陳浩 中國人民大學(xué)應(yīng)用經(jīng)濟(jì)學(xué)院助理教授
2020年9月，習(xí)近平主席在第七十五屆聯(lián)合國大會的一般性辯論上宣布，中國將提高國家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于 2030年前達(dá)到峰值，努力爭取 2060年前實現(xiàn)碳中和。為了實現(xiàn)碳中和目標(biāo)，發(fā)展高比例可再生能源已成為共識。憑借上網(wǎng)電價補(bǔ)貼和保障消納等政策，中國的可再生能源發(fā)展取得了令人矚目的成就，風(fēng)電和光伏的發(fā)電成本實現(xiàn)了大幅下降，且即將進(jìn)入全面平價上網(wǎng)的時代。風(fēng)電和光伏的發(fā)電出力受自然條件影響大，具有明顯的間歇性、波動性和不確定性特征。在實現(xiàn)碳中和目標(biāo)的過程中，隨著波動性電源滲透比例的不斷增加，我國的電力系統(tǒng)是否能夠繼續(xù)支撐可再生能源的高消納率？高比例可再生能源會給我國電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行帶來什么影響？消納高比例可再生能源將會對我國的電力供給成本或電價產(chǎn)生多大的沖擊？這些問題的答案不僅有助于設(shè)計符合高比例可再生能源發(fā)展的電力市場機(jī)制，也有利于形成科學(xué)合理的成本傳導(dǎo)和分擔(dān)機(jī)制，激勵各方主體對參與發(fā)展高比例可再生能源的積極性，最終為實現(xiàn)碳中和目標(biāo)奠定堅實的基礎(chǔ)。
現(xiàn)有電力系統(tǒng)能否支撐高消納率？
消納高比例的可再生能源是涉及到技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和政治的復(fù)雜問題，也一直是政府、業(yè)界和學(xué)界高度關(guān)注的議題。風(fēng)電和光伏的邊際發(fā)電成本低，清潔無污染，對其進(jìn)行充分消納和利用是人們的廣泛期許。2016年前的嚴(yán)重棄風(fēng)棄光現(xiàn)象遭受了嚴(yán)重的社會輿論和壓力。為了遏制可再生能源的棄電現(xiàn)象，國家發(fā)改委制定了《可再生能源發(fā)電全額保障性收購管理辦法》，要求電力調(diào)度機(jī)構(gòu)在確保供電安全的前提下，充分運用優(yōu)先發(fā)電制度和市場競爭機(jī)制，全額收購規(guī)劃范圍內(nèi)的可再生能源發(fā)電項目的上網(wǎng)電量。棄電率已經(jīng)成為各省可再生能源發(fā)展的關(guān)鍵考核指標(biāo)，是制約可再生能源新項目上馬的重要約束。在既定的可再生能源發(fā)展規(guī)劃下，對高比例可再生能源進(jìn)行充分的消納是一個硬約束。
2019年，我國可變可再生能源（風(fēng)電和光伏）的滲透率為8.6%，低于丹麥（45%）和德國（27%）等其他國家。但是，我國六個省區(qū)電網(wǎng)的新能源滲透率已經(jīng)超過了20%，特別是蒙東地區(qū)的可變可再生能源滲透比例超過了丹麥。而且，2019年，我國風(fēng)電、光伏和主要流域水能的平均利用率分別高達(dá)96%、98%和96%。這些實際數(shù)據(jù)說明，我國三北地區(qū)已經(jīng)具備了消納高比例可再生能源的能力。但是，這些經(jīng)驗?zāi)芊駨?fù)制到其他地區(qū)，還取決于其他地區(qū)的資源稟賦和電力系統(tǒng)靈活性調(diào)節(jié)能力。
圖1 2019年可變可再生能源的滲透比例
數(shù)據(jù)來源：中國電力科學(xué)研究院
為了實現(xiàn)碳中和目標(biāo)，可再生能源的裝機(jī)容量規(guī)模將不斷擴(kuò)大。我國已經(jīng)明確指出，到2030年，風(fēng)電、太陽能發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)到12億千瓦以上?？紤]到我國電力系統(tǒng)的現(xiàn)狀，高比例可再生能源的發(fā)電和消納將對我國的電網(wǎng)運行能力和調(diào)度水平帶來嚴(yán)峻考驗。為了保障可再生能源的高效消納，從技術(shù)層面來看，一方面需要提升對風(fēng)電和光伏出力的預(yù)測精度，從而為機(jī)組組合和調(diào)度做好預(yù)案。另一方面，也要加強(qiáng)對發(fā)電側(cè)、輸電側(cè)、用戶側(cè)和儲能側(cè)的靈活性建設(shè)，提升深度調(diào)峰和快速響應(yīng)能力。電力系統(tǒng)的靈活性越高，調(diào)節(jié)能力越強(qiáng)，則越能應(yīng)對高比例可再生能源帶來的調(diào)峰、調(diào)頻和備用的需求，保障電能供給質(zhì)量。
