研究背景
中國的新能源發展取得了舉世矚目的成績，但受制于電源結構、電網網架等因素，新能源運行和消納問題突出，且部分地區已經由于消納問題開始限制新能源發展。德國2019年風、光發電量占全部發電量的33.4%，是中國該數值的（8.6%）近4倍。本文通過對德國相關數據的收集和整理，研究德國新能源和常規電源發展歷程，總結德國新能源發展經驗和啟示，研究德國電力系統應對新能源功率波動性的措施，為我國未來新能源健康發展提供參考。
論文所解決的問題及意義
德國新能源發展和消納工作成績突出，國內學者對德國新能源消納經驗做了大量分析，但大多只是對德國新能源發展和運行進行了概略性的研究，基本沒有詳實的數據統計和分析。
本文通過對歐洲能源及大宗商品交易中心數據、歐洲電網電力進出口信息、歐洲電力現貨交易所電力生產和價格數據和德國Fraunhofer太陽能研究院數據的收集和整理，研究德國各類電源裝機、發電量、發電小時數變化，以及德國近十年來能源轉型歷程。研究德國負荷用電量以及與周邊國家聯絡線電量和電價變化情況，分析新能源發展給德國電價帶來的影響，總結德國新能源發展經驗和啟示。通過典型周電力系統運行數據，分析德國電力系統應對新能源功率波動性的措施。
論文重點內容
從裝機變化看，德國開始能源轉型后，風電、太陽能發電裝機容量逐年增長，2006—2018年，風電、太陽能發電裝機容量年均增長率分別達到9%和26%。德國近年來最大負荷一般在80GW左右。由于受自然因素限制，風電、太陽能發電在負荷高峰時段均可能出現低功率現象，不能提供安全可靠的電力供應。因此，為保障供電可靠性，德國近年來可控電源裝機容量除核電外，未有明顯減少，基本維持在100GW左右，可以充分滿足國內最大負荷需求，如圖1所示。
圖1 德國國風電、太陽能發電裝機容量變化
從各類電源年發電量變化看，褐煤、水電、燃油機組發電量未有明顯變化；核電受裝機容量減小影響，發電量減小；風電、太陽能發電、生物質發電受裝機容量增大影響，發電量迅速增長；硬煤發電量逐年減小，但幅度下降不大；燃氣發電雖然裝機容量增長較快，但發電量有所降低。各類電源年發電量占比的變化情況如圖2所示，可以看出，風電、太陽能發電、生物質發電發電量占比不斷增加，替代了部分核電、硬煤發電和燃氣發電電量。
圖2 德國各類電源發電量占比變化
從新能源發展對常規電源影響來看，2006—2018年德國燃油發電主要用途為電網高峰負荷備用、應急備用或距離電網較遠地區的供電，年平均小時數比較固定，僅203h。燃氣發電雖然裝機容量逐漸增加，但由于需要配合風電和光伏發電開展每日的電力平衡，發電小時數逐漸下降，年平均1969h。核電、褐煤發電也基本不參與電力平衡調節，僅在市場價格長時間為負電價時采取降出力或關機調節，核電2006—2018年平均小時數為7311h（2011年因裝機容量變化較大，未計入），褐煤發電年平均小時數為6475h。配合風、光波動開展調節的主要是硬煤發電，導致硬煤發電小時數逐漸下降，從2006年的4317h降低到2018年的3050h。
圖3 德國核電和化石能源發電小時數變化
從聯絡線送受電量來看，由于德國新能源裝機容量較大，風、光出力波動明顯，除了依靠本國硬煤發電、燃氣發電調節外，還依靠跨國聯絡線開展電力平衡，利用他國資源平衡本國風光波動。當本國來風、來光較小時，本國電源不能及時開機以保證供電，市場出清價格較高，從國外購入電力；當本國風電、太陽能發電出力較大時，市場出清價格較低甚至是負電價，向國外低價售出電力。德國跨國聯絡線交換電量逐年增加，從2006年的55TW·h上升到2017年的107TW·h，增長將近一倍，2018年有所下降，至93TW·h，如圖4所示。
圖4 德國跨國聯絡線交換電量情況
從實際運行來看，新能源按照0電價參與電力市場競價（實際結算電價還包括政府補貼），以保障優先上網。當新能源出力高時，電力市場的出清電價下降，甚至出現負電價，受電價影響，火電、燃油燃氣發電等盡可能降低出力，國外電力市場同樣從德國買入電力；當新能源出力低時，電力市場出清價大幅上漲，刺激各類靈活電源包括國外電源提高發出電力。
圖5 2017年第17周德國各類電源運行情況
從對電價的影響來看，過去十年中，由于可再生能源分攤費快速增長，德國居民電價持續走高。德國居民在享受高可再生能源的同時，還承受著高額的國內用電電價（2019年為30.43歐分/kW·h，較2000年最低的13.94歐分/kW·h上漲了1.1倍，如圖6所示）。
圖6 近20年德國居民用電電價變化情況
研究結論
發展風電、光伏發電等新能源是中國能源戰略的重要組成部分，但發展新能源是一個必須由全社會參與的系統性工作，電源結構優化、電力系統靈活性提升、體制機制改革、技術進步等缺一不可。中國應充分學習國外新能源發達國家經驗和教訓，立足本國經濟和電力發展實際情況，走出一條滿足中國實際需求、促進中國新能源可持續發展的新路。
主要作者介紹
作者：王躍峰，男，高級工程師，從事新能源并網和規劃研究。