中國的風電產業(yè)在過去的10 年經歷了快速的發(fā)展。從2005 年《可再生能源法》實施起，風電裝機從100 萬千瓦的水平，連續(xù)5 年翻番式增長，到2010 年接近3000 萬千瓦，之后4 年以年均1500 萬以上的速度增長，到2015 年3 月，并網裝機突破了1 億千瓦。目前，超過8000 萬千瓦機組已經核準或者在建。

　　與此同時，隨著風電并網規(guī)模的擴大，2010 年后風電的棄風問題日益顯著。相對于風電的設計負荷率水平，風電的實際運行小時數往往要低5% － 20%，嚴重影響項目的經濟性與整個風電產業(yè)的發(fā)展質量。按照國家能源局的統(tǒng)計口徑，2012 年平均棄風率17%，2013 年下降為11%，2014 年在全國來風情況普遍偏小的背景下，平均利用小時數1893小時，棄風率8%。在一些風電裝機集中的地區(qū)，比如遼寧、內蒙、甘肅等地，利用小時數比理論水平更低，棄風率總體上仍舊超過20%。這使得中國雖然在裝機容量上在2013 年就已經居于世界第一位，但是從發(fā)電量來看，仍舊比美國低10% 以上。

　　盡管發(fā)展迅速，但是風電在中國龐大電力系統(tǒng)中的份額仍舊顯得微小，僅占目前總裝機的7%，發(fā)電量不到3%。主要OECD 國家的風電發(fā)展與運行經驗表明，在20% 發(fā)電份額以內，風電并網帶給系統(tǒng)的技術挑戰(zhàn)不是不可逾越的，成本的增加也是可管理的。但是這一基本的結論顯然與中國的現實不一致。中國的電力系統(tǒng)與結構有其自身的特點，煤電為主，靈活機組不足，仍舊是一個高度管制的系統(tǒng)，并且作為一個大國，其內部高度非均一性的特點使得風電的分布顯著地集中在某些地區(qū)。這些特點都構成相比OECD 國家在風電消納方面的劣勢。但是，在3% 的風電比例下出現約10% 的棄風，以上的這些原因是否能夠足夠解釋這一棄風的程度仍舊是一個未知的問題。

　　本文即從電力系統(tǒng)運行的角度研究風電接入潛力的問題。以京津塘電網為例，通過引入電源靈活系數，測算系統(tǒng)運行靈活度的需求與供應約束下的風電接入潛力。這一靈活系數以一種簡化的形式，衡量系統(tǒng)運行中周期運行、輔助服務、負荷跟蹤等運行靈活性（運行備用）需求。相比風電進入系統(tǒng)的可能的低谷 /高峰調峰的約束（規(guī)劃備用），電源靈活系數約束的要求往往更高。它的確定，可以來源于更高分辨率的系統(tǒng)生產模擬，以及對某種電源技術特性的分析。

　　國內外研究現狀

　　嚴重的棄風限電問題備受政府、學界、工業(yè)界與公眾關心。如何理解棄風的原因關系到可能的解決方案的具體形式。對于如何解釋棄風的原因，諸多文獻從不同的角度給出了分析，并提出了相應的解決方案。典型的棄風原因的解釋有以下幾個方面：

　　一、電力系統(tǒng)的靈活性不夠。簡而言之，電力系統(tǒng)的靈活性可以表述為系統(tǒng)面臨各種波動繼續(xù)保持供需平衡的能力，其中電網系統(tǒng)向上調節(jié)與向下調節(jié)的能力與速率是關鍵。Pei et al. （2015）從這一視角對風電豐富的幾個地區(qū)進行了討論。 Li et al.（2015）從技術角度對減少棄風的措施進行了探討。

　　二、電網風電發(fā)展不協(xié)調。其提供的解決方案是將電源與電網納入統(tǒng)一規(guī)劃，確保二者的協(xié)調發(fā)展。 Yang et al.（2012）、 He et al.（2013）主要是從這一視角進行了討論。

　　三、火電與風電的利益分割。這種視角多見于國內媒體的觀察，“統(tǒng)籌二者的利益”自然是其解決方案。應該講，這種視角是比較具有誤導性的。它轉移了話題，跳過“做蛋糕”的系統(tǒng)最優(yōu)化問題（回答怎么樣的風電棄風是最優(yōu)的），直接解讀為“分蛋糕”的分配問題（這個當然也是重要的，但是無疑是第二位的），將追求效率為基本價值目標的經濟議題，變成了一個充滿妥協(xié)意味的政治議題。

