一切為了新能源的德國電力市場設計
文: 管文林 廖宇 范征
德國地處歐洲中部，是世界第四，歐洲第一大經(jīng)濟體。二戰(zhàn)后的德國堅信自由市場能夠激發(fā)經(jīng)濟活力，德國也因此從廢墟中崛起，創(chuàng)造了一系列的經(jīng)濟奇跡。對于制造業(yè)發(fā)達的德國，電力消費總量也位居歐盟首位，達到了5970億度，約為中國電力消費量的1/10。德國人口8,110萬，最大負荷約為8,200萬千瓦，擁有約2億千瓦的裝機容量。德國煤炭資源豐富，長期依賴煤電，自90年代起，德國就推行其能源轉(zhuǎn)型政策，2015年，可再生能源發(fā)電量占總發(fā)電比例達到了30%，其中風電13.3%、光伏發(fā)電5.9%、生物質(zhì)能發(fā)電6.8%、水電3%，相比之下褐煤發(fā)電24%、硬煤發(fā)電18.2%、核電14.1%、天然氣發(fā)電8.8%。德國因為其極高的城鎮(zhèn)化水平，電網(wǎng)覆蓋率高，網(wǎng)架堅強。德國輸電網(wǎng)分為220kV和380kV兩個等級，線路總長3.5萬公里。配網(wǎng)層面，高壓配網(wǎng)（60kV到220 kV）7.7萬公里，中壓配網(wǎng)（6 kV到60kV）49.7萬公里，低壓配網(wǎng)（230V到400 V）112.3萬公里。
好的開局：跑步進入零售競爭市場
德國在1998年電改初期就面臨著一個重大的選擇，是從批發(fā)競爭市場開始逐步推進改革，還是一步到位進入到零售競爭市場。在全國范圍激烈的討論之后，德國人選擇了直接開放電網(wǎng)，賦予所有終端用戶自由選擇供電商的權(quán)力。電改要求原本垂直一體化的大型電力企業(yè)進行了有計劃的業(yè)務拆分，在這個過程中許多區(qū)域性的能源集團不斷重組和整合，最后形成了如今四大發(fā)電集團（E.on、RWE、Vattenfall、EnBW）和四大電網(wǎng)調(diào)度區(qū)域（Tennet、Amprion、50hertz、TransnetBW）的格局。雖然電改于1998年4月28號德國《電力經(jīng)濟法》修正案生效后就已經(jīng)啟動，但是部分關(guān)鍵市場細則的討論一直持續(xù)到2001年秋季才有定論。這段時間內(nèi)，一系列對德國自由化電力市場影響深遠的規(guī)則被制定出來并在未來被不斷的修改和豐富，其中包括：
電力零售側(cè)放開，終端用戶可以自由選擇售電商
開放電網(wǎng)使用權(quán)，電網(wǎng)運營商不參與市場競爭
以平衡結(jié)算單元為主體的電量平衡機制
日前、日內(nèi)現(xiàn)貨市場與多級調(diào)頻輔助服務市場協(xié)同合作的市場結(jié)構(gòu)
依照電壓等級逐級套算的過網(wǎng)費計算模型
德國電力在電改前的幾十年中已經(jīng)形成了相對穩(wěn)定的格局，9大電力集團直接或間接控制了全國幾乎100%的市場份額，當時也不乏鼓吹壟斷體制優(yōu)勢的學者。在這種情形下德國能夠直接過渡到零售競爭市場既體現(xiàn)了德國政府銳意改革的魄力，也有歐盟推動其成員國電力工業(yè)改革的決心與支持。
波折不斷：電改中行業(yè)協(xié)會的興起與沒落
各國電改中，如何處理電網(wǎng)的自然壟斷屬性，如何計算過網(wǎng)費一直都是難點。德國最初選擇了一個與其他歐洲國家截然不同的電網(wǎng)使用與過網(wǎng)費計算方案。在德國的電改初期，電力相關(guān)行業(yè)協(xié)會對于部分規(guī)則的制定有著相當大的影響力，這其中有著一定的歷史因素。德國歷史上長期由大量的小國組成，居民生活和經(jīng)濟活動強調(diào)區(qū)域性，反映到電力行業(yè)中即區(qū)域性的電力壟斷。垂直一體化的大型能源集團和各地政府控制了德國電力幾乎所有的市場份額。