英加水电消纳市场和外送方案研究

倪煜,宋福龙,邬炜  

倪煜,宋福龙,邬炜

摘要

刚果河是世界上水力资源最为丰富的大河之一,其中超过40%集中在刚果(金)下刚果省的英加地区。自上世纪五十年代大英加工程设想提出以来,英加水电的开发和外送一直受到全世界的关注。然而,受限于建设资金和消纳市场等问题,目前开发率尚不到百分之三,具备巨大的发展潜力。从消纳空间和比较优势两方面分析了英加水电的潜在市场,并结合电源开发进度提出了输电方案。分析表明,大英加工程作为非洲重要的清洁能源基地,其外送电力在西部非洲、南部非洲和北部非洲具有较强的竞争力。加快大英加水电开发和外送对推进非洲能源互联网建设、以清洁和绿色方式满足整个非洲电能需求具有重大而深远的意义。

关键词 : 水电开发;比较优势;战略规划;非洲能源互联网

国家电网公司科技项目(SGTYHT/16-JS-198)。

0 引言

刚果河是世界上水电资源最为丰富的河流之一,整个流域的技术可开发量超过1 亿kW[1],这主要归功于其得天独厚的水文特性和独一无二的地形特点。一方面,刚果河具有典型的赤道多雨区河流的水文特征,不仅年均径流量高达39000 m3/s,仅次于亚马孙河位居世界第二,且丰枯期流量比很小,是世界上流量变化最小的河流之一。另一方面,刚果河上游和下游有一连串的急流和瀑布群,如下游河段上著名的利文斯通瀑布群,由32个急流和瀑布构成,在200 km内总落差达280 m。特别是其中的英加瀑布,在不到15 km河段中,水位落差达100 m,水面宽度由4000 m收缩至260 m,技术可装机量高达4500 万kW,是世界上水电资源最富集的地区之一。

早在1885年,科考人员就发现英加地区可能存在巨大的水力资源[2]。上世纪20年代,比利时殖民当局萌生了通过开发英加水电,为当地采矿业和铁路运输业供电的想法,并于1955年组织开展了水电规划,首次提出建设大英加水电工程的宏伟蓝图[3]。1972年,为推动国内工业化,新生的刚果(金)(时名扎伊尔)政府出资建设了装机容量35 万kW的英加一期水电站,为首都金沙萨及其周边地区供电。1982年,英加二期水电站建成投运,装机容量142 万kW,并通过当时世界上输电距离最远的英加—科卢韦齐±500 kV直流线路,向东南部的加丹加省矿区供电。然而,这之后刚果(金)动荡的国内局势不仅使得英加水电的开发再次陷入停滞,也让已建成的两期工程及配套线路因为缺乏维护而无法满功率运行[4]

图1 英加水电开发现状
Fig. 1 Development status of Inga hydropower

2003年,随着现任总统卡比拉上台,刚果(金)总体局势趋于稳定,已逐步走向了建设和发展的正轨。刚果(金)政府开始谋求通过国际合作来推进大英加水电工程。2004年,南非与刚果(金)签订了关于建设英加三期水电站的政府间谅解备忘录,并委托相关机构于次年完成了项目可研报告。然而,彼时南非国内对发展本国核电的兴趣更加浓厚,并未对推进英加三期项目提供资金支持[2]。直到2013年,刚果(金)和南非两国元首签订了关于开发大英加水电的框架协议,南非正式投入资金支持项目研究推进。2016年,以大英加推进署的建立为标志,英加水电开发进入了新的阶段。

与此同时,随着特高压交、直流输电技术的不断进步,远距离、大容量输电已不再是困扰清洁能源大范围配置的技术障碍。中国近年来大力发展特高压直流输电技术,已全面掌握±800 kV和±1100 kV特高压直流技术[5]。目前正在研发输电容量达2000 万kW,输电距离可达6000 km以上的±1500 kV特高压直流技术[6]。在这一大背景下,英加水电的开发利用遇到了新的契机。

根据最新消息,由中国与西班牙公司组成的共同体取得了英加水电的开发权。目前获得的资料显示,共同体计划分四期开发大英加水电,总装机容量约4400 万kW。若按计划开发完毕,大英加水电工程将会成为全世界最大的水电工程,其装机容量将会是三峡工程的两倍。得益于刚果河巨大而稳定的水流量,大英加水电站的年利用小时数可达7000 h以上,其年发电量将是伊泰普水电站的三倍多。

