改善電力調(diào)度機(jī)制 

助力全國(guó)碳市場(chǎng)發(fā)揮功效

Topics in Carbon Market Design:

Power Sector Dispatch Reform and China’s National ETS

Max Dupuy，李昂

2016年12月

前言

在國(guó)務(wù)院發(fā)布的《“十三五”控制溫室氣體排放工作方案》中提出，中國(guó)將于2017年啟動(dòng)全國(guó)碳排放權(quán)交易市場(chǎng)，涵蓋石化、化工、建材、鋼鐵、有色、造紙、電力和航空等8個(gè)行業(yè)中年耗能1萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤以上的企業(yè)。按照“方案”內(nèi)容，幾乎所有電力企業(yè)都要納入全國(guó)碳交易市場(chǎng)。中國(guó)的電力行業(yè)消費(fèi)了全國(guó)50%以上的煤炭，貢獻(xiàn)了40%左右的CO₂排放，是最大的排放部門１，其排放的變化對(duì)全國(guó)達(dá)峰目標(biāo)的完成與否至關(guān)重要。

與此同時(shí)，新一輪的電力行業(yè)改革也在進(jìn)行中?！蛾P(guān)于進(jìn)一步深化電力體制改革的若干意見》（9號(hào)文）于2015年3月下發(fā)，同時(shí)出臺(tái)的還包括《關(guān)于有序放開發(fā)用電計(jì)劃的實(shí)施意見》等6份配套文件。這些文件對(duì)具體的改革領(lǐng)域提出了明確的要求。其中，9號(hào)文中明確提出了這輪改革的關(guān)鍵目標(biāo)，包括“提高能源利用效率”以及“促進(jìn)節(jié)能環(huán)?！保⑶覍⒐?jié)能減排作為了主要原則之一。

電力行業(yè)改革和碳市場(chǎng)建立這兩個(gè)政策進(jìn)程從設(shè)計(jì)到執(zhí)行都有著緊密的聯(lián)系。在缺乏相互協(xié)調(diào)的情況下，各自設(shè)定的政策目標(biāo)可能會(huì)面臨重重挑戰(zhàn)，并限制兩個(gè)政策實(shí)際作用效果。這兩個(gè)進(jìn)程之間的價(jià)格信號(hào)傳導(dǎo)被視為最為關(guān)鍵的聯(lián)系之一，而現(xiàn)行的電力調(diào)度機(jī)制可能是制約碳市場(chǎng)促進(jìn)電力行業(yè)低碳化的障礙。

進(jìn)一步放開發(fā)用電計(jì)劃被視為此輪電改的核心任務(wù)之一。作為9號(hào)文的配套文件之一，《關(guān)于有序放開發(fā)用電計(jì)劃的實(shí)施意見》提出了放開發(fā)用電計(jì)劃的原則和方向。今年7月，發(fā)改委經(jīng)濟(jì)運(yùn)行調(diào)節(jié)局下發(fā)的《關(guān)于有序放開發(fā)用電計(jì)劃工作的通知（征求意見稿）》則預(yù)示此項(xiàng)工作進(jìn)入操作層面。

本文將向?qū)ω?fù)責(zé)設(shè)計(jì)全國(guó)碳排放交易體系的相關(guān)方和決策者們簡(jiǎn)略介紹現(xiàn)行的電力調(diào)度機(jī)制及其與碳市場(chǎng)之間的關(guān)系 。

只有電力市場(chǎng)改革與碳市場(chǎng)建立有機(jī)結(jié)合，才能促進(jìn)中國(guó)的電力行業(yè)低碳化。 本文將著重介紹改善電力調(diào)度機(jī)制與碳市場(chǎng)。在之后的文章中，我們將探討碳排放交易體系的設(shè)計(jì)與電力市場(chǎng)改革其他方面的結(jié)合。

１Zhao,X.L., Q. Ma, R. Yang. Factors influencing CO2 emissions in China's power industry: Co-integration analysis[J]. Energy Policy, 2013. 57: 89-98.

什么是電力調(diào)度

電力行業(yè)的屬性與中國(guó)碳交易體系中包含的其他行業(yè)有很大差別。與那些能夠提前生產(chǎn)出來(lái)并能在倉(cāng)庫(kù)中儲(chǔ)存的大宗商品不同（比如鐵和鋁），電的生產(chǎn)和使用具有實(shí)時(shí)性２。 調(diào)度中心負(fù)責(zé)管理電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)作， 要保證需求側(cè)和供給側(cè)的實(shí)時(shí)平衡。電力需求在一天之內(nèi)是波動(dòng)的，電網(wǎng)上的其他一些情況，比如輸電線路擁堵也是如此。