高比例可再生能源消納對電網(wǎng)安全運行的影響
高比例可再生能源將會對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行帶來沖擊影響，棄電率是反映可再生能源對電網(wǎng)運行沖擊影響的重要指標(biāo)。棄電有多種原因，如輸電線路阻塞、電量供大于求和市場力行為等。英國帝國理工大學(xué)最新發(fā)表在《Nature Energy》上的研究梳理了不同國家或地區(qū)在不同滲透比例下的棄電率，模擬結(jié)果如圖2所示。棄電率整體與可再生能源滲透率呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系，且滲透率每增加1%，棄電率的平均增加值位于0.02%到2.97%之間。其中，美國加利福利亞州的棄電率受可再生能源滲透比例的影響最為明顯。另外，在滲透率超過60%的高比例情景下，美國的棄電率最高，部分情景下達(dá)到將近50%的棄電率。以上述研究中不同國家的滲透比例影響棄電率的均值來進(jìn)行估算，當(dāng)我國的可變可再生能源的滲透比例分別為20%和30%時，棄電率將達(dá)到 20% 和35%左右。因此，電力系統(tǒng)如何應(yīng)對高比例可再生能源的消納，降低棄電率將成為一個挑戰(zhàn)，也是未來電力系統(tǒng)升級改造和投資布局的重點。
圖2 不同國家或地區(qū)在不同滲透比例下的棄電率
數(shù)據(jù)來源：Heptonstall P J , Gross R J K. A systematic review of the costs and impacts of integrating variable renewables into power grids. Nature Energy, 2020:1-12.
可再生能源消納的經(jīng)濟(jì)成本
為了保證電能供給質(zhì)量（電壓、頻率等），風(fēng)電和光伏在并網(wǎng)發(fā)電的過程中需要電力系統(tǒng)為其提供輔助服務(wù)，從而產(chǎn)生消納成本（Integration cost）。國家發(fā)改委發(fā)布的《關(guān)于2018年度電力輔助服務(wù)有關(guān)情況的通報》中指出， 2018年，全國除西藏外31個省（區(qū)、市、地區(qū)）參與電力輔助服務(wù)補(bǔ)償?shù)陌l(fā)電企業(yè)共4176家，補(bǔ)償費用共147.62億元，占上網(wǎng)電費總額的0.83%。其中，風(fēng)電的輔助服務(wù)分?jǐn)偭渴?3.36億元，光伏的輔助服務(wù)分?jǐn)偭渴?.67億元。風(fēng)電的度電輔助服務(wù)成本為0.006 元/kWh，光伏的輔助服務(wù)成本為0.002元/千瓦時。我國在2018年實現(xiàn)7.8%的可變可再生能源滲透比例下的平均度電輔助服務(wù)成本為0.005元/千瓦時，只占2018年全國平均銷售電價的0.80%。與英國和德國等國家相比，我國電力輔助服務(wù)成本的份額占比相對較低。一方面是因為我國的可變可再生能源滲透比例較低，更重要的是我國目前的輔助服務(wù)補(bǔ)償力度不夠。
圖3 2018年全國電力輔助服務(wù)補(bǔ)償金額
注：資料來源于國家能源局綜合司關(guān)于2018年度電力輔助服務(wù)有關(guān)情況的通報，見http://www.nea.gov.cn/2019-11/05/c_138530102.htm。
