適應(yīng)中國(guó)現(xiàn)行電力市場(chǎng)環(huán)境下的容量市場(chǎng)機(jī)制設(shè)計(jì)
孫啟星, 尤培培, 李成仁, 劉思佳, 李炎林, 高效
（國(guó)網(wǎng)能源研究院有限公司，北京 102209）
摘要：從保證電力系統(tǒng)發(fā)電容量充裕度的必要性出發(fā)，研究國(guó)外電力市場(chǎng)中保障電力系統(tǒng)可靠發(fā)電容量的體制機(jī)制，提出適應(yīng)中國(guó)電力市場(chǎng)環(huán)境下的容量市場(chǎng)機(jī)制設(shè)計(jì)方式，有助于建設(shè)與現(xiàn)行機(jī)制耦合的容量市場(chǎng)機(jī)制，保障系統(tǒng)發(fā)電容量充裕及系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。
引文信息
孫啟星, 尤培培, 李成仁, 等. 適應(yīng)中國(guó)現(xiàn)行電力市場(chǎng)環(huán)境下的容量市場(chǎng)機(jī)制設(shè)計(jì)[J]. 中國(guó)電力, 2022, 55(8): 196-201.
SUN Qixing, YOU Peipei, LI Chengren, et al. Capacity market mechanism design under electricity market mechanism in china[J]. Electric Power, 2022, 55(8): 196-201.
引言
隨著中國(guó)電力市場(chǎng)建設(shè)不斷推進(jìn)，電力生產(chǎn)逐步向市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)營(yíng)模式轉(zhuǎn)變。發(fā)電容量的充裕程度將成為保證電網(wǎng)長(zhǎng)期穩(wěn)定的重要因素[1-3]。在未來(lái)的電能量市場(chǎng)和輔助服務(wù)市場(chǎng)的機(jī)制下，電力系統(tǒng)中發(fā)電容量的充裕度將會(huì)受到一定威脅。需進(jìn)一步完善和健全電力市場(chǎng)機(jī)制設(shè)計(jì)，從全局層面保證電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行[4]。
隨著可再生能源發(fā)電裝機(jī)容量和消納率逐步提高，火電機(jī)組的發(fā)電運(yùn)營(yíng)面臨較大壓力[5]。電力平衡和對(duì)其他電源的補(bǔ)償調(diào)節(jié)決定了煤電在電力系統(tǒng)中仍將發(fā)揮重要的作用[6-7]。提升電網(wǎng)穩(wěn)定性，調(diào)整電網(wǎng)發(fā)電結(jié)構(gòu)不能僅使用行政命令方式，需要建立整套完備的價(jià)格機(jī)制，以引導(dǎo)電網(wǎng)發(fā)展。
發(fā)電容量充裕是保證電力系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素[8-9]。為保證電網(wǎng)安全，發(fā)電容量必須保證在滿足最大用電高峰時(shí)留有充裕的電源容量以應(yīng)對(duì)突發(fā)事件[10]。與此同時(shí)，過(guò)多的發(fā)電容量會(huì)使發(fā)電機(jī)組平均利用小時(shí)數(shù)降低，從而導(dǎo)致資源浪費(fèi)。
現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)電力市場(chǎng)中電能量市場(chǎng)的出清方式[11-12]、結(jié)算機(jī)制[13-14]和輔助服務(wù)市場(chǎng)[15]研究較多，但對(duì)于保證發(fā)電商合理收益及保障電力系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行等方面的有所欠缺。文獻(xiàn)[16-17]進(jìn)行了容量市場(chǎng)分析，但對(duì)中國(guó)電力市場(chǎng)如何向容量市場(chǎng)過(guò)渡沒(méi)有深入研究。