區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)作為加速促進(jìn)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(guān)注。丹麥?zhǔn)鞘澜缟陷^早使用以區(qū)域供暖為主的區(qū)域能源手段來(lái)解決能源問(wèn)題的國(guó)家，目前正在積極推動(dòng)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(duì)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(jiǎn)要介紹；對(duì)相關(guān)的理念和示范經(jīng)驗(yàn)給出了具體描述；指出了當(dāng)前區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)在技術(shù)上所遇到的瓶頸。文章將會(huì)為中國(guó)的區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展提供國(guó)際上的經(jīng)驗(yàn)與參考。

0 引言

丹麥?zhǔn)鞘澜绻J(rèn)的綠色國(guó)度之一。綠色能源在丹麥的大力發(fā)展則要?dú)w因于20世紀(jì)70年代使丹麥經(jīng)濟(jì)嚴(yán)重受挫的石油危機(jī)。隨著1979年丹麥通過(guò)第一個(gè)供熱法案和第一臺(tái)30kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)商業(yè)運(yùn)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(diǎn)的風(fēng)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(wú)法滿足丹麥對(duì)清潔能源快速增長(zhǎng)的渴求，還會(huì)給現(xiàn)有的能源基礎(chǔ)設(shè)施帶來(lái)巨大的負(fù)擔(dān)，而后者所導(dǎo)致的結(jié)果則往往是需要在現(xiàn)有的能源基礎(chǔ)設(shè)施上進(jìn)行巨額的追加投資。以解決風(fēng)電并網(wǎng)為例，電力系統(tǒng)管理者往往需要額外建設(shè)具有足夠電力容量的跨區(qū)域或跨國(guó)的電力通道以確保電網(wǎng)供需實(shí)時(shí)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(wèn)題，丹麥開展了一系列針對(duì)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(lǐng)域的研究與示范。其主旨在于對(duì)丹麥現(xiàn)有的區(qū)域能源系統(tǒng)升級(jí)改造。通過(guò)對(duì)區(qū)域內(nèi)各能源系統(tǒng)（energy system，ES）在源–網(wǎng)–儲(chǔ)–荷等多方面的靈活性（flexibility）進(jìn)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(shí)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(jié)構(gòu)和能源稟賦，優(yōu)化配置各種能源資源，同時(shí)結(jié)合余熱利用、熱泵、儲(chǔ)能等先進(jìn)技術(shù)，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(shù)解決方案［4］。而這里的區(qū)域往往既可泛指國(guó)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(lái)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(guò)垃圾焚燒來(lái)實(shí)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(jī)的爆發(fā)，人們開始清楚地意識(shí)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(lǐng)域，其直接結(jié)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(gè)大型集中區(qū)域供暖區(qū)和約400個(gè)小型分散的區(qū)域供暖區(qū)，通過(guò)總距離達(dá)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(wù)。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(jī)組為全丹麥提供了約73%的熱量，余下熱負(fù)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(shí)期。相對(duì)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(chǔ)設(shè)備和熱交換站。這使熱電聯(lián)產(chǎn)電廠可在一定程度上對(duì)電和熱的生產(chǎn)進(jìn)行解耦，從而打破了傳統(tǒng)上以熱定電的運(yùn)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(jìn)一步提升區(qū)域供暖系統(tǒng)的效率和靈活性，其主要改進(jìn)體現(xiàn)在：

1） 采用更多的低溫區(qū)域供暖（ low temperature district heating，LTDH）技術(shù)（如55ºC供水25 ºC回水， 又如35～45ºC供水）以減少傳輸過(guò)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(yáng)能、地?zé)?、風(fēng)能等其他可再生能源。

3）產(chǎn)熱方面將進(jìn)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(duì)熱力系統(tǒng)中源–網(wǎng)–儲(chǔ)–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(jìn)，電力系統(tǒng)與熱力系統(tǒng)之間的互聯(lián)互動(dòng)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(dá)到生活熱水的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，用戶側(cè)需要采用熱泵或電加熱器等方式對(duì)入戶熱水進(jìn)行二次加熱并配以小型的水箱來(lái)提高整體系統(tǒng)的能效和經(jīng)濟(jì)效益。這一設(shè)計(jì)使得電、熱兩系統(tǒng)之間的關(guān)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(dòng)拓展至以小微型熱泵或電加熱器為代表的負(fù)荷側(cè)熱源與低壓電網(wǎng)的互聯(lián)互動(dòng)，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(shí)現(xiàn)丹麥2050年全社會(huì)能源體系中100%可再生能源（其中風(fēng)電占電力能耗50%）的目標(biāo)，建設(shè)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(shù)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(chǔ)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(chǔ)、荷技術(shù)組合的一個(gè)綜合且復(fù)雜的綜合區(qū)域能源系統(tǒng)。隨著區(qū)域邊界的變化， 一個(gè)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(luò)結(jié)合分布式能源為主的小型區(qū)域性網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，也可能成為集產(chǎn)輸配為一體的大型城市級(jí)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。針對(duì)區(qū)域內(nèi)部各類能源技術(shù)組合的協(xié)同規(guī)劃和管理運(yùn)營(yíng)所產(chǎn)生的一系列問(wèn)題的復(fù)雜性也會(huì)隨著區(qū)域范圍的擴(kuò)大以幾何倍數(shù)增長(zhǎng)。

