可再生能源配额的优化配置模型

吴锐，何永秀

(华北电力大学经济与管理学院，北京市 102206)

可再生能源配额的优化配置模型

吴锐，何永秀

(华北电力大学经济与管理学院，北京市 102206)

为了建立科学合理的可再生能源总量目标模型，制定切实可行的指标分解方案，深入分析了典型国家制定可再生能源发展目标及配额指标的经验，结合中国国情和可再生能源发展现状，构建了可再生能源电力总量目标预测模型及基于可再生能源潜力和消费的配额指标分解模型。选取2015年作为规划年，对中国可再生能源电力配额方案进行了深入探讨，并从环境效益和社会成本进行经济性评价。研究结果表明，中国在制定可再生能源电力配额指标时，应采取自上而下的分解方法，综合考虑非化石能源消费结构、CO2减排目标、国民生产总值(gross national product，GDP)增长、电力需求及电网能力对配额比例的影响。

可再生能源；配额制；总量目标；多目标规划；补贴效率

0 引 言

近年来，可再生能源配额制受到越来越多的关注。文献[1-3]研究和论证了促使可再生能源配额政策实施的因素，包括：市场重组、气候变化、能源安全性以及可再生资源相对于其他能源(如天然气)发电的价格壁垒及其显现的长期成本优势，试图以成本和政府行政参与程度最低来实现可再生能源目标。文献[4]分析了我国能源供需分布格局及其区域间能源平衡的特点，论证了实施可再生能源配额制在东部沿海地区能源结构优化过程中的意义及其途径。文献[5]深入分析了配额政策、固定电价制度和竞争性招标的适用性，指出可再生能源发电配额制(renewable portfolio standard，RPS)政策不仅有利于可再生能源规模化目标的实现，而且有利于可再生能源技术商业化和本地化的实现。

可再生能源配额总量目标确定和指标分解方法是当前配额制研究的热点和难点。文献[6]初步研究了中国RPS政策，并通过比较英国、美国、荷兰、丹麦和澳大利亚五国的可再生能源发电配额制政策，总结了实施RPS的国际经验。文献[7]对《可再生能源法》提出的可再生能源总量目标制度的内涵进行了界定，指出制定总量目标制度时应包括2个基本要点，即确定总量目标和选择实现总量目标的保障政策，并提出了中国总量发展目标制度所具有的基本特征包括：强制性、战略性、阶段性、计划性、指导性和明确性。文献[8]提出了以能源供应战略方案及其环境综合影响模型(model of energy supply strategy alternative and their general environmental impact, MESSAG)耦合能源需求模型(model for analysis of energy demand, MAED)为基础的可再生能源综合规划方法，并选取四川省为案例进行实证研究。结果表明该方法综合考虑资源禀赋、经济成本和污染物排放多重约束, 并且能够仿真激励政策的收益和成本, 从而制定出与当地资源条件、经济发展、环境治理目标相容的可再生能源发展规划目标和配套的政策措施。文献[9]研究了欧盟可再生能源规划模型及强制性目标分解方法，并总结了其对中国可再生能源规划总体目标分解的启示意义，指出在制定可再生能源省级目标时，要充分考虑可再生能源开发潜力和国民生产总值(gross national product，GDP)的影响，均衡省域间利益关系。文献[10]综合考虑资源开发、需求分布等因素对可再生能源规划的影响，提出了一种基于可再生能源潜力和能源消费的目标分解模型，并以中国国家可再生能源规划与省域可再生能源规划为案例，给出各省可再生能源分解目标。文献[11] 建立了以绿色经济效益最大化为目标的面向可再生能源配额制的优化配置模型，对可再生能源在区域间、用户间进行优化配置具有实际参考价值。文献[12]利用资源统计的方法由下而上进行了可再生能源资源调查，并以此为基础确定了配额制指标方案。