在現(xiàn)有的電能量市場(chǎng)和輔助服務(wù)市場(chǎng)機(jī)制下，若不能建立有效的市場(chǎng)機(jī)制以確保發(fā)電容量的充裕性，可能會(huì)造成穩(wěn)定性電源因收益不足而導(dǎo)致關(guān)停的情況，進(jìn)而會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)可靠性帶來(lái)較大威脅。因此，需針對(duì)電力系統(tǒng)發(fā)電容量可靠性，建立有效的容量市場(chǎng)保障機(jī)制保證電網(wǎng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。
本文提出了適應(yīng)中國(guó)現(xiàn)行電力體制機(jī)制下的容量市場(chǎng)建設(shè)路徑。通過(guò)合理的機(jī)制及過(guò)渡方式建設(shè)容量市場(chǎng)，減少了電力市場(chǎng)中引入容量市場(chǎng)帶來(lái)的價(jià)格波動(dòng)。
1 國(guó)外電力市場(chǎng)機(jī)制設(shè)計(jì)
本文借鑒國(guó)外電力市場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，因地制宜，完善中國(guó)發(fā)電容量市場(chǎng)機(jī)制設(shè)計(jì)。為提高發(fā)電容量充裕度，國(guó)外電力市場(chǎng)發(fā)電容量充裕性保障機(jī)制主要包括稀缺定價(jià)機(jī)制[18-19]、戰(zhàn)略備用機(jī)制[20]、容量市場(chǎng)機(jī)制[21-22]。
1.1 稀缺定價(jià)機(jī)制
稀缺定價(jià)機(jī)制是電能量市場(chǎng)中的一種存在形式，一般應(yīng)用于純電能量市場(chǎng)。稀缺定價(jià)機(jī)制允許部分發(fā)電商持留發(fā)電容量，使其可通過(guò)稀缺電價(jià)進(jìn)行成本回收并創(chuàng)造收益[23]。有效的市場(chǎng)監(jiān)管是稀缺定價(jià)機(jī)制的重點(diǎn)。監(jiān)管可消除市場(chǎng)帶來(lái)的電價(jià)虛高現(xiàn)象。與此同時(shí)，用戶側(cè)的需求響應(yīng)也是減少稀缺電價(jià)的重要因素[24]。當(dāng)用戶對(duì)電價(jià)足夠敏感且能按照電價(jià)調(diào)整用電行為時(shí)，可從需求側(cè)保證電力市場(chǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。稀缺定價(jià)機(jī)制在供電短缺時(shí)允許電能量市場(chǎng)中尖峰價(jià)格的出現(xiàn)，沖擊了電力市場(chǎng)的穩(wěn)定性。
1.2 戰(zhàn)略備用機(jī)制
戰(zhàn)略備用機(jī)制是指電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商與一些面臨退役或停用的發(fā)電機(jī)組簽訂合約，在需要時(shí)使用其發(fā)電容量對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷需求進(jìn)行響應(yīng)。在系統(tǒng)常規(guī)運(yùn)行時(shí)，參與戰(zhàn)略備用的機(jī)組將不被調(diào)用。在整個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)容量短缺時(shí)，簽訂備用的機(jī)組將會(huì)被調(diào)用以應(yīng)對(duì)短時(shí)電力供需。在戰(zhàn)略備用機(jī)制中，參與備用的機(jī)組將不被允許參加電能量市場(chǎng)。因此，此類機(jī)組收入的唯一來(lái)源為與電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商簽署的戰(zhàn)略備用合約。戰(zhàn)略備用機(jī)制采用的容量一般由電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商確定，并采用招標(biāo)的方式進(jìn)行采購(gòu)。采購(gòu)發(fā)電容量的成本通過(guò)輸電價(jià)格回收，從而將成本疏導(dǎo)到用戶[25]。戰(zhàn)略備用會(huì)使用戶承擔(dān)支付給備用機(jī)組的費(fèi)用，從而導(dǎo)致終端電價(jià)上升。