國外關(guān)于消納成本有多種定義，與國內(nèi)輔助服務(wù)成本的內(nèi)涵存在著一定差異。從全系統(tǒng)成本的視角來看，比較主流的消納成本定義包括平衡成本（balancing costs）、接入成本（grid cost）和匹配成本（profile cost）。平衡成本是為了應(yīng)對可再生能源出力的不可預(yù)測性或預(yù)測偏差所產(chǎn)生的成本。匹配成本是由于為了解決可再生能源出力與負(fù)荷的不相關(guān)性所產(chǎn)生的成本。接入成本是由于可再生能源機(jī)組的地理位置所帶來的成本增量。
可變可再生能源的消納對電力系統(tǒng)的影響是復(fù)雜的，消納成本也會受到不同地區(qū)的電力系統(tǒng)技術(shù)組成、負(fù)荷曲線特征、可再生資源稟賦和監(jiān)管機(jī)制差異等多種因素的影響。關(guān)于中國在高比例情景下的消納成本測算結(jié)果還相對較少，這里以英國的模擬結(jié)果作為參考，如圖4所示。在四種不同的電力系統(tǒng)靈活性發(fā)展情景下，三種可變可再生能源的消納成本均隨著滲透比例的增加而呈現(xiàn)出上升的趨勢。電力系統(tǒng)的靈活性越高，則消納成本越低。從所有情景下結(jié)果的平均值來看，光伏的平均消納成本最高（0.17元/kWh），陸上風(fēng)電的消納成本最低（0.11元/kWh）。以英國2017年的平均居民電價1.38 元/kWh為參考，三種技術(shù)在所有高比例情景中的最大消納成本占電價的比例分別為31%（陸上風(fēng)電），38%（海上風(fēng)電）和34%（光伏）。以英國電力系統(tǒng)靈活性的中等發(fā)展情景作為我國的參考，當(dāng)可變可再生能源滲透比例達(dá)到30%時，其消納成本將占我國平均銷售電價的17%左右。
圖4 英國可再生能源在不同滲透比例下的消納成本
注：圖中的價格已經(jīng)根據(jù)2017年的匯率進(jìn)行了換算，數(shù)據(jù)來源于Goran Strbac, Marko Aunedi. Whole-system cost of variable renewables in future GB electricity system, Joint industry project with RWE Innogy, Renewable Energy Systems and Scottish Power Renewables. Imperial College London. 2016. Available at https://www.e3g.org/docs/Whole-system_cost_of_variable_renewables_in_future_GB_electricity_system.pdf.
中國人民大學(xué)副教授宋楓的最新研究也測算了可再生能源滲透比例對我國供電成本的沖擊影響，發(fā)現(xiàn)可再生能源的全系統(tǒng)消納成本將隨著滲透率提升而增加。當(dāng)2030年全國的風(fēng)光滲透率達(dá)到20-30%時，可能帶來全社會度電成本增加值位于0.03元/千瓦時至0.06元/千瓦時之間。而且，這也將對全社會經(jīng)濟(jì)一般價格水平造成沖擊，基于中國2018年的投出產(chǎn)出表進(jìn)行估算，我國的CPI和PPI 分別增加0.21%-0.42%和0.48%-0.94%。因此，可再生能源的消納成本將不容忽視。
碳中和目標(biāo)下消納高比例可再生能源的建議
基于上述關(guān)于高比例可再生能源對電力系統(tǒng)運行的影響和消納成本的分析，為了更好地促進(jìn)高比例可再生能源的科學(xué)消納，提出了以下幾點建議。
1、強(qiáng)化對可再生能源消納成本的認(rèn)識
隨著可再生能源的大規(guī)模發(fā)展，風(fēng)電和光伏的消納成本應(yīng)該受到重視。美國麻省理工大學(xué)的Paul Joskow教授在《美國經(jīng)濟(jì)評論》上的文章指出，鑒于可再生能源的發(fā)電特征，傳統(tǒng)平準(zhǔn)化度電成本方法存在局限，需要從全系統(tǒng)成本角度來進(jìn)行多種技術(shù)的比較分析?？稍偕茉吹南{成本會隨著時間和空間發(fā)生變化，電力市場是最好的量化方式之一。因此，在新一輪的電力體制改革過程中，需要構(gòu)建科學(xué)的輔助服務(wù)市場，量化可再生能源的消納成本，并建立責(zé)任、權(quán)利和義務(wù)對等的消納成本分擔(dān)機(jī)制，疏導(dǎo)可再生能源的消納成本，釋放準(zhǔn)確的價格信號，從而引導(dǎo)可再生能源技術(shù)的短期運行和長期投資。
