確定“十四五”可再生能源

與傳統(tǒng)電源規(guī)劃容量比例的基本思路

顯然，“十四五”期間持續(xù)發(fā)展可再生能源是行業(yè)的共識(shí)。然而，可再生能源裝機(jī)容量（萬千瓦）與可再生能源消納量（萬千瓦時(shí)）沒有絕對(duì)的等比例關(guān)系，很可能存在裝機(jī)越多，棄電越多的情況。長期來看，在電力負(fù)荷持續(xù)增長的情況下，規(guī)劃中需要量化常規(guī)電源與可再生能源的配置規(guī)模。電力不可能三角，即經(jīng)濟(jì)、可靠和清潔三個(gè)目標(biāo)無法同時(shí)達(dá)到，總是需要至少一個(gè)目標(biāo)來作出犧牲。但同時(shí)，作為硬約束的可靠性不能作出犧牲，隨著負(fù)荷增長，由于風(fēng)光發(fā)電無法為系統(tǒng)提供足夠的有效容量，需要在規(guī)劃中配套常規(guī)發(fā)電電源以確保系統(tǒng)供電可靠性。因此，如果希望獲得既清潔又可靠的電能供應(yīng)，就需要支付更多的成本。這是確定“十四五”可再生能源和傳統(tǒng)電源容量占比的基本出發(fā)點(diǎn)。

可再生能源雖然清潔以及能夠以越來越低的成本提供電能，但是其難預(yù)測(cè)、間歇性、不受控的不友好特性決定了其對(duì)電力系統(tǒng)的從規(guī)劃到運(yùn)行的全時(shí)段的影響。到底一個(gè)電力系統(tǒng)能夠安全可靠地接納多少可再生能源需要從多個(gè)維度著手考慮，按照確定宏觀目標(biāo)、構(gòu)建邊界條件、量化分析影響、尋求解決方案的步驟及其迭代分析，最終確定合理可行的可再生能源及傳統(tǒng)電源的規(guī)劃。

一是確定宏觀目標(biāo)方面�？稍偕�能源的發(fā)展目標(biāo)以及宏觀電力能源的發(fā)展目標(biāo)是未來所有配套的基礎(chǔ)。在電力系統(tǒng)規(guī)劃領(lǐng)域，可再生能源發(fā)展目標(biāo)本質(zhì)上是對(duì)電量的消納目標(biāo)，單純提出可再生能源的裝機(jī)容量沒有意義。同時(shí)，針對(duì)不同省區(qū)的需求和特點(diǎn)，需要相應(yīng)提出諸如供電可靠性標(biāo)準(zhǔn)、碳排放上限、用戶電價(jià)上限等其他硬約束，實(shí)現(xiàn)綜合的宏觀發(fā)展目標(biāo)。

二是構(gòu)建邊界條件方面。在宏觀目標(biāo)給定的基礎(chǔ)上，需要確定研究目標(biāo)省區(qū)的資源稟賦：一次能源資源特性，包括煤、氣的未來價(jià)格預(yù)測(cè)和可獲得量，風(fēng)光資源情況等；現(xiàn)有和未來規(guī)劃常規(guī)發(fā)電機(jī)組構(gòu)成，包括核電、火電、燃機(jī)等；電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，包括輸電網(wǎng)規(guī)劃以及跨省跨區(qū)輸送通道；電力負(fù)荷，即未來負(fù)荷的增長情況以及負(fù)荷日內(nèi)、跨季節(jié)的特性。

三是量化分析影響方面。重點(diǎn)要解決的是基于邊界條件，是否能夠?qū)崿F(xiàn)可再生能源以及綜合電力能源的發(fā)展目標(biāo)。規(guī)�；�可再生能源并網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)有全時(shí)空的影響。在系統(tǒng)層面需要量化分析：間歇性可再生能源增加了系統(tǒng)秒至分鐘級(jí)的波動(dòng)導(dǎo)致自動(dòng)發(fā)電控制（AGC）需求的提升量，由于可再生能源預(yù)測(cè)誤差和波動(dòng)性提高了系統(tǒng)的短時(shí)備用的需求的提升量，由于可再生能源反調(diào)峰特性導(dǎo)致的調(diào)峰需求增加量（適用于非現(xiàn)貨地區(qū)），引入可再生能源后對(duì)電力系統(tǒng)供電可靠性指標(biāo)的影響量。在市場(chǎng)主體層面：需要量化分析可再生能源的可消納電量，或棄風(fēng)棄光量，煤機(jī)燃機(jī)等常規(guī)電源的發(fā)電小時(shí)數(shù)的變化量，需要分析近零變動(dòng)成本的可再生能源引入后的現(xiàn)貨市場(chǎng)價(jià)格變動(dòng)。在全社會(huì)層面：如果未來存在排放目標(biāo)或構(gòu)建碳市場(chǎng)，則需要分析可再生能源進(jìn)入后對(duì)碳排放總量以及碳價(jià)格的影響。

