繼湖南、浙江等省出現(xiàn)“拉閘限電”之后,美國得州大停電徹底刷屏,正值“30·60”雙碳目標(biāo)啟動之際,在新能源大發(fā)展以及電力市場改革不斷深化的當(dāng)口,“缺電”又成為全社會的隱憂。如何在保障電力供應(yīng)充裕的同時,實現(xiàn)能源綠色轉(zhuǎn)型目標(biāo),一時眾說紛紜。促進(jìn)不同電源均衡發(fā)展,保證合理的電力供應(yīng)充裕度,是當(dāng)前能源轉(zhuǎn)型和市場改革需要重點(diǎn)考慮的問題。
拉閘限電的典型與非典型樣本
(一)美國得州的極端天氣大停電
近期,美國得克薩斯州經(jīng)歷百年一遇的暴雪天氣侵襲,最低溫度達(dá)到-26℃,引發(fā)用電新高,但嚴(yán)寒也導(dǎo)致天然氣管道冰堵,因燃料供應(yīng)不足導(dǎo)致占得州40%以上裝機(jī)的天然氣機(jī)組出力受限嚴(yán)重,很大比例的風(fēng)電和煤電也因受凍不能發(fā)電,全州發(fā)生大范圍停電。
每次大停電都是革新電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與體制的契機(jī),而在導(dǎo)致得州大停電的眾多原因當(dāng)中,已有很多專家進(jìn)行了詳細(xì)分析,也指出歸因于可再生能源的發(fā)展缺乏邏輯,畢竟在極端情況下指望間歇性能源來提供容量支撐,就像天塌了希望矮個子去頂一樣純屬奢望。毫無疑問,得州大停電罪魁是極端天氣導(dǎo)致的發(fā)電設(shè)備大面積故障和負(fù)荷需求高漲,同時得州電網(wǎng)與外部弱聯(lián)系無法獲得有效支援,缺少天然氣儲備等問題也被關(guān)注。
事實上,天氣突變造成電價飆升在得州屢有發(fā)生,很重要的原因在于得州實行的稀缺電價機(jī)制。在體現(xiàn)電力供應(yīng)稀缺度方面,得州沒有容量市場,電廠容量價值體現(xiàn)在現(xiàn)貨市場的稀缺價格上,電能量市場價格上限為9000美元/(MW·h),稀缺價格不僅包括發(fā)電主體的報價,還包括備用價格增量、可靠性價格增量。其中,備用價格增量為價格上限與失負(fù)荷概率的乘積,失負(fù)荷概率確定方法為,假定近3年超短期負(fù)荷預(yù)測與實際負(fù)荷偏差擬合成的預(yù)測均值為M,標(biāo)準(zhǔn)差為Sd,備用容量為R;當(dāng)R<m時,失負(fù)荷概率取值為100%;否則,為單位正態(tài)分布在(r-m) sd右邊的積分。(參考喻蕓="" 荊朝霞:美國得州電價飆升背后的市場設(shè)計)=""
該機(jī)制能有效體現(xiàn)備用容量的稀缺性,即如果發(fā)電不足的情況下,用戶需要承受高電價,而由高電價收益驅(qū)動市場主體投資新建電廠,實現(xiàn)電力供應(yīng)的充裕度。通過正態(tài)函數(shù)來確定失負(fù)荷概率,體現(xiàn)了在電力供應(yīng)充裕度(電力投資成本)和電力短期缺乏之間做均衡的概率思維,多數(shù)時候是一種行之有效的方法。但也存在一定的問題,該機(jī)制人為設(shè)定失負(fù)荷概率為正態(tài)分布,其在右端快速趨零(如保證1%失負(fù)荷概率,備用需求也僅為平均負(fù)荷預(yù)測偏差的3.3倍),實際上備用需求不只會由負(fù)荷預(yù)計偏差導(dǎo)致,發(fā)電側(cè)不可預(yù)測因素同樣重要,隨著天氣變化、節(jié)假日等諸多不可預(yù)測因素存在,備用需求偏差存在較大的厚尾分布,這是導(dǎo)致充裕度不足的數(shù)學(xué)原因。同時,將稀缺電價作為主要的市場機(jī)制,由于電力供應(yīng)公共服務(wù)特性,在發(fā)揮作用的時候,往往會引起社會公眾的廣泛質(zhì)疑。
