可再生能源參與的電力市場(chǎng)研究

劉彥伶

（華北電力大學(xué)，北京 102200）

引言

發(fā)展可再生能源，是應(yīng)對(duì)化石燃料短缺、環(huán)境污染、氣候變化、能源安全等問(wèn)題的重要手段，也是實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑。隨著各國(guó)政府不斷出臺(tái)的目標(biāo)激勵(lì)和政策支持，可再生能源發(fā)展前景廣闊。據(jù)數(shù)據(jù)顯示，至2019 年底，我國(guó)可再生能源裝機(jī)占總裝機(jī)的 39.5%，發(fā)電量占總發(fā)電量的 27.5%。全球主要經(jīng)濟(jì)體電力供給的重要來(lái)源已變成可再生能源，并且其效費(fèi)比重在未來(lái)仍將高速增長(zhǎng)。

可再生能源具有較強(qiáng)的不確定性，面臨著一系列傳統(tǒng)電力系統(tǒng)未曾出現(xiàn)的問(wèn)題。我國(guó)應(yīng)抓住可再生能源高速發(fā)展和電力市場(chǎng)改革持續(xù)穩(wěn)步有力推進(jìn)的雙重機(jī)遇，加快可再生能源電力市場(chǎng)的研究。本文基于這一背景，分析高比例可再生能源參與電力市場(chǎng)對(duì)市場(chǎng)機(jī)制的影響和遇到的問(wèn)題，參考借鑒巴西電力市場(chǎng)機(jī)制，以及部分國(guó)家在高比例可再生能源電力市場(chǎng)研究的成果，從中找到對(duì)我國(guó)發(fā)展電力市場(chǎng)的啟示。

一、我國(guó)可再生能源政策分析

（一）我國(guó)可再生能源的發(fā)展現(xiàn)狀

近年來(lái)，我國(guó)的風(fēng)電、太陽(yáng)能等可再生能源發(fā)展迅猛。截至 2015年，全國(guó)風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī)容量達(dá)147.6 GW，占全部裝機(jī)的 8.6%，占世界風(fēng)電裝機(jī)1/4 以上;而光伏累計(jì)裝機(jī)容量 43.18 GW，占全部裝機(jī)的 2.84%，裝機(jī)容量居全球之首。根據(jù)我國(guó)未來(lái)能源戰(zhàn)略規(guī)劃，風(fēng)電和光伏發(fā)電將逐漸成為電力系統(tǒng)的支柱性技術(shù)與能源供應(yīng)來(lái)源。

然而，受風(fēng)電與光伏自身特性以及我國(guó)電網(wǎng)運(yùn)行方式的制約，我國(guó)的可再生能源消納問(wèn)題形勢(shì)嚴(yán)峻。2015 年全年平均棄風(fēng)率約為 15%，全年棄風(fēng)電量 33.9 TWh，甘肅、新疆、吉林三省份棄風(fēng)率均超過(guò) 30%。2015年全年棄光率預(yù)計(jì)達(dá)到 10%，甘肅等地棄光率達(dá)到 28%。全年棄風(fēng)與棄光折合經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)170 億元，造成了能源的極大浪費(fèi)。

（二）我國(guó)可再生能源政策總結(jié)

中國(guó)推動(dòng)可再生能源發(fā)展的主要政策包括:特許權(quán)招標(biāo)項(xiàng)目、固定上網(wǎng)電價(jià)、價(jià)格補(bǔ)貼和國(guó)家示范項(xiàng)目等。我國(guó)當(dāng)前的可再生能源價(jià)格機(jī)制為固定上網(wǎng)電價(jià)，電網(wǎng)公司與可再生能源電站按當(dāng)?shù)孛摿蚧痣姍C(jī)組的標(biāo)桿電價(jià)結(jié)算，剩余部分由國(guó)家可再生能源發(fā)展基金支付。以風(fēng)電為例，一方面，對(duì)風(fēng)電全額保障性收購(gòu)，風(fēng)電的售電價(jià)格和銷售量都有保證，無(wú)需面對(duì)遠(yuǎn)期市場(chǎng)價(jià)格波動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn);另一方面，風(fēng)電無(wú)需承擔(dān)平衡輔助服務(wù)的義務(wù)，其出力波動(dòng)性和間歇性帶來(lái)的平衡問(wèn)題均由電網(wǎng)公司負(fù)責(zé)，成本最終由用戶分?jǐn)偂?/p>

