激勵(lì)可再生能源消納的特高壓輸電電價(jià)形成方法

陶宇軒，胥威汀，李 婷，葉 希，沈 力，朱 覓，劉 瑩

(國網(wǎng)四川省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，四川 成都 610041)

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激勵(lì)可再生能源消納的特高壓輸電電價(jià)形成方法

陶宇軒，胥威汀，李 婷，葉 希，沈 力，朱 覓，劉 瑩

(國網(wǎng)四川省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，四川 成都 610041)

中國特高壓技術(shù)世界領(lǐng)先，其工程建設(shè)及運(yùn)行安全高效，以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架的大范圍能源優(yōu)化配置平臺已逐步形成。為有效利用該平臺實(shí)現(xiàn)可再生能源的高比例消納，尚需要進(jìn)一步構(gòu)建并完善基于特高壓的跨區(qū)域省間交易市場，其中特高壓輸電電價(jià)形成機(jī)制是關(guān)鍵點(diǎn)之一。提出了激勵(lì)可再生能源消納的特高壓輸電電價(jià)形成方法。首先對可再生能源的消納目標(biāo)進(jìn)行了解析；然后基于其規(guī)模及布局，開展模擬交易；在完全消納可再生能源的基礎(chǔ)上，用交易價(jià)差倒逼形成了特高壓輸電電價(jià)；最后通過計(jì)算該電價(jià)與成本定價(jià)的差額，得到了輸電電價(jià)補(bǔ)貼水平。案例分析證明了所提方法的有效性。所提方法充分考慮了可再生能源的跨區(qū)交易問題，對基于特高壓的跨區(qū)交易市場構(gòu)建有一定參考價(jià)值。

特高壓；可再生能源；跨區(qū)交易；輸電電價(jià)

0 引 言

目前國家電網(wǎng)公司已建成“三交四直”七項(xiàng)特高壓工程，并已將淮南—上海“北半環(huán)”等“四交四直”特高壓工程納入國家《大氣污染防治行動計(jì)劃》，特高壓邁入高速發(fā)展期。

隨著新一輪電力體制改革的推進(jìn)，可再生能源基于特高壓電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)跨區(qū)輸送及消納是必然的趨勢。據(jù)國能綜監(jiān)管[2016]637號文件《跨區(qū)域省間可再生能源增量現(xiàn)貨交易規(guī)則(征求意見稿)》(下稱《規(guī)則》)，為有效促進(jìn)可再生能源消納，緩解棄水、棄風(fēng)、棄光問題，規(guī)范開展跨區(qū)域省間可再生能源增量現(xiàn)貨交易，可再生能源將基于特高壓電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)跨區(qū)交易。因此，可再生能能源跨區(qū)交易的輸電電價(jià)問題將成為特高壓發(fā)展的關(guān)鍵問題之一。

從目前中國特高壓電網(wǎng)已批復(fù)的輸配電價(jià)來看，大多采用兩部制電價(jià)法，部分采用單一制電價(jià)法[1]。文獻(xiàn)[2-3]分析了中國輸配電價(jià)形成及存在的問題，評述了國內(nèi)外輸配電價(jià)定制的主要方法。文獻(xiàn)[4]圍繞中國跨區(qū)跨省輸電工程電價(jià)政策、定價(jià)方法等內(nèi)容開展綜合分析，并針對特高壓輸電工程提出輸電價(jià)格制定需考慮的因素。然而目前特高壓跨區(qū)輸電電價(jià)形成機(jī)制并沒有考慮對可再生能源發(fā)展的激勵(lì)。電改“9號文件”明確表示，電力體制改革的重要任務(wù)之一，是解決可再生能源全額保障性收購的問題。在新一輪電力體制改革背景和中國大力發(fā)展可再生能源的目標(biāo)下，需從多方面綜合考慮特高壓跨區(qū)輸電定價(jià)方法。

