張道全，潘巧波，張樂平

(華電電力科學(xué)研究院有限公司，杭州 310030)

0 引 言

近年來，清潔性能源得到了廣泛的關(guān)注。風(fēng)力發(fā)電擁有良好的清潔性和可持續(xù)性，能夠有效地減少溫室氣體的排放，有助于達(dá)成巴黎協(xié)定的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)中國“碳達(dá)峰，碳中和”的規(guī)劃[1]，建設(shè)雙碳目標(biāo)下以新能源為主體的電力系統(tǒng)[2]。風(fēng)電場的建設(shè)及運(yùn)維能夠提高當(dāng)?shù)氐木蜆I(yè)率，同時也為可持續(xù)性發(fā)展做出貢獻(xiàn)。但是仍然存在一些制約風(fēng)電發(fā)展的不利因素，例如風(fēng)速的不確定性以及高昂的維修服務(wù)成本。上述問題及風(fēng)電的潛在價值使得探討風(fēng)電發(fā)展趨勢與能源政策的關(guān)系很有意義。

一些文獻(xiàn)已應(yīng)用系統(tǒng)動力學(xué)方法對風(fēng)力發(fā)電技術(shù)做出相關(guān)研究。Reddi等[3]利用風(fēng)力發(fā)電機(jī)組(以下簡稱風(fēng)機(jī))原理建立了場站發(fā)電量預(yù)測模型，以多個風(fēng)機(jī)疊加的方式計(jì)算場站發(fā)電量。Bildik等[4]和Grobbelaar等[5]結(jié)合經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)曲線、經(jīng)濟(jì)學(xué)的規(guī)模效應(yīng)和風(fēng)機(jī)的生命周期對技術(shù)擴(kuò)散問題進(jìn)行研究。更多的研究者[6-9]探討了能源政策的影響，認(rèn)為可再生能源市場存在巨大潛力，但與實(shí)行的能源政策密切相關(guān)。Zhao等[10]與Erik[11]將環(huán)境因素加入模型，并考慮了風(fēng)電技術(shù)發(fā)展帶來的社會影響。該文從技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)的角度出發(fā)，將風(fēng)機(jī)的制造廠家作為風(fēng)電技術(shù)發(fā)展真正的驅(qū)動者引入分析模型，替代過去文獻(xiàn)中將風(fēng)電技術(shù)發(fā)展與發(fā)電企業(yè)利潤綁定的情況，同時利用經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)曲線，創(chuàng)建技術(shù)成熟度變量，評估風(fēng)電技術(shù)發(fā)展情況，建立裝機(jī)容量、發(fā)電量與風(fēng)電度電價格之間的關(guān)系，細(xì)化風(fēng)電技術(shù)發(fā)展邏輯。

英國的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)擴(kuò)散程度暫時領(lǐng)先于中國，歷史數(shù)據(jù)對中國市場的未來發(fā)展有一定參考價值。為此，該文以英國的風(fēng)電發(fā)展情況為例，以可利用土地面積、政策激勵、經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)曲線、規(guī)模效應(yīng)和風(fēng)力發(fā)電不穩(wěn)定性主導(dǎo)的5條回路建立模型，利用過去10年的模擬數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型，預(yù)測不同能源政策下未來30年的風(fēng)電技術(shù)擴(kuò)散趨勢,為中國的風(fēng)電市場提出啟發(fā)性建議。

1 英國風(fēng)電發(fā)展情況

英國的海陸性氣候使其擁有充分的風(fēng)資源。在2000年英國可再生能源發(fā)電量僅為9.9 TW·h，而在2020年增長到了134.7 TW·h，其中超過一半是由風(fēng)電提供的。2020年陸地和海上風(fēng)力發(fā)電分別占總發(fā)電量的11.1%和13.0%，風(fēng)力發(fā)電總量同比提升18.14%，相當(dāng)于減少了2 800萬t的二氧化碳排放量。截至到2020年底，英國已并網(wǎng)9 096臺風(fēng)機(jī)，總裝機(jī)容量超過20 GW，可供給1 800萬家庭的用電需求。