當(dāng)前我國(guó)可再生能源采用固定電價(jià)與固定補(bǔ)貼機(jī)制，一定程度上為可再生能源接納帶來(lái)了一定的阻礙。一方面，可再生能源相比火電而言沒(méi)有價(jià)格優(yōu)勢(shì)，電力富余時(shí)無(wú)法與調(diào)節(jié)靈活的火電相競(jìng)爭(zhēng)，電網(wǎng)公司接納可再生能源沒(méi)有激勵(lì)相容的機(jī)制;另一方面，可再生能源無(wú)法對(duì)給予其輔助服務(wù)的其他機(jī)組進(jìn)行補(bǔ)償，使其他機(jī)組缺乏動(dòng)力為可再生能源進(jìn)行調(diào)峰、調(diào)頻及預(yù)留備用。

二、高比例可再生能源參與電力市場(chǎng)出現(xiàn)的問(wèn)題

（一）棄風(fēng)、棄光

盡管中國(guó)國(guó)家電網(wǎng)通過(guò)一系列優(yōu)化機(jī)組運(yùn)行，對(duì)水火風(fēng)光進(jìn)行協(xié)調(diào)控制等，但我國(guó)相關(guān)問(wèn)題仍相當(dāng)嚴(yán)峻。截至 2019 年，我國(guó)累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)容量占世界 1/3，全國(guó)平均棄風(fēng)率 4%；世界平均棄風(fēng)率 1%；光電裝機(jī)容量占世界1/4，全國(guó)平均其光率 4%。在最近國(guó)家發(fā)布的“綠色低碳”發(fā)展戰(zhàn)略中，非化石能源占一次消費(fèi)能源消費(fèi)比重首次超過(guò)50%。從上述數(shù)據(jù)對(duì)比可見，從根本上解決棄風(fēng)、棄光問(wèn)題，提高運(yùn)行效率尤為重要。

（二）生產(chǎn)、出力不確定性和電價(jià)波動(dòng)性

可再生能源發(fā)電具有不確定性。在現(xiàn)有風(fēng)電功率預(yù)測(cè)技術(shù)條件下，風(fēng)電出力隨機(jī)波動(dòng)性給傳統(tǒng)機(jī)組組合帶來(lái)了挑戰(zhàn)。同時(shí)風(fēng)電發(fā)電的邊際成本低，高比例可再生能源參與會(huì)降低電力市場(chǎng)的電價(jià)，甚至?xí)a(chǎn)生負(fù)電價(jià)，對(duì)電力系統(tǒng)的長(zhǎng)期發(fā)展造成不良影響。由于出力預(yù)測(cè)誤差的存在，可再生能源參與電力市場(chǎng)不僅面臨電價(jià)風(fēng)險(xiǎn)，還面臨較大的電量風(fēng)險(xiǎn)，而現(xiàn)有的方法和工具未能解決相應(yīng)問(wèn)題。

（三）可再生能源的平衡成本較高，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力較弱

我國(guó)缺乏可靈活調(diào)節(jié)的快速電源，可再生能源的不確定性使系統(tǒng)的不平衡成本提高了，不確定性也使可再生能源在市場(chǎng)中無(wú)法準(zhǔn)確申報(bào)電量信息，在市場(chǎng)策略性競(jìng)價(jià)的能力又因?yàn)槠涫芴鞖獾炔豢煽匾蛩厥芟拗啤?/p>

三、高比例可再生能源參與的電力市場(chǎng)的影響

通過(guò)查找文獻(xiàn)，總結(jié)了部分文章關(guān)于可再生能源對(duì)電力市場(chǎng)在節(jié)能減排、社會(huì)效益、市場(chǎng)均衡等方面產(chǎn)生的影響的概述。

（一）節(jié)能減排方面：

以改進(jìn)的可計(jì)算一般均衡模型為計(jì)算方法，以中國(guó)電力市場(chǎng)為研究對(duì)象，提出不同的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展階段應(yīng)采取相應(yīng)的可再生能源政策的建議。

（二）社會(huì)效益方面：

參考了西班牙電力市場(chǎng)、PIM 市場(chǎng)等算例，可再生能源參與的市場(chǎng)機(jī)制分別為參與競(jìng)價(jià)和溢價(jià)、參與競(jìng)價(jià)且報(bào)價(jià)為 0、參與競(jìng)價(jià)且允許棄風(fēng)的情況下，得到了風(fēng)電會(huì)降低市場(chǎng)電價(jià)的統(tǒng)一結(jié)論，同時(shí)指出風(fēng)電增長(zhǎng)逐漸取代傳統(tǒng)機(jī)組，但對(duì)承擔(dān)調(diào)峰的機(jī)組的需求增加，但承擔(dān)基荷的傳統(tǒng)機(jī)組更需要容量市場(chǎng)的支付保證收益充足。

（三）市場(chǎng)均衡方面：

風(fēng)電反調(diào)峰性明顯，提升了負(fù)荷峰谷時(shí)的電價(jià)差；光伏發(fā)電會(huì)降低電價(jià)，且其對(duì)批發(fā)電價(jià)的影響大于風(fēng)電，固定電價(jià)等可再生能源隨增加社會(huì)成本但也會(huì)帶來(lái)電費(fèi)降低等社會(huì)效益。在寡頭壟斷的市場(chǎng)均衡中，隨著風(fēng)電穿透率的增加，市場(chǎng)均衡點(diǎn)和市場(chǎng)主體收益變化。

