改善電力調度機制 

助力全國碳市場發(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

在國務院發(fā)布的《“十三五”控制溫室氣體排放工作方案》中提出，中國將于2017年啟動全國碳排放權交易市場，涵蓋石化、化工、建材、鋼鐵、有色、造紙、電力和航空等8個行業(yè)中年耗能1萬噸標準煤以上的企業(yè)。按照“方案”內容，幾乎所有電力企業(yè)都要納入全國碳交易市場。中國的電力行業(yè)消費了全國50%以上的煤炭，貢獻了40%左右的CO₂排放，是最大的排放部門１，其排放的變化對全國達峰目標的完成與否至關重要。

與此同時，新一輪的電力行業(yè)改革也在進行中。《關于進一步深化電力體制改革的若干意見》（9號文）于2015年3月下發(fā)，同時出臺的還包括《關于有序放開發(fā)用電計劃的實施意見》等6份配套文件。這些文件對具體的改革領域提出了明確的要求。其中，9號文中明確提出了這輪改革的關鍵目標，包括“提高能源利用效率”以及“促進節(jié)能環(huán)保”，并且將節(jié)能減排作為了主要原則之一。

電力行業(yè)改革和碳市場建立這兩個政策進程從設計到執(zhí)行都有著緊密的聯(lián)系。在缺乏相互協(xié)調的情況下，各自設定的政策目標可能會面臨重重挑戰(zhàn)，并限制兩個政策實際作用效果。這兩個進程之間的價格信號傳導被視為最為關鍵的聯(lián)系之一，而現(xiàn)行的電力調度機制可能是制約碳市場促進電力行業(yè)低碳化的障礙。

進一步放開發(fā)用電計劃被視為此輪電改的核心任務之一。作為9號文的配套文件之一，《關于有序放開發(fā)用電計劃的實施意見》提出了放開發(fā)用電計劃的原則和方向。今年7月，發(fā)改委經濟運行調節(jié)局下發(fā)的《關于有序放開發(fā)用電計劃工作的通知（征求意見稿）》則預示此項工作進入操作層面。

本文將向對負責設計全國碳排放交易體系的相關方和決策者們簡略介紹現(xiàn)行的電力調度機制及其與碳市場之間的關系 。

只有電力市場改革與碳市場建立有機結合，才能促進中國的電力行業(yè)低碳化。 本文將著重介紹改善電力調度機制與碳市場。在之后的文章中，我們將探討碳排放交易體系的設計與電力市場改革其他方面的結合。

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.

什么是電力調度

電力行業(yè)的屬性與中國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出來并能在倉庫中儲存的大宗商品不同（比如鐵和鋁），電的生產和使用具有實時性２。 調度中心負責管理電網系統(tǒng)的運作， 要保證需求側和供給側的實時平衡。電力需求在一天之內是波動的，電網上的其他一些情況，比如輸電線路擁堵也是如此。

電力調度是調度中心管控的過程，包括決定使用哪一臺發(fā)電機來滿足電力需求并保持電網運行的穩(wěn)定。調度中心必須每分鐘、每小時、每天都進行實時的電力調度決策才能保證電力供需的平衡。近年來，可再生能源（比如風能和太陽能）的裝機容量不斷增加，使調度中心在平衡電網方面遇到了新的挑戰(zhàn)。與傳統(tǒng)的燃煤和燃氣發(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，存在間歇性和波動性，調度中心不能對可再生能源電源進行直接控制。 這個挑戰(zhàn)是能夠克服的，可以通過有效的調度方法，連同其他的技術手段，并對電力價格和電力行業(yè)政策的其他方面做出改變等多元化措施來應對３。

經濟調度（Merit Order Dispatch）是國際大多數(shù)地區(qū)指導調度的原則

在北美、歐洲和世界大部分地區(qū)，調度中心基于經濟調度方法做出調度決策。這種方法的基本思想是根據(jù)運營成本４把每個可用的發(fā)電機組進行排序。運營成本很大程度上反映了燃料成本和發(fā)電機把燃料轉化成電力的效率。當碳價格存在時，排放成本也反映在每個發(fā)電機的運營成本中。

根據(jù)發(fā)電機的運營成本的“優(yōu)先次序”，調度中心優(yōu)先使用成本最低的發(fā)電機５。 為了處理供給和需求側的變化６以及電網擁堵等情況，他們每天都會多次重復這樣的排序流程。由于電網擁堵和其他一些電網可能出現(xiàn)的變化，調度中心并不一定每次都使用成本最低的發(fā)電機。但是對整個電網的運營來說，時刻最小化系統(tǒng)內的總運營成本是一條關鍵的原則。

