中國的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)在過去的10 年經(jīng)歷了快速的發(fā)展。從2005 年《可再生能源法》實(shí)施起，風(fēng)電裝機(jī)從100 萬千瓦的水平，連續(xù)5 年翻番式增長(zhǎng)，到2010 年接近3000 萬千瓦，之后4 年以年均1500 萬以上的速度增長(zhǎng)，到2015 年3 月，并網(wǎng)裝機(jī)突破了1 億千瓦。目前，超過8000 萬千瓦機(jī)組已經(jīng)核準(zhǔn)或者在建。
與此同時(shí)，隨著風(fēng)電并網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，2010 年后風(fēng)電的棄風(fēng)問題日益顯著。相對(duì)于風(fēng)電的設(shè)計(jì)負(fù)荷率水平，風(fēng)電的實(shí)際運(yùn)行小時(shí)數(shù)往往要低5% － 20%，嚴(yán)重影響項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性與整個(gè)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展質(zhì)量。按照國家能源局的統(tǒng)計(jì)口徑，2012 年平均棄風(fēng)率17%，2013 年下降為11%，2014 年在全國來風(fēng)情況普遍偏小的背景下，平均利用小時(shí)數(shù)1893小時(shí)，棄風(fēng)率8%。在一些風(fēng)電裝機(jī)集中的地區(qū)，比如遼寧、內(nèi)蒙、甘肅等地，利用小時(shí)數(shù)比理論水平更低，棄風(fēng)率總體上仍舊超過20%。這使得中國雖然在裝機(jī)容量上在2013 年就已經(jīng)居于世界第一位，但是從發(fā)電量來看，仍舊比美國低10% 以上。
盡管發(fā)展迅速，但是風(fēng)電在中國龐大電力系統(tǒng)中的份額仍舊顯得微小，僅占目前總裝機(jī)的7%，發(fā)電量不到3%。主要OECD 國家的風(fēng)電發(fā)展與運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，在20% 發(fā)電份額以內(nèi)，風(fēng)電并網(wǎng)帶給系統(tǒng)的技術(shù)挑戰(zhàn)不是不可逾越的，成本的增加也是可管理的。但是這一基本的結(jié)論顯然與中國的現(xiàn)實(shí)不一致。中國的電力系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)有其自身的特點(diǎn)，煤電為主，靈活機(jī)組不足，仍舊是一個(gè)高度管制的系統(tǒng)，并且作為一個(gè)大國，其內(nèi)部高度非均一性的特點(diǎn)使得風(fēng)電的分布顯著地集中在某些地區(qū)。這些特點(diǎn)都構(gòu)成相比OECD 國家在風(fēng)電消納方面的劣勢(shì)。但是，在3% 的風(fēng)電比例下出現(xiàn)約10% 的棄風(fēng)，以上的這些原因是否能夠足夠解釋這一棄風(fēng)的程度仍舊是一個(gè)未知的問題。
本文即從電力系統(tǒng)運(yùn)行的角度研究風(fēng)電接入潛力的問題。以京津塘電網(wǎng)為例，通過引入電源靈活系數(shù)，測(cè)算系統(tǒng)運(yùn)行靈活度的需求與供應(yīng)約束下的風(fēng)電接入潛力。這一靈活系數(shù)以一種簡(jiǎn)化的形式，衡量系統(tǒng)運(yùn)行中周期運(yùn)行、輔助服務(wù)、負(fù)荷跟蹤等運(yùn)行靈活性（運(yùn)行備用）需求。相比風(fēng)電進(jìn)入系統(tǒng)的可能的低谷 /高峰調(diào)峰的約束（規(guī)劃備用），電源靈活系數(shù)約束的要求往往更高。它的確定，可以來源于更高分辨率的系統(tǒng)生產(chǎn)模擬，以及對(duì)某種電源技術(shù)特性的分析。
國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
嚴(yán)重的棄風(fēng)限電問題備受政府、學(xué)界、工業(yè)界與公眾關(guān)心。如何理解棄風(fēng)的原因關(guān)系到可能的解決方案的具體形式。對(duì)于如何解釋棄風(fēng)的原因，諸多文獻(xiàn)從不同的角度給出了分析，并提出了相應(yīng)的解決方案。典型的棄風(fēng)原因的解釋有以下幾個(gè)方面：