2、科學(xué)考核高比例可再生能源的棄電率
為了落實可再生能源法的要求，國家能源局設(shè)定了各省的可再生能源消納目標(biāo)，并發(fā)布了可再生能源的發(fā)電預(yù)警區(qū)域。隨著可再生能源滲透比例的不斷上升，棄電率考核有可能成為部分省份發(fā)展可再生能源的攔路虎。然而，雖然風(fēng)電和光伏具有清潔和低邊際發(fā)電成本的優(yōu)點，但是在特定的條件下，必須要進(jìn)行棄電操作以保障電網(wǎng)的安全運行，如輸電線路阻塞和系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力不足。同時，從電力系統(tǒng)供給的全系統(tǒng)成本來看，部分時刻進(jìn)行策略性的棄電反而會降低運行成本。作為技術(shù)中性的電力調(diào)度機(jī)構(gòu)，應(yīng)該關(guān)注的是全系統(tǒng)的供給成本最小化或社會福利最大化，一味地追求可再生能源的高消納率會帶來過度消納問題，損失經(jīng)濟(jì)效率。因此，需要科學(xué)的認(rèn)識棄電率的安全和經(jīng)濟(jì)價值，從而建立科學(xué)的考核機(jī)制。
3、實施經(jīng)濟(jì)調(diào)度機(jī)制以促進(jìn)可再生能源的高效消納
從根本上來看，可再生能源的消納問題屬于電力系統(tǒng)調(diào)度運行的范疇。在滿足一定的技術(shù)和安全約束條件下，不同發(fā)電機(jī)組在不同時刻的發(fā)電量，是根據(jù)調(diào)度目標(biāo)進(jìn)行資源配置的結(jié)果。我國的電力系統(tǒng)當(dāng)前實施的是行政力量主導(dǎo)的“三公”調(diào)度機(jī)制，該調(diào)度機(jī)制在一定程度上保障了火電機(jī)組的成本回收，卻降低了資源的配置效率。而且，由于調(diào)度機(jī)制的具體細(xì)節(jié)不透明，社會公眾難以對其調(diào)度的科學(xué)性和合理性進(jìn)行完全的監(jiān)督。在高比例可再生能源發(fā)展情景下，機(jī)組單體容量小，數(shù)量眾多，分布更加廣泛，協(xié)調(diào)調(diào)度運行的時間和成本將顯著增加。高比例可再生能源的調(diào)度運行需要更加透明和高效的調(diào)度機(jī)制，經(jīng)濟(jì)調(diào)度機(jī)制是一個不錯的選擇，也是其他國家已經(jīng)廣泛應(yīng)用的調(diào)度機(jī)制。經(jīng)濟(jì)調(diào)度機(jī)制在保障電網(wǎng)安全運行的前提下，按照總成本最小化的原則來實現(xiàn)對不同類型機(jī)組的組合和調(diào)度，調(diào)度結(jié)果公開透明可預(yù)測，可以為可再生能源的運行和投資提供清晰的信號。
4、借助輔助服務(wù)市場機(jī)制對消納成本進(jìn)行補(bǔ)償和疏導(dǎo)
當(dāng)前，我國的輔助服務(wù)市場還處于試點階段，補(bǔ)償機(jī)制還不完善，對可再生能源引發(fā)的消納成本的分擔(dān)和疏導(dǎo)還不充分，給其他市場主體帶來了額外的經(jīng)營壓力，挫傷了對可再生能源發(fā)展的積極性。而且，隨著可再生能源的滲透比例不斷增加，這一問題會更加凸顯。借助新一輪電力市場化改革的契機(jī)，可以通過輔助服務(wù)市場的設(shè)計，產(chǎn)生消納成本的價格信號，體現(xiàn)不同地形地貌、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和電力需求的消納成本差異，從而引導(dǎo)可再生能源技術(shù)的合理投資布局。
在碳中和目標(biāo)的驅(qū)動下，高比例可再生能源的時代即將到來。只有科學(xué)的認(rèn)識可再生能源并入對電力系統(tǒng)的安全、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)等多個方面的沖擊影響，識別潛在的風(fēng)險和問題，才能提前制定出相應(yīng)的應(yīng)對策略，以更好的保障可再生能源的長遠(yuǎn)健康發(fā)展和助力碳中和目標(biāo)的實現(xiàn)。