差價合同是英國針對大規(guī)模能源企業(yè)的現(xiàn)行補(bǔ)貼政策。該政策從2015年開始執(zhí)行并逐漸取代可再生能源義務(wù)政策。英國商業(yè)、能源和工業(yè)戰(zhàn)略部成立了低碳合同公司，對差價合同進(jìn)行簽署及支付。該機(jī)制下，在執(zhí)行價高于市場價時發(fā)電公司將得到額外的價差補(bǔ)貼，在執(zhí)行價低于售價時發(fā)電公司需返還價差。執(zhí)行價的設(shè)定主要基于經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)曲線決定的成本估算和征費(fèi)系統(tǒng)的可承受水平等因素。該政策使可再生能源產(chǎn)業(yè)的度電收益更加穩(wěn)定，減少發(fā)電企業(yè)虧損風(fēng)險(xiǎn)，降低融資難度。

2 系統(tǒng)動力學(xué)方法

系統(tǒng)思考方法是通過模擬整個系統(tǒng)的變化趨勢，推演一個特定變量的變化[12]。系統(tǒng)動力學(xué)是Forrester基于系統(tǒng)思考開發(fā)的一種模擬方法，該方法在設(shè)定的時間內(nèi)對整個系統(tǒng)進(jìn)行模擬，通過時間延遲和閉環(huán)反饋等控制方式模擬系統(tǒng)內(nèi)元件之間的相互作用。在加入存量和流量變量后，這種反饋具有高階時變系統(tǒng)特性[13]，通過模擬各變量之間互相反饋的方式達(dá)到系統(tǒng)理解，因此系統(tǒng)思考有助于決策者分析動態(tài)的復(fù)雜系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)動力學(xué)模型

在不同政策環(huán)境下建立系統(tǒng)動力學(xué)模型并分別進(jìn)行迭代模擬，將幫助政策決定者在復(fù)雜的局勢下做出更合理的決定。模型以2010年的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，預(yù)測10年的技術(shù)擴(kuò)散趨勢并與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，驗(yàn)證所建立模型的置信度。在此基礎(chǔ)上，模型以2020年的數(shù)據(jù)作為初始狀態(tài)，模擬未來30年風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展和相關(guān)能源政策產(chǎn)生的影響。

3.1 因果回路分析

因果回路圖是展示變量之間關(guān)系的示意圖。因果鏈符號位于箭頭旁，表示變量之間的激勵關(guān)系。為預(yù)測風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)量，分別從經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和政策領(lǐng)域上提出風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展中的核心變量和輔助變量。其中內(nèi)源性變量用圓形邊框表示，外源性變量用文字表示。圖1為風(fēng)電技術(shù)擴(kuò)散系統(tǒng)循環(huán)圖，圖中的5個核心因果關(guān)系回路見表1。

表1 風(fēng)電技術(shù)擴(kuò)散因果關(guān)系圖主要回路

圖1 風(fēng)電技術(shù)擴(kuò)散因果關(guān)系

1)規(guī)模效應(yīng)回路中涵蓋了成熟度變量、價格變量以及風(fēng)機(jī)數(shù)量，形成了一條以規(guī)模效應(yīng)為核心的正反饋回路。更成熟的風(fēng)電技術(shù)增加發(fā)電收益率，促進(jìn)風(fēng)機(jī)建設(shè)。風(fēng)機(jī)裝機(jī)規(guī)模的擴(kuò)大增加了廠家的利潤和制造經(jīng)驗(yàn)。利潤促進(jìn)了風(fēng)電技術(shù)的研發(fā)，進(jìn)而再次反饋到技術(shù)成熟度。

