电能总量缺口估计

3.2.1 度量模型

1）电量供需总量缺口度量模型

根据电能供需平衡理论，理论上，年电能供给缺口应该等于年理论发电量减去去年电能需求量。年理论发电量等于去除备用装机理论上所供电量。其中，备用装机的主要作用是短时间维持电力供需平衡。根据服务类别，运行备用主要包括调频、预测误差以及事故备用；根据技术类别可分为发电备用、储能设备以及可中断负荷。因此电量供给缺口表示为

电量供需（总量性）缺口＝年电量需求量－装机容量×（1－备用系数）×8 760

用公式表示为

MP＝Ed－ISP×8 760×（1－RFA） （3.1）

式中，MP——电量缺口；

Ed——年电量需求量；

ISP——装机容量；

8 760——一年的小时数，即365（天）×24（h）；

RFA——实际备用系数。

以上是反映多种发电能源构成的综合发电的电量缺口理论基本模型。实践中，随着煤电资源短缺，煤电装机由于缺煤导致利用率下降；或环境政策导致煤电发电装机利用率减少；水电由于受季节性影响，年利用率也会发生变化，风能、太阳能等新能源的年利用率更是与发电技术、上网技术以及气候等相关，所以年利用率可能较不稳定。核电等相对稳定的年利用率也可能与铀资源或遇到安全隐患而不得不调整。考虑资源和环境，本书认为应考虑不同发电类型的年利用率因素对供电量的影响。因此，电量供需缺口模型表示为

电量供需（总量性）缺口＝年电量需求量－装机容量×（1－备用系数）×8 760×综合容量利用率

MP＝Ed－×8 760×RAT （3.2）

式中，i——第i种电源，i＝1，2，…，n；

RAT——容量利用率，用发电设备累计平均利用小时数占理论发电可用小时数的比例来表示。其他参数含义同式（3.1）。

当MP>0，表示需求大于供给。

2）电力供需缺口度量模型

一般情况下，考虑中国未来的装机规划以及社会用电最高负荷，采用装机容量裕量与年用电最大负荷需求比较来反映电力峰荷缺口。电力供需缺口度量模型为

MISP＝PL－（ISP－RF） （3.3）

式中，MISP——电力缺口；

PL——社会年用电最高负荷需求；

ISP——装机容量；

RF——（理论）备用装机容量。

很明显，式（3.3）适用于调度合理有效条件下的一般电力供给，实际中，由于能源短缺或电能调度不经济、技术不可行等因素导致去掉备用装机后的剩余可用装机容量（ISP－RF）并非全部都能用于满足社会特定地区的年最高负荷需求。电力供需缺口应该考虑这些不确定因素造成的供给不足，于是在基础模型中加入供给实现系数，反映剩余可用装机来满足电力需求的实现程度。其公式为

MISP＝PL－（ISPi－RFi）·ACRTi（3.4）

式中，i——第i种电源，i＝1，2，…，n；ACRT（0≤ACRT≤1）——供给实现系数。

供给实现系数趋近1，表示（ISP－RF）能够被充分利用；反之，供给实现系数趋近0，表示（ISP－RF）未能被充分利用。

3.2.2 数据取值与来源

（1）装机容量：2015—2050年的装机容量主要来源于《2050中国能源和碳排放报告》，其数据计算依据主要是中国经济走势、国家中长期电源规划、技术进步、历年装机容量等。本文主要以此为依据，参考近年来能源局网站或其权威新闻发布负责人公开讲话等资料进行修订。其中，2015年总装机为14.37亿W，2020年为16亿W，2030年为26.57亿W，2040年为30亿W，2050年预计48亿W。根据发展和改革委员会制定的《可再生能源中长期发展规划》、《核电中长期发展规划（2005—2020年）》；另外，参照电源规划要求，到2020年，可再生能源发电装机所占比例达到30%以上。本书以2015年火电装机72%为基点，装机比例每年下降0.2%；水电装机比例基本维持20%不变，核电、风电、太阳能等其他装机比例约为10%。至2050年各时间段内电源装机比例取值见表3.1。

表3.1 2015—2050年中国电源装机比例

（2）实际备用系数：装机备用容量占最大负荷的比例。装机备用容量包括负荷备用容量、事故备用容量、检修备用容量。理论上总装机备用容量不宜低于最大负荷的20%，实际统计值为33%。本项目取实际统计值。为计算简便，假设实际备用系数至2050年取值不变。

（3）备用装机容量：不同于电量计算的备用装机容量，这里是理论上的备用容量。依据《电力系统技术导则》（SD 131—1984）中，备用容量取年最高负荷需求的25%。

（4）容量利用率：根据2012年的煤电去除备用装机外的装机容量利用率取93%，核电等其他取90%，水电80%，其他取70%。考虑到能源紧缺和技术进步，结合各电源发电装备利用率变动的可能影响因素，本书假定水电和核电的容量利用率不变，而煤电容量利用率每 5年降低1%，新能源发电装置容量利用率每5年提高1%。

