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可再生能源滿足全部新增需求與否是個偽命題嗎?
發布者:lzx | 來源:能源雜志 | 0評論 | 3820查看 | 2019-08-02 13:55:00    

在可再生能源(yuan)越來越多的情況下,與運行(xing)模(mo)擬模(mo)型的連(lian)接(jie)迭代或(huo)者耦合(he)已(yi)經(jing)成為必須。


電(dian)力、電(dian)量平(ping)(ping)衡是電(dian)力系統安(an)全穩定運(yun)行的(de)(de)(de)兩個基(ji)本前(qian)提。在大(da)量的(de)(de)(de)規劃研究與(yu)設計(ji)中,首先(xian)計(ji)算或(huo)者優化電(dian)力平(ping)(ping)衡來導(dao)出煤電(dian)新(xin)增裝機,進(jin)而通(tong)過全年的(de)(de)(de)電(dian)量平(ping)(ping)衡(比如基(ji)于給定的(de)(de)(de)電(dian)源結(jie)構的(de)(de)(de)生產模(mo)擬)導(dao)出煤電(dian)的(de)(de)(de)利用小(xiao)時數(shu)是基(ji)本的(de)(de)(de)“套(tao)路”。


而在實際操(cao)作中(zhong),往(wang)往(wang)以年(nian)度(du)電量平(ping)衡(heng)以及典型日(冬(dong)季(ji)、夏季(ji))最大負荷點或(huo)者極端困難時刻(比如水(shui)電豐富地區的(de)枯水(shui)期(qi))電力平(ping)衡(heng)為基本內容。當然(ran),這一平(ping)衡(heng)中(zhong)還(huan)可能加入其他額外(wai)的(de)諸多(duo)約(yue)束(shu),從而內生導出(chu)對新增(zeng)機組(zu)的(de)投資與利用水(shui)平(ping)的(de)要求。


在(zai)投(tou)資決策(ce)部分,如(ru)果(guo)是(shi)(shi)年(nian)度模型(xing),并(bing)不包括年(nian)度尺度以內的(de)(de)(de)分析,無(wu)論是(shi)(shi)否存在(zai)系統(tong)成本最(zui)小(xiao)(xiao)的(de)(de)(de)優(you)化,約束條件往往只能是(shi)(shi)滿足全(quan)年(nian)的(de)(de)(de)最(zui)大(da)(da)負(fu)(fu)荷水平(ping),或者(zhe)典型(xing)日情況(kuang)下的(de)(de)(de)最(zui)大(da)(da)負(fu)(fu)荷水平(ping)。這實際(ji)上(shang)是(shi)(shi)把(ba)一年(nian)8760小(xiao)(xiao)時的(de)(de)(de)負(fu)(fu)荷波(bo)動(dong)簡(jian)化成為了一條完全(quan)不波(bo)動(dong)的(de)(de)(de)直線(xian)。這種(zhong)基(ji)于全(quan)年(nian)或者(zhe)典型(xing)日最(zui)大(da)(da)負(fu)(fu)荷的(de)(de)(de)那(nei)個“點平(ping)衡(heng)”,而不是(shi)(shi)持續(xu)負(fu)(fu)荷曲線(xian)的(de)(de)(de)規(gui)劃方法產生(sheng)了巨大(da)(da)誤(wu)差(cha)。