2)以風(fēng)電補(bǔ)貼政策為核心的負(fù)反饋回路。更成熟的風(fēng)電技術(shù)提升了發(fā)電量，高額的發(fā)電量緩解了二氧化碳減排指標(biāo)的壓力，因而政府減少補(bǔ)貼。低補(bǔ)貼使新增風(fēng)機(jī)的數(shù)量減少，廠家利潤減小，風(fēng)電技術(shù)發(fā)展減慢，成熟度提升減緩。

3)經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)曲線回路由2個變量的正反饋構(gòu)成，該回路包含了風(fēng)電技術(shù)發(fā)展的早期效應(yīng)及發(fā)展中期的“干中學(xué)”模式，學(xué)習(xí)率在初期隨技術(shù)成熟度而升高。經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)曲線決定了2個變量之間互相促進(jìn)的程度。

4)風(fēng)資源可利用面積的負(fù)反饋回路。在風(fēng)資源開發(fā)區(qū)域一定的前提下，已建設(shè)的風(fēng)機(jī)數(shù)量將減少可利用的風(fēng)資源區(qū)域，抑制風(fēng)機(jī)建設(shè)增長率。

5)由風(fēng)電不穩(wěn)定性導(dǎo)致的負(fù)反饋回路。風(fēng)電技術(shù)成熟度增加了風(fēng)電產(chǎn)量，但由于風(fēng)功率缺少可控性，造成了發(fā)電量的不穩(wěn)定性，降低電網(wǎng)消納能力，減少風(fēng)機(jī)建設(shè)增長率，進(jìn)而降低廠家利潤，限制風(fēng)力發(fā)電技術(shù)研發(fā)。

3.2 系統(tǒng)流圖分析

系統(tǒng)流圖是通過存量、流量、連接器和輔助變量4種形式將因果關(guān)系圖中構(gòu)建的模型量化。變量之間的實(shí)際關(guān)系往往是非線性的，模型通過增加微積分關(guān)系和LOOKUP函數(shù)的形式更準(zhǔn)確地模擬系統(tǒng)運(yùn)行情況。系統(tǒng)存量流量圖(系統(tǒng)流圖)如圖2所示，模型以潛在可建設(shè)的風(fēng)機(jī)數(shù)量、已建設(shè)的風(fēng)機(jī)數(shù)量、風(fēng)力發(fā)電成熟度為存量變量，以風(fēng)機(jī)建設(shè)、風(fēng)力發(fā)電成熟度發(fā)展為流量變量建立存量流量模型。

由于沙溝泥石流以往沒有監(jiān)測資料，在現(xiàn)狀調(diào)查基礎(chǔ)上采用查表法確定重度，本次泥石流重度的取值為1.786 t/m3。

圖2 風(fēng)電技術(shù)擴(kuò)散系統(tǒng)存量流程

風(fēng)電度電價格和補(bǔ)貼對風(fēng)機(jī)建設(shè)的增益并不是線性的。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電度電成本較高時，政府趨向于補(bǔ)貼風(fēng)電以維持技術(shù)發(fā)展；當(dāng)風(fēng)電發(fā)展較為成熟時，低廉的成本將會成為促進(jìn)風(fēng)機(jī)建設(shè)的主要因素，政策的補(bǔ)貼將隨之減少，模型使用LOOKUP函數(shù)描述這種非線性過程。

目前建立的陸地風(fēng)機(jī)已可以達(dá)到5 MW的裝機(jī)容量，海上風(fēng)機(jī)甚至可以達(dá)到15 MW。未來的風(fēng)電發(fā)展可能更傾向于單機(jī)容量的提升。例如，布爾波海岸離岸風(fēng)電場已由90 MW的總裝機(jī)容量通過技術(shù)改造擴(kuò)容至348 MW。該文引入了臺均風(fēng)機(jī)容量，作為風(fēng)機(jī)技術(shù)改造和更新?lián)Q代的量化指標(biāo)。每年風(fēng)機(jī)廠家的部分收入由當(dāng)前總裝機(jī)容量減去上一年總裝機(jī)容量決定，因此模型將囊括風(fēng)機(jī)建設(shè)與技改的全部收入。