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(lái)源分布與相對(duì)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(wù)，通過(guò)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(wèn)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(lái)源

能源系統(tǒng)中的靈活性是指其應(yīng)變和響應(yīng)能力，并依此減小各種不確定因素帶來(lái)的負(fù)面影響。圖3給出了電力系統(tǒng)中靈活性的來(lái)源分布及其對(duì)應(yīng)成本。源側(cè)的靈活性多來(lái)自對(duì)各類發(fā)電機(jī)組的靈活改造，荷側(cè)的靈活性則來(lái)自各類需求響應(yīng)計(jì)劃，網(wǎng)側(cè)的靈活性則要靠對(duì)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃和管理來(lái)實(shí)現(xiàn)，各類儲(chǔ)能因其自身特性也呈現(xiàn)出在不同時(shí)空尺度上的靈活性特性。除此之外，提出有針對(duì)性的運(yùn)營(yíng)方法和改進(jìn)市場(chǎng)策略也可成為挖掘靈活性的重要手段。熱力系統(tǒng)與燃?xì)庀到y(tǒng)呈現(xiàn)出的靈活性來(lái)源分布與電力系統(tǒng)十分近似，這一元素為建設(shè)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(chǎng)模式的靈活性控制、管理和交易

由于北歐的能源市場(chǎng)出現(xiàn)相對(duì)較早，丹麥的市場(chǎng)機(jī)制已經(jīng)非常成熟。以電力系統(tǒng)為例，除了丹麥國(guó)家電網(wǎng)公司Energinet以輸電網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商（transmission system operator，TSO）的角色負(fù)責(zé)110kV及以上電壓等級(jí)網(wǎng)絡(luò)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(dá)64個(gè)配電網(wǎng)絡(luò)公司（distribution system operator， DSO ）， 45個(gè)平衡責(zé)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(chǎng)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(wù)自身也要服務(wù)廣域綜合能源系統(tǒng)，建立以靈活性為商品的靈活性市場(chǎng)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(chǎng)的核心理念和針對(duì)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(yīng)速度和時(shí)長(zhǎng)等。在產(chǎn)品特征描述達(dá)成共識(shí)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(chǎng)中分別對(duì)其所買/所賣的靈活商品進(jìn)行控制、管理、定價(jià)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(lái)控制獨(dú)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(chǎng)

Fig.4 Flexibility market

3 丹麥區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的示范經(jīng)驗(yàn)

3.1 電力靈活性交易平臺(tái)FLECH在iPower和Ecogrid2.0 中的開發(fā)及示范

iPower作為丹麥智能電力領(lǐng)域最大的創(chuàng)新和研究戰(zhàn)略平臺(tái)幾乎涵蓋了丹麥所有電力相關(guān)企業(yè)，高校和科研機(jī)構(gòu)。圖5 所示的針對(duì)負(fù)荷側(cè)的靈活性交易平臺(tái)（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(tái)主要用于解決丹麥在當(dāng)前電力市場(chǎng)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(duì)等而無(wú)法對(duì)靈活性進(jìn)行合理發(fā)掘和優(yōu)化利用的問(wèn)題。作為信息交互和靈活性交易的載體，平臺(tái)自身的功能主要包括市場(chǎng)清算、合同管理、服務(wù)結(jié)算等。靈活性的管理工具包括在供需兩側(cè)對(duì)靈活性的需求和供給能力的分別量化，以及對(duì)靈活性的控制和調(diào)度等技術(shù)模塊。

目前，這一平臺(tái)及相關(guān)工具正被另一大型示范項(xiàng)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(chǎng)的區(qū)域電力系統(tǒng)運(yùn)行。其間會(huì)有近2 000電力用戶通過(guò)兩大聚合商參與靈活性市場(chǎng)為配電網(wǎng)和輸電網(wǎng)解決阻塞管理、功率平衡等問(wèn)題。

