風(fēng)電并網(wǎng)的系統(tǒng)影響

張樹偉　秦旭映

去年下半年以來風(fēng)電棄風(fēng)率有所降低，各地涌現(xiàn)“搶裝潮”。本文將從技術(shù)、系統(tǒng)成本以及市場三個視角，對風(fēng)電并網(wǎng)及其系統(tǒng)影響涉及到的關(guān)鍵問題進(jìn)行討論。

2014年，全國來風(fēng)情況普遍偏小，全年風(fēng)電利用小時數(shù)下降明顯，平均利用小時數(shù)為不到1900小時。風(fēng)電發(fā)電量的增幅降低，一定程度上減輕了風(fēng)電市場消納的壓力，風(fēng)電平均棄風(fēng)率8%，同比下降4%。由于存在風(fēng)電優(yōu)惠電價下調(diào)的預(yù)期，下半年各地區(qū)不同程度出現(xiàn)了“搶裝潮”。截至2014年底，全國風(fēng)電累計核準(zhǔn)容量1.7億千瓦，在建容量接近8000萬千瓦。

進(jìn)入2015年，我國在推出風(fēng)電標(biāo)桿電價體系5年之后，根據(jù)風(fēng)電的技術(shù)進(jìn)步情況，下調(diào)了這一優(yōu)惠政策的支持力度，平均在2分錢左右。下調(diào)的依據(jù)在于過去幾年風(fēng)電設(shè)備行業(yè)技術(shù)進(jìn)步與規(guī)模效應(yīng)帶來的投資成本大幅下降，而反對下調(diào)列出了補貼拖欠、并網(wǎng)困難、棄風(fēng)限電嚴(yán)重、CDM收益消失等問題，影響風(fēng)電業(yè)主的預(yù)期收益率。與此同時，風(fēng)電并網(wǎng)容量突破了1億千瓦的整數(shù)大關(guān)。總體電力需求在2015年的前幾個月依舊低迷，也使得希望通過擴大的電力需求來改善風(fēng)電的棄風(fēng)問題變得困難，棄風(fēng)率在前幾個月大幅上升（接近20%），存量不動、依靠增量解決問題的騰挪空間已經(jīng)變得有限。

在電力體制改革業(yè)已啟動的大背景下，如何從體制設(shè)計與機制安排的角度，解決棄風(fēng)問題變得重要。理解棄風(fēng)形成的原因可能關(guān)系到相應(yīng)的解決方案的提出，無論是在短期還是長期。筆者2014年的文章指出，“風(fēng)電與電網(wǎng)缺乏協(xié)調(diào)”的說法是具有誤導(dǎo)性的。它只在短期項目級成立，而在更長的時間尺度上更像是對存在問題的另外一種表述，“加強協(xié)調(diào)”的說法不意味著任何方法論，會混淆風(fēng)電發(fā)展的目標(biāo)與途徑，也不能提供風(fēng)電長期發(fā)展的目標(biāo)方案。最近，對棄風(fēng)原因的解釋多了一種火電與風(fēng)電利益糾纏說，“統(tǒng)籌二者的利益”自然是其解決方案。這種思路在筆者看來同樣是誤導(dǎo)性的，它轉(zhuǎn)移了話題，跳過“做蛋糕”的系統(tǒng)最優(yōu)化問題，直接解讀為“分蛋糕”的分配問題（這個當(dāng)然也重要，但是無疑是第二位的），將追求效率為基本價值目標(biāo)的經(jīng)濟議題，變成了一個充滿妥協(xié)意味的政治議題。

本文中，作者將從技術(shù)、系統(tǒng)成本以及市場三個視角，對風(fēng)電并網(wǎng)及其系統(tǒng)影響涉及到的關(guān)鍵問題（成本&市場價格動態(tài)、激勵政策）進(jìn)行討論。