因?yàn)轱L(fēng)機(jī)廠家是技術(shù)研發(fā)的主體，而他們的目標(biāo)客戶是多個國家，所以其他國家的風(fēng)電發(fā)展帶來的收入也會影響到英國風(fēng)力發(fā)電的成熟度，進(jìn)而體現(xiàn)在英國裝機(jī)容量和能效利用率上。該文涉及的內(nèi)容無法討論世界范圍內(nèi)的風(fēng)電技術(shù)擴(kuò)散，但英國世界排名第六的風(fēng)電產(chǎn)量和最大的離岸風(fēng)電產(chǎn)量，驗(yàn)證了英國風(fēng)電在世界上的領(lǐng)先地位，所以風(fēng)機(jī)廠家在其他國家的利潤采用在英國利潤的滯后變量，以一定的比例影響英國風(fēng)電技術(shù)成熟度的發(fā)展。

研究的創(chuàng)新性包括以下4個方面：

1)以往的文獻(xiàn)只考慮了發(fā)電公司獲得的利潤，此模型提出了風(fēng)機(jī)制造廠家是風(fēng)電技術(shù)發(fā)展的真正驅(qū)動者。該文以當(dāng)前的裝機(jī)總?cè)萘颗c滯后1年的裝機(jī)容量做差，得到包含了風(fēng)機(jī)新裝、技改和換代的新增容量。裝機(jī)容量增加帶來的利潤決定了風(fēng)機(jī)廠家的大部分收益，以一定比例轉(zhuǎn)化為科研經(jīng)費(fèi)。

2)在電力系統(tǒng)穩(wěn)定性方面，該文考慮了風(fēng)電不穩(wěn)定性對輸電網(wǎng)絡(luò)及電力供求關(guān)系的影響。以往的風(fēng)電技術(shù)擴(kuò)散研究未考慮風(fēng)電不穩(wěn)定性對電網(wǎng)供求不平衡的影響，這種不穩(wěn)定性會極大程度地限制風(fēng)力發(fā)電在總發(fā)電量中的比例。

3)該文首次提出利用成熟度量化風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展程度。臺均裝機(jī)容量、能效利用率和風(fēng)力發(fā)電度電價格之間存在顯著的相關(guān)性，研究建立了3個變量與成熟度之間的函數(shù)關(guān)系。

4)對于可利用風(fēng)資源土地面積限制，不同于以往研究中使用總裝機(jī)容量簡化并代替風(fēng)機(jī)數(shù)量和臺均裝機(jī)容量的方式，該文以風(fēng)機(jī)數(shù)量作為存量變量單獨(dú)討論。將2個變量分開有助于量化可利用風(fēng)資源土地面積造成的風(fēng)機(jī)數(shù)量限制。

4 模型驗(yàn)證

英國國土面積為24萬km2。除了以倫敦為中心的一部分地區(qū)平均風(fēng)速略低，其余約4/5的國土面積均可用于風(fēng)力發(fā)電建設(shè)[14]，但基于英國的土地總面積所限，無法為風(fēng)力發(fā)電建設(shè)投入大量的土地面積。該文選擇7 000 km2作為政策劃定的剩余可用于風(fēng)機(jī)安裝的土地。通過多個風(fēng)電場裝機(jī)容量和占地面積，估算出2010年英國用于風(fēng)力發(fā)電的土地面積大約為1 852 km2。不同場站的單個風(fēng)機(jī)平均占地面積為0.22～3 km2，文中選取0.54 km2作為加權(quán)平均值代入模型。