為了更好的劃分地盤，電力行業(yè)協(xié)會就成為了代表著各方利益進行協(xié)商談判的代表人和協(xié)調(diào)人。電改啟動一個月后，德國電網(wǎng)、發(fā)電與工業(yè)協(xié)會就開始討論市場放開后的相關(guān)細則，這就是德國區(qū)別于其他歐盟國家的行業(yè)協(xié)商制度。電網(wǎng)監(jiān)管方案和過網(wǎng)費的計算方案是歷次協(xié)商的焦點。第一次行業(yè)協(xié)會協(xié)商后得出的過網(wǎng)費計算方案較為簡單，即從接入點到發(fā)電端之間采用直線距離計算過網(wǎng)費。但是這種計算方法忽略了地理上的電力傳輸和各類附加條件，在公平性上受到了廣泛的質(zhì)疑。第二次行業(yè)協(xié)會協(xié)商將過網(wǎng)費改為依照電壓等級逐層計算。不久后進行的第三次行業(yè)協(xié)會協(xié)商將負荷同時系數(shù)納入到用戶的網(wǎng)絡使用成本計算中，并設計了基于對比法的過網(wǎng)費評價體系，但是由于參與的行業(yè)協(xié)會制定了對自己有利的條款，導致部分用戶所要交的過網(wǎng)費大幅度提升，引起了這部分用戶的抗議。最終歐盟對德國這一特立獨行的做法進行了干涉。德國于2005年將相應的監(jiān)管權(quán)力收歸政府所有，由德國聯(lián)邦網(wǎng)絡局負責。此后德國輸配電價的總額度根據(jù)成本加成合理收益法來確定，09年后為了激勵電網(wǎng)運營商控制成本，采取了限制最高收入的監(jiān)管方法并沿用至今。
由此可見，德國電改雖然初期邁的步子很大，但是政府對于相關(guān)監(jiān)管權(quán)力的回收，以及對于電網(wǎng)作為自然壟斷者收益的控制還是經(jīng)歷一段曲折的路程。
能源轉(zhuǎn)型：政府搭臺，企業(yè)唱戲
早在德國電力市場自由化改革之前，德國就在探索用可再生能源替代傳統(tǒng)能源的方法。1990年頒布的《電力上網(wǎng)法》就已經(jīng)規(guī)定了可再生能源的相關(guān)補貼促進政策。2000年，該法正式被《可再生能源法》替代，標志著德國能源轉(zhuǎn)型正式成為國家戰(zhàn)略重點。自此德國可再生能源發(fā)展進入快車道，高額的補貼和全額上網(wǎng)的保障機制吸引了大量的資金。但是這種固定補貼機制的激勵的效果僅在于促進裝機容量的擴大，德國北部多風電，南部為負荷中心的電力供需結(jié)構(gòu)反而為電網(wǎng)的擁塞控制帶來的困難。此外電網(wǎng)運營商只負責銷售新能源并管理平衡賬戶，使得市場資源并不能得到最優(yōu)的配置，很多有價值的信息也沒有得到足夠的利用。德國政府意識到這個問題后通過多次修訂《可再生能源法》穩(wěn)定住了可再生的增長速度，但是政策調(diào)控相比于市場具有更大的滯后效應，加上終端用戶必須支付不斷增長的可再生能源附加費，普通民眾對于發(fā)展可再生的支持度也逐年降低。在這種情況下，德國于2014年對《可再生能源法》做出了重大的修訂，對可再生能源項目全面引入市場化的補貼機制。即對可再生能源電站不再滿額補貼，而是根據(jù)前一個月該可再生能源的市場交易均價和固定補貼的差額計算出市場化交易獎金，最終可再生能源電站的收益為市場博弈收入+市場化交易獎金+管理獎金，后者為鼓勵既有可再生能源電站加入市場競爭而給出的額外補貼。
對于任何一個國家來說，可再生能源發(fā)電這一目前還相對昂貴的電力生產(chǎn)方式勢必會增加消費者的負擔。德國在這方面的處理可謂相當?shù)穆斆?，一方面通過合理規(guī)劃與配額制引導增量的投資，另一方面通過市場化的交易機制和輔助服務市場鼓勵市場成員利用預測數(shù)據(jù)等有價值的信息優(yōu)化存量的資源配置。由此看來，德國2050年可再生能源發(fā)電量達到80%的目標并不是一個天方夜譚。
