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聚焦 | 从限电限产透视“能源不可能三角”

北极星电力网新闻中心  来源:中国电力企业管理  作者:陈皓勇  2022/1/12 10:46:44  我要投稿  
所属频道:  关键词: 限电 电力供应 能源转型

北极星火力发电网讯:2021年7月以来,国家电网有限公司东北分部已连续下达20余次有序用电预警,由于调减外送电保持了东北地区电力平衡,前12次有序用电没有实施。但进入9月后电力供需形势更加严峻,再加上无法调减外送,从9月10日起东北三省一区开始执行有序用电,限电问题引起全国关注。据不完全统计,今年9月以来全国已经有近20个省份出台了力度不等的限电措施。

(来源:微信公众号“中国电力企业管理”  作者:陈皓勇)

与此同时,全球能源危机愈演愈烈,欧洲、美国、亚洲遭遇能源供需矛盾的冲击,天然气、原油、动力煤价格均大幅上涨。当前的形势使很多人担心能源危机是否会再次引发全球性通胀或滞胀危机。

我国针对能源危机采取了一系列行之有效的措施。国资委党委10月18日召开扩大会议,对中央企业进一步做好今冬明春能源电力保供工作进行再部署、再安排。会议强调,国资委出台了今冬明春能源供应保障考核奖惩办法,把保供作为今年企业考核的主要指标,实行“一票否决”,进一步推动企业担当履责,为能源保供多作贡献。为做好煤炭市场保供稳价工作,10月19日,国家发展改革委组织重点煤炭企业、中国煤炭工业协会、中国电力企业联合会召开今冬明春能源保供工作机制煤炭专题座谈会,研究依法对煤炭价格实施干预措施。

当前的能源供需形势与所谓“能源不可能三角”有关。“能源不可能三角”有多种不同的解释,但总体内涵大同小异,即任何一种能源都不能做到既供给充足、又价格便宜、还清洁环保,或能源安全、能源平等和环境可持续性不可能同时实现。本文拟从当前限电限产的局势剖析“能源不可能三角”的本质内涵,并初步探讨破解之道。

现代能源电力系统的三层网络结构

能源电力工业是国民经济发展中最重要的基础产业,不仅关系到国家经济安全的战略问题,也与人们的日常生活、社会稳定密切相关,因此其体制机制改革必须慎之又慎。能源电力系统的经济性和安全性是一体两面,而经济性建立在安全性的基础上,离开了安全性,能源电力系统的经济性就无从谈起。因此,为在保证安全性的前提下提高经济性,需要对其物理、经济、社会等特性进行深入分析。市场化后的能源电力系统成为复杂的“工程—经济”耦合系统,也是目前世界上规模最庞大、因素最复杂、资金和技术最密集的系统。市场元素的加入使得原本就已十分复杂的能源电力系统变得更加复杂,各种关系交织在一起,难以厘清,需要寻求有效的分析方法。与其他商品市场不同,能源的生产、储运、配售、消费往往需要通过各种类型的网络来进行,如电网、热网、燃气网等。由于本质上这些网络传递的都是能量,只是表现形式不同,所以可以统称为能量网络。能量网络包含不同类型能源的子网(电网、热网、燃气网等),而各种子网之间又通过能量转换设备(比如发电机、泵、空调和热水器等)相连。由于信息通信技术的飞速发展,在物理层面的能量网络的基础上,又可建立基于传统自动化、互联网技术和“大云物移智链”等新兴技术的信息网络,以对能源生产、储运和利用设备进行调控。而电力与能源商品的交易及价值传递形成价值网络,它是电力与能源价格体系的基础,并且受能量网络的物理规律和信息网络的优化模型制约。因此,现代能源电力系统形成如图1所示的电力与能源系统三层网络结构,这三层网络是紧密耦合、相互关联的。

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下面以节点电价和分区电价电力市场为例,说明现代能源电力系统的三层网络结构。节点电价的典型定义包含3个分量:

