危機背后的電力市場設(shè)計困局

作者供職于華南理工大學(xué)電力經(jīng)濟與電力市場研究所

電力市場機制的缺陷無疑加重了得州電力危機。在可再生能源大規(guī)模接入電網(wǎng)的趨勢下，如何保障電力系統(tǒng)的公平性、經(jīng)濟性與韌性之間的平衡，是不可回避的問題。

在得州爆發(fā)電力危機的前幾個月，世界范圍內(nèi)各大電力市場的類似事件接連不斷地出現(xiàn)。

2020年8月，加州獨立系統(tǒng)運營商（CAISO）先后多次宣布電網(wǎng)進入二級、三級緊急狀態(tài)，并對居民用戶實施輪流停電等措施。而在澳大利亞，2021年1月20日，澳大利亞歷史上最大的能源集體訴訟在澳大利亞聯(lián)邦法院提起。該索賠是由律師事務(wù)所Piper Alderman代表50，730 多名電力客戶提出的，集體訴訟針對的是兩家國有發(fā)電公司Stanwell和CS Energy，稱他們?nèi)藶椴倏v了電力定價系統(tǒng)（electricity pricing system）并讓消費者承擔(dān)了虛高的電費。

近期最引人注目還是發(fā)生在美國得克薩斯州（以下簡稱得州）的電力危機。2021年2月14日開始，美國得州在極端低溫天氣下再次發(fā)生大范圍輪流停電，數(shù)百萬家庭失去電力供應(yīng)，而且現(xiàn)貨市場價格也已達(dá)到9000美元/MWh的上限。美國總統(tǒng)拜登相繼批準(zhǔn)得州進入緊急狀態(tài)和重大災(zāi)難狀態(tài)。

實際上，早在2016年9月28日，臺風(fēng)和暴雨等極端天氣襲擊了新能源發(fā)電占比高達(dá)48.36%的澳大利亞南部地區(qū)電網(wǎng)，最終導(dǎo)致全南澳大利亞州大停電，50小時后才全部恢復(fù)供電。

這是世界上第一次由極端天氣誘發(fā)新能源大規(guī)模脫網(wǎng)導(dǎo)致的電網(wǎng)大停電事故，并且與電力市場交易密切相關(guān)。那么，得州電力危機與電力市場設(shè)計有哪些直接關(guān)系？面對頻發(fā)的極端天氣，電力市場設(shè)計又該如何與電源建設(shè)相匹配呢？

事件還原：氣電停運是主責(zé)

美國當(dāng)?shù)貢r間2021年2月24日，在得克薩斯州電力可靠性委員會（ERCOT）召開的緊急董事會上，CEO和總裁Bill Magness發(fā)布了關(guān)于極寒天氣下得州停電事件的首份官方報告（下簡稱“報告”）。我們可以從中了解到這次電力危機的許多細(xì)節(jié)。

2月15日凌晨12:15、1:07和1:20（所有時間都為大致估算），ERCOT相繼進入一級、二級和三級緊急運行狀態(tài)，并最終實施了10，800MW的輪流停電。

值得注意的是，2月15日1:53左右，得州電網(wǎng)頻率一度跌至59.4赫茲以下長達(dá)4分23秒（美國電網(wǎng)的額定頻率為60赫茲），而如果電網(wǎng)頻率跌至59.4赫茲以下超過9分鐘后，將觸發(fā)電機組低頻保護而使更多機組跳閘，進而導(dǎo)致更嚴(yán)重的事故。所以從這個角度來說，負(fù)荷削減實際上避免了一次全網(wǎng)安全穩(wěn)定事故。

那么，2月14日至2月19日之間發(fā)電容量停運的情況又是怎樣的呢？在事件開始的一段時間里，大家普遍估計風(fēng)電是停運最多的機組。但實際上停運最多的是天然氣發(fā)電機組，其次才是風(fēng)電，而煤電、核電和光伏停運容量較少。

目前ERCOT 轄區(qū)內(nèi)發(fā)電總裝機容量為107，514 MW，根據(jù)2020年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，51.0%為天然氣機組，24.8%為風(fēng)力發(fā)電機組，13.4%為煤電機組，4.9%為核電機組，3.8%為光伏發(fā)電機組，1.9%為其他機組，0.2%為儲能。