首先提出解析可再生能源消納目標(biāo)的方法，并通過模擬可再生能源的跨區(qū)省間交易，提出了激勵(lì)實(shí)現(xiàn)可再生能源消納目標(biāo)的特高壓輸電電價(jià)形成方法，力求在基于特高壓跨區(qū)電力市場交易模式下，有效激勵(lì)可再生能源的消納，促進(jìn)可再生能源發(fā)展。

1 基于成本的特高壓跨區(qū)輸電電價(jià)

目前特高壓電網(wǎng)的兩部制輸電價(jià)由容量電價(jià)和電量電價(jià)兩部分組成[3]。其中，容量電價(jià)為輸電業(yè)務(wù)所形成的固定成本部分，按照預(yù)計(jì)的輸電工程利用比例進(jìn)行分?jǐn)偅萘侩妰r(jià)一般與使用量無關(guān)，僅用于回收大部分固定成本；電量電價(jià)為輸電業(yè)務(wù)所形成的可變成本部分，與實(shí)際輸電量相關(guān)，用于回收全部可變成本和部分固定成本。

特高壓跨區(qū)送電的計(jì)算模型如式(1)～式(3)所示。

(1)

(2)

(3)

特高壓輸電的容量費(fèi)用由聯(lián)網(wǎng)雙方支付，電量費(fèi)用由受端支付。特高壓工程的費(fèi)用將分?jǐn)偟桨l(fā)電商和用戶的輸配電價(jià)中。

然而，基于成本的定價(jià)方法并沒有考慮對可再生能源消納的激勵(lì)。若能控制跨區(qū)輸電電價(jià)水平，同時(shí)補(bǔ)貼與成本定價(jià)的差額，既能刺激可再生能源的消納，又能保障電網(wǎng)企業(yè)的利益，相對于直接補(bǔ)償可再生能源，更能體現(xiàn)可再生能源的商品屬性[5]，更有利于電力市場可持續(xù)發(fā)展。

2 激勵(lì)可再生能源消納的特高壓輸電電價(jià)

2.1 可再生能源規(guī)劃目標(biāo)解析方法

為了清潔和可持續(xù)發(fā)展，有必要切實(shí)達(dá)成可再生能源的建設(shè)和消納目標(biāo)，而目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)則需要對其進(jìn)行分解，包括規(guī)模和布局。例如，要達(dá)成2020年全國非化石能源占一次能源消費(fèi)比例達(dá)15%的目標(biāo)[6]，需控制一次能源消費(fèi)總量在52億噸標(biāo)煤。同時(shí)，其中的6.5億噸標(biāo)煤需要轉(zhuǎn)換為2.1萬億千瓦時(shí)電能[7]，并且把有待消納的各類型電源和分區(qū)目標(biāo)進(jìn)行分解，如圖1所示。

圖1 可再生能源發(fā)展目標(biāo)分解示意圖

為合理地分解以上可再生能源消納需求，制定的可再生能源規(guī)劃方案需要滿足以下邊界條件：

1)滿足用電需求

電力規(guī)劃方案需要滿足全國和各地區(qū)(省或直轄市)的用電需求。綜合考慮經(jīng)濟(jì)、社會、電氣化水平等影響因素，結(jié)合各地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和負(fù)荷增長情況，分別預(yù)測得出各地區(qū)的用電需求。

2)不超過資源潛力

可再生能源具有顯著的區(qū)域分布特性，其開發(fā)規(guī)模很大程度上受到資源條件的限制。其中，水電主要集中在西南地區(qū)；風(fēng)電主要集中在三北地區(qū)；太陽能發(fā)電主要集中在西部地區(qū)；核電主要集中在沿海地區(qū)等：因此，可再生能源位于某個(gè)地區(qū)裝機(jī)規(guī)模，不得超過其技術(shù)可開發(fā)量。

3)不低于開發(fā)利用現(xiàn)狀

規(guī)劃方案基于可再生能源的開發(fā)利用現(xiàn)狀。由于可再生能源具有循環(huán)可再生性質(zhì)，因此僅考慮發(fā)電設(shè)備的更新，不考慮機(jī)組的退出。

