黃維芳，陳 瑋

(廣州電力交易中心，廣東 廣州 510000)

隨著電力需求規(guī)模的不斷擴(kuò)增，能源供需矛盾的持續(xù)擴(kuò)大，可再生能源的統(tǒng)籌開發(fā)與市場(chǎng)消納成為迫切之需，而微電網(wǎng)作為分布式可再生能源利用的主要方式，其受可再生能源地域分異特征的影響，發(fā)展存在區(qū)域非均衡性，且因?yàn)椴淮_定性、隨機(jī)性，微電網(wǎng)參與電力市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力較弱，加之市場(chǎng)機(jī)制不健全、區(qū)域消納責(zé)任不清等問題的存在，讓含微電網(wǎng)電能的跨區(qū)域消納面臨諸多壁壘，阻礙了其區(qū)域均衡配置。而為促進(jìn)可再生能源發(fā)展，我國(guó)在2018年發(fā)布了《可再生能源電力配額及考核方法》的征求意見，初步形成了可再生能源消納的配額制框架，并在《關(guān)于建立健全可再生能源電力消納保障機(jī)制的通知》中，明確各省區(qū)的消納責(zé)任[1-2]。但是各省區(qū)消納能力的差異，使得消納責(zé)任存在超額或未足額完成的情況，此時(shí)，綠色證書交易可基于配額的“再銷售”，調(diào)配區(qū)域消納的失衡性；而且，利用碳排放配額交易，也可驅(qū)動(dòng)高碳排放區(qū)域進(jìn)行節(jié)能減排，以促進(jìn)可再生能源開發(fā)與利用，提升含微電網(wǎng)電能的消納水平。兩者均可以改變含微電網(wǎng)在不同區(qū)域的布局，故而，在配額制消納責(zé)任的約束下，通過建構(gòu)碳排放與綠證交易協(xié)同的市場(chǎng)機(jī)制，來引導(dǎo)含微電網(wǎng)在各區(qū)域的均衡發(fā)展，對(duì)于提升整個(gè)電力行業(yè)的低碳效益具有重要意義。

1 含微電網(wǎng)低碳效益的形成機(jī)制

目前，低碳約束下，以風(fēng)、水、光等可再生資源為基礎(chǔ)的低碳電力得以發(fā)展，截至2019年底，所有可再生能源電力總消納量達(dá)到了19 938億kWh，在全社會(huì)用電量中占比為27.5%，尤其，西藏、云南、青海、四川等消納量占比已經(jīng)超過80%，但是，內(nèi)蒙、新疆、甘肅、吉林、河北因可再生資源豐富，供電量畸高，與需求區(qū)域呈現(xiàn)逆向分布，由此，造成供需配置不均的問題。為此，國(guó)家能源局在《關(guān)于推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源發(fā)展的指導(dǎo)意見》中指出：“要將地理分配不均、規(guī)模較小、功率輸出不連續(xù)、隨機(jī)波動(dòng)性較大的可再生資源大規(guī)模的并網(wǎng)運(yùn)行，以促成低碳效益的實(shí)現(xiàn)”[3]，但是，分布式電源技術(shù)存在隨機(jī)波形性、網(wǎng)點(diǎn)分散、運(yùn)行監(jiān)管復(fù)雜等問題，大規(guī)模接入電網(wǎng)會(huì)影響電能質(zhì)量、降低電力運(yùn)行穩(wěn)定性，由此，微電網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生，其是由分布式電源、儲(chǔ)能裝置、能量轉(zhuǎn)換裝置、負(fù)荷與監(jiān)控裝置匯聚而成的可自我管控和保護(hù)的輕型化發(fā)配電系統(tǒng)，具備多重低碳能力，其低碳效益的形成機(jī)理主要體現(xiàn)在電力供、需2個(gè)層面。

