中國非水可再生能源電力生產與消納時空演變及驅動機制分析

張 垚，趙振宇

（華北電力大學 經濟與管理學院，新能源電力與低碳發展研究北京市重點實驗室，北京 102206）

0 引言

截至2020年底，我國光伏和風力發電裝機總量分別達253GW和281GW，裝機規模穩居世界第一[1]。同時，我國還是世界第一大可再生能源消費國。預計到2050年，可再生能源在我國一次能源消費結構占比將大于60%[2]。在可再生能源快速發展的當下，受資源稟賦、技術條件、需求強度等因素限制，我國可再生能源電力生產和消納空間差異較大，造成棄光棄風現象頻發、產消空間錯位、區域能源傳輸通道短缺等問題，在一定程度上阻礙了可再生能源的發展。因此，研究可再生能源電力生產及消納時空分布特征和發展驅動機制，對于明確可再生能源發展動因，合理確定可再生能源發展規劃，實現可再生能源高效發展具有重要意義。

《國務院關于加快建立健全綠色低碳循環發展經濟體系的指導意見》（國發[2021]4號）提出了提升可再生能源利用比例，大力推動風電、光伏發電發展的意見。風光等可再生能源在我國能源格局中的位置將越來越重要，因此研究風、光、生物質能等非水可再生能源的開發格局現狀和實現健康發展的方法路徑，對我國可再生能源全域發展更具有指導意義。由可再生能源供需主體驅動的可再生能源發展具有明顯的路徑依賴性。可再生能源投資高成本、高風險、融資歧視及正外部性效應特性決定了其發展依賴政府扶持，具有強政策性和地域政策差異性[3]～[5]。發電成本是可再生能源開發利用關鍵因素之一，政府采取技術研發、補貼等手段降低其成本，進而促進可 再 生 能 源 發 展[6]～[8]。Bai指 出，政 府 補 貼 對 可 再生能源投資的影響隨企業規模增加呈上升趨勢，但速度有下降的態勢[9]。Yu指出可再生電力滲透主要受投資效應驅動，而生產效應抑制了可再生電力滲透，消費效應貢獻很小[10]。Hao指出碳稅在促進可再生能源發展中的作用并不顯著[11]。目前，我國對可再生能源的關注由最初的“重生產，輕消納”轉向“產消并重”。由于可再生能源供需地域空間不匹配，導致可再生能源須跨區消納，因此我國通過電力輸送通道的建設和消納配額制的實施來加強輸電線路通達性和調整區域能源結構，以有效解決可再生能源消納問題[12]～[14]。但由于我國跨省輸電尚處于建設階段，跨省輸電能力和可再生能源資源與負荷差異并不匹配[15]。范英指出，目前的能源轉型是以人類社會可持續發展戰略選擇為主要出發點，其最初驅動因素不再是技術創新而是政策，但技術創新仍是影響可再生能源的最主要驅動力[16]，[17]。隨著可再生能源技術應用規模擴大，政策驅動效果將逐漸減弱，而市場因素在調整資源配置方面作用將逐步加強[18]。Zhou指出，地區可再生能源裝機容量仍然是決定可再生能源消費的主要因素[15]。能源-經濟相關性研究表明，可再生能源發展與經濟增長存在雙向因果關系，并且因素間的重疊具有共線性影響[19]～[21]。價格是影響能源消費最重要因素，較高的化石能源價格與相對廉價的可再生能源價格對可再生能源選擇更有利[22]。綜上所述，可再生能源發展是一個由政策、技術、市場等驅動的多因素作用結果。由于可再生能源政策依賴性較強，導致對其生產和消納空間分布演進研究較少，發展驅動機制研究不全面，且主要集中在配額制政策和可再生能源-經濟關系研究上，缺乏系統性多因素分析，忽略了政策-經濟-社會因素內在多重共線性影響，不能明晰多因素共同作用下的發展驅動機理。

本文采用重心計算和標準差橢圓分析法，建立非水可再生能源電力生產與消納重心遷移路徑模型。通過分析非水可再生能源電力生產與消納重心空間耦合和變動一致性，明晰非水可再生能源發展空間特征趨勢。以空間錯位模型度量省域非水可再生能源電力生產與消納空間匹配程度。本文還考慮非水可再生能源電力消納責任權重政策、特高壓外送通道能力、非水可再生能源發電量等因素，構建非水可再生能源電力生產和消納PLS驅動模型，以消除政策、經濟和社會等因素的多重共線性影響，尋求促進非水可再生能源高效發展關鍵因素，為國家和省域層面非水可再生能源發展提供助力。