風(fēng)電并網(wǎng)的技術(shù)視角——系統(tǒng)靈活性要求提升

電力系統(tǒng)的靈活性，簡而言之是電力系統(tǒng)面臨供給與需求波動仍舊保持系統(tǒng)時刻平衡的能力，包括“向上”與“向下”的靈活性。風(fēng)電出力的最大特點在于其波動性（variability），也就是說風(fēng)電機組的出力大小，是天氣情況決定的，而不像傳統(tǒng)的化石燃料機組，受人的控制。出力波動與預(yù)測誤差的存在，意味著系統(tǒng)面臨需求不確定性之外，多了一層不確定性，無疑將需要更多的可以靈活調(diào)節(jié)的機組以在各個時間尺度上幫助系統(tǒng)的平衡。

對應(yīng)于資產(chǎn)存量更新的速度，不同時間尺度上的系統(tǒng)靈活性資源選擇有所不同。

短期（1年到幾年）內(nèi)，電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與技術(shù)不可能發(fā)生大的變化，風(fēng)電接入電網(wǎng)更多考慮的是如何通過優(yōu)化電網(wǎng)調(diào)度運行來提高接入風(fēng)電的能力。更加準(zhǔn)確的進(jìn)行風(fēng)電出力預(yù)測，將減少系統(tǒng)平衡的不確定性，進(jìn)而減少對靈活性的要求，在系統(tǒng)平衡中扮演著比較重要的角色。提高調(diào)度計劃的時間分辨率，從日前計劃不斷的滾動修正到小時級計劃，以及半小時、15分鐘計劃，可以縮小系統(tǒng)需要平衡的程度，提高運行效率。此外，業(yè)已存在的基于價格（峰谷電價）或者基于激勵（可中斷電源）的需求側(cè)管理措施，也可以有效地扮演平衡服務(wù)的角色。

中期（幾年到10年）：電力系統(tǒng)有機會發(fā)生比較明顯的結(jié)構(gòu)改變與增強技術(shù)能力。擴大的電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)范圍（可以利用更多的出力特性不同的機組，集合負(fù)荷特性不同的用電者，平抑波動）、靈活電源（比如天然氣單循環(huán)機組。這部分機組具有起停迅速、成本較小的特點，固定投資成本低，是峰荷最有力的競爭者）以及抽水蓄能等都是系統(tǒng)靈活性提高的方式。

長期（幾十年）：現(xiàn)有的電力系統(tǒng)特點、存量資產(chǎn)可以完全忽略。問題變成了基于何種價值標(biāo)準(zhǔn)，需要“設(shè)計”或者推動形成一個什么樣的電力系統(tǒng)。其中，先進(jìn)的技術(shù)與模式的作用與角色，比如先進(jìn)儲能技術(shù)、電動汽車與電網(wǎng)的互動、互聯(lián)網(wǎng)促進(jìn)電力響應(yīng)的應(yīng)用等，是一個非常熱門的話題。如果系統(tǒng)的可再生能源越來越多，并且其在市場競價與政策安排中居于優(yōu)先地位，那么意味著系統(tǒng)剩余的負(fù)荷曲線波動將更大，系統(tǒng)會越來越呈現(xiàn)只有腰荷與峰荷，而沒有明顯基荷的特點。這一特點，無疑意味著系統(tǒng)的靈活性以及輕資產(chǎn)密度的需求（因為利用率的下降，投資成本大的電源類型發(fā)電成本將無法攤?。?/p>

在中期尺度上，存在著可能的一種變化，那就是通過對現(xiàn)有系統(tǒng)的更新改造或者關(guān)停（比如未達(dá)到技術(shù)壽命的發(fā)電機組）來加快系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)變化與資產(chǎn)更新。這方面值得探討的是：在中短期，是否需要提前退役嚴(yán)重影響系統(tǒng)靈活性的大容量輸電線路以及大容量的煤電機組。

這些廣泛存在的措施的最終目標(biāo)，在于以經(jīng)濟有效的方式，保證電力系統(tǒng)在任意地點與時間上的供需平衡。在目前的系統(tǒng)中，通常電網(wǎng)平衡與安全負(fù)責(zé)的機構(gòu)（比如調(diào)度或者電網(wǎng)）都擁有一定的平衡資源，而發(fā)電廠商也在一定的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)有參與系統(tǒng)服務(wù)的義務(wù)。超過這些范圍，電力市場也存在著平衡市場，去實現(xiàn)額外的平衡需求的購買與供應(yīng)服務(wù)。在美國的部分電力市場，這一平衡市場還能夠與能量市場聯(lián)合優(yōu)化出清，促進(jìn)整個電力系統(tǒng)的最優(yōu)化。

