3.1 電力市場下的傳統(tǒng)電廠與風(fēng)電
電力市場為電力生產(chǎn)方提供了很多選擇。電機的發(fā)電容量是一定的，而每臺電機也可以選擇參與不同的市場從而實現(xiàn)利益最大化。比如，某個燃煤電機可以首先將部分容量在納斯達(dá)克市場交易。這是因為這臺電機不確定未來燃煤的價格，所以在計算風(fēng)險后，可以將一部分容量交易，用于抵消對未來煤價浮動的不確定性。在距離真正發(fā)電前的一兩天，此臺電機可以將剩下的容量參與日前市場競價。這時電機也更加確定自己的成本，因而報價也更加準(zhǔn)確。如果電機在日前交易后還有剩余容量，那么電機還可以參與盤中甚至是平衡市場的交易。在這三級市場中，交易價格是有規(guī)律的。一般越靠近真正發(fā)電時刻，價格越高。因此，市場本著社會整體效益最大的前提，總會更多的從日前市場和盤中市場確定交易。而平衡市場更多的是用于抵消預(yù)測的誤差或者故障發(fā)生造成的某些區(qū)域的不平衡。這樣的電力市場設(shè)計使得即使在風(fēng)電和用電方都有不確定性時，傳統(tǒng)電機仍有充分補充電網(wǎng)平衡的積極性﹔同時也鼓勵了風(fēng)電提高自身預(yù)測的準(zhǔn)確性。
電力市場是丹麥消納風(fēng)電的關(guān)鍵。目前，相較于相同級別的火電廠，風(fēng)場的建造和運營成本仍舊偏高。在沒有任何補貼的情況下，較高的成本將最終反映在電力市場的報價中。目前，為了讓風(fēng)電的價格在市場中有競爭力，適當(dāng)?shù)难a貼是必不可少的。自2008年以來，丹麥可再生能源法明確了一系列對于風(fēng)能的補貼方案，從而降低其市場價格，使其被市場優(yōu)先消納。比如，對于大型風(fēng)電項目，給予整體項目5%的補貼，不但提高了投資競標(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，給予每兆瓦時250丹麥克朗的補貼(相當(dāng)于丹麥年區(qū)域電價的平均值水平)。由于補貼，風(fēng)電在市場中幾乎成為了“免費”的電，完全被市場優(yōu)先接納。在這種補貼制度下，風(fēng)電上網(wǎng)發(fā)電問題得到了解決。這種對于風(fēng)電的補貼模式和力度并不是一成不變的。通過調(diào)節(jié)對風(fēng)電的補貼，來控制風(fēng)電的發(fā)展使其與市場需求相匹配。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)電的補貼來自于人們對環(huán)境保護(hù)的貢獻(xiàn)。在丹麥，所有用戶必須履行公共服務(wù)責(zé)任，即根據(jù)電量的消耗繳納額外的費用(PSO)。這項公共服務(wù)責(zé)任費用中一部分就用于通過上網(wǎng)電價(Feed-in tariff)補貼風(fēng)電。上網(wǎng)電價又可以理解為準(zhǔn)入電價，保證了風(fēng)電的價格低于其它形式的發(fā)電價格從而被市場優(yōu)先消納。上網(wǎng)電價是基于生產(chǎn)成本核算出的，是一種長期合同價格，為生產(chǎn)者和投資方提供了一個穩(wěn)定的回報預(yù)期，激勵了風(fēng)電的發(fā)展。同時，上網(wǎng)電價往往是隨著時間逐漸降低，這是由于考慮到技術(shù)的進(jìn)步使得生產(chǎn)成本降低。同時這種價格調(diào)整，反過來也會激勵生產(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，由于電力零售市場的開放，普通用戶有機會自由選擇電力零售商。而終端用戶的電價往往是每半年調(diào)整一次。而對于風(fēng)電，很多零售商對終端用戶推出實時變動價格，由于人們對環(huán)境保護(hù)的關(guān)注，很多用戶在可以自由選擇用電來源時，還是會選擇波動的風(fēng)電。根據(jù)價格變化，靈活用電，間接的幫助平衡電力供需。這樣的電力消費平臺的創(chuàng)立，使得普通用戶也有了對環(huán)境做貢獻(xiàn)的機會與積極性。參與平衡電力供需的用戶也會得到經(jīng)濟補償。在這種補貼制度和市場機制下，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，或者為風(fēng)電提供備用服務(wù)來彌補風(fēng)能的波動性帶來的供需不平衡，從而得到經(jīng)濟回報。
