適應(yīng)高比例新能源發(fā)展的電力市場容量保障機制分析

張濤，胡娛歐，張晶，韓亮，王佩雯，何淼，陳雨果

(1．國家電網(wǎng)公司華北分部，北京市 100053；2．北京清能互聯(lián)科技有限公司，北京市 100084)

0 引 言

發(fā)電資源充裕性與靈活性是高比例風(fēng)光新能源電力系統(tǒng)保障供電可靠性的兩大基石[1-2]。理論上，機制完善、運行良好的“單一能量市場(energy-only market，EOM)”通過完全競爭可以形成準(zhǔn)確價格信號，引導(dǎo)電源及時進(jìn)行投資建設(shè)，形成經(jīng)濟(jì)、靈活、高效的最優(yōu)發(fā)電資源組合，保障短期供電可靠性和長期發(fā)電資源充裕性。然而，國外成熟電力市場實際運行經(jīng)驗表明，由于電力需求缺乏彈性，市場監(jiān)管價格設(shè)置上限等原因，發(fā)電資源充裕性無法通過“單一能量市場”提供的價格信號保障[3]。此外，電力系統(tǒng)中新能源滲透率增長會加劇這一現(xiàn)象，進(jìn)一步影響電力市場可持續(xù)性。

我國電力體制改革已進(jìn)入深水區(qū)，電力市場機制設(shè)計和市場運行尚不完善。各省市開展了不同形式的中長期電力市場交易與輔助服務(wù)市場交易，各試點省份也已逐步完成現(xiàn)貨市場方案與規(guī)則編制，并先后開展了試運行。我國現(xiàn)貨市場主要采用基于機組邊際成本的邊際定價機制，并且設(shè)置了市場出清價格上限，在保障參與現(xiàn)貨市場的發(fā)電機組的固定成本回收、形成有效引導(dǎo)電源投資建設(shè)的電能量價格信號等方面仍在探索。

在當(dāng)前能源轉(zhuǎn)型背景下，我國長期發(fā)電資源充裕性與短期供電可靠性問題較為突出。一方面，相較于歐美國家，我國電力需求仍在持續(xù)高速增長。另一方面，我國電力系統(tǒng)正在進(jìn)行低碳轉(zhuǎn)型，風(fēng)電、光伏等波動性電源裝機總量居全球之首，據(jù)中國電力企業(yè)聯(lián)合會統(tǒng)計，2019年我國風(fēng)電、光伏裝機占比高達(dá)20.6%[4]。為確保電力供應(yīng)，并適應(yīng)波動性、不確定性新能源大規(guī)模并網(wǎng)，需要保障電力系統(tǒng)發(fā)電資源充裕性與靈活性。然而新能源發(fā)電替代了火電機組部分發(fā)電空間，減少了火電機組發(fā)電時長，同時拉低了電價水平，使得火電機組的收益受損，直接影響電廠和投資商的預(yù)期投資回報率(return on investment，ROI)，從而影響投資決策，導(dǎo)致電力系統(tǒng)發(fā)電充裕性與供電可靠性受到影響。

因此，低碳電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型過程中自由化電力市場能否提供穩(wěn)定的投資環(huán)境，并最終確保電力供應(yīng)安全，以及電力市場環(huán)境下如何合理設(shè)計高比例風(fēng)光新能源電力系統(tǒng)的容量保障機制是亟待進(jìn)行深入研究的重要問題。

近年來，伴隨可再生能源滲透率不斷增加，供電安全問題凸顯，容量保障機制設(shè)計成為國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的重點。文獻(xiàn)[5]討論了法國電力市場容量保障機制和評價模型設(shè)計；文獻(xiàn)[6]中北美電力可靠性協(xié)會( North American Electric Reliability Cooperation, NERC)全面總結(jié)了波動性新能源滲透率提高對發(fā)電充裕性、可靠性以及批發(fā)電力市場設(shè)計的影響。文獻(xiàn)[7]中歐盟能源監(jiān)管機構(gòu)(Agency for the Cooperation of Energy Regulators, ACER)深入研究容量保障機制，討論了在能源轉(zhuǎn)型背景下，歐美電力市場運行過程中的發(fā)電資源充裕性問題與配套容量保障機制。文獻(xiàn)[8]提出了南方(以廣東起步)電力容量市場機制設(shè)計思路。文獻(xiàn)[9]討論了容量市場與能量市場銜接機制中市場力的抑制辦法。然而，目前國內(nèi)探討現(xiàn)有電力市場框架下新能源發(fā)展對容量保障機制設(shè)計的影響以及容量保障機制設(shè)計原則的相關(guān)研究還較少。

