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摘要
在全球能源轉(zhuǎn)型的推動(dòng)下，風(fēng)電和光伏等新能源在許多國家的電力系統(tǒng)中占比持續(xù)攀升。然而，隨著新能源裝機(jī)規(guī)模的擴(kuò)大，如何有效提升新能源的消納水平和利用率成為各國亟待解決的問題。為此，首先選取了美國加州與德國兩個(gè)地區(qū)，分析梳理新能源市場(chǎng)化消納的一般規(guī)律；其次回溯了中國新能源消納歷程，分析“十四五”期間新能源消納面臨的新形勢(shì)；然后對(duì)市場(chǎng)化消納形勢(shì)下利用率對(duì)新能源盈利能力的影響進(jìn)行量化分析；最后，結(jié)合中國新能源發(fā)展的實(shí)際情況，提出了提高消納水平的策略建議，以助力中國在未來實(shí)現(xiàn)更高效的新能源開發(fā)與利用，促進(jìn)能源綠色低碳化轉(zhuǎn)型。
1 基于國外實(shí)踐的新能源市場(chǎng)化消納的一般規(guī)律
1.1 美國加州新能源消納及棄電剖析
近年來，加州在新能源發(fā)展取得了較好的成績，尤其是光伏發(fā)電，位居全美第一。加州輸電系統(tǒng)運(yùn)行商（CAISO）是加州電力市場(chǎng)的運(yùn)營主體和加州電網(wǎng)的調(diào)度中心，同時(shí)還負(fù)責(zé)評(píng)估及審批加州電網(wǎng)的擴(kuò)展計(jì)劃，提供加州80%的電力供應(yīng)。截至2024年7月底，CAISO運(yùn)營區(qū)域新能源裝機(jī)為3155萬kW，其中風(fēng)電裝機(jī)835萬kW、光伏發(fā)電裝機(jī)1963萬kW。
1.1.1 CAISO運(yùn)營區(qū)域新能源整體棄電情況分析
隨著加州新能源發(fā)展快速發(fā)展，CAISO運(yùn)營區(qū)域新能源棄電成為常態(tài)并逐年提升。CAISO通過預(yù)測(cè)發(fā)電量減去實(shí)際發(fā)電量計(jì)算棄電量，即新能源電站根據(jù)功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)得到場(chǎng)站可用發(fā)電量，并上報(bào)給調(diào)度機(jī)構(gòu)，調(diào)度機(jī)構(gòu)接收并核實(shí)新能源電站上報(bào)的可用發(fā)電量，減去實(shí)際發(fā)電量，得到棄電量。自2016年統(tǒng)計(jì)棄電情況以來，CAISO運(yùn)營區(qū)域新能源棄電量和棄電率整體呈現(xiàn)逐年增加的趨勢(shì)，受“鴨子曲線”等因素影響，主要以棄光為主，2023年棄光電量占全部棄電量的94%。近年來CAISO運(yùn)營區(qū)域新能源棄電量和棄電率如圖1所示。
圖1 2016—2023年CAISO運(yùn)營區(qū)域新能源棄電量和棄電率分析
Fig.1 Analysis of the amount of renewable energy curtailment and curtailment rate in the CAISO operating area from 2016 to 2023
1.1.2 CAISO運(yùn)營區(qū)域新能源棄電結(jié)構(gòu)分析
CAISO根據(jù)棄電場(chǎng)景將棄電分為三類，分別為當(dāng)系統(tǒng)中電力供應(yīng)過剩，市場(chǎng)會(huì)出現(xiàn)低價(jià)或負(fù)價(jià)能源，調(diào)度/市場(chǎng)按機(jī)組經(jīng)濟(jì)報(bào)價(jià)由高到低進(jìn)行的經(jīng)濟(jì)棄電；發(fā)電商通過調(diào)整自發(fā)電計(jì)劃進(jìn)行的自行棄電；調(diào)度機(jī)構(gòu)因市場(chǎng)無法平衡或特殊情況下調(diào)出力對(duì)機(jī)組進(jìn)行臨時(shí)棄電的調(diào)度限電。CAISO運(yùn)營區(qū)域棄電主要是市場(chǎng)主體結(jié)合新能源經(jīng)濟(jì)調(diào)度確定的經(jīng)濟(jì)棄電。2023年，CAISO運(yùn)營區(qū)域全年經(jīng)濟(jì)棄電26.6億kW·h、占全部棄電量的99.9%，自行棄電和調(diào)度限電合計(jì)0.02億kW·h、占全部棄電量0.01%。自2016年CAISO統(tǒng)計(jì)棄電情況以來，超過99%的棄電均為經(jīng)濟(jì)棄電。