大型熱電聯(lián)產(chǎn)電機可以靈活的調(diào)節(jié)自身出力，這是以犧牲發(fā)電效率實現(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)營方面很難盈利。沒有一家大型電廠愿意低效運行，除非回報大于損失。而熱電聯(lián)產(chǎn)的供熱能力作為人們生活的另一個必需品，成為了對傳統(tǒng)電廠盈利的一個補充。只有在電力市場的作用下，使得傳統(tǒng)電機低效運行時也能得到經(jīng)濟回報。因為熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電會同時產(chǎn)生熱，其總能源轉(zhuǎn)換效率將會達(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。任何電廠的調(diào)節(jié)技術(shù)都是為市場服務(wù)的。當(dāng)市場有需求，技術(shù)就會誕生。熱電聯(lián)產(chǎn)安裝了電鍋爐，儲熱設(shè)備等等，增加了電力生產(chǎn)的靈活性，用以配合市場中電價較低時，可以產(chǎn)生熱并儲存起來。以目前技術(shù)水平，熱能可以被儲存3天以上。而當(dāng)沒有風(fēng)，市場中電價較高時，熱電聯(lián)產(chǎn)的穩(wěn)定輸出也會獲得更高的利益。實現(xiàn)這些技術(shù)要考慮需求以及成本。以丹麥普通居民為例，平均電價大約2元人民幣每千瓦時(以2015年3月匯率，1丹麥克朗對換0.9元人民幣計算)。而真正的發(fā)電輸電成本大約占電價的50%;公共服務(wù)責(zé)任費用及稅費占了剩下的50%。較高的電價事實上增加了居民使用私人熱泵供熱的成本。目前丹麥最廉價的供熱依然是來源與大型熱電聯(lián)產(chǎn)。以普通家庭為例，室內(nèi)溫度常年維持在23攝氏度，房屋絕熱等級為 B級(即較好)。來自熱電聯(lián)產(chǎn)的供熱年花費大約在1萬元人民幣，而加裝私人熱泵需要一次性投資成本約10萬元人民幣。這樣的對比關(guān)系為熱電聯(lián)產(chǎn)留下了供熱方面的經(jīng)濟空間。同時，大型的熱電聯(lián)產(chǎn)廠還會通過為電網(wǎng)提供無功等輔助性服務(wù)而得到經(jīng)濟補償，也為大規(guī)模風(fēng)電消納提供了補充。
3.2 電力市場下的國際互聯(lián)與風(fēng)電
國際聯(lián)絡(luò)線對于丹麥?zhǔn)腔谑袌鲈瓌t下的重要選項。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)機裝機容量截止到2014年大約是4900MW。全年風(fēng)電覆蓋負(fù)荷最大比率132%。同時配合小型熱電聯(lián)產(chǎn)和太陽能等等，總裝機容量有能力獨立覆蓋丹麥所有的負(fù)載。在本地充足容量的保證下，電力市場為丹麥供電平衡和風(fēng)能消納提供了優(yōu)化經(jīng)濟效益的平臺。北歐電力市場被劃分為多個電價區(qū)域。當(dāng)?shù)湷霈F(xiàn)過多的風(fēng)電，丹麥的區(qū)域電價會變得極低。這時鄰國的電力市場參與者會優(yōu)先選擇低價的丹麥風(fēng)電，直到滿足該地區(qū)的平衡，即在滿足聯(lián)絡(luò)線不過載的條件下區(qū)域間電價趨同。同時由于區(qū)域功率擾動平衡的問題，會對聯(lián)絡(luò)線上傳出功率的變化率作一定要求。對于北歐電力市場，不同電價區(qū)域的小時的變化率被限制在±600MW。這個功率交換限制會在未來被放開到±1200MW或者更大以提供靈活性。所以國際聯(lián)絡(luò)線與風(fēng)能消納之間是市場下的聯(lián)動關(guān)系，而并非依賴關(guān)系。
3.3 電力市場下的負(fù)載響應(yīng)與風(fēng)電