而從發(fā)電量來說，2020年氣機占45.5%，風(fēng)電占22.8%，煤電占17.9%，核電占10.9%，其他類型占2.9%。根據(jù)裝機容量和發(fā)電量占比分析，可見核電和煤電利用小時數(shù)較高。由于美國天然氣發(fā)電機組大多采用管道即時供氣，本地儲氣能力不足。所以從氣電機組停運最多可以看出來，極寒天氣下的凍井和輸送管道冰堵是此次得州大停電事件的重要原因。

最后，從電力市場的角度，報告給出了從2月13日至2月21日的日前和實時電價變化情況，以及市場參與者所采用的基本風(fēng)險對沖措施。

日前市場電價和實時市場電價曾經(jīng)一度飆升至$9000/MWh的價格上限。而根據(jù)2月14日至2月19日大停電事件期間市場交易數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，日前市場平均電價為$6，612.23/MWh，實時市場平均電價為$6，579.59/MWh。

而2021年1月日前市場平均電價為$21.36/MWh，實時市場平均電價為$20.79/MWh；2020年2月日前市場平均電價為$17.74/MWh，實時市場平均電價為$18.27/MWh。

雖然市場主體可能采取了一些風(fēng)險對沖措施，但短短幾天的市場異常情況還是造成了嚴(yán)重的后果。3月1日，由于無力支付ERCOT開具的21億美金電費賬單，得州最大、建立時間最長的電力合作公司布拉索斯電力（Brazos Electric Power Cooperative Inc）在休斯敦申請破產(chǎn)保護。同一天，得克薩斯州檢察長Ken Paxton對電力零售商格里迪公司（Griddy）提起訴訟，稱其使用欺騙性商業(yè)行為誤導(dǎo)了電力用戶，而其根本原因在于格里迪公司是以批發(fā)價格與其所代理的電力用戶結(jié)算電費的。

爭議：現(xiàn)行機制會威脅電網(wǎng)安全么？

得州的電力市場是典型的純電能量市場。由于缺乏容量市場，電源建設(shè)的動力只有現(xiàn)貨批發(fā)市場上的價格激勵。從理論上來說，老舊的發(fā)電機組自然會在電能量市場中逐漸被淘汰。而究竟是否需要容量市場，也一直存在爭議。而美國有關(guān)電力市場規(guī)則的爭論更是由來已久。

早在2017年，美國能源部與各大區(qū)域電力市場運營商ISO/RTO就電力市場價格形成機制等問題發(fā)生激烈爭論。

在2017年9月28日時任能源部長的里克·佩里（Rick Perry）給聯(lián)邦能源管理委員會（FERC）的信件中，提到美國電力市場的短期市場可能無法提供充分的價格信號來確保合理的長期容量投資。此外，批發(fā)市場價格形成機制也受到質(zhì)疑，甚至認(rèn)為已威脅到美國電網(wǎng)安全和國家安全。

里克·佩里敦促FERC立即采取行動，確保不同類型發(fā)電廠提供的可靠性和彈性（指電力系統(tǒng)抵御極端事件的能力，為便于理解，本文稱為“韌性”）得到充分估價，并制定新的市場規(guī)則來實現(xiàn)這一緊迫目標(biāo)。

在美國能源部給FERC的通知中，則對煤電、核電過早退役給電網(wǎng)韌性帶來的威脅等問題進行了進一步闡述，并提到現(xiàn)有的容量市場不能確保足夠可靠的電力供應(yīng)。

在此前美國能源部給部長的報告中，重點研究了當(dāng)前電力批發(fā)市場的問題及其與電網(wǎng)可靠性/韌性的關(guān)系，建議FERC應(yīng)加快與聯(lián)邦、RTO/ISO和其他利益相關(guān)方的合作，改革集中組織的電力批發(fā)市場的價格形成機制。該報告明確了幾個亟需研究的課題，特別是市場結(jié)構(gòu)和公平合理的定價機制，以確保電網(wǎng)安全性和經(jīng)濟性的實現(xiàn)。

