可再生能源配額的優化配置模型

吳銳，何永秀

(華北電力大學經濟與管理學院，北京市 102206)

可再生能源配額的優化配置模型

吳銳，何永秀

(華北電力大學經濟與管理學院，北京市 102206)

為了建立科學合理的可再生能源總量目標模型，制定切實可行的指標分解方案，深入分析了典型國家制定可再生能源發展目標及配額指標的經驗，結合中國國情和可再生能源發展現狀，構建了可再生能源電力總量目標預測模型及基于可再生能源潛力和消費的配額指標分解模型。選取2015年作為規劃年，對中國可再生能源電力配額方案進行了深入探討，并從環境效益和社會成本進行經濟性評價。研究結果表明，中國在制定可再生能源電力配額指標時，應采取自上而下的分解方法，綜合考慮非化石能源消費結構、CO2減排目標、國民生產總值(gross national product，GDP)增長、電力需求及電網能力對配額比例的影響。

可再生能源；配額制；總量目標；多目標規劃；補貼效率

0 引 言

近年來，可再生能源配額制受到越來越多的關注。文獻[1-3]研究和論證了促使可再生能源配額政策實施的因素，包括：市場重組、氣候變化、能源安全性以及可再生資源相對于其他能源(如天然氣)發電的價格壁壘及其顯現的長期成本優勢，試圖以成本和政府行政參與程度最低來實現可再生能源目標。文獻[4]分析了我國能源供需分布格局及其區域間能源平衡的特點，論證了實施可再生能源配額制在東部沿海地區能源結構優化過程中的意義及其途徑。文獻[5]深入分析了配額政策、固定電價制度和競爭性招標的適用性，指出可再生能源發電配額制(renewable portfolio standard，RPS)政策不僅有利于可再生能源規模化目標的實現，而且有利于可再生能源技術商業化和本地化的實現。

可再生能源配額總量目標確定和指標分解方法是當前配額制研究的熱點和難點。文獻[6]初步研究了中國RPS政策，并通過比較英國、美國、荷蘭、丹麥和澳大利亞五國的可再生能源發電配額制政策，總結了實施RPS的國際經驗。文獻[7]對《可再生能源法》提出的可再生能源總量目標制度的內涵進行了界定，指出制定總量目標制度時應包括2個基本要點，即確定總量目標和選擇實現總量目標的保障政策，并提出了中國總量發展目標制度所具有的基本特征包括：強制性、戰略性、階段性、計劃性、指導性和明確性。文獻[8]提出了以能源供應戰略方案及其環境綜合影響模型(model of energy supply strategy alternative and their general environmental impact, MESSAG)耦合能源需求模型(model for analysis of energy demand, MAED)為基礎的可再生能源綜合規劃方法，并選取四川省為案例進行實證研究。結果表明該方法綜合考慮資源稟賦、經濟成本和污染物排放多重約束, 并且能夠仿真激勵政策的收益和成本, 從而制定出與當地資源條件、經濟發展、環境治理目標相容的可再生能源發展規劃目標和配套的政策措施。文獻[9]研究了歐盟可再生能源規劃模型及強制性目標分解方法，并總結了其對中國可再生能源規劃總體目標分解的啟示意義，指出在制定可再生能源省級目標時，要充分考慮可再生能源開發潛力和國民生產總值(gross national product，GDP)的影響，均衡省域間利益關系。文獻[10]綜合考慮資源開發、需求分布等因素對可再生能源規劃的影響，提出了一種基于可再生能源潛力和能源消費的目標分解模型，并以中國國家可再生能源規劃與省域可再生能源規劃為案例，給出各省可再生能源分解目標。文獻[11] 建立了以綠色經濟效益最大化為目標的面向可再生能源配額制的優化配置模型，對可再生能源在區域間、用戶間進行優化配置具有實際參考價值。文獻[12]利用資源統計的方法由下而上進行了可再生能源資源調查，并以此為基礎確定了配額制指標方案。

