在中期尺度上,存在着可能的一种变化,那就是通过对现有系统的更新改造或者关停(比如未达到技术寿命的发电机组)来加快系统的结构变化与资产更新。这方面值得探讨的是:在中短期,是否需要提前退役严重影响系统灵活性的大容量输电线路以及大容量的煤电机组。
这些广泛存在的措施的最终目标,在于以经济有效的方式,保证电力系统在任意地点与时间上的供需平衡。在目前的系统中,通常电网平衡与安全负责的机构(比如调度或者电网)都拥有一定的平衡资源,而发电厂商也在一定的调节范围内有参与系统服务的义务。超过这些范围,电力市场也存在着平衡市场,去实现额外的平衡需求的购买与供应服务。在美国的部分电力市场,这一平衡市场还能够与能量市场联合优化出清,促进整个电力系统的最优化。
风电出力预测的误差(fore error)总是存在,相比传统的可控能源形式,风电往往意味着更多的系统平衡与备用资源。这一平衡的需求,是针对风电预测的误差,而不是风电的全部。这一增加的程度,从若干欧洲风电大国的经历来看,是非常有限的。短期来看,风电存在一定程度的保证容量(与地点与负荷特性高度相关,在5%-40%左右),而我国电力系统也存在着较大的冗余。不考虑系统的爬坡速率问题,笔者团队的初步研究表明,即使目前的电力系统完全不改造,接纳年(发电量)10%风电与5%太阳能以上份额在技术上是可行的。目前的可再生能源比例距此还存在相当的距离,仍具有快速发展的现有系统可行性条件,关键在于其他问题的解决。
风电并网的成本视角——超越发电成本(LCOE)的系统成本
从一般的角度而言,由于电力的需求是波动的,并且不方便储存,因此不同的时间上具有不同的价值,在电力需求高的时候价值大,需求低的时候价值小。相对于单一的发电技术,不同特点技术的组合是成本更低的选择。比如基荷选择低燃料成本机组(比如核电),尖峰选择低投资成本(比如天然气)的是最有效率的。
从不同电源类型的出力特性来看,没有任何一种电源类型可以完美无缝隙的满足波动的需求(完全可调节的天然气机组也存在机组故障风险)。从经济学价值的角度,我们可以定义一个假想的“电源”类型,具有与需求完全一致的出力特性,也就不需要任何除发电外的成本。那么,其他电源类型,包括传统的煤电、气电,也包括风电、太阳能等可再生能源,与这一理想电源的差别,就是这些电源除了本身发电成本之外的“系统成本”。因为,作为波动性的电源,风电要提供充分满足需求特性的电力,还将存在相比传统电源更大的系统成本。
以完美跟踪需求变化的发电技术为参照,系统成本主要将包括三个方面:
1、出力特性与需求特性的差别。风电的保证容量较低,因此风电进入系统并不能等效地降低其他机组的投入,它会减少其他机组的利用时间,增加系统过多冗余的必要性,甚至在某些时刻大过总负荷,这在目前的技术条件下可能导致负的电力价格。这导致系统成本相比不发展可再生能源而增加。可称之为特性成本(Profile cost)。
2、出力的误差平衡。风电的出力是波动并具有不确定性的,预测总是有误差的,因此预测的误差就需要系统提供额外的容量来平衡。这就需要平衡成本(Balance cost)。
3、风电出力的地域限制与传输限制。这一成本也存在于其他的电源当中,也就是电网的传输容量限制,或者缺乏,必须为了风电能够充分上网而投资或者扩建。这就对应网络成本(Grid cost)。
以上的三项成本,基本随着可再生能源的份额增加而增加,但是其具体的大小仍取决于电力系统的特点,取决于系统中各项技术的互动。一般而言,特性成本往往是三项成本中最大的。从程度上,可再生能源的随机性与间歇性,也决定了它们的系统成本,往往要大于传统的可控化石能源机组,特别是具有良好调节性能的机组。
必须指出的是,这些成本是客观存在的,但是这是系统特点与风电出力的特点所决定的,并不是市场失灵,不需要任何的政府政策干预。在起作用的电力市场中,这种成本自然会显现并由相应的承担主体。比如由于风电出力的时候市场价格低,而风电不出力的时候市场价格高,那么平均来看,风电的单位发电收益水平就比不上具有灵活调节性能的天然气;风电出力预测有误差,其业主就必然需要在平衡市场购买相应的平衡服务,以实现自己此前向市场的发电承诺;系统需要为大规模的风电出力波动提供更高水平的旋转备用等资源,这一系统服务也必然会以某种形式(比如分摊到输配成本、风电自身承担、调度收费)得以消化。