中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：繼湖南、浙江等省出現(xiàn)“拉閘限電”之后，美國(guó)得州大停電徹底刷屏，正值“30·60”雙碳目標(biāo)啟動(dòng)之際，在新能源大發(fā)展以及電力市場(chǎng)改革不斷深化的當(dāng)口，“缺電”又成為全社會(huì)的隱憂(yōu)。如何在保障電力供應(yīng)充裕的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)能源綠色轉(zhuǎn)型目標(biāo)，一時(shí)眾說(shuō)紛紜。促進(jìn)不同電源均衡發(fā)展，保證合理的電力供應(yīng)充裕度，是當(dāng)前能源轉(zhuǎn)型和市場(chǎng)改革需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。
01、拉閘限電的典型與非典型樣本
每次大停電都是革新電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與體制的契機(jī)，而在導(dǎo)致得州大停電的眾多原因當(dāng)中，已有很多專(zhuān)家進(jìn)行了詳細(xì)分析，也指出歸因于可再生能源的發(fā)展缺乏邏輯，畢竟在極端情況下指望間歇性能源來(lái)提供容量支撐，就像天塌了希望矮個(gè)子去頂一樣純屬奢望。毫無(wú)疑問(wèn)，得州大停電罪魁是極端天氣導(dǎo)致的發(fā)電設(shè)備大面積故障和負(fù)荷需求高漲，同時(shí)得州電網(wǎng)與外部弱聯(lián)系無(wú)法獲得有效支援，缺少天然氣儲(chǔ)備等問(wèn)題也被關(guān)注。
事實(shí)上，天氣突變?cè)斐呻妰r(jià)飆升在得州屢有發(fā)生，很重要的原因在于得州實(shí)行的稀缺電價(jià)機(jī)制。在體現(xiàn)電力供應(yīng)稀缺度方面，得州沒(méi)有容量市場(chǎng)，電廠容量?jī)r(jià)值體現(xiàn)在現(xiàn)貨市場(chǎng)的稀缺價(jià)格上，電能量市場(chǎng)價(jià)格上限為9000美元/(MW·h)，稀缺價(jià)格不僅包括發(fā)電主體的報(bào)價(jià)，還包括備用價(jià)格增量、可靠性?xún)r(jià)格增量。其中，備用價(jià)格增量為價(jià)格上限與失負(fù)荷概率的乘積，失負(fù)荷概率確定方法為，假定近3年超短期負(fù)荷預(yù)測(cè)與實(shí)際負(fù)荷偏差擬合成的預(yù)測(cè)均值為M，標(biāo)準(zhǔn)差為Sd，備用容量為R；當(dāng)R<m時(shí)，失負(fù)荷概率取值為100%；否則，為單位正態(tài)分布在（R-M）/Sd右邊的積分。（參考喻蕓 荊朝霞：美國(guó)得州電價(jià)飆升背后的市場(chǎng)設(shè)計(jì)）
該機(jī)制能有效體現(xiàn)備用容量的稀缺性，即如果發(fā)電不足的情況下，用戶(hù)需要承受高電價(jià)，而由高電價(jià)收益驅(qū)動(dòng)市場(chǎng)主體投資新建電廠，實(shí)現(xiàn)電力供應(yīng)的充裕度。通過(guò)正態(tài)函數(shù)來(lái)確定失負(fù)荷概率，體現(xiàn)了在電力供應(yīng)充裕度（電力投資成本）和電力短期缺乏之間做均衡的概率思維，多數(shù)時(shí)候是一種行之有效的方法。但也存在一定的問(wèn)題，該機(jī)制人為設(shè)定失負(fù)荷概率為正態(tài)分布，其在右端快速趨零（如保證1%失負(fù)荷概率，備用需求也僅為平均負(fù)荷預(yù)測(cè)偏差的3.3倍），實(shí)際上備用需求不只會(huì)由負(fù)荷預(yù)計(jì)偏差導(dǎo)致，發(fā)電側(cè)不可預(yù)測(cè)因素同樣重要，隨著天氣變化、節(jié)假日等諸多不可預(yù)測(cè)因素存在，備用需求偏差存在較大的厚尾分布，這是導(dǎo)致充裕度不足的數(shù)學(xué)原因。同時(shí)，將稀缺電價(jià)作為主要的市場(chǎng)機(jī)制，由于電力供應(yīng)公共服務(wù)特性，在發(fā)揮作用的時(shí)候，往往會(huì)引起社會(huì)公眾的廣泛質(zhì)疑。
圖1 厚尾分布示意圖
