随着风电在电力系统中的比重不断增加，电力供需平衡与电网稳定运行将会面临前所未有的挑战。如何协调电力系统中的各个参与者配合消纳较难预测的风电？什么样的政策能够激励发电端甚至消费端积极配合辅助电力的供需平衡？这些问题的答案将会是风电能否进入良性循环发展并成为电力系统主角的关键。2014年底，丹麦风电全年平均覆盖负载的比列已经达到了39%，最大时刻甚至达到132%。经过多年从政策到运营的摸索，丹麦形成了一套有效的风电发展和消纳的方法。这使得丹麦在2020年实现50%的电力来自于风能成为可能。

一、风能带给电网运营的挑战

电力系统中的电力生产与消耗需要时刻保持平衡。电力消耗的上下浮动主要取决于人们的生产和生活方式。因此，为了维持供需平衡，传统发电厂可以通过实时调节化石燃料的燃烧量而改变发电量来匹配电力的消耗。目前还没有一个有效的技术能够大量的存储电网中的电，供需平衡需要实时调节、并以分钟计保持平衡。在这个背景下，大规模的风电并网给系统运行带来了前所未有的挑战。首先，相较传统发电厂，风电的间歇性和波动性是不可控的。其次，传统电厂例如煤电厂，需要24小时甚至更长时间启动。那么为了维护供需平衡，在一定量的电力消耗下，大规模风电所导致的短时的供大于求会迫使传统电厂下线。而一旦传统电厂下线，就需要等待至少24小时才能重新发电。在这段时间，一旦风电不能满足负载，供需平衡将不能维持，甚至大停电。电力系统一旦崩溃将造成巨大的经济损失。这种情况使得电力生产以及调度变得更加具有挑战。因此，为了消纳风电，电力系统要根据风机的出力，除了调节风机本身还要调节传统电厂甚至负载端来达到整个系统的供需平衡。可见，大规模风电并网的挑战之一就是电力系统多方协作维护系统的供需平衡。

二、措施

风电是绿色能源，即使人们希望使用风电，愿意为风电较高的成本买单，但是由于风电的波动性和间歇性可能导致的严重的供需不平衡甚至大停电，仍旧使人望而生畏。既然风电会给系统带来如此严峻的挑战，那么如何才能使电力系统积极的接纳风电呢？或者说，在目前情况下，如何有效的解决供需不平衡问题呢？

从技术角度讲，维护大规模风电并网下的电力供需平衡，实际上是寻求一种经济有效的储能方式，从而弥补风能的波动性和间歇性。这里说的储能方式是广义的，它可以是用户端的电动汽车、热泵，也可以是其它的电力与其它能源转化的形式。如水电就是对风电的一个重要补充，即通过调节水电站水位来弥补风能的波动性。然而，这些措施最终都要一套切实可行的机制有效的结合起来，共同维持电力供需平衡。没有经济效益，水电是不会配合风电调节自己本身的发电量。没有经济效益，电动汽车，热泵也不可能发展起来。

为了摆脱丹麦能源系统对化石燃料的依赖，保护环境，丹麦从上世纪80年代起开始发展风能。起初，风能的规模很小，以分散的小型陆上风机为主。集体筹资建造。政府规定，所有风电无条件并网发电，并且补贴其成本激励大家发展风电。由于这类风机的规模较小，没有对电力系统的供需平衡产生影响。但是到了2000年后，大型海上风电场开始出现。其额定功率已经可以媲美传统火电厂。这类风场的供电波动性不能忽视。实际上，如果风电可以被预测并且通过对系统中其它参与者提供平衡服务给予一定的补偿，那么风电就可以被很好的接纳。丹麦是通过电力市场机制实现这个方法的。

