2018年03月07日 | 丹麦区域能源互联网发展综述

尤石 1，宋鹏翔 2

（1．丹麦科技大学电力与能源中心，灵比校区，丹麦 哥本哈根，DK2800；2．国家电网全球能源互联网欧洲研究院， 德国 柏林，10117）

区域能源互联网作为加速促进世界向可持续能源转变的重要手段之一，在近期倍受关注。丹麦是世界上较早使用以区域供暖为主的区域能源手段来解决能源问题的国家，目前正在积极推动向具有综合能源特性和以灵活性交易为互联手段的区域能源互联网的转型。

文章对丹麦区域能源互联网的发展历史和现状作了简要介绍；对相关的理念和示范经验给出了具体描述；指出了当前区域能源互联网在技术上所遇到的瓶颈。文章将会为中国的区域能源互联网发展提供国际上的经验与参考。

0、引言

丹麦是世界公认的绿色国度之一。绿色能源在丹麦的大力发展则要归因于20世纪70年代使丹麦经济严重受挫的石油危机。随着1979年丹麦通过第一个供热法案和第一台30kW风力发电机的并网商业运行，以提高能效为主要目的的区域供暖（district heating，DH）和以解决能源不足为主要出发点的风力发电逐渐成为了丹麦能源体系中的两大支柱。在石化能源逐步枯竭的今天，发展单一的能源手段不但无法满足丹麦对清洁能源快速增长的渴求，还会给现有的能源基础设施带来巨大的负担，而后者所导致的结果则往往是需要在现有的能源基础设施上进行巨额的追加投资。以解决风电并网为例，电力系统管理者往往需要额外建设具有足够电力容量的跨区域或跨国的电力通道以确保电网供需实时平衡。而这一举措大大增加了使用清洁能源的综合成本并延缓了清洁能源的发展节奏。为解决这一问题，丹麦开展了一系列针对区域能源互联网/综合区域能源系统（integrated district energy system， IDES） 领域的研究与示范。其主旨在于对丹麦现有的区域能源系统升级改造。通过对区域内各能源系统（energy system，ES）在源–网–储–荷等多方面的灵活性（flexibility）进行深度挖掘、智能控制、优化管理和自由交易，在发展两大支柱能源手段的同时使其相得益彰。

1、从区域能源到区域能源互联网的转型

1.1 丹麦区域能源的发展

区域能源（district energy，DE）通常指根据某一区域内的能源结构和能源禀赋，优化配置各种能源资源，同时结合余热利用、热泵、储能等先进技术，充分利用高、低品位能源，为区域内用户提供冷、热、电等产品的技术解决方案［4］。而这里的区域往往既可泛指国家或城市中的行政分区，如乡、镇、村、街道等， 也可以根据某类特定行业和形态在一定地理范围内的统一表征来划分，如工业园区、商业园区、农业园区， 住宅区等。

在丹麦，区域能源目前的主要表现形式为区域供暖。随着1903年丹麦建成了第一座通过垃圾焚烧来实现热电联产的电站（combined heat and power，CHP），区域供暖开始在大型城市被缓慢推广。在此期间大型发电站产生的废热被视为主要热源。随着1973、1974年石油危机的爆发，人们开始清楚地意识到开发高效节能手段和寻找新型替代能源的重要性。在区域能源领域，其直接结果体现在各类高效节能型的热电联产系统在中小型城市被快速推广。目前丹麦拥有6个大型集中区域供暖区和约400个小型分散的区域供暖区，通过总距离达到160km的输热管道为63%以上的丹麦家庭提供每年总量约为10 000GWh的生活热水（domestic hotwater，DHW）和空间采暖（space heating，SH）服务。以煤、生物质（如秸秆和木屑）、天然气、垃圾等为燃料的热电联产机组为全丹麦提供了约73%的热量，余下热负荷由工业余热和各类锅炉以及热泵等转化手段提供。

目前丹麦的区域供暖正处于第三代向第四代的转型时期。相对于早期的第一代蒸汽供热系统和第二代的高温加压热水系统，第三代区域供暖将供水温度降低到80℃左右，回水温度在40℃左右，并辅以热存储设备和热交换站。这使热电联产电厂可在一定程度上对电和热的生产进行解耦，从而打破了传统上以热定电的运行方式，并取得了在北欧电力现货交易中一定的灵活性。第四代区域供暖旨在进一步提升区域供暖系统的效率和灵活性，其主要改进体现在：

1） 采用更多的低温区域供暖（ low temperature district heating，LTDH）技术（如55ºC供水25 ºC回水， 又如35～45ºC供水）以减少传输过程中的热损耗。

