大用戶直購電對清潔能源發(fā)展的影響分析

燕京華，崔暉，韓彬，劉芳，李曉磊，戴賽，周京陽，趙昆

(中國電力科學(xué)研究院，北京市 100192)

大用戶直購電對清潔能源發(fā)展的影響分析

燕京華，崔暉，韓彬，劉芳，李曉磊，戴賽，周京陽，趙昆

(中國電力科學(xué)研究院，北京市 100192)

隨著大用戶直購電的逐步開展，有必要分析其對清潔能源發(fā)展的影響。對大用戶交易電量需求與火電成本進(jìn)行了分析，研究了不含直購電的大用戶交易均衡狀態(tài)，并在發(fā)電側(cè)壟斷和非壟斷的大用戶直購電情況下分析均衡狀態(tài)。在均衡狀態(tài)下，進(jìn)一步計(jì)算火電企業(yè)的平均利潤率，分析開展直購電前后的變化情況，結(jié)果表明，開展直購電后火電企業(yè)的平均利潤率有所降低。在清潔能源全額消納的政策要求下，分析清潔能源的利潤率。然后對比開展大用戶直購電前后火電和清潔能源的平均利潤率及其關(guān)系。通過比較分析，發(fā)現(xiàn)大用戶直購電不會(huì)對清潔能源發(fā)展造成長期的負(fù)面影響。打破地區(qū)發(fā)電側(cè)壟斷，并制定好清潔能源的售電電價(jià)，非直購電情況下火電售電價(jià)格和大用戶購電價(jià)格以及大用戶直購電情況下的過網(wǎng)費(fèi)等是促進(jìn)清潔能源發(fā)展的關(guān)鍵因素。

大用戶；直購電；清潔能源；利潤率；均衡狀態(tài)

0 引 言

自2013年國家把推進(jìn)大用戶直購電作為電力體制改革的重要內(nèi)容以來，大用戶直購電的范圍和數(shù)量急劇增大，這不僅有利于改變國內(nèi)發(fā)電量下滑的趨勢，而且有利于建立更加規(guī)范的電力市場和交易模式。但是，隨著大用戶直購電的高速發(fā)展，有必要分析其對清潔能源發(fā)展可能造成的影響。

對大用戶交易進(jìn)行分析，研究大用戶直購電后交易的變化及其均衡情況，有利于分析其對清潔能源消納的影響，找到關(guān)鍵影響因素，保障清潔能源科學(xué)持續(xù)發(fā)展。發(fā)展大用戶直購電會(huì)改變目前發(fā)電企業(yè)、電網(wǎng)企業(yè)和大用戶之間的利益格局[1]，而發(fā)電企業(yè)的成本對直購電的影響很大，已有很多關(guān)于發(fā)電企業(yè)成本分析方面的研究[2-5]。大用戶自由購電不僅可以節(jié)約電費(fèi)、提升產(chǎn)品競爭力，而且可以使發(fā)電企業(yè)加強(qiáng)管理，提高效率[6]；同時(shí)，大用戶直購電會(huì)對發(fā)電企業(yè)推進(jìn)清潔能源發(fā)電技術(shù)及大用戶節(jié)能減排造成新的影響[7]。文獻(xiàn)[8]證明了售電電價(jià)和年運(yùn)行小時(shí)數(shù)是影響火電企業(yè)盈虧情況的重要指標(biāo)；文獻(xiàn)[9]對傳統(tǒng)輸配電價(jià)的成本進(jìn)行分析、梳理,證明了電網(wǎng)企業(yè)在既定輸配電價(jià)價(jià)差基礎(chǔ)上通過合理布局降低成本為自己增加利潤是可行的；文獻(xiàn)[10]研究了大用戶直購電在競爭性市場中的影響，證明了大用戶直購電模式的實(shí)施會(huì)使電力市場中的參與體利益發(fā)生改變，但是整體上提高了社會(huì)福利，利于市場良性發(fā)展。然而，目前有關(guān)大用戶直購電對清潔能源發(fā)展的影響研究較少，因此，有必要結(jié)合大用戶電量需求和火電發(fā)電成本，研究大用戶直購電對清潔能源的影響。

