电力规划执行偏差对非化石能源发展目标的影响

胥威汀，唐权，王云玲，戴松灵

(国网四川省电力公司经济技术研究院，成都市 610041)



电力规划执行偏差对非化石能源发展目标的影响

胥威汀，唐权，王云玲，戴松灵

(国网四川省电力公司经济技术研究院，成都市 610041)

受近年国际形势变化和国内经济转型的影响，“十二五”期间能源行业发展态势波动明显，特别是电力行业，加之相关政策和规划不断调整，“十三五”期间实现“2020年非化石能源占一次能源消费比重达到15%”目标的不确定性增大。为确保这一目标的实现，根据新形势下的变化构建了能源电力规划方案，基于规划方案重点提出了灵敏度分析和最大缺额分析2种方法，用以量化各类非化石能源的规划执行偏差对目标百分比的影响，并提出弥补方案。研究表明，水电、核电的开发进度及其消纳通道的建设情况，是影响目标百分比的主导因素；目标百分比能否达到15%，很大程度上取决于水电与核电是否能按规划完成开发利用；若2类电源的开发利用不足以达到规划目标，可以通过增加风电和太阳能发电予以弥补，但如果水电缺额达到58 GW以上，或者核电缺额达到27 GW以上，非化石能源“15%目标”几乎无法达成。加快建设川藏水电送出通道，有助于解决弃水问题，是实现非化石能源“15%目标”的有力保障。

非化石能源；能源电力规划；15%目标；灵敏度分析；水电规划；核电规划

0 引 言

2009年联合国气候变化峰会上，中国向国际社会做出承诺：“2020年非化石能源占一次能源消费比重达到15%左右”[1](简称“15%目标”)。为了完成目标，有关部门和机构进行了系统性研究，提出了诸多有效的实现途径。文献[1]结合非化石能源开发利用、技术条件和政策趋势等多个方面进行分析，重点阐述了电力行业能够起到的关键作用，并提出相关建议措施；文献[2-3]通过大量非化石能源规划方案的对比，提出了实现“15%目标”的可行路径；文献[4]提出了核电发展放缓情境下实现“15%目标”的规划方案。

在经济和能源发展的新形势下，需要考虑更多影响“15%目标”的不确定性因素，例如非化石能源外送通道建设滞后，水电库区移民受阻，核电建设审批滞后，可再生能源电价附加规模扩充缓慢，控制能耗总量同时需要保证火电企业的可持续发展等，任何调整变化都会造成实际情况偏离规划路径[5]，如果偏离超过某个临界值，将无法在2020实现“15%目标”。所以，“十三五”期间，一方面需要制定合理的能源发展规划，另一方面需要重点关注非化石能源开发和电网建设的规划执行情况。

本文首先提出实现非化石能源“15%目标”的电力规划方案，用以获取对应非化石能源的开发方案；然后，基于该方案，定量评估能源电力规划的执行偏差对目标百分比造成的影响，并进行算例对比分析；最后，提出相关措施和建议，力求确保非化石能源在2020年达到开发利用目标。

1 非化石能源“15%目标”解析

随着我国经济进入“新常态”，能源消费也逐步进入“换挡期”。国家统计局年度公报数据显示，从2001以来截至2014年，我国能源消费总量从14.6亿t标煤增长至42.6亿t标煤[6]，年均增长接近8%，而2015年受经济形势影响能耗增速放缓，预计总量在44亿t标煤水平，年增速降至3.4%。结合国内外多家机构关于2020年我国能源消费总量的预测结果[2-3]来看，2.6%～3.6%是“十三五”期间能源消费年均增长的合理区间，对应2020年能源消费总量为50～52.5亿t标煤。在该区间内，依据国家能源局3.4%的能源消费增速判断，本文预计2020年全国一次能源消费总量将达到约52亿t标煤。

所以，按照非化石能源占一次能源消费比重的15%来计算，2020年非化石能源消费至少应该达到7.8亿t标煤才能达到目标。其中，1.3亿t标煤可直接利用[2]，6.5亿t标煤需要转换为电能。按照2020年煤电发电转换率t=0.305 kg/( kW·h)计算[4]，6.5亿t标煤的非化石能源对应2.1万亿 kW·h的电能。因此，转换为电能的非化石能源消费至少需要达到6.5亿t标煤，才能完成2020年非化石能源占一次能源消费比重≥15%的目标。