本文討論依托單一能量市場應(yīng)對未來容量需求增長和靈活性調(diào)節(jié)能力的局限性分析，探討在我國設(shè)計適應(yīng)高比例新能源發(fā)展的容量保障機制的必要性。通過建立簡化發(fā)電技術(shù)篩選模型，分析高比例波動性新能源發(fā)展對電力系統(tǒng)最優(yōu)發(fā)電裝機組合與電力市場規(guī)則設(shè)計的影響與挑戰(zhàn)。在調(diào)研分析國外容量保障機制的建設(shè)目的與具體措施的基礎(chǔ)上，本文總結(jié)容量保障機制對電能量市場的影響，提出我國容量保障機制設(shè)計需要考慮的三要素以及對未來工作的建議。

1 市場環(huán)境下高比例新能源電力系統(tǒng)面臨的問題

1.1 單一能量市場缺陷

自1980年智利引入競爭性電力市場以來，全球大多數(shù)地區(qū)對電力產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重組，并構(gòu)建了批發(fā)電力市場體系。批發(fā)電力市場體系架構(gòu)如圖1所示。

根據(jù)國際能源署(International Energy Agency, IEA)總結(jié)，大多數(shù)國家采用了包含遠(yuǎn)期市場、日前市場、平衡/實時市場、輔助服務(wù)與備用的單一能量市場模式[10]。單一能量市場中，發(fā)電企業(yè)主要通過生產(chǎn)電量獲得收益，少部分發(fā)電企業(yè)通過期權(quán)合同或備用合同等容量相關(guān)合同獲取收益。

單一能量市場邊際定價機制會出現(xiàn)市場失靈現(xiàn)象。單一能量市場中采用邊際定價機制，發(fā)電機組基于邊際成本的報價按升序排列，以通過發(fā)用側(cè)供需平衡確定的邊際機組價格水平進(jìn)行定價。這種出清機制下，在電力需求極高時，會出現(xiàn)兩種情況：1)當(dāng)電力供給不能滿足需求時，電力需求缺乏彈性，可能出現(xiàn)電力供應(yīng)缺口，市場供需曲線無法形成交點，市場不能完成出清并釋放有意義的價格信號；2)當(dāng)電力供給足夠滿足電力需求時，為避免發(fā)電企業(yè)動用市場力，持留發(fā)電能力抬高電價，市場監(jiān)管者會設(shè)置遠(yuǎn)低于失負(fù)荷價值的出清價格上限，導(dǎo)致市場中基荷、腰荷、峰荷電源在尖峰時段的售電收益受損，產(chǎn)生“金錢流失”現(xiàn)象[11]，影響對新容量或替代容量的必要投資，使得電能量市場不能提供足夠高的回報來維持足以滿足用電需求的容量水平。

圖1 批發(fā)電力市場體系架構(gòu)[10]Fig.1 Wholesale power market structure

1.2 高比例新能源發(fā)展影響

電力行業(yè)作為各國能源轉(zhuǎn)型的重要抓手，可再生能源發(fā)電尤其是風(fēng)電、光伏等發(fā)電技術(shù)裝機容量在全球范圍內(nèi)得以快速增長[12]。

風(fēng)電、光伏等波動性新能源(variable renewable energy，VRE)發(fā)電技術(shù)出力特性很大程度受天氣影響，不確定性較強，并且會導(dǎo)致系統(tǒng)凈負(fù)荷的波動性、不確定性增加，影響系統(tǒng)實時電力平衡與短時供電可靠性。隨著電力系統(tǒng)中VRE裝機比例的提高，在VRE發(fā)電出力高時需要更多可以靈活調(diào)節(jié)出力的發(fā)電資源及時降低出力；而在光照不好或風(fēng)速較低時，VRE發(fā)電出力水平低，又需要充足的后備發(fā)電資源及時提供發(fā)電容量，保障電力實時平衡。

然而矛盾的是，電力系統(tǒng)VRE滲透率越高，越會加劇發(fā)電充裕性問題。首先，當(dāng)VRE與其他發(fā)電技術(shù)一起參與電力市場時，由于優(yōu)先排序效應(yīng)，會導(dǎo)致供應(yīng)曲線整體向右移動，導(dǎo)致一些傳統(tǒng)發(fā)電機組無法在市場中中標(biāo)，年平均發(fā)電小時數(shù)與售電盈利逐年下降，長期以往將會導(dǎo)致靈活發(fā)電資源與后備發(fā)電資源因整體收益受損，甚至無法回收固定成本而提前退役，同時影響對這兩類電源的投資決策。其次，VRE發(fā)展會加劇單一能量市場中“金錢流失”現(xiàn)象。VRE發(fā)電邊際成本幾乎為0，并且大部分國家均為VRE提供了如保障性消納、優(yōu)先消納或補貼政策等。當(dāng)向電能量市場引入低成本且有補貼的VRE時，市場價格水平可能會達(dá)到0甚至為負(fù)值水平，進(jìn)一步惡化了靈活性電源與后備發(fā)電資源的收益水平，未來存在發(fā)電資源充裕度和靈活調(diào)節(jié)能力不足風(fēng)險。