簡單的(de)(de)(de)(de)例(li)子,如(ru)(ru)果8760小(xiao)時(shi)都是(shi)那(nei)個最大(da)負荷(he)點(dian),新增的(de)(de)(de)(de)需求靠煤電(dian)(dian)、氣電(dian)(dian)還(huan)是(shi)核電(dian)(dian)來滿足,大(da)概率上(shang)是(shi)長期(qi)平均成(cheng)(cheng)本(ben)更(geng)低的(de)(de)(de)(de)基荷(he)電(dian)(dian)源類型(因此,這類年度模(mo)型或者分(fen)析還(huan)能得出新增的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)源組(zu)合,而不是(shi)某(mou)一種單一電(dian)(dian)源占(zhan)據100%的(de)(de)(de)(de)份額,也(ye)必須添加額外的(de)(de)(de)(de)主觀(guan)約束才有(you)可能),對應(ying)于系(xi)統(tong)成(cheng)(cheng)本(ben)最小(xiao)化(hua);但是(shi)如(ru)(ru)果考慮到那(nei)個負荷(he)水(shui)平出現的(de)(de)(de)(de)時(shi)間極其有(you)限(比如(ru)(ru)一年只有(you)幾十個小(xiao)時(shi)),那(nei)么無疑(yi)氣電(dian)(dian)的(de)(de)(de)(de)長期(qi)成(cheng)(cheng)本(ben)要更(geng)低,特別是(shi)投資成(cheng)(cheng)本(ben)更(geng)低的(de)(de)(de)(de)單循環機組(zu)。這是(shi)我國電(dian)(dian)力系(xi)統(tong)結構長期(qi)扭曲,煤電(dian)(dian)過多、而天然(ran)氣機組(zu)過少(shao)的(de)(de)(de)(de)重要方法(fa)論(lun)與思維根源。


更為嚴(yan)重的(de)是,它(ta)嚴(yan)重誤導著(zhu)人(ren)們(men)的(de)思維方式,特別(bie)是在(zai)電力系統(tong)行(xing)業之(zhi)外。所有的(de)機組完全沒有了(le)功能的(de)區別(bie),成了(le)一條線輸出(chu)的(de)“基荷”,而相比(bi)一條線的(de)變化就成了(le)“調峰”。


這(zhe)與年度(du)核定小時數從(cong)而成(cheng)本定價、自由量裁調度(du)(僅存(cun)在(zai)年度(du)約束)模式(shi)長期互相影響互動,從(cong)而構成(cheng)了我國電(dian)力行業規劃(hua)與運行的(de)基本形態——先來先得(de)、后來(投(tou)資)不趕趟,市(shi)場高(gao)度(du)割裂;激勵不靈(ling)活運行,而不是(shi)相反;以基荷為美,嚴重儲能泡(pao)沫。


在本期專欄(lan)中,我們(men)首(shou)先回顧這(zhe)其中部分的嚴重(zhong)后果,并建議對這(zhe)些案(an)(an)例進(jin)行進(jin)一步的高分辨率的研究。然后從(cong)可再(zai)生(sheng)能源(yuan)不斷增(zeng)多(duo)的視角與方法(fa)論上(shang)討論這(zhe)種簡(jian)化(hua)帶來(lai)的誤差為何已經到(dao)了不可忽略的地步,并且未來(lai)會越來(lai)越嚴重(zhong)。這(zhe)些案(an)(an)例包(bao)括:特(te)高壓(ya)大(da)容量輸電解決高峰負荷(he)的“說辭”;氣電長期在系統(tong)中份(fen)額不足,但是使用過度;基于不同(tong)發(fa)電小時數比較機組平均成本;對可再(zai)生(sheng)能源(yuan)是否滿足全部新增(zeng)需(xu)求的理解。


特高壓大容量輸電解決高峰負荷的“說辭”


最大(da)負(fu)荷那(nei)“點(dian)”的(de)(de)平衡問(wen)題(ti),有意無意的(de)(de)成(cheng)為(wei)(wei)了(le)全年電(dian)力(li)的(de)(de)滿足問(wen)題(ti)。比如,在跨(kua)區線路上,千瓦(wa),而不(bu)是(shi)(shi)其他(比如千瓦(wa)時(shi)、利用小(xiao)時(shi)數),成(cheng)為(wei)(wei)了(le)衡量(liang)“送(song)電(dian)能力(li)”的(de)(de)指標。所(suo)謂的(de)(de)“滿送(song)”,往往不(bu)是(shi)(shi)利用小(xiao)時(shi)數高,而是(shi)(shi)某一瞬(shun)間千瓦(wa)大(da)。