一、電力系統(tǒng)的靈活性不夠。簡(jiǎn)而言之，電力系統(tǒng)的靈活性可以表述為系統(tǒng)面臨各種波動(dòng)繼續(xù)保持供需平衡的能力，其中電網(wǎng)系統(tǒng)向上調(diào)節(jié)與向下調(diào)節(jié)的能力與速率是關(guān)鍵。Pei et al. （2015）從這一視角對(duì)風(fēng)電豐富的幾個(gè)地區(qū)進(jìn)行了討論。 Li et al.（2015）從技術(shù)角度對(duì)減少棄風(fēng)的措施進(jìn)行了探討。
二、電網(wǎng)風(fēng)電發(fā)展不協(xié)調(diào)。其提供的解決方案是將電源與電網(wǎng)納入統(tǒng)一規(guī)劃，確保二者的協(xié)調(diào)發(fā)展。 Yang et al.（2012）、 He et al.（2013）主要是從這一視角進(jìn)行了討論。
三、火電與風(fēng)電的利益分割。這種視角多見于國內(nèi)媒體的觀察，“統(tǒng)籌二者的利益”自然是其解決方案。應(yīng)該講，這種視角是比較具有誤導(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（回答怎么樣的風(fēng)電棄風(fēng)是最優(yōu)的），直接解讀為“分蛋糕”的分配問題（這個(gè)當(dāng)然也是重要的，但是無疑是第二位的），將追求效率為基本價(jià)值目標(biāo)的經(jīng)濟(jì)議題，變成了一個(gè)充滿妥協(xié)意味的政治議題。
四、體制機(jī)制的動(dòng)態(tài)角度。比如缺乏競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，風(fēng)電事實(shí)上在系統(tǒng)運(yùn)行中在一定程度上給火電讓路。部分研究從風(fēng)電系統(tǒng)成本分?jǐn)偨嵌忍峒傲藢?duì)電網(wǎng)的激勵(lì)不足，從價(jià)格機(jī)制角度提及了對(duì)電力系統(tǒng)靈活機(jī)組的建設(shè)激勵(lì)不足等，這包括 Pei et al. （2015）, Zhao et al. （2012），Kahrl et al.（2011）等。
這些視角與分析都可以在一定程度上解釋棄風(fēng)的原因，提出的解決方案在一定范圍內(nèi)可能也是有效的。但是，有三個(gè)問題仍舊是無法解決的。
第一，其關(guān)注的時(shí)間尺度可能有所不同。比如將風(fēng)電棄風(fēng)的原因歸結(jié)于風(fēng)電發(fā)展過快，而電網(wǎng)跟不上，比如二者建設(shè)周期不同的視角，是個(gè)典型的短期與項(xiàng)目級(jí)的視角。事實(shí)上，一個(gè)典型的風(fēng)電項(xiàng)目可行性研究報(bào)告，其中重要不可或缺的章節(jié)就是電網(wǎng)接入方案。項(xiàng)目的電網(wǎng)接入設(shè)計(jì)，本來就是項(xiàng)目邊界內(nèi)的一部分，二者是“項(xiàng)目與電網(wǎng)統(tǒng)一規(guī)劃”的。但是超越了項(xiàng)目層面，所謂“缺乏協(xié)調(diào)”的說法就更像是對(duì)存在問題的另一種表述，而不構(gòu)成對(duì)原因的分析，其解決方案、統(tǒng)一規(guī)劃也缺乏相應(yīng)的方法論。這種歸因，也容易混淆哪個(gè)是目標(biāo)，哪個(gè)是條件，有哪些物理、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)約束是起作用的，而哪些是需要改變的。風(fēng)電的發(fā)展如果是目標(biāo)，那么其他的基礎(chǔ)條件，包括電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施在內(nèi)，都是需要提升以滿足風(fēng)電發(fā)展的途徑。風(fēng)電的目標(biāo)確定，往往基于的是更廣的能源、經(jīng)濟(jì)與環(huán)境系統(tǒng)的發(fā)展要求，比如節(jié)能減排目標(biāo)、新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展等等。條件提升的過程中可能會(huì)遇到可行性的障礙，比如短期內(nèi)的投資缺口、工期問題等，但是這不存在不能改善的絕對(duì)性“邊界”。
