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减少弃风:提高电力系统调度比改造燃煤电厂更高效

中国的风能和太阳能装机容量世界第一,且有望成为“世界可再生能源的超级大国”。然而,中国也遇到了弃风限电问题。虽然近年来可再生能源弃电量有显著下降,但在很多省份仍然存在问题,且将随着风能和太阳能发电装机量的增长而持续成为挑战。幸运的是,政府部门正在制定诸多应对的战略措施。成功的关键要看这些战略是否协调一致。 近来,刊登在“气候政策”上的文章提出了两个突出的策略:改善电力调度和改造燃煤电厂以更灵活的运营。作者(包括睿博能源智库技术顾问团,国网能源研究院研究员)认为改进电力调度是降低系统成本,减少弃电和减少排放的一种非常有效的方法。与此同时,改造燃煤电厂可以提高灵活性,但改造的成本很高,而且随着整个系统范围的改造工作增加,额外的好处逐渐减少。考虑到煤电行业倾向于将灵活性改造作为可再生能源弃电的主要解决方案,以及抵制中国近年来在提高调度效率方面取得的重大进展,这一结果非常重要。 背景 众所周知,中国是风能和太阳能装机容量的世界领先者,到2018年底,风能达到184吉瓦,太阳能光伏发电达到174吉瓦。包括生物质和水电,可再生能源占中国装机容量的38%,占中国发电量的26.7%。 虽然弃电比例在不断降低,但部分地区,特别是在东北和西北风力和太阳能高度集中的地区仍然发生弃电。 2018年,弃电率平均为7%,低于2016年的17%和2017年的12%。同时,2018年太阳能发电弃电率下降至3%,而2017年为6%左右。在新疆和甘肃,2018年太阳能光伏弃电达16% %和10%。 2018年新疆的弃风超过23%,其次是甘肃(19%)和内蒙古(10%)。 中国已采取显著的措施减少风电和太阳能弃电。政府在中国东北地区实施了降出力调峰辅助服务市场,根据政府的设置的底价和上限,火力发电机组可以参与调度竞标。 中国的“十三五”规划还提出到2020年在西北,东北和华北地区改造133吉瓦的燃煤热电联产机组,将下调频(downward regulation)能力提高46吉瓦。 中国还正在实施电力行业改革,包括中长期电力市场,跨省电力可再生能源交易和省级电力现货市场。 由技术和体制障碍引起的风能和太阳能弃电仍然存在。技术原因包括在具有大量风能和太阳能容量的地区,不灵活的燃煤发电厂占据优势; 拥有丰沛风能和太阳能的东北和西北地区与东部负荷中心之间的输电和电网互连不足(尽管近年来中国已经采取措施增加了几条大型输电线路); 在风电和太阳能满发期间,吸收风电和太阳能的需求响应能力很小。这些技术原因并非中国独有,其他国家诸如美国,也有风力和太阳能资源丰富的地区缺乏足够的传输能力将其输送到负荷中心。 然而,中国确实拥有独有的制度因素,即制定发电运行小时数以及固定的年度发电计划的历史条件。在这些历史条件中: 年度发电计划中,同一发电类型的所有发电机组的年度发电小时数相当。 固定电价、批发电价激励着发电商最大限度地发电,同时限制了发电机降出力去整合更多的风电和太阳能。 对这些降出力调峰的发电厂的补偿有限,只有在发电厂减速超过其最大发电容量50%的情况下才能支付。 中国正处于电力部门的转型过程中,但是这些历史条件在中国大部分地区仍在不同程度上产生影响。中国的确提出优先调度可再生能源发电,但实施起来并不均衡。幸运的是,现在有几个省正在设计和实施以经济调度为特征的电力市场,由于风能和太阳能的边际成本低至零,因此应首先调度这些可再生能源。 煤电厂改造v.s. 经济调度 我们使用了机组组合模型来比较。我们将燃煤电厂改造和改善调度战略。当前的调度方法建模为平均发电小时数调度方法,其采用忽略风电预测的每周机组组合,第二,采用包含了每四小时更新一次的风电预测更有效的方法。第二种方法代表着经济调度,中国的电力系统正在朝着这种调度机制发展, 至少在部分地区如此。 我们创建了两组情景分析来比较更灵活的燃煤发电与改进的电力调度的影响。在这两种情景中,我们使用每周机组组合,且不将风电预测纳入基准内。第一组情景通过测量当燃煤发电机的最小负荷减少时弃风的减少量,来关注燃煤机组灵活性的影响。 换句话说,仅依靠燃煤发电机的灵活性来减少弃风量。 第二组情景设计中使用改进的机组组合,包括每周和每日的机组组合,并纳入风力发电预测。 分析表明在较高比例的风电装机容量下降低燃煤电厂最低出力的收益递减。而且,改进的机组组合在减少弃风方面甚至更有效。图1展示了代表中国西北地区高风能水平的情景分析结果。 将燃煤发电的最低出力降低10个百分点,可以将弃风率从基准的25%降低到17%左右。 相比之下,改进调度将弃风率从25%降低到9%。 图1. 高比例风电情境下燃煤发电机组改进电力调度和降低最小出力影响的比较* 总结 总而言之,在模型分析中发现,现有燃煤电厂增加灵活和改善电力调度这两种手段,都有助于减少弃风。然而,改善调度在高比例风能情境下效果更好,同时燃煤电厂灵活性改造也体现了边际效益递减。或许最重要的是,煤电增量的灵活性可能需要额外的投资,这可能非常昂贵。 此外,在较低水平运行煤电厂可能会降低电厂的效率并增加电厂的空气污染物排放(部分抵消了可再生能源弃电减少所带来的空气质量效益)。 而对改进电力调度就不会受到这些因素的影响。 这些结果表明,中国应加大力度采取基于边际成本的经济调度。中国八个省的“现货市场”试点的开始,应该集中在包含这一原则的实用调度模型上。令人鼓舞的是,其中一些省份最近发布的市场设计公告确实提出要实施经济调度。 随着新的现货市场开始生效,我们建议这些省份创建一个公平的竞争环境,以便该系统可以利用所有发电资源的全部功能,包括可再生能源发电。与此同时,与其他国家一样,中国的决策者需要继续重新考虑更广泛的选择方案和战略的最佳组合,以增加电网灵活性,提高可再生能源并网和减少弃电。 * Reducing wind power curtailment in China: comparing the roles of coal power flexibility and improved dispatch;…