1.3 容量市場(chǎng)機(jī)制
容量市場(chǎng)的目標(biāo)是保證電力系統(tǒng)中發(fā)電容量的充裕度，進(jìn)而使系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。美國(guó)PJM容量市場(chǎng)的結(jié)算方式主要有基本市場(chǎng)拍賣(mài)、追加市場(chǎng)拍賣(mài)和雙邊合約?；九馁u(mài)市場(chǎng)主要目的為釋放價(jià)格信號(hào)并引導(dǎo)發(fā)電商投資。追加市場(chǎng)拍賣(mài)的設(shè)立是為了應(yīng)對(duì)負(fù)荷水平和機(jī)組建設(shè)計(jì)劃等不確定性因素，從而對(duì)基本拍賣(mài)起到有效的補(bǔ)充作用。雙邊合約結(jié)算方式是用戶和發(fā)電企業(yè)直接簽訂容量合約以實(shí)現(xiàn)容量交易。
由于電能量市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的存在，發(fā)電商為保證成本回收和獲得合理利潤(rùn)將會(huì)壓低電能量市場(chǎng)的報(bào)價(jià)，這會(huì)使用戶電價(jià)仍處在合理的范圍。部分老舊機(jī)組和高耗能機(jī)組會(huì)因容量市場(chǎng)競(jìng)標(biāo)獲利價(jià)格水平低或電能量市場(chǎng)發(fā)電價(jià)格沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)力而退出市場(chǎng)，從而優(yōu)化了電源結(jié)構(gòu)。
2 中國(guó)容量市場(chǎng)制定方法
現(xiàn)有的中國(guó)電力市場(chǎng)研究主要集中在電能量市場(chǎng)和輔助服務(wù)市場(chǎng)，沒(méi)有對(duì)電力系統(tǒng)發(fā)電充裕度進(jìn)行系統(tǒng)化地市場(chǎng)機(jī)制研究?，F(xiàn)行的電力市場(chǎng)化機(jī)制設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)效益好的發(fā)電機(jī)組支撐電力系統(tǒng)的大部分用能需求，發(fā)電效益不好的機(jī)組僅能在少數(shù)用電高峰時(shí)段發(fā)電，導(dǎo)致其有效利用小時(shí)數(shù)不高。有效利用小時(shí)數(shù)與發(fā)電機(jī)組收益成正相關(guān)關(guān)系，發(fā)電設(shè)備有效利用小時(shí)數(shù)過(guò)低可能導(dǎo)致以下情況：（1）發(fā)電設(shè)備通過(guò)尖峰時(shí)段利用小時(shí)數(shù)回收其固定成本及變動(dòng)成本，導(dǎo)致尖峰時(shí)段電價(jià)過(guò)高，增加了電力市場(chǎng)的不確定性，并增加了用戶的用能成本；（2）發(fā)電設(shè)備利用小時(shí)數(shù)低嚴(yán)重影響經(jīng)濟(jì)效益，造成持續(xù)虧損，最終導(dǎo)致發(fā)電設(shè)備關(guān)停，系統(tǒng)穩(wěn)定性降低。
