2020年9月，習(xí)近平主席在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)的一般性辯論上宣布，中國(guó)將提高國(guó)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(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。為了實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)，發(fā)展高比例可再生能源已成為共識(shí)。憑借上網(wǎng)電價(jià)補(bǔ)貼和保障消納等政策，中國(guó)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(shí)現(xiàn)了大幅下降，且即將進(jìn)入全面平價(jià)上網(wǎng)的時(shí)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(dòng)性和不確定性特征。在實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的過(guò)程中，隨著波動(dòng)性電源滲透比例的不斷增加，我國(guó)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(huì)給我國(guó)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)什么影響？消納高比例可再生能源將會(huì)對(duì)我國(guó)的電力供給成本或電價(jià)產(chǎn)生多大的沖擊？這些問(wèn)題的答案不僅有助于設(shè)計(jì)符合高比例可再生能源發(fā)展的電力市場(chǎng)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(lì)各方主體對(duì)參與發(fā)展高比例可再生能源的積極性，最終為實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)奠定堅(jiān)實(shí)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(wèn)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(wú)污染，對(duì)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(huì)輿論和壓力。為了遏制可再生能源的棄電現(xiàn)象，國(guó)家發(fā)改委制定了《可再生能源發(fā)電全額保障性收購(gòu)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(yùn)用優(yōu)先發(fā)電制度和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，全額收購(gòu)規(guī)劃范圍內(nèi)的可再生能源發(fā)電項(xiàng)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(xiàng)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(duì)高比例可再生能源進(jìn)行充分的消納是一個(gè)硬約束。

2019年，我國(guó)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(guó)（27%）等其他國(guó)家。但是，我國(guó)六個(gè)省區(qū)電網(wǎng)的新能源滲透率已經(jīng)超過(guò)了20%，特別是蒙東地區(qū)的可變可再生能源滲透比例超過(guò)了丹麥。而且，2019年，我國(guó)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(shí)際數(shù)據(jù)說(shuō)明，我國(guó)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(yàn)?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(lái)源：中國(guó)電力科學(xué)研究院）

為了實(shí)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(guó)已經(jīng)明確指出，到2030年，風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)到12億千瓦以上。考慮到我國(guó)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(duì)我國(guó)的電網(wǎng)運(yùn)行能力和調(diào)度水平帶來(lái)嚴(yán)峻考驗(yàn)。為了保障可再生能源的高效消納，從技術(shù)層面來(lái)看，一方面需要提升對(duì)風(fēng)電和光伏出力的預(yù)測(cè)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(duì)發(fā)電側(cè)、輸電側(cè)、用戶側(cè)和儲(chǔ)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(duì)高比例可再生能源帶來(lái)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(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行的影響

高比例可再生能源將會(huì)對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)沖擊影響，棄電率是反映可再生能源對(duì)電網(wǎng)運(yùn)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(chǎng)力行為等。英國(guó)帝國(guó)理工大學(xué)最新發(fā)表在《Nature Energy》上的研究梳理了不同國(guó)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(guó)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(guò)60%的高比例情景下，美國(guó)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(guó)家的滲透比例影響棄電率的均值來(lái)進(jìn)行估算，當(dāng)我國(guó)的可變可再生能源的滲透比例分別為20%和30%時(shí)，棄電率將達(dá)到20%和35%左右。因此，電力系統(tǒng)如何應(yīng)對(duì)高比例可再生能源的消納，降低棄電率將成為一個(gè)挑戰(zhàn)，也是未來(lái)電力系統(tǒng)升級(jí)改造和投資布局的重點(diǎn)。

圖2不同國(guó)家或地區(qū)在不同滲透比例下的棄電率

數(shù)據(jù)來(lái)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(guò)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(guó)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(bào)》中指出，2018年，全國(guó)除西藏外31個(gè)?。▍^(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(fèi)用共147.62億元，占上網(wǎng)電費(fèi)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(shí)。我國(guó)在2018年實(shí)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(shí)，只占2018年全國(guó)平均銷售電價(jià)的0.80%。與英國(guó)和德國(guó)等國(guó)家相比，我國(guó)電力輔助服務(wù)成本的份額占比相對(duì)較低。一方面是因?yàn)槲覈?guó)的可變可再生能源滲透比例較低，更重要的是我國(guó)目前的輔助服務(wù)補(bǔ)償力度不夠。

圖3 2018年全國(guó)電力輔助服務(wù)補(bǔ)償金額

注：資料來(lái)源于國(guó)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(bào)，見(jiàn)http://www.nea.gov.cn/2019-11/05/c_138530102.htm。

國(guó)外關(guān)于消納成本有多種定義，與國(guó)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(lái)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(duì)可再生能源出力的不可預(yù)測(cè)性或預(yù)測(cè)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(lái)的成本增量。