兩會期(qi)間,一位人大代表表示:受資源稟賦限制和(he)生(sheng)態環境約(yue)束,河北(bei)已成為(wei)全國為(wei)數不(bu)多的“硬缺電”省份。預計2019年仍將出現(xian)200萬千(qian)瓦左右供電缺口。


但(dan)是,面對這(zhe)可(ke)能也就持續幾十個(ge)小時的電力缺口(比如夏季空調高(gao)(gao)峰階(jie)段(duan)),提出的建議卻(que)是建設設計小時數高(gao)(gao)達5000甚至更高(gao)(gao)的特(te)高(gao)(gao)壓線路解(jie)決問題(它(ta)在現實中的運行(xing)也是特(te)權基荷式(shi)的,是影響受電端系統靈活性的重要原因)。


“支持(chi)河(he)北(bei)與(yu)山西能源(yuan)合(he)作事項,推(tui)動(dong)研究實施山西、河(he)北(bei)間500千伏聯絡通道改(gai)為點(dian)對網(wang)送電通道;支持(chi)延安(an)、呼倫貝爾送電河(he)北(bei),開展專題論(lun)證,納(na)入(ru)國家規劃(hua)并(bing)協調開展前(qian)期工作,統籌推(tui)動(dong)解決河(he)北(bei)省‘硬缺電’問題”。


這種說辭,雖然(ran)在嚴肅學術研究中(zhong)已經基本絕(jue)跡,但(dan)是仍時(shi)不時(shi)出現在媒(mei)體報道中(zhong)。


氣電長期在系統中份額不足,但是使用過度


由于點(dian)平衡的思維慣性,現在(zai)的氣電(dian)在(zai)系(xi)統中(zhong)的角色跟煤(mei)電(dian)幾乎沒(mei)有區(qu)別(bie),全部在(zai)爭發電(dian)量。比如(ru)江蘇(su)某負責人表示(shi):“按(an)江蘇(su)現行政策,目前(qian)調峰燃機發電(dian)小時(shi)為3500小時(shi),供熱燃機基本上(shang)在(zai)4500到5500小時(shi)之間。現階段從理論(lun)上(shang)講(jiang),氣電(dian)廠只要達到這些要求(qiu),都不(bu)會虧(kui)損(sun)。”


從系統成本最小化的角度,目前的氣電容量(liang)份額(e)不足,但是其使用率(lv)卻已經(jing)過度了,超(chao)過了其最優的份額(e)。這跟規劃、定價與系統平衡范式(shi)不無關系。


基于不同發電小時數比較機組平均成本


長期的“基荷(he)”思維(wei)演(yan)進,使得人們(men)對各(ge)種電(dian)源的特性有個(ge)“共識性”的了解(jie)與(yu)理解(jie)。煤電(dian)5000-5500小時(shi)(shi),氣電(dian)3500小時(shi)(shi),核電(dian)7000小時(shi)(shi),風電(dian)2000小時(shi)(shi),太陽能1000小時(shi)(shi),儼然(ran)已經(jing)成為(wei)了經(jing)濟性分析的默認前(qian)提條件。殊不知,這(zhe)種基于不同發電(dian)小時(shi)(shi)數的比較(jiao),對于系(xi)統(tong)成本(ben)最小化價值標(biao)準下的系(xi)統(tong)結構很難有含(han)義。


比如(ru),有文章提及,“受(shou)制于資源(yuan)稟賦,我國天然氣供(gong)應(ying)成本(ben)較(jiao)高,發電用(yong)氣價格一般在2~2.5元(yuan)/立方米,這(zhe)意味著氣電僅燃料成本(ben)就需(xu)要約0.4~0.5元(yuan)/千(qian)瓦時,已(yi)(yi)遠(yuan)超煤電等其(qi)他電源(yuan)的上網(wang)電價”。這(zhe)一上網(wang)電價標準,已(yi)(yi)經包含了利用(yong)小時數(shu)的前提假(jia)定。