在不斷摸索中前進的德國電力體制設計中，應該說有兩點是最大的特色也是為了消納新能源而度身打造的：平衡結(jié)算單元與獨立調(diào)頻市場。這都是為了應對新能源的不穩(wěn)定性。
平衡結(jié)算單元是一個虛擬存在的很難用語言描述的特殊名詞。我們可以把它理解為對新能源是否能按照預測準確發(fā)電的一個描述參數(shù)，凡是不能維持區(qū)域內(nèi)發(fā)電和用電平衡的平衡結(jié)算單元----背后實際上是新能源電站運營商，就必須從電網(wǎng)公司那里購買調(diào)頻調(diào)峰電量---這個時候設置在電網(wǎng)公司側(cè)的調(diào)頻市場，實際上不僅可以幫助電網(wǎng)公司維持系統(tǒng)安全，也是新形勢下電網(wǎng)營收的一個創(chuàng)新來源。
調(diào)頻市場通常分為一次調(diào)頻、二次調(diào)頻、三次調(diào)頻。一次調(diào)頻儲備是根據(jù)所有ENTSCO-E區(qū)域同步連接的輸電網(wǎng)統(tǒng)一共同操作的，它可以在30秒鐘之內(nèi)正比于頻率的變化自動激活。一次調(diào)頻儲備適用于解決持續(xù)0到15分鐘內(nèi)的波動。二次調(diào)頻儲備是用來平衡控制區(qū)內(nèi)的電力供求以及頻率控制，它由相關(guān)的輸電網(wǎng)運營商直接控制的，能在5分鐘內(nèi)完全啟動。三次調(diào)頻儲備要在15分鐘內(nèi)完全啟動。三次調(diào)頻儲備適用于一次電力波動時間在15分鐘到1個小時之間或者幾小時內(nèi)多次電力波動的情況。
這樣的調(diào)頻市場設計對不同的電源種類都產(chǎn)生了不同的推動投資效應，其前提是調(diào)頻市場的價格是遠遠超過電力市場上的通常價格，而且為之提供的電廠必須靈活機動得以適應不斷變化的新能源----而這恰恰是為了接納新能源最重要的。
能源安全：站在十字路口的思考
如果要給去年德國的電力工業(yè)一個關(guān)鍵詞，必定是“能量市場 2.0”（Strommarkt 2.0）。德國在前期能源轉(zhuǎn)型成功的基礎上，正處在另一個拐點，德國既要確保國家擁有長期可靠而又靈活的電力結(jié)構(gòu)，同時又想繼續(xù)擴大可再生能源發(fā)電的并網(wǎng)規(guī)模。德國從新能源比例升高的喜悅中冷靜下來，仔細審視能源轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略帶來的種種問題與后果。在未來很長一段時間內(nèi)傳統(tǒng)的化石能源電站對于保證電力供應的安全穩(wěn)定依然具有不可替代的作用。燃氣電站雖然由于其優(yōu)異的調(diào)節(jié)速度能夠很好的對沖可再生能源的波動性，但是德國使用的燃氣很大程度上還必須從俄羅斯進口，鑒于目前西方和俄羅斯的緊張關(guān)系，燃氣電站仍然有一定的不確定性，可見當前系統(tǒng)安全還是要依賴傳統(tǒng)火電。但是近兩年低迷的批發(fā)電價對于傳統(tǒng)能源電站無疑是一個重大的打擊，甚至在市場出現(xiàn)負電價時有些傳統(tǒng)能源電站為了避免巨額的啟停損失而寧愿虧損也要按照負電價競價。受此影響，部分傳統(tǒng)能源電站面臨關(guān)閉的風險。德國測算過，如果按照目前的發(fā)展趨勢，到2022年，為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行的電力裝機容量缺口會達到1500萬千瓦之多，占目前德國峰值負荷近20%。為了解決這個問題，德國各大科研機構(gòu)紛紛給出了自己的解決方案，其中共有4種容量市場構(gòu)建模型和多種能量市場改革方向。德國政府也高度重視此次改革，首先征集所有解決方案出了一份綠皮書，之后向全社會公開征求意見并邀請不同領(lǐng)域的專家就其中的解決方案進行對比。最終德國政府于2015年年底發(fā)布了《能源變革白皮書》，宣布了“能量市場2.0”計劃，才終結(jié)了這場持續(xù)了一年的是選擇容量市場還是優(yōu)化能量市場的爭論。