三、北欧电力市场

北欧电力交易所(Nordpool)是挪威﹑瑞典﹑芬兰﹑丹麦等国共同参与的电力交易平台，覆盖了该地区70%以上的电力交易。该交易所主要包括两个现货市场，即日前交易市场和盘中交易市场。市场参与者被划入不同电价区域，各个区域的电价是由买卖双方竞价所决定，反映了电力以小时为间隔的供需平衡。电力市场根据距离发电时刻的时间长短又可以分为三个等级。第一级为日前市场，在供电时刻前24小时关闭。买卖双方向电力交易所提交每小时的报价单。电力交易所汇总所有的报价单以供需平衡为基础，以实现区域内最大社会经济效益为前提，核算出每小时的边际价格。第二级为盘中市场，在供电时刻前1小时关闭。由于电力系统运行的不确定性，在日前市场核算时达到的平衡很可能被打破。盘中市场为买卖双方提供了另一个交易平台来调节供需、协商价格。第三级为平衡市场，主要由传输线路运营商（TSO）的调度室参与的最终交易，即在真正调度的30分钟到5分钟前买入上调或下调电量以维持电力的最终平衡。无论哪一级市场，买卖双发一旦达成交易就必须在供电时刻按照交易的电量生产和使用电力。一旦一方或者双方违背协议供需电量，将会导致系统的不平衡。那么违背协议方需要缴纳违约金。此外，北欧电力市场中的交易合同也可以在纳斯达克市场中交易。这里销售者和购买者签订以一定价格在规定时间内输送定量电力的期货合同。这个期货市场的交易发生在发电前的6年到36小时。其目的大多是发电方为了对冲未来发电价格的不确定性，其交易结果则为现货市场的边际价格提供了参考。除了纳斯达克市场，还有电力备用市场。在这个市场里，赢得竞价的发电厂会提供备用电源服务，保证电网充足的供电以及稳定运行。比如频率控制备用，瞬时扰动备用，快速启动备用，慢速启动备用和无功备用。只有具备完善的电力市场，可再生能源才能得以稳定并有效的应用。

图. 丹麦主要电力市场以及参与者

如图1所示，丹麦国家电网公司作为丹麦电网运营商，其职责是时刻维护电力的供需平衡。丹麦电网公司与主要生产者，大用电户和一些被称为平衡责任方的代表签订了一系列协议。主要目的就是能够时刻保证系统内有充足的容量和及时的备用电源。同时，作为北欧电力交易所的所有者之一，丹麦电网公司同时履行监管市场运行的职责，保证所有人公平的进入市场交易。政府是能源法的制定者，而电网公司是政策的执行者之一。电网公司不以盈利为目的，这确保了电网公司作为执行者在电力市场中的公正性。

（一）电力市场下的传统电厂与风电

电力市场为电力生产方提供了很多选择。电机的发电容量是一定的，而每台电机也可以选择参与不同的市场从而实现利益最大化。比如，某个燃煤电机可以首先将部分容量在纳斯达克市场交易。这是因为这台电机不确定未来燃煤的价格，所以在计算风险后，可以将一部分容量交易，用于抵消对未来煤价浮动的不确定性。在距离真正发电前的一两天，此台电机可以将剩下的容量参与日前市场竞价。这时电机也更加确定自己的成本，因而报价也更加准确。如果电机在日前交易后还有剩余容量，那么电机还可以参与盘中甚至是平衡市场的交易。在这三级市场中，交易价格是有规律的。一般越靠近真正发电时刻，价格越高。因此，市场本着社会整体效益最大的前提，总会更多的从日前市场和盘中市场确定交易。而平衡市场更多的是用于抵消预测的误差或者故障发生造成的某些区域的不平衡。这样的电力市场设计使得即使在风电和用电方都有不确定性时，传统电机仍有充分补充电网平衡的积极性﹔同时也鼓励了风电提高自身预测的准确性。

电力市场是丹麦消纳风电的关键。目前，相较于相同级别的火电厂，风场的建造和运营成本仍旧偏高。在没有任何补贴的情况下，较高的成本将最终反映在电力市场的报价中。目前，为了让风电的价格在市场中有竞争力，适当的补贴是必不可少的。自2008年以来，丹麦可再生能源法明确了一系列对于风能的补贴方案，从而降低其市场价格，使其被市场优先消纳。比如，对于大型风电项目，给予整体项目5%的补贴，不但提高了投资竞标方的积极性也降低了风电的成本。另外，在风电并网发电的最初2000小时，给予每兆瓦时250丹麦克朗的补贴（相当于丹麦年区域电价的平均值水平）。由于补贴，风电在市场中几乎成为了“免费”的电，完全被市场优先接纳。在这种补贴制度下，风电上网发电问题得到了解决。这种对于风电的补贴模式和力度并不是一成不变的。通过调节对风电的补贴，来控制风电的发展使其与市场需求相匹配。最终目的是使风电的并网消纳进入了良性循环。

