抉擇十四五改造規(guī)劃投資與運(yùn)行模擬方式，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)成本最小化

文 | 張樹偉

在可再生能源越來越多的情況下，與運(yùn)行模擬模型的連接迭代或者耦合已經(jīng)成為必須。

電力、電量平衡是電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的兩個(gè)基本前提。在大量的規(guī)劃研究與設(shè)計(jì)中，首先計(jì)算或者優(yōu)化電力平衡來導(dǎo)出煤電新增裝機(jī)，進(jìn)而通過全年的電量平衡（比如基于給定的電源結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)模擬）導(dǎo)出煤電的利用小時(shí)數(shù)是基本的“套路”。

而在實(shí)際操作中，往往以年度電量平衡以及典型日（冬季、夏季）最大負(fù)荷點(diǎn)或者極端困難時(shí)刻（比如水電豐富地區(qū)的枯水期）電力平衡為基本內(nèi)容。當(dāng)然，這一平衡中還可能加入其他額外的諸多約束，從而內(nèi)生導(dǎo)出對(duì)新增機(jī)組的投資與利用水平的要求。

在投資決策部分，如果是年度模型，并不包括年度尺度以內(nèi)的分析，無論是否存在系統(tǒng)成本最小的優(yōu)化，約束條件往往只能是滿足全年的最大負(fù)荷水平，或者典型日情況下的最大負(fù)荷水平。這實(shí)際上是把一年8760小時(shí)的負(fù)荷波動(dòng)簡(jiǎn)化成為了一條完全不波動(dòng)的直線。這種基于全年或者典型日最大負(fù)荷的那個(gè)“點(diǎn)平衡”，而不是持續(xù)負(fù)荷曲線的規(guī)劃方法產(chǎn)生了巨大誤差。

簡(jiǎn)單的例子，如果8760小時(shí)都是那個(gè)最大負(fù)荷點(diǎn)，新增的需求靠煤電、氣電還是核電來滿足，大概率上是長(zhǎng)期平均成本更低的基荷電源類型（因此，這類年度模型或者分析還能得出新增的電源組合，而不是某一種單一電源占據(jù)100%的份額，也必須添加額外的主觀約束才有可能），對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)成本最小化；但是如果考慮到那個(gè)負(fù)荷水平出現(xiàn)的時(shí)間極其有限（比如一年只有幾十個(gè)小時(shí)），那么無疑氣電的長(zhǎng)期成本要更低，特別是投資成本更低的單循環(huán)機(jī)組。這是我國(guó)電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期扭曲，煤電過多、而天然氣機(jī)組過少的重要方法論與思維根源。

更為嚴(yán)重的是，它嚴(yán)重誤導(dǎo)著人們的思維方式，特別是在電力系統(tǒng)行業(yè)之外。所有的機(jī)組完全沒有了功能的區(qū)別，成了一條線輸出的“基荷”，而相比一條線的變化就成了“調(diào)峰”。這與年度核定小時(shí)數(shù)從而成本定價(jià)、自由量裁調(diào)度（僅存在年度約束）模式長(zhǎng)期互相影響互動(dòng)，從而構(gòu)成了我國(guó)電力行業(yè)規(guī)劃與運(yùn)行的基本形態(tài)——先來先得、后來（投資）不趕趟，市場(chǎng)高度割裂；激勵(lì)不靈活運(yùn)行，而不是相反；以基荷為美，嚴(yán)重儲(chǔ)能泡沫。

在本期專欄中，我們首先回顧這其中部分的嚴(yán)重后果，并建議對(duì)這些案例進(jìn)行進(jìn)一步的高分辨率的研究。然后從可再生能源不斷增多的視角與方法論上討論這種簡(jiǎn)化帶來的誤差為何已經(jīng)到了不可忽略的地步，并且未來會(huì)越來越嚴(yán)重。這些案例包括：特高壓大容量輸電解決高峰負(fù)荷的“說辭”;氣電長(zhǎng)期在系統(tǒng)中份額不足，但是使用過度;基于不同發(fā)電小時(shí)數(shù)比較機(jī)組平均成本;對(duì)可再生能源是否滿足全部新增需求的理解。

能源經(jīng)濟(jì)學(xué)博士 （2007），高級(jí)工程師（2010- ），德國(guó)洪堡學(xué)者（2011-2013），卓爾德環(huán)境研究（北京）中心主任兼德國(guó)能源轉(zhuǎn)型智庫(kù)高級(jí)顧問，從事綜合能源系統(tǒng)與分布式，氫能經(jīng)濟(jì)與Power to X，能源系統(tǒng)模擬與政策評(píng)估以及可再生能源接入電網(wǎng)的應(yīng)用研究，以及跨學(xué)科能源經(jīng)濟(jì)環(huán)境項(xiàng)目的組織與協(xié)調(diào)工作。具有電力、交通、可再生能源部門與德國(guó)、法國(guó)、中國(guó)的地區(qū)工作經(jīng)驗(yàn)。

