中國儲能網(wǎng)訊：在新型電力系統(tǒng)構(gòu)建及競爭性電力市場建設進程中，電力系統(tǒng)的功能需求和產(chǎn)品服務不斷被細分，發(fā)電容量成本回收問題逐漸凸顯。發(fā)電“容量”的內(nèi)涵和外延豐富，既包括滿足電力系統(tǒng)高峰負荷需求的最大工作容量，也包括提升電力系統(tǒng)靈活性的可調(diào)節(jié)容量，并且可調(diào)節(jié)容量還可以進一步細分為調(diào)峰容量、調(diào)頻容量、爬坡容量等等。未來隨著市場的完善和技術(shù)的進步，容量的內(nèi)涵和外延還會進一步發(fā)展。本文探討的發(fā)電容量特指在系統(tǒng)負荷高峰時段能夠穩(wěn)定輸出、保障電力系統(tǒng)充裕性的容量，可稱之為實現(xiàn)電力系統(tǒng)可靠性的容量。
發(fā)電容量成本回收的必要性
可靠性容量成本的回收是競爭性電力市場建設必然面臨的問題。對于該問題的成因，不同專業(yè)背景的人理解存在差異。
從經(jīng)濟學的視角看，競爭性電力市場，尤其是以電力現(xiàn)貨為主導的市場，必然會導致資金短缺和市場缺失的弊端。資金短缺指的是發(fā)電企業(yè)群體從電力市場獲得的收入不足以覆蓋其投資和運營成本。這種短缺不是個體的短缺，而是整個市場所能產(chǎn)生的總資金規(guī)模不足以滿足整個發(fā)電群體合理的收入訴求。這將扭曲對發(fā)電容量投資的激勵，從長遠來看將損害電力系統(tǒng)的可靠性。資金短缺的成因多種多樣，包括電力系統(tǒng)供需缺乏彈性；電力作為特殊商品必須設定價格上限；以及電力調(diào)度基于各種原因采取的壓低電價的干預措施等。
以電力價格上限為例分析，在電力市場中，越高的負荷持續(xù)時間越短，滿足這種短暫高峰負荷的經(jīng)濟成本相對較高，一旦設定價格上限，超過此上限的需求便以低于成本的價格被滿足，這種差額直接造成資金短缺。市場缺失則主要指滿足系統(tǒng)可靠性要求的容量無法在電力市場中有效出清。電能量市場中出清的容量雖能滿足各時段的系統(tǒng)負荷需求，但無法滿足系統(tǒng)可靠性的需求，也即意味著作為公共產(chǎn)品的系統(tǒng)可靠性的價值沒有得到體現(xiàn)，這反映了短期邊際成本定價與長期成本之間的矛盾。因此，經(jīng)濟學家認為，無論解決哪一種弊端，都必須有專門的制度設計。
電力工程師從對邊際機組的輸入輸出特性建模入手，分析市場中單一市場主體的收益水平。一般分析框架為，計算現(xiàn)貨市場中邊際機組的毛利潤。假設邊際機組的輸入輸出函數(shù)為F（P）,其邊際成本表示為F'（P），現(xiàn)貨市場收入R（P）=F'（P）×P，現(xiàn)貨市場獲得的毛利潤為L（P）=R（P）-F（P）。
以二次輸入輸出函數(shù)為例，
F（P）=aP2+bP+C
F'（P）=2aP+b
R（P）=2aP2+bP
L（P）=aP2-C
分析表明，僅當邊際機組的出清容量超過某一特定出力水平時，該機組才能通過電能量市場獲得額外的收益，進而回收固定成本。然而，回收程度依賴于出清容量及其持續(xù)時間。實證分析表明，邊際機組通過電能量市場回收的容量成本比例極低，而非邊際機組，由于成本效率優(yōu)勢，其通過電能量市場回收容量成本的程度較邊際機組雖高，但同樣面臨極大的不確定性。因此，電力現(xiàn)貨市場的邊際成本報價和出清基本原理，以及邊際機組的輸入輸出特性決定了需要額外的制度設計幫助市場主體回收容量等固定成本。