四是尋求解決方案方面。在量化分析影響的基礎(chǔ)上，回答如果實(shí)現(xiàn)不了可再生能源以及其他綜合發(fā)展目標(biāo)，例如，消納風(fēng)光總量達(dá)不到要求或化石能源發(fā)電占比過高，僅增加風(fēng)光不增加常規(guī)機(jī)組造成供電可靠性降低等問題，則需研究應(yīng)該采用什么額外的手段向目標(biāo)方向靠近。典型地，需要增加有效裝機(jī)容量（煤機(jī)、燃機(jī)、水電）提升由于可再生能源導(dǎo)致的系統(tǒng)供電可靠性下降、增加優(yōu)質(zhì)可調(diào)節(jié)資源（可調(diào)控負(fù)荷、燃機(jī)直至電化學(xué)儲(chǔ)能）滿足可再生能源的爬坡、調(diào)峰調(diào)頻等需求5。更關(guān)鍵的是，選擇哪幾種技術(shù)路線及其配套裝機(jī)容量規(guī)模能夠在實(shí)現(xiàn)達(dá)到清潔和可靠供電目標(biāo)基礎(chǔ)上的全社會(huì)成本最低。構(gòu)建解決方案后，再次迭代量化分析新電源構(gòu)成下的各種影響，最終實(shí)現(xiàn)電力和能源的綜合目標(biāo)，并求得相應(yīng)電價(jià)水平。

確定“十四五”可再生能源與

傳統(tǒng)電源容量比例的具體手段

確定“十四五”可再生能源與傳統(tǒng)電源容量比例，需要分地區(qū)進(jìn)行可再生能源并網(wǎng)及常規(guī)電源配套研究，關(guān)鍵要考慮可再生能源時(shí)序的連續(xù)功率特性以及常規(guī)電源的協(xié)調(diào)運(yùn)行，包括分鐘級(jí)、小時(shí)級(jí)、日內(nèi)、日間、季節(jié)間等。原有規(guī)劃方法中，傳統(tǒng)的以夏大、冬大的大方式的分析方法（潮流計(jì)算、靜態(tài)安全分析等），難以捕捉可再生能源的運(yùn)行特性，更無法分析其對(duì)電力系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的影響，也不能夠考慮電價(jià)水平的約束限制。穩(wěn)態(tài)條件下，針對(duì)可再生能源與傳統(tǒng)電源容量占比確定及各類影響分析，在電力市場(chǎng)環(huán)境下，最合理工具是基于電力現(xiàn)貨市場(chǎng)的電力系統(tǒng)時(shí)序生產(chǎn)模擬，也稱為市場(chǎng)規(guī)劃仿真，英文通常叫做Production Cost Simulation。