四、可再生能源參與市場(chǎng)的核心技術(shù)問(wèn)題

（一）不確定環(huán)境下電力市場(chǎng)均衡研究

針對(duì)大規(guī)?？稍偕茉床⒕W(wǎng)所引入的不確定性，如何分析并對(duì)電力市場(chǎng)中信息不完全、結(jié)構(gòu)不對(duì)稱、競(jìng)爭(zhēng)不充分、收益不確定等特有條件進(jìn)行建模，如何平衡市場(chǎng)主體的收益與風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而分析市場(chǎng)成員(尤其是可再生能源廠商)的競(jìng)價(jià)行為與電力市場(chǎng)的納什均衡點(diǎn)，是可再生能源參與市場(chǎng)研究的理論基礎(chǔ)。

（二）適應(yīng)可再生能源并網(wǎng)交易的電力市場(chǎng)機(jī)制設(shè)計(jì)

由于各國(guó)的可再生能源發(fā)展程度不同，國(guó)外已有的可再生能源參與市場(chǎng)機(jī)制不能直接套用。未來(lái)的研究方向包括深入分析影響間歇性可再生能源并網(wǎng)消納的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題;詳細(xì)分析與設(shè)計(jì)大規(guī)模間歇性可再生能源參與交易的準(zhǔn)入機(jī)制、競(jìng)價(jià)周期、出清機(jī)制、定價(jià)方法、結(jié)算機(jī)制、偏差懲罰、價(jià)格補(bǔ)貼等具體的市場(chǎng)規(guī)則，以及建立相適應(yīng)的輔助服務(wù)市場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)各種機(jī)制要素在中長(zhǎng)期、日前、實(shí)時(shí)等多時(shí)序上的緊密協(xié)調(diào)，有效激勵(lì)各方市場(chǎng)主體的積極性，以確保機(jī)制設(shè)計(jì)的有效性與最優(yōu)性。

（三）面向可再生能源參與市場(chǎng)的源-網(wǎng)-荷互動(dòng)機(jī)制研究

實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的可再生能源發(fā)電并網(wǎng)，保障可再生能源行業(yè)的合理有序發(fā)展，離不開與電源、電網(wǎng)和負(fù)荷的互動(dòng)。對(duì)于電源而言，需要設(shè)計(jì)高效的互動(dòng)機(jī)制激勵(lì)電源的靈活性，對(duì)電源的靈活性進(jìn)行合理定價(jià)，以分?jǐn)偪稍偕茉吹牟淮_定性帶來(lái)的調(diào)節(jié)成本;對(duì)于電網(wǎng)而言，需要制定合理的輸電成本分?jǐn)偡椒ǎ罁?jù)市場(chǎng)引導(dǎo)電網(wǎng)的未來(lái)投資建設(shè);對(duì)于負(fù)荷而言，需要設(shè)計(jì)高效的負(fù)荷互動(dòng)機(jī)制，引導(dǎo)電力用戶參與可再生能源消納。

五、巴西電力市場(chǎng)建設(shè)經(jīng)驗(yàn)

（一）行業(yè)概況

1.巴西電力基本情況

巴西幅員遼闊，居世界第五。其電能結(jié)構(gòu)以可再生能源為主，截至 2018 年低，巴西全國(guó)水力發(fā)電 3876.9 億 kW·h,占全國(guó)總發(fā)電量的65.94%；火力發(fā)電量占比 13.65%；核能發(fā)電量占比 2.66%；風(fēng)電、太陽(yáng)能、生物質(zhì)能發(fā)電，發(fā)電量占比 17.77%。巴西電力系統(tǒng)由全國(guó)互聯(lián)系統(tǒng) SIN和部分獨(dú)立系統(tǒng)組成，覆蓋國(guó)土面積達(dá) 60%，涵蓋90%人口，滿足了總體電力需求的 99%。

2.發(fā)展進(jìn)程

巴西電力發(fā)展大體經(jīng)歷了 4 個(gè)階段。分別為以外資為主的萌芽發(fā)展階段、國(guó)有化大發(fā)展階段、私有化改革階段以及發(fā)展新模式階段。我國(guó)電力工業(yè)發(fā)展與巴西電力工業(yè)發(fā)展有許多相似之處。

（二）電力市場(chǎng)主要類別

巴西政府將電力買賣市場(chǎng)分為管制交易市場(chǎng)、自由交易市場(chǎng)、短期交易市場(chǎng)。管制交易市場(chǎng)(ACR)。