正如筆者(zhe)之前的(de)若(ruo)干文章反復強調的(de),氣電成(cheng)(cheng)本(ben)是(shi)火電的(de)兩倍完全是(shi)誤導(dao)性(xing)的(de)。天(tian)然氣發電度電成(cheng)(cheng)本(ben)比煤貴(gui)還是(shi)便宜,這完全取決于機組工(gong)作在何(he)種(zhong)位(wei)置(zhi),是(shi)峰(feng)荷(he)(he)、腰荷(he)(he)還是(shi)基荷(he)(he),利用小時(shi)數(shu)有多少。在一個開放競爭性(xing)的(de)體系中,不能把定位(wei)的(de)“小時(shi)數(shu)”當成(cheng)(cheng)默認值去分析。


同樣(yang)(yang),一(yi)(yi)個(ge)維(wei)持(chi)20%利用(yong)率開(kai)了(le)8760小(xiao)時(shi)的(de)機組(zu),跟只開(kai)了(le)20%的(de)天數(shu),而每天都維(wei)持(chi)100%利用(yong)率的(de)機組(zu),雖然利用(yong)小(xiao)時(shi)數(shu)一(yi)(yi)樣(yang)(yang),其成本也完全不(bu)一(yi)(yi)樣(yang)(yang)。


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可再生能源時代——基(ji)荷供給將縮小直至消(xiao)失,剩(sheng)余負荷曲線形(xing)狀與“一條直線”差(cha)別越來越大。


在可控電(dian)源(yuan)(yuan)時代,存在著(zhu)大(da)量的(de)(de)基荷供給者,去滿(man)足基荷(也(ye)就是(shi)長期相對穩定)的(de)(de)需求。計劃調(diao)(diao)度(du)還是(shi)市場調(diao)(diao)度(du),理(li)論上,在信息(xi)足夠充分(這一(yi)點(dian)在現實中很難滿(man)足,比如機(ji)(ji)組的(de)(de)最小出(chu)力(li)信息(xi),在計劃調(diao)(diao)度(du)體系(xi)下,電(dian)廠有充足的(de)(de)激勵隱藏這一(yi)信息(xi),從而在負荷低(di)谷時期保持出(chu)力(li)從而多發電(dian)量,即使(shi)調(diao)(diao)度(du)采用經(jing)濟調(diao)(diao)度(du)原則)的(de)(de)情況下,完全可以得(de)到相同(tong)的(de)(de)有效率的(de)(de)結(jie)果(guo)。但是(shi),這一(yi)期望在隨機(ji)(ji)性、間歇性的(de)(de)可再生能(neng)源(yuan)(yuan)進入系(xi)統之后就徹底破產了。


由(you)于可(ke)再生能(neng)(neng)源(yuan)(yuan)邊際成本為零,所以(yi)它需要隨時優先調度,從而留(liu)給其(qi)他機組(zu)(zu)一條“剩(sheng)余(yu)負荷(he)曲線”去滿足。這條剩(sheng)余(yu)負荷(he)曲線,會(hui)隨著可(ke)再生能(neng)(neng)源(yuan)(yuan)的增(zeng)加(jia),越(yue)來越(yue)陡峭(qiao),越(yue)來越(yue)朝(chao)向原點方向彎曲,直至出(chu)現(xian)“過發電”(可(ke)再生能(neng)(neng)源(yuan)(yuan)總出(chu)力大過總負荷(he)),以(yi)及化(hua)石能(neng)(neng)源(yuan)(yuan)機組(zu)(zu)完全淪為大部分時間的備(bei)用。


這個時候的(de)(de)備用的(de)(de)唯(wei)一選擇,將是靈活無(wu)比(bi)、啟停(ting)迅速廉價(jia)、輕資(zi)產(chan)的(de)(de)單循環天然(ran)氣機組(zu)。基于最大負荷的(de)(de)規劃方式(shi),將產(chan)生的(de)(de)不(bu)是誤(wu)差,而是徹底(di)錯誤(wu)的(de)(de)電源結構。