具體到此次得州大停電,實際上發(fā)生了一個按照得州電力系統(tǒng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)來說,概率非常小的非典型樣本,而其導(dǎo)致的損失卻極大。而隨著全球氣候變遷,極端天氣頻發(fā),預(yù)先設(shè)定的概率曲線有明顯偏差,得州價格稀缺機(jī)制下的氣候風(fēng)險巨大。
如果該極端情況發(fā)生在中國,停電是否能避免呢?答案并不那么肯定,在我國現(xiàn)行的電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則中,根據(jù)第三級安全穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn),如果發(fā)生失去大容量發(fā)電廠、新能源大規(guī)模脫網(wǎng)等情況導(dǎo)致穩(wěn)定破壞時,只要求做到電網(wǎng)能采取各種措施,避免造成長時間大面積停電,并使電力系統(tǒng)盡快恢復(fù)正常運(yùn)行,換句話說是允許一定范圍、一定時段的停電發(fā)生。原因也在于經(jīng)濟(jì)性和安全性之間需要做權(quán)衡,通過強(qiáng)化投資應(yīng)對包括極端氣候在內(nèi)的不可預(yù)測因素是一個無底洞。
(二)湖南拉閘限電
1.湖南拉閘限電原因分析
與美國得州的非典型樣本相比,發(fā)生在湖南的拉閘限電則反映了典型的電源充裕度問題。2020年12月,受全國范圍內(nèi)寒潮影響,湖南提早一個月入冬,加上復(fù)工復(fù)產(chǎn),湖南全省最大負(fù)荷達(dá)到3100萬千瓦,超過冬季的歷史記錄(仍低于夏季高峰),日最大用電量超過6億千瓦時,同比增長14%。而受燃煤減少、水庫缺水、風(fēng)力發(fā)電受冰凍影響無法有效發(fā)電以及外來電減少等影響,電力供應(yīng)存在較大缺口,不得已全省啟動分時段限電措施。
幾乎同時,浙江、內(nèi)蒙、江西等地由于“雙控目標(biāo)”、氣溫下降、生產(chǎn)恢復(fù)等不同原因,發(fā)生電力緊缺而限電的情況?!叭彪姟庇只氐搅斯姷囊曇?,由于2021年生產(chǎn)恢復(fù)預(yù)期加強(qiáng),社會對于“缺電”的擔(dān)憂更加明顯。從宏觀數(shù)據(jù)來看,至2020年底,我國電源裝機(jī)與年最大負(fù)荷比超過2:1,似乎電力供應(yīng)非常充裕,但風(fēng)電、光伏裝機(jī)比例快速攀升,帶來了結(jié)構(gòu)不平衡問題:一方面是大部分時段電力供過于求,火電壓出力問題更加尖銳,特別是新能源大發(fā)時現(xiàn)貨市場出清價格接近于0;另一方面是負(fù)荷尖峰疊加可再生能源(水、風(fēng)、光)小發(fā)方式下,電力供應(yīng)嚴(yán)重不足。
以湖南為例,其電源結(jié)構(gòu)示意圖如下。湖南省水電占比較高且承擔(dān)基荷,火電機(jī)組作為主要的調(diào)節(jié)性電源,長年發(fā)電小時不足,作為內(nèi)陸省份煤炭運(yùn)入困難,火電發(fā)電成本較高,導(dǎo)致火電企業(yè)投資與發(fā)電意愿不足。另外,湖南屬于電源受端省份,外來電也是其電力平衡的主要因素。從總量看,湖南省裝機(jī)比上最大負(fù)荷仍在1.7倍左右(考慮外來電),具備電力平衡的基本條件,但具有調(diào)節(jié)能力的常規(guī)電源與最大負(fù)荷之比嚴(yán)重低于全國平均水平,在冬季嚴(yán)寒情況下,水電缺水、新能源又不足為恃時,電力供應(yīng)充裕度受到挑戰(zhàn),“拉閘限電”便不可避免了。
2.我國電源結(jié)構(gòu)性矛盾
2020年,我國新能源總裝機(jī)取得突破性進(jìn)展,全年新增裝機(jī)約1.2億千瓦,截至年底新能源裝機(jī)達(dá)到5.3億千瓦,比例超過24%,火電裝機(jī)比例降低到50%。