2 考虑“15%目标”的能源电力规划方法

2.1 能源电力规划的边界设定

为了实现上一节所述2020年我国非化石能源发电量达到2.1万亿 kW·h的目标，需要构建能源电力规划方案[7]。方案要求能够满足以下边界条件。

(1)满足用电需求。电力规划方案需要满足全国和各地区(省或直辖市)的用电需求。综合考虑经济、社会、电气化水平等影响因素，借鉴国内外各机构预测结果，采用多种方法预测[8]，预计“十三五”我国电力需求年均增长约5.5%，2020年全国全社会用电量约为7.7亿 kW·h。基于此，结合各地区经济发展和负荷增长情况，分别预测得出各地区的用电需求。

(2)不超过资源潜力。非化石能源具有显著的区域分布特性，其开发规模很大程度上受到资源条件的限制。其中，水电主要集中在西南地区；风电主要集中在“三北”地区；太阳能发电主要集中在西部地区；核电主要集中在沿海地区等。因此，非化石能源位于某个地区的装机规模，不得超过其技术可开发量。例如，川藏水电技术可开发量约为290 GW，即水电在该地区的装机规模不得超过290 GW。

(3)不低于开发利用现状。规划方案基于非化石能源的开发利用现状。由于非化石能源具有循环可再生性质，因此仅考虑发电设备的更新，不考虑机组的退出。例如，东北三省风电2014年末统计投运装机14.5 GW，那么该地区“十三五”期间的风电装机规模不得低于14.5 GW。

(4)符合政策的引导和约束。对于各类非化石能源发电，国家相关机构公布了发展政策或开发规划[9-11]。结合现状、趋势和目标3方面，可以分析得到2020年各类非化石能源的开发目标区间，其中，常规水电为300～350 GW、核电为50～60 GW、风电为200～250 GW、太阳能发电为100～150 GW。

(5)考虑各地区环境容量。用电需求中，非化石能源不足以承担的部分将由化石能源弥补。因此需要计算燃煤发电厂的污染物排放量、CO2排放规模及布局，保证各地区化石能源开发不得超过环境容量[12]。根据国务院2013年《大气污染防治行动计划》，京津冀、长三角、珠三角等区域，除热电联产外，禁止审批新建燃煤发电项目。

(6)P≥15%。到2020年，非化石能源占一次能源消费比重P不低于15%。

2.2 非化石能源“15%目标”基准方案

在以上边界条件的约束下，以全社会电力供应总成本最低为优化目标，以各类能源发电区域布局为变量，展开优化计算[13-14]。优化方案生成后，通过电力电量平衡计算[15-16]，对方案进行调峰调频校核，计算弃水、弃风、弃光量。若无法满足各地区弃水、弃风、弃光要求，重新调整各类能源布局，直到通过校核，输出结果。输出方案包括各类非化石能源装机的总规模和布局。

(1)基准方案的总规模。水电350 GW、抽水蓄能发电40 GW(仅调峰)、核电58 GW、风电200 GW、太阳能发电100 GW、生物质发电30 GW。

(2)基准方案的布局。限于篇幅，以川、渝、藏地区为例，如图1所示，水电126 GW、风电5 GW、太阳能发电4 GW、生物质能发电1.5 GW。

图1 非化石能源在川渝藏地区的规划情况

该方案下，总的非化石能源发电量为2.3万亿 kW·h，对应P值15.6%，超额完成非化石能源“15%目标”。

3 规划执行偏差对“15%目标”的影响因素量化分析方法

3.1 灵敏度分析法

要实现以上基准方案，需要保证2020年各类非化石能源按规划或者超规划完成，否则“15%目标”面临风险。为了控制风险，达成目标，需要评估各类非化石能源的规划执行偏差Δg对P值造成的影响，从而掌控主导因素。在绝对值和相对值2种尺度上，按步长调整各类非化石能源装机规模偏差Δg，计算出对应P值的变化情况，如图2所示。