風(fēng)電出力預(yù)測的誤差（forecast error）總是存在，相比傳統(tǒng)的可控能源形式，風(fēng)電往往意味著更多的系統(tǒng)平衡與備用資源。這一平衡的需求，是針對風(fēng)電預(yù)測的誤差，而不是風(fēng)電的全部。這一增加的程度，從若干歐洲風(fēng)電大國的經(jīng)歷來看，是非常有限的。短期來看，風(fēng)電存在一定程度的保證容量（與地點與負(fù)荷特性高度相關(guān)，在5%-40%左右），而我國電力系統(tǒng)也存在著較大的冗余。不考慮系統(tǒng)的爬坡速率問題，筆者團(tuán)隊的初步研究表明，即使目前的電力系統(tǒng)完全不改造，接納年（發(fā)電量）10%風(fēng)電與5%太陽能以上份額在技術(shù)上是可行的。目前的可再生能源比例距此還存在相當(dāng)?shù)木嚯x，仍具有快速發(fā)展的現(xiàn)有系統(tǒng)可行性條件，關(guān)鍵在于其他問題的解決。endprint

風(fēng)電并網(wǎng)的成本視角——超越發(fā)電成本（LCOE）的系統(tǒng)成本

從一般的角度而言，由于電力的需求是波動的，并且不方便儲存，因此不同的時間上具有不同的價值，在電力需求高的時候價值大，需求低的時候價值小。相對于單一的發(fā)電技術(shù)，不同特點技術(shù)的組合是成本更低的選擇。比如基荷選擇低燃料成本機組（比如核電），尖峰選擇低投資成本（比如天然氣）的是最有效率的。

從不同電源類型的出力特性來看，沒有任何一種電源類型可以完美無縫隙的滿足波動的需求（完全可調(diào)節(jié)的天然氣機組也存在機組故障風(fēng)險）。從經(jīng)濟學(xué)價值的角度，我們可以定義一個假想的“電源”類型，具有與需求完全一致的出力特性，也就不需要任何除發(fā)電外的成本。那么，其他電源類型，包括傳統(tǒng)的煤電、氣電，也包括風(fēng)電、太陽能等可再生能源，與這一理想電源的差別，就是這些電源除了本身發(fā)電成本之外的“系統(tǒng)成本”。因為，作為波動性的電源，風(fēng)電要提供充分滿足需求特性的電力，還將存在相比傳統(tǒng)電源更大的系統(tǒng)成本。以完美跟蹤需求變化的發(fā)電技術(shù)為參照，系統(tǒng)成本主要將包括三個方面：

1、出力特性與需求特性的差別。風(fēng)電的保證容量較低，因此風(fēng)電進(jìn)入系統(tǒng)并不能等效地降低其他機組的投入，它會減少其他機組的利用時間，增加系統(tǒng)過多冗余的必要性，甚至在某些時刻大過總負(fù)荷，這在目前的技術(shù)條件下可能導(dǎo)致負(fù)的電力價格。這導(dǎo)致系統(tǒng)成本相比不發(fā)展可再生能源而增加?？煞Q之為特性成本（Profile cost）。

2、出力的誤差平衡。風(fēng)電的出力是波動并具有不確定性的，預(yù)測總是有誤差的，因此預(yù)測的誤差就需要系統(tǒng)提供額外的容量來平衡。這就需要平衡成本（Balance cost）。

3、風(fēng)電出力的地域限制與傳輸限制。這一成本也存在于其他的電源當(dāng)中，也就是電網(wǎng)的傳輸容量限制，或者缺乏，必須為了風(fēng)電能夠充分上網(wǎng)而投資或者擴建。這就對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)成本（Grid cost）。

以上的三項成本，基本隨著可再生能源的份額增加而增加，但是其具體的大小仍取決于電力系統(tǒng)的特點，取決于系統(tǒng)中各項技術(shù)的互動。一般而言，特性成本往往是三項成本中最大的。從程度上，可再生能源的隨機性與間歇性，也決定了它們的系統(tǒng)成本，往往要大于傳統(tǒng)的可控化石能源機組，特別是具有良好調(diào)節(jié)性能的機組。