從我國的實踐來看，新型電力系統(tǒng)的推進及可再生能源等低碳能源滲透率的大幅提高，導致煤電等傳統(tǒng)電源在系統(tǒng)中的功能定位發(fā)生變化，發(fā)電利用小時數(shù)呈現(xiàn)顯著波動。全國平均來看，近10年間煤電年發(fā)電利用小時數(shù)的最大與最小值之差接近600小時。某些清潔能源大省，近10年的最小值僅約最大值的1/3，波動劇烈。同時，國內(nèi)競爭性電力市場的改革，尤其是電力現(xiàn)貨市場的建設，導致了電能量市場價格的顯著波動。在量價均出現(xiàn)較大波動時，僅依賴電能量市場會為市場主體帶來巨大風險。
因此，無論從何角度分析，對發(fā)電容量成本進行專門的制度安排在當前市場建設中都顯得尤為必要。
可選方案分析
容量市場
在當前競爭性電力市場建設的大背景下，首先會想到是否可以通過建立一個競爭性的容量市場來實現(xiàn)發(fā)電容量成本的回收。在英美等國家的電力市場中，已經(jīng)進行了競爭性容量市場實踐。單純的可靠性容量市場的出清機制可以簡化為“堆?！边^程，即從報價最低的容量資源開始，按照報價從低到高的順序逐一堆疊各類資源，直至與需求曲線相交。然而，這一簡單過程存在諸多未能有效解決的問題。
首先是容量需求曲線的確定問題。與電能量需求不同，電力用戶通常難以清晰表達自己的容量需求，這意味著系統(tǒng)的容量需求曲線無法自發(fā)形成，只能依賴“人為”預測來確定。實踐中，各容量市場的需求曲線形狀各異，不同的曲線形狀直接影響市場的出清價格和數(shù)量。
在供給上，容量市場同樣困難重重。其中關(guān)鍵難點之一是，市場設計者期望容量資源的報價方式與市場參與者實際的報價行為是否相容。在電力現(xiàn)貨市場中，市場設計者希望市場主體以邊際成本進行報價，而市場主體為了最大化自身利益，也會采取基于邊際成本的報價策略，兩者是相容的。在容量市場中，設計者希望各容量資源基于對自身不能通過電能量和輔助服務等市場回收的成本進行評估來報價。但是，對于容量資源已經(jīng)建成的市場主體，由于投資等固定成本是沉沒成本，無論其如何報價，這部分成本都已經(jīng)發(fā)生了，并不會有所改變，此時的最優(yōu)策略是報低價以確保盡可能中標，這與設計者的預期并不相容。只有待建資源會依據(jù)對自身不能通過電能量等市場回收的成本進行評估后進行報價，一旦報價沒有被接受（出清），則不進行新資源的建設，才能避免投資等成本的發(fā)生。因此，對容量市場而言，要真正能發(fā)揮作用，就必須有新建資源的參與。正是由于此原因，開展容量市場實踐的國家都需提前若干年進行市場出清，給予新建資源建設時間。一旦這個市場沒有新建資源被出清，出清價格就可能非常低，起不到回收固定成本、吸引和鼓勵投資的目的。
為規(guī)避買、賣雙方的市場力，容量市場通常要設置嚴格、復雜的價格上下限。所以，容量市場在一定程度上不能稱為真正意義上的自由競爭市場，而是管制性很強的市場，無論在理論上還是實踐中都存在許多亟待突破的難點。
稀缺定價
稀缺定價方案的理論出發(fā)點簡單直接。如前所述，建立發(fā)電容量成本回收機制的原因之一在于作為公共產(chǎn)品的系統(tǒng)可靠性價值無法在電能量市場中得到充分體現(xiàn)。因此，如果在用電高峰期的現(xiàn)貨市場出清價格上加收用以保障系統(tǒng)可靠性的容量邊際成本，似乎可解決此問題。稀缺電價方案保留了單一電能量價格形式，客觀上需要允許極高電價的出現(xiàn)。以美國得州為例，自2011年起價格上限從1000美元/兆瓦時逐步提升至最高時的9000美元/兆瓦時。而這種極高電價的出現(xiàn)又恰恰是稀缺電價方案面臨的最大問題。