由图2可知，各类非化石能源开发利用差额相对于目标P值均呈反比关系，随着Δg增大，P值单调减小；按照相对值计算的水电Δg对P值的影响最明显；按照绝对值计算的核电Δg对P值的影响最为显著。这是由于水电占基准方案中非化石能源发电量的份额最大，而核电的年均利用小时数最高。

图2 非化石能源规划执行偏差对P值的影响

基于以上分析，按照式(1)、(2)，可以得到各非化石能源装机规模与目标百分比之间的灵敏度[17-18]关系S，计算结果如表1所示。

(1)

(2)

式中：N为非化石能源类数；hi为i类非化石能源利用小时数；gi为i类非化石能源装机规模；F为不转化为电能的非化石能源消费总量；E为2020年全国一次能源消费总量。

表1 关于非化石能源开发利用规模的P值灵敏度

Table 1 Sensitivity ofPdue to development and utilization scale of non-fossil energy

由表1可知，每减少1%的水电装机容量，P值降低0.068个百分点；每减少1 GW的核电装机容量，P值降低0.042个百分点；而且无论采用哪种方式计算，P值关于水电和核电的灵敏度S都比较高。由此可见，水电与核电的开发规划执行情况是目标P值的主要影响因素。

另外，“开发”只是实现能源规划的一个方面，“消纳”才能真正落实规划方案。即使到2020年水电和核电的装机满足要求，如果电网送出通道建设落后导致弃水、窝电，同样无法保证完成“15%目标”。

以“西电东送”为例，西部水电通过电网送至东部负荷中心，若一条特高压直流推迟投产，缺失送电容量达8 GW，按照式(3)可以计算出P值会降低0.211个百分点；若一条双回特高压交流推迟建设，缺失送电容量达10 GW(升压容量6 GW)，P值将降低0.158个百分点，对于基准方案对应的P=15.6%而言，影响非常严重。

(3)

式中h0和g0分别为非化石能源输送通道的利用小时数和有效输送容量。

所以，水电、核电的开发进度及其消纳通道的建设情况，是影响非化石能源占一次能源消费比重的主导因素，能否实现“15%目标”，很大程度上取决于水电与核电是否能按照规划实现开发和消纳。

3.2 最大缺额分析法

如果因为个别非化石能源无法达到规划目标，导致P15%，可通过扩充其他非化石能源的规模，来弥补P值的缺额。调整后的非化石能源总量、结构和布局不超出2.1节列出的边界条件。

就“十二五”期间的情况来看，西南水电受国家环评限制，开发进度滞后于“十二五”规划目标，同时多条外送通道受国家审批或核准的影响，无法按期建成；核电受日本福岛核事故影响，有2年多没有核准新的项目。这一系列情况下，加之大型水电、核电项目建设周期均超过5年，使得水电与核电有可能无法在2020年按期达成规划目标。

如果水电与核电无法达到预期目标，从电量替代的角度，可以利用政策扶植力度更大的风电和太阳能发电来弥补水电与核电造成的P值缺额。因此，可以通过式(4)、(5)，计算出电能替代下各非化石能源允许的最大缺额Δgmax。

Δgmax,j=max(-Δgj)

(4)

(5)

式中:gj代表非化石能源j在基准方案中的装机规模；Δgj表示其规划执行偏差，当Δgj0，表示未达到规划目标，Δgj0，表示超过规划目标；用于替代的风电和太阳能发电装机增量Δg0，对应年利用小时数h分别介于1 800～2 000 h和1 200～1 400 h。

以基准方案中P=15.6%为基准展开计算，可以得到表2。当风电和太阳能发电各增加50 GW(边界值)，可代替水电、核电的最大缺额约为58 GW和27 GW，此时P值位于临界点15%；风电若出现缺额，可以通过太阳能发电弥补；如果太阳能或生物质出现缺额，不会对P值造成显著影响，因为基准方案中其对应的发电量份额较少，即便取各自现有装机容量(2014年末数据)来计算，也能在“十三五”期间通过装机结构调整来弥补缺额。

