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2020年9月,习近平主席在第七十五届联合国大会的一般性辩论上宣布,中国将提高国家自主贡献力度,采取更加有力的政策和措施,二氧化碳排放力争于 2030年前达到峰值,努力争取 2060年前实现碳中和。为了实现碳中和目标,发展高比例可再生能源已成为共识。凭借上网电价补贴和保障消纳等政策,中国的可再生能源发展取得了令人瞩目的成就,风电和光伏的发电成本实现了大幅下降,且即将进入全面平价上网的时代。风电和光伏的发电出力受自然条件影响大,具有明显的间歇性、波动性和不确定性特征。在实现碳中和目标的过程中,随着波动性电源渗透比例的不断增加,我国的电力系统是否能够继续支撑可再生能源的高消纳率?高比例可再生能源会给我国电力系统的安全稳定运行带来什么影响?消纳高比例可再生能源将会对我国的电力供给成本或电价产生多大的冲击?这些问题的答案不仅有助于设计符合高比例可再生能源发展的电力市场机制,也有利于形成科学合理的成本传导和分担机制,激励各方主体对参与发展高比例可再生能源的积极性,最终为实现碳中和目标奠定坚实的基础。

现有电力系统能否支撑高消纳率?

消纳高比例的可再生能源是涉及到技术、经济和政治的复杂问题,也一直是政府、业界和学界高度关注的议题。风电和光伏的边际发电成本低,清洁无污染,对其进行充分消纳和利用是人们的广泛期许。2016年前的严重弃风弃光现象遭受了严重的社会舆论和压力。为了遏制可再生能源的弃电现象,国家发改委制定了《可再生能源发电全额保障性收购管理办法》,要求电力调度机构在确保供电安全的前提下,充分运用优先发电制度和市场竞争机制,全额收购规划范围内的可再生能源发电项目的上网电量。弃电率已经成为各省可再生能源发展的关键考核指标,是制约可再生能源新项目上马的重要约束。在既定的可再生能源发展规划下,对高比例可再生能源进行充分的消纳是一个硬约束。

2019年,我国可变可再生能源(风电和光伏)的渗透率为8.6%,低于丹麦(45%)和德国(27%)等其他国家。但是,我国六个省区电网的新能源渗透率已经超过了20%,特别是蒙东地区的可变可再生能源渗透比例超过了丹麦。而且,2019年,我国风电、光伏和主要流域水能的平均利用率分别高达96%、98%和96%。这些实际数据说明,我国三北地区已经具备了消纳高比例可再生能源的能力。但是,这些经验能否复制到其他地区,还取决于其他地区的资源禀赋和电力系统灵活性调节能力。

图1 2019年可变可再生能源的渗透比例    

数据来源:中国电力科学研究院

为了实现碳中和目标,可再生能源的装机容量规模将不断扩大。我国已经明确指出,到2030年,风电、太阳能发电总装机容量将达到12亿千瓦以上。考虑到我国电力系统的现状,高比例可再生能源的发电和消纳将对我国的电网运行能力和调度水平带来严峻考验。为了保障可再生能源的高效消纳,从技术层面来看,一方面需要提升对风电和光伏出力的预测精度,从而为机组组合和调度做好预案。另一方面,也要加强对发电侧、输电侧、用户侧和储能侧的灵活性建设,提升深度调峰和快速响应能力。电力系统的灵活性越高,调节能力越强,则越能应对高比例可再生能源带来的调峰、调频和备用的需求,保障电能供给质量。

高比例可再生能源消纳对电网安全运行的影响

高比例可再生能源将会对电网的安全稳定运行带来冲击影响,弃电率是反映可再生能源对电网运行冲击影响的重要指标。弃电有多种原因,如输电线路阻塞、电量供大于求和市场力行为等。英国帝国理工大学最新发表在《Nature Energy》上的研究梳理了不同国家或地区在不同渗透比例下的弃电率,模拟结果如图2所示。弃电率整体与可再生能源渗透率呈现出正相关关系,且渗透率每增加1%,弃电率的平均增加值位于0.02%到2.97%之间。其中,美国加利福利亚州的弃电率受可再生能源渗透比例的影响最为明显。另外,在渗透率超过60%的高比例情景下,美国的弃电率最高,部分情景下达到将近50%的弃电率。以上述研究中不同国家的渗透比例影响弃电率的均值来进行估算,当我国的可变可再生能源的渗透比例分别为20%和30%时,弃电率将达到 20% 和35%左右。因此,电力系统如何应对高比例可再生能源的消纳,降低弃电率将成为一个挑战,也是未来电力系统升级改造和投资布局的重点。