1 重心及驅動機制建模與數據處理

1.1 研究方法

1.1.1重心位置模型

空間重心可以反映非水可再生能源生產與消納重心位置及移動軌跡。重心坐標計算式如下：

式中：Xt，Yt為第t年非水可再生能源電力生產與消納重心經緯度坐標；xi，yi為i省經緯度坐標；rit為i省第t年非水可再生能源電力生產和消納量；n為省份數。

1.1.2重心耦合模型

重心耦合模型是從靜態視角分析我國非水可再生能源電力生產和消納空間錯位距離程度的指標。重心空間距離越小，耦合性越高。重心耦合計算式為

式 中：Sg-c為 生 產 與 消 納 重 心 空 間 距 離；G（Xg，Yg），G（Xc，Yc）表示同一年份電力生產與消納重心經緯度坐標；K為地理坐標與平面投影距離間轉換率，取固定值111.111km。

1.1.3重心變動一致性

重心變動一致性是從動態視角衡量非水可再生能源電力生產與消納重心移動軌跡方向一致性程度的指標，以兩重心較上一時點產生的位移矢量夾角θ來表示，采用余弦函數計算。重心變動一致性指數C的計算式為

式 中：（ΔXg，ΔYg），（ΔXc，ΔYc）為 電 力 生 產 和 消 耗重心經緯度坐標移動年際變化量，ΔX=Xi-Xi-1，ΔY=Yi-Yi-1。

1.1.4標準差橢圓分析

標準差橢圓分析是用于明確我國非水可再生能源電力生產和消納點數據集空間分布特征方向和時空發展趨勢的指標，由橢圓長軸（X）標準差、短軸（Y）標準差和方位角構成。長軸代表最大擴散方向，短軸代表最小擴散方向，長短軸比值（扁率）越大，數據方向性越明顯。方位角是橢圓長軸順時針旋轉與正北向所成夾角，用于表示數據擴散方向。標準差橢圓方位角 φ，橢圓長軸 δx、橢圓短軸 δy按下式計算：

1.1.5空間錯位模型

空間錯位指數SMI是反映省域非水可再生能源電力生產和消納量匹配的指標。指數絕對值越大，生產與消納空間錯位越明顯，匹配度越低。空間錯位指數計算式為

式中：gt，ct為第t年全國可再生能源電力生產和消納量；git，cit為i省份第t年可再生能源電力生產和消納量。

1.1.6偏最小二乘回歸驅動因素分析模型

偏 最 小 二 乘（Partial Lewast Squares，PLS）回 歸集多元線性回歸、典型相關性和主成分分析功能于一體，在處理多變量、多重共線性和觀測數據量少的情況下具有獨特優勢，特別適合能源-經濟-社會復合系統多因素驅動分析。設因變量F受k個自變量影響，則回歸模型結構可表示為

1.2 數據來源與處理

為保證生產及消納數據時點匹配，選取我國2015-2020年非水可再生能源電力生產和消納量為研究樣本點。31省、自治區、直轄市（不含港、澳、臺）電力相關生產數據來自2016-2021年《中國電力年鑒》、《中國電力統計年鑒》、《中國能源統計年鑒》；非水可再生能源消納和配額數據來自2015-2020年 《全國可再生能源電力發展監測評價報告》和《國家發展改革委國家能源局關于建立健全可再生能源電力消納保障機制的通知》（發改能源 〔2019〕807號文件）；經濟社會數據來自2016-2020年《中國統計年鑒》；電力價格數據來自2015-2018年《全國電力價格情況監管通報》，2019年數據在2018年基礎上由歷年平均變動率求得。特高壓輸電線路連通性采用線路途經省份全社會用電量占比與非水可再生能源電力輸出量分配。

各省、自治區、直轄市空間數據采用省會經緯坐標表示。非水可再生能源配額數據由各年消納責任權重與全社會電力負荷乘積絕對量表示。2015-2017年無具體配額數據，僅規定了2020年目標權重，文章結合配額制計算原理采用預測權重和實際消納權重平均值替代。第t年目標消納責任權重qt數值按下式計算：

式中：qrt為第t年實際消納權重；qft為第t年預測消納 權 重；q2020為2020年 目 標 權 重；lt+1為t～t+1年 電力負荷變動率；et+1為t～t+1年消納量變動率。

2 省域非水可再生能源電力發展重心及驅動機制分析

2.1 重心及移動軌跡計算

如表1、圖1所示，我國非水可再生能源電力生產和消納重心空間位置變動整體向東南移動。

圖1 2015-2020年非水可再生能源電力生產與消納重心軌跡Fig.1 The gravity center trajectory of NREPGC from 2015-2020