长久以来,困扰英加水电大规模开发的问题主要是资金和市场,更确切地说,是英加水电的潜在消纳市场能否带来可观的效益。本文正是针对这一问题展开深入研究。由于大英加工程容量巨大,本地无法全部消纳,因此跨国、跨区外送势在必行。国际贸易中经典的比较优势理论认为,各个地区或国家在资源禀赋上存在差异,这种差异决定了不同区域在不同商品的利用上有着不同的效率,可在交换中获得比较优势。本文首次将这一理论引入跨国电力消纳市场比选中,首先通过对非洲各区域的电力平衡进行分析,确定潜在消纳市场的空间。综合考虑各区域各种电源类型的规模比较优势和潜力比较优势,拟定外送电力流的方向。最后,结合电源开发进度,依托经济性分析提出了输电方案。

1 研究思路与方法

1.1 研究思路

非洲各国电力现状水平和发展趋势差异巨大,本文根据各国预测的最大负荷水平和电源装机规划,分国别评估市场容量。这样不仅提高了预测的准确性,也为外送工程的落点选择提供了参考。

负荷预测时,综合考虑该国的能源电力现状、人口增长趋势、经济发展情况、产业结构调整和单位产值电耗等因素进行电量预测[7]。对于发展水平较高的南部非洲和北部非洲,主要采用弹性系数法;对于发展水平较低的东部非洲、西部非洲和中部非洲,主要采用人均用电量法。随后,采用最大负荷利用小时数法,并考虑15%的备用容量,以确定各国的需求水平。装机预测时,在分析现有装机结构的基础上,结合各国的能源资源禀赋、已有装机规划和清洁能源发展目标,按照低碳、可持续发展的原则,在满足丰枯调剂需要的前提下,优先开发清洁能源,适度发展以燃气和生物质燃料为主的火电。预测的负荷水平和可用容量之差为各国消纳空间,区域市场容量由区内各国消纳空间累加得到。

结合英加水电的开发进度,利用比较优势理论确定电力流大致方向,拟定多种输电方案并测算输电价格。若上网电价和输电成本之和小于目标市场的上网电价,则确定为最终输电方案。本文研究方法的基本流程如图2所示。

图2 本文的研究思路
Fig. 2 Flow chart of the research idea

1.2 比较优势理论

自英国古典经济学家李嘉图在著名的《政治经济学及赋税原理》中最早提出比较优势这一概念以来,比较优势理论便一直是国际贸易理论的逻辑起点和“永恒规律”。依据比较优势理论,每一个国家在每一个时期只能具有某种要素或资源的相对优势,而不可能同时具有各方面的优势,这就要求重点发展那些可以充分利用相对优势的产业,然后利用国际贸易,实现各国的互利共赢[8]

在此基础上,美国经济学家巴拉萨提出了显性比较优势指数(revealed comparative advantages, RCA)概念,来定量测算比较优势的大小。RCA反映了一个国家某类商品的竞争优势所形成的实际结果,被广泛应用于不同国家的比较竞争力强弱分析[9]。影响一个区域电源比较优势的因索很多,包括资源禀赋、电网条件、技术水平和市场机制等,最终必然体现为市场竞争优势,所以发电量构成必然可以反映出该区域的各类电源的比较优势。根据这一原理,本文首次在跨区电力交易中提出了基于比较优势指数的消纳市场认定方法,可以一定程度上弥补以往规划研究主观性过强、缺乏科学依据的不足。

假设所关注的区域及其(n-1)个临近区域属于同一个电力市场,形成竞争和合作关系。构造如下的显性比较优势指数RCA。

式中,RCAij表示所关注的区域i的第j个电源类型在第t时段的显性比较优势的大小,为一无量纲的相对指数。Pijt表示区域i的第j个电源类型在第t时段的总产出;GPit表示区域i的所有电源在第t时段的总产出。为解决RCA指数所具有的非对称性(即指标分布的偏斜性)及其对统计分析直观判断的影响等问题,本文采用一种改进的比较优势衡量方法—显示对称性比较优势指数(revealed symmetric comparative advantage,RSCA)。该指数的计算公式为:

RSCAij表示第i个区域的第j个电源类型的显示对称性比较优势大小,取值范围为[-1,1]。当表示第i个区域第j个电源类型有比较优势;当表示该电源类型不具有比较优势。在评价不同类型电源外送比较优势时,综合考虑了各地区的规模比较优势指数(发电量)和潜力比较优势指数(技术可开发量)。这两个指数越大,表明第i个区域第j个电源类型外送比较优势越强。

2 目标市场分析

2.1 消纳空间分析

由于大英加工程体量巨大,涉及到资金筹集、移民安置、施工建设等多方面的问题,无法一蹴而就,本次研究的中期和远期水平年分别定为2030年和2050年。暂不考虑大英加工程,刚果(金)所在的中部非洲地区和非洲其他区域的电力平衡结果[10],即各区域电力市场对于英加水电的可消纳规模如表1所示。