2）燃料将主要由生物质燃料组成，并充分利用太阳能、地热、风能等其他可再生能源。

3）产热方面将进一步推广各类型的热泵、电锅炉等电转热手段并用于一次和二次加热。

4）针对热力系统中源–网–储–荷等各方面优化的能量管理。

随着第四代区域供暖在丹麦的推进，电力系统与热力系统之间的互联互动变得更加紧密。以图1所演示的低温区域供暖用户侧连接示意为例，为使入户后的热水达到生活热水的质量标准，用户侧需要采用热泵或电加热器等方式对入户热水进行二次加热并配以小型的水箱来提高整体系统的能效和经济效益。这一设计使得电、热两系统之间的关系从传统以大中型热电联产系统为代表的供给侧热源与高中压电网的互联互动拓展至以小微型热泵或电加热器为代表的负荷侧热源与低压电网的互联互动，从而使丹麦的区域能源朝着全分布式系统（fully distributed）的方向发展。

1.2、 丹麦的区域能源互联网理念

为实现丹麦2050年全社会能源体系中100%可再生能源（其中风电占电力能耗50%）的目标，建设和发展具有综合能源特性的区域能源互联网技术成为最为重要的手段之一。如图2所示，在区域能源系统的基础上，区域能源互联网被定义为在一定区域内以电、热、气为能源载体，具有多种源、网、储、荷技术组合的一个综合且复杂的综合区域能源系统。随着区域边界的变化， 一个单一区域能源互联网既可能表示以能源配送网络结合分布式能源为主的小型区域性网络系统，也可能成为集产输配为一体的大型城市级网络系统。针对区域内部各类能源技术组合的协同规划和管理运营所产生的一系列问题的复杂性也会随着区域范围的扩大以几何倍数增长。

图1    低温区域供暖家庭用户侧二次加热方式示例

Fig.1 Examples of heat boosting solutions for domestic customers connected to a LTDH network

图2    在广域综合能源系统中的区域能源互联网

Fig.2 Integrated district energy system (s) in a wide area integrated energy system

图3    电力系统中灵活性的来源分布与相对成本

Fig.3     Flexibility options in a power system and their relative costs

另外，区域能源互联网有别于传统区域能源的另一主要特征是其与广域综合能源系统（wide area integrated energy system，WAIES）的互联特性。这意味着区域能源互联网在解决其区域内部的前提下，需要为广域系统提供有力的支撑和服务，通过区域内自治、区域间协作的方法解决广域范围内的能源问题。

2、基于灵活性的区域能源互联网

2.1 能源系统中的灵活性和其来源

能源系统中的灵活性是指其应变和响应能力，并依此减小各种不确定因素带来的负面影响。图3给出了电力系统中灵活性的来源分布及其对应成本。源侧的灵活性多来自对各类发电机组的灵活改造，荷侧的灵活性则来自各类需求响应计划，网侧的灵活性则要靠对网络的规划和管理来实现，各类储能因其自身特性也呈现出在不同时空尺度上的灵活性特性。除此之外，提出有针对性的运营方法和改进市场策略也可成为挖掘灵活性的重要手段。热力系统与燃气系统呈现出的灵活性来源分布与电力系统十分近似，这一元素为建设以灵活性交易为协调手段的区域能源互联网系统提供了便利的条件。

2.2 基于市场模式的灵活性控制、管理和交易

由于北欧的能源市场出现相对较早，丹麦的市场机制已经非常成熟。以电力系统为例，除了丹麦国家电网公司Energinet以输电网络运营商（transmission system operator，TSO）的角色负责110kV及以上电压等级网络的管理和调度，电力的生产、配送和销售等环节则由多达64个配电网络公司（distribution system operator， DSO ）， 45个平衡责任提供者（ balance  responsible party，BRP）以及近百家电力零售商在北欧的电力市场Nordpool中协作完成。由于区域互联网内部的灵活性不仅要服务自身也要服务广域综合能源系统，建立以灵活性为商品的灵活性市场成为了行之有效的一种手段。

图4中的（a）、（b）两图分别给出了灵活性市场的核心理念和针对一般灵活性产品的特征描述。供需双方需要首先确定灵活性商品的一般特征参数，如功率范围、响应速度和时长等。在产品特征描述达成共识的前提下，灵活性需求者和灵活性拥有者在基于供求理论的市场中分别对其所买/所卖的灵活商品进行控制、管理、定价和交易。在灵活性的控制和管理上，各种直接和间接的控制手段都可以用来控制独立的灵活性资源或者基于聚合方式（aggregation）的大量灵活性资源。

图4    灵活性产品市场

Fig.4     Flexibility market

3、丹麦区域能源互联网的示范经验

3.1 电力灵活性交易平台FLECH在iPower和Ecogrid2.0 中的开发及示范

iPower作为丹麦智能电力领域最大的创新和研究战略平台几乎涵盖了丹麦所有电力相关企业，高校和科研机构。图5 所示的针对负荷侧的灵活性交易平台（flexibility clearing house，FLECH）是其在2011–2016年期间的主要成果之一。这一平台主要用于解决丹麦在当前电力市场形式下各利益主体之间（输配电公司，灵活性聚合商等）因信息不对等而无法对灵活性进行合理发掘和优化利用的问题。作为信息交互和灵活性交易的载体，平台自身的功能主要包括市场清算、合同管理、服务结算等。灵活性的管理工具包括在供需两侧对灵活性的需求和供给能力的分别量化，以及对灵活性的控制和调度等技术模块。