　　四、體制機制的動態(tài)角度。比如缺乏競爭機制，風電事實上在系統(tǒng)運行中在一定程度上給火電讓路。部分研究從風電系統(tǒng)成本分攤角度提及了對電網的激勵不足，從價格機制角度提及了對電力系統(tǒng)靈活機組的建設激勵不足等，這包括 Pei et al. （2015）, Zhao et al. （2012），Kahrl et al.（2011）等。

　　這些視角與分析都可以在一定程度上解釋棄風的原因，提出的解決方案在一定范圍內可能也是有效的。但是，有三個問題仍舊是無法解決的。

　　第一，其關注的時間尺度可能有所不同。比如將風電棄風的原因歸結于風電發(fā)展過快，而電網跟不上，比如二者建設周期不同的視角，是個典型的短期與項目級的視角。事實上，一個典型的風電項目可行性研究報告，其中重要不可或缺的章節(jié)就是電網接入方案。項目的電網接入設計，本來就是項目邊界內的一部分，二者是“項目與電網統(tǒng)一規(guī)劃”的。但是超越了項目層面，所謂“缺乏協(xié)調”的說法就更像是對存在問題的另一種表述，而不構成對原因的分析，其解決方案、統(tǒng)一規(guī)劃也缺乏相應的方法論。這種歸因，也容易混淆哪個是目標，哪個是條件，有哪些物理、環(huán)境、經濟約束是起作用的，而哪些是需要改變的。風電的發(fā)展如果是目標，那么其他的基礎條件，包括電網基礎設施在內，都是需要提升以滿足風電發(fā)展的途徑。風電的目標確定，往往基于的是更廣的能源、經濟與環(huán)境系統(tǒng)的發(fā)展要求，比如節(jié)能減排目標、新興產業(yè)發(fā)展等等。條件提升的過程中可能會遇到可行性的障礙，比如短期內的投資缺口、工期問題等，但是這不存在不能改善的絕對性“邊界”。

　　第二，棄風解決方案的提出缺乏顯現的價值標準。技術上，有很多的供應與需求側的措施可以減少棄風的發(fā)生（比如 Lund et al. （2015）的綜述）。一般而言，只要投入足夠，棄風問題肯定能解決。比如造一個足夠大的電力系統(tǒng)，本地有消納不了的情況，就通過外送解決，每個風場配一個巨大的儲能系統(tǒng)等等。衡量棄風的解決方案，不能停留在“有效”的階段，而是基于更明確的價值標準，比如哪種方式成本更低，長期更有利于可持續(xù)發(fā)展的標準去判斷。

　　第三，原因能否足夠解釋棄風的程度仍舊是未知的。技術上電力系統(tǒng)的靈活性不夠是風電棄風的原因，但是由于棄風程度在一個連續(xù)的區(qū)間上，這些因素能否完整解釋棄風的發(fā)生仍舊是需要探討的。是否還有其他的原因導致了棄風？維持目前的電網系統(tǒng)不變，棄風是否存在可以改善的空間？這些都是值得進一步探討的問題。

　　這些觀點由于視角不同，關注的時間尺度不同，是不能加總來解釋棄風的總體原因的。理解棄風的原因需要定量的分析以解決連續(xù)區(qū)間的問題。文獻中存在基于電力系統(tǒng)結構與需求特性的系統(tǒng)仿真研究，特別是一些基于現有電網結構的“消納能力”研究，比如謝國輝等（ 2014）、王新雷等（2014）。也有基于特定典型電網平衡困難時期（比如低谷調峰等）等約束下風電的潛力研究，比如白建華等（ 2010）、劉德偉等（ 2011）。這些研究通常是靜態(tài)的，因為考慮的時間尺度小（通常是逐小時，甚至 15分鐘級別），可以看做是一種系統(tǒng)仿真，對中長期的動態(tài)變化（比如電源結構變化問題）是不涉及的。王新雷等（ 2014）對京津塘電網的風電接入能力，從系統(tǒng)調峰容量平衡的角度，對多個典型日逐小時進行了模擬測算。研究顯示，在冬季供熱期，低谷需求時段（全年的約30%），大多存在調峰容量不足的問題，全年棄風電量比例為11%。但是作者的這一結果對火電的調峰潛力設定為容量的50%，并且不允許出現“啟停調峰”（這是市場競價情況下的普遍現象，煤電本身也不存在技術障礙）。模擬的結果對這些前提設定異常敏感，而這些前提的穩(wěn)定性在一般意義上并不是一定的。

