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(shè)進(jìn)程中，電力系統(tǒng)的功能需求和產(chǎn)品服務(wù)不斷被細(xì)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(fù)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(jìn)一步細(xì)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(jìn)步，容量的內(nèi)涵和外延還會進(jìn)一步發(fā)展。本文探討的發(fā)電容量特指在系統(tǒng)負(fù)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(shí)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(shè)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(jì)學(xué)的視角看，競爭性電力市場，尤其是以電力現(xiàn)貨為主導(dǎo)的市場，必然會導(dǎo)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(yùn)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(yuǎn)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(shè)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(yù)措施等。
以電力價格上限為例分析，在電力市場中，越高的負(fù)荷持續(xù)時間越短，滿足這種短暫高峰負(fù)荷的經(jīng)濟(jì)成本相對較高，一旦設(shè)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(fù)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(jì)學(xué)家認(rèn)為，無論解決哪一種弊端，都必須有專門的制度設(shè)計。
電力工程師從對邊際機(jī)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(jī)組的毛利潤。假設(shè)邊際機(jī)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(dāng)邊際機(jī)組的出清容量超過某一特定出力水平時，該機(jī)組才能通過電能量市場獲得額外的收益，進(jìn)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(shí)證分析表明，邊際機(jī)組通過電能量市場回收的容量成本比例極低，而非邊際機(jī)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(jī)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(jī)組的輸入輸出特性決定了需要額外的制度設(shè)計幫助市場主體回收容量等固定成本。
從我國的實(shí)踐來看，新型電力系統(tǒng)的推進(jìn)及可再生能源等低碳能源滲透率的大幅提高，導(dǎo)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(shè)，導(dǎo)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(fēng)險。
因此，無論從何角度分析，對發(fā)電容量成本進(jìn)行專門的制度安排在當(dāng)前市場建設(shè)中都顯得尤為必要。
可選方案分析
容量市場
在當(dāng)前競爭性電力市場建設(shè)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(shí)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(jìn)行了競爭性容量市場實(shí)踐。單純的可靠性容量市場的出清機(jī)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(dá)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(yù)測來確定。實(shí)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(diǎn)之一是，市場設(shè)計者期望容量資源的報價方式與市場參與者實(shí)際的報價行為是否相容。在電力現(xiàn)貨市場中，市場設(shè)計者希望市場主體以邊際成本進(jìn)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(shè)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(wù)等市場回收的成本進(jìn)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(biāo)，這與設(shè)計者的預(yù)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(jìn)行評估后進(jìn)行報價，一旦報價沒有被接受（出清），則不進(jìn)行新資源的建設(shè)，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(shí)踐的國家都需提前若干年進(jìn)行市場出清，給予新建資源建設(shè)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(shè)置嚴(yán)格、復(fù)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(qiáng)的市場，無論在理論上還是實(shí)踐中都存在許多亟待突破的難點(diǎn)。
稀缺定價
稀缺定價方案的理論出發(fā)點(diǎn)簡單直接。如前所述，建立發(fā)電容量成本回收機(jī)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(jī)制，認(rèn)為它準(zhǔn)確體現(xiàn)了市場均衡的經(jīng)濟(jì)學(xué)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(dǎo)致全年平均實(shí)時電價水平比2020年高出6倍多，尖峰價格持續(xù)時間達(dá)166小時，其中有64小時電價達(dá)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(jī)制。事實(shí)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(jī)制PCM（Performance Credit Mechanism），這是一項面向發(fā)電企業(yè)的性能獎勵機(jī)制，作為單一電能量價格的補(bǔ)充。因此，從實(shí)踐結(jié)果看，稀缺定價機(jī)制對于市場的平穩(wěn)運(yùn)行是一個巨大的挑戰(zhàn)，對市場的設(shè)計者、監(jiān)管者、執(zhí)行者和所有市場成員都是一個嚴(yán)峻的考驗(yàn)。