表1 非洲各区域的电力消纳空间
Table 1 Market space of Africa by regions

在不计及英加水电的情况下,本区域内部,2030年电力缺额较小,2050年虽有所扩大,但与英加工程规模相比依然较小。从整个非洲范围内看,西部非洲和南部非洲清洁能源资源相对有限,且负荷需求大、增长速度快,是非洲重要的电力受入中心,尼日利亚、加纳和南非等国具有消纳英加水电的市场空间;东部非洲水电、地热、风电等清洁能源资源都较为丰富,是非洲重要的清洁能源基地,自身存在电力外送的需求;北部非洲虽然太阳能、风能等清洁能源资源丰富,未来是向欧洲输送电力的清洁能源基地,但是考虑到新能源出力波动性带来的调峰需求,也是电力受入中心,因此,北部非洲的定位是非洲—欧洲—亚洲的电力中转枢纽。以上电力平衡结果表明,除本地外,西部非洲、南部非洲和北部非洲具有接纳英加水电的市场空间。

2.2 比较优势分析

非洲各区域发展不同类型电源的规模比较优势指数如表2所示,包括火电、水电、风电、太阳能以及生物质、地热、核能等。同时,参考文献[11]所做的评估得到各区域不同类型清洁能源的潜力比较优势,如表3所示。

表2 非洲各区域各类电源的规模比较优势
Table 2 Scale comparative advantages of various types of generation of Africa by regions

表3 非洲各区域清洁能源的潜力比较优势
Table 3 Potential comparative advantages of clean energy of Africa by regions

续表

可以看出,大英加工程所在国家刚果(金)的水电不论是规模还是潜力在各种电源类型中都具有较强的比较优势,在整个非洲范围内也非常突出,这同样是整个中部非洲地区的一大特点。由于水电资源特别丰富,太阳能、风电资源较为一般,因此中部非洲多年来大力发展水电,形成了较强的规模比较优势。西部非洲和中部非洲类似,也是水电资源较为富裕,规模和潜力比较优势较强的地区。相比之下,南部非洲和北部非洲不适宜发展水电,资源禀赋决定了这两个区域在太阳能、风电和化石能源发电方面比较优势较强。东部非洲各种清洁能源资源都很丰富,水电和地热发电现阶段具有规模比较优势,而风电和太阳能发电具备很大的发展潜力。

以上分析结果表明,大英加水电在整个非洲范围内都具有较强的比较优势。结合消纳空间和输电距离等因素,英加水电的外送市场综合比较情况如表4所示。在满足刚果(金)和中部非洲其他国家的负荷需求前提下,外送优先级排序依次为西部非洲、南部非洲和北部非洲。

表4 各目标市场送电可行性综合比较结果
Table 4 Comparison of transmission feasibility of each target market

3 外送方案设想

3.1 送电方案

送电方案需结合电源开发进度统筹考虑。由于历史上大英加工程的反复拖延,且目前项目进展未达到预期,原定于2030年前英加三期全部投运的可能性不大,因此,初步计划大英加水电工程的开发时序为:2030年,英加三期投运约750 万kW; 2050年,英加三期剩余容量、英加四期、英加五期和英加六期投运,大英加工程全部开发完毕。

在送电方式上,区域内部考虑采用交流输电方式,其原因在于中部非洲电网基础设施薄弱,网架覆盖程度很低,互联互通处于刚起步阶段。交流电网具有电力接入、传输和消纳十分灵活的鲜明特点,既是构建电网的前提,也是电网可靠运行的基础。在区内采用交流输电,不仅能满足英加水电外送的需要,还可以促进中部非洲跨国电力互联。跨区方面,由于容量大、距离远,且为点对网输电形式,高压直流输电因其技术上的优点成为主要手段[12]。在优先满足中非地区自用的前提下,2030年,跨区直流外送规模约500 万kW,2050年,跨区直流外送规模约3200 万kW。综合考虑各区域的负荷或电力交换中转中心和高压直流通道的输电能力,拟提出图3所示的输电方案。此处输电距离测算上,综合考虑了地形等因素,选择较短路径并乘以1.2的曲折系数。

图3 大英加水电跨区输电方案
Fig. 3 Transregional delivery scheme of Grand Inga hydropower

3.2 经济性分析

电价测算中,工程投资参照国内同类型工程造价。由于非洲基础设施较为薄弱,考虑1.25倍的投资综合调整系数。工程运营期设定为30年,建设资本金比例和贷款利率分别为20%和4.9%,折旧率按3.3%考虑。直流输电的电能损耗率根据输电距离远近略有差异,至西部非洲、南部非洲和北部非洲分别设定为5%、10%和15%[13]。此外,根据不同机构的相关估计,大英加水电的度电成本大约在2~3美分/kWh之间[4,14]。受端国家的上网电价参见各国电力公司或监管部门网站。