可再生能源滿足全部新增需求與否是個偽命題


“先來后到”的(de)思(si)維(wei)方式(shi),也(ye)深(shen)刻的(de)影響(xiang)著對可(ke)再生能(neng)源這一特定能(neng)源形式(shi)進入(ru)市場的(de)理解。比如很多文章對可(ke)再生能(neng)源角(jiao)色與作用分階(jie)段闡述:可(ke)再生能(neng)源電(dian)力將從滿足新增(zeng)電(dian)力需求,逐(zhu)漸過渡(du)到替代現(xian)存化(hua)石能(neng)源機組發電(dian),最終成(cheng)為主力電(dian)源。


從(cong)以(yi)上的(de)(de)可再(zai)生能源進入系統的(de)(de)影響可以(yi)看出,可再(zai)生能源隨著天氣(qi)出力變(bian)化,其(qi)進入系統將(jiang)持續的(de)(de)改變(bian)剩(sheng)余負荷(he)曲線(xian)的(de)(de)形狀,從(cong)而對其(qi)他(ta)機組的(de)(de)利用(yong)時間、平均意義上的(de)(de)利用(yong)水平產(chan)生影響。風電光伏對傳(chuan)統化石(shi)能源的(de)(de)替代,從(cong)來沒有增(zeng)量還是存量的(de)(de)區別。


因此,所(suo)謂(wei)可(ke)再(zai)(zai)生(sheng)能(neng)源(yuan)到底(di)能(neng)否滿足(zu)全(quan)(quan)部新(xin)(xin)增需求(qiu)(qiu)的(de)(de)問(wen)題,是(shi)一個(ge)十足(zu)的(de)(de)偽(wei)命題,是(shi)再(zai)(zai)一次基于(yu)基荷(he)思(si)維方式的(de)(de)理(li)解。從全(quan)(quan)年來(lai)看,可(ke)再(zai)(zai)生(sheng)能(neng)源(yuan)的(de)(de)發(fa)電(dian)(dian)(dian)量(liang)(liang)如(ru)(ru)果(guo)高于(yu)需求(qiu)(qiu)的(de)(de)新(xin)(xin)增電(dian)(dian)(dian)量(liang)(liang),不意味著(zhu)(zhu)其他機(ji)組(zu)就不需要了;如(ru)(ru)果(guo)低于(yu)需求(qiu)(qiu)的(de)(de)新(xin)(xin)增電(dian)(dian)(dian)量(liang)(liang),不意味著(zhu)(zhu)傳統化石能(neng)源(yuan)機(ji)組(zu)不受影響,不意味著(zhu)(zhu)屬(shu)于(yu)“純增量(liang)(liang)”替代。更不意味著(zhu)(zhu)可(ke)再(zai)(zai)生(sheng)能(neng)源(yuan)“不能(neng)”滿足(zu)全(quan)(quan)部新(xin)(xin)增需求(qiu)(qiu),其原因往(wang)(wang)往(wang)(wang)是(shi)棄風限電(dian)(dian)(dian),或者傳統機(ji)組(zu)利用率過度(du)的(de)(de)結果(guo)。這其中往(wang)(wang)往(wang)(wang)混雜著(zhu)(zhu)“倒果(guo)為(wei)因”的(de)(de)邏輯問(wen)題。


十四五規劃抉擇:必須基于8760小時負荷曲線做投資決策模擬


從操(cao)作環節,考(kao)慮電(dian)力負荷的(de)波動,是給出一個(ge)對應于系統(tong)成(cheng)本(ben)最小化最優(you)結(jie)構的(de)必要(yao)前提。


在可(ke)再生(sheng)能源越(yue)來越(yue)多的情況下,與運行(xing)模擬模型(xing)的連接迭代或者(zhe)耦合已經成(cheng)為必須(xu)。因為只有生(sheng)產環節的模擬,才能弄清(qing)楚(chu)傳統能源的利用率是多大,從而(er)關(guan)系到它們的長期成(cheng)本與新增的合理性;才能弄清(qing)楚(chu)可(ke)再生(sheng)能源可(ke)以(yi)獲得多大的收益(其(qi)市場價值),從而(er)關(guan)系到其(qi)與自身成(cheng)本相(xiang)比(bi)的競爭力。

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