作為對里克·佩里部長要求的回應(yīng)，2017年10月4日，聯(lián)邦能源管理委員會發(fā)出電網(wǎng)可靠性和韌性定價的文件征求各方意見。由于認(rèn)為能源部理由不充分，2018年1月8日，聯(lián)邦能源管理委員會暫停市場規(guī)則的修改并啟動一項新的對各大RTO/ISO所運營區(qū)域的大電網(wǎng)韌性進行評估的行動。

由于全球氣候變化問題，極端天氣的出現(xiàn)越來越頻繁，野火、高溫、颶風(fēng)以及極寒等極端天氣對電網(wǎng)運行帶來越來越嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，類似得州的天氣事件在美國也并非首次出現(xiàn)。

在佩里的信件中，就記錄了2014年美國PJM電力市場所發(fā)生的一次類似的極寒天氣事件。本次和2014年極寒天氣都是由于“極地渦旋”（Polar Vortex）（可簡單理解為北極中心低氣壓寒流南下）所導(dǎo)致的。

2014年初，美國東部的極寒天氣導(dǎo)致創(chuàng)紀(jì)錄的冬季供暖高峰電力負(fù)荷，以及同樣高的住宅供暖天然氣需求。在極寒天氣期間，由于大量發(fā)電機組停運，PJM難以滿足電力負(fù)荷需求。

如果不是安排許多原定要退役的燃煤電廠來滿足電力需求，發(fā)電容量的損失所帶來的后果本來也是災(zāi)難性的。

美國電力公司（AEP）報告稱其在2014年安排了89%的原計劃退役的煤電機組發(fā)電以滿足負(fù)荷需求，而南方公司（SC）報告安排了75%的原計劃關(guān)停的煤電機組發(fā)電。在大量天然氣資源用于滿足居民取暖需求的這段時間內(nèi)，這些退役機組使電力公司能夠滿足電力負(fù)荷需求。但是，一旦退役，這些機組將無法在下一個異常寒冷的冬天使用。

得州大停電啟示

由于氣候全球氣候變化，目前已有數(shù)十個國家和地區(qū)提出了“碳中和”目標(biāo)。中國國家主席習(xí)近平也提出了“二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和”的目標(biāo)。

在“碳中和”目標(biāo)下，世界各國的電源結(jié)構(gòu)都面臨重大轉(zhuǎn)型，其內(nèi)容包括淘汰和改造現(xiàn)有化石能源發(fā)電機組、新建配備CCUS裝置的化石能源發(fā)電機組和清潔能源發(fā)電機組等。

由于“碳中和”電力系統(tǒng)包括高比例的風(fēng)電、光伏發(fā)電等在內(nèi)的多種可再生能源，出力具有極強的不確定性，在做電源投資規(guī)劃決策時要確保系統(tǒng)的發(fā)電資源能適應(yīng)各種風(fēng)力、光伏出力場景。此外，還應(yīng)維持系統(tǒng)備用、調(diào)頻能力、慣性水平、安全穩(wěn)定裕度等以確保安全可靠運行，以及具有足夠的靈活性資源為“碳中和”電力系統(tǒng)提供各種輔助服務(wù)。

從前述關(guān)于美國電力市場的分析可以看出，電力系統(tǒng)的韌性與電源結(jié)構(gòu)關(guān)系極大。電力市場體制機制改革屬于電力行業(yè)生產(chǎn)關(guān)系的變革，應(yīng)適應(yīng)生產(chǎn)力發(fā)展水平的新要求。在“碳中和”目標(biāo)下的電力系統(tǒng)中，世界各國的電力市場都面臨著更新?lián)Q代。除美國外，歐盟也在2016年12月公布的新電力市場設(shè)計方案中指出“當(dāng)今能源市場規(guī)則是為了滿足過去的以傳統(tǒng)火力發(fā)電和沒有需求側(cè)響應(yīng)的能源系統(tǒng)而設(shè)計的。”