必須指出的是，這些成本是客觀存在的，但是這是系統(tǒng)特點與風(fēng)電出力的特點所決定的，并不是市場失靈，不需要任何的政府政策干預(yù)。在起作用的電力市場中，這種成本自然會顯現(xiàn)并由相應(yīng)的承擔(dān)主體。比如由于風(fēng)電出力的時候市場價格低，而風(fēng)電不出力的時候市場價格高，那么平均來看，風(fēng)電的單位發(fā)電收益水平就比不上具有靈活調(diào)節(jié)性能的天然氣；風(fēng)電出力預(yù)測有誤差，其業(yè)主就必然需要在平衡市場購買相應(yīng)的平衡服務(wù)，以實現(xiàn)自己此前向市場的發(fā)電承諾；系統(tǒng)需要為大規(guī)模的風(fēng)電出力波動提供更高水平的旋轉(zhuǎn)備用等資源，這一系統(tǒng)服務(wù)也必然會以某種形式（比如分?jǐn)偟捷斉涑杀?、風(fēng)電自身承擔(dān)、調(diào)度收費）得以消化。

此外，風(fēng)電的這種額外成本的存在，跟傳統(tǒng)機組出力與需求不一致并沒有性質(zhì)上的區(qū)別，也不能得出風(fēng)電不應(yīng)該發(fā)展的結(jié)論。發(fā)展風(fēng)電的意義與目標(biāo)（Target）在于長期的能源安全、減排與環(huán)境收益，以及其他方面。在風(fēng)電份額還非常?。ū热缥覈┑那闆r下，這也不構(gòu)成當(dāng)前限制其發(fā)展的理由（當(dāng)然，風(fēng)電的市場價值在長期可能會下降的比較快）。問題的關(guān)鍵在于：能否設(shè)計一個起作用的電力市場，能夠有助于各種成本要素的發(fā)現(xiàn)與定價，并對相應(yīng)的利益群體提供價格信號或者激勵，以更有效率的解決問題，并促進(jìn)各種需求側(cè)與平衡技術(shù)的創(chuàng)新。

在我國電力市場還基本沒有建立起來的背景下，電力體制改革配套文件中的臨時性的政策安排（如確保風(fēng)電的調(diào)度優(yōu)先地位）無疑是有意義的。但是，這無法取代市場作為長效機制的作用。建立電力市場，仍舊是風(fēng)電可持續(xù)有效率發(fā)展的重中之重。這同樣與以下將要討論的市場視角有關(guān)系。

風(fēng)電并網(wǎng)的市場視角——“merit-order”效應(yīng)

由于缺乏以成本為基礎(chǔ)的競爭市場，這種市場的視角在我國還難以找到對應(yīng)。我們以德國風(fēng)電發(fā)展的效應(yīng)來說明。

德國地區(qū)平均意義上的躉售電價水平，在2008年之后，從60歐元/兆瓦時以上，一路下跌，到現(xiàn)在，平均已經(jīng)不到40歐元/兆瓦時，也就是3-4歐分/度的水平，在某些時段時不時出現(xiàn)負(fù)的電價水平。英國經(jīng)濟學(xué)人雜志的文章《How to lose half a trillion euros》生動了描述了這一過程。

電價的這種跌落，是多種因素共同作用、疊加的結(jié)果。但是無論是理論模擬還是實證檢驗，都基本一致的證實了可再生能源對電價下降的正貢獻(xiàn)，至少在目前的可再生能源份額水平上。風(fēng)電、太陽能的可變成本都無限趨近于零。在一個邊際成本決定市場價格的電力市場中，這種低邊際成本將無限壓低市場整體的價格水平，這稱之為“merit-order”效應(yīng)（優(yōu)先次序效應(yīng)）。眾多文獻(xiàn)的檢驗表明，在目前的電源結(jié)構(gòu)下，可再生能源每增加100萬千瓦，市場的價格水平可能就要跌落6-10歐元。