第二，棄風(fēng)解決方案的提出缺乏顯現(xiàn)的價(jià)值標(biāo)準(zhǔn)。技術(shù)上，有很多的供應(yīng)與需求側(cè)的措施可以減少棄風(fēng)的發(fā)生（比如 Lund et al. （2015）的綜述）。一般而言，只要投入足夠，棄風(fēng)問題肯定能解決。比如造一個(gè)足夠大的電力系統(tǒng)，本地有消納不了的情況，就通過外送解決，每個(gè)風(fēng)場(chǎng)配一個(gè)巨大的儲(chǔ)能系統(tǒng)等等。衡量棄風(fēng)的解決方案，不能停留在“有效”的階段，而是基于更明確的價(jià)值標(biāo)準(zhǔn)，比如哪種方式成本更低，長(zhǎng)期更有利于可持續(xù)發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)去判斷。
第三，原因能否足夠解釋棄風(fēng)的程度仍舊是未知的。技術(shù)上電力系統(tǒng)的靈活性不夠是風(fēng)電棄風(fēng)的原因，但是由于棄風(fēng)程度在一個(gè)連續(xù)的區(qū)間上，這些因素能否完整解釋棄風(fēng)的發(fā)生仍舊是需要探討的。是否還有其他的原因?qū)е铝藯夛L(fēng)？維持目前的電網(wǎng)系統(tǒng)不變，棄風(fēng)是否存在可以改善的空間？這些都是值得進(jìn)一步探討的問題。
這些觀點(diǎn)由于視角不同，關(guān)注的時(shí)間尺度不同，是不能加總來解釋棄風(fēng)的總體原因的。理解棄風(fēng)的原因需要定量的分析以解決連續(xù)區(qū)間的問題。文獻(xiàn)中存在基于電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與需求特性的系統(tǒng)仿真研究，特別是一些基于現(xiàn)有電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的“消納能力”研究，比如謝國輝等（ 2014）、王新雷等（2014）。也有基于特定典型電網(wǎng)平衡困難時(shí)期（比如低谷調(diào)峰等）等約束下風(fēng)電的潛力研究，比如白建華等（ 2010）、劉德偉等（ 2011）。這些研究通常是靜態(tài)的，因?yàn)榭紤]的時(shí)間尺度小（通常是逐小時(shí)，甚至 15分鐘級(jí)別），可以看做是一種系統(tǒng)仿真，對(duì)中長(zhǎng)期的動(dòng)態(tài)變化（比如電源結(jié)構(gòu)變化問題）是不涉及的。王新雷等（ 2014）對(duì)京津塘電網(wǎng)的風(fēng)電接入能力，從系統(tǒng)調(diào)峰容量平衡的角度，對(duì)多個(gè)典型日逐小時(shí)進(jìn)行了模擬測(cè)算。研究顯示，在冬季供熱期，低谷需求時(shí)段（全年的約30%），大多存在調(diào)峰容量不足的問題，全年棄風(fēng)電量比例為11%。但是作者的這一結(jié)果對(duì)火電的調(diào)峰潛力設(shè)定為容量的50%，并且不允許出現(xiàn)“啟停調(diào)峰”（這是市場(chǎng)競(jìng)價(jià)情況下的普遍現(xiàn)象，煤電本身也不存在技術(shù)障礙）。模擬的結(jié)果對(duì)這些前提設(shè)定異常敏感，而這些前提的穩(wěn)定性在一般意義上并不是一定的。
而更大時(shí)間尺度與動(dòng)態(tài)的風(fēng)電在電力系統(tǒng)中的角色研究，已經(jīng)屬于規(guī)劃問題（比如從一年到幾年）或者政策評(píng)估問題（從幾年到十幾年、幾十年）。過去，這些問題的方法論通常并不考慮供應(yīng)的波動(dòng)性（有些需求的波動(dòng)性也不考慮，比如大尺度的綜合評(píng)估模型IAM）。由于這種波動(dòng)通常意味著額外的成本（這個(gè)程度從已有研究看，跟發(fā)電成本往往在一個(gè)量級(jí)，見Ueckerdt（2013）），在風(fēng)電、太陽能和光伏大發(fā)展以及未來需要更多（甚至出現(xiàn)純可再生能源系統(tǒng)）的背景下，不考慮波動(dòng)性因素已經(jīng)無法滿足模擬的要求。在大尺度的能源電力模型中，嵌入對(duì)更小時(shí)間尺度（通常是小時(shí)級(jí)的，因?yàn)轱L(fēng)電在這個(gè)級(jí)別的波動(dòng)最大）波動(dòng)性的考慮，是一個(gè)研究與模型開發(fā)的熱點(diǎn)。張樹偉（2015）、Ueckerdt（2015）、Blanford （2014）等是基于統(tǒng)計(jì)意義上的年8760 小時(shí)出力曲線，考慮風(fēng)電出力波動(dòng)性的典型工作。
電源靈活系數(shù)的引入