实施可再生能源配额制是促进可再生能源健康发展，实现社会持续发展的重要战略选择，而建立科学合理的可再生能源总量目标模型，制定切实可行的指标分解方案，是中国推行配额制所要解决的关键问题。本文基于中国电力市场和可再生能源发展现状，建立面向配额制的总量目标模型和指标分配模型，并进行经济性评价。

1 典型国家配额目标及指标制定

确定可再生能源发展配额指标是可再生能源配额制实施的关键。从国际上对配额制定的方法中可以认识到，影响配额制定的主要因素包括：指标因素、地区因素和技术因素。在配额总量目标制定方面，既可以针对可再生能源装机容量提出比例目标，也可以针对可再生能源发电量提出比例目标。目前，国际上确定可再生能源发展量化目标的方法主要有：

(1)以全国总的可再生能源发电容量占总的发电容量的比例为目标；

(2)以全国总的可再生能源的新增发电容量的增长率为目标；

(3)以不同地区的可再生能源发电量占总电力消费的比例为目标；

(4)以全国总的可再生能源发电量占总电力消费量的比例为目标；

(5)以每一种技术的可再生能源发电量为目标。

从国际配额制发展的经验来看，可再生能源发展目标可以是可再生能源电量，也可以是可再生电力装机容量。但是考虑到同样装机容量的年度发电量可能差异悬殊，可再生电力装机容量只能作为参考性目标，发电量才是真正有意义的指标。目前，除德克萨斯州以新增装机容量为目标外，各国配额制目标都是对可再生能源电量提出要求，且澳大利亚提出数量目标，其他国家提出比例目标。澳大利亚从发电量的角度制定了大规模可再生能源目标，指明2030年前每年可再生能源发电站的发电量。按规定，澳大利亚每年的可再生能源比例依据当年可再生能源发电目标、估算义务主体电力的获得量、前一年证书提交超额或不足量、每年免税证书预期量等由可再生能源管理办公室发布[13]。

配额指标分解到每个地区时要充分考虑该地区可再生能源的资源条件、地区经济发展水平或该地区电网的网架坚强情况等，分解到每个供电企业时可采用等比例分配方法和差异化分配方法。例如，意大利对每个发电企业制定相同的发电配额指标；美国加州以2001年配额比例为基准，以每年递增1%的方式确定总量目标，电力企业采用“存量+增量”方式承担不同配额指标。关于可再生能源配额分摊，荷兰能源基金会政策研究中心建立了可再生能源目标分摊模型，将欧盟可再生能源发电总目标分摊到15个欧盟成员国。该模型考虑了现在和未来各种可再生能源发电技术的技术性和经济性，从计算不同区域的各种可再生能源发电资源的潜力入手，确定欧盟可再生能源发展的总量目标。在总量目标分摊到各成员国的方案中，又充分考虑社会需求、经济承受力或者欧盟规划等因素对实现可再生能源分摊目标的影响，确定各成员国的可再生能源目标。

纵观国际经验，中国在推进配额制时应该注意以下几点：

(1)在确定可再生能源发展目标和配额指标时，应坚持由上而下的研究方法，根据国家合理控制能源消费总量和调整能源消费结构的宏观目标确定可再生能源发展的总量目标，而后分配到各省(市、区)。

(2)如何根据可再生能源发展的需要，明确目标中的主要因素，确定一个量化的可再生能源发展目标，要对各地区可再生能源资源潜力及开发利用条件进行深入的分析评价，对可再生能源市场潜力及发展前景进行充分估计；对具体配额方案从能源需求、资金供应、资源潜力、环境容量以及技术支持等方面进行分析、评价。

(3)配额指标既可以是可再生能源增长的绝对量，也可以是一个增长比例，但不论是绝对量还是增长比例，通常都是一个明确的数字。对于配额指标的地区分配综合考虑消纳责任、消纳能力、发展潜力、电网布局等因素，可以以省为单位进行可再生能源电力配额指标分配，不同资源条件的省份承担的配额指标不同；同类型的省份承担同等的配额指标。此外，在智能电网全面建设阶段，可以考虑效仿日本将配额指标的分配与电网系数联系起来。