電力調(diào)度是調(diào)度中心管控的過(guò)程，包括決定使用哪一臺(tái)發(fā)電機(jī)來(lái)滿足電力需求并保持電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定。調(diào)度中心必須每分鐘、每小時(shí)、每天都進(jìn)行實(shí)時(shí)的電力調(diào)度決策才能保證電力供需的平衡。近年來(lái)，可再生能源（比如風(fēng)能和太陽(yáng)能）的裝機(jī)容量不斷增加，使調(diào)度中心在平衡電網(wǎng)方面遇到了新的挑戰(zhàn)。與傳統(tǒng)的燃煤和燃?xì)獍l(fā)電站出力的方式不同，可再生能源的發(fā)電量基本依賴氣象條件，存在間歇性和波動(dòng)性，調(diào)度中心不能對(duì)可再生能源電源進(jìn)行直接控制。 這個(gè)挑戰(zhàn)是能夠克服的，可以通過(guò)有效的調(diào)度方法，連同其他的技術(shù)手段，并對(duì)電力價(jià)格和電力行業(yè)政策的其他方面做出改變等多元化措施來(lái)應(yīng)對(duì)３。

經(jīng)濟(jì)調(diào)度（Merit Order Dispatch）是國(guó)際大多數(shù)地區(qū)指導(dǎo)調(diào)度的原則

在北美、歐洲和世界大部分地區(qū)，調(diào)度中心基于經(jīng)濟(jì)調(diào)度方法做出調(diào)度決策。這種方法的基本思想是根據(jù)運(yùn)營(yíng)成本４把每個(gè)可用的發(fā)電機(jī)組進(jìn)行排序。運(yùn)營(yíng)成本很大程度上反映了燃料成本和發(fā)電機(jī)把燃料轉(zhuǎn)化成電力的效率。當(dāng)碳價(jià)格存在時(shí)，排放成本也反映在每個(gè)發(fā)電機(jī)的運(yùn)營(yíng)成本中。

根據(jù)發(fā)電機(jī)的運(yùn)營(yíng)成本的“優(yōu)先次序”，調(diào)度中心優(yōu)先使用成本最低的發(fā)電機(jī)５。 為了處理供給和需求側(cè)的變化６以及電網(wǎng)擁堵等情況，他們每天都會(huì)多次重復(fù)這樣的排序流程。由于電網(wǎng)擁堵和其他一些電網(wǎng)可能出現(xiàn)的變化，調(diào)度中心并不一定每次都使用成本最低的發(fā)電機(jī)。但是對(duì)整個(gè)電網(wǎng)的運(yùn)營(yíng)來(lái)說(shuō)，時(shí)刻最小化系統(tǒng)內(nèi)的總運(yùn)營(yíng)成本是一條關(guān)鍵的原則。

２未來(lái)可能會(huì)出現(xiàn)諸如大型儲(chǔ)電池等形式的儲(chǔ)電裝置。然而，盡管儲(chǔ)電成本在降低，但依然較高，目前相比于電力系統(tǒng)的整體規(guī)模有限。

３關(guān)于如何應(yīng)對(duì)可再生能源間歇性和波動(dòng)性的討論，可見http://www.nrel.gov/docs/fy16osti/66728.pdf and http://www.raponline.org/document/download/id/7482

 ４運(yùn)營(yíng)成本也可以叫“短期邊際成本”或“可變成本”。

 ５需要注意的是，資本成本并未反映到經(jīng)濟(jì)調(diào)度排序中 。

 ６需求的波動(dòng)源于終端用戶的能源使用情況，這些變化是時(shí)時(shí)發(fā)生的。

經(jīng)濟(jì)調(diào)度與排放交易有什么關(guān)系？

理論上說(shuō)，碳價(jià)與經(jīng)濟(jì)調(diào)度相互作用會(huì)鼓勵(lì)可再生能源以及其他低排放發(fā)電機(jī)組。在歐盟碳交易地區(qū)以及美國(guó)執(zhí)行碳交易的州，我們也看到了這種效果。由于碳成本是發(fā)電機(jī)組運(yùn)營(yíng)成本的一部分并且發(fā)電機(jī)組的碳排放各不相同，碳價(jià)格也使得低排放電源在“優(yōu)先次序”中的地位進(jìn)一步得到鞏固，從而鼓勵(lì)更低排放機(jī)組的使用。

在電力現(xiàn)貨市場(chǎng)中，碳價(jià)的出現(xiàn)相當(dāng)于提高了以化石為燃料的發(fā)電機(jī)的運(yùn)營(yíng)成本。但核電以及可再生能源則沒有這部分成本，而天然氣的碳排放成本通常會(huì)低于煤電。碳價(jià)和經(jīng)濟(jì)調(diào)度的相互作用一般都會(huì)使排放相對(duì)較低的發(fā)電機(jī)組獲得更高收益。這樣就會(huì)鼓勵(lì)投資者們將關(guān)注點(diǎn)更多的投放在低排放發(fā)電裝機(jī)上 。如圖1中左右兩邊的對(duì)比所示。