實施可再生能源配額制是促進可再生能源健康發展，實現社會持續發展的重要戰略選擇，而建立科學合理的可再生能源總量目標模型，制定切實可行的指標分解方案，是中國推行配額制所要解決的關鍵問題。本文基于中國電力市場和可再生能源發展現狀，建立面向配額制的總量目標模型和指標分配模型，并進行經濟性評價。

1 典型國家配額目標及指標制定

確定可再生能源發展配額指標是可再生能源配額制實施的關鍵。從國際上對配額制定的方法中可以認識到，影響配額制定的主要因素包括：指標因素、地區因素和技術因素。在配額總量目標制定方面，既可以針對可再生能源裝機容量提出比例目標，也可以針對可再生能源發電量提出比例目標。目前，國際上確定可再生能源發展量化目標的方法主要有：

(1)以全國總的可再生能源發電容量占總的發電容量的比例為目標；

(2)以全國總的可再生能源的新增發電容量的增長率為目標；

(3)以不同地區的可再生能源發電量占總電力消費的比例為目標；

(4)以全國總的可再生能源發電量占總電力消費量的比例為目標；

(5)以每一種技術的可再生能源發電量為目標。

從國際配額制發展的經驗來看，可再生能源發展目標可以是可再生能源電量，也可以是可再生電力裝機容量。但是考慮到同樣裝機容量的年度發電量可能差異懸殊，可再生電力裝機容量只能作為參考性目標，發電量才是真正有意義的指標。目前，除德克薩斯州以新增裝機容量為目標外，各國配額制目標都是對可再生能源電量提出要求，且澳大利亞提出數量目標，其他國家提出比例目標。澳大利亞從發電量的角度制定了大規模可再生能源目標，指明2030年前每年可再生能源發電站的發電量。按規定，澳大利亞每年的可再生能源比例依據當年可再生能源發電目標、估算義務主體電力的獲得量、前一年證書提交超額或不足量、每年免稅證書預期量等由可再生能源管理辦公室發布[13]。

配額指標分解到每個地區時要充分考慮該地區可再生能源的資源條件、地區經濟發展水平或該地區電網的網架堅強情況等，分解到每個供電企業時可采用等比例分配方法和差異化分配方法。例如，意大利對每個發電企業制定相同的發電配額指標；美國加州以2001年配額比例為基準，以每年遞增1%的方式確定總量目標，電力企業采用“存量+增量”方式承擔不同配額指標。關于可再生能源配額分攤，荷蘭能源基金會政策研究中心建立了可再生能源目標分攤模型，將歐盟可再生能源發電總目標分攤到15個歐盟成員國。該模型考慮了現在和未來各種可再生能源發電技術的技術性和經濟性，從計算不同區域的各種可再生能源發電資源的潛力入手，確定歐盟可再生能源發展的總量目標。在總量目標分攤到各成員國的方案中，又充分考慮社會需求、經濟承受力或者歐盟規劃等因素對實現可再生能源分攤目標的影響，確定各成員國的可再生能源目標。

縱觀國際經驗，中國在推進配額制時應該注意以下幾點：

(1)在確定可再生能源發展目標和配額指標時，應堅持由上而下的研究方法，根據國家合理控制能源消費總量和調整能源消費結構的宏觀目標確定可再生能源發展的總量目標，而后分配到各省(市、區)。

(2)如何根據可再生能源發展的需要，明確目標中的主要因素，確定一個量化的可再生能源發展目標，要對各地區可再生能源資源潛力及開發利用條件進行深入的分析評價，對可再生能源市場潛力及發展前景進行充分估計；對具體配額方案從能源需求、資金供應、資源潛力、環境容量以及技術支持等方面進行分析、評價。

(3)配額指標既可以是可再生能源增長的絕對量，也可以是一個增長比例，但不論是絕對量還是增長比例，通常都是一個明確的數字。對于配額指標的地區分配綜合考慮消納責任、消納能力、發展潛力、電網布局等因素，可以以省為單位進行可再生能源電力配額指標分配，不同資源條件的省份承擔的配額指標不同；同類型的省份承擔同等的配額指標。此外，在智能電網全面建設階段，可以考慮效仿日本將配額指標的分配與電網系數聯系起來。