CAISO根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行情況將棄電主要分為電力供應(yīng)過剩時(shí)全系統(tǒng)范圍內(nèi)進(jìn)行的調(diào)峰棄電和發(fā)生輸電阻塞時(shí)進(jìn)行的阻塞棄電。CAISO運(yùn)營區(qū)域燃?xì)鈾C(jī)組等靈活調(diào)節(jié)資源較多，但網(wǎng)架結(jié)構(gòu)薄弱且電網(wǎng)建設(shè)進(jìn)度較為滯后。因此，隨著新能源大規(guī)模發(fā)展，CAISO運(yùn)營區(qū)域由于發(fā)生輸電阻塞造成的阻塞棄電成為制約新能源消納的重要因素。2023年，CAISO運(yùn)營區(qū)域全年調(diào)峰棄電5.9億kW·h、占全部棄電量的22%，阻塞棄電20.7億kW·h、占全部棄電量78%。自2016年CAISO統(tǒng)計(jì)棄電情況以來，阻塞棄電占全部棄電的75%。近年來CAISO運(yùn)營區(qū)域新能源調(diào)峰棄電和阻塞棄電分析如圖2所示。
圖2 2016—2023年CAISO運(yùn)營區(qū)域新能源調(diào)峰棄電和阻塞棄電分析
Fig.2 Analysis of renewable energy peak load and congestion curtailment in the CAISO operating area from 2016 to 2023
1.1.3 CAISO運(yùn)營區(qū)域新能源棄電時(shí)間分布特性分析
CAISO運(yùn)營區(qū)域新能源棄電呈現(xiàn)“季節(jié)不均衡”特性，月度棄電主要集中在2—6月。CAISO運(yùn)營區(qū)域月度新能源棄電呈現(xiàn)“春夏高、秋冬低”的特征，2024年4月，新能源棄電量達(dá)到新高，其中，棄光電量為7.98億kW·h、棄光率27.7%；棄風(fēng)電量為0.42億kW·h、棄風(fēng)率0.9%。2022年1月—2024年5月CAISO運(yùn)營區(qū)域新能源逐月棄電量分析如圖3所示。
圖3 2022年1月—2024年5月CAISO運(yùn)營區(qū)域新能源逐月棄電量分析
Fig.3 Analysis of monthly curtailment of renewable energy in the CAISO operating area from January 2022 to May 2024
CAISO運(yùn)營區(qū)域新能源棄電呈現(xiàn)“時(shí)段不均衡”特性，日內(nèi)棄電主要集中在09:00—18:00時(shí)段。CAISO運(yùn)營區(qū)域日內(nèi)新能源棄電呈現(xiàn)“白天高、夜間低”的特征，白天光伏大發(fā)期間調(diào)峰棄電和阻塞棄電均大幅增加。今年以來，新能源日內(nèi)累計(jì)阻塞棄電量24.26億kW·h、占比94%，調(diào)峰棄電量1.66億kW·h、占比6%。今年以來CAISO運(yùn)營區(qū)域新能源日內(nèi)累計(jì)調(diào)峰棄電和阻塞棄電分析如圖4所示。
圖4 2024年1月1日—5月31日CAISO運(yùn)營區(qū)域新能源日內(nèi)累計(jì)調(diào)峰棄電和阻塞棄電分析
Fig.4 Analysis of the cumulative peak load and congestion curtailment of renewable energy in the CAISO operating area from January 1 to May 31, 2024
1.2 德國新能源消納及棄電剖析
從德國的棄電量及棄電率統(tǒng)計(jì)來看，德國棄電量及棄電率呈現(xiàn)上漲趨勢(shì)，但總體維持在良好的水平上。德國的棄電量主要統(tǒng)計(jì)的是調(diào)度限電量，并未將經(jīng)濟(jì)棄電以及自行棄電納入其中，因此棄電率數(shù)值較低，同時(shí)，德國對(duì)于棄電補(bǔ)償?shù)南拗疲偈沟聡臈夒娐室恢本S持在較低的水平。德國電網(wǎng)棄電的主要原因是電網(wǎng)阻塞，2022年，電網(wǎng)阻塞導(dǎo)致的新能源棄電占新能源發(fā)電量的3%，即97%的新能源發(fā)電都能夠被輸送和使用。造成新能源棄電的主要原因是風(fēng)電裝機(jī)量的增加，而這些新增的風(fēng)電裝機(jī)區(qū)域與重點(diǎn)需求區(qū)域與距離較遠(yuǎn)。2014—2022年德國新能源棄電量和棄電率情況如圖5所示。
圖5 2014—2022年德國新能源棄電量和棄電率分析
Fig.5 Analysis of Germany's renewable energy curtailment and curtailment rate from 2014 to 2022