雖然我國風(fēng)電、太陽能裝機(jī)占比仍低于歐洲,但在電源調(diào)節(jié)能力方面卻明顯弱于歐洲,主要原因有:
(1)常規(guī)水電調(diào)節(jié)能力較差。我國雖然有3億多千瓦的常規(guī)水電,但整體庫容量小、我國來水季節(jié)性明顯、大水電基地多級水電考慮梯級調(diào)度開機(jī)相關(guān)性大等原因,導(dǎo)致我國水電調(diào)峰能力較差。自身水電出力較小,同時華中電網(wǎng)水電整體發(fā)電偏低同時發(fā)生,是湖南冬季時段缺電的主要原因。
(2)抽水蓄能、氣電等靈活性電源比例較低。我國抽蓄、氣電總裝機(jī)占比僅為6%,難以提供足夠的調(diào)節(jié)能力。
(3)煤電是主要調(diào)節(jié)電源。由于一煤獨(dú)大,同時常規(guī)水電調(diào)節(jié)能力較差,核電考慮安全原因不調(diào)峰,生物質(zhì)發(fā)電等可再生能源需要保障性收購,煤電肩負(fù)起主要的調(diào)節(jié)重任。
(4)電力市場不健全?,F(xiàn)貨市場試點(diǎn)遇到困難,輔助服務(wù)市場仍是發(fā)電側(cè)的零和游戲,保障性供電責(zé)任大,電價管控仍比較嚴(yán)阻礙價格信號進(jìn)行供需調(diào)節(jié)的能力,嚴(yán)重制約了我國電力系統(tǒng)的靈活性。
高比例新能源情況下如何保障電力供應(yīng)充裕度
(一)電力供應(yīng)充裕度隱憂
上述兩個案例,都指向電力供應(yīng)充裕度如何保障的問題。雙碳目標(biāo)下,煤電和新能源裝機(jī)的消長,構(gòu)成了電源結(jié)構(gòu)的主要矛盾,風(fēng)、光裝機(jī)比例日增,煤電退出呼聲越發(fā)高漲之際,“缺電”頻發(fā)似乎就在眼前。
該矛盾主要來自于不同品種電源在電力容量和電量上的匹配上,各種電源屬性可分解為容量價值和電量價值,其中容量價值指的是,電源保障電力平衡的調(diào)節(jié)范圍,體現(xiàn)在較短時間內(nèi)可調(diào)用的功率;電量價值常規(guī)理解是電源提供電量的能力,而更深一層是電源的發(fā)電邊際成本高低。
利益驅(qū)動電源投資是保證電力供應(yīng)充裕度的基本條件,我國在以煤電、水電為主的傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中,電源的容量特性較好,電力平衡能力較強(qiáng),通過將電力平衡責(zé)任比例分?jǐn)偟礁麟娫瓷峡杀WC發(fā)用電平衡。所以沒有容量價值的顯性體現(xiàn),而將電源全周期成本主要分?jǐn)偟诫娏可?,通過電量和電價即可回收電源全部投資(雖名義上有調(diào)頻調(diào)峰等輔助服務(wù),但主要通過兩個細(xì)則偏差考核實現(xiàn),僅是發(fā)電企業(yè)之間的零和游戲),從而促進(jìn)發(fā)電企業(yè)投資,保證了電力供應(yīng)的充裕度。
但在新能源占比越來越大的情況下,各種電源容量價值、電量價值迥異,特別是具有間歇性的新能源裝機(jī)的增長,無法實現(xiàn)可調(diào)容量的增長,其容量投資成本可認(rèn)為是無窮大,而同時其發(fā)電邊際成本幾乎為0,在容量價值和電量價值方面均具有極端特性。如新能源大規(guī)模進(jìn)入現(xiàn)貨市場,一方面在新能源大發(fā)時,會導(dǎo)致出清電價非常低;另一方面遇到負(fù)荷高點(diǎn)新能源又集體失靈時,將造成電力短缺,由于我國電價上限較低,電力短缺情況下容量稀缺價值無法體現(xiàn),火電、氣電等調(diào)節(jié)能力較大的電源,無法通過稀缺電價獲得間接容量激勵,扭曲了容量價值,制約了發(fā)電機(jī)組有效容量方面的投資。