風(fēng)力發(fā)電的二氧化碳減排量取決于當(dāng)前火電所采用的化石燃料比例，其中以煤炭的每億瓦時電力供應(yīng)產(chǎn)生990 t二氧化碳和天然氣的每億瓦時電力供應(yīng)產(chǎn)生370 t二氧化碳為主?？紤]到化石燃料發(fā)電技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，模型將二氧化碳排放量設(shè)定為以455 t為初值的遞減函數(shù)，統(tǒng)計(jì)風(fēng)力發(fā)電對減輕溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)。

圖3展示了由系統(tǒng)存量流量模型模擬的2010年到2020年英國風(fēng)力發(fā)電累計(jì)裝機(jī)數(shù)量、累計(jì)總裝機(jī)容量、年度風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)量和英國政府2021年12月披露的最新歷史數(shù)據(jù)的對比圖。其中，風(fēng)機(jī)數(shù)量模擬值在2020年增長到9 129臺，與真實(shí)值偏差低于1%；風(fēng)電裝機(jī)總?cè)萘磕M值由初值5 129 MW增加到25 018 MW，與真實(shí)數(shù)據(jù)相差2.18 %；發(fā)電量由初值10 088 GW·h增長到76 407 GW·h，與實(shí)際歷史數(shù)據(jù)相差1.38%。所建立的模型中，3個核心變量模擬誤差均低于3%，認(rèn)為此模型能夠相對準(zhǔn)確地模擬未來風(fēng)力發(fā)電技術(shù)擴(kuò)散與發(fā)展趨勢，可以作為制定政策的參考。

圖3 英國風(fēng)力發(fā)電技術(shù)擴(kuò)散趨勢驗(yàn)證

5 風(fēng)電市場發(fā)展預(yù)測仿真

該文提出4種能源政策方案：方案1為無新增激勵政策，可以為分析其他可執(zhí)行的方案提供參考標(biāo)準(zhǔn)；方案2通過增加度電補(bǔ)貼提升風(fēng)電新增裝機(jī)容量，促進(jìn)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)擴(kuò)散；方案3通過提高風(fēng)電出力的穩(wěn)定性，改善供求不匹配問題；方案4為發(fā)電企業(yè)劃定更多的風(fēng)機(jī)建設(shè)土地面積，促進(jìn)風(fēng)機(jī)數(shù)量增長。4種方案均以2020年的歷史數(shù)據(jù)作為初值，預(yù)測此后30年的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)擴(kuò)散情況。

在無激勵政策情況下，總裝機(jī)容量預(yù)測值為59 812 MW，如圖4所示。方案2預(yù)測值為61 543 MW，僅提升2.89%。成熟的能源產(chǎn)業(yè)將以自身的優(yōu)勢存在，而非政策補(bǔ)貼，未來風(fēng)電能源趨于成熟時，度電補(bǔ)貼政策帶來的增益將不再顯著。方案4將更大程度地促進(jìn)裝機(jī)容量提升，預(yù)測裝機(jī)容量值提升了3 097 MW。方案3裝機(jī)容量預(yù)測值為65 995 MW，提升幅度最高。在30年后風(fēng)力發(fā)電技術(shù)持續(xù)發(fā)展，裝機(jī)容量將通過更新?lián)Q代和技術(shù)改造等方式獲得提升，風(fēng)電裝機(jī)容量的根本限制因素將由風(fēng)資源土地面積限制轉(zhuǎn)向風(fēng)電的不穩(wěn)定性帶來的功率不可控問題。