表2 各非化石能源装机最大缺额对应的结构调整

Table 2 Structure adjustment used to cope with the maximum deviation of each non-fossil energy

另外，近年风电和太阳能发电装机的基数较小且增额有限，要在2020年分别超出预计目标50 GW来弥补缺额，比较困难。2014年末风电和太阳能发电装机分别为98和24 GW，而当年新增装机不足20和10 GW。所以，以上水电和核电的最大缺额计算结果趋于乐观。

综上所述，到2020年，如果水电较规划目标缺额超过58 GW，或核电缺额超过27 GW，非化石能源“15%目标”将很难完成。

4 实现“15%目标”的建议

经以上研究可知，推进水电与核电的开发利用是实现“15%目标”的关键所在。核电多分布于沿海地区，靠近东部负荷中心，能源供应便捷，而水电却集中在内陆地区，特别是“十三五”期间大部分新增水电都集中在川、藏2省，远离负荷中心，需要建设足够的送出通道来保障水电达到发展规划目标。

然而近年来由于送出通道建设滞后，导致川、藏水电严重弃水，2014年接近200亿 kW·h。随着川、藏水电开发程度提高，丰水期最大电力盈余呈增长态势，到2020年预计川、藏水电外送需求近34 GW，如果这日益增长的外送需求变成弃水，非化石能源“15%目标”将面临威胁。因此，为了实现目标，应该加快推进川、藏水电外送通道的建设。

5 结 语

为了确保实现非化石能源“15%目标”，本文拟定了考虑非化石能源占比约束的能源电力规划方案，量化了规划执行偏差对目标的影响，并提出了应对措施。研究表明，水电、核电开发利用的规划执行偏差对目标百分比的影响最为显著；如果2020年水电发展的目标缺额达到58 GW以上，或者核电开发的目标缺额达到27 GW以上，“15%目标”几乎无法达成；加快建设川、藏水电送出通道，有助于实现非化石能源“15%目标”。

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(编辑：张小飞)

Power Planning Implementation Deviation Influence on Non-fossil Energy Development Goal

XU Weiting, TANG Quan, WANG Yunling, DAI Songling

(Economic Research Institute, State Grid Sichuan Electric Power Company, Chengdu 610041, China)

In recent years, international situation changes and domestic economic restructuring lead to the fluctuation of energy industry development trend during the 12th five year, especially electric power industry.The relative policy and plan have been adjusted.Under these influences, the non-fossil energy 15% objective which would be realized in 2020 during the 13th five year is uncertain.To ensure the realization of this objective, a new energy and electric power planning was provided according to the changes under the new situation.Based on the planning scheme, the sensitivity analysis and the maximum deviation analysis methods were proposed to quantify the influence of the implementation deviation of non-fossil energy planning on the target percentage.And the according suggestions were also provided.The research shows that the main influence factors of the target percentage are the development progresses of hydropower and nuclear power, as well as their output channel construction.Whether the target percentage can reach 15% largely depends on whether the development of hydropower and nuclear power can be completed according to the planning.If the development and utilization of two types of power supplies are not enough to reach the planning objectives, wind power and solar power generation can be increased to remedy the vacancy.But if the vacancy of hydropower exceeds 0.58 billion kw, or that of nuclear power exceeds 0.27 billion kw, the ‘15% objective’ of non-fossil energy can’t be achieved.Accelerating the construction of the Sichuan-Tibet hydropower output channel can help to solve the problem of waste water, which is a strong guarantee for the ‘15% objective’ realization of non-fossil energy.

non-fossil energy; energy and electric power planning; 15% objective; sensitivity analysis; hydropower planning; nuclear power planning

TM 715

A

1000-7229(2015)08-0061-05

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.08.010

2015-06-15

2015-07-10

胥威汀(1985)，男，博士，工程师，主要从事能源电力规划方面的研究工作；

唐权(1982)，男，硕士，高级工程师，主要从事电网规划方面的研究工作；

王云玲(1979)，男，硕士，工程师，主要从事电网规划方面的研究工作；

戴松灵(1963)，男，高级工程师，主要研究方向为电力系统规划、电力系统稳定与控制等。