在計(jì)劃發(fā)電時(shí)代，電力系統(tǒng)發(fā)電容量較為充裕，容量安全性問(wèn)題尚未凸顯。但隨著可再生能源發(fā)電量占比逐步上升，壓縮了火電利用小時(shí)數(shù)?；痣姀S長(zhǎng)期虧損會(huì)導(dǎo)致區(qū)內(nèi)發(fā)電容量降低，影響系統(tǒng)安全性。需要建立容量市場(chǎng)，優(yōu)化電力系統(tǒng)電源結(jié)構(gòu)，促進(jìn)電網(wǎng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。
非水可再生能源未來(lái)在電能量市場(chǎng)和補(bǔ)貼等方面獲得收益渠道，故在容量市場(chǎng)建設(shè)初期不考慮非水可再生發(fā)電進(jìn)入容量市場(chǎng)。核電、水電可在容量市場(chǎng)第二階段實(shí)施時(shí)進(jìn)入容量市場(chǎng)。因此，容量市場(chǎng)前期可僅納入煤電和氣電。通過(guò)煤電、氣電充分進(jìn)行容量市場(chǎng)交易，為全面開(kāi)放容量市場(chǎng)和允許更多類型的發(fā)電資源進(jìn)入容量市場(chǎng)提供經(jīng)驗(yàn)。
中國(guó)電價(jià)政策以穩(wěn)定為主基調(diào)，以市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)方式產(chǎn)生合理的用戶電價(jià)。稀缺定價(jià)機(jī)制潛在的用戶高電價(jià)風(fēng)險(xiǎn)是不適應(yīng)中國(guó)當(dāng)前情況的。戰(zhàn)略備用機(jī)制雖可以穩(wěn)定用戶電價(jià)，但會(huì)從電力市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制中剝離部分發(fā)電容量，而電價(jià)由用戶承擔(dān)，也不適宜中國(guó)現(xiàn)狀。因此容量市場(chǎng)機(jī)制較為適應(yīng)中國(guó)現(xiàn)有情況，并需要根據(jù)中國(guó)實(shí)際情況做修改，從而建成機(jī)制完善的中國(guó)特色電力市場(chǎng)體系。
火電發(fā)電商的成本由固定成本和變動(dòng)成本組成。固定成本包含材料費(fèi)及員工工資等。變動(dòng)成本與燃料價(jià)格直接相關(guān)。單一電能量市場(chǎng)下，發(fā)電設(shè)備利用小時(shí)數(shù)與收益關(guān)系如圖1所示。
從圖1中可以看出，發(fā)電設(shè)備由于能效不同，單位利用小時(shí)數(shù)的收益也不同。發(fā)電設(shè)備的收益可以表示為一個(gè)區(qū)間。當(dāng)發(fā)電利用小時(shí)數(shù)低于h1時(shí)，發(fā)電設(shè)備虧損。當(dāng)利用小時(shí)數(shù)高于h2時(shí)，發(fā)電設(shè)備盈利。
中國(guó)電力市場(chǎng)可以實(shí)行“電能量市場(chǎng)+容量市場(chǎng)”模式，既保證了電網(wǎng)的充裕度，也保證了發(fā)電商獲得合理收益，并且盡量確保用戶用電價(jià)格接近電能邊際價(jià)格，容量市場(chǎng)覆蓋固定成本，電能量市場(chǎng)覆蓋發(fā)電廠變動(dòng)成本。激勵(lì)機(jī)制保證發(fā)電商有足夠動(dòng)力提高發(fā)電效率從而獲得更大利潤(rùn)。
3 適應(yīng)中國(guó)容量市場(chǎng)機(jī)制設(shè)計(jì)框架
3.1 容量市場(chǎng)需求曲線方案
市場(chǎng)建設(shè)初期需求曲線應(yīng)以線性變化為基準(zhǔn)，在后期電力數(shù)據(jù)充足且容量市場(chǎng)對(duì)價(jià)格的響應(yīng)情況可以預(yù)估的情況下，逐步確定參考點(diǎn)，引導(dǎo)電力系統(tǒng)總發(fā)電容量向容量需求點(diǎn)靠攏。
前期需求曲線應(yīng)采用線性遞減變化設(shè)計(jì)，以收集發(fā)電側(cè)價(jià)格響應(yīng)情況數(shù)據(jù)，為設(shè)計(jì)容量需求參考點(diǎn)做準(zhǔn)備。需求曲線對(duì)發(fā)電投資方起到指引作用，有助于電網(wǎng)發(fā)電容量規(guī)劃的有序發(fā)展，如圖2所示。