圖1 中左邊的柱形圖展示的是在電力系統(tǒng)中某一小時(shí)內(nèi)不同類型發(fā)電機(jī)組的“優(yōu)先次序”示意圖?？稍偕茉礇]有燃料成本， 因此可再生能源發(fā)電通常會(huì)排序第一。以煤炭或者天然氣作為燃料的發(fā)電機(jī)組能效也千差萬(wàn)別，因此運(yùn)營(yíng)成本也不一樣，“優(yōu)先次序”自然也不一樣。圖1中右邊的柱形圖展示了引入碳價(jià)后所帶來(lái)的改變。

圖1. 碳價(jià)形成前后電力系統(tǒng)中不同類型發(fā)電機(jī)組“優(yōu)先次序”變化的簡(jiǎn)化示意圖７

 ７此圖僅為示意圖，并不能反映所有實(shí)際調(diào)度情景。

發(fā)電調(diào)度在中國(guó)是怎樣運(yùn)行的？

在中國(guó)，電力部門以及電力調(diào)度的方式與世界上其他國(guó)家都有著明顯的區(qū)別。近幾十年以來(lái)，電力部門大力促進(jìn)發(fā)電容量增長(zhǎng)以滿足重工業(yè)部門發(fā)展的電力需求。為了支持對(duì)發(fā)電廠投資，政府實(shí)行了“年度發(fā)電量計(jì)劃”，目的是保障發(fā)電裝機(jī)——特別是燃煤電廠——有穩(wěn)定的收益。調(diào)度決策需要滿足年度發(fā)電量計(jì)劃，保障每一個(gè)燃煤發(fā)電機(jī)組都能達(dá)到年度計(jì)劃分配的的運(yùn)行小時(shí)數(shù)?？傊?，調(diào)度并不保證運(yùn)營(yíng)成本最小化。在任何給定時(shí)段，被調(diào)度的發(fā)電機(jī)組不一定是運(yùn)營(yíng)成本最低的可用機(jī)組 。

從前這種調(diào)度方式的不利影響并未突出顯現(xiàn)：因?yàn)樵谝惶熘畠?nèi)，工業(yè)需求都相對(duì)穩(wěn)定，很多工廠的生產(chǎn)晝夜不停，平衡電力系統(tǒng)的任務(wù)比較簡(jiǎn)單。這對(duì)于電力系統(tǒng)的靈活性并沒有提出太高的要求。概括來(lái)說(shuō)，中國(guó)在拉動(dòng)發(fā)電投資以支持重工業(yè)發(fā)展方面取得了較大的成功，相比其他發(fā)展中國(guó)家獲得了顯著成就。

這種調(diào)度方式雖然以前取得了成功， 且與中國(guó)的國(guó)情相適應(yīng)，然而現(xiàn)在，這種方式已經(jīng)十分低效了。傳統(tǒng)的電力調(diào)度方式不夠靈活，無(wú)法支持供給側(cè)（風(fēng)能和太陽(yáng)能等波動(dòng)性的可再生能源）和需求側(cè)（非工業(yè)用戶）日益增加的多變性。這種調(diào)度方式導(dǎo)致了嚴(yán)重的棄風(fēng)、棄光和棄水現(xiàn)象的發(fā)生（見圖2）。另外，沿用傳統(tǒng)調(diào)度方式意味著在更高效發(fā)電機(jī)組可用的情況下經(jīng)常使用低效的燃煤發(fā)電機(jī)組，導(dǎo)致電力部門不必要的高成本和高排放。

中國(guó)的排放交易與電力調(diào)度

      中國(guó)的電力調(diào)度方式是碳定價(jià)工作的一個(gè)壁壘。原則上，碳定價(jià)應(yīng)當(dāng)使得高排放發(fā)電站的運(yùn)營(yíng)成本上漲，從而影響到調(diào)度的優(yōu)先次序，促使排放更低的資源被優(yōu)先使用。這樣也會(huì)發(fā)出信號(hào)，吸引更多資源投入到低排放電源中。但是，正如同我們所見，中國(guó)的電網(wǎng)企業(yè)一般不會(huì)根據(jù)運(yùn)營(yíng)成本來(lái)調(diào)度發(fā)電。這也就意味著與碳價(jià)相關(guān)聯(lián)的價(jià)格信號(hào)并不會(huì)有效的傳達(dá)到電力系統(tǒng)中，以達(dá)到電力系統(tǒng)低碳化的效果。

圖2. 中外不同地區(qū)、國(guó)家間棄風(fēng)率的比較８

改善中國(guó)的電力調(diào)度機(jī)制

      近幾年，中國(guó)出臺(tái)了一些試點(diǎn)項(xiàng)目和政策文件，用于改善電力調(diào)度。例如，自2007年以來(lái)，法律規(guī)定了保障收購(gòu)可再生能源。幾個(gè)省級(jí)“節(jié)能調(diào)度“試點(diǎn)項(xiàng)目也已經(jīng)運(yùn)營(yíng)了數(shù)年。自2015年3月以來(lái)，電力調(diào)度就成為了電力行業(yè)改革中的重要部分（“電改9號(hào)文”）。最近也出臺(tái)了一些新的政策文件，旨在改善調(diào)度和減少可再生能源棄電現(xiàn)象。 相關(guān)文件包括：

· 2015