2020年9月，習近平主席在第七十五屆聯合國大會的一般性辯論上宣布，中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。為了實現碳中和目標，發展高比例可再生能源已成為共識。憑借上網電價補貼和保障消納等政策，中國的可再生能源發展取得了令人矚目的成就，風電和光伏的發電成本實現了大幅下降，且即將進入全面平價上網的時代。風電和光伏的發電出力受自然條件影響大，具有明顯的間歇性、波動性和不確定性特征。在實現碳中和目標的過程中，隨著波動性電源滲透比例的不斷增加，我國的電力系統是否能夠繼續支撐可再生能源的高消納率？高比例可再生能源會給我國電力系統的安全穩定運行帶來什么影響？消納高比例可再生能源將會對我國的電力供給成本或電價產生多大的沖擊？這些問題的答案不僅有助于設計符合高比例可再生能源發展的電力市場機制，也有利于形成科學合理的成本傳導和分擔機制，激勵各方主體對參與發展高比例可再生能源的積極性，最終為實現碳中和目標奠定堅實的基礎。

現有電力系統能否支撐高消納率？

消納高比例的可再生能源是涉及到技術、經濟和政治的復雜問題，也一直是政府、業界和學界高度關注的議題。風電和光伏的邊際發電成本低，清潔無污染，對其進行充分消納和利用是人們的廣泛期許。2016年前的嚴重棄風棄光現象遭受了嚴重的社會輿論和壓力。為了遏制可再生能源的棄電現象，國家發改委制定了《可再生能源發電全額保障性收購管理辦法》，要求電力調度機構在確保供電安全的前提下，充分運用優先發電制度和市場競爭機制，全額收購規劃范圍內的可再生能源發電項目的上網電量。棄電率已經成為各省可再生能源發展的關鍵考核指標，是制約可再生能源新項目上馬的重要約束。在既定的可再生能源發展規劃下，對高比例可再生能源進行充分的消納是一個硬約束。

2019年，我國可變可再生能源（風電和光伏）的滲透率為8.6%，低于丹麥（45%）和德國（27%）等其他國家。但是，我國六個省區電網的新能源滲透率已經超過了20%，特別是蒙東地區的可變可再生能源滲透比例超過了丹麥。而且，2019年，我國風電、光伏和主要流域水能的平均利用率分別高達96%、98%和96%。這些實際數據說明，我國三北地區已經具備了消納高比例可再生能源的能力。但是，這些經驗能否復制到其他地區，還取決于其他地區的資源稟賦和電力系統靈活性調節能力。

圖1 2019年可變可再生能源的滲透比例（數據來源：中國電力科學研究院）

為了實現碳中和目標，可再生能源的裝機容量規模將不斷擴大。我國已經明確指出，到2030年，風電、太陽能發電總裝機容量將達到12億千瓦以上。考慮到我國電力系統的現狀，高比例可再生能源的發電和消納將對我國的電網運行能力和調度水平帶來嚴峻考驗。為了保障可再生能源的高效消納，從技術層面來看，一方面需要提升對風電和光伏出力的預測精度，從而為機組組合和調度做好預案。另一方面，也要加強對發電側、輸電側、用戶側和儲能側的靈活性建設，提升深度調峰和快速響應能力。電力系統的靈活性越高，調節能力越強，則越能應對高比例可再生能源帶來的調峰、調頻和備用的需求，保障電能供給質量。

高比例可再生能源消納對電網安全運行的影響

高比例可再生能源將會對電網的安全穩定運行帶來沖擊影響，棄電率是反映可再生能源對電網運行沖擊影響的重要指標。棄電有多種原因，如輸電線路阻塞、電量供大于求和市場力行為等。英國帝國理工大學最新發表在《Nature Energy》上的研究梳理了不同國家或地區在不同滲透比例下的棄電率，模擬結果如圖2所示。棄電率整體與可再生能源滲透率呈現出正相關關系，且滲透率每增加1%，棄電率的平均增加值位于0.02%到2.97%之間。其中，美國加利福利亞州的棄電率受可再生能源滲透比例的影響最為明顯。另外，在滲透率超過60%的高比例情景下，美國的棄電率最高，部分情景下達到將近50%的棄電率。以上述研究中不同國家的滲透比例影響棄電率的均值來進行估算，當我國的可變可再生能源的滲透比例分別為20%和30%時，棄電率將達到20%和35%左右。因此，電力系統如何應對高比例可再生能源的消納，降低棄電率將成為一個挑戰，也是未來電力系統升級改造和投資布局的重點。

圖2不同國家或地區在不同滲透比例下的棄電率

數據來源：Heptonstall P J,Gross R J K.A systematic review of the costs and impacts of integrating variable renewables into power grids.Nature Energy,2020:1-12.