表1 2015-2020年我國非水可再生能源發電生產、消納重心計算結果Table1The gravity center calculation results of China's NREPGC from2015-2020

續表1

生產重心軌跡線經過山西，在111.213～111.669°E和35.333～36.619°N之 內 變 動，累計移動距離182.841km，平均移動速率36.568 km/a。根據其移動方向可劃分為2個階段，即2015-2017年向西南移動，2017-2020年向東南移動。

消納重心軌跡經過山西-河南，在112.509～113.034°E和34.786～36.344°N內 變 動，累 計移動距離199.526km，平均移動速率39.905 km/a。根據其移動方向可劃分為2個階段，即2015-2016年向西南移動，2016-2020年向東南移動。

2.2 重心空間耦合和一致性計算

我國非水可再生能源電力生產和消納重心空間耦合和變動一致性計算如圖2所示。

圖2 2015-2020年我國非水可再生能源電力生產與消納重心空間重疊性和一致性分析結果Fig.2 The results of spatial overlap and consistency analysis of gravity center of China's NREPGC from2015-2020

從重心耦合來看，2015-2020年我國非水可再生能源電力生產和消納重心空間耦合錯位為122.957～173.512km，整體呈增大趨勢，平均錯位距離為148.854km，變異系數為0.142，顯示出我國非水可再生能源電力生產與消納的空間分離性。從重心變動方向來看，2015-2020年整體重心變動方向一致性為0.983，各年一致性系數為0.490～0.9997，除2016～2017年、2018～2019年 較低為0.490和0.726外，其余年份均保持較高方向一致性，均在0.979以上。綜合重心耦合和一致性計算結果可知，我國非水可再生能源電力生產和消納在全國發展較同步，但兩者空間重疊性較差。

2.3 標準差橢圓計算

我國非水可再生能源電力生產與消納標準差橢圓計算結果如表2所示。

表2 2015-2020年我國非水可再生能源電力生產、消納標準差橢圓分析結果Table2The standard deviation ellipse analysis results of China's NREPGC from2015-2020

由表2數據可知，我國非水可再生能源生產長軸X呈下降-上升-下降波折變換；短軸Y亦處于波動趨勢中，但整體變動不大；扁率較低處于1.474～1.611，有減小趨勢；方向性較穩定，呈東南-西北向分布空間特征，且角度有加大趨勢。這是在西北傳統非水可再生能源生產區和東南沿海風、光、生物質發電廣泛發展背景下形成的。

2015-2020年，我國非水可再生能源電力消納長軸X明顯縮短，短軸Y除2017年外呈遞增趨勢，扁率較低處于1.306～1.539，明顯快速減小。這表明我國非水可再生能源電力消納方向性減弱。我國非水可再生能源消納方向基本圍繞山西南部-河南北部重心點呈±90°形態，波幅不超過2.925°，其朝向由最初東南-西北向變為東北-西南向分布空間特征。這表明華北及周邊省份在全國非水可再生能源電力消納中占比較大，對消納空間格局影響較大。

從標準差橢圓覆蓋范圍來看，我國非水可再生能源電力生產和消納主要集中在黃河和長江流域沿線，南方在非水可再生能源電力發展上還存在不足。

2.4 空間錯位特征計算

為動態揭示生產與消納相對空間特征，計算非水可再生能源電力生產與消納時間序列錯位指數，其結果如表3所示。SMI正向表明生產相對于消納量超前發展，SMI負向表明生產滯后于消納量發展。

表3 2015-2020年我國非水可再生能源電力生產與消納空間錯位指數Table3The space mismatch index of China's NREPGC from2015-2020

2015-2020年，我國非水可再生能源電力生產與消納空間錯位呈現負向錯位為主特征，生產與消納匹配性較差。負向錯位省份占比由2015年的65%降低到2020年的61%，顯示我國非水可再生能源電力生產和消納空間匹配性有所改善，多數省份生產發展要大于消納。2020年，新疆、內蒙古、甘肅、寧夏、河北5省區正向錯位指數較高；山東、河南、北京、天津、浙江負向錯位指數較高；高正向錯位區集中在我國西北部，而高負向錯位區主要集中在經濟人口大省。從地域看，我國非水可再生能源電力正錯位區主要分布在西北、華北和東北，負錯位區主要集中在東部和南部省份，整體從西北到東南呈現正向-負向錯位的特征。從穩定性來看，除河北、山西、上海、安徽、福建、廣西、海南、貴州、云南和青海在研究期錯位指數方向有轉變外，其他省份錯位指數方向均較穩定。研究期內，上海、江蘇、浙江、安徽、山東、河南、湖南、廣西、重慶、四川等省、市、區的負向錯位程度有進一步加劇趨勢，非水可再生能源發電生產發展相對較慢，尤以浙江、河南最為明顯。

