专栏 | 张树伟：新型电力系统需要“新”在何处？
· 借助大数据技术与机器学习分析能源消费行为，并得出洞见以改善能源使用效率，这是能源系统数字化的根本目的。
· 构建新型电力系统，必须彻底放弃大容量发电机组以及输电线路，它们需要保持高利用率，才能具有经济可行性。
近年来出现的“苗头”表明，在我国，可再生能源代替化石燃料发电的节奏处于不升反降之中。现今，人们往往满足或惊讶于我国的可再生能源发电装机容量快速增长，基于绝对数字形成看法、观点。这是毫无意义的。相比其他国家，我国的可再生能源发电装机规模优势突出，2020年风、光新增并网装机容量总和超过1亿千瓦。然而，两者发电量占全国总发电量的比重（2020年为9.5%），仍低于世界平均水平（2020年为10%）。在过去的几年中，由于煤电发电量与可再生能源发电量的增长保持齐头并进，甚至前者在绝对值上高于后者，我国的电源结构优化节奏在变慢，2019年之后已经很难保持在每年提高1%的水平上。
电力是减排选项最多、成本低，甚至存在“无悔”选择的领域。过去10年，风电与光伏发电成本的大幅下降为电力领域的快速脱碳提供了现实选择。但必须意识到，如果不对我国的既有电力体系运行与调度范式作出重大调整，落实高比例风、光的绿色议程仍是困难的。调度尺度的更加精细化，以及承载它的经济调度原则的采用，仍旧是必要的。否则，我国的风、光发电量占比长期低于世界平均水平将是大概率事件。
“新”在技术
新型电力系统需要首先“新”在技术，比如物联网与区块链技术。当下，智能电网发展方兴未艾。物联网技术有望为电力系统运行提供更好的需求响应资源；区块链技术有助于开展分布式交易，大大降低交易难度，提高结算效率，特别是计量、票据、企业组织、参与市场会员等方面的费用有可能会下降。然而，需要特别指出的是，区块链技术在我国能源领域的应用已走入歧途——往往用于标记那些本属于统一市场的某个电源（所谓“溯源”） 1 ，破坏以边际成本为基础的市场竞争格局，掺合很多不相干而又很难比较的其他标准，这与统一市场建设背道而驰。
借助大数据技术与机器学习，可以对能源消费行为进行分析，并得出洞见以改善能源使用效率，这是能源系统数字化的根本目的。在这方面，广为人知的是Google Deepmind所进行的探索。其设计的算法可以更准确地预测数据中心的能耗，据此调控制冷系统，提高制冷效率。据称，借助这套系统，数据中心的能耗可以降低40%（Jucikas，2017） 2 。将其用于英国电网的预测与运行，据称可以减少10%的全国电力使用量（Evans，2016） 3 。
实施数字化的出发点是提高效率，特别是系统运行以及用电等多方面的效率。数字化技术能够帮助电力系统更快、更好地进行决策。那么，我国的电力系统有必要进行更快、更好的决策吗？从可再生能源接入的角度来说，答案是肯定的；就对调度机构的要求与激励而言，答案却是否定的。
“新”在机制
未来我国的电力结构，需要的是高比例可再生能源加上大容量，但利用率低的天然气单循环发电。由于风、光发电存在波动性，其总装机容量会高出最大负荷的2~5倍 4 ，从而使其他机组的利用小时数都非常有限。因此，未来的机组必须是灵活的、低资产密度的，这对于电力技术未来的发展具有很强的启示性。比如核电与煤电，只有朝着足够小型化、模块化（比如“高温气冷堆”）的方向发展才具有前途；从长远来看，天然气机组的燃料还可以广泛来源于电解水制氢之后的“甲烷化”（“Power to X”技术系统与应用），进而解决煤炭彻底退出后的剩余碳减排问题。
这样的系统，需要更加灵活的运行与短期预测能力，以及对各种可再生能源的友好接入，提供开放的统一市场“池子”（pool）。非常遗憾的是，目前，我国在可再生能源成本大幅下降之后鼓吹的所谓“中长期交易”，以及“市场化交易”，都已经出现赌博性质的苗头。
市场构建是需要很高能力的。诺贝尔经济学奖获得者Alvin Roth曾经概括 5 ：
——市场可以自然发展，也可以设计；
——市场处于一个频谱之中，介于亚当·斯密描述的完全自由竞争市场与计划经济之间；
——市场有明确的规则；为了避免激烈竞争，市场必须很“厚”（thick），容量要足够大，否则容易形成“狗吃狗”的惨烈竞争；但如果市场太“厚”，可能会造成堵塞，无法开展交易。
在我国当前推行的用户与电厂直接交易中，上述问题几乎在不同时间与地区都不同程度地存在，反映出比较大的市场设计缺陷。