電源靈活系數(shù)的引入，來源于Sullivan（2013）對(duì)Message － Macro 模型中對(duì)可再生能源行為添加的新的約束形式。它以一種簡(jiǎn)化的形式，通過定義一個(gè)位于[?1,1] 區(qū)間的系數(shù)，衡量系統(tǒng)運(yùn)行中周期運(yùn)行、輔助服務(wù)、負(fù)荷跟蹤等運(yùn)行靈活性（運(yùn)行備用）特點(diǎn)。不同的機(jī)組具有不同的系數(shù)，表征其不同的靈活程度。系數(shù)的具體取值可以通過更高分辨率的生產(chǎn)模擬獲得，這些結(jié)果具有一定的相似性。其中，需求與可再生能源由于波動(dòng)性存在預(yù)測(cè)誤差，其系數(shù)為負(fù)，代表著靈活性的需求。其他機(jī)組可以提供不同程度向上或者向下的調(diào)節(jié)，并且具有不同的調(diào)節(jié)速率與可靠性，其系數(shù)位于[0,1] 之間，天然氣機(jī)組的系數(shù)可以預(yù)見地將比煤電要大，而抽水蓄能具有雙向的靈活調(diào)節(jié)能力，系數(shù)最大為1。
電力系統(tǒng)要安全穩(wěn)定運(yùn)行，必須滿足這一靈活性的平衡。用公式表示即是：
其中，
為可調(diào)節(jié)發(fā)電類型的發(fā)電，區(qū)分不同負(fù)荷位置；
為靈活性系數(shù)。
這里，我們以京津塘電網(wǎng)的全年逐小時(shí)出力負(fù)荷曲線（2012 年）為例，根據(jù)其峰荷、腰荷與基荷的比例與形狀，確定各種電源的靈活系數(shù)。
數(shù)據(jù)與結(jié)果
2012 年底京津塘地區(qū)最大負(fù)荷約4800 萬千瓦，總裝機(jī)規(guī)模5600 萬千瓦，風(fēng)電約672 萬千瓦，其中主要在冀北634 萬千瓦。冀北風(fēng)電主要集中在張家口和承德地區(qū)，張家口地區(qū)風(fēng)電裝機(jī)容量約465 萬千瓦；承德地區(qū)風(fēng)電裝機(jī)容量約165 萬千瓦，其棄風(fēng)限電情況較為嚴(yán)重，2013 年之后有日益嚴(yán)重的趨勢(shì)，2014 年屬于全國棄風(fēng)最嚴(yán)重的地區(qū)，棄風(fēng)率超過20%。
圖 2給出了 8760小時(shí)的負(fù)荷曲線以及持續(xù)負(fù)荷曲線。從圖 2可以看出，京津塘地區(qū)峰谷差約 50%，基荷 2500萬千瓦左右，峰荷 800萬千瓦（ 1500小時(shí)以內(nèi)），中間部分是腰荷。根據(jù) Ueckerdt（2011）類似的方法，確定負(fù)荷與各種電源的靈活系數(shù)，如圖 2 所示?？紤]到京津塘氣電多帶有供熱功能，并且以供熱為主，其靈活性較常規(guī)天然氣機(jī)組略低。
根據(jù)靈活度平衡，與各種電源的靈活系數(shù)（如圖 3），計(jì)算系統(tǒng)保持平衡的最大風(fēng)電發(fā)電量份額，大約在 350億千瓦時(shí)，是當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電量的 3.5倍左右。從這個(gè)角度講，京津塘電網(wǎng)從系統(tǒng)靈活性出發(fā)，仍舊具有電網(wǎng)完全不改造就接納目前裝機(jī) 3倍以上風(fēng)電的能力，也就是 2000萬千瓦，其發(fā)電量超過當(dāng)年總發(fā)電量（約 3300億千瓦時(shí)）的 10%。
討論與分析
通過以上的核算，基本可以認(rèn)為，京津塘地區(qū)出現(xiàn)的棄風(fēng)限電，無法用電網(wǎng)相關(guān)的技術(shù)原因去足夠解釋 20%以上的棄風(fēng)。那么，這種嚴(yán)重的棄風(fēng)現(xiàn)象該如何解釋？
2012年火電利用小時(shí)數(shù) 5600小時(shí)以上， 2013年 5500小時(shí)揭示了部分原因。在起作用的短期電力市場(chǎng)中，風(fēng)電可以以邊際成本低的優(yōu)勢(shì)，以零報(bào)價(jià)上網(wǎng)，在壓低市場(chǎng)價(jià)格的同時(shí)，獲得市場(chǎng)份額，優(yōu)先滿足或低或高的電力需求。風(fēng)電對(duì)傳統(tǒng)電源的擠壓，是其技術(shù)特點(diǎn)與電力市場(chǎng)設(shè)計(jì)所決定的。同時(shí)，成本低（指的是可變成本，固定部分已經(jīng)沉沒，不體現(xiàn)在決策之中）的排序優(yōu)先是有效率的市場(chǎng)建設(shè)的要求。