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Five Suggestions to Promote China Power Sector Transition

Even the casual observer of China during the last thirty years can’t help but be awestruck by the country’s transformation—across all sectors, but especially the power sector, the central infrastructural industry on which economic development depends. What had been a system characterized by too frequent shortages and under-investment became the world’s largest and one of…

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中国电改将推动低碳愿景成为现实

在过去的三十年中,即使是不曾刻意关注中国的人,也不禁对这个国家的转型感到震惊。这种转型体现在在所有领域,尤其是电力行业,即经济发展所依赖的中央基础设施产业。中国拥有着世界上最大的电力系统,过去时常发生电力短缺,电网投资不足,但现在已成为技术最先进的电力系统。这一成就在全球无与伦比,是中国跃居全球经济前沿的重要原因之一。 特别值得注意的是,电力系统的成就帮助中国在严重的空气质量问题上面取得了进展。虽然在这方面还有许多工作要做,但已取得显著成效。这包括关闭效率最低,污染最严重的发电厂,在新型高效燃煤发电厂上大量投资安装污染排放控制设施。中国实施了越来越严格的空气质量规划,颁布并修订了大气法,这些做法共同要求提高工业和终端能效、可再生能源发展,以此作为改善空气质量的手段。现在中国正在实施自发电行业开始的碳排放交易制度,这将有助于向低排放,低成本的未来能源系统过渡。 这些工作都契合了一个主题,并在2015年3月颁布的电力改革9号文件中得以体现,该文件为电力行业改革提出了全面的愿景,以期实现提高系统可靠性,增加市场机制的效用,保护消费者, 节约能源,减少排放,增加可再生能源和分布式发电的使用,完善治理和监管制度,包括更好地规划和强化机构能力等多个目标。这些都是值得称赞的目标,如果这些目标实现,将会降低电力系统的长期成本及其对环境的影响。 但对于中国或欧美国家来说,“改革正确”绝非易事。改革是一项持续不断的努力,不断成形的过程,是不断变化的环境,不断发展的技术和更迫切的政策要求共同作用的结果,特别是那些处在环境和能源政策交汇之处的领域。中国创造有竞争力的批发电力市场的动力是基于这样一种信念,即竞争将降低成本,推动环境改善,并激励创新。其他地方的经验告诉我们,只有刻意设计市场,才能确保这些目标的实现。 基于我们的研究,在此想强调一些建议。其中最重要的是对中国家庭和企业能效进行大规模投资,因为能效是更有效地利用能源,满足能源服务需求的最便宜的方式,而中国的政策制定者了解这一点。二十多年来,中国已经开展了世界上最广泛的全国工业节能计划之一。 在所有行业中 – 工业,商业建筑,供暖和制冷,消费者终端用途等。如果继续扩展这项工作,将在未来几年内节省大量成本(尤其可以避免对成本高昂的发电厂进行投资)。 其次,需要显著提高电力系统运行的经济效率。这与调度方式有关,即根据电力需求实时变化而决定运营发电机组的方式,中国近年来在这一领域取得了重大进展,但在系统运营实现“优化”之前,仍需要进一步完善。关键部分将是基于发电厂可变运营成本的调度决策 – 最低成本优先,最高成本最后。经济调度或者“优先调度”,都会有助于将可再生资源完全整合到系统中,因为它们几乎不需要运营成本,并且最大限度地减少使用效率最低且通常污染最严重的发电厂。通过实施这种直接的系统操作方法,可以降低成本和污染排放。 由于节约了成本,经济调度还可给系统带来其他的价值,例如需求响应。需求响应旨在引导客户(通常是工业和商业用户,但也包括一些住宅客户)根据价格变化而改变其用电习惯,从而达到节省电费,为系统创造“灵活性”,使可再生能源更容易整合,并再次减少对更污染、低效的发电资源的依赖。 