特高壓大容量輸電解決高峰負(fù)荷的“說辭”

最大負(fù)荷那“點(diǎn)”的平衡問題，有意無意的成為了全年電力的滿足問題。比如，在跨區(qū)線路上，千瓦，而不是其他（比如千瓦時(shí)、利用小時(shí)數(shù)），成為了衡量“送電能力”的指標(biāo)。所謂的“滿送”，往往不是利用小時(shí)數(shù)高，而是某一瞬間千瓦大。

兩會(huì)期間，一位人大代表表示：受資源稟賦限制和生態(tài)環(huán)境約束，河北已成為全國(guó)為數(shù)不多的“硬缺電”省份。預(yù)計(jì)2019年仍將出現(xiàn)200萬千瓦左右供電缺口。

但是，面對(duì)這可能也就持續(xù)幾十個(gè)小時(shí)的電力缺口（比如夏季空調(diào)高峰階段），提出的建議卻是建設(shè)設(shè)計(jì)小時(shí)數(shù)高達(dá)5000甚至更高的特高壓線路解決問題（它在現(xiàn)實(shí)中的運(yùn)行也是特權(quán)基荷式的，是影響受電端系統(tǒng)靈活性的重要原因）。“支持河北與山西能源合作事項(xiàng)，推動(dòng)研究實(shí)施山西、河北間500千伏聯(lián)絡(luò)通道改為點(diǎn)對(duì)網(wǎng)送電通道；支持延安、呼倫貝爾送電河北，開展專題論證，納入國(guó)家規(guī)劃并協(xié)調(diào)開展前期工作，統(tǒng)籌推動(dòng)解決河北省‘硬缺電’問題”。

這種說辭，雖然在嚴(yán)肅學(xué)術(shù)研究中已經(jīng)基本絕跡，但是仍時(shí)不時(shí)出現(xiàn)在媒體報(bào)道中。

氣電長(zhǎng)期在系統(tǒng)中份額不足，但是使用過度

由于點(diǎn)平衡的思維慣性，現(xiàn)在的氣電在系統(tǒng)中的角色跟煤電幾乎沒有區(qū)別，全部在爭(zhēng)發(fā)電量。比如江蘇某負(fù)責(zé)人表示：“按江蘇現(xiàn)行政策，目前調(diào)峰燃機(jī)發(fā)電小時(shí)為3500小時(shí)，供熱燃機(jī)基本上在4500到5500小時(shí)之間。現(xiàn)階段從理論上講，氣電廠只要達(dá)到這些要求，都不會(huì)虧損。”

從系統(tǒng)成本最小化的角度，目前的氣電容量份額不足，但是其使用率卻已經(jīng)過度了，超過了其最優(yōu)的份額。這跟規(guī)劃、定價(jià)與系統(tǒng)平衡范式不無關(guān)系。

基于不同發(fā)電小時(shí)數(shù)比較機(jī)組平均成本

長(zhǎng)期的“基荷”思維演進(jìn)，使得人們對(duì)各種電源的特性有個(gè)“共識(shí)性”的了解與理解。煤電5000-5500小時(shí)，氣電3500小時(shí)，核電7000小時(shí)，風(fēng)電2000小時(shí)，太陽(yáng)能1000小時(shí)，儼然已經(jīng)成為了經(jīng)濟(jì)性分析的默認(rèn)前提條件。殊不知，這種基于不同發(fā)電小時(shí)數(shù)的比較，對(duì)于系統(tǒng)成本最小化價(jià)值標(biāo)準(zhǔn)下的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)很難有含義。

比如，有文章提及，“受制于資源稟賦，我國(guó)天然氣供應(yīng)成本較高，發(fā)電用氣價(jià)格一般在2～2.5元/立方米，這意味著氣電僅燃料成本就需要約0.4～0.5元/千瓦時(shí)，已遠(yuǎn)超煤電等其他電源的上網(wǎng)電價(jià)”。這一上網(wǎng)電價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)包含了利用小時(shí)數(shù)的前提假定。

正如筆者之前的若干文章反復(fù)強(qiáng)調(diào)的，氣電成本是火電的兩倍完全是誤導(dǎo)性的。天然氣發(fā)電度電成本比煤貴還是便宜，這完全取決于機(jī)組工作在何種位置，是峰荷、腰荷還是基荷，利用小時(shí)數(shù)有多少。在一個(gè)開放競(jìng)爭(zhēng)性的體系中，不能把定位的“小時(shí)數(shù)”當(dāng)成默認(rèn)值去分析。同樣，一個(gè)維持20%利用率開了8760小時(shí)的機(jī)組，跟只開了20%的天數(shù)，而每天都維持100%利用率的機(jī)組，雖然利用小時(shí)數(shù)一樣，其成本也完全不一樣。