风电的补贴来自于人们对环境保护的贡献。在丹麦，所有用户必须履行公共服务责任，即根据电量的消耗缴纳额外的费用(PSO)。这项公共服务责任费用中一部分就用于通过上网电价(Feed-in tariff)补贴风电。上网电价又可以理解为准入电价，保证了风电的价格低于其它形式的发电价格从而被市场优先消纳。上网电价是基于生产成本核算出的，是一种长期合同价格，为生产者和投资方提供了一个稳定的回报预期，激励了风电的发展。同时，上网电价往往是随着时间逐渐降低，这是由于考虑到技术的进步使得生产成本降低。同时这种价格调整，反过来也会激励生产投资方改进自身的技术，提高生产效率。此外，在丹麦，由于电力零售市场的开放，普通用户有机会自由选择电力零售商。而终端用户的电价往往是每半年调整一次。而对于风电，很多零售商对终端用户推出实时变动价格，由于人们对环境保护的关注，很多用户在可以自由选择用电来源时，还是会选择波动的风电。根据价格变化，灵活用电，间接的帮助平衡电力供需。这样的电力消费平台的创立，使得普通用户也有了对环境做贡献的机会与积极性。参与平衡电力供需的用户也会得到经济补偿。在这种补贴制度和市场机制下，风电在电网中的比重大大提高。为减少污染物排放而征收的各种费用也加大了传统电厂的发电成本，使得传统电厂必须积极配合接纳风电，提高自身的灵活性以及生产效率，更多参与平衡市场，或者为风电提供备用服务来弥补风能的波动性带来的供需不平衡，从而得到经济回报。

大型热电联产电机可以灵活的调节自身出力，这是以牺牲发电效率实现的。效率较低的热电联产电厂（发电效率40%左右）在电力经营方面很难盈利。没有一家大型电厂愿意低效运行，除非回报大于损失。而热电联产的供热能力作为人们生活的另一个必需品，成为了对传统电厂盈利的一个补充。只有在电力市场的作用下，使得传统电机低效运行时也能得到经济回报。因为热电联产发电会同时产生热，其总能源转换效率将会达到90%以上，这就使得热电联产厂可以从供热服务中获得回报。任何电厂的调节技术都是为市场服务的。当市场有需求，技术就会诞生。热电联产安装了电锅炉，储热设备等等，增加了电力生产的灵活性，用以配合市场中电价较低时，可以产生热并储存起来。以目前技术水平，热能可以被储存3天以上。而当没有风，市场中电价较高时，热电联产的稳定输出也会获得更高的利益。实现这些技术要考虑需求以及成本。以丹麦普通居民为例，平均电价大约2元人民币每千瓦时（以2015年3月汇率，1丹麦克朗对换0.9元人民币计算）。而真正的发电输电成本大约占电价的50%；公共服务责任费用及税费占了剩下的50%。较高的电价事实上增加了居民使用私人热泵供热的成本。目前丹麦最廉价的供热依然是来源与大型热电联产。以普通家庭为例，室内温度常年维持在23摄氏度，房屋绝热等级为B级（即较好）。来自热电联产的供热年花费大约在1万元人民币，而加装私人热泵需要一次性投资成本约10万元人民币。这样的对比关系为热电联产留下了供热方面的经济空间。同时，大型的热电联产厂还会通过为电网提供无功等辅助性服务而得到经济补偿，也为大规模风电消纳提供了补充。

（二）电力市场下的国际互联与风电

国际联络线对于丹麦是基于市场原则下的重要选项。丹麦目前的冬季最大负荷大约是6000MW。传统火电容量4400MW，其能力足以覆盖载荷的75%。而风机装机容量截止到2014年大约是4900MW。全年风电覆盖负荷最大比率132%。同时配合小型热电联产和太阳能等等，总装机容量有能力独立覆盖丹麦所有的负载。在本地充足容量的保证下，电力市场为丹麦供电平衡和风能消纳提供了优化经济效益的平台。北欧电力市场被划分为多个电价区域。当丹麦出现过多的风电，丹麦的区域电价会变得极低。这时邻国的电力市场参与者会优先选择低价的丹麦风电，直到满足该地区的平衡，即在满足联络线不过载的条件下区域间电价趋同。同时由于区域功率扰动平衡的问题，会对联络线上传出功率的变化率作一定要求。对于北欧电力市场，不同电价区域的小时的变化率被限制在±600MW。这个功率交换限制会在未来被放开到±1200MW或者更大以提供灵活性。所以国际联络线与风能消纳之间是市场下的联动关系，而并非依赖关系。