(1)供應(yīng)側(cè)。風(fēng)、光、水等可再生能源發(fā)電具有非確定性、波動(dòng)性大、可調(diào)度性差等特點(diǎn)，其大規(guī)模接入電網(wǎng)會(huì)造成電網(wǎng)負(fù)荷過大，引發(fā)脫網(wǎng)事故、限能、棄能。而微電網(wǎng)可通過集成分布式電源和負(fù)荷進(jìn)行電能的一體化優(yōu)化調(diào)度，即通過準(zhǔn)確把控可再生能源及常規(guī)能源的發(fā)電特性，優(yōu)化調(diào)配各類能源的出力，以進(jìn)行優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提升可再生能源并網(wǎng)發(fā)電能力，并可進(jìn)行跨區(qū)域互聯(lián)，調(diào)配各區(qū)域綠色電力供給；且其具備并網(wǎng)、儲(chǔ)能技術(shù)優(yōu)勢(shì)，可更多的兼容可再生能源，控制高耗、高碳基能源用量，進(jìn)行分布式發(fā)電，如此，便可減少遠(yuǎn)距離、集中電源的供電需求，降低供電系統(tǒng)的峰荷需求，進(jìn)而減少供電裝機(jī)組容量，凸顯供電的低碳效益。

(2)需求側(cè)。調(diào)控高峰時(shí)段用電需求，實(shí)現(xiàn)基于需求響應(yīng)的智能用電，是促成電網(wǎng)低碳發(fā)展的關(guān)鍵，而微電網(wǎng)是負(fù)荷、能量轉(zhuǎn)換、儲(chǔ)能等多種裝置集成在同一網(wǎng)絡(luò)的供電系統(tǒng)[4]，可根據(jù)電力供需的實(shí)時(shí)變化，參與調(diào)配大電網(wǎng)及系統(tǒng)內(nèi)部的能量，對(duì)多種分布式新能源的電能進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)配；并可利用儲(chǔ)能優(yōu)勢(shì)，在負(fù)荷高峰期放電，在非高峰期儲(chǔ)電，通過合理的分時(shí)定價(jià)達(dá)調(diào)控電力需求，以實(shí)現(xiàn)“削峰填谷、平抑負(fù)荷”的目的[5]，且可利用能源階梯利用技術(shù)，通過多能互補(bǔ)、一個(gè)二次到二次能源的高效轉(zhuǎn)換，促成冷、熱、電三聯(lián)供，以滿足用戶多能源需求，提升能源綜合利用效率，達(dá)到低碳發(fā)展的目的。

2 含微電網(wǎng)低碳效益的區(qū)域協(xié)同性分析

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)及方法

全國(guó)不同區(qū)域因?yàn)橘Y金投入、設(shè)備及技術(shù)差異，含微電網(wǎng)的發(fā)展不一，所呈現(xiàn)的低碳效益也各不相同，而且，通過可再生、非可再生資源電力的消納數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，其區(qū)域分布不均的特點(diǎn)顯著，由此勢(shì)必引致含微電網(wǎng)低碳效益的區(qū)域分異特征。為厘清該差異性，本文借鑒能力結(jié)構(gòu)關(guān)系模型，以區(qū)域之間含微電網(wǎng)低碳能力協(xié)同性為衡量標(biāo)準(zhǔn)，秉承科學(xué)、可得性、可操作性的原則，結(jié)合微電網(wǎng)“源—網(wǎng)—荷—儲(chǔ)”一體化的發(fā)展特征[6]，根據(jù)上述其低碳效益形成機(jī)制，從低碳電源、低損網(wǎng)絡(luò)、終端減排、移峰填谷4個(gè)層面來構(gòu)建區(qū)域含微電網(wǎng)低碳效益區(qū)域協(xié)同的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系見表1。

表1 含微電網(wǎng)低碳效益發(fā)展能力的評(píng)價(jià)指標(biāo)Tab.1 Evaluation indicators containing the development capacity of low-carbon benefits of microgrids