在内部收益率设定为15%,线路年平均利用小时数为7000 h的情况下(一般认为,大英加水电的年利用小时数在7000 h以上),2030年大英加水电至尼日利亚和南非的落地电价相比当地上网电价分别低4.0美分和2.9美分。2050年,送电至加纳、南非和摩洛哥的落地电价和当地上网电价相比均具备明显的竞争力。不论2030年或2050年,送电至西部非洲的方案电价差空间最大,这也从另一个角度说明英加三期应该首先送电至西部非洲。

值得注意的是,送电至埃及方案不具备电价竞争力的主要原因在于埃及政府通过大量的补贴导致发电价格较低,若考虑送电工程享受相同的电价补贴,送电埃及方案经济上也可行,需要与埃及政府协商工程的商业模式。

敏感性分析中考虑不同的内部收益率(internal rate of return,IRR)和线路年平均利用小时数,结果如表6所示。由表6可见,当内部收益率下降或线路利用小时数上升时,落地电价呈下降趋势,电价竞争力更加明显。

4 结语

大英加水电工程是规划中的世界第一大水电工程,不仅规划装机容量高达4400 万kW,且年利用小时数在7000 h以上。然而,由于体量巨大,消纳市场成为多年来一直困扰着投资者的难题。本文从市场空间和比较优势两方面,放眼整个非洲大陆对这一问题进行了深入分析,结果表明大英加水电在整个非洲具有明显的比较优势,西部非洲、南部非洲和北部非洲为大英加水电的潜在消纳市场。综合考虑了电源开发进度和电网输电能力,确定了区域内采用交流输电、区域间采用高压直流输电的方案。2030年,英加三期通过1回±660 kV直流向西部非洲送电400 万kW。2050年,预计大英加水电全部开发完毕,通过2回±800 kV直流、1回±1100 kV直流和1回±800 kV直流分别向西部非洲、北部非洲和南部非洲送电,外送规模总计达3800 万kW。经济性分析结果表明,上述输电工程落地电价具备2~4美分的电价竞争力。

加快大英加水电的开发不仅可以助力刚果(金)将资源优势转化为经济优势,电力外送的客观需求也对促进构建非洲能源互联网具有重要意义。以大规模、大范围清洁能源优化配置为主要目标的非洲能源互联网将有力地保障整个非洲清洁、低廉、可靠的能源供应,为非洲的电气化、工业化建设提供强大支撑,使非洲地区摆脱贫穷、落后的面貌。

表6 大英加水电外送方案经济性分析
Table 6 Economic analysis of Grand Inga hydropower delivery scheme

参考文献

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Study on Consumption Market and Delivery Scheme of Inga Hydropower

NI Yu, SONG Fu-long, WU Wei
(Global Energy Interconnection Development and Cooperation Organization, Xicheng District, Beijing 100031, China)

Abstract: The Congo River is one of the largest river in hydropower resources in the world. More than 40% of its potential is concentrated in Inga region in the Kongo Central province of Democratic Republic of Congo (DRC). Since the concept of the Grand Inga project was put forward in the 1950s, the development and consumption of Inga hydropower has attracted worldwide attention. However, due to problems such as investment and market, less than 3% of hydropower potential is developed and the latent capacity is still huge. This article analyzes the possible market of Inga hydropower from the aspects of market space and comparative advantage, and proposes a delivery scheme in consideration of the development schedule of this giant project. The results show that the Grand Inga project, as an important clean energy base in Africa,has a strong competitive advantage over power generation projects in western Africa, southern Africa and northern Africa. Accelerating the development of the Inga hydropower development and delivery has important and far-reaching significance in promoting the construction of Africa energy interconnection and eventually meeting the future electricity demand of Africa in a clean way.

Keywords: hydropower development; comparative advantage;strategic planning; Africa energy interconnection


Project Supported by Science and Technology Foundation of SGCC (SGTYHT/16-JS-198).


作者简介:

倪煜

倪煜(1989),男,博士,研究方向为电力系统建模和控制、电力系统规划等,E-mail:yu-ni@geidco.org。

宋福龙(1979),男,高级工程师,研究方向为电力系统规划、电力系统经济性等,E-mail:songfulong@geidco.org。

邬炜(1977),女,高级工程师,研究方向为电力系统规划,E-mail:wei-wu@geidco.org。

(责任编辑 夏雪)

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