（三） 电力市场下的负载响应与风电

电力汽车，热泵等消费端对风能的辅助调节都可以被归纳为负载响应。负载响应实际上是负载以价格为信号调节自身的用电量，在不影响人们生活舒适度的前提下，优化利用资源。至于如何调节以及调节的力度都取决于用户的要求和工程师的设计。

负载响应已经在丹麦起步。以热泵类负载响应为例，丹麦一些私有公司会与最终用户签订合同，通过远程监控管理最终用户的热泵用电量。然后同时与电力市场中的平衡负责方签订合同，间接参与电力供需平衡调节。这些公司开发了一些在线监测和管理软件，通过监测实时电价和最终用户的室内温度，根据室内温度的可控范围，调节热泵的耗电量。当电价高且室内温度也高于下限时（比如22摄氏度），关停热泵。当室内温度低于舒适温度时，打开热泵。这样做，不但为最终客户省下一笔开支（10%-20%），同时由于用电量根据价格波动，使得价格高时（体现供不应求的趋势），减少用电量，从而帮助调节电力供需平衡。这些公司大多都是刚刚起步，相信在未来电力市场机制激励下，会有更多发展空间。

四、 风电预测

目前在丹麦，为了接纳风电，当风电没有按照市场协议电量发出电力时，风机不需要缴纳违约金。如果由于风机没有按照协议电量发电但又却恰恰在那时刻帮助电网达到平衡目前丹麦有超过5千台风机在运行，其中有些是上世纪末安装的。当时安装的很多风机在风机并网口都没有测量设备，只有风机厂商，地理位置和装机容量等基本信息，无法实现实时监测。2004年后大量风机并网，电力系统才提出需要对风机的发电量进行监测，甚至是根据天气情况预测风机的出力。那么在丹麦是如何实现风电预测的呢？

首先，把丹麦划分为若干区域，如下图1所示丹麦西部日得兰半岛的风资源区域划分图。这些区域是根据历史风速，将风速情况较接近的地区归并为一个区域。所有陆上风机都会被划分到各个区域。在每个区域中，没有安装实时监测的老式风机会根据临近风机所测的风速估测其出力。每个区域的风机出力会根据预测更新，越靠近史迹发电时刻，风机的预测出力精度越高。在距离真正发电时刻1小时时，风机的预测出力已经可以达到很高的精度，如图2所示1小时到15分钟预测结果与真实测量值的比较。这样，调度室可以最少在15分钟内汇总所有地区由于风机造成的不平衡，从而在平衡市场进行补偿。

风场主和电网公司各自从风电预测公司购买预测服务。风场主更多关注24小时之前的风力预测精度，用于参与交易量最大的日前市场；而电网公司更加关心靠近真正发电时刻的预测数据，用以维护供需平衡。风场主与电网公司之间信息不共享，从而达到经济效益和供需平衡间的制衡。分析报告指出，丹麦6小时精度的最大误差在600MW-800MW。此误差水平相当于丹麦所有的风机得到的平均风速偏离了2米/秒，而最大误差出现的概率不到10%。未来电力市场要求风机需要向传统电机一样，当没有按照合同发出电量时，接受惩罚。这将进一步迫使风机提高预测的准确性，或者风场自身购买备用电源以弥补预测误差。