根據(jù)《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》(2009—2019年)，國(guó)家統(tǒng)計(jì)局、國(guó)家電網(wǎng)、國(guó)家能源網(wǎng)的官方網(wǎng)站，對(duì)我國(guó)31個(gè)省域進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。同時(shí)，鑒于以往的AHP方法、模糊綜合評(píng)價(jià)等方法存在主觀片面性[7]，且未關(guān)注指標(biāo)之間的相關(guān)性，容易對(duì)含微電網(wǎng)的低碳效益評(píng)價(jià)產(chǎn)生重復(fù)信息。故而，本文引入主成分約簡(jiǎn)法，通過各指標(biāo)貢獻(xiàn)值，從具有相關(guān)性的原始指標(biāo)中，簡(jiǎn)約出相互獨(dú)立的指標(biāo)；而后，再利用突變級(jí)數(shù)法估算各項(xiàng)低碳效益能力指標(biāo)的綜合指數(shù)，以判定其對(duì)含微電網(wǎng)低碳效益的影響權(quán)重。在此基礎(chǔ)上，為實(shí)測(cè)全國(guó)各區(qū)域含微電網(wǎng)低碳效益的協(xié)同性，本文參照文獻(xiàn)[8]能力結(jié)構(gòu)關(guān)系模型建構(gòu)能夠反映含微電網(wǎng)低碳效益區(qū)域協(xié)同性的能力結(jié)構(gòu)指數(shù)，其可由上述構(gòu)成低碳效益能力的各指標(biāo)加權(quán)求和得出，設(shè)定A、B區(qū)域的含微電網(wǎng)各項(xiàng)低碳效益結(jié)構(gòu)能力指數(shù)可通過式(1)、式(2)計(jì)算得出，此時(shí)，這兩區(qū)域的低碳效益能力結(jié)構(gòu)的耦合度可通過式(3)得出：

iAi=WiAi，i=1，2，3，4

(1)

iBi=WiBi，i=1，2，3，4

(2)

(3)

式中，iAi、iBi分別為A、B區(qū)域含微電網(wǎng)的低碳效益能力結(jié)構(gòu)指數(shù)；Wi為各項(xiàng)低碳效益能力指標(biāo)對(duì)應(yīng)的權(quán)重；Ai、Bi分別為A、B區(qū)域低碳效益能力的指標(biāo)值；i為變量個(gè)數(shù)，本文選定的含微電網(wǎng)低碳效益能力結(jié)構(gòu)指數(shù)為4個(gè)層面，故而i=4；CAB為A、B區(qū)域含微電網(wǎng)低碳效益的能力結(jié)構(gòu)耦合度，該值越大，則表明區(qū)域協(xié)同度越大，相反，則越小，但是該值僅可反映各區(qū)域含微電網(wǎng)低碳效益的協(xié)同性強(qiáng)弱，但不能表征協(xié)同性水平的高低。為此，本文參照文獻(xiàn)[9]中創(chuàng)新能力結(jié)構(gòu)與區(qū)域創(chuàng)新合作利益的關(guān)系，基于不同區(qū)域在含微電網(wǎng)協(xié)同發(fā)展中低碳效益高低，來判定其協(xié)同度水平。

設(shè)定扇形AOB為A、B區(qū)域協(xié)同發(fā)展含微電網(wǎng)獲得的總低碳效益，AOC、BOC分別為A、B區(qū)域發(fā)展含微電網(wǎng)獲得的低碳效益，OA、OB的斜率KOA=1-IA、KOB=1/(1-IB)分別為A、B區(qū)域含微電網(wǎng)的低碳效益能力結(jié)構(gòu)指數(shù)的函數(shù)，如圖1所示。

圖1 區(qū)域含微電網(wǎng)低碳效益能力結(jié)構(gòu)與效益分配關(guān)系Fig.1 The relationship between the low-carbon benefit capacity structure and benefit distribution of regional microgrids