4)符合政策的引導(dǎo)和約束

對于各類可再生能源發(fā)電，國家相關(guān)機(jī)構(gòu)公布了發(fā)展政策或開發(fā)規(guī)劃。結(jié)合現(xiàn)狀、趨勢和目標(biāo)三方面，可以分析得到各類可再生能源的開發(fā)目標(biāo)區(qū)間。

5)考慮各地區(qū)環(huán)境容量

用電需求中，可再生能源不足以承擔(dān)的部分將由化石能源彌補(bǔ)。因此需要計(jì)算燃煤發(fā)電廠的污染物排放、CO2排放規(guī)模及布局，保證各地區(qū)化石能源開發(fā)不得超過環(huán)境容量。根據(jù)國務(wù)院2013年《大氣污染防治行動計(jì)劃》，京津冀、長三角、珠三角等區(qū)域，除熱電聯(lián)產(chǎn)外，禁止審批新建燃煤發(fā)電項(xiàng)目。

在以上邊界條件的約束下，以全社會電力供應(yīng)總成本最低為優(yōu)化目標(biāo)，以各類能源發(fā)電區(qū)域布局為變量，展開優(yōu)化計(jì)算。構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)如下[8]：

(4)

式中：Type表示電源類型，如水電、核電、風(fēng)電等可再生能源發(fā)電等；Z表示研究的區(qū)域，如風(fēng)電基地、受電地區(qū)；R表示規(guī)劃周期總數(shù)；Cold為實(shí)際投產(chǎn)的電源裝機(jī)容量；Cout為退役的電源總裝機(jī)；Cnew為已規(guī)劃但在規(guī)劃期初尚未實(shí)際投產(chǎn)電源總裝機(jī)；H為利用小時(shí)數(shù)；γ為折現(xiàn)率；yi表示第i個(gè)周期的第一年與規(guī)劃期初之間的時(shí)間距離；T表示與區(qū)外互聯(lián)線路的集合；C為規(guī)劃年上的最大傳輸容量；P為上網(wǎng)電價(jià)(送出端)或落地電價(jià)(接受端)；Φ表示系統(tǒng)不供電量損失。

優(yōu)化方案生成后，通過電力電量平衡計(jì)算，對方案進(jìn)行調(diào)峰調(diào)頻校核，計(jì)算棄水、棄風(fēng)、棄光量。若無法滿足各地區(qū)棄水、棄風(fēng)、棄光要求，重新調(diào)整各類能源布局，直到通過校核，輸出結(jié)果。輸出方案包括各類可再生能源裝機(jī)的總規(guī)模和布局。

2.2 特高壓輸電電價(jià)倒逼方法

為了實(shí)現(xiàn)以上可再生能源消納目標(biāo)，需要保證可再生能源在受端市場的競爭力。除了政府的可再生能源專項(xiàng)補(bǔ)貼外，還可以通過控制輸電電價(jià)來激勵(lì)可再生能源的消納。

按照《規(guī)則》跨區(qū)交易模式采用集中撮合交易[9]，最后一筆達(dá)成交易的購售報(bào)價(jià)平均值為統(tǒng)一出清電價(jià)。其中，出清電價(jià)高低決定了可再生能源的消納規(guī)模。出清電價(jià)越高，可再生能源發(fā)電商的報(bào)價(jià)空間就越大，就能夠使更多的可再生能源參與到交易中來并消納可再生能源。系統(tǒng)的出清電價(jià)Pc如式(5)所示。

st.PL-PT≥PS

(5)

式中:PL和PS分別為達(dá)成最后一筆交易的買方和賣方的報(bào)價(jià);PT為輸電電價(jià)?？梢姡绻I賣雙方都按照邊際成本電價(jià)來申報(bào)的話，輸電電價(jià)PT的高低決定了入圍交易的PS，即可再生能源發(fā)電商的報(bào)價(jià)。因此，可根據(jù)需要消納的可再生能源規(guī)模及其邊際電價(jià)倒算特高壓輸電電價(jià)PT。