通过建立短期的电力“现货”市场可以发现电力价格,实现经济调度,如果设计得当,将引导以发电机组运营成本为基础的价格竞标,然后系统操作员将根据这些成本调度发电机组。中国计划到2020年在全国范围内实施现货市场,这是一个雄心勃勃的目标,但经济调度不需要等待现货市场。它只需要求发电机组向系统运营商披露其运营成本,这就可以为调度中心提供优化系统调度的信息。采取这第一步将使发电机组和系统运营商在经济调度方面获得经验,同时避免在防止滥用市场力方面的棘手挑战。 第三,更好地利用长期规划方法 – 例如,美国实施的综合资源规划,将有助于中国降低供需之间,即投资和资本利用之间存在不匹配的风险。这种规划方法与中国将电力行业市场化的愿望并不矛盾。规划将确定系统的需求,竞争性的资源采购将使这些投资的成本最小化。 第四,技术的发展正在迅速使得用化石燃料的领域大部分电气化,尤其是运输和供暖。电气化的目标是降低成本,提高效率和加强环境保护。电气化为电网公司和发电企业创造了新的机遇,也带来了新的挑战。如果要实现电气化目标,应明确地把政策和投资指向清洁发电资源。应该为确保措施到位,使得新电气化的最终应用尽可能灵活。更好的分时电价信号将是有益的措施之一。 第五,中国应继续完善输配电电价改革。在这个问题上,我们建议改革电网公司业务模式(即电网公司盈利模式),从试点实践中获得经验,并可以借鉴其他几个国家,包括美国和欧洲大部分地区的经验,欧美的改革重点是如何更好地使电网公司的行为与公共政策目标保持一致。欧洲和美国使用的“基于绩效”的监管方法可以成为中国输配电价改革的重要组成部分,这样做可以帮助激励电网公司的行为,增加预期成果的可能性,例如增加可再生能源并网,增加对需求侧资源的投资,减少排放。简而言之,电网公司应该能够在盈利的同时做出有利于电力行业的行为。 中国推动电力行业改革朝着9号文规定的方向前进,可以采取的步骤远远不止这些,但是它们将有助于将低碳低成本的高效电力行业的愿景转为现实。 本文原载于《中国电力报》(2019年3月16日),同时刊登于中国电力新闻网

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Timing Is Everything: How Smart Rate Design Helps Make Electrification Beneficial

In talking about beneficial electrification, we have emphasized the benefits of various kinds of flexibility. For example, loads that can be scheduled at different times of day without too much inconvenience to the user can be beneficial, because they can help the power grid run more efficiently and use more clean renewable energy. Owners of…

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Making China’s Electricity Markets Work for Clean Energy

As part of the Chinese central government’s power sector reform effort, several provinces have been developing electricity markets. The next stage of this undertaking—design and implementation of “spot markets”—could bring many benefits, including system flexibility to support wind and solar generation, a better-functioning carbon market, rational prices to guide better investment decisions, and corresponding incentives…