　　而更大時間尺度與動態(tài)的風電在電力系統(tǒng)中的角色研究，已經屬于規(guī)劃問題（比如從一年到幾年）或者政策評估問題（從幾年到十幾年、幾十年）。過去，這些問題的方法論通常并不考慮供應的波動性（有些需求的波動性也不考慮，比如大尺度的綜合評估模型IAM）。由于這種波動通常意味著額外的成本（這個程度從已有研究看，跟發(fā)電成本往往在一個量級，見Ueckerdt（2013）），在風電、太陽能和光伏大發(fā)展以及未來需要更多（甚至出現純可再生能源系統(tǒng)）的背景下，不考慮波動性因素已經無法滿足模擬的要求。在大尺度的能源電力模型中，嵌入對更小時間尺度（通常是小時級的，因為風電在這個級別的波動最大）波動性的考慮，是一個研究與模型開發(fā)的熱點。張樹偉（2015）、Ueckerdt（2015）、Blanford （2014）等是基于統(tǒng)計意義上的年8760 小時出力曲線，考慮風電出力波動性的典型工作。

　　電源靈活系數的引入

　　電源靈活系數的引入，來源于Sullivan（2013）對Message － Macro 模型中對可再生能源行為添加的新的約束形式。它以一種簡化的形式，通過定義一個位于[?1,1] 區(qū)間的系數，衡量系統(tǒng)運行中周期運行、輔助服務、負荷跟蹤等運行靈活性（運行備用）特點。不同的機組具有不同的系數，表征其不同的靈活程度。系數的具體取值可以通過更高分辨率的生產模擬獲得，這些結果具有一定的相似性。其中，需求與可再生能源由于波動性存在預測誤差，其系數為負，代表著靈活性的需求。其他機組可以提供不同程度向上或者向下的調節(jié)，并且具有不同的調節(jié)速率與可靠性，其系數位于[0,1] 之間，天然氣機組的系數可以預見地將比煤電要大，而抽水蓄能具有雙向的靈活調節(jié)能力，系數最大為1。

　　電力系統(tǒng)要安全穩(wěn)定運行，必須滿足這一靈活性的平衡。用公式表示即是：

　　其中，為可調節(jié)發(fā)電類型的發(fā)電，區(qū)分不同負荷位置；為靈活性系數。

　　這里，我們以京津塘電網的全年逐小時出力負荷曲線（2012 年）為例，根據其峰荷、腰荷與基荷的比例與形狀，確定各種電源的靈活系數。

　　數據與結果

　　2012 年底京津塘地區(qū)最大負荷約4800 萬千瓦，總裝機規(guī)模5600 萬千瓦，風電約672 萬千瓦，其中主要在冀北634 萬千瓦。冀北風電主要集中在張家口和承德地區(qū)，張家口地區(qū)風電裝機容量約465 萬千瓦；承德地區(qū)風電裝機容量約165 萬千瓦，其棄風限電情況較為嚴重，2013 年之后有日益嚴重的趨勢，2014 年屬于全國棄風最嚴重的地區(qū)，棄風率超過20%。

　　圖 2給出了 8760小時的負荷曲線以及持續(xù)負荷曲線。從圖 2可以看出，京津塘地區(qū)峰谷差約 50%，基荷 2500萬千瓦左右，峰荷 800萬千瓦（ 1500小時以內），中間部分是腰荷。根據 Ueckerdt（2011）類似的方法，確定負荷與各種電源的靈活系數，如圖 2 所示。考慮到京津塘氣電多帶有供熱功能，并且以供熱為主，其靈活性較常規(guī)天然氣機組略低。