據(jù)此可得OA、OB線的長(zhǎng)度關(guān)于A、B兩區(qū)域低碳效益能力結(jié)構(gòu)指數(shù)的函數(shù)式為：

LOA=LOB=IAIBCAB

(4)

據(jù)此，可得AOB、AOC、BOC發(fā)展含微電網(wǎng)獲得的低碳效益大小為：

SAOB=

(5)

(6)

(7)

可見，SAOB、SAOC、SBOC均是關(guān)于IA、IB的單調(diào)增函數(shù)，也即區(qū)域在含微電網(wǎng)發(fā)展中獲得的低碳效益隨著各能力結(jié)構(gòu)的提高而上升，且A、B兩區(qū)自身的低碳效益能力結(jié)構(gòu)大小決定其在區(qū)域協(xié)同中低碳效益大小。

2.2 各區(qū)域含微電網(wǎng)的低碳效益測(cè)評(píng)

根據(jù)式(1)、式(2)可計(jì)算得出2009—2019年全國(guó)各省域含微電網(wǎng)的低碳效益能力結(jié)構(gòu)，且經(jīng)過加權(quán)平均可得低碳能力結(jié)構(gòu)指數(shù)，本文以樣本基期、末期的計(jì)算結(jié)果為準(zhǔn)，如圖2所示。由圖2可知，基期、末期下東、中、西各低碳效益能力均值依次為7.00、3.25、2.33和40.55、19.50、14.75，樣本期內(nèi)各區(qū)域含微電網(wǎng)的低碳效益均呈上升趨勢(shì)，但“東高、西低”的區(qū)域分異格局并未改變，且差距在持續(xù)擴(kuò)大；其中，東部地區(qū)含微電網(wǎng)的低碳效益最高，尤其“京、滬、粵”更是名列前3位，且除了“冀、瓊”外見，其他各省區(qū)含微電網(wǎng)的低碳效益均全國(guó)領(lǐng)先地位，中部大部分省域處于中等水平，高于西部，西部?jī)H“陜、川、渝”低碳效益較強(qiáng)，其余各省域則處于低位水平徘徊。究其原因在于東部地區(qū)位于電能的“消費(fèi)中心”，面臨的電力需求和能源壓力較大，以往的集中發(fā)電、遠(yuǎn)距離輸電的電力系統(tǒng)與之矛盾突出，進(jìn)行可再生能源開發(fā)利用的動(dòng)能較大，國(guó)家政策資金的大力支持下，其含微電網(wǎng)發(fā)展走在了前面；而中部地區(qū)雖滯后于東部，但優(yōu)于西部，因中西部區(qū)域具有豐富的太陽能、水能、風(fēng)能等資源優(yōu)勢(shì)，具備規(guī)模化開發(fā)可再生能源基地的條件，這為含微電網(wǎng)發(fā)展提供了有利條件，但是，因中西部地處偏遠(yuǎn)內(nèi)陸，技術(shù)、人才、資金等基礎(chǔ)薄弱，建設(shè)“大機(jī)組、大電網(wǎng)、高電壓”的大電力系統(tǒng)，具有經(jīng)濟(jì)和條件的不可操作性，且最大問題在于電力需求疲軟下的“消納難”，這成為其含微電網(wǎng)發(fā)展的“短板”，故而，中西部地區(qū)含微電網(wǎng)低碳效益雖在逐步上升，但與東部區(qū)域的差異性在不斷拉大，存在區(qū)域協(xié)同性問題。

圖2 各區(qū)域含微電網(wǎng)低碳效益能力結(jié)構(gòu)指數(shù)Fig.2 Structure index of low-carbon benefit capability of microgrids in each region