本文針對大用戶直購電開展前后對清潔能源發(fā)展的影響進(jìn)行研究。首先，通過研究大用戶交易需求和火電企業(yè)成本，分析在不含大用戶直購電情況下，交易的均衡情況及火電企業(yè)的利潤情況。然后，基于發(fā)電側(cè)壟斷和發(fā)電側(cè)非壟斷2種情況，研究開展大用戶直購電后，交易的均衡情況及火電企業(yè)利潤情況。最后，進(jìn)一步結(jié)合清潔能源的利潤情況，在清潔能源全額消納政策下，分析大用戶直購電對清潔能源發(fā)展的影響，以及影響清潔能源發(fā)展的關(guān)鍵因素。

1 不含直購電情況下大用戶交易分析

首先對不含直購電情況下大用戶交易進(jìn)行分析，交易雙方為所有有資格參與直購電的常規(guī)能源發(fā)電企業(yè)和大用戶，交易商品為電量，為了便于分析，假設(shè)該地區(qū)參與大用戶直購電的發(fā)電企業(yè)都是火電企業(yè)。

1.1 大用戶交易電量需求與火電成本分析

大用戶電量需求隨著購電電價(jià)的增大而減小，令二者的函數(shù)關(guān)系為qN=g(pN)，其中pN為購電電價(jià)，qN為相應(yīng)的電量需求。由于該函數(shù)是單調(diào)遞減函數(shù)，所以可以用反函數(shù)表示，得到pN=h(qN)=g-1(qN)?？紤]到大用戶電量需求必然在一個(gè)范圍內(nèi)，為了便于分析，認(rèn)為自變量qN的定義域?yàn)閇Qmin,Qmax]。大用戶電量需求曲線如圖1所示。

火電企業(yè)單位發(fā)電量的邊際成本與發(fā)電量存在一一對應(yīng)的關(guān)系，二者的函數(shù)關(guān)系為pMC=fMC(qs)，其中pMC為邊際成本，qs為相應(yīng)的電量供給，qs∈[Qmin,Qmax]，曲線如圖1所示。

火電企業(yè)單位發(fā)電量的平均成本與發(fā)電量存在一一對應(yīng)的關(guān)系，二者的函數(shù)關(guān)系為pAVC=fAVC(qs)，其中pAVC為平均成本，曲線如圖1所示。

圖1 大用戶交易需求與火電成本曲線Fig.1 Curves of transaction need of large users and cost of thermal power

圖1中，火電企業(yè)邊際成本曲線與大用戶電量需求曲線的交點(diǎn)X的坐標(biāo)為(QX,PX)?；痣娖髽I(yè)平均成本最小位置Y的坐標(biāo)為(QY,PY)，正好為其與邊際成本曲線的交點(diǎn)。

1.2 不含直購電時(shí)的均衡狀態(tài)

不含大用戶直購電情況下，達(dá)到均衡狀態(tài)時(shí)的購電價(jià)格、售電價(jià)格、成交電量、火電企業(yè)收益等，可以作為分析大用戶直購電交易的初始條件。均衡狀態(tài)是指市場價(jià)格達(dá)到使供給量與需求量相等的狀態(tài)，不含直購電時(shí)的情況屬于一種政府定價(jià)模式，并采用“三公”調(diào)度解決供過于求的問題，已經(jīng)持續(xù)了較長的時(shí)間，可以認(rèn)為開展大用戶直購電前已經(jīng)達(dá)到了一種近似的均衡狀態(tài)。

已知某省不含大用戶直購電時(shí)，大用戶的購電電價(jià)為政府規(guī)定的電價(jià)PN0，成交電量按照大用戶實(shí)際購電電量確定，根據(jù)需求函數(shù)得到Q0=QN0=g(PN0)，在需求曲線上XN0的坐標(biāo)位置為(QN0,PN0)?；痣娖髽I(yè)的售電電價(jià)也是政府規(guī)定的電價(jià)PS0，平均成本PAVC0=fAVC(Q0)，該省所有火電企業(yè)的總利潤為

WS=PS0Q0-PAVC0Q0

(1)

該省所有火電企業(yè)的平均利潤率為

(2)