五、发展趋势

电力市场规则需要不断调整以应对新的变化。比如风电的补贴政策将随着风电在电网中比重的增加和其自身技术的进步逐步进行调整。目前在丹麦，为了接纳风电，当风电没有按照市场协议电量发出电力时，风机不需要缴纳违约金。如果由于风机没有按照协议电量发电但又却恰恰在那时刻帮助电网达到平衡，则风电会像其它参与平衡服务的发电单元一样得到经济补偿。但是随着风电在电力生产中的比重越来越大，人们更希望风电可以像传统电厂一样在市场中交易。因此，这一机制将会被调整。可见，风电预测的准确度是风电未来能否在未来市场中被有效消纳的关键因素之一。此外，市场机制激励了电力系统中各个参与者来接纳风能。比如，电网运营公司会在电网规划中尽量消除电网堵塞、增加与外国的交换容量，通过电力市场机制为风电消纳提供更大的国外市场；传统发电单元会提高自身的调节能力，灵活的参与市场竞价，提高自身竞争力；用户会根据市场价格调节电力的使用即而“随风而动”辅助供需平衡，这种“需求响应”措施也是丹麦未来智能电网建设的重点之一；风电本身也要更多的承担维护电网稳定运行的义务，甚至向传统电厂一样提供调频调压的辅助性服务。目前，各国在风电并网导则中开始都对电能质量，无功调节，电压甚至频率调节等方面对风电提出了要求。这些要求，能够激励风电项目选择先进的技术提高风机运行的可靠性。

随着风电的容量逐年加大，渐渐代替了传统电厂，使得传统电厂的调配调压辅助服务职责在未来需要风电场来履行。这些辅助性服务要求主要体现在并网导则中。目前丹麦的并网导则已经对大型风电场提出在出力状态下帮助提高频率和低电压穿越等要求。但是还没有进一步要求风场提供诸如快备用等服务。目前的辅助性服务还是由传统电厂提供，由电网公司向传统电厂购买。风机代替传统电厂提供辅助性服务是未来趋势。比如英国电网公司要求风机有惯性响应控制，类似快速备用服务。西班牙要求风厂参与调节电压等等。其考核也是在并网前通过评估取得证书，运行时受到电网公司的监控。

丹麦风电在电力系统比重不断加大的同时，传统火电将逐渐被取代。2014年，风电覆盖负载的最大容量为132%，而最小容量是0%，全年出现约5个小时。相较于电力供大于求，未来供不应求的情况将严重危害系统的供电安全。这将催生新的变革。2015年夏天，德国将会推出电力市场2.0模型，重点将会讨论多个能源领域的整和。相较于德国版的模型，丹麦更加注重未来系统有充足的容量，在没有风的情况下，仍旧保证电力系统的供需平衡。这有可能在已有的电力市场环境下催生出一个新的“容量市场”(capacity market)。其目的是服务于丹麦的能源政策，将现有的能源系统在2050年前后平稳的过渡到一个完全摆脱化石能源的绿色能源系统。

传统电机启动时间长，电机的出力完全可控传。统电力市场主要指日前和盘中市场是基于传统电机的特点制定的。由于风电预测误差，为了更好的接纳风电，新的电力市场设计也应该考虑到可再生能源的特性。有些人提出，应该让风机等可再生能源更多参与平衡市场，同时提高已有的平衡市场交易频率，比如每5分钟交易一次；还有人提出改变电力市场的清算方法，用随机规划算法代替传统的线性规划算法。这些新的电力市场理念将会帮助风电更高效的消纳。

六、总结

电力市场提高了整个电力系统效率，优化配置资源。同时，大规模风电并网也给现有的电力市场带来了挑战。在风电发展的压力下，北欧电力市场越来越多的寻求国际间市场的合作，最终实现泛欧水平的大型电力市场。通过国与国或者大区域之间的电力交易，实现大区域间的供需平衡，提高整个系统的可靠性与安全性。但是这并不代表丹麦将完全依赖于邻国从而丧失独立平衡供需甚至供电的能力。实际上，丹麦将会更多的整合不同能源领域，比如电能与热能的整合，电能与燃气的整合。使用热，气作为电力储存的方式。此外，丹麦还将改进现有的电力市场，使得更多的电力生产方和消纳方参与其中。

丹麦通过电力市场这一平台发展和消纳风能，并通过市场机制激励各方参与者帮助弥补风电本身的不足。一方面，在电力市场机制下，供需平衡最终体现在边际价格上。通过征收公共服务责任费用对风电补贴，使得风电的市场价格远远低于边际价格从而被市场优先接纳。风电的波动性和间歇性可能导致的供需不平衡，通过多个市场的交易被一级一级的以最有效、最经济的方式消除。另一方面，在市场机制下，传统的发电机为了提高自身竞争力也完成了升级改造，更有效的适应灵活的电网。国与国之间的电力互联也在不断增强，在大区域间更加广泛的接纳风电。