具體到此次得州大停電，實(shí)際上發(fā)生了一個(gè)按照得州電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)說(shuō)，概率非常小的非典型樣本，而其導(dǎo)致的損失卻極大。而隨著全球氣候變遷，極端天氣頻發(fā)，預(yù)先設(shè)定的概率曲線有明顯偏差，得州價(jià)格稀缺機(jī)制下的氣候風(fēng)險(xiǎn)巨大。
如果該極端情況發(fā)生在中國(guó)，停電是否能避免呢？答案并不那么肯定，在我國(guó)現(xiàn)行的電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則中，根據(jù)第三級(jí)安全穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，如果發(fā)生失去大容量發(fā)電廠、新能源大規(guī)模脫網(wǎng)等情況導(dǎo)致穩(wěn)定破壞時(shí)，只要求做到電網(wǎng)能采取各種措施，避免造成長(zhǎng)時(shí)間大面積停電，并使電力系統(tǒng)盡快恢復(fù)正常運(yùn)行，換句話說(shuō)是允許一定范圍、一定時(shí)段的停電發(fā)生。原因也在于經(jīng)濟(jì)性和安全性之間需要做權(quán)衡，通過(guò)強(qiáng)化投資應(yīng)對(duì)包括極端氣候在內(nèi)的不可預(yù)測(cè)因素是一個(gè)無(wú)底洞。
1.湖南拉閘限電原因分析
與美國(guó)得州的非典型樣本相比，發(fā)生在湖南的拉閘限電則反映了典型的電源充裕度問(wèn)題。2020年12月，受全國(guó)范圍內(nèi)寒潮影響，湖南提早一個(gè)月入冬，加上復(fù)工復(fù)產(chǎn)，湖南全省最大負(fù)荷達(dá)到3100萬(wàn)千瓦，超過(guò)冬季的歷史記錄（仍低于夏季高峰），日最大用電量超過(guò)6億千瓦時(shí)，同比增長(zhǎng)14%。而受燃煤減少、水庫(kù)缺水、風(fēng)力發(fā)電受冰凍影響無(wú)法有效發(fā)電以及外來(lái)電減少等影響，電力供應(yīng)存在較大缺口，不得已全省啟動(dòng)分時(shí)段限電措施。
幾乎同時(shí)，浙江、內(nèi)蒙、江西等地由于“雙控目標(biāo)”、氣溫下降、生產(chǎn)恢復(fù)等不同原因，發(fā)生電力緊缺而限電的情況?！叭彪姟庇只氐搅斯姷囊曇?，由于2021年生產(chǎn)恢復(fù)預(yù)期加強(qiáng)，社會(huì)對(duì)于“缺電”的擔(dān)憂(yōu)更加明顯。從宏觀數(shù)據(jù)來(lái)看，至2020年底，我國(guó)電源裝機(jī)與年最大負(fù)荷比超過(guò)2:1，似乎電力供應(yīng)非常充裕，但風(fēng)電、光伏裝機(jī)比例快速攀升，帶來(lái)了結(jié)構(gòu)不平衡問(wèn)題：一方面是大部分時(shí)段電力供過(guò)于求，火電壓出力問(wèn)題更加尖銳，特別是新能源大發(fā)時(shí)現(xiàn)貨市場(chǎng)出清價(jià)格接近于0；另一方面是負(fù)荷尖峰疊加可再生能源（水、風(fēng)、光）小發(fā)方式下，電力供應(yīng)嚴(yán)重不足。
以湖南為例，其電源結(jié)構(gòu)示意圖如下。湖南省水電占比較高且承擔(dān)基荷，火電機(jī)組作為主要的調(diào)節(jié)性電源，長(zhǎng)年發(fā)電小時(shí)不足，作為內(nèi)陸省份煤炭運(yùn)入困難，火電發(fā)電成本較高，導(dǎo)致火電企業(yè)投資與發(fā)電意愿不足。另外，湖南屬于電源受端省份，外來(lái)電也是其電力平衡的主要因素。從總量看，湖南省裝機(jī)比上最大負(fù)荷仍在1.7倍左右（考慮外來(lái)電），具備電力平衡的基本條件，但具有調(diào)節(jié)能力的常規(guī)電源與最大負(fù)荷之比嚴(yán)重低于全國(guó)平均水平，在冬季嚴(yán)寒情況下，水電缺水、新能源又不足為恃時(shí)，電力供應(yīng)充裕度受到挑戰(zhàn)，“拉閘限電”便不可避免了。
圖2湖南省主要類(lèi)型電源裝機(jī)示意圖（不含外來(lái)電）
2.我國(guó)電源結(jié)構(gòu)性矛盾
2020年，我國(guó)新能源總裝機(jī)取得突破性進(jìn)展，全年新增裝機(jī)約1.2億千瓦，截至年底新能源裝機(jī)達(dá)到5.3億千瓦，比例超過(guò)24%，火電裝機(jī)比例降低到50%。