可再生能源消納的經濟成本

為了保證電能供給質量（電壓、頻率等），風電和光伏在并網發電的過程中需要電力系統為其提供輔助服務，從而產生消納成本（Integration cost）。國家發改委發布的《關于2018年度電力輔助服務有關情況的通報》中指出，2018年，全國除西藏外31個省（區、市、地區）參與電力輔助服務補償的發電企業共4176家，補償費用共147.62億元，占上網電費總額的0.83%。其中，風電的輔助服務分攤量是23.36億元，光伏的輔助服務分攤量是2.67億元。風電的度電輔助服務成本為0.006元/kWh，光伏的輔助服務成本為0.002元/千瓦時。我國在2018年實現7.8%的可變可再生能源滲透比例下的平均度電輔助服務成本為0.005元/千瓦時，只占2018年全國平均銷售電價的0.80%。與英國和德國等國家相比，我國電力輔助服務成本的份額占比相對較低。一方面是因為我國的可變可再生能源滲透比例較低，更重要的是我國目前的輔助服務補償力度不夠。

圖3 2018年全國電力輔助服務補償金額

注：資料來源于國家能源局綜合司關于2018年度電力輔助服務有關情況的通報，見http://www.nea.gov.cn/2019-11/05/c_138530102.htm。

國外關于消納成本有多種定義，與國內輔助服務成本的內涵存在著一定差異。從全系統成本的視角來看，比較主流的消納成本定義包括平衡成本（balancing costs）、接入成本（grid cost）和匹配成本（profile cost）。平衡成本是為了應對可再生能源出力的不可預測性或預測偏差所產生的成本。匹配成本是由于為了解決可再生能源出力與負荷的不相關性所產生的成本。接入成本是由于可再生能源機組的地理位置所帶來的成本增量。

可變可再生能源的消納對電力系統的影響是復雜的，消納成本也會受到不同地區的電力系統技術組成、負荷曲線特征、可再生資源稟賦和監管機制差異等多種因素的影響。關于中國在高比例情景下的消納成本測算結果還相對較少，這里以英國的模擬結果作為參考，如圖4所示。在四種不同的電力系統靈活性發展情景下，三種可變可再生能源的消納成本均隨著滲透比例的增加而呈現出上升的趨勢。電力系統的靈活性越高，則消納成本越低。從所有情景下結果的平均值來看，光伏的平均消納成本最高（0.17元/kWh），陸上風電的消納成本最低（0.11元/kWh）。以英國2017年的平均居民電價1.38元/kWh為參考，三種技術在所有高比例情景中的最大消納成本占電價的比例分別為31%（陸上風電），38%（海上風電）和34%（光伏）。以英國電力系統靈活性的中等發展情景作為我國的參考，當可變可再生能源滲透比例達到30%時，其消納成本將占我國平均銷售電價的17%左右。

圖4英國可再生能源在不同滲透比例下的消納成本

注：圖中的價格已經根據2017年的匯率進行了換算，數據來源于Goran Strbac,Marko Aunedi.Whole-system cost of variable renewables in future GB electricity system,Joint industry project with RWE Innogy,Renewable Energy Systems and Scottish Power Renewables.Imperial College London.2016.Available at https://www.e3g.org/docs/Whole-system_cost_of_variable_renewables_in_future_GB_electricity_system.pdf.