市場(chǎng)規(guī)劃仿真是通過離線計(jì)算的手段模擬電力市場(chǎng)在一段時(shí)間（短至一天，長至一年）的連續(xù)運(yùn)行情況。例如，仿真系統(tǒng)可以模擬某年某省的電力系統(tǒng)運(yùn)行，如果以1小時(shí)為最小運(yùn)行模擬間隔，則仿真系統(tǒng)會(huì)優(yōu)化計(jì)算每個(gè)小時(shí)每臺(tái)發(fā)電機(jī)組開機(jī)狀態(tài)、出力，并進(jìn)行潮流計(jì)算，自動(dòng)地滾動(dòng)模擬全年365天/8760小時(shí)的電力系統(tǒng)運(yùn)行。市場(chǎng)規(guī)劃仿真輸入數(shù)據(jù)包括電源數(shù)據(jù)、電網(wǎng)數(shù)據(jù)、負(fù)荷數(shù)據(jù)、燃料價(jià)格等。市場(chǎng)規(guī)劃仿真算法的核心為發(fā)電調(diào)度優(yōu)化和潮流計(jì)算，以全系統(tǒng)發(fā)電成本最小為目標(biāo)，根據(jù)負(fù)荷曲線調(diào)整機(jī)組出力，滿足負(fù)荷平衡約束、機(jī)組運(yùn)行約束和電網(wǎng)安全約束，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的發(fā)電調(diào)度。市場(chǎng)規(guī)劃仿真輸出數(shù)據(jù)包括各類電源的開機(jī)狀態(tài)、出力水平、發(fā)電成本及收入狀況等。最后系統(tǒng)將計(jì)算規(guī)劃人員所關(guān)注的物理和經(jīng)濟(jì)方面的各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)。上述介紹可以看出市場(chǎng)規(guī)劃仿真和電力現(xiàn)貨市場(chǎng)的仿真有很多相似的地方。

在現(xiàn)貨市場(chǎng)中，市場(chǎng)規(guī)劃仿真與傳統(tǒng)生產(chǎn)模擬的主要差異包括：一是市場(chǎng)規(guī)劃仿真嚴(yán)格執(zhí)行市場(chǎng)流程，采用考慮電網(wǎng)安全約束的機(jī)組組合（SCUC）決定日前開機(jī)，采用考慮電網(wǎng)安全約束的經(jīng)濟(jì)調(diào)度（SCED）決定日內(nèi)機(jī)組出力；二是生產(chǎn)模擬對(duì)經(jīng)濟(jì)性考慮較少，市場(chǎng)規(guī)劃仿真會(huì)計(jì)算系統(tǒng)出清電價(jià)，特別是節(jié)點(diǎn)電價(jià)體系的電力市場(chǎng)，需要計(jì)算每個(gè)電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的電價(jià)，以用于各個(gè)市場(chǎng)主體的經(jīng)濟(jì)性評(píng)估；三是生產(chǎn)模擬通常僅考慮網(wǎng)源平衡，市場(chǎng)仿真更加重視輸電網(wǎng)運(yùn)行約束的建模，包括單個(gè)輸電設(shè)備（線路和變壓器）熱穩(wěn)約束、輸電斷面約束以及其他調(diào)度機(jī)構(gòu)考慮的安全約束。

可再生能源與傳統(tǒng)電源容量占比相關(guān)的分析，應(yīng)采用市場(chǎng)規(guī)劃仿真計(jì)算的內(nèi)容包括：合理運(yùn)行備用需求量化分析、調(diào)節(jié)需求量化分析、棄風(fēng)棄光（即可再生能源消納量量化分析）、常規(guī)機(jī)組發(fā)電量影響量化分析、現(xiàn)貨市場(chǎng)價(jià)格影響量化分析、排放量及碳交易影響量化分析、系統(tǒng)供電可靠性（計(jì)算LOLE、EENS等）影響量化分析、傳統(tǒng)電源的最優(yōu)規(guī)劃。

根據(jù)分析需求和基本思路，使用國產(chǎn)某市場(chǎng)規(guī)劃仿真系統(tǒng)，以山東省可再生能源與傳統(tǒng)電源容量占比情況分析過程舉例：根據(jù)2019年山東電力系統(tǒng)主要數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，省內(nèi)負(fù)荷峰值約8400萬千瓦，省內(nèi)總裝機(jī)14044萬千瓦，煤電10029萬千瓦，其中直調(diào)煤電5805萬千瓦，光伏裝機(jī)約1600萬千瓦，風(fēng)電裝機(jī)約1400萬千瓦，外來電送電功率峰值約2000萬千瓦。對(duì)未來消納情況、現(xiàn)貨市場(chǎng)電價(jià)影響以及對(duì)電力系統(tǒng)供電可靠性影響三個(gè)方面基于市場(chǎng)規(guī)劃仿真進(jìn)行量化分析。