1.3 國外新能源消納及棄電規(guī)律總結(jié)
基于對(duì)美國加州與德國的新能源消納及棄電剖析，總結(jié)有以下規(guī)律。
1）國外新能源占比較高國家均有不同程度棄電，隨著新能源占比不斷提高，棄電整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。對(duì)美國及德國棄電情況分析可見，近年間隨著新能源占比的提高，美國德國的棄電率呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。歐洲其他各國，如丹麥、英國在近些年隨著新能源的發(fā)展同樣呈現(xiàn)出較為明顯的棄電上升趨勢(shì)。因此，隨著新能源占比的提升，棄電上升是較為普遍的現(xiàn)象。
2）各國棄電情況存在的差異，是各類因素綜合作用的結(jié)果。各國棄電情況受電網(wǎng)堵塞、發(fā)電類型、地理位置不匹配、靈活調(diào)節(jié)資源、政策及管理規(guī)劃、棄電統(tǒng)計(jì)方法等多種因素影響。各國棄電的原因存在差異，棄電并非由單一因素引起。例如加州光伏發(fā)電中集中式光伏占比較大，相較于分布式占比較大的德國，加州的光伏棄電率明顯較高。而德國政策中對(duì)棄電的補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)，一定程度降低了德國的棄電率。因此，應(yīng)更加理性客觀地看待各國間棄電率的差異。
3）在成熟的市場(chǎng)機(jī)制下，新能源主要通過市場(chǎng)消納，市場(chǎng)行為的經(jīng)濟(jì)棄電占總棄電量的比例較高。在成熟的可再生能源交易市場(chǎng)中，市場(chǎng)主體的觀念發(fā)生了轉(zhuǎn)變，為應(yīng)對(duì)市場(chǎng)變化，市場(chǎng)主體通常會(huì)選擇主動(dòng)棄電。而對(duì)于歐洲統(tǒng)計(jì)的調(diào)度棄電，則主要是由于電網(wǎng)阻塞造成的。
2 中國新能源消納歷程及“十四五”新能源消納面臨的新形勢(shì)
2019年以來，中國新能源年均增長超過1億kW，利用率連續(xù)持續(xù)保持在95%以上，取得顯著成效?？偟膩砜矗袊?wù)新能源發(fā)展和消納成績的取得，離不開政府、電源、電網(wǎng)各方的共同努力。在基本面方面，近年來全社會(huì)用電量年均增長保持較好水平，負(fù)荷超預(yù)期增長，為新能源發(fā)展和消納提供了基本支撐。在政策方面，國家能源主管部門采取了新能源監(jiān)測(cè)預(yù)警制度，通過行政手段及時(shí)遏制盲目發(fā)展的勢(shì)頭，并逐月發(fā)布新能源消納情況，保障了行業(yè)健康發(fā)展。在管理方面，逐年制定工作方案，保障新能源“應(yīng)并盡并、多發(fā)滿發(fā)”，累計(jì)建成多項(xiàng)特高壓輸電工程，多措并舉、綜合施策，千方百計(jì)服務(wù)新能源消納。
“十四五”是推動(dòng)中國能源綠色低碳轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵期，隨著新能源更大規(guī)模、更高比例、更廣范圍接入，新能源發(fā)展和消納面臨新的形勢(shì)。一方面，新能源監(jiān)測(cè)預(yù)警機(jī)制和合理利用率目標(biāo)有待完善。由于當(dāng)前未明確分省發(fā)展規(guī)模以及新能源合理利用率目標(biāo)，造成各地新能源發(fā)展存在“跑馬圈地”現(xiàn)象，新能源開發(fā)過于側(cè)重總量指標(biāo)，對(duì)電網(wǎng)承載能力、消納能力、通道送出能力等缺少統(tǒng)籌考量，“十四五”期間，中國局部地區(qū)新能源消納矛盾將進(jìn)一步顯現(xiàn)。另一方面，新能源參與電力市場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)性考量將成為影響消納的新挑戰(zhàn)。隨著新能源逐步參與電力市場(chǎng)，由保障性消納向市場(chǎng)化消納轉(zhuǎn)變，項(xiàng)目業(yè)主出于發(fā)電經(jīng)濟(jì)性考量會(huì)主動(dòng)采取一定的棄電措施，經(jīng)濟(jì)棄電將持續(xù)增加，對(duì)電力系統(tǒng)高水平消納新能源帶來新的挑戰(zhàn)。
3 市場(chǎng)化消納形勢(shì)下利用率對(duì)新能源盈利能力影響分析