1.管制交易市場(chǎng)使主要組成部分。配電企業(yè)和發(fā)電企業(yè)使該市場(chǎng)的主要參與者，其主要是為了保障中小型企業(yè)、普通居民能夠規(guī)避交易成本信息不對(duì)稱的問(wèn)題的情況下能夠獲得較長(zhǎng)期的穩(wěn)定的價(jià)格。

2.自由交易市場(chǎng)（ACL）。自由交易市場(chǎng)是電力市場(chǎng)的重要組成部分，主要面向自由電力用戶、電力交易商、電力進(jìn)口企業(yè)和特殊電力用戶。巴西政府為了提高市場(chǎng)的流動(dòng)性，允許 ACL 中用電客戶將未能使用的剩余電力進(jìn)行轉(zhuǎn)讓，可以降低由于自由電力用戶因合同電量剩余造成的財(cái)務(wù)損失。

3.短期交易市場(chǎng)。短期交易市場(chǎng)作為前兩個(gè)市場(chǎng)的補(bǔ)充，主要是為了保護(hù)電力供需平衡，現(xiàn)貨合約為主體。

（三）中國(guó)電力交易建立可借鑒經(jīng)驗(yàn)

與巴西相同，中國(guó)作為世界發(fā)展大國(guó)，但中國(guó)的電力交易機(jī)制建立的時(shí)間比巴西短，以公有制為主體，計(jì)劃性強(qiáng)，同時(shí)也具有交易品種較為單一，不斷改進(jìn)配套金融機(jī)制的特點(diǎn)。中國(guó)在建立競(jìng)爭(zhēng)性、市場(chǎng)化的機(jī)制方面，可以在巴西電力市場(chǎng)的穩(wěn)步運(yùn)行和交易機(jī)制的成功建設(shè)中吸取可借鑒經(jīng)驗(yàn)。

1.為了滿足不同類別用戶用電和電源發(fā)展的需要，建立分類電場(chǎng)，相互補(bǔ)充。中國(guó)的大用戶的選擇權(quán)在 2015 年國(guó)家出臺(tái)多項(xiàng)開發(fā)用電計(jì)劃政策后“從無(wú)到有”，如何真正有序開放發(fā)電計(jì)劃和除大用戶之外的用戶成為接下來(lái)的研究重點(diǎn)，通過(guò)用戶的需求引導(dǎo)發(fā)電計(jì)劃，才能解決中國(guó)當(dāng)前的電力過(guò)剩問(wèn)題。

2.居民以及中小企業(yè)的普遍服務(wù)用電需求通過(guò)中長(zhǎng)期合同制來(lái)滿足。中國(guó)用戶用電較低，明顯低于美、英等發(fā)達(dá)國(guó)家，一定程度上偏離發(fā)電成本。在未來(lái)的發(fā)展建設(shè)中，既要保障居民用電、中小企業(yè)用電，同時(shí)也英尊重市場(chǎng)供需規(guī)律，逐步減少交叉補(bǔ)貼需求，制定更加精細(xì)化的價(jià)格套餐勢(shì)在必行。

3.通過(guò)激勵(lì)等機(jī)制保障參與方的收益來(lái)提高市場(chǎng)活力和發(fā)展儲(chǔ)能等解決電力系統(tǒng)的平衡問(wèn)題。市場(chǎng)參與者都有義務(wù)和有責(zé)任去維持系統(tǒng)的平衡，為了保證電力系統(tǒng)的可靠性，一定的干預(yù)手段是必需的。我國(guó)目前朝著大力發(fā)展電力市場(chǎng)的方向穩(wěn)步前進(jìn)，保證市場(chǎng)活力是必不可少的。巴西電力市場(chǎng)通過(guò)成本向終端用戶轉(zhuǎn)移等機(jī)制保證了收益的實(shí)現(xiàn)，市場(chǎng)活力也由此得到了保證。

六、結(jié)語(yǔ)

高比例可再生能源參與的電力市場(chǎng)已成當(dāng)前電力市場(chǎng)發(fā)展的主要趨勢(shì)，由于可再生能源的特性，目前的棄風(fēng)、棄光、電價(jià)波動(dòng)、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力弱等問(wèn)題在各國(guó)的電力市場(chǎng)建設(shè)中都凸顯出來(lái)，本文從可再生能源的特點(diǎn)入手，簡(jiǎn)單敘述了可再生能源對(duì)電力市場(chǎng)造成的影響，以及針對(duì)可再生能源參與的建設(shè)較成功的巴西進(jìn)行了資料的查找，通過(guò)對(duì)比其與我國(guó)的發(fā)展情況，“求同存異”，吸取先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，并通過(guò)閱讀相關(guān)領(lǐng)域文章，總結(jié)了可供中國(guó)發(fā)展高比例可再生能源電力市場(chǎng)的一些啟示。