2 中國可再生能源配額總量目標及指標分配原則

(1)明確性與發展性原則。大力發展風能、太陽能等可再生能源，已經成為我國中國能源發展戰略的一項長期國策，因此在總量目標制度的設計上應著眼長遠，且總量目標要非常明確，有具體的時間和量的概念。

(2)政府推動與市場調節原則。既要堅持政府推動，又要充分考慮市場調節因素。政府作為執行總量目標制度的主體，出臺相關的激勵政策，以推動總量目標的實現。同時，要注意發揮市場的作用，以降低可再生能源發展成本。

(3)公平性和區域差異原則。在配額總量目標的分解過程中要公平合理，對各個省市區的資源稟賦狀況、經濟發展狀況、電網發展狀況等進行綜合考慮，堅持公平性和區域差異原則，使得各地的配額指標有所差別，為實現配額指標所采取的措施也同樣要實事求是和因地制宜。

3 可再生能源配額總量模型

3.1 總量目標模型

在制定可再生能源配額總量目標時，應該考慮電力需求、環境保護、非化石能源發展等因素的可再生能源配額目標的影響，建立包含滿足電力需求、非化石能源消費比重、CO2減排目標的多重目標規劃模型。

(1)電力消費需求目標。電力消費目標函數以滿足規劃年電力消費為目標，構建規劃年各能源發電總量滿足最小用電需求函數。

(2)非化石能源消費比重目標。非化石能源消費比重目標函數從優化能源消費和發電結構出發，以非化石能源消費占能源消費總量的比例滿足規劃年的約束目標。

(3)CO2減排目標在此過程中只計算化石能源的碳排放。實施可再生能源配額制后，中國火電排放CO2要滿足不超過規劃年內響應CO2排放量的約束，構建CO2排放量最小的目標函數。

(1)

(2)

(3)

(4)

βq1≤CY

(5)

將上述函數轉化成多重目標函數，滿足以上條件所求得的qY，1、qY,2、qY,3分別為規劃年的火電、水電、核電發電量，qY,4則為該規劃年的可再生能源配額總量目標Z。

為了充分比較各種分配方案下，各省(市、區)所分得配額指標的差異，本文選取不同指標分配原則進行多方案比較。

方案Ⅰ：以基準年不同地區消費的可再生能源電量占全國可再生能源電力消費的比例為依據進行指標分配。

方案Ⅱ：以可再生能源資源稟賦狀況為依據進行指標分配。

方案Ⅲ：以基準年各(省、市、區)可再生能源電力消費狀況、資源稟賦狀況、電網約束條件及未來經濟發展狀況等因素為依據進行指標分配。

3.2 可再生能源指標方案對比

3.2.1 方案Ⅰ

本節在計算各省(市、區)可再生能源配額指標時，采取自上而下的分解方法。其主要計算公式為

(8)

(9)

3.2.2 方案Ⅱ

(10)

(11)

3.2.3 方案Ⅲ

該方案假定規劃年各省市區的可再生能源配額比例由固定比例和浮動比例這2部分組成。其中，固定比例包括2部分，基礎年的可再生能源電力配額比例及每年固定的增長比例；浮動比例則綜合考慮了經濟水平、節能減排目標、電網約束條件等對可再生能源配額的影響。因此，各省市區規劃年配額比例的浮動部分是為關于非化石能源消費結構、CO2減排目標、GDP增長、電力需求及電網能力的函數，即

l3,i=l3,ci+lfix,i+ΔRi

(12)

ΔRi=λ(α1γRQ+α2Rnon-fossil)

(13)

(14)