靈活性電源與后備發(fā)電資源在應(yīng)對間歇性和不可預(yù)測性的風(fēng)電、光伏大規(guī)模并網(wǎng)中發(fā)揮重要的靈活調(diào)節(jié)與保障供電可靠性的作用。因此，建議引入相應(yīng)容量保障機制，保證現(xiàn)存靈活性電源與后備發(fā)電資源收益，激勵增量電源投資建設(shè)，維持電力系統(tǒng)發(fā)電資源充裕性和供電可靠性。

2 高比例新能源發(fā)展對容量保障機制設(shè)計的影響

適應(yīng)高比例新能源發(fā)展的容量保障機制設(shè)計需要考慮新能源滲透率增加對電力系統(tǒng)發(fā)電充裕性的影響。為了量化這一過程，本文通過構(gòu)建發(fā)電技術(shù)最優(yōu)裝機容量組合篩選模型，在電力系統(tǒng)負(fù)荷需求與發(fā)電技術(shù)種類、成本不變情況下，分別計算了不同新能源滲透率(0，10%，20%，30%)對應(yīng)的電力系統(tǒng)熱電技術(shù)成本最低的最優(yōu)裝機容量組合。

2.1 模型構(gòu)建

發(fā)電企業(yè)的全壽命周期成本由固定成本與變動成本構(gòu)成。固定成本包含材料費、員工工資和折舊費等。變動成本與燃料價格直接相關(guān)。不同發(fā)電技術(shù)的成本結(jié)構(gòu)差異很大。核電、風(fēng)電和太陽能固定成本較高,變動成本幾乎為0，建成后幾乎免費發(fā)電；而燃煤電廠變動成本(燃料成本和環(huán)保費用)約占總成本40%，燃?xì)饴?lián)合循環(huán)發(fā)電廠變動成本約占總成本的60%。

篩選曲線模型通過比對各發(fā)電技術(shù)年度單位容量成本，篩選出最低成本的發(fā)電技術(shù)容量組合。以年度單位容量成本為縱坐標(biāo)，以年發(fā)電利用小時數(shù)為橫坐標(biāo)，以年平均法折算到每年的固定成本為截距，以變動成本為斜率，可以得到各熱力發(fā)電技術(shù)的年單位容量成本與發(fā)電利用小時數(shù)的關(guān)系。該曲線與減去新能源出力后剩余凈負(fù)荷形成的負(fù)荷持續(xù)曲線一同組成發(fā)電技術(shù)最優(yōu)裝機容量組合篩選模型。

2015年德國負(fù)荷持續(xù)曲線與10%、20%、30%新能源裝機占比情況下剩余凈負(fù)荷持續(xù)曲線如圖2所示[13]。新能源滲透率增長導(dǎo)致電力系統(tǒng)剩余凈負(fù)荷曲線整體下移，但受限于新能源的低容量可信度水平，負(fù)荷峰值水平并沒有很大降低。

圖2 發(fā)電技術(shù)篩選曲線模型Fig.2 Screening curve model

2.2 模型分析

模型輸出的最優(yōu)發(fā)電容量組合如表1所示。隨著新能源發(fā)展，可調(diào)度電源總裝機容量下降，不同發(fā)電企業(yè)的投資水平將發(fā)生相應(yīng)調(diào)整。電力系統(tǒng)中新能源裝機占比達(dá)到10%時，在相同負(fù)荷水平下，基荷電源(核電)裝機降低了7 GW，腰荷電源(燃煤)與峰荷電源(燃?xì)?裝機量分別增加了2 GW與3 GW；當(dāng)新能源裝機占比達(dá)到20%時，基荷電源(核電)裝機降低了17 GW，腰荷電源(燃煤)與峰荷電源(燃?xì)?裝機量分別增加了7 GW與6 GW；當(dāng)新能源裝機占比達(dá)到30%時，基荷電源(核電)裝機降低了30 GW，腰荷電源(燃煤)與峰荷電源(燃?xì)?裝機量分別增加了16 GW與8 GW。并且隨著新能源滲透率繼續(xù)增高，可調(diào)度的基荷、腰荷與峰荷電源利用小時數(shù)進(jìn)一步減少。

表1 最優(yōu)發(fā)電容量組合Table 1 Optimal generation capacity mixGW

從長期來看，一方面，新能源滲透率提升降低了基荷、腰荷以及峰荷電源的負(fù)荷率和利用小時數(shù)，不利于電廠日常經(jīng)營和投資回收。另一方面，新能源發(fā)電占比逐步增加，未來對可調(diào)電源的定位從當(dāng)前保障電網(wǎng)容量供應(yīng)轉(zhuǎn)為保障系統(tǒng)靈活性調(diào)節(jié)能力。國外也有專家認(rèn)為，這種現(xiàn)象表明電力市場正在進(jìn)行向低碳經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)性轉(zhuǎn)型，要統(tǒng)籌考慮容量保障機制和調(diào)節(jié)容量保障機制建設(shè)[14]。