在未來新能源大規(guī)模發(fā)展的趨勢(shì)下，考慮電網(wǎng)承載能力有限，新能源棄電將成為常態(tài)。因此，有必要從新能源項(xiàng)目本體的角度出發(fā)，面向新能源全面入市的發(fā)展形勢(shì)，研究消納問題對(duì)新能源可持續(xù)發(fā)展的影響。
3.1 中國新能源市場(chǎng)化消納進(jìn)展
中國新能源消納以保障性收購和參與電力市場(chǎng)相結(jié)合方式為主，但參與電力市場(chǎng)的范圍、類型、比例都在迅速擴(kuò)大。
參與范圍上，除河南、上海等個(gè)別省市執(zhí)行全額保障性收購?fù)?，其余省市或地區(qū)均在保障性收購的基礎(chǔ)上開展了新能源市場(chǎng)化交易，市場(chǎng)化交易地區(qū)超過90%。
參與類型上，主要包括最低保障收購小時(shí)數(shù)外的電量參與電力市場(chǎng)（遼寧、黑龍江、蒙東、新疆、四川）；固定比例參與市場(chǎng)（山東、河北、湖北、江西）；省內(nèi)優(yōu)購電量匹配新能源優(yōu)發(fā)電量，其余電量參與市場(chǎng)（山西、陜西、寧夏、甘肅）；除扶貧、特許經(jīng)營項(xiàng)目外全部進(jìn)入市場(chǎng)（青海、湖南、福建）。交易方式包括電力直接交易、發(fā)電權(quán)交易、現(xiàn)貨交易等。
參與比例上，2024年上半年，國家電網(wǎng)經(jīng)營區(qū)新能源市場(chǎng)交易電量3619億kW·h，占新能源上網(wǎng)電量的54%，其中省間交易電量1063億kW·h，同比增長34%，省內(nèi)交易電量2556億kW·h。
3.2 利用率對(duì)新能源盈利能力影響典型案例分析
《加快建設(shè)全國統(tǒng)一電力市場(chǎng)體系的指導(dǎo)意見》（發(fā)改體改〔2022〕118號(hào)）明確到2030年，新能源全面參與市場(chǎng)交易。為實(shí)現(xiàn)新能源行業(yè)可持續(xù)發(fā)展，需要統(tǒng)籌市場(chǎng)環(huán)境下新能源利用率與盈利能力之間的關(guān)系。
1）新能源發(fā)電成本下降與技術(shù)進(jìn)步提升了項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性，但仍需守住利用率底線。
存量項(xiàng)目利用率仍需保持較高水平，以甘肅為例，從2021年投運(yùn)的平價(jià)項(xiàng)目來看，若滿足7%的內(nèi)部收益率，風(fēng)電項(xiàng)目利用率需達(dá)到91.4%，光伏發(fā)電項(xiàng)目利用率需達(dá)到93.3%。增量項(xiàng)目利用率雖有下降空間，但受市場(chǎng)化交易價(jià)格影響，仍需保持合理水平。以甘肅為例，若滿足7%的內(nèi)部收益率，以甘肅風(fēng)電市場(chǎng)化交易平均價(jià)格0.222元/(kW·h)計(jì)算，風(fēng)電項(xiàng)目可承受的利用率水平為74.8%；以光伏發(fā)電市場(chǎng)化交易平均價(jià)格0.188元/(kW·h)計(jì)算，光伏發(fā)電項(xiàng)目利用率水平需達(dá)到99.3%，若光伏發(fā)電市場(chǎng)化平均交易價(jià)格達(dá)到風(fēng)電水平，利用率可承受水平將下降至84.2%。甘肅陸上風(fēng)電利用率水平與投資收益率之間的關(guān)系如圖6所示，增量光伏發(fā)電利用率水平與投資收益率之間的關(guān)系如圖7所示。
圖6 甘肅陸上風(fēng)電利用率水平與投資收益率之間的關(guān)系
Fig.6 Relationship between onshore wind power utilization rate and investment return rate in Gansu
圖7 甘肅增量光伏發(fā)電利用率水平與投資收益率之間的關(guān)系
Fig.7 Relationship between the utilization rate and investment return rate of incremental photovoltaic power generation in Gansu
2）新能源全面參與電力市場(chǎng)，經(jīng)濟(jì)性棄電與新能源自發(fā)棄電將與國外基本規(guī)律趨于一致。