式中：l3,i表示方案Ⅲ規劃年i省市區所分得的可再生能源發電量配額比例；l3,ci表示方案Ⅲ基礎年i省市區可再生能源發電量占全國的比例；lfix,i表示i省市區每年固定增加的可再生能源配額比例，其比例的大小與地區的資源稟賦情況有關；αi表示各種因素對可再生能源配額的影響因子；λ表示i省市區的電網約束條件；γ表示能源需求與市場協調因子；ΔRi表示由經濟發展、能源消費結構調等因素引起的配額比例的變動；Qit表示i省市區參與市場交易的能源數量；Qip表示i省市區能源生產總量。

需要說明的是，按照各省市區的可再生能源資源稟賦狀況，分為5級。各級地區對可再生能源電力配額指標增長率的影響lfix,i因子取值如下所示。

(15)

3.3 非化石能源消費結構

根據“電力工業十二五規劃”，2015年非化石可再生能源占一次能源消費的比重達到11.9%；2020年非化石能源發電在一次能源消費中比重為14.1%，電力工業為實現非化石能源在依次能源消費中比重達到15%左右目標的貢獻率為0.94。

Ri,non-fossil=(ri,non-fossil-rci,non-fossil)Rrenewable

(16)

(17)

3.4 經濟發展水平

經濟發展與電量的需求關系可以簡單表示為

Qi=MGDPiqi,GDP

(18)

Qi=MGDPci(1+rGDP)qci,GDP(1-rq,GDP)

(19)

則由經濟增長因素引起的電力需求的變動率可表示為：

RQ=(1+rGDP)(1-rq,GDP)-1

(20)

式中：Qi表示省市區電量需求；MGDPi表示i省的生產總值；qi,GDP表示單位GDP產值的需電量；rQ表示GDP變動對電力需求的影響率；rGDP表示規劃年GDP增長率；rq,GDP表示規劃年單位GDP產值需電量下降率。

3.5 電網約束條件

在配額電量分配時，根據各地區電網條件不同，充分考慮電壓隨可再生能源裝機容量變化的調整率，即當地電網條件較好時，調整率λ可取為1，實行較高的配額指標，若電網條件較差，調整率λ可取為0.9，實行較低的配額指標。

4 算例分析

本文以2013年為基準年，2015年為計劃年，探討2015年中國實施可再生能源配額的最佳方案。

4.1 基礎數據

按照電力工業“十二五”規劃綱要總體要求， 2015年能源發展的主要目標是：實施能源消費強度和消費總量雙控制，能源消費總量40 億t標煤，用電量6.15 萬億kW·h，火電供電標準煤耗下降到323 g/(kW·h)。一次能源供應能力43億t標準煤，其中國內生產能力36.6億t標準煤，非化石能源消費比重提高到11.4%，非化石能源發電裝機比重達到30%。可再生能源電力總量目標規劃函數主要參數取值如表1所示。

表1 可再生能源電力總量目標規劃函數主要參數取值

4.2 總量目標測算

建立的3個目標約束條件，以滿足電力需求為第一優先級，以滿足CO2排放量為第二優先級，以滿足非化石能源比例為第3優先級建立關于可再生能源發展總量目標的多重目標規劃模型。其目標優化模型為：

(19)

(20)

將數據代入目標規劃公式，得到2015年發電結構預測結果。由計算結果知，2015年全國電力需求總量為61 500 億kW·h，火電、水電、核電發電量分別為47 328、10 873、1 248 億kW·h；可再生能源發電量目標為1 362 億kW·h，占全國電力需求的3.27%。