2 中国可再生能源配额总量目标及指标分配原则

(1)明确性与发展性原则。大力发展风能、太阳能等可再生能源，已经成为我国中国能源发展战略的一项长期国策，因此在总量目标制度的设计上应着眼长远，且总量目标要非常明确，有具体的时间和量的概念。

(2)政府推动与市场调节原则。既要坚持政府推动，又要充分考虑市场调节因素。政府作为执行总量目标制度的主体，出台相关的激励政策，以推动总量目标的实现。同时，要注意发挥市场的作用，以降低可再生能源发展成本。

(3)公平性和区域差异原则。在配额总量目标的分解过程中要公平合理，对各个省市区的资源禀赋状况、经济发展状况、电网发展状况等进行综合考虑，坚持公平性和区域差异原则，使得各地的配额指标有所差别，为实现配额指标所采取的措施也同样要实事求是和因地制宜。

3 可再生能源配额总量模型

3.1 总量目标模型

在制定可再生能源配额总量目标时，应该考虑电力需求、环境保护、非化石能源发展等因素的可再生能源配额目标的影响，建立包含满足电力需求、非化石能源消费比重、CO2减排目标的多重目标规划模型。

(1)电力消费需求目标。电力消费目标函数以满足规划年电力消费为目标，构建规划年各能源发电总量满足最小用电需求函数。

(2)非化石能源消费比重目标。非化石能源消费比重目标函数从优化能源消费和发电结构出发，以非化石能源消费占能源消费总量的比例满足规划年的约束目标。

(3)CO2减排目标在此过程中只计算化石能源的碳排放。实施可再生能源配额制后，中国火电排放CO2要满足不超过规划年内响应CO2排放量的约束，构建CO2排放量最小的目标函数。

(1)

(2)

(3)

(4)

βq1≤CY

(5)

将上述函数转化成多重目标函数，满足以上条件所求得的qY，1、qY,2、qY,3分别为规划年的火电、水电、核电发电量，qY,4则为该规划年的可再生能源配额总量目标Z。

为了充分比较各种分配方案下，各省(市、区)所分得配额指标的差异，本文选取不同指标分配原则进行多方案比较。

方案Ⅰ：以基准年不同地区消费的可再生能源电量占全国可再生能源电力消费的比例为依据进行指标分配。

方案Ⅱ：以可再生能源资源禀赋状况为依据进行指标分配。

方案Ⅲ：以基准年各(省、市、区)可再生能源电力消费状况、资源禀赋状况、电网约束条件及未来经济发展状况等因素为依据进行指标分配。

3.2 可再生能源指标方案对比

3.2.1 方案Ⅰ

本节在计算各省(市、区)可再生能源配额指标时，采取自上而下的分解方法。其主要计算公式为

(8)

(9)

3.2.2 方案Ⅱ

(10)

(11)

3.2.3 方案Ⅲ

该方案假定规划年各省市区的可再生能源配额比例由固定比例和浮动比例这2部分组成。其中，固定比例包括2部分，基础年的可再生能源电力配额比例及每年固定的增长比例；浮动比例则综合考虑了经济水平、节能减排目标、电网约束条件等对可再生能源配额的影响。因此，各省市区规划年配额比例的浮动部分是为关于非化石能源消费结构、CO2减排目标、GDP增长、电力需求及电网能力的函数，即

l3,i=l3,ci+lfix,i+ΔRi

(12)

ΔRi=λ(α1γRQ+α2Rnon-fossil)

(13)

(14)

式中：l3,i表示方案Ⅲ规划年i省市区所分得的可再生能源发电量配额比例；l3,ci表示方案Ⅲ基础年i省市区可再生能源发电量占全国的比例；lfix,i表示i省市区每年固定增加的可再生能源配额比例，其比例的大小与地区的资源禀赋情况有关；αi表示各种因素对可再生能源配额的影响因子；λ表示i省市区的电网约束条件；γ表示能源需求与市场协调因子；ΔRi表示由经济发展、能源消费结构调等因素引起的配额比例的变动；Qit表示i省市区参与市场交易的能源数量；Qip表示i省市区能源生产总量。