以孫冶方、顧準(zhǔn)為代表的新中國第一代經(jīng)濟學(xué)家們都非常重視價值規(guī)律的研究與應(yīng)用，電力定價和電力市場設(shè)計也應(yīng)以對電能價值規(guī)律的深入分析為基礎(chǔ)，已故言茂松教授在這個方面做了杰出的開創(chuàng)性工作并提出了當(dāng)量電價（或電能價值當(dāng)量分析）理論。傳統(tǒng)的電力現(xiàn)貨市場都是基于實時電價理論設(shè)計的，具有以下天然缺陷：

（1）實時電價基于傳統(tǒng)的分時調(diào)度模型計算，沒有深入分析電能價值的跨時段（inter-temporal）變化規(guī)律，也忽略了電能生產(chǎn)和消費的時間連續(xù)性這個十分重要的特征，在當(dāng)前風(fēng)、光等新能源大規(guī)模接入和對電力系統(tǒng)靈活性需求急劇升高的情況下，這個問題尤其嚴(yán)重；

（2）實時電價分時段邊際統(tǒng)一出清，假設(shè)同一時段的電能商品都是同質(zhì)的，由于未考慮不同類型發(fā)電機組在負(fù)荷曲線上所處的位置，無法區(qū)別基荷、腰荷和峰荷機組差別明顯的技術(shù)特征及價值，因此難以引導(dǎo)出合理的電源結(jié)構(gòu)。如果具有近零邊際成本的波動性可再生能源實現(xiàn)高比例并網(wǎng)，將拉低電力批發(fā)價格，給傳統(tǒng)電廠特別是燃煤電廠和核電廠帶來虧損，迫使其過早退役，威脅到電網(wǎng)的安全可靠性；

（3）雖然實時電價理論模型包括了從運行到規(guī)劃的長時間尺度的資源優(yōu)化，但這樣的超大規(guī)模優(yōu)化問題在實際中是無法應(yīng)用的。實際電力市場往往采用安全約束機組組合或安全約束經(jīng)濟調(diào)度等短期運行優(yōu)化模型計算出清價格，因此是一種相當(dāng)“短視”的定價機制，無法保證中長期發(fā)電容量充裕性；

（4）電能的生產(chǎn)和用都具有時間連續(xù)性，無論對于發(fā)電商還是電力負(fù)荷，銷售或購買的商品都是具有一定持續(xù)時間的“能量塊”（energy block）。電量（能量型）型商品（特別是中長期交易的商品）與電力（功率）型商品的特性不同，電量型商品與普通商品更相近，在較長時期內(nèi)達(dá)到供需動態(tài)平衡即可；在中長期交易中電量型商品其實是可存儲的，主要以煤（或其他燃料）、水庫儲水等形式存儲，這與現(xiàn)貨交易中不能存儲的電力型商品形成鮮明對比；

（5）電能作為基礎(chǔ)性產(chǎn)品與生產(chǎn)要素的一部分（在我國尤其如此），保證持續(xù)穩(wěn)定供應(yīng)是最關(guān)鍵的考慮，不需要片面追求電力市場本身的“最高效率”（特別是短期現(xiàn)貨市場的最高效率）。

當(dāng)量電價緊密結(jié)合電力系統(tǒng)規(guī)劃和運行問題，深度融合容量和電量成本和效益，為這些問題的解決提供了重要方法論。本文作者基于拉格朗日松弛法建立了電能短期與長期成本分析的統(tǒng)一框架，率先提出了短期時序電價（即現(xiàn)貨價格）和長期時序電價的計算模型和方法，重新定義了由（功率，時間）對組成的連續(xù)時間電能商品模型，在此基礎(chǔ)上建立了一整套電力定價新理論，在進一步的研究中將更深入地研究有關(guān)韌性、靈活性資源的價值評估方法并開展相關(guān)交易機制的設(shè)計，努力為這些問題的解決提供新思路和新方案。

此外，國內(nèi)外現(xiàn)有輔助服務(wù)市場的交易品種不包括一次調(diào)頻（一般作為強制提供的基本輔助服務(wù)）和慣性，在高比例可再生能源并網(wǎng)條件下電力系統(tǒng)對一次調(diào)頻和慣性支撐能力的要求急劇增加，也有必要深入研究兩種新型輔助服務(wù)品種的合理定價和交易機制問題。