大用戶購電電價(jià)與火電售電電價(jià)之差就是電網(wǎng)公司收取的費(fèi)用，即PG0=PN0-PS0。

不含直購電時(shí)的情況如圖2所示。當(dāng)前我國大多數(shù)火電企業(yè)存在規(guī)模經(jīng)濟(jì)[11]，也就是說火電企業(yè)的成交電量處于平均成本遞減的區(qū)域，主要原因是由于我國火電企業(yè)的燃料成本通常占可變成本的70%以上[12-13]，發(fā)電企業(yè)機(jī)組平均負(fù)荷率不高，單位發(fā)電量的燃料成本隨著功率的增加會(huì)明顯降低[14-15]，而平均固定成本隨著發(fā)電量的增加單調(diào)遞減。所以，圖中Qmin

圖2 不含直購電時(shí)大用戶交易均衡狀態(tài)Fig.2 Equilibrium state of transactions without direct power-purchase for large users

2 含大用戶直購電情況下大用戶交易分析

允許大用戶直購電情況下，大用戶可以選擇與發(fā)電企業(yè)協(xié)商交易價(jià)格，也可以直接采用非直購電價(jià)PN0。直購電情況下，交易單位電量時(shí)，電網(wǎng)公司收取一定的過網(wǎng)費(fèi)PG，按照現(xiàn)有的大用戶直購電省份實(shí)施情況，PG=PG0。我國具有一定數(shù)量的發(fā)電企業(yè)，但是各省的發(fā)電企業(yè)占比差異較大，所以分2種情況進(jìn)行分析，一種是該省某發(fā)電企業(yè)在電力供給中具有壟斷地位的情況，另一種是該省發(fā)電供給處于競爭的情況。

2.1 火電企業(yè)壟斷情況

假設(shè)某發(fā)電企業(yè)A在該省的發(fā)電供給中具備壟斷地位，其售電價(jià)格為pS1，那么大用戶直購電價(jià)格pN1=pS1+PG，成交電量為q1=g(pS1+PG)，企業(yè)A的利潤就代表了該省火電企業(yè)的總利潤，計(jì)算公式為

wS1=pS1q1-fAVC(q1)q1

(3)

即

wS1=pS1g(pS1+PG)-fAVC[g(pS1+PG)]g(pS1+PG)

(4)

該發(fā)電企業(yè)根據(jù)成本和直購電的需求曲線設(shè)定售電電價(jià)，使得收益最大化，收益最大時(shí)就是這種發(fā)電企業(yè)壟斷情況下進(jìn)行大用戶直購電的均衡解。

WS1=PS1Q1-h(Q1)Q1

(5)

該省火電企業(yè)的平均利潤率為

(6)

發(fā)電側(cè)壟斷情況下達(dá)到均衡時(shí)各類數(shù)據(jù)如圖3所示。相對于沒有直購電情況，大用戶直購電相當(dāng)于取消了政府價(jià)格限制，通常解出的交易電量Q1會(huì)處于平均成本上升階段，個(gè)別地區(qū)電力需求曲線整體比較靠左，交易電量Q1的解可能會(huì)出現(xiàn)在QY左側(cè)平均成本曲線比較平坦的部分。交易電量比開展直購電前有所增加，大用戶的購電電價(jià)會(huì)降低，火電企業(yè)的售電電價(jià)也會(huì)降低，圖中陰影部分即為火電企業(yè)A的總利潤，雖然該火電企業(yè)能夠獲得壟斷利潤，利潤會(huì)比不含直購電時(shí)明顯增大，但利潤率比不含直購電時(shí)的低。

圖3 發(fā)電側(cè)壟斷下開展直購電后的大用戶交易均衡狀態(tài)Fig.3 Equilibrium state of direct power-purchase for large users in power generation monopoly market

2.2 火電企業(yè)非壟斷情況

對于非壟斷情況，大用戶直購電的交易電量達(dá)到均衡狀態(tài)(QN2)時(shí)，如果再增加發(fā)電量，那么邊際成本加上過網(wǎng)費(fèi)會(huì)超過大用戶購電電價(jià)，增加發(fā)電量只能虧損銷售，如果成交電量小于QN2，再增加發(fā)電量，那么邊際成本加上過網(wǎng)費(fèi)會(huì)小于大用戶購電電價(jià)，火電企業(yè)愿意增加發(fā)電量。平衡約束條件也就是直購電電價(jià)等于火電企業(yè)邊際成本與過網(wǎng)費(fèi)之和，即fMC(qN2)+PG=h(qN2)。