（5）供给实现系数：设供给实现系数为95%。

3.2.3 电量和电力需求预测

1）电量需求预测

假设用户实际用电量等于电量实际需求量，因此，未来用电量预测等于电量需求量。已有的研究成果表明，GDP是影响电力需求的最重要的变量（林伯强，2010；胡兆光，2007），因此本书使用2000—2012年中国GDP与用户用电量数据，采用回归法拟合估计预测方程，得到

用电量＝0.084 709×GDP＋7 737.447 （3.5）

其中，相关系数R2＝0.974 8。表明可以使用式（3.5）估计未来社会用电量。GDP数据取值如下。按照实现国家三步走目标：2005—2020年，年均增长速度为9%；2020—2035年，年均增长速度为6%；2035—2050年，年均增长速度为4.5%（《2050中国能源和碳排放报告》），预估得到未来各时段的GDP，见表3.2。

表3.2 中国至2050年GDP预测

（资料来源：《2050中国能源和碳排放报告》。）

将表3.2中的数据代入预测方程，结果如图3.1所示。可知至2050年，中国的用电量需求一直保持增长态势。

图3.1 至2050年的中国社会发电量裕量（单位：亿k W·h）

图3.1表示至2015年中国各年的社会发电量裕量，可知各年的发电量裕量均远远高于全社会用电量；至2040年以后，电量供需形势依然严峻。这一现象出现的主要原因是可再生能源装机比例增加，但这部分装机不能充分利用。

2）电力需求预测

根据年最大负荷历史数据采用趋势外推法得到。社会用电最大负荷历史数据依据《中国电力负荷特性分析与预测》（赵希正，2002）、国家电力信息网相关数据综合整理而得。预测结果见表3.3，可知，中国的年最大负荷不断创新高。

表3.3 至2050年的中国社会电力供给裕量估算结果

3.2.4 电量和电力供需缺口估算

1）电量、电力供给裕量估计

国家在制定电源规划的时候，发电能力设计往往会比实际预测的用电能力超前，因此，理论上计算出的电力或电量供给不应存在正缺口，而应该是裕量。

随着电能应用越来越广泛，可能会出现某类大规模设备用电的情景，以电动汽车为代表，这部分用电量在总社会用电量中所占比例较小，并没有引起学者和相关部门的高度重视。由于这部分用电往往具有不确定性，作为未来用电大户之一，其大规模产业化发展必将对中国未来的电力和电量常态需求产生冲击。为凸显问题，本章以电动汽车为代表，假设技术获得重大突破，电动汽车大规模快速发展，分析考虑电动汽车用电下的中国电量电力供需缺口。

为估算这部分用电需求可能引致的电能供需缺口，本书首先计算不计大规模电动汽车的社会电量电力缺口；其次，针对不同的电动汽车技术发展情景假设，估算可能产生的电力电量需求；最后，对电动汽车的电力电量需求与电力电量裕量进行比较，得出电量电力供需缺口。

根据第3.2节、第3.3节中最高负荷预测结果和装机规划，见表3.3，如果考虑平均备用25%的容量，则裕量是充足的。表明按照目前的电源规划，在调度合理可行条件下，满足社会正常运行所需电力供给是充足的。

2）电量供需缺口估算

本节以电动汽车为例分析未来大规模的新用电装置耗能引致的电量和电力缺口。根据中国的经济、交通、人口和土地可用面积的分析，将每千人300辆汽车，即总汽车数为4.5亿，设为中国汽车保有量的极限值。依据中国能源环境实际情况和发展电动汽车的政策支持力度，考虑技术进步、燃油汽车的竞争、使用者成本等因素，设立电动汽车低速、中速和高速发展的三种情景，对2050年电动汽车保有量作出了预测，见表3.4。为说明问题，本书借用高速发展情景下至2050年的电动汽车预测结果进行分析。

表3.4 2015—2050年电动汽车保有量高速发展情景预测结果

注：设2050年总汽车密度为300辆/千人。

至2050年，电动汽车总量占总汽车总量的22.6%时，考虑电动汽车充电方式、运行耗电情况、充电损耗等情景参数，先计算电动汽车可能引发的电量和电量需求增量。电量需求增量指的是电动汽车用电引致的发电侧的发电量供给增量，包含从发电端到终端的电能损耗。那么，

电动汽车引致的发电量供给增量＝电动汽车终端耗能＋充电电能损失＋综合网损＋综合电厂自用电

用公式表示为

EDEV＝

式中，EDEV——电动汽车发电量供给增量；EVParc——电动车年保有量；D——年运行里程；

PC——单位公里耗电量；CEF——充电效率；CNL——综合网损率；IPCR——综合厂用电率。

以上参数取值如下。

电动车年保有量：根据预测的中国电动汽车保有量乘以大中、小车型比例分别估算得到各年大中、小车型电动汽车保有量，其中，大中、小车型比例根据国家统计数据库民用载客汽车的2000—2010年历史数据采用趋势外推法预测得到。