從短期來看，最優(yōu)發(fā)電容量組合同時會對電能量市場價格產(chǎn)生影響。理論上，電能量市場中發(fā)電機組根據(jù)邊際成本進(jìn)行報價，根據(jù)經(jīng)濟(jì)調(diào)度與電能量市場優(yōu)先排序原理，新能源優(yōu)先發(fā)電，剩余凈負(fù)荷由其他可調(diào)度發(fā)電技術(shù)按成本排序進(jìn)行經(jīng)濟(jì)調(diào)度，電能量市場供給優(yōu)先排序曲線會按照最優(yōu)發(fā)電容量組合生成。不同發(fā)電容量組合形成不同的電能量市場供給優(yōu)先排序曲線，從而影響電能量市場定價。

因此不同發(fā)電容量組合會影響各類發(fā)電技術(shù)成本回收。目前負(fù)荷需求彈性有限，由于邊際機組定價機制，供需緊張時，市場價格高于邊際定價機組的年單位容量成本，這一時期峰荷、腰荷、基荷機組均可回收固定成本；供需寬松時，市場價格較低，峰荷機組、甚至腰荷機組無法回收固定成本。新能源滲透率升高會加劇這一現(xiàn)象，因此設(shè)計適應(yīng)新能源發(fā)展的容量保障機制補償水平時需要充分考慮到新能源滲透率對各類電源利用小時數(shù)與能量市場價格的影響。

3 國外電力市場容量保障機制

針對發(fā)電充裕性問題，世界各國電力市場正在引入不同形式的容量保障機制或?qū)σ延腥萘勘Ｕ蠙C制進(jìn)行改革。

3.1 國外電力市場容量保障機制設(shè)計成因與目的

由于各國電力系統(tǒng)資源特點、電網(wǎng)架構(gòu)、電力市場設(shè)計以及對保障供電安全的備用容量需求不盡相同，因此采用容量保障機制的目的各有差異[15]。

法國供電安全保障的關(guān)鍵問題是滿足預(yù)期內(nèi)的負(fù)荷峰值增長。最近10年，法國用電負(fù)荷峰值增長了25%。這是因為法國廣泛使用電供暖，電力需求與氣溫高低相關(guān)。在不加重市場力前提下，法國容量保障機制重點保障電力資源充裕性，并通過發(fā)展需求側(cè)響應(yīng)技術(shù)增強電力需求彈性，緩解用電高峰時刻供電壓力。

德國供電安全保障的問題包括：靈活性電源和后備發(fā)電資源缺乏，發(fā)用電資源分布不均，輸電網(wǎng)絡(luò)受限等。截至2019年，德國風(fēng)電、光伏裝機比例高達(dá)49.9%，部分時段實現(xiàn)用電量100%來自可再生能源發(fā)電，導(dǎo)致火電機組利用小時數(shù)水平較低，火電企業(yè)收益水平低。另外，由于南北輸電網(wǎng)絡(luò)容量限制，德國北部的風(fēng)電難以輸送至南部(特別是巴伐利亞地區(qū))負(fù)荷集中地區(qū)。因此，德國容量保障機制重點關(guān)注輸電線路容量充足、負(fù)荷集中地區(qū)電力容量的投資建設(shè)，并充分保障靈活性電源與后備發(fā)電資源的可用性。

英國與其他歐洲國家電網(wǎng)互聯(lián)性較弱，并且面臨大規(guī)模熱電廠退役與可再生能源快速發(fā)展。因此英國容量保障機制重點推動新的電網(wǎng)容量投資建設(shè)，并且充分保障系統(tǒng)靈活性。

意大利和西班牙等南歐國家與其他歐洲國家輸電聯(lián)絡(luò)線有限。一方面，這些國家的電力需求逐年下降，持續(xù)性面臨電力容量供應(yīng)過剩問題；另一方面，電力系統(tǒng)中可再生能源裝機比例不斷提高，傳統(tǒng)電源的擱置成本回收問題日益凸顯。

以上國家出現(xiàn)的問題表明，容量保障機制需要改進(jìn)，并需要考慮到間歇性可再生能源對電力市場日益增長的動態(tài)影響?？傮w來看，容量保障機制需要達(dá)到以下目的：1)解決即將或已經(jīng)提前退役機組的擱置成本問題；2)為保障長期供電安全，吸引新的電源投資；3)為保障電力實時平衡，提供后備資源。

3.2 國外容量保障機制具體內(nèi)容與實施

各容量保障機制的關(guān)鍵差異在于容量價格和容量需求的確定辦法：即通過傳統(tǒng)計劃監(jiān)管模式確定，或基于容量市場的競爭機制形成。容量保障機制可以按以下3個維度進(jìn)行分類[16-19]。

1)從監(jiān)管對象上，容量保障機制可分為價格管控和需求管控。價格管控機制下，投資者根據(jù)政策相關(guān)制定者設(shè)定的容量價格確定建設(shè)容量。需求管控機制下，根據(jù)確定的容量需求，以市場競爭的形式確定容量價格。