求出均衡狀態(tài)下成交電量為Q2=QN2，由于邊際成本曲線和需求曲線保持不變，求解QN2的關(guān)鍵影響因素是過網(wǎng)費(fèi)PG。進(jìn)一步可以得到火電企業(yè)售電電價(jià)為PS2，大用戶購電電價(jià)為PN2，該省所有火電企業(yè)的總利潤為

WS2=PS2QN2-h(QN2)QN2

(7)

該省所有火電企業(yè)的平均利潤率為

(8)

發(fā)電側(cè)非壟斷情況下各類數(shù)據(jù)如圖4所示。在非壟斷情況下，邊際成本曲線在平均成本曲線以上的部分可以認(rèn)為是供給曲線，把需求曲線向下平移PG之后與供給曲線的交點(diǎn)就是均衡點(diǎn)，對應(yīng)的成交電量就是Q2，Q2不處于QY左側(cè)的原因是左側(cè)的邊際成本低于平均成本，每個(gè)企業(yè)都有多發(fā)電降低自身平均成本的動(dòng)力，不可能是均衡狀態(tài)。相比壟斷情況下，大用戶的購電電價(jià)會(huì)進(jìn)一步降低，成交電量會(huì)有所增加，火電企業(yè)的售電電價(jià)比壟斷情況下更低，平均成本有所升高，圖中陰影部分即為火電企業(yè)A的總利潤，火電企業(yè)的利潤率比壟斷情況下的更低。

圖4 發(fā)電側(cè)非壟斷下開展直購電后的大用戶交易均衡狀態(tài)Fig.4 Equilibrium state of direct power-purchase for large users in power generation non-monopoly market

3 大用戶直購電對清潔能源發(fā)展的影響

通過分析大用戶直購電開展前后的均衡狀態(tài)，計(jì)算火電企業(yè)的利潤率情況，有助于進(jìn)一步比較火電與清潔能源的利潤率關(guān)系，從而分析大用戶直購電對清潔能源發(fā)展的影響。

3.1 清潔能源全額消納利潤率分析

清潔能源全額消納意味著清潔能源發(fā)電量將全部按照規(guī)定的電價(jià)PWS出售給電網(wǎng)公司，電網(wǎng)公司在不影響電力系統(tǒng)運(yùn)行安全的情況下，在調(diào)度運(yùn)行中讓負(fù)荷需求優(yōu)先消納清潔能源。

為了分析大用戶直購電對清潔能源發(fā)展的影響，需要比較火電企業(yè)開展大用戶直購電前后的利潤率和清潔能源的利潤率。由于風(fēng)電、光伏等清潔能源具有間歇性，所以清潔能源的利潤率具有隨機(jī)性。為了簡化分析，令單位裝機(jī)的可能發(fā)電量qW服從N(μW,σW)的正態(tài)分布，單位清潔能源裝機(jī)容量的投資運(yùn)行成本為CW，得到清潔能源發(fā)電的利潤率為

(9)

3.2 壟斷情況下大用戶直購電的影響

當(dāng)μRW

當(dāng)r1<μRW

當(dāng)r1

3.3 非壟斷情況下大用戶直購電的影響

當(dāng)μRW

當(dāng)r2<μRW

當(dāng)r2

3.4 大用戶直購電對清潔能源發(fā)展的綜合影響分析

在清潔能源全額消納的政策下，開展大用戶直購電對清潔發(fā)展的影響如表1所示，其中壟斷情況下rX=r1，非壟斷情況下rX=r2。從表中可以看出，開展大用戶直購電對清潔能源的發(fā)展會(huì)有一定的影響，影響的因素不僅取決于利潤率之間的關(guān)系，而且與該地區(qū)的發(fā)電側(cè)是否壟斷有關(guān)，長期來看，非壟斷情況更有利于清潔能源的發(fā)展。