2.3 各區(qū)域含微電網(wǎng)低碳效益的耦合度分析

結(jié)合式(3)可知，各區(qū)域能力結(jié)構(gòu)之間的耦合度，可表征含微電網(wǎng)低碳效益的區(qū)域協(xié)同性，根據(jù)計(jì)算結(jié)果及實(shí)踐情況，為形成直觀認(rèn)知，本文將2009—2019年各區(qū)域含微電網(wǎng)低碳效益能力結(jié)構(gòu)的耦合度劃分為低耦合、中度耦合、高度耦合、協(xié)同耦合等5種類型，對(duì)應(yīng)的CAB的門限值依次為[0，0.3]、(0.3，0.5]、(0.5，0.8]、(0.8，1.0]，并區(qū)域低碳效益能力耦合度與地理位置關(guān)聯(lián)，直觀表征各區(qū)域含微電網(wǎng)低碳效益的時(shí)空分異特征。

可見，從時(shí)間分異特征看，2009—2019年各區(qū)域含微電網(wǎng)低碳效益能力結(jié)構(gòu)的耦合度呈現(xiàn)由低度耦合向中高度耦合發(fā)展的上升趨勢(shì)，整體上處于耦合的拮抗、磨合上升期，但尚未形成東、中、西部協(xié)同一致的水平；從空間分異特征看，各區(qū)域含微電網(wǎng)低碳效益能力結(jié)構(gòu)的均衡與匹配程度均得到了顯著提升，但存在顯著的空間失衡性，極化特征明顯，呈現(xiàn)“東高西低”核心—邊緣的空間分異性，東部地區(qū)以“京、滬、粵”極化軸心，其輻射帶動(dòng)京津冀、長(zhǎng)江三角洲、環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈、珠江三角洲等為主核，以遼東、成渝、海峽西岸為次核的高度或協(xié)同耦合區(qū)域，而地處中西部的“藏、甘、青、寧、新”則處于低位耦合的邊緣區(qū)域，其雖具有資源優(yōu)勢(shì)，但含微電網(wǎng)的低碳效益能力結(jié)構(gòu)與東部區(qū)域存在較大差異。

2.4 各區(qū)域含微電網(wǎng)低碳效益的分配格局

為進(jìn)一步探究各區(qū)域含微電網(wǎng)低碳效益的狀況，以分析其對(duì)于區(qū)域協(xié)同的影響性，本文根據(jù)式(5)、式(6)、式(7)計(jì)算各區(qū)域獨(dú)立或協(xié)同下，獲得含微電網(wǎng)低碳效益的差異。各區(qū)域含微電網(wǎng)低碳效益的所得值及獲益比見表2。

表2 各區(qū)域含微電網(wǎng)低碳效益的所得值及獲益比Tab.2 Values and ratios of low-carbon benefits of microgrids in each region

可見，不論區(qū)域協(xié)同與否，樣本期內(nèi)各區(qū)域含微電網(wǎng)低碳效益均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，尤以東部最為顯著。但整體上看，全國(guó)含微電網(wǎng)低碳效益均處于低位徘徊，且區(qū)域間協(xié)同的低碳效益存在顯著的空間差異；從總獲益值看，東中部(0.036)>東西部(0.017)>中西部(0.011)。由此表明，區(qū)域含微電網(wǎng)低碳效益能力結(jié)構(gòu)越強(qiáng)，對(duì)于區(qū)域協(xié)同中的總低碳效益影響越大，如東部依托技術(shù)、資源、政策等多重優(yōu)勢(shì)，具備發(fā)展微電網(wǎng)的巨大優(yōu)勢(shì)，其對(duì)于鄰近區(qū)域中部的輻射帶動(dòng)作用更強(qiáng)，協(xié)同合作的概率大，區(qū)域協(xié)同中獲得低碳效益就大；相反，因其與西部距離較遠(yuǎn)，含微電網(wǎng)低碳效益能力結(jié)構(gòu)的溢出效應(yīng)較弱，跨區(qū)域消納流轉(zhuǎn)的市場(chǎng)障礙也更多，故而，區(qū)域協(xié)同獲得低碳效益要小。從不同區(qū)域協(xié)同獲益比看，東西部(4.218)>東中部(1.932)>中西部(1.802)，含微電網(wǎng)低碳效益能力較高的東部，在與能力較低的西部合作中，其優(yōu)勢(shì)更為明顯，故獲益比較高。