2.5 非水可再生能源電力發展PLS回歸計算

2.5.1非水可再生能源電力生產PLS計算

選擇生產總值β1、全社會電力消耗量β2、特高壓輸電線路連通性β3、6000kW及以上電廠發電耗用標煤量β4、一般公共預算收入β5、消納配額制政策（消納權重）β6、太陽能發電裝機容量β7、風電裝機容量β8、風電發電企業平均上網電價β9、光伏發電企業平均上網電價β10和火電發電量β11共11個因素作為各省市非水可再生能源電力生產驅動因素，利用SPSS24.0進行PLS回歸計算，結果如表4所示。

以北京市為例，因變量f關于潛在因子回歸結果：f*=0.353t1+0.085t2，2因子可100%解釋預測方差變量和因變量方差。將潛在因子帶入，可求得因變量關于自變量回歸結果：

式中系數即表4第1行。

表4 我國各省市非水可再生能源電力生產驅動因素PLS回歸分析Table4The provincial PLS regression analysis of driving factors of non-water renewable energy power generation

續表4

由表4可知，全社會電力消耗量、消納配額制政策、太陽能發電裝機容量對所有省份非水可再生能源電力生產均起促進作用；絕大多數省市的地區生產總值、特高壓輸電線路連通性、6000kW及以上電廠發電耗用標煤量、一般公共預算收入、風電裝機容量和火電發電量回歸系數為正，即亦對非水可再生能源電力生產起促進作用。多數省份的風電和光伏發電企業平均上網電價回歸系數為負數，表示上網電價越低，越有利于非水可再生能源電力生產。結合其作用方向可知，其亦對地區非水可再生能源電力生產起到促進作用。但風電發電企業平均上網電價作用方向統一性要強于光伏發電企業平均上網電價。

從作用強度看，太陽能發電裝機容量對內蒙古、遼寧等7省份促進作用強度最高；特高壓輸電線路連通性對山西、上海、江蘇、山東、河南、湖南等6省市的作用強度最大；火電發電量下降對北京作用強度最大；光伏發電企業平均上網電價下降對貴州作用強度最大；風電發電企業平均上網電價和6000kW及以上電廠發電耗用標煤量均不是對各省市作用強度最大的因素。

2.5.2非水可再生能源電力消納PLS計算

選擇全社會用電量 γ1、特高壓輸電線路連通性γ2、非水可再生能源發電量 γ3、平均銷售電價γ4、消 納 配 額 制 政 策 γ5、電 源 結 構（火 電 占 比）γ6、能源結構（電力占比）γ7作為驅動因素，對省域非水可再生能源電力消納PLS進行分析，模型潛在因子數設置為3，即可高精度地解釋預測方差變量和因變量。輸出結果如表5所示。

表5 我國各省市非水可再生能源電力消納驅動因素PLS回歸分析Table5The provincial PLS regression analysis of driving factors of non-water renewable energy power consumption

續表5

從PLS回歸結果來看，全社會用電量、特高壓輸電線路連通性、本地非水可再生能源發電量、消納配額制政策，對增加地區非水可再生能源消納量起促進作用；各省市的平均銷售電價、電源結構、能源結構的回歸結果差異較大。

從作用強度看，非水可再生能源發電量對河北、上海、安徽等10省份的作用強度最大；消納配額制政策對山西、江西、貴州等6省份影響最大；平均銷售電價對天津、內蒙古、云南和青海的影響最大。

從非水可再生能源生產和消納共有因素來看，全社會用電量、特高壓輸電線路連通性和消納配額制政策對非水可再生能源生產和消納起促進作用的省市數量相差不大，且均維持在較高數量水平。因此，可結合以上因素作用強度和方向，合理確定發展支持措施，可在考量較少因素下促進非水可再生能源電力生產和消納的共同發展。

3 分析與討論

我國非水可再生能源電力生產和消納重心移動速度相差不大，各省非水可再生能源生產和消納在一定時間段內的變化較一致。消納重心位于生產重心東南側，顯示我國非水可再生能源生產主要集中在西北部，而消納則主要集中在東南部區域，產消分離空間格局沒有根本轉變。這與目前我國非水可再生能源生產消納空間逆向分布現狀相一致。2015-2020年我國非水可再生能源生產和消納均經歷了先西南后東南的變化趨勢。對于消納來說，2016年是重心方向轉折點，而生產重心轉折點則出現在2017年。這表明非水可再生能源消納空間分布轉變會促進生產空間布局的優化。

