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从电力调度视角看拉闸限电

北极星智能电网在线  来源:能源杂志  作者:张树伟  2020/12/21 16:24:01  我要投稿  

北极星智能电网在线讯:编者按:本文详细描述了我国调度调度规则的范式,可以为理解目前的拉闸限电提供一个视角。有一种很大的可能,目前的拉闸是调度“省事”原则下的行为。

(能源杂志 ID:energymagazine 文:张树伟)

今年早些时候,政府机构发布了关于《中华人民共和国能源法(征求意见稿)》公开征求意见的公告。该法律草案提到:要建立节能低碳电力调度运行制度。相比于目前模糊的“自由量裁调度”,这一标准的建立无疑具有减少调度自由量裁权,稳定各种电源预期的积极作用。但是,节能低碳的标准,仍旧是非经济标准(noneconomicstandard),完全不同于欧美一般电力系统采用的经济调度(economicdispatch)原则。

2020年7月,刚刚赢得大选的美国民主党总统候选人拜登接受公开采访,炮轰目前的股东资本主义——追求股东利益最大化。他说“企业不仅对股东有责任,同时也需要对工人、对社区与对国家负责”,企业需要从股东的企业变成各个利益相关者的企业。这在第一眼看上去是很有吸引力的,也的确在西方社会拥有数量不少的拥趸,当然也遭到了很多关于企业目标以及企业充当政府角色(既不专业也缺乏激励)方面的反对,来自于凯恩斯学者曼昆以及芝加哥学派等人。

笔者无意在这方面做更多的讨论,这已经大大超出了本文的范围。但是类似的,可能有的读者(以及上述法律草案展示出来的倾向)会有疑问:调度原则为什么要基于经济原则,并且是唯一原则?可再生能源优先难道不对吗?可再生能源发展难道不重要吗?通过调度原则作为可再生能源发展的工具,为啥不可以?非经济调度会产生哪些意想不到的后果呢?

本期专栏我们讨论这一问题。我国的调度范式,是粗尺度的一种方便性原则(这么安排——“省事”),导致了诸多的经济损失,也就是系统资源的浪费。我们倾向于证明:想象中的非经济调度调度原则即使是明确的(相比目前的模糊标准),也会产生诸多意想不到的后果,特别是涉及消费者福利与责任方面。

这是我国电力体制改革能否进一步深化的“命门”。

推行“经济调度”的动机

美国是观察各种电力市场设计与问题的好窗口。因为它有50个州,7个联系日益紧密的自由竞争市场,而中部与南部还有很多仍旧厂网一体的管制电力系统。但是,无论是市场体系,还是成本为基础的管制体系,其调度准则——不同机组的市场份额决定机制,无疑都是采用“经济调度原则”。也就是不断趋近“让此时此地此景下成本更低最低的电源来满足相应电力需求”的目标。

历史上,关于为何采用这一标准也曾出现过各种讨论。比如,这种标准下,天然气单循环(能源效率较低)往往比能源效率更高的联合循环更受投资欢迎。这是否意味着曾长期稀缺的天然气(时过境迁,现在天然气过剩了)被浪费?

在管制体系下,这一排序是通过调度对不同机组的边际成本与物理约束的信息掌握实现的。在市场体系下,经济调度是通过分散式的报价,基于报价排序(merit-order)实现的;但是无论如何,这是个便宜还是贵的单一标准经济问题。

我国历史上的“类经济调度”实践

历史上,我国也出现过非自由量裁型、而比较明确的调度标准。比如以煤耗量最小,或者燃料费用最低为标准。由于燃料成本往往是边际成本的绝大部分,甚至是全部。那么这种原则,就是“类经济调度”。

在上世纪90年代之后,我们也短暂地出现过考虑上网电价的发电计划安排,使得购电费用最小。但是,在省级标杆电价出现后,所有电厂变成一个价,那么这种方案也就无效了。电网买哪个电厂的电,都几乎没有区别。后来的一系列变化表明:省级标杆电价这种完全隔绝了电厂风险,而使得经济调度完全不可行的定价体系,带来了一系列的系统运行与投资过度激励等严重后果。

节能低碳属于非经济调度原则

这种说法,其实在我国很多年前就出现了,只不过没有大范围推行。2007年,国务院发文,推行节能发电调度办法。其机组的排序原则如下:

无调节能力的风能、太阳能、海洋能、水能等可再生能源发电机组;

有调节能力的水能、生物质能、地热能等可再生能源发电机组和满足环保要求的垃圾发电机组;

核能发电机组;

按“以热定电”方式运行的燃煤热电联产机组,余热、余气、余压、煤矸石、洗中煤、煤层气等资源综合利用发电机组;

天然气、煤气化发电机组;

其他燃煤发电机组,包括未带热负荷的热电联产机组;