图2 不同国家或地区在不同渗透比例下的弃电率

数据来源: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.

可再生能源消纳的经济成本

为了保证电能供给质量(电压、频率等),风电和光伏在并网发电的过程中需要电力系统为其提供辅助服务,从而产生消纳成本(Integration cost)。国家发改委发布的《关于2018年度电力辅助服务有关情况的通报》中指出, 2018年,全国除西藏外31个省(区、市、地区)参与电力辅助服务补偿的发电企业共4176家,补偿费用共147.62亿元,占上网电费总额的0.83%。其中,风电的辅助服务分摊量是23.36亿元,光伏的辅助服务分摊量是2.67亿元。风电的度电辅助服务成本为0.006 元/kWh,光伏的辅助服务成本为0.002元/千瓦时。我国在2018年实现7.8%的可变可再生能源渗透比例下的平均度电辅助服务成本为0.005元/千瓦时,只占2018年全国平均销售电价的0.80%。与英国和德国等国家相比,我国电力辅助服务成本的份额占比相对较低。一方面是因为我国的可变可再生能源渗透比例较低,更重要的是我国目前的辅助服务补偿力度不够。

图3 2018年全国电力辅助服务补偿金额

注:资料来源于国家能源局综合司关于2018年度电力辅助服务有关情况的通报,见http://www.nea.gov.cn/2019-11/05/c_138530102.htm。

国外关于消纳成本有多种定义,与国内辅助服务成本的内涵存在着一定差异。从全系统成本的视角来看,比较主流的消纳成本定义包括平衡成本(balancing costs)、接入成本(grid cost)和匹配成本(profile cost)。平衡成本是为了应对可再生能源出力的不可预测性或预测偏差所产生的成本。匹配成本是由于为了解决可再生能源出力与负荷的不相关性所产生的成本。接入成本是由于可再生能源机组的地理位置所带来的成本增量。

可变可再生能源的消纳对电力系统的影响是复杂的,消纳成本也会受到不同地区的电力系统技术组成、负荷曲线特征、可再生资源禀赋和监管机制差异等多种因素的影响。关于中国在高比例情景下的消纳成本测算结果还相对较少,这里以英国的模拟结果作为参考,如图4所示。在四种不同的电力系统灵活性发展情景下,三种可变可再生能源的消纳成本均随着渗透比例的增加而呈现出上升的趋势。电力系统的灵活性越高,则消纳成本越低。从所有情景下结果的平均值来看,光伏的平均消纳成本最高(0.17元/kWh),陆上风电的消纳成本最低(0.11元/kWh)。以英国2017年的平均居民电价1.38 元/kWh为参考,三种技术在所有高比例情景中的最大消纳成本占电价的比例分别为31%(陆上风电),38%(海上风电)和34%(光伏)。以英国电力系统灵活性的中等发展情景作为我国的参考,当可变可再生能源渗透比例达到30%时,其消纳成本将占我国平均销售电价的17%左右。

图4 英国可再生能源在不同渗透比例下的消纳成本

注:图中的价格已经根据2017年的汇率进行了换算,数据来源于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.