圖3我國(guó)電源裝機(jī)規(guī)模示意圖
雖然我國(guó)風(fēng)電、太陽(yáng)能裝機(jī)占比仍低于歐洲，但在電源調(diào)節(jié)能力方面卻明顯弱于歐洲，主要原因有：
（1）常規(guī)水電調(diào)節(jié)能力較差。我國(guó)雖然有3億多千瓦的常規(guī)水電，但整體庫(kù)容量小、我國(guó)來(lái)水季節(jié)性明顯、大水電基地多級(jí)水電考慮梯級(jí)調(diào)度開(kāi)機(jī)相關(guān)性大等原因，導(dǎo)致我國(guó)水電調(diào)峰能力較差。自身水電出力較小，同時(shí)華中電網(wǎng)水電整體發(fā)電偏低同時(shí)發(fā)生，是湖南冬季時(shí)段缺電的主要原因。
（2）抽水蓄能、氣電等靈活性電源比例較低。我國(guó)抽蓄、氣電總裝機(jī)占比僅為6%，難以提供足夠的調(diào)節(jié)能力。
（3）煤電是主要調(diào)節(jié)電源。由于一煤獨(dú)大，同時(shí)常規(guī)水電調(diào)節(jié)能力較差，核電考慮安全原因不調(diào)峰，生物質(zhì)發(fā)電等可再生能源需要保障性收購(gòu)，煤電肩負(fù)起主要的調(diào)節(jié)重任。
（4）電力市場(chǎng)不健全?，F(xiàn)貨市場(chǎng)試點(diǎn)遇到困難，輔助服務(wù)市場(chǎng)仍是發(fā)電側(cè)的零和游戲，保障性供電責(zé)任大，電價(jià)管控仍比較嚴(yán)阻礙價(jià)格信號(hào)進(jìn)行供需調(diào)節(jié)的能力，嚴(yán)重制約了我國(guó)電力系統(tǒng)的靈活性。
02、高比例新能源情況下如何保障電力供應(yīng)充裕度
上述兩個(gè)案例，都指向電力供應(yīng)充裕度如何保障的問(wèn)題。雙碳目標(biāo)下，煤電和新能源裝機(jī)的消長(zhǎng)，構(gòu)成了電源結(jié)構(gòu)的主要矛盾，風(fēng)、光裝機(jī)比例日增，煤電退出呼聲越發(fā)高漲之際，“缺電”頻發(fā)似乎就在眼前。
該矛盾主要來(lái)自于不同品種電源在電力容量和電量上的匹配上，各種電源屬性可分解為容量?jī)r(jià)值和電量?jī)r(jià)值，其中容量?jī)r(jià)值指的是，電源保障電力平衡的調(diào)節(jié)范圍，體現(xiàn)在較短時(shí)間內(nèi)可調(diào)用的功率；電量?jī)r(jià)值常規(guī)理解是電源提供電量的能力，而更深一層是電源的發(fā)電邊際成本高低。
利益驅(qū)動(dòng)電源投資是保證電力供應(yīng)充裕度的基本條件，我國(guó)在以煤電、水電為主的傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中，電源的容量特性較好，電力平衡能力較強(qiáng)，通過(guò)將電力平衡責(zé)任比例分?jǐn)偟礁麟娫瓷峡杀ＷC發(fā)用電平衡。所以沒(méi)有容量?jī)r(jià)值的顯性體現(xiàn)，而將電源全周期成本主要分?jǐn)偟诫娏可希ㄟ^(guò)電量和電價(jià)即可回收電源全部投資（雖名義上有調(diào)頻調(diào)峰等輔助服務(wù)，但主要通過(guò)兩個(gè)細(xì)則偏差考核實(shí)現(xiàn)，僅是發(fā)電企業(yè)之間的零和游戲），從而促進(jìn)發(fā)電企業(yè)投資，保證了電力供應(yīng)的充裕度。
但在新能源占比越來(lái)越大的情況下，各種電源容量?jī)r(jià)值、電量?jī)r(jià)值迥異，特別是具有間歇性的新能源裝機(jī)的增長(zhǎng)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)可調(diào)容量的增長(zhǎng)，其容量投資成本可認(rèn)為是無(wú)窮大，而同時(shí)其發(fā)電邊際成本幾乎為0，在容量?jī)r(jià)值和電量?jī)r(jià)值方面均具有極端特性。如新能源大規(guī)模進(jìn)入現(xiàn)貨市場(chǎng)，一方面在新能源大發(fā)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致出清電價(jià)非常低；另一方面遇到負(fù)荷高點(diǎn)新能源又集體失靈時(shí)，將造成電力短缺，由于我國(guó)電價(jià)上限較低，電力短缺情況下容量稀缺價(jià)值無(wú)法體現(xiàn)，火電、氣電等調(diào)節(jié)能力較大的電源，無(wú)法通過(guò)稀缺電價(jià)獲得間接容量激勵(lì)，扭曲了容量?jī)r(jià)值，制約了發(fā)電機(jī)組有效容量方面的投資。