可參與跨區(qū)消納的可再生能源規(guī)模由最后一筆交易決定，交易的出清結(jié)果通過模擬交易生成。按照《規(guī)則》中所采用的撮合交易機(jī)制，以“高低匹配”為原則，首先撮合優(yōu)先級最高的買家和賣家的交易，然后撮合優(yōu)先級次高的市場成員的交易，以此類推，構(gòu)成的全局最優(yōu)的交易方案計(jì)算方法如式(6)所示。

Qij≥0,?i,J

(6)

式中：r和d分別為用戶的出價(jià)及其交易電量需求；π為可再生能源發(fā)電廠商的出價(jià)；s為可再生能源的消納需求，即代表了規(guī)劃的可再生能源的規(guī)模及其布局，以電量計(jì)；c為邊際傳輸耗費(fèi)Q的累加值，即為可再生能源消納目標(biāo)總量。

式(6)為交易中心求利潤極大的優(yōu)化模型[10]，目標(biāo)是使得社會總福利E最大化。求解該模型即可得到全局最優(yōu)下的用戶和可再生能源發(fā)電商的交易方案。其中，最后一筆交易的r和π的差值即為滿足可再生能源消納目標(biāo)的特高壓輸電電價(jià)PT。

2.3 可再生能源消納的輸電電價(jià)響應(yīng)分析

激勵(lì)形式下的特高壓輸電電價(jià)一方面容納了市場中更大量級的可再生能源，另一方面還會因?yàn)榕c成本電價(jià)形成了差額，進(jìn)而刺激受端的用電行為，從而進(jìn)一步擴(kuò)大可再生能源消納的體量。

利用彈性系數(shù)法可以獲取特高壓受端用電規(guī)模(包括電力和電量)對電價(jià)變化的響應(yīng)模式[11]。其采用的電價(jià)響應(yīng)模型如下：

(12)

式中:Q、L和P分別為目標(biāo)地區(qū)的電量、電力和電價(jià);彈性系數(shù)εQ,k表示節(jié)點(diǎn)k的電量對預(yù)測電價(jià)響應(yīng);彈性系數(shù)εL,k表示節(jié)點(diǎn)k的電力對預(yù)測電價(jià)的響應(yīng)。彈性系數(shù)ε本身可以通過對歷年電價(jià)調(diào)整前后的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析來獲取。

3 案例分析

以國內(nèi)某供需呈逆向分布的地區(qū)電力市場試點(diǎn)為例，模擬全國基于特高壓的跨區(qū)省間可再生能源交易，并利用所提的方法，獲取輸電電價(jià)，并對結(jié)果作比較分析。計(jì)算水平年為2020年。

按照2020年全國非化石能源“15%目標(biāo)”，分解至該地區(qū)的水電、風(fēng)電及太陽能發(fā)電總量約92 000 MW。按《規(guī)定》的增量可再生能源計(jì)，參與區(qū)內(nèi)交易并消納的可再生能源電力電量需求分別為10 530 MW和6.25×1010kW·h。

為了分解可再生能源規(guī)劃目標(biāo)，運(yùn)用2.1節(jié)方法解析得到各子區(qū)域的水電、風(fēng)電、太陽能發(fā)電裝機(jī)規(guī)模，如表1所示。

表1 規(guī)劃可再生能源規(guī)模及分布

利用電價(jià)預(yù)測方法[12]得到各地區(qū)的節(jié)點(diǎn)邊際電價(jià)作為交易報(bào)價(jià)，運(yùn)用2.2節(jié)方法開展模擬交易：以上地區(qū)的可再生能源發(fā)電商與系統(tǒng)中的所有用戶(以下網(wǎng)節(jié)點(diǎn)為例)開展集中撮合交易，直到所有可再生能源都被消納，得到交易方案及出清電價(jià)0.49元/kW·h，結(jié)果如表2所示。