中国人民大学副教授宋枫的最新研究也测算了可再生能源渗透比例对我国供电成本的冲击影响,发现可再生能源的全系统消纳成本将随着渗透率提升而增加。当2030年全国的风光渗透率达到20-30%时,可能带来全社会度电成本增加值位于0.03元/千瓦时至0.06元/千瓦时之间。而且,这也将对全社会经济一般价格水平造成冲击,基于中国2018年的投出产出表进行估算,我国的CPI和PPI 分别增加0.21%-0.42%和0.48%-0.94%。因此,可再生能源的消纳成本将不容忽视。

碳中和目标下消纳高比例可再生能源的建议

基于上述关于高比例可再生能源对电力系统运行的影响和消纳成本的分析,为了更好地促进高比例可再生能源的科学消纳,提出了以下几点建议。

1、强化对可再生能源消纳成本的认识

随着可再生能源的大规模发展,风电和光伏的消纳成本应该受到重视。美国麻省理工大学的Paul Joskow教授在《美国经济评论》上的文章指出,鉴于可再生能源的发电特征,传统平准化度电成本方法存在局限,需要从全系统成本角度来进行多种技术的比较分析。可再生能源的消纳成本会随着时间和空间发生变化,电力市场是最好的量化方式之一。因此,在新一轮的电力体制改革过程中,需要构建科学的辅助服务市场,量化可再生能源的消纳成本,并建立责任、权利和义务对等的消纳成本分担机制,疏导可再生能源的消纳成本,释放准确的价格信号,从而引导可再生能源技术的短期运行和长期投资。

2、科学考核高比例可再生能源的弃电率

为了落实可再生能源法的要求,国家能源局设定了各省的可再生能源消纳目标,并发布了可再生能源的发电预警区域。随着可再生能源渗透比例的不断上升,弃电率考核有可能成为部分省份发展可再生能源的拦路虎。然而,虽然风电和光伏具有清洁和低边际发电成本的优点,但是在特定的条件下,必须要进行弃电操作以保障电网的安全运行,如输电线路阻塞和系统调节能力不足。同时,从电力系统供给的全系统成本来看,部分时刻进行策略性的弃电反而会降低运行成本。作为技术中性的电力调度机构,应该关注的是全系统的供给成本最小化或社会福利最大化,一味地追求可再生能源的高消纳率会带来过度消纳问题,损失经济效率。因此,需要科学的认识弃电率的安全和经济价值,从而建立科学的考核机制。

3、实施经济调度机制以促进可再生能源的高效消纳

从根本上来看,可再生能源的消纳问题属于电力系统调度运行的范畴。在满足一定的技术和安全约束条件下,不同发电机组在不同时刻的发电量,是根据调度目标进行资源配置的结果。我国的电力系统当前实施的是行政力量主导的“三公”调度机制,该调度机制在一定程度上保障了火电机组的成本回收,却降低了资源的配置效率。而且,由于调度机制的具体细节不透明,社会公众难以对其调度的科学性和合理性进行完全的监督。在高比例可再生能源发展情景下,机组单体容量小,数量众多,分布更加广泛,协调调度运行的时间和成本将显著增加。高比例可再生能源的调度运行需要更加透明和高效的调度机制,经济调度机制是一个不错的选择,也是其他国家已经广泛应用的调度机制。经济调度机制在保障电网安全运行的前提下,按照总成本最小化的原则来实现对不同类型机组的组合和调度,调度结果公开透明可预测,可以为可再生能源的运行和投资提供清晰的信号。

4、借助辅助服务市场机制对消纳成本进行补偿和疏导

当前,我国的辅助服务市场还处于试点阶段,补偿机制还不完善,对可再生能源引发的消纳成本的分担和疏导还不充分,给其他市场主体带来了额外的经营压力,挫伤了对可再生能源发展的积极性。而且,随着可再生能源的渗透比例不断增加,这一问题会更加凸显。借助新一轮电力市场化改革的契机,可以通过辅助服务市场的设计,产生消纳成本的价格信号,体现不同地形地貌、电网结构和电力需求的消纳成本差异,从而引导可再生能源技术的合理投资布局。

在碳中和目标的驱动下,高比例可再生能源的时代即将到来。只有科学的认识可再生能源并入对电力系统的安全、技术和经济等多个方面的冲击影响,识别潜在的风险和问题,才能提前制定出相应的应对策略,以更好的保障可再生能源的长远健康发展和助力碳中和目标的实现。