单车的年运行里程：结合中国车辆运行的实际情况粗略估计小型车1万～1.5万公里、大中型车10万～15万公里。为计算简便，假定该变量至2050年不变。

单位公里耗电量：据目前国内外已有电动汽车技术参数估算，取小型车10～16（k W·h）/百公里、大中型车50～70（k W·h）/百公里。随着汽车技术不断改进，可能单一行驶目的耗电量会降低，但随着车载设备（如空调）的不断增多，汽车的单位公里耗电量可能会增加，为了计算简便，假定其至2050年不变。

充电效率：结合滕乐天和何维国等（2009）、罗卓伟和胡泽春等（2012）研究者对中国电动汽车充电设施运营模式及其对电网的影响等相关研究成果，考虑未来充电方式种类，取92.5%。

综合网损率：根据全国电力工业统计年鉴2009年统计数据，取6.5%。

电厂自用电率：根据中国电力企业联合会2009年公布数据，考虑未来技术进步，估值6%。

由于综合网损、电厂自用电、充电损失在整个发电量需求估算过程中所占比例较小，且历史数据表明综合网损率、电厂自用电率、充电效率的变化范围较小，对总发电量需求影响不大，所以假定这些参数至2050年均保持不变。

将以上参数结果代入式（3.6），得到的结果如图3.2所示。

图3.2 至2050年电量供需状况（单位：千亿k W·h）

至2050年，不考虑电动汽车的用电，中国各年的电能供给存在一定裕量；随着电动汽车产业化的发展，电动汽车用电量需求逐渐增大，社会用电量也逐年递增，但前者增长幅度大于后者，故电动汽车用电引致的供电量增量在供电量裕量中的比重逐渐增大。但就总用电量而言，电动汽车产业化的电能需求基本可以得到满足。

3）电力供需缺口估算

为了能够凸显问题，采用对电动汽车产业化引致的最高负荷进行分析。由于未来电动汽车实际充电时间、充电方式等都存在极大的不确定性，因此本书避开微观层面研究电动汽车充电引致的最高负荷需求，而从宏观层面考虑各类充电方式的可能性以及充电时间来推算电动汽车充电可能造成的最高负荷需求。假设充电站能满足该数量的汽车同时充电，因为电动汽车同时充电基本服从均匀统计分布，那么已知所有电动汽车平均一天的电能需求情况下，在单车选择不同方式充电的时间内，一定比例的汽车同时充电引致的最高负荷即为电动汽车充电引致的最高负荷。因此，电动汽车引致的最高负荷需求计算公式可以表示为

LFEV＝EDEV·CF/（365×TRC ） （3.7）

式中，LFEV——电动汽车引致的年最高负荷；EDEV——电动汽车年用电量；TRC——单车充电时间；CF——同时率[1]。

参数取值如下。

单车充电时间：根据国家2010年颁布的电动汽车充电标准，本书取快充6～10min，慢充取6～10h。

同时率：为了反映极端情况下可能出现的电力短缺问题，同时率的确定情景如下。①快充同时率：在一天早中晚三个时间段，极端情况下各时段各取一个小时，共3h，将平均一天的全部的电动汽车所用电能快充到电动汽车，而每辆电动汽车的快充时间为 10min，那么最高时刻同时充电的汽车比例为1/6/3＝5%，表示5%电动汽车同时实现快充，则同时率取5%。②慢充同时率：将平均一天的电动汽车所用电能在10h内全部慢充到电动汽车上，而每辆电动汽车的快充时间为8h，则同时慢充的电动汽车比例为80%。

将上述参数取值代入式（3.7），得到至2050年中国电动汽车产业化引致的电力需求如图3.3所示。

图3.3 中国电动汽车产业化引致的电力需求（单位：MW）

考虑中国未来的经济增长以及装机负荷情况，估算得到的最高负荷时的电力供给裕量先下降（2030年以前下降）后上升（2030年以后上升），出现拐点（大约在2030年）的原因是电力装机规划存在周期性，而社会用电最高负荷的上升幅度远远超过电源装机规划的增长量。

由图3.3可知，按照2050年，电动汽车保有量比例为22.6%，无论电动汽车采取慢充还是快充方式，电力需求增量低于电力供给裕量，则电网是安全的。同时也表明，规划的装机裕量能满足电动汽车慢充方式的负荷需要，是合理的充电方式。如果采用快充方式（尽管可能不合理），那就需要增加装机容量。

综上分析可知，相当长时间内，电能供给可以完全满足未来电能需求发展的需要，从总量看，电能供需不存在正缺口。接下来从结构上分析是否存在电能供需缺口。

[1] 这里的同时率理解为电动汽车同时开始充电，且需要相同的充电时间最高可能充电的汽车数目占电动汽车保有量总量的比率。