2)從保障對象上，容量保障機制可分為面向全體的和面向特定目標(biāo)。面向全體的機制獎勵市場中全部存量和增量電量容量資源，而面向特定目標(biāo)的機制只針對特定電廠或發(fā)電技術(shù)。

3)從組織方式上，容量保障機制可分為集中模式和分散模式。集中模式下，容量合約通過集中競爭形式簽訂；分散模式下，容量合約通過雙邊協(xié)商形式簽訂。

歐洲電力監(jiān)管機構(gòu)ACER定義了以下不同類型的容量保障機制：戰(zhàn)略儲備、容量收費、容量義務(wù)、容量拍賣、可靠性期權(quán)和容量收費[20]，如表2所示。每種保障機制都可以根據(jù)電力系統(tǒng)與電力市場的發(fā)展需要進(jìn)行進(jìn)一步延伸變化。

表2 容量保障機制分類Table 2 CRMs classification

電能量市場中的稀缺定價機制可以對發(fā)電企業(yè)容量成本有一定程度補償，理論上屬于容量保障機制。然而，稀缺定價沒有明確的容量收益方式，并且往往與市場上限監(jiān)管需求相關(guān)，不在本文考慮范圍內(nèi)。

1)戰(zhàn)略備用機制。

戰(zhàn)略備用機制預(yù)留備用容量，能夠在電力資源極端稀缺的特殊情況下確保電力供應(yīng)。其實施方式具體如下：首先，電力監(jiān)管機構(gòu)或電網(wǎng)調(diào)度機構(gòu)提前確定未來電網(wǎng)容量需求；然后，根據(jù)備用資源提供商的投標(biāo)價格，以備用容量資源成本最低的原則簽訂合約。締約電廠的中標(biāo)容量不再參與電能量市場，僅在電力供應(yīng)不足時段根據(jù)合約調(diào)用并支付費用。戰(zhàn)略備用機制通常將老舊或即將退役的電廠視作備用資源，成本一般視為輸電成本或平衡費用傳導(dǎo)到用戶側(cè)。

瑞典水電發(fā)電量占比較高，水電出力受來水影響大，不確定性較強，加之20世紀(jì)90年代末以來瑞典大量核電退役，因此，瑞典引入戰(zhàn)略備用機制，解決系統(tǒng)短期容量不足的問題。芬蘭、德國、比利時和波蘭等國家也采用了戰(zhàn)略備用機制。

戰(zhàn)略備用機制的容量采購規(guī)模小，僅在少數(shù)供應(yīng)短缺時段調(diào)用，對電能量市場影響較小。相較于長期合同，戰(zhàn)略備用的退出成本較低。然而，備用容量資源不參與電能量市場競價，使得部分發(fā)電資源置于電能量市場規(guī)則之外，戰(zhàn)略備用機制一定程度上扭曲了電能量市場出清價格，限制市場紅利釋放空間。

2)容量收費機制。

容量收費機制下，電力監(jiān)管機構(gòu)核定提供容量的發(fā)電商，核算并支付容量費用。容量費用可以按固定值收取總?cè)萘抠M或按每單位容量收取月度或年度費用。容量費用支付給所有或部分可用的發(fā)電容量提供商。

西班牙、葡萄牙、愛爾蘭、希臘和意大利等對外輸電互聯(lián)線路較少的電力市場一直采用容量收費機制，阿根廷、巴西、智利和哥倫比亞等拉美國家也引入了容量收費機制。

3)容量拍賣機制。

與戰(zhàn)略備用機制類似，容量拍賣也屬于一次性干預(yù)機制。調(diào)度機構(gòu)根據(jù)核定的未來發(fā)電容量，根據(jù)備用資源提供商的報價，采用拍賣的形式進(jìn)行集中采購，確定成本最低的容量采購費用。與戰(zhàn)略備用機制不同，要求拍賣機制確定的容量參與電能量市場。

英國、美國CAISO、MISO以及PJM、哥倫比亞、巴西和巴拿馬均采用了容量拍賣機制。

4)容量義務(wù)機制。

容量義務(wù)機制屬于反向激勵的懲罰性機制。電力用戶與發(fā)電企業(yè)根據(jù)雙方評估的電力需求以及電力監(jiān)管機構(gòu)或調(diào)度機構(gòu)確定的系統(tǒng)邊際備用水平簽訂容量義務(wù)合約。電力資源緊張時段，約定的資源提供方的容量供應(yīng)不足時，須根據(jù)義務(wù)合同支付懲罰性費用。允許持有容量義務(wù)合約的市場成員交易容量信用，為發(fā)電資源提供商提供額外的收入來源。

法國自2014年開始采用了分散式的容量義務(wù)機制。美國ISO-NE、NYISO以及PJM相繼引入負(fù)荷服務(wù)實體(load service entity，LSE)。容量義務(wù)與容量市場相關(guān)成本優(yōu)先由LSE承擔(dān)，再以電費的形式疏導(dǎo)至用戶側(cè)。