中國人民大學副教授宋楓的最新研究也測算了可再生能源滲透比例對我國供電成本的沖擊影響，發現可再生能源的全系統消納成本將隨著滲透率提升而增加。當2030年全國的風光滲透率達到20-30%時，可能帶來全社會度電成本增加值位于0.03元/千瓦時至0.06元/千瓦時之間。而且，這也將對全社會經濟一般價格水平造成沖擊，基于中國2018年的投出產出表進行估算，我國的CPI和PPI分別增加0.21%-0.42%和0.48%-0.94%。因此，可再生能源的消納成本將不容忽視。

碳中和目標下消納高比例可再生能源的建議

基于上述關于高比例可再生能源對電力系統運行的影響和消納成本的分析，為了更好地促進高比例可再生能源的科學消納，提出了以下幾點建議。

1、強化對可再生能源消納成本的認識

隨著可再生能源的大規模發展，風電和光伏的消納成本應該受到重視。美國麻省理工大學的Paul Joskow教授在《美國經濟評論》上的文章指出，鑒于可再生能源的發電特征，傳統平準化度電成本方法存在局限，需要從全系統成本角度來進行多種技術的比較分析。可再生能源的消納成本會隨著時間和空間發生變化，電力市場是最好的量化方式之一。因此，在新一輪的電力體制改革過程中，需要構建科學的輔助服務市場，量化可再生能源的消納成本，并建立責任、權利和義務對等的消納成本分擔機制，疏導可再生能源的消納成本，釋放準確的價格信號，從而引導可再生能源技術的短期運行和長期投資。

2、科學考核高比例可再生能源的棄電率

為了落實可再生能源法的要求，國家能源局設定了各省的可再生能源消納目標，并發布了可再生能源的發電預警區域。隨著可再生能源滲透比例的不斷上升，棄電率考核有可能成為部分省份發展可再生能源的攔路虎。然而，雖然風電和光伏具有清潔和低邊際發電成本的優點，但是在特定的條件下，必須要進行棄電操作以保障電網的安全運行，如輸電線路阻塞和系統調節能力不足。同時，從電力系統供給的全系統成本來看，部分時刻進行策略性的棄電反而會降低運行成本。作為技術中性的電力調度機構，應該關注的是全系統的供給成本最小化或社會福利最大化，一味地追求可再生能源的高消納率會帶來過度消納問題，損失經濟效率。因此，需要科學的認識棄電率的安全和經濟價值，從而建立科學的考核機制。

3、實施經濟調度機制以促進可再生能源的高效消納

從根本上來看，可再生能源的消納問題屬于電力系統調度運行的范疇。在滿足一定的技術和安全約束條件下，不同發電機組在不同時刻的發電量，是根據調度目標進行資源配置的結果。我國的電力系統當前實施的是行政力量主導的“三公”調度機制，該調度機制在一定程度上保障了火電機組的成本回收，卻降低了資源的配置效率。而且，由于調度機制的具體細節不透明，社會公眾難以對其調度的科學性和合理性進行完全的監督。在高比例可再生能源發展情景下，機組單體容量小，數量眾多，分布更加廣泛，協調調度運行的時間和成本將顯著增加。高比例可再生能源的調度運行需要更加透明和高效的調度機制，經濟調度機制是一個不錯的選擇，也是其他國家已經廣泛應用的調度機制。經濟調度機制在保障電網安全運行的前提下，按照總成本最小化的原則來實現對不同類型機組的組合和調度，調度結果公開透明可預測，可以為可再生能源的運行和投資提供清晰的信號。

4、借助輔助服務市場機制對消納成本進行補償和疏導

當前，我國的輔助服務市場還處于試點階段，補償機制還不完善，對可再生能源引發的消納成本的分擔和疏導還不充分，給其他市場主體帶來了額外的經營壓力，挫傷了對可再生能源發展的積極性。而且，隨著可再生能源的滲透比例不斷增加，這一問題會更加凸顯。借助新一輪電力市場化改革的契機，可以通過輔助服務市場的設計，產生消納成本的價格信號，體現不同地形地貌、電網結構和電力需求的消納成本差異，從而引導可再生能源技術的合理投資布局。

在碳中和目標的驅動下，高比例可再生能源的時代即將到來。只有科學的認識可再生能源并入對電力系統的安全、技術和經濟等多個方面的沖擊影響，識別潛在的風險和問題，才能提前制定出相應的應對策略，以更好的保障可再生能源的長遠健康發展和助力碳中和目標的實現。

注：本文作者為中國人民大學應用經濟學院助理教授陳浩。