燃油发电机组。

这一原则与经济调度并不一致,特别是涉及燃煤与燃气机组的问题上。在我国天然气价格还明显高于煤炭的情况下,相当于给燃煤机组加了一个足够高的固定碳税。

后来,这一原则经过少数试点,不知道因为何种原因,不了了之。

非经济调度原则意想不到的后果

由于是非经济调度原则,它的参照系是机组一旦建成之后就几乎无法改变的物理量。在实际中大部分时候是一成不变的排序结果。所以在市场中,它不存在对市场主体的经济激励——不断降低运行成本,从而获得更大市场份额。根据这种标准,天然气机组发电将永远比煤电优先。这一排序将与能源市场的动态毫无关系,即使天然气价格上升到如何夸张的程度。这无疑是对天然气发电——本来只工作在峰荷——的过度激励,损害消费者福利,造成天然气浪费与安全问题。

从投资视角,这一原则也完全不对应系统成本最小化的原则。天然气发电机组将永远比煤电优先,更像是基荷发电。这种平均成本的高昂消化传导,在管制体系中意味着消费者负担的增加。在市场体系下不得而知,因为市场体系往往各个电源是“统一市场”的,这种情况下,市场如何定价都成为了一个问题。

我们生活在一个经济原则的世界中。相比非经济标准的不可比较,比如到底污染物排放减少10%相当于技术先进几年,还是相当于几克煤耗的价值,经济原则是可以比较的(钱是没有差别的)。追求经济原则,这也是长期消费者的福利。

当然,不仅仅是经济目标是重要的,安全、环保也是重要的。但是解决他们的“合理”方式,通常是通过额外政策(税、费、补贴)去改变经济要素,通过经济竞争力发挥影响,而不是去割裂本该统一的市场,比如电力市场。市场的基本功能是提供反映供需的价格信号,它不具有解决环境问题的功能。

长距离割裂市场外送的可再生电力不再“可再生”

这句话可能有些拗口。但是它需要说明的是:这种长距离割裂市场的外送,存在着可观的输电成本,其边际成本不再为零,因此已经不具有边际成本为零的可再生能源的基本特征。在经济调度体系中,将不再也不应该拥有事实上的优先地位。

那么,根据电力来源划成分,优先调度这类“伪可再生”,客观上是拉动了西部地区的可再生能源发展啊,为什么不可以呢?

除了我们以前多次提及的评价标准不能跟零比,而是需要问“同样的投资在其他地区是否收益更大”之外,这样的优先安排,跟市场的核心行为引导信号——价格将变得毫无关联。价格体系可能不再平衡——比如山东现货试点市场展示的那样。

更为严重的是:这将潜在地扭曲市场价格信号促进市场平衡的功能,甚至可能在部分时刻危及系统的平衡能力与安全。比如在夜晚负荷极低的情况下,本地电价甚至已经降为接近零,以最大程度的将高边际成本机组排除在外。

本地其他低成本机组已经无法降低,这个时候如果外来电还呼呼地以其模糊“出身身份”理由猛灌,那么系统的平衡将是极其困难的。

调度原则为何不能是发展可再生能源的工具?

大幅度地提升可再生能源,特别是风电与光伏的发展规模与节奏无疑是实现气候目标所必须的。但是,好的目标并不意味着可以不择手段。对于已经建设的可再生能源,不管是受补贴激励也好,还是个人兴趣也好,其投资成本已经沉没,其在经济调度原则下也会优先,这自然不需要反复加码的“照顾”。再次强调它优先,就有点口惠而实不至的意思了。这本来就是风电与光伏应得的,不属于额外的照顾。

但是,节能低碳调度准则之下,有很多经济性不好的就要搭“便车”了。所谓优先次序之外安排(outof-merit-order)的情况会越来越多。比如我们反复提到的给上网的电力(已经无法区分是煤电还是可再生)“划成分”的问题。这种割裂市场的做法,往往也会导致很多意想不到的后果。

典型地,在我国这种情况下,就是大量的可再生能源电源布局在了完全缺乏有效需求(意味着价值很低)的西部地区,这属于一种产业与容量布局上的扭曲,潜在地埋下了亏损与利用率不足的风险——根本没有省份要。

通过波动性的电源与煤电打捆,僵直地送到东部,充当基荷,就更加实现不了发展可再生能源的初衷了。发展可再生能源是手段(means),其目的初心是气候减排。

一度这样的网电,按照40%可再生+60%煤电,体现在政府的“一体化”文件征求意见中,其潜在的碳含量可能仍旧在600gCO₂/kWh之上。考虑到电力输送的损耗(5%左右),东部为了安全要求(比如N-1)安排的备用,东部机组深调带来的效率下降——超临界机组降到50%出力就是亚临界的效率了,这种可再生能源发展方式是否真正能够带来减排都需要打个问号。需要更高分辨率的模拟仿真与考虑各种因素来详细回答。