疊加我國(guó)實(shí)行的可再生能源消納配額機(jī)制，火電機(jī)組投資收益越發(fā)下降，同時(shí)加上環(huán)保要求，煤電未來(lái)增長(zhǎng)更加受限。同樣，在缺少成熟的商業(yè)模式的情況下，被寄予厚望的電化學(xué)儲(chǔ)能也只能通過(guò)新能源捆綁的方式發(fā)展。體現(xiàn)容量?jī)r(jià)格機(jī)制不健全的情況下，電力供應(yīng)充裕度存在較大隱憂(yōu)。
深刻認(rèn)識(shí)不同電源的容量?jī)r(jià)值和電量?jī)r(jià)值差異，并給予顯性定價(jià)，是以市場(chǎng)化手段促進(jìn)資源優(yōu)化配置，有效促進(jìn)不同電源協(xié)同發(fā)展，既保證電力供應(yīng)充裕度，又促進(jìn)新能源發(fā)展的基礎(chǔ)條件。同時(shí)電力供應(yīng)充裕度也要處于合適的區(qū)間，避免追求極端充裕度過(guò)于飽和發(fā)展帶來(lái)的成本追加。
2.設(shè)計(jì)合理的市場(chǎng)機(jī)制。一是亟需建立容量市場(chǎng)，類(lèi)似得州的方式，通過(guò)高電價(jià)反映容量稀缺性，在我國(guó)容易造成“高電價(jià)”恐慌；而當(dāng)前廣東現(xiàn)貨市場(chǎng)現(xiàn)行的對(duì)高發(fā)電成本的調(diào)節(jié)電源進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償資金由中長(zhǎng)期交易偏差部分分?jǐn)偟姆绞?，激?lì)效果有限，難以長(zhǎng)期適應(yīng)新能源高速發(fā)展。設(shè)計(jì)容量市場(chǎng)，較為直接地反映電源的容量?jī)r(jià)值，更適合我國(guó)的電力運(yùn)行機(jī)制，且在抽水蓄能的單一制容量電價(jià)、兩部制電價(jià)方面早已有經(jīng)驗(yàn)探索。二是更大程度發(fā)揮電價(jià)調(diào)節(jié)作用。適度放開(kāi)電價(jià)上限，能有效對(duì)容量?jī)r(jià)值進(jìn)行補(bǔ)償，提升電力充裕度，也有利于通過(guò)價(jià)格信號(hào)促進(jìn)需求響應(yīng)，削減高峰負(fù)荷。
3.電力市場(chǎng)應(yīng)該“同品同價(jià)”。新能源要成長(zhǎng)為主力電源，在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中不能缺席，對(duì)于常規(guī)電源實(shí)行的如偏差考核等規(guī)則應(yīng)同樣適用（當(dāng)然考核標(biāo)準(zhǔn)可以適當(dāng)寬松），以此通過(guò)市場(chǎng)化手段促進(jìn)新能源采用多種方式提升容量特性，比新能源強(qiáng)配儲(chǔ)能的方式更符合新能源企業(yè)利益。同步應(yīng)配套建立完善的碳配額機(jī)制，推進(jìn)綠電交易和CCER交易流動(dòng)性，促進(jìn)碳資產(chǎn)價(jià)值逐步提升，有效提高新能源投資效益。
4.從電力系統(tǒng)的角度看待多種電源協(xié)同發(fā)展。從表1對(duì)比來(lái)看，各種電源容量?jī)r(jià)值高低排序?yàn)槌樾?、電化學(xué)儲(chǔ)能、氣電、煤電、新能源，但抽水蓄能受建設(shè)條件限制較大，發(fā)展瓶頸明顯；電化學(xué)儲(chǔ)能雖然廣受關(guān)注，但作為直流系統(tǒng)，仍難有效解決交流電網(wǎng)慣量、短路電流不足等問(wèn)題；而氣電調(diào)峰勝在既不失靈活性，又能為交流電網(wǎng)提供慣量、短路電流、電壓調(diào)節(jié)等方面的支撐，如果主要作為頂峰電源，也不會(huì)造成天然氣用量的顯著增加，應(yīng)該作為一個(gè)選項(xiàng)加以重視。