可變可再生能源的消納對(duì)電力系統(tǒng)的影響是復(fù)雜的，消納成本也會(huì)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(guó)在高比例情景下的消納成本測(cè)算結(jié)果還相對(duì)較少，這里以英國(guó)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(shì)。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(lái)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(guó)2017年的平均居民電價(jià)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(jià)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(guó)電力系統(tǒng)靈活性的中等發(fā)展情景作為我國(guó)的參考，當(dāng)可變可再生能源滲透比例達(dá)到30%時(shí)，其消納成本將占我國(guó)平均銷售電價(jià)的17%左右。

圖4英國(guó)可再生能源在不同滲透比例下的消納成本

注：圖中的價(jià)格已經(jīng)根據(jù)2017年的匯率進(jìn)行了換算，數(shù)據(jù)來(lái)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(guó)人民大學(xué)副教授宋楓的最新研究也測(cè)算了可再生能源滲透比例對(duì)我國(guó)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(guó)的風(fēng)光滲透率達(dá)到20-30%時(shí)，可能帶來(lái)全社會(huì)度電成本增加值位于0.03元/千瓦時(shí)至0.06元/千瓦時(shí)之間。而且，這也將對(duì)全社會(huì)經(jīng)濟(jì)一般價(jià)格水平造成沖擊，基于中國(guó)2018年的投出產(chǎn)出表進(jìn)行估算，我國(guó)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(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)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(diǎn)建議。

1、強(qiáng)化對(duì)可再生能源消納成本的認(rèn)識(shí)

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(guó)麻省理工大學(xué)的Paul Joskow教授在《美國(guó)經(jīng)濟(jì)評(píng)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(lái)進(jìn)行多種技術(shù)的比較分析?？稍偕茉吹南{成本會(huì)隨著時(shí)間和空間發(fā)生變化，電力市場(chǎng)是最好的量化方式之一。因此，在新一輪的電力體制改革過(guò)程中，需要構(gòu)建科學(xué)的輔助服務(wù)市場(chǎng)，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(duì)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(jià)格信號(hào)，從而引導(dǎo)可再生能源技術(shù)的短期運(yùn)行和長(zhǎng)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(shí)可再生能源法的要求，國(guó)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(diǎn)，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(yùn)行，如輸電線路阻塞和系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力不足。同時(shí)，從電力系統(tǒng)供給的全系統(tǒng)成本來(lái)看，部分時(shí)刻進(jìn)行策略性的棄電反而會(huì)降低運(yùn)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(huì)福利最大化，一味地追求可再生能源的高消納率會(huì)帶來(lái)過(guò)度消納問(wèn)題，損失經(jīng)濟(jì)效率。因此，需要科學(xué)的認(rèn)識(shí)棄電率的安全和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，從而建立科學(xué)的考核機(jī)制。

3、實(shí)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(lái)看，可再生能源的消納問(wèn)題屬于電力系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)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(shí)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(guó)的電力系統(tǒng)當(dāng)前實(shí)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(huì)公眾難以對(duì)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(yùn)行的時(shí)間和成本將顯著增加。高比例可再生能源的調(diào)度運(yùn)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(gè)不錯(cuò)的選擇，也是其他國(guó)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(yùn)行的前提下，按照總成本最小化的原則來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同類型機(jī)組的組合和調(diào)度，調(diào)度結(jié)果公開(kāi)透明可預(yù)測(cè)，可以為可再生能源的運(yùn)行和投資提供清晰的信號(hào)。

4、借助輔助服務(wù)市場(chǎng)機(jī)制對(duì)消納成本進(jìn)行補(bǔ)償和疏導(dǎo)

當(dāng)前，我國(guó)的輔助服務(wù)市場(chǎng)還處于試點(diǎn)階段，補(bǔ)償機(jī)制還不完善，對(duì)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(chǎng)主體帶來(lái)了額外的經(jīng)營(yíng)壓力，挫傷了對(duì)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(wèn)題會(huì)更加凸顯。借助新一輪電力市場(chǎng)化改革的契機(jī)，可以通過(guò)輔助服務(wù)市場(chǎng)的設(shè)計(jì)，產(chǎn)生消納成本的價(jià)格信號(hào)，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(dòng)下，高比例可再生能源的時(shí)代即將到來(lái)。只有科學(xué)的認(rèn)識(shí)可再生能源并入對(duì)電力系統(tǒng)的安全、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)等多個(gè)方面的沖擊影響，識(shí)別潛在的風(fēng)險(xiǎn)和問(wèn)題，才能提前制定出相應(yīng)的應(yīng)對(duì)策略，以更好的保障可再生能源的長(zhǎng)遠(yuǎn)健康發(fā)展和助力碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

注：本文作者為中國(guó)人民大學(xué)應(yīng)用經(jīng)濟(jì)學(xué)院助理教授陳浩。