2021年，得州極端暴雪事件之前，部分“市場派”人士高度評價得州的稀缺電價機制，認為它準確體現(xiàn)了市場均衡的經(jīng)濟學原理，是真正的市場。然而，2021年，持續(xù)約1個月的極端暴雪導致全年平均實時電價水平比2020年高出6倍多，尖峰價格持續(xù)時間達166小時，其中有64小時電價達到9000美元的上限，這一階段得州電力市場所表現(xiàn)出的電力價格飛升和供給短缺讓人們開始重新審視稀缺定價機制。事實上，得州市場也在做出改變，一方面，得州市場降低了價格上限，但這種做法已經(jīng)違背了稀缺定價的初衷；另一方面，得州市場開始考慮建立類似于容量市場的績效信用機制PCM（Performance Credit Mechanism），這是一項面向發(fā)電企業(yè)的性能獎勵機制，作為單一電能量價格的補充。因此，從實踐結(jié)果看，稀缺定價機制對于市場的平穩(wěn)運行是一個巨大的挑戰(zhàn)，對市場的設計者、監(jiān)管者、執(zhí)行者和所有市場成員都是一個嚴峻的考驗。
容量補償機制
容量成本回收機制的設計初衷之一是補償那些無法通過電能量和輔助服務市場完全回收的成本。從這個角度上講，該機制可視為一種補充或“兜底”機制。因此，更為直接的做法是由市場監(jiān)管機構(gòu)制定單位容量的補償標準，由市場運營機構(gòu)核算各種容量資源的有效容量，并向那些系統(tǒng)所需但無法獲得足夠收入的資源支付費用，補償他們的成本缺額。
容量補償方案的主要問題是它通過顯性的行政手段對市場進行“糾正”，在一定程度上損害了市場機制的純粹性。然而，這種方案的優(yōu)勢也恰恰體現(xiàn)在這種“顯性”上。由于發(fā)電容量成本回收這一問題的特殊性，在當前無論是采用容量市場還是稀缺定價，市場管理者都在通過各種各樣“行政化”的方式默默影響和調(diào)節(jié)著回收的范圍、規(guī)模和程度等。與這些“隱性”的干預相比，容量補償方式這種“看得見”的修正手段更為公開、簡潔、直觀和易操作。
其他方案
除上述三種主要方案外，國際實踐中還存在多種積極的探索和嘗試。例如，基于雙邊交易的容量義務機制的美國加州資源充裕性計劃；在容量市場的基礎(chǔ)上引入了金融性期權(quán)的意大利等國的可靠性期權(quán)方案以及瑞典等北歐國家的戰(zhàn)略備用機制。
關(guān)鍵要素設計建議
無論對上述哪一種方案進行設計，都有一些共同的關(guān)鍵要素需要著重關(guān)注。
方案的實施對象
理論上，方案應是技術(shù)中立的，應該涵蓋所有能提供可靠性容量的資源，包括傳統(tǒng)常規(guī)電源，比如：煤電、燃機、水電、核電等；間歇性資源，比如：風電、光伏等；需求側(cè)響應資源，比如：可中斷負荷、分布式發(fā)電、電化學儲能等。各國市場還依自身特性，將能效資源、區(qū)外輸入容量、“聚合”資源等囊括在內(nèi)。具體實踐中，我們可能做不到一蹴而就，一次性地把所有資源都包含進來，可以依據(jù)市場建設進程、面臨問題的輕重緩急，有步驟、分批次地擴大實施范圍。目前，我國已經(jīng)先后對煤電實施了容量電價機制，對抽水蓄能實施了兩部制電價，部分地區(qū)對燃氣發(fā)電也采用了兩部制電價，還有許多地方對儲能實施了各種各樣的容量成本回收和疏導機制。隨著市場建設的推進，納入容量成本回收機制的容量資源類型會更加豐富多樣。需要特別指出的是，對不同資源分階段實施的方案要注重彼此之間的銜接和融合，避免相互之間的沖突以及和市場建設的割裂。
方案的標的選擇