而我國顯然缺乏這樣的市場(chǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，調(diào)度體系中仍然維持的所有機(jī)組“平均上網(wǎng)小時(shí)數(shù)”的政策，并且省級(jí)政府具有巨大的自由量裁權(quán)。否則，由于已有風(fēng)電的有效競(jìng)爭(zhēng)，火電的利用率根本無法達(dá)到超過 60%的水平。
如果改變調(diào)度規(guī)則，火電機(jī)組的市場(chǎng)份額將受到進(jìn)一步壓縮，甚至有些省份在某些時(shí)段會(huì)成為一個(gè)純可再生能源電力供應(yīng)系統(tǒng)，火電完全“淪為”備用。應(yīng)該講，這是全局有效率的選擇，是基于本地資源稟賦、技術(shù)特點(diǎn)以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)形態(tài)下的“最優(yōu)”的電源結(jié)構(gòu)的反映，無疑是一個(gè)需要努力的方向。這是機(jī)制安排問題，不是風(fēng)電與傳統(tǒng)電源間的所謂利益“分餅”游戲。從這個(gè)角度講，建立電力市場(chǎng)，是解決風(fēng)電棄風(fēng)問題的重要一環(huán)。
市場(chǎng)如果建立，風(fēng)電本身與電網(wǎng)接入成本之外的系統(tǒng)相關(guān)成本，包括特性成本與平衡成本，可以通過專門的輔助服務(wù)市場(chǎng)顯示其構(gòu)成與變動(dòng)。在起作用的電力市場(chǎng)中，這種成本自然會(huì)顯現(xiàn)并有相應(yīng)的承擔(dān)主體。比如由于風(fēng)電出力的時(shí)候市場(chǎng)價(jià)格低，而風(fēng)電不出力的時(shí)候市場(chǎng)價(jià)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(cè)有誤差，其業(yè)主就必然需要在平衡市場(chǎng)購買相應(yīng)的平衡服務(wù)，以實(shí)現(xiàn)自己在日前市場(chǎng)的發(fā)電承諾；系統(tǒng)需要為大規(guī)模的風(fēng)電出力波動(dòng)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(huì)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(fèi)）得以在一定主體范圍內(nèi)消化。
當(dāng)然，必須指出的是，京津塘內(nèi)部可能存在進(jìn)一步的非均一性問題（比如個(gè)別地區(qū)傳輸容量受限），影響風(fēng)電在網(wǎng)內(nèi)的消納與自由流動(dòng)，會(huì)在一定程度上限制風(fēng)電的接入潛力。這種更小地理尺度的問題需要一個(gè)更高分辨率、具體案例級(jí)的分析或者仿真，以確定電網(wǎng)進(jìn)一步發(fā)展建設(shè)，特別是增強(qiáng)配電網(wǎng)能力的政策措施。本文的主要貢獻(xiàn)在于提供一個(gè)較大時(shí)間與地理尺度下的分析視角與方法。
結(jié)語
本文通過引入電源靈活系數(shù)，表征電力系統(tǒng)運(yùn)行備用調(diào)節(jié)供需平衡的能力，對(duì)京津塘電網(wǎng)在此靈活性約束下的消納能力，以 2012年的負(fù)荷出力曲線為例，進(jìn)行了測(cè)算。結(jié)果表明京津塘電網(wǎng)在電網(wǎng)完全不改造情況下，可以接納 2012年裝機(jī) 3倍以上風(fēng)電的能力，也就是 2000萬千瓦，其發(fā)電量超過當(dāng)年總發(fā)電量（約 3300億千瓦時(shí)）的 10%。棄風(fēng)出現(xiàn)的原因主要在于缺乏市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，導(dǎo)致風(fēng)電無法在短期現(xiàn)貨市場(chǎng)對(duì)火電形成有效的競(jìng)爭(zhēng)份額擠壓。從這個(gè)角度講，建立電力市場(chǎng)，是解決風(fēng)電棄風(fēng)問題的關(guān)鍵所在。
來源：《風(fēng)能》2015年第11期；
作者：張樹偉（卓爾德環(huán)境研究中心、中國人民大學(xué)經(jīng)濟(jì)學(xué)院能源經(jīng)濟(jì)系）；秦旭映（清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院）