目前，这一平台及相关工具正被另一大型示范项目Ecogrid2.0（2016–2019年）拓展开发，并用于丹麦Bornholm岛基于灵活性市场的区域电力系统运行。其间会有近2 000电力用户通过两大聚合商参与灵活性市场为配电网和输电网解决阻塞管理、功率平衡等问题。

3.2、Energylab Nordhavn中的城区能源互联网

北港（Nordhavn）作为丹麦首都哥本哈根的老港口区目前正被改造成一个至少拥有4万居民的新型城市社区。由丹麦能源技术发展和示范基金会（Danish Energy Technology  Development  and  Demonstration Programme，EUDP）出资1 100万欧元所支持的Energylab Nordhavn项目（2015–2019年）正在北港地区示范以电热互联为主体的城市区域能源互联网工程。如图6所示，该工程沿用了FLECH的理念，并将其拓展到热力系统，使该区域内的热力公司（district heating operator，DHO）也可参与受益。系统中灵活性来源包括大型热电联产设备，各类热泵， 大型电力储能（battery storage，BS）与热力储能（thermal storage，TS）设备，电动汽车（electric vechile，EV），智能楼宇和为低温区域供暖系统提供二次升温的直接加热设备（direct electric heater，DEH）以及具有储能功能的电加热器等（electric storage heater，ESH）。在灵活性产品方面，该项目截至目前已经为区域内所涉猎的4个灵活性需求方设计了以电、热负荷联合调度为代表的9类智慧能源网络服务（smart network services，SNSs）产品， 用于优化协调区域内部电网，热网，灵活性设备，传统电、热负荷，以及各相关利益主体之间的运作。

图5    灵活性交易平台FLECH的基本功能以及相关工具需求

Fig.5     Basic functions of FLECH and the associated toolsets

图6 EnergyLab Nordhavn中以智慧能源网络服务为纽带的电热系统互动设计

Fig.6     Integrated operation of EnergyLab Nordhavn based on SNSs

3.3、 其他示范经验

除了上述提及的示范项目，丹麦还进行了一系列以实现高比例清洁能源为目标的区域能源互联网示范工程。如在Lolland岛打造的世界第一座氢能村庄以风电电解水制氢，再利用小型基于燃料电池技术的热电联产设备为村中每户居民提供相应的能源需求。该系统同时可为广域电力系统提供功率平衡等服务。再如丹麦 Samsø岛以电力输出和基于热泵的零碳区域供暖为主要技术手段实现了高于其本地电力消耗3倍的风能和太阳能发电量的并网和消纳。另外在Svalin、Fuglekvarter等小型居民社区所展开的能源共享（energy collective） 和端对端能源交易（peer-to-peer energy trading）的尝试为区域能源互联网中的能源管理提供了全新的商业模式。

4、区域能源互联网所面临的技术挑战

目前区域能源互联网的的发展在技术上存在以下4 个方面的技术挑战：

1）区域能源互联网中，各能源系统内在的物理特性、市场机制、信息化和自动化水平有着显著的区别。随着各能源系统间的耦合与互动的增加，深入理解各能源网络之间的互动机理成为了发展大型区域能源互联网需要解决的首要问题。

2）用户侧的灵活性由于个人行为习惯的不同会带有很强的随机性和不确定性，需要通过大量的实际样本采集和理论推导工作来量化。

3）针对区域间以及区域和广域能源互联网的协作模式的研究仍处于初期阶段，需要大量科研投入来最终实现区域能源网络与现运行的各能源系统的无缝对接。

4）目前缺少为设计区域能源互联网的整体方案和多时空尺度下运行规则服务的相关工具。现有的工具往往对各能源系统内的运维、控制等机理做出高度简化， 并局限于解决规划阶段的供需平衡与投资回报等问题。

5、结语

中国的区域能源技术目前正朝着多能互补的方向发展，许多相关科研领域和示范性工程的经验正被快速积累。但目前所取得的各项成果在通用性层面上仍有很大的进步空间，这使得很多有着巨大潜力的尤其在需求侧的灵活性资源还未被开发和使用。另外在如何合理促进各区域能源网络之间的协作方面，相关的研究和经验还并不多见。丹麦在其现有的区域能源基础上所开展的一系列区域能源互联网的研究和示范工作将为中国在不久的未来实现清洁低碳、安全高效、可持续发展的新一代能源系统提供宝贵的参考经验。

作者简介

尤石，男，博士，研究员，研究方向为需求响应、主动配电网络和综合能源系统相关的规划、管理和控制等。

宋鹏翔，男，博士，高级工程师，研究方向为储能技术、燃料电池技术、能源互联网场景下的能源转化与多能互补技术。