需要说明的是，按照各省市区的可再生能源资源禀赋状况，分为5级。各级地区对可再生能源电力配额指标增长率的影响lfix,i因子取值如下所示。

(15)

3.3 非化石能源消费结构

根据“电力工业十二五规划”，2015年非化石可再生能源占一次能源消费的比重达到11.9%；2020年非化石能源发电在一次能源消费中比重为14.1%，电力工业为实现非化石能源在依次能源消费中比重达到15%左右目标的贡献率为0.94。

Ri,non-fossil=(ri,non-fossil-rci,non-fossil)Rrenewable

(16)

(17)

3.4 经济发展水平

经济发展与电量的需求关系可以简单表示为

Qi=MGDPiqi,GDP

(18)

Qi=MGDPci(1+rGDP)qci,GDP(1-rq,GDP)

(19)

则由经济增长因素引起的电力需求的变动率可表示为：

RQ=(1+rGDP)(1-rq,GDP)-1

(20)

式中：Qi表示省市区电量需求；MGDPi表示i省的生产总值；qi,GDP表示单位GDP产值的需电量；rQ表示GDP变动对电力需求的影响率；rGDP表示规划年GDP增长率；rq,GDP表示规划年单位GDP产值需电量下降率。

3.5 电网约束条件

在配额电量分配时，根据各地区电网条件不同，充分考虑电压随可再生能源装机容量变化的调整率，即当地电网条件较好时，调整率λ可取为1，实行较高的配额指标，若电网条件较差，调整率λ可取为0.9，实行较低的配额指标。

4 算例分析

本文以2013年为基准年，2015年为计划年，探讨2015年中国实施可再生能源配额的最佳方案。

4.1 基础数据

按照电力工业“十二五”规划纲要总体要求， 2015年能源发展的主要目标是：实施能源消费强度和消费总量双控制，能源消费总量40 亿t标煤，用电量6.15 万亿kW·h，火电供电标准煤耗下降到323 g/(kW·h)。一次能源供应能力43亿t标准煤，其中国内生产能力36.6亿t标准煤，非化石能源消费比重提高到11.4%，非化石能源发电装机比重达到30%。可再生能源电力总量目标规划函数主要参数取值如表1所示。

表1 可再生能源电力总量目标规划函数主要参数取值

4.2 总量目标测算

建立的3个目标约束条件，以满足电力需求为第一优先级，以满足CO2排放量为第二优先级，以满足非化石能源比例为第3优先级建立关于可再生能源发展总量目标的多重目标规划模型。其目标优化模型为：

(19)

(20)

将数据代入目标规划公式，得到2015年发电结构预测结果。由计算结果知，2015年全国电力需求总量为61 500 亿kW·h，火电、水电、核电发电量分别为47 328、10 873、1 248 亿kW·h；可再生能源发电量目标为1 362 亿kW·h，占全国电力需求的3.27%。