节点电价=系统能量价格+阻塞价格+网损价格

节点电价理论是基于经典的优化调度模型、在各种约束条件满足的情况下的资源优化配置电价,所以它与经济调度和最优潮流有着深刻的联系。最优潮流(或安全约束经济调度)模型求解过程中对应节点有功功率的拉格朗日乘子(影子价格)即为节点电价。看起来节点电价似乎很完美,但必须指出的是,节点电价是完全基于“工程师思路”而设计的,对电价体系的社会经济特征体现不够。节点电价所采用的物理潮流模型属于图1中第一层(能量网络层)的网络模型,基于它所建立的最优潮流(或安全约束经济调度)模型属于图1中第二层(信息网络层)的模型,此时两层网络模型的拓扑结构是相同的。但电能商品的交易关系包括比物理电网更多的社会和经济属性,即第三层(价值网络层)的关系,它并不服从物理潮流定律,拓扑也未必与物理网络相同。电能商品价值网络与物理电力网络的关系可用图2来表示。节点电价主要在以美国为代表的电力市场中得到应用,而在欧洲电力市场主要采用分区电价。

分区电价体系设计更多地体现了经济学家的思路,其价区划分不仅仅是物理电网约束,还有社会经济方面的考虑并涉及到国际贸易,体现出一个不同于物理电网的价值网络的存在(其拓扑与物理电网也不同)。价区划分既涉及市场公平性问题,也与输电网物理阻塞有关。

能源供给与消费的价值规律和价格体系

能源问题关乎国计民生,如何实现能源的高效、清洁利用是各个国家所关注的热点问题。改革开放以来,我国历次能源体制改革的初衷都是打破垄断、引入竞争、提高效率、降低成本、改善服务,但由于多方面的原因,我国能源价格体系市场化目标的实现依然困难重重。能源产品比价关系是能源价格体系的核心问题。不合理的价格管制和割裂的政府管理扭曲了能源价格水平以及不同种类能源产品之间的比价关系,难以实现对不同种类能源的高效配置,也无法保证能源结构优化及可持续发展。为实现节能减排,我国安排了大量专项资金进行整治,但效果却并不理想。其原因之一是能源价格体系本身就存在大量转移支付和交叉补贴,而不同部门之间也缺乏有效沟通和合作,弱化了各种政策的协同效果。

价格是价值的外在表现,能源价格形成机制设计也应建立在其价值规律的基础之上。“价值问题”具有理想性(即回答“最理想的价格应该是什么”),而“价格问题”具有现实性(各利益主体将基于价格进行真金白银的结算)。在计划经济模式下,最理想的能源价格水平应等于其真实价值;在市场经济模式下,能源市场价格应围绕其真实价值上下波动。在当前的形势下,能源产品比价关系问题应引起各方高度重视。

各国能源价格体系的实际比价受到资源禀赋、市场结构、供需形势、政策干预等多种因素的共同影响。按照国际通用的方法,根据热值计算各类能源的价格比,世界范围内煤炭、石油、天然气之间的比价大致为1∶1.5∶1.35,而我国动力煤、石油和天然气的比价约为1∶4.5∶2.7。相对而言,我国煤炭较油气价格偏低,而天然气较石油价格偏低,较煤炭价格则偏高,不利于更清洁环保的天然气的开发利用。价格体系的核心作用在于引导供需平衡和优化生产、消费,我国现行能源价格体系在原油与成品油、煤炭与电力、天然气与电力等上下游能源产品之间形成了多种价格屏障,其主要目的是为了减少外部冲击,维持有利于工业化发展的能源比价水平。但是这种价格屏障同时也切断、扭曲、异化了多种能源产业的上下游关联性,使得各种成本、价值及供需关系无法沿价格链条顺畅传导,能源产品的替代性与互补性也不能经由价格联动和反馈机制表现出来。