加装储能:调度“摊派”的荒唐

如之前文章反复提及的,我国缺乏经济调度,调度实际执行的是方便性原则(convenienceprinciple),追求各个机组的稳定出力与可控。除此之外,泛滥的层层摊派思维,不管如何实现,就管实现与否的操作也比比皆是。

一个假想的例子。如果有12个电源,它们每一个都可以满足2小时的需求,但是都无法满足任意超过某特定2小时的需求,那么他们联合起来,完全可以充足地(加上系统备用)满足系统1天24小时的需求。

按照现在的“摊派”思维,这些电源都因为不可控(所谓波动性),也就是无法受调度指挥,需要加装储能。这完全是电网“平滑系统出力”角色发挥远不够充分的问题。

追求电力输出的稳定对于企业视角可能是有意义的,因为它可以捕捉更多的发电收益机会,但是“输出稳定”对于整个系统是没有明确价值的,因为需求就是不稳定的,而电网的基本角色就是平滑各个特性不同的机组出力以及需求。

根本原因:调度的“方便性原则”

在我国,调度仍旧不是电力系统与市场的平等参与者,而是整个系统的指挥官。

行政文件一句话——70%以内调节属于基础调峰免费,就相当于电源(比如华能集团)给电网一年输送几百亿的“热备用资源”价值。

调度事实上拥有超越上帝的地位。上帝无所不知,因为“上帝看着你呢”;上帝无所 不能稍有争议,因为有人说“上帝能否造一块连他自己都举不起来的石头”来挑战这种无所 不能;上帝无所不对的争议就更大的,因为人们行动的正当性通常来自于“上帝的旨意”,如果上帝无所不对,伦理上说“上帝做了某件事是对的”就变成了一句毫无意义的陈述。

调度无所不知,相比上帝,这倒正常。不正常的是:它对于系统的运行状态数据实时掌握,却对普通发电企业与公众保密。

调度无所 不能,这有点过分。它可以在年内尺度任意决定机组的出力,而不需要付出任何购买(备用)成本,并且调度成何种结果就按何种结果结算。

调度无所不对,这就太糟糕了。超越了上帝的角色,完全不是一个平等的市场专业化参与者——购买平衡资源、运营实时市场。这在短期充满着巨大的道德风险,长期不利于平衡系统专业化能力的提升,以及在调度与发电者间一个明确有限权责清晰的协调界面的形成,而永远是一种一方对另一方面的全面依赖或者控制。

最为要命的是:我国的调度结构上还是个类似于行政的科层体系。拥有最高量裁权的国家调度中心,完全不负责系统平衡,而是一个计划制定机构。

其计划制定的价值观是什么,跟价格体系是否相关,也完全不清楚。但是各个省必须服从这种设定。这种依赖于调度自觉性而完全无法监管放任自流的无价值观体系,是我国电力体制进一步深化改革的“命门”。

“绿色融资”也在割裂市场,为何可以?

读者可能会产生疑问:那我们现在各国的绿色刺激计划,也是在割裂统一的市场啊。只要是绿色融资,或者绿色债券,就可以获得银行、特别是一些政策性银行的利率优惠贷款,甚至是赠款。这不就割裂了统一的金融市场了吗?

答案无疑是肯定的。必须指出,现实世界存在着诸多的既有扭曲,各种市场现状是高度割裂的。融资利率最低的欧盟接近于零,而政局不稳的非洲国家可能高达30%以上。但是,这并不能否认追求“统一市场”的正当性。

这种“吃小灶”的行为,肯定要推高其他融资需求方的成本。但是,不同的是,一方面,金融市场是直接处理“钱”的事情,其扭曲可能比其他实物市场(具有下游传导效应)要小;另一方面,这些减排项目相比我们要实现的目标,还处于严重不足,而不是泡沫化的另外一个极端。因此,这种优惠作为“次优选择”,即使不是成本有效(最低)的,也很可能是效益(减排收益)大于成本的。这与我国推行的僵直外送可能减排都做不到不同。

总结

调度原则应该是个经济原则的动机,在于消费者福利以及提供激励相容经济激励。环境目标需要额外的政策手段,而不是摧毁明确的经济标准,而代之以模糊的其他不可比较的标准。特别是,不能给公众消费者轻易加上道德责任——“2060碳中和太重要了,难道你就不能买个单?”

应用一些非经济原则,比如节能低碳调度,意味着用调度工具实现非经济目标,这潜在地将扭曲很多领域的行为,特别是不同能源品种的竞争力。

在我国“讲个相关不相关的理由,给优待;讲个缺点,踏上一万只脚”的只讲性质、不讲程度的思维方式依然泛滥。

在这种情况下,我们需要尤其对非经济调度原则说“不”。提高系统运行透明度,尽快取缔国家调度中心,是解套若干改革难题的第一步。

十四五期间,电力系统运行的透明度是整个行业发展的公共品。我们期待对系统到底是如何运行保持系统平衡的更高水位的公众理解。

(沈昕一为本文联合作者)


原标题:从电力调度视角看拉闸限电

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