風(fēng)場(chǎng)主更多關(guān)注24小時(shí)之前的風(fēng)力預(yù)測(cè)精度，用于參與交易量最大的日前市場(chǎng);而電網(wǎng)公司更加關(guān)心靠近真正發(fā)電時(shí)刻的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，用以維護(hù)供需平衡。風(fēng)場(chǎng)主與電網(wǎng)公司之間信息不共享，從而達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益和供需平衡間的制衡。分析報(bào)告指出，丹麥6小時(shí)精度的最大誤差在600MW-800MW。此誤差水平相當(dāng)于丹麥所有的風(fēng)機(jī)得到的平均風(fēng)速偏離了2米/秒，而最大誤差出現(xiàn)的概率不到10%。未來(lái)電力市場(chǎng)要求風(fēng)機(jī)需要向傳統(tǒng)電機(jī)一樣，當(dāng)沒(méi)有按照合同發(fā)出電量時(shí)，接受懲罰。這將進(jìn)一步迫使風(fēng)機(jī)提高預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，或者風(fēng)場(chǎng)自身購(gòu)買(mǎi)備用電源以彌補(bǔ)預(yù)測(cè)誤差。