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实施电力现货市场的几点国际经验

为落实中国政府2015年电力改革方案,一些省份一直在致力于发展电力市场。中国国家能源局要求8个试点省区推出“现货市场” ,并要求其中一些省级市场在今年年底开始运营。 改革的下一阶段是设计和实施“现货市场”,据报道这些市场将会包括日前市场和实时市场以及补偿辅助服务的机制。从国际经验的角度来分析现货市场,如果设计得当可以带来许多好处,包括作为经济调度的基础, 支持风能和太阳能发电的系统灵活性,功能更好的碳市场,和比较合理的批发价格以指导更好的投资决策。这些市场可以帮助实现中国经济有效地减少排放目标,同时保持电网高水平的可靠性。然而,市场的设计和实施以及相应的调度改革是具有挑战性的任务,存在许多潜在的缺陷。 实施电力市场并非易事 – 并且可能会停滞不前(正如过去十年中国发生的那样)或导致危机(其中美国加州是最著名的例子)。在这里,我们将提供一些实用的想法,以降低中国电力市场实施风险,避免重大挫折。我们对中国电力现货市场的建议包括: 扩大跨省市场,建设区域性统筹现货市场。扩展省间市场有助于促进可再生消纳并降低系统成本。尽管中央政府要求南方电网地区的五个省最终实施区域市场,但大多数现货市场的努力都是逐省进行的。因此,从一开始就设计一个区域整合的现货市场是有意义的。通过提高跨地理区域的电力市场和系统运营的一体化程度所带来的效益,在欧洲、美国以及世界上其他地方的研究都有过相关陈述。 开发跟市场配套的长期区域资源充足性和可靠性规划流程。即使在电力市场运行之后,相关的规划研究仍将在评估资源充足性方面发挥重要作用,提出调整市场设计的建议,并帮助协调发电和需求方资源的发电投资。2016年国家能源局发布的《电力规划管理办法》就是一个很好的基础。 采取措施对市场运行进行监测,应对现货市场竞争不足的风险。鉴于部分地区拥有高度集中所有权的发电机组,有操纵市场的风险,强大的市场电力监测和消解市场力的系统将非常重要。甚至可以考虑(至少在最初几年)根据对每台发电机运行成本的估算来实施现货市场。这有助于避免市场操纵,同时最大程度从经济调度中获益。在任何情况下,这些运营成本数据都可用于监控市场表现。广东现货市场机组发电成本预算,似乎很有希望。 将中长期合同转变为财务模型。调度中心在每天运营决策中过度考虑年度发电规划或是中长期合同,会阻碍系统灵活性,因为这个做法可能会限制响应电网每小时变化(比如说意外天气波动)的能力。随着现货市场的推进,最好逐步取消对中长期合同的此类“物理”执行,可以设计更好的模型,鼓励发电商和大用户(或是售电方)通过“金融合同”对冲电价,而调度中心则侧重于根据每小时的条件和需求优化系统。 对分布式资源的参与现货市场的展望。需求响应,储能技术和其他分布式能源资源能够向系统提供有价值的灵活性服务。但市场需要对这些能力和服务进行识别,认定和合理奖励。特别是中国目前正在同时进行增量配电网改革。在此背景下,分布式资源在现货电力市场中的作用值得进一步思考。 此外,本月劳伦斯伯克利国家实验室发布了一份最近的报告,概述了中国电力部门改革试点的几点建议。 The blog is also available for English.

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A Toolkit of Global Insights as China Builds Its Power Sector of the Future

China’s current power sector reforms began in March 2015 with Document #9, which was followed by the 13th Five-Year Plan and a series of further policies that aim to reduce renewables curtailment and further integrate renewable energy into the grid. Despite significant progress toward these goals, policymakers still face several challenges with reducing generation overcapacity;…