可再生能源時(shí)代——基荷供給將縮小直至消失，剩余負(fù)荷曲線形狀與“一條直線”差別越來越大。

在可控電源時(shí)代，存在著大量的基荷供給者，去滿足基荷（也就是長(zhǎng)期相對(duì)穩(wěn)定）的需求。計(jì)劃調(diào)度還是市場(chǎng)調(diào)度，理論上，在信息足夠充分（這一點(diǎn)在現(xiàn)實(shí)中很難滿足，比如機(jī)組的最小出力信息，在計(jì)劃調(diào)度體系下，電廠有充足的激勵(lì)隱藏這一信息，從而在負(fù)荷低谷時(shí)期保持出力從而多發(fā)電量，即使調(diào)度采用經(jīng)濟(jì)調(diào)度原則）的情況下，完全可以得到相同的有效率的結(jié)果。但是，這一期望在隨機(jī)性、間歇性的可再生能源進(jìn)入系統(tǒng)之后就徹底破產(chǎn)了。

由于可再生能源邊際成本為零，所有它需要隨時(shí)優(yōu)先調(diào)度，從而留給其他機(jī)組一條“剩余負(fù)荷曲線”去滿足。這條剩余負(fù)荷曲線，會(huì)隨著可再生能源的增加，越來越陡峭，越來越朝向原點(diǎn)方向彎曲，直至出現(xiàn)“過發(fā)電”（可再生能源總出力大過總負(fù)荷），以及化石能源機(jī)組完全淪為大部分時(shí)間的備用。

這個(gè)時(shí)候的備用的唯一選擇，將是靈活無比、啟停迅速廉價(jià)、輕資產(chǎn)的單循環(huán)天然氣機(jī)組。基于最大負(fù)荷的規(guī)劃方式，將產(chǎn)生的不是誤差，而是徹底錯(cuò)誤的電源結(jié)構(gòu)。

可再生能源滿足全部新增需求與否是個(gè)偽命題

“先來后到”的思維方式，也深刻的影響著對(duì)可再生能源這一特定能源形式進(jìn)入市場(chǎng)的理解。比如很多文章對(duì)可再生能源角色與作用分階段闡述：可再生能源電力將從滿足新增電力需求，逐漸過渡到替代現(xiàn)存化石能源機(jī)組發(fā)電，最終成為主力電源。

不同風(fēng)電比例（京津唐電網(wǎng)為例）影響剩余負(fù)荷曲線的形狀，直至基荷消失

從以上的可再生能源進(jìn)入系統(tǒng)的影響可以看出，可再生能源隨著天氣出力變化，其進(jìn)入系統(tǒng)將持續(xù)的改變剩余負(fù)荷曲線的形狀，從而對(duì)其他機(jī)組的利用時(shí)間、平均意義上的利用水平產(chǎn)生影響。風(fēng)電光伏對(duì)傳統(tǒng)化石能源的替代，從來沒有增量還是存量的區(qū)別。

因此，所謂可再生能源到底能否滿足全部新增需求的問題，是一個(gè)十足的偽命題，是再一次基于基荷思維方式的理解。從全年來看，可再生能源的發(fā)電量如果高于需求的新增電量，不意味著其他機(jī)組就不需要了；如果低于需求的新增電量，不意味著傳統(tǒng)化石能源機(jī)組不受影響，不意味著屬于“純?cè)隽俊碧娲８灰馕吨稍偕茉础安荒堋睗M足全部新增需求，其原因往往是棄風(fēng)限電，或者傳統(tǒng)機(jī)組利用率過度的結(jié)果。這其中往往混雜著“倒果為因”的邏輯問題。

十四五規(guī)劃抉擇：必須基于8760小時(shí)負(fù)荷曲線做投資決策模擬

從操作環(huán)節(jié)，考慮電力負(fù)荷的波動(dòng)，是給出一個(gè)對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)成本最小化最優(yōu)結(jié)構(gòu)的必要前提。

在可再生能源越來越多的情況下，與運(yùn)行模擬模型的連接迭代或者耦合已經(jīng)成為必須。因?yàn)橹挥猩a(chǎn)環(huán)節(jié)的模擬，才能弄清楚傳統(tǒng)能源的利用率是多大，從而關(guān)系到它們的長(zhǎng)期成本與新增的合理性；才能弄清楚可再生能源可以獲得多大的收益（其市場(chǎng)價(jià)值），從而關(guān)系到其與自身成本相比的競(jìng)爭(zhēng)力。