3 建議

結(jié)合上述分析，含微電網(wǎng)低碳效益存在明顯的空間分異特征，而這根源于各區(qū)域能力結(jié)構(gòu)差異，該先天性區(qū)域失衡性較難改變。而配額制以法律形式賦予每個(gè)區(qū)域一個(gè)最低的消納責(zé)任[10]，為各區(qū)域含微電網(wǎng)低碳效益發(fā)展設(shè)定一個(gè)限額，但因?yàn)楦鲄^(qū)域的可再生資源稟賦、利用技術(shù)、政策資金等的限制，使得部分地區(qū)存在過度或過低消納的問題，此時(shí)，如何促成跨區(qū)域的消納量流轉(zhuǎn)成為化解低碳效益能力先天不足，破解含微電網(wǎng)區(qū)域失衡的關(guān)鍵。而綠證與碳排放交易的存在，均是低碳效益驅(qū)動(dòng)下約束火電生產(chǎn)對(duì)環(huán)境負(fù)外部影響性的能源政策，兩者具有天然的共生協(xié)同性，且可彼此轉(zhuǎn)換，通過兩者協(xié)同構(gòu)建含微電網(wǎng)電力市場(chǎng)交易機(jī)制，如此，便可形成全國(guó)“統(tǒng)一市場(chǎng)”，促成跨區(qū)消納責(zé)任的互濟(jì)，不僅分?jǐn)偭顺~區(qū)域含微電網(wǎng)的高成本，發(fā)揮了市場(chǎng)的調(diào)節(jié)效用，而且，也促成缺額區(qū)域更好的完成消納配額，以實(shí)現(xiàn)含微電網(wǎng)低碳效益的均衡發(fā)展。

低碳效益約束下，含微電網(wǎng)電力價(jià)值包含自身價(jià)值及減排價(jià)值，故而，減排價(jià)值應(yīng)融入電力交易之中。但是，傳統(tǒng)的電力市場(chǎng)交易多遵循高低匹配原則，也即購買成本最小，未能體現(xiàn)減排價(jià)值，不能有效激發(fā)含微電網(wǎng)電能跨區(qū)域流轉(zhuǎn)，故而，本文將“低碳激勵(lì)因子”引入市場(chǎng)交易機(jī)制中，以此構(gòu)建新的交易排序，讓缺額消納區(qū)域的常規(guī)能源企業(yè)排序靠前，獲得更高的“收益補(bǔ)貼”，以驅(qū)動(dòng)其參與跨區(qū)消納流轉(zhuǎn)，促成超額與缺額消納區(qū)域的互動(dòng)協(xié)同，實(shí)現(xiàn)含微電網(wǎng)低碳效益的區(qū)域均衡發(fā)展。

4 結(jié)論

面臨日益嚴(yán)峻的能源供需問題，清潔、可再生能源的有效利用也越來越迫切。作為可再生能源主要利用方式的微電網(wǎng)分布式功能系統(tǒng)成為電力領(lǐng)域未來發(fā)展和研究的重要方向。由于可再生能源具有明顯的地域分異特性，導(dǎo)致含微電網(wǎng)存在較大的不確定性和隨機(jī)性，含微電網(wǎng)電能的跨區(qū)消納嚴(yán)重受阻。針對(duì)含微電網(wǎng)發(fā)展的區(qū)域非均衡性，本文中對(duì)含微電網(wǎng)低碳效益的區(qū)域協(xié)同性進(jìn)行了分析，并提出了實(shí)施多能源政策協(xié)同的市場(chǎng)導(dǎo)向機(jī)制的建議，對(duì)于解決含微電網(wǎng)區(qū)域失衡，實(shí)現(xiàn)含微現(xiàn)網(wǎng)低碳效益均衡發(fā)展具有重要意義。