5)可靠性期權(quán)機制。

可靠性期權(quán)機制指調(diào)度機構(gòu)或大型用戶與發(fā)電容量提供商簽訂包括差價合約(contract for difference，CfD)在內(nèi)的期權(quán)合同。合同周期內(nèi)極少數(shù)電力資源稀缺時段，電能量市場價格p可能飆升并超過合同執(zhí)行價格s，容量提供者需要向交易對手支付電能量市場價格和合同執(zhí)行價格之間的差額(p-s)。通過可靠性期權(quán)合同，容量提供商放棄了在少數(shù)電能量市場尖峰時段獲得不確定收益的可能性，但獲得了電能量市場收益外更穩(wěn)定且可預(yù)測的期權(quán)費。可靠性期權(quán)機制中履約價格和容量提供商必須提供的容量需求通常是由電力監(jiān)管機構(gòu)設(shè)定。此外，可靠性期權(quán)不僅是金融合同，還包括電力的實際交付。當(dāng)電能量市場的價格超過合同執(zhí)行價格時，容量提供商必須保證合同規(guī)定容量的可用性，否則將支付罰款。

意大利、愛爾蘭、美國部分市場和哥倫比亞均引入了可靠性期權(quán)機制。

3.3 PJM容量保障機制分析

美國 PJM容量市場(又稱可靠性定價模型)運行時間相對較長，被視為容量保障機制的典范。美國PJM容量市場機制包括容量市場的需求曲線確定和容量市場結(jié)算方式兩部分。通過調(diào)整需求曲線參數(shù)體現(xiàn)全系統(tǒng)容量需求、釋放價格指導(dǎo)信號，從而引導(dǎo)發(fā)電企業(yè)投資及運營；通過容量市場結(jié)算可將合理的市場價格傳導(dǎo)到用戶[21]。

PJM依據(jù)新發(fā)電資源新進(jìn)入機組凈成本(cost of entry, net CONE)制定容量需求曲線。CONE是指扣除運營成本后的凈收入， net CONE是指CONE與PJM能量和輔助服務(wù)市場預(yù)期收入相抵后的凈收入。為避免出現(xiàn)容量過剩，PJM不允許現(xiàn)存容量資源申報價格低于新進(jìn)入市場資源成本，實現(xiàn)存量與新增容量同臺競爭，該機制以更低的容量成本滿足系統(tǒng)發(fā)電資源充裕性與可靠性要求。表3為2020年P(guān)JM容量市場各類型電源net CONE值。

表3 PJM容量市場各類型電源凈成本標(biāo)準(zhǔn)[21]Table 3 2020 net CONE values for different resource types in PJM RPM

PJM現(xiàn)行的容量機制從2007年實現(xiàn)以來運行平穩(wěn)，有效刺激了發(fā)電側(cè)投資。2019年容量市場在PJM的批發(fā)市場成本中占比為22.4%。但由于該機制核心需求曲線主要依據(jù)PJM過去的運營經(jīng)驗制定，具有一定的主觀隨意性，對未來容量充裕度下新增發(fā)電凈成本的預(yù)估準(zhǔn)確度實際會影響市場價格水平。

3.4 國外電力市場容量保障機制的設(shè)計要素

國外容量保障機制設(shè)計主要考慮了以下3個要素：

1)容量需求水平確定。現(xiàn)階段，反映用戶容量需求與對供電可靠性偏好的有效市場機制尚未形成，容量需求水平一般由電力監(jiān)管部門或調(diào)度機構(gòu)基于對供電可靠性的評估，以行政規(guī)劃形式確定所需的備用容量裕度。

國際上通常按照以下步驟確定系統(tǒng)備用容量裕度，從而確定容量需求：首先，采用概率模擬，如蒙特卡洛模擬，來估算失負(fù)荷概率(loss of load probability, LOLP)、失負(fù)荷期望(loss of load expectation, LOLE)、電力不足小時數(shù)(loss of load hours, LOLH)或缺供電量期望(expected unserved energy, EUE)等電力系統(tǒng)供電可靠性標(biāo)準(zhǔn)。不同地區(qū)可靠性標(biāo)準(zhǔn)不同，例如歐盟部分成員國規(guī)定電力不足小時數(shù)為每年3～4 h，北美地區(qū)更多采用十年一遇準(zhǔn)則，即10年內(nèi)發(fā)生停電事故不超過1次(LOLE為0.1)或10年內(nèi)發(fā)生停電事故時間不超過24 h(年度LOLH為2.4 h)，澳大利亞目前采用缺供電量期望(EUE)為0.002%作為可靠性標(biāo)準(zhǔn)，即10萬kW·h電力需求中停電電量低于2 kW·h。然后，基于可靠性標(biāo)準(zhǔn)形成規(guī)劃備用裕度。例如NERC要求火電為主的系統(tǒng)備用裕度不低于15%，水電為主的系統(tǒng)不低于10%。最后，根據(jù)電力系統(tǒng)負(fù)荷峰值與備用容量裕度之和確定系統(tǒng)容量需求。