疊加我國實行的可再生能源消納配額機(jī)制,火電機(jī)組投資收益越發(fā)下降,同時加上環(huán)保要求,煤電未來增長更加受限。同樣,在缺少成熟的商業(yè)模式的情況下,被寄予厚望的電化學(xué)儲能也只能通過新能源捆綁的方式發(fā)展。體現(xiàn)容量價格機(jī)制不健全的情況下,電力供應(yīng)充裕度存在較大隱憂。
(二)幾點(diǎn)不成熟的建議
深刻認(rèn)識不同電源的容量價值和電量價值差異,并給予顯性定價,是以市場化手段促進(jìn)資源優(yōu)化配置,有效促進(jìn)不同電源協(xié)同發(fā)展,既保證電力供應(yīng)充裕度,又促進(jìn)新能源發(fā)展的基礎(chǔ)條件。同時電力供應(yīng)充裕度也要處于合適的區(qū)間,避免追求極端充裕度過于飽和發(fā)展帶來的成本追加。
1.理性看待電力供應(yīng)是一種市場現(xiàn)象。要將電力市場作為資源優(yōu)化配置的基礎(chǔ)手段,就必須正視局部的、短時的供應(yīng)緊張是一種經(jīng)濟(jì)現(xiàn)象,就像不管鐵路如何發(fā)展,春節(jié)一票難求現(xiàn)象總會發(fā)生一樣。每一次危機(jī)都是積極完善電力市場機(jī)制的機(jī)會,而一旦發(fā)生電力短缺,在政治上就上綱上線,容易因噎廢食,殊不知電力系統(tǒng)有其客觀規(guī)律,過高的充裕度會造成更高的電力供應(yīng)成本,需要在經(jīng)濟(jì)性和失負(fù)荷承受度之間做權(quán)衡?!吧眺弊兎ǎ兄荒瓴槐阏弑?,而行之十年秦民大悅”,電力市場和能源轉(zhuǎn)型也可能如此。
2.設(shè)計合理的市場機(jī)制。一是亟需建立容量市場,類似得州的方式,通過高電價反映容量稀缺性,在我國容易造成“高電價”恐慌;而當(dāng)前廣東現(xiàn)貨市場現(xiàn)行的對高發(fā)電成本的調(diào)節(jié)電源進(jìn)行補(bǔ)償,補(bǔ)償資金由中長期交易偏差部分分?jǐn)偟姆绞剑钚Ч邢?,難以長期適應(yīng)新能源高速發(fā)展。設(shè)計容量市場,較為直接地反映電源的容量價值,更適合我國的電力運(yùn)行機(jī)制,且在抽水蓄能的單一制容量電價、兩部制電價方面早已有經(jīng)驗探索。二是更大程度發(fā)揮電價調(diào)節(jié)作用。適度放開電價上限,能有效對容量價值進(jìn)行補(bǔ)償,提升電力充裕度,也有利于通過價格信號促進(jìn)需求響應(yīng),削減高峰負(fù)荷。
3.電力市場應(yīng)該“同品同價”。新能源要成長為主力電源,在市場競爭中不能缺席,對于常規(guī)電源實行的如偏差考核等規(guī)則應(yīng)同樣適用(當(dāng)然考核標(biāo)準(zhǔn)可以適當(dāng)寬松),以此通過市場化手段促進(jìn)新能源采用多種方式提升容量特性,比新能源強(qiáng)配儲能的方式更符合新能源企業(yè)利益。同步應(yīng)配套建立完善的碳配額機(jī)制,推進(jìn)綠電交易和CCER交易流動性,促進(jìn)碳資產(chǎn)價值逐步提升,有效提高新能源投資效益。
4.從電力系統(tǒng)的角度看待多種電源協(xié)同發(fā)展。從表1對比來看,各種電源容量價值高低排序為抽蓄、電化學(xué)儲能、氣電、煤電、新能源,但抽水蓄能受建設(shè)條件限制較大,發(fā)展瓶頸明顯;電化學(xué)儲能雖然廣受關(guān)注,但作為直流系統(tǒng),仍難有效解決交流電網(wǎng)慣量、短路電流不足等問題;而氣電調(diào)峰勝在既不失靈活性,又能為交流電網(wǎng)提供慣量、短路電流、電壓調(diào)節(jié)等方面的支撐,如果主要作為頂峰電源,也不會造成天然氣用量的顯著增加,應(yīng)該作為一個選項加以重視。
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