能源供给与消费的价值规律涉及能量传递、转换的基础物理规律。现阶段对供能系统的分析方法主要有能量分析法和㶲分析法。能量分析法的关注重点在于能量“数量”上的变化,但由于热力学第二定律所揭示的过程不可逆性,能量在传递、转换过程中对外做功的能力会不断下降,即能量的“品质”会不断下降。仅考虑能量数量的变化而忽略能量品质的变化,无法真正指导科学用能。㶲是能量对外做功能力的量度,指当系统由一任意状态可逆地变化到与给定环境相平衡的状态时,理论上可以无限转换为任何其他能量形式的那部分能量。节能本质上是要实现节㶲。㶲分析法关注能量传递转换过程中㶲的变化,给出供能系统各环节的㶲损分布情况,充分发掘供能系统的节能潜力。㶲分析法和能量分析法都是从供能系统的能耗特性角度进行分析,但是在实际应用中,供能系统的经济特性具有同等甚至更高的重要性。因此,研究人员在供能系统性能分析的过程中采用了㶲经济学的分析方法,综合考虑供能系统的热力学性能和经济效益两方面,力图在保证经济性的前提下最大程度地实现节能。

各类能源合理比价关系的确定需要建立在㶲经济性优化的基础之上。由于加热炉转换过程中㶲的损耗和排弃,使输出的有效热流㶲在数量上远小于燃料化学㶲。但是燃料㶲的成本和价值必定全部转移到输出热流㶲中来,再加上加热炉投资折旧和工资、管理费用等非能量成本,致使单位热流㶲的成本将成倍高于燃料化学㶲,并因设备的不同而不同。在这个过程中㶲越来越少,但是单位㶲的成本将越来越高。多个这样的设备组成的供能系统的㶲流及相应的成本、价值变化也将形成一个价值网络,应作为能源价格体系制定的基础。通过合理确定燃料(化学㶲)价格、供热(不同温度的热流㶲)价格的比价关系,能使供能系统的能效和经济性达到统一,即使节能率与“节资率”相近或一致。由于在这种能源价格体系下“节能”与“省钱”具有等价关系,将促进节能技术的开发和应用。

电力、热力、石油、燃气等能源产业都具有网络化特征,其价值传递和转换既受经济学规律支配,也受物理学规律制约,因此形成复杂的价值网络,目前尚未被政策制定者充分认识。深入分析和理解电力与能源价格体系中价值网络的基本规律,并作为各种比价关系优化和能源价格体系制定的基础,既有利于能源效率的提升,也有利于能源产业和经济社会的健康可持续发展。

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以能源生产关系变革和生产力提升破解“能源不可能三角”

2014年6月13日,习近平总书记在中央财经领导小组第六次会议上明确提出了“四个革命、一个合作”的能源安全新战略。2015年3月15日,中共中央、国务院印发《关于进一步深化电力体制改革的若干意见》,标志着新一轮电改大幕开启。2017年10月18日,习近平总书记在中国共产党第十九次全国代表大会报告中提出“推进能源生产和消费革命,构建清洁低碳、安全高效的能源体系”。2020年9月22日,习近平总书记在第七十五届联合国大会一般性辩论上表示,“中国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和。”2021年3月15日,习近平总书记在中央财经委员会第九次会议上进一步明确了“实施可再生能源替代行动,深化电力体制改革,构建以新能源为主体的新型电力系统”的举措。2021年9月22日,中共中央、国务院再次发布《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》,提出“加快构建清洁低碳安全高效能源体系”“深化能源体制机制改革”。这一系列重要指示和文件精神从全局和战略的高度指明了保障我国能源安全、推动我国能源事业高质量发展的方向和路径。