2)確定價格形成機制。集中競爭是形成價格最高效的方式。容量拍賣、容量義務(wù)等面向全體的容量保障機制，需要構(gòu)建考慮發(fā)電資源充裕性與激勵新投資所需的補償水平的容量需求曲線，由容量提供商根據(jù)可提供容量水平進(jìn)行競爭。戰(zhàn)略備用等面向特定目標(biāo)的容量保障機制需要明確集中競爭中應(yīng)考慮的成本。

3)選取合理的發(fā)電資源。不同發(fā)電技術(shù)提供發(fā)電容量的可靠性不同，燃?xì)鈾C組啟停和爬坡速度快，負(fù)荷跟隨能力強，容量可信度較高。風(fēng)電雖然在某些時段有較高的負(fù)荷系數(shù)，但由于風(fēng)速等氣象因素影響，出力的間歇性與波動性較強，在電力需求緊張時不能保證容量可用性，容量可信度較低(如表4)。因此，設(shè)計容量保障機制時應(yīng)當(dāng)選擇合理的發(fā)電資源。

表4 美國電力市場風(fēng)電容量可信度與計算方法[22]Table 4 Wind capacity credit and calculation methods in US

4 對我國容量保障機制設(shè)計的建議

我國正處于能源轉(zhuǎn)型的重要階段，電網(wǎng)容量裕度整體來看比較充足，但系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)資源不足，可再生能源消納壓力持續(xù)增加，系統(tǒng)運行靈活性問題正成為制約我國清潔能源進(jìn)一步發(fā)展的主要問題。引導(dǎo)可再生能源在系統(tǒng)中的高比例應(yīng)用，在保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的前提下，促進(jìn)可再生能源大規(guī)模充分利用，是我國容量保障機制設(shè)計需要達(dá)成的目標(biāo)。

4.1 我國電力系統(tǒng)靈活性與可靠性現(xiàn)狀

2009—2019年我國發(fā)電裝機容量構(gòu)成與發(fā)電量占比構(gòu)成如表5、6所示[23]。近十年來，我國清潔能源產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，風(fēng)電和光伏裝機容量已達(dá)全球第1。但相較于歐美高比例新能源電力系統(tǒng)，我國新能源發(fā)電量占比仍較低。一方面，我國風(fēng)電光伏資源與用電負(fù)荷整體呈遠(yuǎn)距離逆向分布，本地化充分消納難度大；另一方面，我國電源結(jié)構(gòu)中調(diào)節(jié)能力較強的燃?xì)怆姀S和有蓄水能力的水電裝機規(guī)模較小，并且其中有相當(dāng)一部分為受“以熱定電”限制的熱電聯(lián)產(chǎn)機組，系統(tǒng)靈活性有限。

系統(tǒng)運行可靠性方面，2018年我國全口徑用戶平均停電時間為4.77 h/戶[24]，落后歐美國際領(lǐng)先水平國家和地區(qū)，供電可靠性位于第2梯隊(如圖3所示)，電力系統(tǒng)發(fā)電設(shè)備、供電設(shè)備可靠性有待進(jìn)一步提升。

表5 2009—2019年中國發(fā)電裝機構(gòu)成Table 5 China installed capacity Mix during 2009—2019TW

表6 2009—2019年中國發(fā)電量構(gòu)成占比Table 6 China generation percentage by technology during 2009—2019

4.2 區(qū)域容量保障機制協(xié)調(diào)

自2015年新一輪電力體制改革以來，在“統(tǒng)一市場，兩級運作”的電力市場框架體系下，省內(nèi)市場與省間市場建設(shè)協(xié)同開展。省內(nèi)市場定位為優(yōu)化省內(nèi)資源配置，確保電力供需平衡與電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行；省間市場定位為促進(jìn)可再生能源跨省消納和省間余缺互濟(jì)，實現(xiàn)送端省份省內(nèi)富余電力在全國范圍優(yōu)化配置。

引入容量保障機制時，應(yīng)考慮外部容量資源對供電安全、電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效率、輸電聯(lián)絡(luò)線容量分配以及電能量市場競爭等方面的影響，并重點研究區(qū)域容量保障機制與現(xiàn)貨電能量市場的銜接。如圖4所示，A、B兩區(qū)通過聯(lián)絡(luò)線互聯(lián)，其中，A區(qū)電源裝機容量高于其負(fù)荷峰值，B區(qū)電源裝機容量不能滿足其負(fù)荷峰值，存在高峰電力缺口，市場價格高。若B區(qū)在電能量市場之外設(shè)置了允許外部容量資源參與的容量保障機制，則A區(qū)的發(fā)電資源出于逐利訴求，會更傾向于參與B區(qū)電力市場，發(fā)電投資商也會更傾向于在B區(qū)進(jìn)行新的電源建設(shè)，長期來看可能導(dǎo)致A、B兩地的容量充裕度水平發(fā)生變化。