表2 可再生能源完全消納的交易方案

由于表2中GZ地區(qū)可再生能源發(fā)電報(bào)價(jià)較高，若要全部消納，按照“高地匹配”原則，它將作為最后一筆交易，與報(bào)價(jià)較低(0.57元/kW·h)的用戶達(dá)成交易，它們的價(jià)差為0.16元/kW·h。該值即為滿足可再生能源消納的輸電電價(jià)。

另據(jù)第1節(jié)基于成本的輸電電價(jià)計(jì)算方法，可計(jì)算得到基于成本的輸電電價(jià)約為0.2元/kW·h。這表明執(zhí)行可再生能源完全消納的輸電電價(jià)，需有0.04元/kW·h的專項(xiàng)補(bǔ)貼來保障輸變電工程的成本回收。

算例中的輸電電價(jià)偏高，是因?yàn)榘烁麟妷旱燃壿旊姵杀?，若運(yùn)用到跨區(qū)省間交易，需要扣除特高壓以下電壓等級的輸電成本，或以特高壓工程上、下網(wǎng)端的產(chǎn)權(quán)點(diǎn)來計(jì)價(jià)。

4 結(jié) 語

在跨區(qū)域省間可再生能源交易的背景下，為有效促進(jìn)可再生能源消納，有必要提高可再生能源在受端市場的競爭力。激勵(lì)可再生能源消納的特高壓輸電電價(jià)是有效的途徑之一。

所提方法重點(diǎn)提出了激勵(lì)可再生能源的特高壓輸電電價(jià)計(jì)算方法。該方法首先對可再生能源的消納目標(biāo)進(jìn)行解析；然后基于其規(guī)模及布局，開展模擬交易；在完全消納可再生能源的基礎(chǔ)上，用交易價(jià)差倒逼得到特高壓輸電電價(jià)；同時(shí)，提供了因輸電電價(jià)調(diào)節(jié)而進(jìn)一步釋放的用電需求計(jì)算方法；最后，計(jì)算該電價(jià)與成本定價(jià)的差額，得到輸電電價(jià)補(bǔ)貼水平。案例分析證明了該方法的有效性。

所提方法力求為基于特高壓的跨區(qū)交易市場建設(shè)提供一定參考。下一步工作將進(jìn)一步驗(yàn)證該方法的有效性，并加以完善。

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China has a world-leading level in UHV technology, especially in construction and safe operation. An optimal energy configuration platform in a wide range based on UHV network has been formed gradually. In order to achieve a high portion of renewable energy to the overall electricity consumption by utilizing this platform effectively, the cross-area electricity trading market based on UHV network still requires a constant improvement, in which the key point is UHV transmission price forming mechanism. An UHV transmission price forming mechanism is suggested to stimulate the renewable energy consumption. Firstly, the consumption target of renewable energy is analyzed. Secondly, the trading simulation is carried out based on the scale and distribution of renewable energy, and then the UHV transmission price is forced through the price difference. Finally, the transmission price subsidy is obtained by calculating the gap between this price and cost pricing. A case analysis proves the effectiveness of this mechanism. As the cross-area trading of renewable energy has been given adequate considerations in the proposed method, it has a certain reference value for the construction of UHV cross-area trading market.

UHV；renewable energy; cross-area trading; transmission price

TM73

A

1003-6954(2017)01-0019-04

2016-11-07)

陶宇軒(1989)，工學(xué)碩士、工程師，主要從事電網(wǎng)規(guī)劃方面的工作和研究；

胥威汀(1985)，工學(xué)博士、工程師，主要從事能源電力規(guī)劃與電力市場方面的工作和研究；

李 婷(1979)，碩士、高級工程師，主要從事電網(wǎng)規(guī)劃、智能配電網(wǎng)方面的研究工作。