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

３關于如何應對可再生能源間歇性和波動性的討論，可見http://www.nrel.gov/docs/fy16osti/66728.pdf and http://www.raponline.org/document/download/id/7482

 ４運營成本也可以叫“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濟調度排序中 。

 ６需求的波動源于終端用戶的能源使用情況，這些變化是時時發(fā)生的。

經濟調度與排放交易有什么關系？

理論上說，碳價與經濟調度相互作用會鼓勵可再生能源以及其他低排放發(fā)電機組。在歐盟碳交易地區(qū)以及美國執(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)電機組運營成本的一部分并且發(fā)電機組的碳排放各不相同，碳價格也使得低排放電源在“優(yōu)先次序”中的地位進一步得到鞏固，從而鼓勵更低排放機組的使用。

在電力現(xiàn)貨市場中，碳價的出現(xiàn)相當于提高了以化石為燃料的發(fā)電機的運營成本。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低于煤電。碳價和經濟調度的相互作用一般都會使排放相對較低的發(fā)電機組獲得更高收益。這樣就會鼓勵投資者們將關注點更多的投放在低排放發(fā)電裝機上 。如圖1中左右兩邊的對比所示。

圖1 中左邊的柱形圖展示的是在電力系統(tǒng)中某一小時內不同類型發(fā)電機組的“優(yōu)先次序”示意圖。可再生能源沒有燃料成本， 因此可再生能源發(fā)電通常會排序第一。以煤炭或者天然氣作為燃料的發(fā)電機組能效也千差萬別，因此運營成本也不一樣，“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后所帶來的改變。

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

 ７此圖僅為示意圖，并不能反映所有實際調度情景。

發(fā)電調度在中國是怎樣運行的？

在中國，電力部門以及電力調度的方式與世界上其他國家都有著明顯的區(qū)別。近幾十年以來，電力部門大力促進發(fā)電容量增長以滿足重工業(yè)部門發(fā)展的電力需求。為了支持對發(fā)電廠投資，政府實行了“年度發(fā)電量計劃”，目的是保障發(fā)電裝機——特別是燃煤電廠——有穩(wěn)定的收益。調度決策需要滿足年度發(fā)電量計劃，保障每一個燃煤發(fā)電機組都能達到年度計劃分配的的運行小時數(shù)。總之，調度并不保證運營成本最小化。在任何給定時段，被調度的發(fā)電機組不一定是運營成本最低的可用機組 。

從前這種調度方式的不利影響并未突出顯現(xiàn)：因為在一天之內，工業(yè)需求都相對穩(wěn)定，很多工廠的生產晝夜不停，平衡電力系統(tǒng)的任務比較簡單。這對于電力系統(tǒng)的靈活性并沒有提出太高的要求。概括來說，中國在拉動發(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)展中國家獲得了顯著成就。

這種調度方式雖然以前取得了成功， 且與中國的國情相適應，然而現(xiàn)在，這種方式已經十分低效了。傳統(tǒng)的電力調度方式不夠靈活，無法支持供給側（風能和太陽能等波動性的可再生能源）和需求側（非工業(yè)用戶）日益增加的多變性。這種調度方式導致了嚴重的棄風、棄光和棄水現(xiàn)象的發(fā)生（見圖2）。另外，沿用傳統(tǒng)調度方式意味著在更高效發(fā)電機組可用的情況下經常使用低效的燃煤發(fā)電機組，導致電力部門不必要的高成本和高排放。

中國的排放交易與電力調度

      中國的電力調度方式是碳定價工作的一個壁壘。原則上，碳定價應當使得高排放發(fā)電站的運營成本上漲，從而影響到調度的優(yōu)先次序，促使排放更低的資源被優(yōu)先使用。這樣也會發(fā)出信號，吸引更多資源投入到低排放電源中。但是，正如同我們所見，中國的電網企業(yè)一般不會根據(jù)運營成本來調度發(fā)電。這也就意味著與碳價相關聯(lián)的價格信號并不會有效的傳達到電力系統(tǒng)中，以達到電力系統(tǒng)低碳化的效果。

圖2. 中外不同地區(qū)、國家間棄風率的比較８

改善中國的電力調度機制

      近幾年，中國出臺了一些試點項目和政策文件，用于改善電力調度。例如，自2007年以來，法律規(guī)定了保障收購可再生能源。幾個省級“節(jié)能調度“試點項目也已經運營了數(shù)年。自2015年3月以來，電力調度就成為了電力行業(yè)改革中的重要部分（“電改9號文”）。最近也出臺了一些新的政策文件，旨在改善調度和減少可再生能源棄電現(xiàn)象。 相關文件包括：

· 2015