3.2 容量市場(chǎng)組織形式及資金回收方式
發(fā)電企業(yè)會(huì)綜合考慮發(fā)電的變動(dòng)成本和固定成本。未來(lái)，容量市場(chǎng)的費(fèi)用可以在電能量市場(chǎng)中拆分出來(lái)，將一定比例的發(fā)電固定成本由容量市場(chǎng)負(fù)責(zé)回收，變動(dòng)成本由電能量市場(chǎng)回收，從而不會(huì)對(duì)用戶側(cè)價(jià)格產(chǎn)生過(guò)多影響。由于目前各省的電力市場(chǎng)都是以電能量市場(chǎng)為主，在容量市場(chǎng)實(shí)行的初期，可建立僅面向發(fā)電商的容量市場(chǎng)。發(fā)電商扣除費(fèi)用和容量市場(chǎng)需求曲線可在容量市場(chǎng)拍賣(mài)前確定，發(fā)電商依此作為報(bào)價(jià)參考。
在容量市場(chǎng)實(shí)施初期，可適當(dāng)縮短容量市場(chǎng)拍賣(mài)周期。在容量市場(chǎng)實(shí)施的短期內(nèi)，將國(guó)外三年的拍賣(mài)周期縮短為半年一拍賣(mài)或一季度一拍賣(mài)。該措施有助于讓發(fā)電商盡快適應(yīng)容量市場(chǎng)報(bào)價(jià)規(guī)則，保證容量市場(chǎng)資金規(guī)模控制在一定范圍之內(nèi)，確保容量市場(chǎng)建設(shè)的穩(wěn)步推進(jìn)。在市場(chǎng)和監(jiān)管機(jī)構(gòu)熟悉報(bào)價(jià)規(guī)則和市場(chǎng)情況之后，延長(zhǎng)容量市場(chǎng)拍賣(mài)周期，保障全系統(tǒng)發(fā)電容量長(zhǎng)期穩(wěn)定。
3.3 容量市場(chǎng)定價(jià)原則方案
方案1為容量市場(chǎng)覆蓋發(fā)電設(shè)備固定成本的100%，電能量市場(chǎng)覆蓋發(fā)電設(shè)備變動(dòng)成本及準(zhǔn)許收益。發(fā)電設(shè)備利用小時(shí)數(shù)及收益情況如圖3所示。從圖3中可以看出，容量市場(chǎng)覆蓋全部固定成本的情況下，發(fā)電商會(huì)通過(guò)電能量市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)獲得發(fā)電設(shè)備上網(wǎng)發(fā)電量，從而獲取相應(yīng)利潤(rùn)。發(fā)電設(shè)備固定成本已由容量市場(chǎng)覆蓋。發(fā)電商回收固定成本壓力小，只要上網(wǎng)發(fā)電就可以獲利。發(fā)電商可以在電能量市場(chǎng)報(bào)價(jià)中增加合理收益來(lái)獲得發(fā)電資格，從而不用顧慮固定成本帶來(lái)的成本回收問(wèn)題。相較于單一電能量市場(chǎng)的價(jià)格收益，“容量市場(chǎng)+電能量市場(chǎng)”結(jié)合的市場(chǎng)機(jī)制可以促進(jìn)發(fā)電商競(jìng)爭(zhēng)，降低發(fā)電商的固定成本回收壓力，促進(jìn)發(fā)電廠提高經(jīng)濟(jì)效率。
方案2為容量市場(chǎng)覆蓋部分發(fā)電設(shè)備固定成本，電能量市場(chǎng)覆蓋發(fā)電設(shè)備變動(dòng)成本、剩余的固定成本及合理收益。本文以容量市場(chǎng)覆蓋70%的發(fā)電設(shè)備固定成本，電能量市場(chǎng)覆蓋發(fā)電設(shè)備變動(dòng)成本及30%的固定成本為例。發(fā)電設(shè)備利用小時(shí)數(shù)及收益情況如圖4所示。從圖4中可以看出，在發(fā)電設(shè)備利用小時(shí)數(shù)高于合理利用小時(shí)數(shù)時(shí)，發(fā)電機(jī)組盈利。當(dāng)發(fā)電設(shè)備利用小時(shí)數(shù)低于合理利用小時(shí)數(shù)時(shí)，發(fā)電機(jī)組虧損。方案2的機(jī)制可以促進(jìn)發(fā)電設(shè)備盡量達(dá)到合理的利用小時(shí)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電設(shè)備收支平衡及獲利。