《能源變革白皮書》決定不選擇任何的容量市場模型，表明德國最終還是不愿意承擔引入一個新市場所帶來的風險和交易成本。而所謂的“能量市場2.0”其實是包含20條改革措施的一攬子計劃，其中比較重要的有：
保證電價由市場自由決定，即允許短時間內(nèi)的超高電價和負電價
強化平衡結(jié)算單元的作用，將其電量結(jié)算的時間間隔縮短到了15分鐘
允許更多類型的技術(shù)參與到調(diào)頻輔助服務市場中
引入更多機制補貼需求側(cè)的靈活性，如可中斷負荷未來可以參與輔助服務市場
此外德國電力日內(nèi)現(xiàn)貨市場的交易時限被延長到了送電前的30分鐘，以此激發(fā)短期預測性能好的可再生能源更多的參與市場交易，也給予了各大發(fā)電集團優(yōu)化自己機組組合更大的空間。
展望未來：選擇并不可怕
現(xiàn)在回頭看德國這些年的電力改革，德國政府在新政策推行前小心論證，積極聽取行業(yè)內(nèi)不同意見的作風的確兼顧到了大多數(shù)市場成員的利益。市場也給了改革以積極的反饋，電力批發(fā)交易層面，目前德國所屬的期貨交易所EEX和現(xiàn)貨交易所EPEX為歐洲最活躍，流動性最高的電力交易所，場內(nèi)交易比例不斷上升，德國電力期貨交易量已經(jīng)超過了1.7萬億度。電力零售端也同樣活躍，共有超過1100家的售電公司活躍在德國的市場中，每年都有一批新的售電公司帶著新的商業(yè)模式出現(xiàn)，無論是綠色電力套餐、虛擬電站還是分布式光伏共享售電社區(qū)，在一個合理的制度環(huán)境和激勵下，市場成員總能帶給我們無限的驚喜。根據(jù)歐盟最新的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，德國電力市場中目前市場占有率超過5%的大型發(fā)電集團的市場份額為36%，電力工業(yè)的集中度在不斷降低。相較于大多數(shù)的歐盟國家德國都顯示出了更優(yōu)異的競爭環(huán)境?；凇澳芰渴袌?.0”計劃的一系列措施也在通過立法過程落實中。德國電改似乎總是面臨著各種選擇題，但是德國人用實踐告訴我們：如果你不知道終點在哪里，無論選哪一條路都是對的；如果你知道終點在哪里，那就別管那些選擇，自己開一條最近的路過去。
此外，我們不得不給出這樣的結(jié)論：假如新能源的發(fā)展愿景是一樣的堅持和宏偉，那么德國的電力市場設計無論是歷程還是目的都是和中國最相似的。德國的電力市場化改革也是遵循“放開兩頭管中間”的原則，只在發(fā)電側(cè)和售電側(cè)引入競爭。既對原有電力公司的發(fā)電股份進行私有化和重組，成立兩個以上發(fā)電公司進行競爭；在售電環(huán)節(jié)打破原有配電公司的售電壟斷，成立不擁有配電網(wǎng)的售電公司，開放零售市場，提供電力用戶供電選擇權(quán)。于此同時成立電力批發(fā)交易中心，通過網(wǎng)絡平臺實現(xiàn)電力交易，并對交易過程中的資金流動和信息交換進行控制。電力市場化后，隨著新能源電站的不斷增多，在電力市場中涌現(xiàn)了形形色色的市場角色和機構(gòu)：上網(wǎng)代理，交易中介，虛擬電廠運營，預測分析，投資管理商等等不一而足。
這樣的活躍與創(chuàng)新，使得改革不僅充滿了紅利，還平添了許多樂趣。一切為了新能源，而新能源回報給德國的，是無止境的行業(yè)領(lǐng)先和無上限的優(yōu)美環(huán)境和能源安全。