一方面，高比例新能源電力系統(tǒng)，部分時(shí)段新能源將成為市場(chǎng)出清的邊際機(jī)組，為提升自身盈利水平新能源將盡可能貼近真實(shí)成本和功率預(yù)測(cè)報(bào)量報(bào)價(jià)。從綜合成本最低的原則出發(fā)，當(dāng)市場(chǎng)供應(yīng)過剩，未出清的新能源將產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)性棄電。另一方面，當(dāng)新能源具備超發(fā)、預(yù)計(jì)出現(xiàn)負(fù)電價(jià)或輔助服務(wù)等分?jǐn)偝杀靖哂诎l(fā)電收益時(shí)，新能源可根據(jù)偏差損益以及考核等情況選擇自行棄電。遵循市場(chǎng)客觀規(guī)律，基于電力供需的經(jīng)濟(jì)性棄電和新能源主體自發(fā)棄電將成為高比例新能源電力市場(chǎng)常態(tài)。
4 結(jié)論
本文總結(jié)國外實(shí)踐的新能源市場(chǎng)化消納的一般規(guī)律，結(jié)合中國新能源消納歷程與“十四五”新能源消納面臨的形勢(shì)，測(cè)算了利用率對(duì)新能源項(xiàng)目盈利能力的影響，進(jìn)而提出以下建議。
1）堅(jiān)持“量率一體、保量穩(wěn)率”，保障新能源高質(zhì)量發(fā)展。加強(qiáng)新能源發(fā)展全局統(tǒng)籌，在推動(dòng)新能源持續(xù)規(guī)?；l(fā)展的同時(shí)，統(tǒng)籌兼顧可能帶來的局部地區(qū)新能源利用率快速下降問題，合理控制新能源發(fā)展節(jié)奏，優(yōu)化新能源開發(fā)布局，保障新能源利用率保持在合理水平，為新能源持續(xù)健康發(fā)展保駕護(hù)航。
2）盡快分省明確合理利用率目標(biāo)，引導(dǎo)新能源科學(xué)有序發(fā)展。在明確全國整體利用率目標(biāo)的基礎(chǔ)上，根據(jù)各省資源稟賦和發(fā)展實(shí)際，以提升新能源發(fā)電量占比為導(dǎo)向，差異化設(shè)置各省利用率目標(biāo)。根據(jù)各省新能源發(fā)展實(shí)際，定期滾動(dòng)測(cè)算并發(fā)布各省預(yù)期利用率，科學(xué)引導(dǎo)新能源發(fā)電企業(yè)投資，避免資源浪費(fèi)。
3）強(qiáng)化各類電源統(tǒng)籌規(guī)劃，持續(xù)增強(qiáng)電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力。在大力發(fā)展新能源的同時(shí)，科學(xué)發(fā)展先進(jìn)清潔煤電等常規(guī)電源，提高“十四五”中后期電力有效供應(yīng)能力。加快煤電靈活性改造，加大抽水蓄能電站建設(shè)力度，推廣應(yīng)用大規(guī)模儲(chǔ)能，持續(xù)增強(qiáng)電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力。
4）出臺(tái)新能源棄電統(tǒng)計(jì)細(xì)則，完善新能源棄電統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。落實(shí)《風(fēng)電場(chǎng)利用率監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)管理辦法》《光伏電站消納監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)管理辦法》中提出的因電站市場(chǎng)化交易決策不當(dāng)導(dǎo)致未能發(fā)出的電量，不納入因系統(tǒng)原因受限電量統(tǒng)計(jì)、《關(guān)于加快建設(shè)全國統(tǒng)一電力市場(chǎng)體系的指導(dǎo)意見》中對(duì)報(bào)價(jià)未中標(biāo)電量不納入棄風(fēng)棄光電量考核等要求，細(xì)化棄電類型，電力市場(chǎng)環(huán)境下新能源未中標(biāo)電量或者主動(dòng)參與系統(tǒng)調(diào)節(jié)降低出力，視為“經(jīng)濟(jì)棄電”，不納入棄電統(tǒng)計(jì)。修訂完善棄電統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，加快制定新能源棄電統(tǒng)計(jì)執(zhí)行細(xì)則。
5）持續(xù)加強(qiáng)電網(wǎng)互聯(lián)互通，夯實(shí)電力供應(yīng)安全基礎(chǔ)。加快推進(jìn)特高壓輸電工程建設(shè)，優(yōu)化電力流向，緩解區(qū)域性電力供需矛盾，保障新能源發(fā)電高峰時(shí)段的輸送能力。加大電網(wǎng)升級(jí)改造投資力度，完善電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，推動(dòng)電力供應(yīng)鏈的全方位優(yōu)化，夯實(shí)電力安全供應(yīng)的基礎(chǔ)。