由于容量市場(chǎng)承擔(dān)了發(fā)電設(shè)備部分市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)，在容量市場(chǎng)下，發(fā)電商報(bào)價(jià)將以“變動(dòng)成本+合理收益+發(fā)電設(shè)備單位發(fā)電量承擔(dān)的容量基金”報(bào)價(jià)，此種報(bào)價(jià)更為直觀。
在引入容量市場(chǎng)后，發(fā)電市場(chǎng)獲得的容量費(fèi)用占固定成本比例越多，發(fā)電設(shè)備回收固定成本壓力越小會(huì)使單位發(fā)電收益期望降低，從而加劇市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。在充分市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的情況下，發(fā)電商可以獲得較為穩(wěn)定的收益，用戶獲得合理的電費(fèi)報(bào)價(jià)，有助于發(fā)電商與用戶的良性互動(dòng)。
3.4 設(shè)計(jì)方案對(duì)比
2種方案情況的收益情況比較如圖5所示。本文所提方案與單一電能量市場(chǎng)的情況比較如表1所示。表1中： F 為發(fā)電設(shè)備的固定成本； V 為發(fā)電企業(yè)的變動(dòng)成本。結(jié)合圖5和表1可以看出：（1）方案2的發(fā)電設(shè)備有固定成本回收壓力。該方案下單位發(fā)電量的期望收益上升時(shí)，收益區(qū)間將增大。在發(fā)電設(shè)備利用小時(shí)數(shù)大于一定值時(shí)，方案2的發(fā)電設(shè)備收益高于方案1的發(fā)電設(shè)備收益，從而導(dǎo)致用戶用能價(jià)格稍高。（2）方案1可以減少固定成本回收壓力，從而促進(jìn)發(fā)電商按照邊際成本報(bào)價(jià)，加劇市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，有利于釋放電力市場(chǎng)建設(shè)進(jìn)程中的改革紅利，降低用戶用能成本。方案2可以促進(jìn)發(fā)電商發(fā)電積極性，以更高的發(fā)電量獲得更好收益。（3）方案1包含了發(fā)電設(shè)備的全部固定成本，可以有力保證所需發(fā)電容量的經(jīng)營(yíng)情況，故其對(duì)全系統(tǒng)發(fā)電容量有強(qiáng)力的保障。發(fā)電設(shè)備需在電能量市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)從而回收30%的固定成本，方案2對(duì)發(fā)電容量保障能力相對(duì)弱于方案1。
4 結(jié)語(yǔ)
良好的發(fā)電資源充裕程度對(duì)于電力市場(chǎng)建設(shè)和電力工業(yè)的安全可靠運(yùn)營(yíng)至關(guān)重要，本文介紹了3種典型的保證電力系統(tǒng)發(fā)電容量充裕性的解決辦法。容量市場(chǎng)模式是目前較為符合中國(guó)現(xiàn)階段電力市場(chǎng)運(yùn)行現(xiàn)狀的方法。本文提出了容量市場(chǎng)參與中國(guó)現(xiàn)行電力市場(chǎng)的過(guò)渡方式，可以幫助容量市場(chǎng)加速融入中國(guó)現(xiàn)行的電力市場(chǎng)體制并加快市場(chǎng)良性競(jìng)爭(zhēng)。通過(guò)對(duì)不同容量市場(chǎng)設(shè)計(jì)方案場(chǎng)景的分析，引入容量市場(chǎng)降低發(fā)電商在電能量市場(chǎng)中回收固定成本的壓力，促進(jìn)發(fā)電商在電能量市場(chǎng)按邊際成本報(bào)價(jià)，有利于市場(chǎng)的充分競(jìng)爭(zhēng)，同時(shí)使用戶獲得更清晰、合理的用電價(jià)格。