电力市场需要提供足够的基础设施，便于交易。市场应该让参与者感到安全又简单，而不是冒险赌博。在当前的所谓可再生能源参与“市场化交易”中，广大业主往往找不到交易方（电网“池子”没了），对价格完全缺乏预期，有时则限期很快完成，已经成为一种“赌博”。因此，对于业主“自愿参加的积极性恐怕不高，参加电力市场已经不是平价上网了，而是低价上网” 6 的抱怨，就不难理解了。这完全是市场设计问题，而与道德觉悟高低无关。
总之，新型电力系统需要“新”在机制，特别是调度采取何种机制以保持系统平衡。在我国的电力系统中，调度仍旧扮演着“指挥官”的角色，而并非一个平等的市场参与者。它不需要“购买”平衡资源以待调用，仅靠一纸行政命令“70%以内的调节都免费”，就能将所有机组都作为备用资源。这部分缺乏定价方法（也可以说是定价为“0”），也不需要定价。所以，这些机组不是系统备用，而是脱离系统安排的电网备用。
它没有动力尽量去优化运行、减少备用，以节省成本。目前的调度自由度过大（除了受年度电量约束），这一点亟需更加透明的讨论。
“新”在体制
构建新型电力系统，必须彻底放弃“傻大笨粗”的大容量发电机组以及输电线路。这些物理基础设施往往需要保持高利用率，才能具有经济可行性，这在以新能源为主体的电力系统中是完全不现实的。以新能源为主体的系统与“大容量、大机组、大输电”的体系，“八字”不合。
构建新型电力系统，挑战着用大工程解决大问题，而往往造成新的更大问题的习惯做法。多元化、多样化的安排，通常是可再生能源并网所必须的。因为它们足够小，所处的区域资源技术特点各异，有的适合独立运行，有的适合与小型储能联合，有的适合并入高压电网。
大工程解决大问题的习惯做法，完全无法顾及这些精细化的要求，反而容易造成系统运行的进一步僵化。随着可再生能源占比的增加，这方面的方式冲突会愈加激烈。
小结
新型电力系统，需要“新”在技术——通过数字化技术提高系统状态识别、调节响应与灵活安排的能力；需要“新”在机制——如何更加精细化地实现系统平衡，调整电源与调度的责任界面，使后者完全成为一个维护系统平衡的专业化机构，利于可再生能源并网；更加需要“新”在体制——如何纠正对大项目、“一刀切”的不当偏好。
在本质上，高比例可再生能源接入电力系统，挑战着过去粗尺度、自由量裁与“指挥官式”的粗糙、但稳健的调度运行体系。可再生能源加上数字化技术，无疑将重塑电力、能源系统与社会体系。只是，我们还需要等待那个临界点（tipping point）的到来。
临界点是什么？是更多的行业内专家与公众真正理解这个系统到底如何运行，以及应该如何运行的时候。CWEA
注释
［1］ 比如，这里的噱头：http://www.zqrb.cn/jrjg/hlwjr/2021-02-07/A1612694197069.html
［2］ Jucikas, T., 2017. Artificial Intelligence and the future of energy. WePower.
［3］ Evans, G., 2016. DeepMind AI Reduces Google Data Centre Cooling Bill by 40% | DeepMind [WWW Document]. Deep. AI Reduces Google Data Cent. Cool. Bill 40. URL https://deepmind.com/blog/deepmind-ai-reduces-googledata-centre-cooling-bill-40/ (accessed 8.27.18)
［4］ Jenkins, J. D., Luke, M., & Thernstrom, S. (2018). Getting to Zero Carbon Emissions in the Electric Power Sector. Joule, 2(12), 2498–2510. probability. https://doi.org/10.1016/j.joule.2018.11.013
［5］Roth, A. E. (2015). Who gets what—and why: The new economics of matchmaking and market design. Houghton Mifflin Harcourt.
［6］http://www.cspplaza.com/article-18702-1.html
作者：张树伟 卓尔德环境研究（北京）中心主任兼德国能源转型智库高级顾问
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