表1 清潔能源發(fā)展影響
Table 1 Development effect of clean energy

非直購電情況下的火電企業(yè)利潤率r0主要取決于開展直購電前的火電售電電價(jià)PS0和大用戶購電電價(jià)PN0，直購電情況下的火電企業(yè)利潤率r1和r2主要取決于電網(wǎng)公司收取的過網(wǎng)費(fèi)PG，而清潔能源的利潤率期望μRW主要取決于規(guī)定的售電電價(jià)LWS?？梢钥闯觯贫ǖ倪@些價(jià)格會(huì)共同對大用戶直購電模式下清潔能源的發(fā)展產(chǎn)生影響。

4 結(jié) 語

在全額消納清潔能源的政策下，開展大用戶直購電會(huì)對清潔能源的發(fā)展產(chǎn)生影響，這種影響會(huì)因各省發(fā)電側(cè)是否壟斷而有所不同，打破壟斷會(huì)更加有助于清潔能源的發(fā)展。其他影響清潔能源發(fā)展的關(guān)鍵因素還包括清潔能源的售電電價(jià)、非直購電情況下火電售電價(jià)格和大用戶購電價(jià)格、大用戶直購電情況下的過網(wǎng)費(fèi)等幾方面價(jià)格因素?？傮w來看，開展大用戶直購電不會(huì)對清潔能源的發(fā)展造成長時(shí)間的負(fù)面影響，只要綜合考慮電力行業(yè)的發(fā)展需求，制定好這幾個(gè)方面的價(jià)格政策，就能夠在開展大用戶直購電的情況下，保障清潔能源持續(xù)、穩(wěn)定、健康地發(fā)展，實(shí)現(xiàn)清潔能源與常規(guī)能源的協(xié)調(diào)發(fā)展。

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(編輯 張小飛)

Impact Analysis of Direct Power-Purchase of Large Users on Clean Energy Development

YAN Jinghua, CUI Hui, HAN Bin, LIU Fang, LI Xiaolei, Dai Sai, ZHOU Jingyang, ZHAO Kun

(China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China)

With the development of the direct power-purchase of large users, it is necessary to analyze its impact on the development of clean energy. This paper analyzes the quantity need of the direct power-purchase for large users and the cost of thermal power, researches the equilibrium states of large users’ transactions without direct power-purchase, and analyzes the equilibrium state under direct power-purchase of large users with or without power generation monopoly. We further calculate the average profit rate of thermal power enterprises under the equilibrium state, and analyze the change of these rates before and after the direct power-purchase development. The average profit rates after the direct power-purchase development of thermal power enterprises are lower than before. In the full consumptive requirements of clean energy, this paper analyzes the profit rates of clean energy, and then compares the average profit rate and relationship of thermal power and clean energy before and after allowing direct power-purchase of large users. Through the comparison and analysis, the direct power-purchase of large users won’t have long-term negative impact on the development of clean energy. Breaking the monopoly of regional power generation side and making appropriate prices of clean energy sale, thermal power sale and large users purchase without direct power purchase and wheeling cost with direct power purchase are key factors for promoting clean energy development.

large user; direct power-purchase; clean energy; profit rate; equilibrium state

TM 61； F416.6

A

1000-7229(2016)03-0099-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.03.015

2015-09-14

燕京華(1986)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榻?jīng)濟(jì)運(yùn)行與調(diào)度技術(shù)；

崔暉(1982)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榻?jīng)濟(jì)運(yùn)行與調(diào)度技術(shù)；

韓彬(1984)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榻?jīng)濟(jì)運(yùn)行與調(diào)度技術(shù)；

劉芳(1987)，女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榻?jīng)濟(jì)運(yùn)行與調(diào)度技術(shù)；

李曉磊(1979)，男，博士研究生，主要研究方向?yàn)榻?jīng)濟(jì)運(yùn)行與調(diào)度技術(shù)；

戴賽(1976)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娋W(wǎng)調(diào)度與安全校核技術(shù)；

周京陽(1962)，女，教授級(jí)高工，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榻?jīng)濟(jì)運(yùn)行與調(diào)度技術(shù)；

趙昆(1984)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娋W(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化。