圖4 4種政策方案下的英國風(fēng)電裝機(jī)容量預(yù)測

在不同的能源方案展望中，方案3提供的風(fēng)電產(chǎn)量明顯超過其他政策。如圖5所示，其風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)量預(yù)測值為260 185 GW·h，相比無新增激勵政策的預(yù)測產(chǎn)量提高了12.62%，這意味著電力市場每年將減少1 152萬t二氧化碳排放量。增加風(fēng)資源土地面積政策提供了第二的風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)量，241 263 GW·h，而方案2僅提升風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)量2.43%。由上述結(jié)果可見，在技術(shù)發(fā)展中期，風(fēng)力發(fā)電平準(zhǔn)化度電價格下降至化石燃料以下時，度電補(bǔ)貼政策帶來的增益將逐漸減少，可利用風(fēng)資源面積將成為限制裝機(jī)容量的關(guān)鍵。在技術(shù)發(fā)展后期，臺均裝機(jī)容量通過技術(shù)改造和風(fēng)機(jī)換新等方式得到提升，降低風(fēng)資源土地限制影響，風(fēng)電不穩(wěn)定性將成為主要限制。隨著風(fēng)力發(fā)電在系統(tǒng)中所占的比例攀升，不穩(wěn)定性導(dǎo)致的供求不平衡風(fēng)險(xiǎn)迅速上升，能否相對準(zhǔn)確地預(yù)測風(fēng)力發(fā)電的產(chǎn)量以平衡電網(wǎng)的供求關(guān)系將至關(guān)重要。

圖5 4種政策方案下的英國年度風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)量預(yù)測

6 對中國電力市場的啟發(fā)

對于中國電力市場而言，其風(fēng)電體量自2006年后突飛猛進(jìn)，已遠(yuǎn)超英國成為裝機(jī)容量第一大國，但根據(jù)新增風(fēng)機(jī)裝機(jī)容量、發(fā)電量占比、能效利用率等參數(shù)，判斷中國風(fēng)電當(dāng)前技術(shù)發(fā)展程度接近2015年的英國，即將進(jìn)入風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展中期階段。基于本研究成果分析，增加可利用風(fēng)資源土地面積政策在發(fā)展前中期帶來的裝機(jī)容量和發(fā)電量增長較為顯著，因此建議持續(xù)進(jìn)行風(fēng)資源開發(fā)，保證風(fēng)電產(chǎn)量穩(wěn)步增長。在“十四五”計(jì)劃中提出，5年內(nèi)提升中國的可再生能源發(fā)電占比至50%，主體為風(fēng)電和光伏發(fā)電，這可能導(dǎo)致輸電網(wǎng)絡(luò)受到風(fēng)電不穩(wěn)定性的影響，增加供求不平衡風(fēng)險(xiǎn)，建議優(yōu)化風(fēng)功率預(yù)測系統(tǒng)和社會用電量預(yù)測模型等。同時，可以根據(jù)地理位置發(fā)展氣電，通過氣電運(yùn)行可靠性高、輸出功率范圍廣、啟停靈活等特點(diǎn)，結(jié)合預(yù)測模型結(jié)果及時調(diào)整電網(wǎng)供需不平衡關(guān)系，解決風(fēng)電輸出功率不可控問題。

7 結(jié) 語

提出風(fēng)電技術(shù)擴(kuò)散的系統(tǒng)動態(tài)模型，預(yù)測了英國未來風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)量及裝機(jī)容量。利用因果回路圖闡述了變量之間的關(guān)系，通過系統(tǒng)存量流量圖，搭建了系統(tǒng)動力學(xué)模型并測試了政策對核心變量產(chǎn)生的激勵效果。分別從度電補(bǔ)貼、改善供求不平衡限制、增加風(fēng)機(jī)建設(shè)面積3個方面提出可行的能源政策激勵方案。結(jié)果顯示，對風(fēng)電不穩(wěn)定性的改善將成為未來風(fēng)電發(fā)展的關(guān)鍵。

未來工作期望加入其他可再生能源與風(fēng)力發(fā)電技術(shù)共同討論并建立模型，可再生能源相互的影響和競爭會使國家能源形勢更加明確。另外，所提出的系統(tǒng)動態(tài)模型可以將參數(shù)與初值調(diào)整后用于其他國家的能源政策分析。

感謝倫敦大學(xué)學(xué)院的Nici Zimmermann教授和William Mcdowall教授在模型建立中的建議和對研究范圍的引導(dǎo)。