圖3 2018年各國用戶平均停電時間對比[24]Fig.3 SAIDI global comparison

圖4 區(qū)域外容量資源交換Fig.4 Cross-zone capacity resource exchange

4.3 歐美經(jīng)驗對我國的啟示

1)容量保障機制設(shè)計。

參考?xì)W美電力市場容量保障機制經(jīng)驗，容量保障機制包含以下環(huán)節(jié)：

(1) 明確供電可靠性標(biāo)準(zhǔn)，對電力市場范圍內(nèi)的發(fā)電資源充裕性進(jìn)行評估，對容量需求進(jìn)行測算；

(2) 明確電力系統(tǒng)容量的需求水平與發(fā)電容量價格機制確定方式；

(3) 明確容量資源提供方，包括由發(fā)電側(cè)提供或由用戶側(cè)提供，由存量電源提供或增量電力提供，由本地資源提供或外部資源提供；

(4) 評估各類型容量資源的影響和容量保障機制實施成本，最終確定各類容量資源參與方式。

2)提升電力系統(tǒng)新能源發(fā)電量占比方式。

新能源發(fā)電量占比增加可以通過提升電力系統(tǒng)靈活性與引導(dǎo)新能源參與市場交易2種方式實現(xiàn)。

通過電力市場釋放合理的價格信號，引導(dǎo)遠(yuǎn)距離輸電線路、靈活性調(diào)節(jié)電源、需求側(cè)響應(yīng)資源的合理投資，激勵現(xiàn)有火電機組進(jìn)行靈活性改造，增加系統(tǒng)發(fā)用兩側(cè)的供需彈性，提升我國電力系統(tǒng)靈活性和清潔能源利用水平，適應(yīng)新能源大規(guī)模并網(wǎng)，支撐我國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型。

為引導(dǎo)新能源參與市場交易，應(yīng)當(dāng)推進(jìn)統(tǒng)一電力市場框架下現(xiàn)貨市場建設(shè)，設(shè)置符合新能源出力特性的高頻次短時交易品種，提高新能源的市場參與主動性和積極性，在更大市場范圍充分消納新能源。

3)從區(qū)域的視角考慮容量保障機制構(gòu)建。

在當(dāng)前“統(tǒng)一市場，兩級運作”的電力體制改革背景下，容量保障機制應(yīng)當(dāng)從區(qū)域甚至全國范圍的容量資源協(xié)調(diào)，實現(xiàn)電力資源的最優(yōu)化配置。可以通過以下兩種方式構(gòu)建區(qū)域容量保障協(xié)調(diào)機制：結(jié)合輸電聯(lián)絡(luò)線容量限制，在區(qū)域內(nèi)各電力系統(tǒng)評估各自發(fā)電充裕性時考慮相鄰電力系統(tǒng)的電力容量貢獻(xiàn)；通過在區(qū)域范圍內(nèi)制定統(tǒng)一的可靠性標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一評估區(qū)域整體容量需求，從而實現(xiàn)區(qū)域范圍內(nèi)容量資源的優(yōu)化配置。

5 結(jié) 語

本文在電力市場設(shè)計對電力系統(tǒng)發(fā)電充裕性與電力市場自身可持續(xù)性的影響分析基礎(chǔ)上，通過量化分析新能源的引入對電力系統(tǒng)最優(yōu)裝機組合的影響，討論了新能源滲透率對單一電力市場各類電源成本回收的影響，證明了容量保障機制的必要性；通過對比分析國外容量保障機制設(shè)計驅(qū)動因素與目的，并以美國PJM為例分析了PJM RPM容量保障機制，以便了解各容量保障機制的共性與差異，同時總結(jié)了國外經(jīng)驗對我國容量保障機制設(shè)計的啟示，為我國在電力市場環(huán)境下適應(yīng)新能源發(fā)展的容量保障機制設(shè)計提供了參考。

本文分析表明，采用容量保障機制驅(qū)動因素差異很大，主要取決于電力系統(tǒng)資源特點、電網(wǎng)架構(gòu)、電力市場設(shè)計以及對保障供電安全的備用容量需求。但無論采用哪種容量保障機制設(shè)計，其最終目的都是對電力批發(fā)市場進(jìn)行補充，以保障發(fā)電資源充裕性與供電可靠性，從而維持電力系統(tǒng)與電力市場的可持續(xù)性。而關(guān)于容量保障機制設(shè)計中具體可靠性標(biāo)準(zhǔn)制定、新能源發(fā)電可靠性核算、容量需求測算、容量價格形成機制、需求側(cè)響應(yīng)的參與方式以及省內(nèi)容量保障機制設(shè)計與省間市場協(xié)調(diào)機制等問題都有待進(jìn)一步深入研究。