4.3 不同方案下配額指標測算

根據不同分配方案對該比例進行分配，為簡便計算，對方案Ⅲ做以下假設：

(1)各省市區規劃年較基礎年非化石能源消費比重提高3%；

(2)各省市區規劃年電網輸送能力系數均為0.9；

(3)各省市區規劃年市場開放度為0.3；

表22015年各省(市、區)可再生能源電力配額指標

Tab.2RPSforprovinces(cities,regions)in2015(basedondifferentscenarios) 億kW·h

4.4 結果分析

本小結從可再生能源電力消納的社會環境效益和社會成本兩個角度對各種方案進行經濟性評價，并做以下假設：

(1)規劃年我國實行可再生能源發展補貼制度，全社會購買可再生能源電力比常規電力所多支付的差價作為消納可再生能源電力的社會成本；

(2)同單位可再生能源電力在不同地區消納所帶來的社會環境效益是相等；

(3)規劃年我國仍實行可再生能源固定上網電價制度，根據所處地區的資源狀況，分為0.51、0.54、0.58、0.61 元/(kW·h)這四大類。

3種方案下2015年全國消納的可再生能源電力均為1 362 億kW·h，由假設(2)知可再生能源電力帶來的社會環境效益是相等的。因此，只需要比較不同方案下，全社會為消納可再生能源電力支付的社會成本差異情況，經計算得各省市為消納可再生能源多支付的成本如表3所示。

表3不同方案下各省市區消納可再生能源電力的社會成本

Tab.3Socialcostofeachprovinces(cities,regions)in2015(basedondifferentscenarios) 10億元

經計算知，3種方案下消納1 362億kW·h可再生能源電力所支付的社會成本分別為396.43、424.93、386.22 億元，平均消納單位可再生能源電力較常規電力所多支付0.29、0.31、0.28 元/(kW·h)。

因此，從補貼效率的角度看，第3種配額方案較為有效；從補貼額度的角度看，消納相同數量的可再生能源電力3種方案所需補貼資金不同，一定程度上反映出我國現行可再生能源電力補貼機制存在一定的不合理性。

5 結 論

(1)本文建立了可再生能源電力總量目標預測模型和3種配額指標分解模型，選取2015年為規劃年，對中國可再生能源電力配額方案進行了深入探討，并從環境效益和社會成本兩個方面進行經濟性評價。測算結果表明，2015年中國電力需求總量為61 500 億kW·h，可再生能源電力總量目標為1 362 億kW·h，配額總量目標為3.27%。

(2)建立與中國電力市場及可再生能源發展階段相適應的總量目標及指標分解模型對促進可再生能源健康發展具有重要的促進作用。在進行可再生能源電力配額方案制定時，應注意：①采取自上而下的方式，先設定總量目標，實現國家對可再生能源消費總量的控制，再依據歷史可再生能源電力消費情況、資源稟賦狀況、經濟增長狀況、資源稟賦狀況、電網約束狀況等因素確定各省(市、區)的具體配額指標，使可再生能源電力在全范圍內合理分配。②對指標分配方案進行經濟性評價，盡可能小的降低可再生能源電力消納的社會成本，提高可再生能源發電補貼的效率和效益。

(3)中國應該加快電力市場改革，進一步完善可再生能源價格機制和補貼機制，在促進可再生能源電力消納的同時，提高補貼效率和效益。

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(編輯：蔣毅恒)

OptimalAllocationModelofRenewableEnergyQuota

WU Rui, HE Yongxiu

(School of Economics and Management, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

To establish a reasonable amount target model and develop a practical target decomposition scheme, this paper deathly analyzed the typical countries’ experience of formulating renewable energy developing target and quota scheme, and built the prediction model of the total power target of renewable energy and the quota decomposition model based on the potential and consumption of renewable energy, combined with the Chinese conditions and the status of renewable energy development. With selecting 2015 as planning year, the renewable energy quota scheme in China was discussed in depth, and its economic evaluation was carried on from the aspects of environmental benefits and social costs. The results show that it should apply top-down decomposition method in the development of renewable energy quota in China, as well as comprehensively consider the structure of non-fossil energy consumption, CO2emission reduction targets, GDP(gross national product)growth, and the influence of electricity demand and grid capacity on quota proportion.

renewable energy; portfolio standard; total amount target; multi-objective programming; subsidies efficiency

國家自然科學基金項目(71273089)。

F 426.2;F 224

： A

： 1000-7229(2014)06-0147-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.06.028

2014-03-31

：2014-04-08

吳銳(1989)，女，碩士研究生，研究方向為電力經濟與管理，E-mail：wurui0208@sina.cn；

何永秀(1970)，女，博士，研究方向為電力經濟與管理，E-mail：heyongxiu@ncepu.edu.cn。