在研究期內，我國非水可再生能源因地制宜多區域、多能源、多形式建設。分布式和沿海風電的廣泛開發，使我國非水可再生能源發電范圍更廣，全域均勻性增強，方向性減弱。在分布式就地消納和特高壓輸電線路建設導致外送消納范圍不斷擴大的影響下，我國非水可再生能源電力消納方向性要弱于生產，即消納更均衡，但生產與消納空間匹配還有待加強。

從我國非水可再生能源發展驅動因素PLS回歸結果來看，除少數因素對全域省份作用方向一致外，多數因素驅動方向和驅動強度存在顯著地域差異性。各省份非水可再生能源電力生產和消納是多因素、多方向、多強度作用的結果，因此在非水可再生能源發展過程中，還須考慮地域差異性，差異化實施非水可再生能源政策。在生產端，除全社會電力消耗量、消納配額制政策、太陽能發電裝機容量作用方向統一外，其余因素均呈現出地域差異性，尤以風電和光伏發電企業平均上網電價為明顯。通過分析發現，我國西北、沿海和裝機容量較大的部分省份的風電和光伏發電企業平均上網電價回歸系數為正。這些省份的發電成本已處于較低水平。上網電價的降低，減少了企業投資成本，但也壓縮了企業利潤，并致使部分企業向其他地區投資，故而出現負向作用。在消納端，各因素均呈現出地域差異性，尤以平均銷售電價、電源結構、能源結構差異為明顯。一般認為，平均銷售電價降低、電源結構和能源結構轉型有利于非水可再生能源電力消納，即隨著平均銷售電價下降、火電占比降低和電力在終端能源消費占比增加，非水可再生能源消納量將增加。然而，PLS回歸結果對我國全域省份系數方向卻不統一。可見以上因素在我國省域非水可再生能源消納中的作用還得結合各省份的具體情況確定。

特高壓和配額制是我國促進可再生能源合理發展的主要措施。從本文研究來看，消納配額制的作用要大于特高壓輸電線路，且兩者對我國非水可再生能源的發展并不都起促進作用。消納配額制的實施促進了各省非水可再生能源電力生產發展，但對上海、四川消納卻起到抑制作用。這是因為隨著時間的推移，非水可再生能源的實際消納量大于權重考核規定量，且差值越來越大所致。由此顯示，我國目前的消納配額確定方法還有待完善，能否將過往實際消納情況納入配額制尚值得研究。我國特高壓輸電線路多是以實現火電和可再生能源電力打捆外送為主。由于輸電線路輸送能力較大，在輸送非水可再生能源電力的同時，須要配套外送較多其他來源的電能，由此造成對其他電力發展的促進和對非水可再生能源電力的相對抑制，故而對部分省份的非水可再生能源發展起到抑制作用。

4 結論與建議

隨著分布式電源的推廣和特高壓連通性的增加，非水可再生能源全域可開展性增加，本文采用空間計量工具和PLS回歸模型分析了我國非水可再生能源電力生產、消納時空分布和驅動因素，得出以下結論。

①我國非水可再生能源電力生產和消納重心整體向東南移動趨勢明顯，重心空間耦合性較差，錯位程度較穩定，變動方向一致性基本同步。

②我國非水可再生能源電力生產和消納集聚點呈“東南-西北向”和“東北-西南向”空間分布特征，發展地域均勻性加強，方向性較穩定。

③我國非水可再生能源生產與消納空間錯位特征以負向錯位為主，但生產和消納空間相對匹配性有所改善。

④不同地區非水可再生能源電力生產和消納發展驅動因素及作用強度存在顯著不同，發展策略的制定應考慮地域差異性。

我國非水可再生能源生產與消納發展地域均勻性加強，但生產和消納主要集中在黃河和長江流域沿線。在南方非水可再生能源發電發展相對滯后，因此南方地區應積極依托地區經濟等發展優勢，加快非水可再生能源建設。省域轄區內發展非水可再生能源發電將有效促使本省消納量的提升。在雙碳目標大背景下，各省承擔可再生能源消納配額必將持續增加，各省應優先發展本地非水可再生能源電力。我國目前的可再生能源消納配額分配機制還有不足，特高壓輸電線路建設路徑和時機尚可進一步優化。因此，須進一步研究將以往實際考核結果納入配額制分配標準，形成動態分配機制。