這種市場設(shè)計與基于邊際成本的定價模式，從整個系統(tǒng)而言，是市場出清與系統(tǒng)成本優(yōu)化的必然選擇。因為各種機組一旦建成，其投資成本，以及固定的運行成本（比如還貸、人員工資）將成為“沉沒成本”，系統(tǒng)要成本最優(yōu)化，必須首先使用那些可變成本低的發(fā)電類型?？稍偕茉礇]有燃料成本，自然是最優(yōu)先的選擇。只有這樣，從“做大蛋糕”——系統(tǒng)最優(yōu)化的角度，也才是合理的。因此，在我國存在的火電與風(fēng)電爭發(fā)電小時數(shù)的問題，首先應(yīng)該界定為一個整體系統(tǒng)最優(yōu)價值標(biāo)準(zhǔn)下的效率問題，而不是一個風(fēng)電與火電分蛋糕的“利益分割”問題與視角。

那么，消費者從下降的電價中得到好處了嗎？對整體電力消費者，短期內(nèi)答案無疑是肯定的。從影響看，因為可再生能源，大量的利潤從發(fā)電商轉(zhuǎn)移到了用電用戶。至于中小工業(yè)與居民電價漲幅巨大的問題，那只不過是支持可再生能源的負(fù)擔(dān)不對稱的加到這些部門之上而已。

總體加權(quán)電價的漲幅要比人們想象的小得多。居民電價的持續(xù)上漲無疑吸引眼球，但它遠(yuǎn)不是整個圖景的全部，甚至不是主要部分。直接的電力支出是支出，內(nèi)含在各種商品中降低的電力成本帶來的支出節(jié)省也是存在的。德國最近幾年的總體終端電價水平在不斷上漲，但是如果沒有可再生能源的擴大，這種上漲的程度只會更高，而不是更低。這是解讀與評價德國可再生能源政策的關(guān)鍵邏輯。

當(dāng)然，長期而言，可再生能源進(jìn)入市場，是提高了還是降低了市場的電價水平，是一個很有爭議，甚至很難界定清楚的問題。市場相比其份額不增長的變化，尤其是電源結(jié)構(gòu)變化會變得非常不確定，并且摻雜了很多衍生的變化。風(fēng)電規(guī)模越大（意味著系統(tǒng)的剩余基荷需求越少，機組的平均利用水平下降，因此高一次投資，低運行成本的發(fā)電技術(shù)與大容量輸電線路將有可能因為缺乏足夠的利用率被淘汰），系統(tǒng)就越發(fā)需要成為一個更具靈活性的系統(tǒng)，靈活機組的份額將更大。這從長期成本而言，往往大于一個（無如此大比例風(fēng)電）不靈活系統(tǒng)的成本。

從市場價格的角度，一方面，merit-order是永遠(yuǎn)存在的，其壓縮市場價格的效應(yīng)是存在的，但是隨著其份額的擴大，在可再生出力減少的情況下，剩余的傳統(tǒng)火電機組將具有更大的市場力去抬升價格，以在有限的利用小時數(shù)以內(nèi)回收固定成本，提高利潤；另一方面，市場價格的最高限價通常是存在的，這一限制是否會導(dǎo)致系統(tǒng)容量不足，從而長期引發(fā)電價整體上漲的問題也是很復(fù)雜的。這是實證角度的分析。從規(guī)范的角度，目前的這種最高限價、可再生能源大發(fā)展與單一電量市場（energy-only）的模式，被大部分人視為不可持續(xù)的，需要進(jìn)一步的改革措施。

此外，價格的變化可能更加劇烈，在可再生能源不出力的時刻，剩余的少量傳統(tǒng)機組將具有很大的市場力去實現(xiàn)一個更高的價格水平。電力市場可能永遠(yuǎn)存在稀缺時刻，而這些時刻可能永遠(yuǎn)存在市場力問題（大部分機組達(dá)到了最大出力，少數(shù)發(fā)電商操縱市場的能力大為增強）。這一問題需要在市場設(shè)計與監(jiān)管層面有待進(jìn)一步的解決。當(dāng)然，這些問題，對于我國的現(xiàn)狀而言，更像是另外一個極端的問題了。

（成稿過程中，國家可再生能源中心主任助理趙勇強，中節(jié)能風(fēng)力發(fā)電股份公司陳冬娟、姚曦工程師參與了討論，在此特表示感謝）。endprint