容量補(bǔ)償機(jī)制
容量成本回收機(jī)制的設(shè)計初衷之一是補(bǔ)償那些無法通過電能量和輔助服務(wù)市場完全回收的成本。從這個角度上講，該機(jī)制可視為一種補(bǔ)充或“兜底”機(jī)制。因此，更為直接的做法是由市場監(jiān)管機(jī)構(gòu)制定單位容量的補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)，由市場運(yùn)營機(jī)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(fèi)用，補(bǔ)償他們的成本缺額。
容量補(bǔ)償方案的主要問題是它通過顯性的行政手段對市場進(jìn)行“糾正”，在一定程度上損害了市場機(jī)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(dāng)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(yù)相比，容量補(bǔ)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(shí)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(wù)機(jī)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(jī)制。
關(guān)鍵要素設(shè)計建議
無論對上述哪一種方案進(jìn)行設(shè)計，都有一些共同的關(guān)鍵要素需要著重關(guān)注。
方案的實(shí)施對象
理論上，方案應(yīng)是技術(shù)中立的，應(yīng)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(jī)、水電、核電等；間歇性資源，比如：風(fēng)電、光伏等；需求側(cè)響應(yīng)資源，比如：可中斷負(fù)荷、分布式發(fā)電、電化學(xué)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(shí)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(jìn)來，可以依據(jù)市場建設(shè)進(jìn)程、面臨問題的輕重緩急，有步驟、分批次地擴(kuò)大實(shí)施范圍。目前，我國已經(jīng)先后對煤電實(shí)施了容量電價機(jī)制，對抽水蓄能實(shí)施了兩部制電價，部分地區(qū)對燃?xì)獍l(fā)電也采用了兩部制電價，還有許多地方對儲能實(shí)施了各種各樣的容量成本回收和疏導(dǎo)機(jī)制。隨著市場建設(shè)的推進(jìn)，納入容量成本回收機(jī)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(shí)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(shè)的割裂。
方案的標(biāo)的選擇
容量產(chǎn)品的標(biāo)的設(shè)計主要有兩種選項：裝機(jī)容量和有效容量。研究顯示，以裝機(jī)容量為標(biāo)的可能導(dǎo)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(bǔ)償，而實(shí)際運(yùn)行中裝機(jī)容量無法準(zhǔn)確地反映機(jī)組容量的實(shí)際可用性，在緊急狀態(tài)下容易導(dǎo)致容量資源無法使用。因此，有效容量應(yīng)該是更優(yōu)的選擇。當(dāng)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(yīng)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(yù)測地提供容量的能力；二是運(yùn)行水平，即體現(xiàn)每一容量資源實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行水平對其提供可靠容量的影響。當(dāng)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(yīng)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(shè)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(fù)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(biāo)準(zhǔn)也是影響需求的關(guān)鍵因素，顯然可靠性標(biāo)準(zhǔn)越高，對容量的需求也越大。再次，對于風(fēng)、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(rèn)識存在分歧。一種看法是，風(fēng)、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(shí)質(zhì)性的影響。另一種看法認(rèn)為，風(fēng)、光資源的集群效應(yīng)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(yuǎn)高于某些電力系統(tǒng)中單臺常規(guī)機(jī)組事故停運(yùn)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(jī)制亟待進(jìn)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(shí)施方案設(shè)計時需要特別注意的是，設(shè)計者希望價格呈現(xiàn)出怎樣的變化趨勢。從實(shí)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(dá)到創(chuàng)紀(jì)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(dǎo)容量資源有序投資建設(shè)的作用。但是，容量資源建設(shè)的大資金投入需要在10余年甚至數(shù)10年間進(jìn)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(fù)面的作用。因此，在提供豐富準(zhǔn)確的價格信號和維持價格變化的相對穩(wěn)定之間，需要進(jìn)行權(quán)衡。此外，作為一個補(bǔ)充機(jī)制，容量價格一定程度上還可能要肩負(fù)起調(diào)節(jié)補(bǔ)償程度的重任，避免出現(xiàn)機(jī)制性欠補(bǔ)償或過補(bǔ)償。
我國的競爭性電力市場建設(shè)正在快速推進(jìn)中，與之相適應(yīng)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(jī)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(jī)制的引入將對市場競爭格局、發(fā)電機(jī)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(shí)施。