4.3 不同方案下配额指标测算

根据不同分配方案对该比例进行分配，为简便计算，对方案Ⅲ做以下假设：

(1)各省市区规划年较基础年非化石能源消费比重提高3%；

(2)各省市区规划年电网输送能力系数均为0.9；

(3)各省市区规划年市场开放度为0.3；

表22015年各省(市、区)可再生能源电力配额指标

Tab.2RPSforprovinces(cities,regions)in2015(basedondifferentscenarios) 亿kW·h

4.4 结果分析

本小结从可再生能源电力消纳的社会环境效益和社会成本两个角度对各种方案进行经济性评价，并做以下假设：

(1)规划年我国实行可再生能源发展补贴制度，全社会购买可再生能源电力比常规电力所多支付的差价作为消纳可再生能源电力的社会成本；

(2)同单位可再生能源电力在不同地区消纳所带来的社会环境效益是相等；

(3)规划年我国仍实行可再生能源固定上网电价制度，根据所处地区的资源状况，分为0.51、0.54、0.58、0.61 元/(kW·h)这四大类。

3种方案下2015年全国消纳的可再生能源电力均为1 362 亿kW·h，由假设(2)知可再生能源电力带来的社会环境效益是相等的。因此，只需要比较不同方案下，全社会为消纳可再生能源电力支付的社会成本差异情况，经计算得各省市为消纳可再生能源多支付的成本如表3所示。

表3不同方案下各省市区消纳可再生能源电力的社会成本

Tab.3Socialcostofeachprovinces(cities,regions)in2015(basedondifferentscenarios) 10亿元

经计算知，3种方案下消纳1 362亿kW·h可再生能源电力所支付的社会成本分别为396.43、424.93、386.22 亿元，平均消纳单位可再生能源电力较常规电力所多支付0.29、0.31、0.28 元/(kW·h)。

因此，从补贴效率的角度看，第3种配额方案较为有效；从补贴额度的角度看，消纳相同数量的可再生能源电力3种方案所需补贴资金不同，一定程度上反映出我国现行可再生能源电力补贴机制存在一定的不合理性。

5 结 论

(1)本文建立了可再生能源电力总量目标预测模型和3种配额指标分解模型，选取2015年为规划年，对中国可再生能源电力配额方案进行了深入探讨，并从环境效益和社会成本两个方面进行经济性评价。测算结果表明，2015年中国电力需求总量为61 500 亿kW·h，可再生能源电力总量目标为1 362 亿kW·h，配额总量目标为3.27%。

(2)建立与中国电力市场及可再生能源发展阶段相适应的总量目标及指标分解模型对促进可再生能源健康发展具有重要的促进作用。在进行可再生能源电力配额方案制定时，应注意：①采取自上而下的方式，先设定总量目标，实现国家对可再生能源消费总量的控制，再依据历史可再生能源电力消费情况、资源禀赋状况、经济增长状况、资源禀赋状况、电网约束状况等因素确定各省(市、区)的具体配额指标，使可再生能源电力在全范围内合理分配。②对指标分配方案进行经济性评价，尽可能小的降低可再生能源电力消纳的社会成本，提高可再生能源发电补贴的效率和效益。

(3)中国应该加快电力市场改革，进一步完善可再生能源价格机制和补贴机制，在促进可再生能源电力消纳的同时，提高补贴效率和效益。

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(编辑：蒋毅恒)

OptimalAllocationModelofRenewableEnergyQuota

WU Rui, HE Yongxiu

(School of Economics and Management, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

To establish a reasonable amount target model and develop a practical target decomposition scheme, this paper deathly analyzed the typical countries’ experience of formulating renewable energy developing target and quota scheme, and built the prediction model of the total power target of renewable energy and the quota decomposition model based on the potential and consumption of renewable energy, combined with the Chinese conditions and the status of renewable energy development. With selecting 2015 as planning year, the renewable energy quota scheme in China was discussed in depth, and its economic evaluation was carried on from the aspects of environmental benefits and social costs. The results show that it should apply top-down decomposition method in the development of renewable energy quota in China, as well as comprehensively consider the structure of non-fossil energy consumption, CO2emission reduction targets, GDP(gross national product)growth, and the influence of electricity demand and grid capacity on quota proportion.

renewable energy; portfolio standard; total amount target; multi-objective programming; subsidies efficiency

国家自然科学基金项目(71273089)。

F 426.2;F 224

： A

： 1000-7229(2014)06-0147-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.06.028

2014-03-31

：2014-04-08

吴锐(1989)，女，硕士研究生，研究方向为电力经济与管理，E-mail：wurui0208@sina.cn；

何永秀(1970)，女，博士，研究方向为电力经济与管理，E-mail：heyongxiu@ncepu.edu.cn。