電力汽車，熱泵等消費端對風(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)實際上是負(fù)載以價格為信號調(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的要求和工程師的設(shè)計。
負(fù)載響應(yīng)已經(jīng)在丹麥起步。以熱泵類負(fù)載響應(yīng)為例，丹麥一些私有公司會與最終用戶簽訂合同，通過遠(yuǎn)程監(jiān)控管理最終用戶的熱泵用電量。然后同時與電力市場中的平衡負(fù)責(zé)方簽訂合同，間接參與電力供需平衡調(diào)節(jié)。這些公司開發(fā)了一些在線監(jiān)測和管理軟件，通過監(jiān)測實時電價和最終用戶的室內(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)電價高且室內(nèi)溫度也高于下限時(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，打開熱泵。這樣做，不但為最終客戶省下一筆開支(10%-20%)，同時由于用電量根據(jù)價格波動，使得價格高時(體現(xiàn)供不應(yīng)求的趨勢)，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，相信在未來電力市場機制激勵下，會有更多發(fā)展空間。
4. 風(fēng)電預(yù)測
目前在丹麥，為了接納風(fēng)電，當(dāng)風(fēng)電沒有按照市場協(xié)議電量發(fā)出電力時，風(fēng)機不需要繳納違約金。如果由于風(fēng)機沒有按照協(xié)議電量發(fā)電但又卻恰恰在那時刻幫助電網(wǎng)達(dá)到平衡目前丹麥有超過5千臺風(fēng)機在運行，其中有些是上世紀(jì)末安裝的。當(dāng)時安裝的很多風(fēng)機在風(fēng)機并網(wǎng)口都沒有測量設(shè)備，只有風(fēng)機廠商，地理位置和裝機容量等基本信息，無法實現(xiàn)實時監(jiān)測。2004年后大量風(fēng)機并網(wǎng)，電力系統(tǒng)才提出需要對風(fēng)機的發(fā)電量進(jìn)行監(jiān)測，甚至是根據(jù)天氣情況預(yù)測風(fēng)機的出力。那么在丹麥?zhǔn)侨绾螌崿F(xiàn)風(fēng)電預(yù)測的呢?
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)歸并為一個區(qū)域。所有陸上風(fēng)機都會被劃分到各個區(qū)域。在每個區(qū)域中，沒有安裝實時監(jiān)測的老式風(fēng)機會根據(jù)臨近風(fēng)機所測的風(fēng)速估測其出力。每個區(qū)域的風(fēng)機出力會根據(jù)預(yù)測更新，越靠近史跡發(fā)電時刻，風(fēng)機的預(yù)測出力精度越高。在距離真正發(fā)電時刻1小時時，風(fēng)機的預(yù)測出力已經(jīng)可以達(dá)到很高的精度，如圖2所示1小時到15分鐘預(yù)測結(jié)果與真實測量值的比較。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)機造成的不平衡，從而在平衡市場進(jìn)行補償。
風(fēng)場主和電網(wǎng)公司各自從風(fēng)電預(yù)測公司購買預(yù)測服務(wù)。風(fēng)場主更多關(guān)注24小時之前的風(fēng)力預(yù)測精度，用于參與交易量最大的日前市場;而電網(wǎng)公司更加關(guān)心靠近真正發(fā)電時刻的預(yù)測數(shù)據(jù)，用以維護(hù)供需平衡。風(fēng)場主與電網(wǎng)公司之間信息不共享，從而達(dá)到經(jīng)濟效益和供需平衡間的制衡。分析報告指出，丹麥6小時精度的最大誤差在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%。未來電力市場要求風(fēng)機需要向傳統(tǒng)電機一樣，當(dāng)沒有按照合同發(fā)出電量時，接受懲罰。這將進(jìn)一步迫使風(fēng)機提高預(yù)測的準(zhǔn)確性，或者風(fēng)場自身購買備用電源以彌補預(yù)測誤差。