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对中国电力行业发展的四点建议 

中国当前的电力行业改革始于2015年3月颁布的“9号文”,“十三五”规划以及一系列致力于减少限电和提升可再生能源消纳的政策文件紧随其后。尽管中国朝着既定目标已经取得了显著的进步,但政策制定者仍然面临一些严峻挑战,诸如发电产能过剩,可再生能源并网问题,如何达到空气质量目标,实现温室气体减排目标等。  围绕这些问题,睿博能源智库和自然资源保护协会共同总结了以美国为主的国际经验,希望可以为中国的政府部门提供国际视野和应对方案。我们为此准备了4篇文章,分别涉及到可再生能源并网,电力批发市场,电力规划和政府监管领域。  可再生能源并网  在中国,可再生能源并网是一个亟待解决且较为复杂的问题,需要涉及到电力规划,政策,市场设计,监管,运营(调度)和资源灵活性等方方面面。它们在提高系统灵活性以支持更高比例的波动性可再生能源方面,扮演着各自的角色。  美国电力行业达成了一项新的共识,即现有的电力系统可以以相当低的成本大幅度提高灵活性。这些低成本解决方案包括更大的平衡区域,市场设计和运营方法的改变,通过政策和定价提高需求侧灵活性,以及鼓励现有的传统发电机组更加灵活地运行。输电、储能、和灵活性燃气发电方面的新投资也有助于可再生能源并网,但在短期内通常成本效益不高。中国可能也面临同样的问题。在哪些领域可以提高中国电力系统的灵活性?以及如何最大限度地提高灵活性,这些问题值得好好调研。  改进调度,实行更合理的短期批发定价机制,是对中国非常有利的改革方向。事实上,这些在9号文件已经有所提及——虽然尚未形成足够详细的改革路线。中国需要非常仔细地进行电力市场的设计,重点在于提高灵活性,支持波动性可再生能源上网。这篇报告通过总结美国可再生能源并网的经验和教训,可以为中国的政策制定部门提供一些借鉴。  电力市场设计和实施  尽管一直以来,业界在电力市场设计方面一直有争论,不同国家、甚至美国不同地区的电力市场模式都不尽相同,但对电力市场的基本原则是有一些重要共识的。首先,政策制定者认可市场应该保障电力系统高效运行,引导发电设备和其他资源的理性投资和合理淘汰,为业主提供合理的补偿。此外,市场作为一项工具,应该用以实现政府的政策目标,包括高效,减排和可靠性目标。  我们认为有三个市场准则,与中国电力行业市场化改革工作方向相一致:  以小时和分钟为单位,高效、灵活地运行(调度)现有资源。  对发电厂进行合理支付和补偿,以支持高效和灵活运行。  传递正确的价格信号,引导投资合理化,淘汰过剩产能,支持能源发展与减排的政策目标。  落实这些准则可促进可再生能源并网,最小化系统成本及排放,以及保持系统稳定性。在中国和全球范围内,单靠市场无法解决这些挑战,必须与电力行业规划紧密协调一致。  电力规划  电力行业规划的制定和施行,是确保电力项目投资具有成本效益和环境可持续的基础。当前中国电力行业最主要的挑战,是如何使电力部门摆脱以满足快速增长的电力需求为主要考虑因素的传统模式,转而采用充分权衡利弊和多重目标的新型模式,包括结合中国的可再生能源、环境质量、价格水平和可靠性等目标。  国家能源局2016年5月印发的《电力规划管理办法》(以下简称“《办法》”)是转型的重要一步,而且需要进一步充实,并重点确保电力规划与电力行业改革的其他方面,尤其是与新推出的电力市场协调一致。为此,《办法》规定,在采购电力资源时要使用“市场机制”的原则,从而与规划中提出的“指导意见”保持一致。这一原则也符合其他国家的广泛经验。例如,即使在已经实行电力市场化的美国部分地区,在评估资源充足性、调整市场设计、以及统筹协调发输电和需求侧资源投资方面,电力规划仍发挥着至关重要的作用。  基于美国的经验研究,我们认为中国的电力规划工作应重点关注以下五个方面:  明确政府机构之间以及政府与电网公司、发电公司和其他实体之间的规划角色和责任;  明确电力规划在投资决策中的作用;  建立协调各种投资选择(需求侧资源、发电、储能和输电)的机制,以确定最低成本的资源组合;  持续开发和应用量化建模工具;  将风险管理纳入规划分析和投资决策。  政府监管  9号文件要求改善对电力行业的政府监管,特别是提高监管能力,改进监管方法,做好系统规划。中国采用基于收入监管的输配电定价方法是监管的重要一步。但随着改革的深入,中国政府部门对电力行业的监管方式以及机构能力都将需要改进。需要监管的关键领域将包括:  创建透明,可预见,公开的监管流程;  确认中央和省级监管部门的职权定位及其职权分配;  明确资源规划和采购流程、明确角色定位和责任,建立规划、投资决策与项目审批之间的明确联系;  产能过剩以及可能无法回收的(搁浅)成本;  在竞争性和非竞争性资源的环境下,如何保持资源的充足性;  创建可以解决发电调度和补偿,整合需求响应和波动性可再生能源,以及包括灵活性资源和辅助服务的系统运行;  能源及环境政策与监管的结合。  下一步?  能源和环境政策需要综合协调,我们期望这些报告可以推动中国能源和环境主管部门之间的对话,促进中国的电力改革进展,为制定一系列全面的政策提供参考。 这些报告的原文为英文,中文版也可在自然资源保护协会网站下载。 

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Leveling the Playing Field for Storage Resources in China’s Electricity Markets: A View from the U.S.

In February, the U.S. Federal Energy Regulatory Commission (FERC) finalized a historic rule on participation of storage resources in the “ISO/RTO” wholesale electricity markets. ISO/RTO markets cover about two-thirds of the United States and are roughly analogous to the spot markets under development in several Chinese provinces. The ISOs/RTOs are independent entities that oversee the…