3.2 Energylab Nordhavn中的城區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)

北港（Nordhavn）作為丹麥?zhǔn)锥几绫竟睦细劭趨^(qū)目前正被改造成一個(gè)至少擁有4萬(wàn)居民的新型城市社區(qū)。由丹麥能源技術(shù)發(fā)展和示范基金會(huì)（Danish Energy Technology Development and Demonstration Programme，EUDP）出資1 100萬(wàn)歐元所支持的Energylab Nordhavn項(xiàng)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(lái)源包括大型熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備，各類熱泵， 大型電力儲(chǔ)能（battery storage，BS）與熱力儲(chǔ)能（thermal storage，TS）設(shè)備，電動(dòng)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(shè)備（direct electric heater，DEH）以及具有儲(chǔ)能功能的電加熱器等（electric storage heater，ESH）。在靈活性產(chǎn)品方面，該項(xiàng)目截至目前已經(jīng)為區(qū)域內(nèi)所涉獵的4個(gè)靈活性需求方設(shè)計(jì)了以電、熱負(fù)荷聯(lián)合調(diào)度為代表的9類智慧能源網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（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(shè)備，傳統(tǒng)電、熱負(fù)荷，以及各相關(guān)利益主體之間的運(yùn)作。

圖5 靈活性交易平臺(tái)FLECH的基本功能以及相關(guān)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(luò)服務(wù)為紐帶的電熱系統(tǒng)互動(dòng)設(shè)計(jì)

Fig.6 Integrated operation of EnergyLab Nordhavn based on SNSs

3.3 其他示范經(jīng)驗(yàn)

除了上述提及的示范項(xiàng)目，丹麥還進(jìn)行了一系列以實(shí)現(xiàn)高比例清潔能源為目標(biāo)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(fēng)電電解水制氫，再利用小型基于燃料電池技術(shù)的熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備為村中每戶居民提供相應(yīng)的能源需求。該系統(tǒng)同時(shí)可為廣域電力系統(tǒng)提供功率平衡等服務(wù)。再如丹麥 Samsø島以電力輸出和基于熱泵的零碳區(qū)域供暖為主要技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)了高于其本地電力消耗3倍的風(fēng)能和太陽(yáng)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(duì)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(shù)挑戰(zhàn)

目前區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的的發(fā)展在技術(shù)上存在以下4 個(gè)方面的技術(shù)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(chǎng)機(jī)制、信息化和自動(dòng)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(dòng)的增加，深入理解各能源網(wǎng)絡(luò)之間的互動(dòng)機(jī)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(wèn)題。

2）用戶側(cè)的靈活性由于個(gè)人行為習(xí)慣的不同會(huì)帶有很強(qiáng)的隨機(jī)性和不確定性，需要通過(guò)大量的實(shí)際樣本采集和理論推導(dǎo)工作來(lái)量化。

3）針對(duì)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(lái)最終實(shí)現(xiàn)區(qū)域能源網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)運(yùn)行的各能源系統(tǒng)的無(wú)縫對(duì)接。

4）目前缺少為設(shè)計(jì)區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的整體方案和多時(shí)空尺度下運(yùn)行規(guī)則服務(wù)的相關(guān)工具?，F(xiàn)有的工具往往對(duì)各能源系統(tǒng)內(nèi)的運(yùn)維、控制等機(jī)理做出高度簡(jiǎn)化， 并局限于解決規(guī)劃階段的供需平衡與投資回報(bào)等問(wèn)題。

5 結(jié)語(yǔ)

中國(guó)的區(qū)域能源技術(shù)目前正朝著多能互補(bǔ)的方向發(fā)展，許多相關(guān)科研領(lǐng)域和示范性工程的經(jīng)驗(yàn)正被快速積累。但目前所取得的各項(xiàng)成果在通用性層面上仍有很大的進(jìn)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(jìn)各區(qū)域能源網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)作方面，相關(guān)的研究和經(jīng)驗(yàn)還并不多見。丹麥在其現(xiàn)有的區(qū)域能源基礎(chǔ)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(guó)在不久的未來(lái)實(shí)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(yàn)。



作者簡(jiǎn)介

尤石，男，博士，研究員，研究方向?yàn)樾枨箜憫?yīng)、主動(dòng)配電網(wǎng)絡(luò)和綜合能源系統(tǒng)相關(guān)的規(guī)劃、管理和控制等。

宋鵬翔，男，博士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)閮?chǔ)能技術(shù)、燃料電池技術(shù)、能源互聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景下的能源轉(zhuǎn)化與多能互補(bǔ)技術(shù)。