容量產(chǎn)品的標的設計主要有兩種選項：裝機容量和有效容量。研究顯示，以裝機容量為標的可能導致逆向選擇現(xiàn)象，即容量成本較低但性能和可靠性也較低的資源更易獲得出清或補償，而實際運行中裝機容量無法準確地反映機組容量的實際可用性，在緊急狀態(tài)下容易導致容量資源無法使用。因此，有效容量應該是更優(yōu)的選擇。當我們把有效容量定義為某一資源能夠可靠提供的出力水平時，那么有效容量的評估應至少體現(xiàn)兩個方面的影響，一是技術(shù)特性，即由各類資源技術(shù)特性決定的能夠持續(xù)可預測地提供容量的能力；二是運行水平，即體現(xiàn)每一容量資源實際生產(chǎn)運行水平對其提供可靠容量的影響。當我們將有效容量定義為某一資源能夠可靠提供的且是系統(tǒng)真正需要的出力水平時，那么有效容量還應反映市場對容量的供需狀況。容量的供需狀況也可以通過容量電價水平來反映。
需求和價格設計
容量的需求不是用戶自發(fā)產(chǎn)生的，它必須依賴各種方法“人為”給出，不同的評估方法最終決定的容量需求可能存在較大差異。首先，負荷的增長是容量需求最直接的驅(qū)動力。其次，容量是滿足系統(tǒng)可靠性要求的，因此可靠性標準也是影響需求的關(guān)鍵因素，顯然可靠性標準越高，對容量的需求也越大。再次，對于風、光等間歇性資源的滲透是否會影響容量需求，對這個問題的認識存在分歧。一種看法是，風、光這樣的間歇性資源的影響主要體現(xiàn)在供給上，它們提供可靠容量的能力不及常規(guī)能源，但對需求并不產(chǎn)生實質(zhì)性的影響。另一種看法認為，風、光資源的集群效應顯著，大規(guī)模場站受天氣等因素影響可能同時出現(xiàn)出力波動，這種波動程度可能遠高于某些電力系統(tǒng)中單臺常規(guī)機組事故停運帶來的影響，這使得系統(tǒng)所需的備用增加，直接影響容量需求。因此，不同的電力系統(tǒng)影響容量需求的因素可能不盡相同，合理確定容量需求是建立容量成本回收機制亟待進一步完善的課題之一。
影響容量價格的因素也是眾多的，包括成本、供需關(guān)系、以及通過電能量等各種市場能夠?qū)崿F(xiàn)的收入水平等。實施方案設計時需要特別注意的是，設計者希望價格呈現(xiàn)出怎樣的變化趨勢。從實踐中看，美國PJM（Pennsylvania-NewJersey-Maryland）市場過往18個交付年容量基礎(chǔ)拍賣的出清價格呈現(xiàn)高低起伏的劇烈波動，最低出清價格不及最高價格的10%。英國容量市場2018年以來的10個交付年的出清價格整體呈現(xiàn)上升趨勢，2027、2028交付年的出清價格達到創(chuàng)紀錄的65英鎊/千瓦/年，是最低水平的10余倍，最低值出現(xiàn)在2022、2023交付年。智利的容量價格整體也呈上升趨勢，但幅度相對較小，近十年最高價約是最低價格的2倍左右。價格的波動一定程度上體現(xiàn)了供需的變化，起到引導容量資源有序投資建設的作用。但是，容量資源建設的大資金投入需要在10余年甚至數(shù)10年間進行回收，這期間容量價格的劇烈波動給容量資源的投資回收帶來了較大不確定性，對于吸引投資可能起到了負面的作用。因此，在提供豐富準確的價格信號和維持價格變化的相對穩(wěn)定之間，需要進行權(quán)衡。此外，作為一個補充機制，容量價格一定程度上還可能要肩負起調(diào)節(jié)補償程度的重任，避免出現(xiàn)機制性欠補償或過補償。
我國的競爭性電力市場建設正在快速推進中，與之相適應的批發(fā)側(cè)電價體系亟需隨之優(yōu)化完善。發(fā)電容量成本回收機制是競爭性電力市場下完整批發(fā)電價體系的重要組成部分，該機制的引入將對市場競爭格局、發(fā)電機組的成本回收方式以及終端用電價格等方方面面產(chǎn)生質(zhì)的影響，因此仍需深入研究，審慎實施。