如前文所述,能源电力系统是一个复杂的系统。能源体制机制改革虽然属于“技术密集型”的改革,本身却不是技术上的革新,而属于社会科学的范畴。其本质是经济关系(生产关系)的变革,改的是经济体制,变的是人(企业)的行为,而技术仅仅只是支撑手段。并不存在普遍适用的能源电力市场模式,各地也只能根据各自的实际情况因地制宜地制定市场改革措施。改革主导者必须学会依据市场经济的基本原则灵活地设计符合本地实际情况的市场机制,并随改革实践不断修正和完善,许多新的规律只能基于辩证唯物主义的认识论原则,在改革实践中不断提高和深化认识。此外,能源电力市场改革方案设计应遵循社会主义市场经济的特殊规律。我国区域经济发展不平衡,市场主体的能源生产成本和能源价格承受能力差别较大,企业既要追求经济效益,也要承担社会责任,“效率”与“公平”“经济”与“安全”兼顾是能源电力市场改革必须坚持的原则。

电力市场是能源市场中最为特殊的一部分,也是最难攻克的关键一环。电力市场中交易的商品是以看不见摸不着的电能形态存在的,是世界上最特殊的一种商品。抛开复杂技术的表象,电力市场改革应被理解为“复杂技术约束条件下的经济体制改革”。应深刻认识我国电力市场体制(生产关系)与电力工程技术(生产力)的基本矛盾,设计符合当前我国电力行业生产力发展实际水平的市场机制,解决电力行业现有生产关系与新背景下清洁、高效、安全的生产力发展的客观要求不相适应的问题。当前能源体制机制改革已进入深水区,能源电力市场设计和规则制定已成为改革主导部门所面临的关键问题。但是,“市场设计”的观念尚未建立起来,有关部门也还未掌握能源电力市场设计的科学方法论。因此,笔者提出“电力市场设计学”的概念,包括基于经典微观经济学的电力市场体系和电价模型初步设计、基于拍卖理论和博弈论的电力市场交易机制设计、基于计算经济学和实验经济学的电力市场仿真和电力市场交易的实地研究等步骤。这些基本的方法和步骤也适用于其他能源品种的市场机制设计。

“能源不可能三角”的破解归根到底要靠科技进步与生产力提升,“以新能源为主体的新型电力系统”的构建必将导致电力系统形态的重大调整。随着可再生能源渗透率的不断提升、分布式电源和储能的广泛接入、电力电子设备的广泛应用,未来电网容纳的电源与负荷种类不断攀升,运行与控制面临复杂度过高的挑战。多层级集群型电力系统的结构模式(即源、荷、储分布在输电网、配电网、微电网等不同层次且以各种方式聚合起来实现集群自治运行)可以提高系统的灵活性、稳定性与可靠性,是新型电力系统的一种可能形态。将大区域电网划分为多层级的含多个“源—荷—储”集群的小型电网,并通过提高各个集群的自我管理能力实现自治运行。各个集群皆具供给、消纳及功率交换的能力,并尽量实现集群内发用功率平衡。由于人工智能技术的飞速发展,群体智能和协同控制的前沿理论与技术在多层级集群型电力系统中具有广阔的应用前景。多层级集群型电力系统的运行与控制问题也可以分为如图1所示的物理机理(“能量网络”层面)、信息控制(“信息网络”层面)和市场交易(“价值网络”层面)3个层面的问题,是典型的多学科交叉问题。在能量网络层面,需分析可再生能源电力系统的动态特性及各层级的分布,讨论未来电网中区域集群电网聚合方式,为多层级集群型系统多资源协同控制问题打下基础。在信息网络层面,需研究系统运行状态的在线监测和分析的理论与方法,并攻克含电源侧、电网侧与负荷侧多种资源的高动态、高维度、多智能主体、分布式协同控制的难题,以充分调动各资源合理、自主、协同、智能地参与系统运行控制。在价值网络层面,需深入研究多种灵活资源的定价理论、端对端交易市场机制和实现技术等,为各资源自主参与系统运行控制提供公平合理的激励机制和制度保障。通过能量网络、信息网络和价值网络的多学科交叉研究,调动各资源深度参与电网优化运行和静态与动态稳定控制,提升大电网安全运行水平,为新型电力系统建设和“能源不可能三角”的破解提供关键技术支撑。

本文刊载于《中国电力企业管理》2021年12期,作者供职于华南理工大学电力经济与电力市场研究所

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