仿真結(jié)果顯示，山東省只在春節(jié)低谷負(fù)荷有少量棄電，全年棄電率為0.002%，與實(shí)際執(zhí)行情況相同（側(cè)面證明了市場(chǎng)規(guī)劃仿真程序的準(zhǔn)確性）。在不增加火電容量及其調(diào)節(jié)能力的情況下，構(gòu)建增加風(fēng)光裝機(jī)量50%、80%和100%三個(gè)場(chǎng)景，市場(chǎng)規(guī)劃仿真系統(tǒng)計(jì)算得出以下結(jié)論。

消納情況方面：仿真計(jì)算得出棄電率分別為1.12%、3.19%和5.01%，可見山東在不增加火電容量及其調(diào)節(jié)能力的情況下，棄電率增速明顯高于風(fēng)光裝機(jī)容量增速。

在現(xiàn)貨價(jià)格方面：仿真計(jì)算出2019年山東5月現(xiàn)貨市場(chǎng)，日均價(jià)格為265元/兆瓦時(shí)，同時(shí)，仿真計(jì)算獲得的三種增加風(fēng)光裝機(jī)量場(chǎng)景下，5月現(xiàn)貨日均價(jià)格分別為235元/兆瓦時(shí)、215元/兆瓦時(shí)和203元/兆瓦時(shí)。隨風(fēng)光裝機(jī)量增加現(xiàn)貨日均價(jià)格下降較為明顯，受價(jià)格影響煤電總體發(fā)電量下降。

在供電可靠性方面：2019年基礎(chǔ)算例可靠性指標(biāo)LOLE（失負(fù)荷期望）仿真值為14.9小時(shí)，高于99%。在不增加火電容量情況下，假設(shè)負(fù)荷峰值和風(fēng)光同時(shí)增加800萬千瓦，仿真系統(tǒng)顯示系統(tǒng)可靠性下降至LOLE為1788.9小時(shí)（造成失負(fù)荷明顯增多的原因包括，負(fù)荷高峰時(shí)段風(fēng)光出力不足、風(fēng)光出力波動(dòng)大同時(shí)火電爬坡速率不足、風(fēng)光日前預(yù)測(cè)值高于日內(nèi)實(shí)際出力導(dǎo)致日前開機(jī)不足）�？梢娚綎|在不增加火電容量及其調(diào)節(jié)能力的情況下，電力系統(tǒng)供電可靠性“斷崖式”下跌。

得出上述結(jié)論后，模擬配套風(fēng)光的增長增加火電容量，構(gòu)建增加200萬、400萬和600萬千瓦煤電機(jī)組場(chǎng)景，仿真獲得可靠性LOLE指標(biāo)分別為860.3小時(shí)、283.6小時(shí)和63.2小時(shí)。即在增加至少600萬千瓦煤機(jī)情況下，才能保證供電可靠性高于99%�？梢钥闯�，風(fēng)光的置信容量很小（通常為5%~20%），在負(fù)荷增長的情況下，需通過增加常規(guī)發(fā)電機(jī)組（視資源稟賦，比選煤機(jī)、燃機(jī)、水電等）確保系統(tǒng)整體的發(fā)電容量充裕度以及供電可靠性。必須要指出的是，算例中600萬煤電機(jī)組的容量電價(jià)將大幅抵消現(xiàn)貨價(jià)格由于風(fēng)光參與市場(chǎng)帶來的價(jià)格下降。

通過市場(chǎng)規(guī)劃仿真可以得出結(jié)論6，假如山東省“十四五”期間，風(fēng)光各增加800萬千瓦，在負(fù)荷增加800萬千瓦的情況下，相應(yīng)必須增加煤電容量600萬千瓦以上。如投資電化學(xué)儲(chǔ)能，也能達(dá)到相應(yīng)效果，但是考慮到在連續(xù)輸出能量約束下，電化學(xué)儲(chǔ)能的造價(jià)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于煤電機(jī)組，投放煤電機(jī)組仍是最為經(jīng)濟(jì)的手段。風(fēng)光裝機(jī)的增加能夠有效降低現(xiàn)貨價(jià)格，但是新增煤電機(jī)組的容量電價(jià)會(huì)抵消現(xiàn)貨價(jià)格降低幅度，用戶的感受則是電價(jià)呈上升態(tài)勢(shì)。