　　根據靈活度平衡，與各種電源的靈活系數（如圖 3），計算系統(tǒng)保持平衡的最大風電發(fā)電量份額，大約在 350億千瓦時，是當前風力發(fā)電量的 3.5倍左右。從這個角度講，京津塘電網從系統(tǒng)靈活性出發(fā)，仍舊具有電網完全不改造就接納目前裝機 3倍以上風電的能力，也就是 2000萬千瓦，其發(fā)電量超過當年總發(fā)電量（約 3300億千瓦時）的 10%。

　　討論與分析

　　通過以上的核算，基本可以認為，京津塘地區(qū)出現的棄風限電，無法用電網相關的技術原因去足夠解釋 20%以上的棄風。那么，這種嚴重的棄風現象該如何解釋？

　　2012年火電利用小時數 5600小時以上， 2013年 5500小時揭示了部分原因。在起作用的短期電力市場中，風電可以以邊際成本低的優(yōu)勢，以零報價上網，在壓低市場價格的同時，獲得市場份額，優(yōu)先滿足或低或高的電力需求。風電對傳統(tǒng)電源的擠壓，是其技術特點與電力市場設計所決定的。同時，成本低（指的是可變成本，固定部分已經沉沒，不體現在決策之中）的排序優(yōu)先是有效率的市場建設的要求。

　　而我國顯然缺乏這樣的市場基礎設施，調度體系中仍然維持的所有機組“平均上網小時數”的政策，并且省級政府具有巨大的自由量裁權。否則，由于已有風電的有效競爭，火電的利用率根本無法達到超過 60%的水平。

　　如果改變調度規(guī)則，火電機組的市場份額將受到進一步壓縮，甚至有些省份在某些時段會成為一個純可再生能源電力供應系統(tǒng)，火電完全“淪為”備用。應該講，這是全局有效率的選擇，是基于本地資源稟賦、技術特點以及社會經濟形態(tài)下的“最優(yōu)”的電源結構的反映，無疑是一個需要努力的方向。這是機制安排問題，不是風電與傳統(tǒng)電源間的所謂利益“分餅”游戲。從這個角度講，建立電力市場，是解決風電棄風問題的重要一環(huán)。

　　市場如果建立，風電本身與電網接入成本之外的系統(tǒng)相關成本，包括特性成本與平衡成本，可以通過專門的輔助服務市場顯示其構成與變動。在起作用的電力市場中，這種成本自然會顯現并有相應的承擔主體。比如由于風電出力的時候市場價格低，而風電不出力的時候市場價格高，那么平均來看，風電的單位發(fā)電收益水平就比不上具有靈活調節(jié)性能的天然氣；風電出力預測有誤差，其業(yè)主就必然需要在平衡市場購買相應的平衡服務，以實現自己在日前市場的發(fā)電承諾；系統(tǒng)需要為大規(guī)模的風電出力波動提供更高水平的旋轉備用等資源，這一系統(tǒng)服務也必然會以某種形式（比如分攤到輸配成本、風電自身承擔、調度收費）得以在一定主體范圍內消化。

　　當然，必須指出的是，京津塘內部可能存在進一步的非均一性問題（比如個別地區(qū)傳輸容量受限），影響風電在網內的消納與自由流動，會在一定程度上限制風電的接入潛力。這種更小地理尺度的問題需要一個更高分辨率、具體案例級的分析或者仿真，以確定電網進一步發(fā)展建設，特別是增強配電網能力的政策措施。本文的主要貢獻在于提供一個較大時間與地理尺度下的分析視角與方法。

　　結語

　　本文通過引入電源靈活系數，表征電力系統(tǒng)運行備用調節(jié)供需平衡的能力，對京津塘電網在此靈活性約束下的消納能力，以 2012年的負荷出力曲線為例，進行了測算。結果表明京津塘電網在電網完全不改造情況下，可以接納 2012年裝機 3倍以上風電的能力，也就是 2000萬千瓦，其發(fā)電量超過當年總發(fā)電量（約 3300億千瓦時）的 10%。棄風出現的原因主要在于缺乏市場競爭機制，導致風電無法在短期現貨市場對火電形成有效的競爭份額擠壓。從這個角度講，建立電力市場，是解決風電棄風問題的關鍵所在。

　　來源：《風能》2015年第11期；

　　作者：張樹偉（卓爾德環(huán)境研究中心、中國人民大學經濟學院能源經濟系）；秦旭映（清華大學核能與新能源技術研究院）