現(xiàn)貨市場中實(shí)現(xiàn)保供目標(biāo)的容量補(bǔ)償定價(jià)方法

柴 瑋，杜首行，陳 愚，王梓怡，舒 雋

（1.國能經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院有限責(zé)任公司科研發(fā)展部，北京 102211；2.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京 100096；3.國家能源投資集團(tuán)有限責(zé)任公司戰(zhàn)略規(guī)劃部，北京 102211）

我國提出的“雙碳”目標(biāo)要求加快建設(shè)新型能源體系。但隨著可再生能源裝機(jī)量的增加及大規(guī)模并網(wǎng)，其極低的發(fā)電邊際成本拉低了電力現(xiàn)貨市場價(jià)格，導(dǎo)致傳統(tǒng)的火電機(jī)組出現(xiàn)了缺失收入問題，部分火電機(jī)組無法在電力市場中回收固定成本，生存空間受到了擠壓?；痣姍C(jī)組效益降低嚴(yán)重影響了發(fā)電企業(yè)投資火電機(jī)組的意愿，甚至加速了一些已有火電機(jī)組的淘汰。但是，可再生能源作為間歇性能源，其發(fā)電能力由實(shí)時(shí)的天氣情況決定，在一些極端無風(fēng)無光且同時(shí)出現(xiàn)負(fù)荷高峰的情境下，電力系統(tǒng)就會出現(xiàn)發(fā)電容量不足的問題，影響電力負(fù)荷的可靠供應(yīng)。因此，需要實(shí)施適合國內(nèi)電力市場現(xiàn)狀的容量成本回收機(jī)制，保證存量機(jī)組的合理裝機(jī)水平，并引導(dǎo)發(fā)電企業(yè)投資。合理的容量補(bǔ)償機(jī)制可以在一定程度上保證電力系統(tǒng)的可靠性，對于保持電力系統(tǒng)的長期供應(yīng)均衡及推動可再生能源的健康可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

目前，在電力系統(tǒng)容量機(jī)制方面已有大量研究。文獻(xiàn)[1]對如何以最低的合理成本提供可靠的電力進(jìn)行了調(diào)查，指出應(yīng)首先為供電可靠性設(shè)定一個(gè)合理的經(jīng)濟(jì)標(biāo)準(zhǔn)，并基于此提出了一種確保以最低成本提供可靠低碳電力的方法。而各國針對實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)充裕性提出并實(shí)施了不同的容量機(jī)制。文獻(xiàn)[2]詳細(xì)梳理了國際上幾種常見的電力現(xiàn)貨市場配套容量機(jī)制，并結(jié)合我國現(xiàn)狀，提出了采用容量補(bǔ)償機(jī)制進(jìn)行過渡。文獻(xiàn)[3]在分析國外容量市場機(jī)制后，提出了一種適應(yīng)我國的容量市場跨省區(qū)聯(lián)合出清機(jī)制，并且完善了配套的容量需求曲線原則及機(jī)制設(shè)計(jì)。針對容量補(bǔ)償機(jī)制的理論研究，除了文獻(xiàn)[2]提出的協(xié)調(diào)容量電價(jià)的電源規(guī)劃雙層模型外，文獻(xiàn)[4]建立了考慮容量補(bǔ)償?shù)幕痣姍C(jī)組雙層決策模型，對不同可再生能源滲透率下容量補(bǔ)償價(jià)格對火電企業(yè)決策及市場運(yùn)行的影響進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[5]從中長期至現(xiàn)貨全時(shí)間尺度上入手，解決了系統(tǒng)靈活性資源不足的問題，提出了一種激勵(lì)火電靈活性改造的調(diào)峰容量補(bǔ)償機(jī)制。

容量補(bǔ)償機(jī)制相較于其他成本回收機(jī)制有較多優(yōu)點(diǎn)。首先，由于其政策實(shí)施的便利性，對不同階段的電力市場均有較好的適應(yīng)性；其次，容量補(bǔ)償電價(jià)和補(bǔ)償容量都有明確規(guī)制方法，適合我國電力市場目前的改革階段；最后，容量補(bǔ)償機(jī)制直接根據(jù)容量貢獻(xiàn)向市場內(nèi)機(jī)組支付容量費(fèi)用的方式，保證了發(fā)電企業(yè)可以穩(wěn)定回收成本，傳達(dá)了明確的投資信號，有利于保證電力系統(tǒng)的發(fā)電充裕度。目前，中國部分現(xiàn)貨試點(diǎn)省份已經(jīng)初步建立了容量成本回收機(jī)制。山東率先于2020 年提出了收取容量補(bǔ)償費(fèi)用，價(jià)格（含稅）暫定為0.099 1￥/（kW?h），并于2022 年提出了容量系數(shù)調(diào)整要求，采用負(fù)荷側(cè)帶分時(shí)系數(shù)的容量分?jǐn)倷C(jī)制。廣東也提出了根據(jù)市場機(jī)組有效容量占市場機(jī)組總有效容量的比例來補(bǔ)償各機(jī)組，實(shí)施容量補(bǔ)償機(jī)制的主要目的是幫助發(fā)電機(jī)組成本回收，以保證未來年份的裝機(jī)充裕性。文獻(xiàn)[6]指出容量補(bǔ)償機(jī)制具有諸多好處，從建設(shè)難度來看，容量補(bǔ)償機(jī)制不同于容量市場和稀缺定價(jià)機(jī)制，是一種適用于新型電力系統(tǒng)初始階段的過渡機(jī)制，不需要大量的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，實(shí)施的可行性較高；從機(jī)制建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)來看，政府部門可以根據(jù)政策和市場具體情況來控制建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)，有利于實(shí)現(xiàn)向新型電力系統(tǒng)的平穩(wěn)過渡。

容量補(bǔ)償價(jià)格的確定是容量補(bǔ)償機(jī)制能否發(fā)揮正向作用的關(guān)鍵。文獻(xiàn)[7]指出了目前容量補(bǔ)償機(jī)制的潛在問題，其關(guān)鍵在于規(guī)制經(jīng)濟(jì)合理的容量補(bǔ)償電價(jià)，若電價(jià)設(shè)定不合理，則會造成部分機(jī)組出現(xiàn)過補(bǔ)償或欠補(bǔ)償?shù)膯栴}，進(jìn)一步扭曲現(xiàn)貨市場電價(jià)，無法正確引導(dǎo)發(fā)電企業(yè)投資。文獻(xiàn)[8]指出了容量補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵是容量補(bǔ)償對象確定、補(bǔ)償費(fèi)用核算、補(bǔ)償費(fèi)用分?jǐn)偧把a(bǔ)償費(fèi)用動態(tài)調(diào)節(jié)。對于容量補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)的確定，文獻(xiàn)[9]對按中標(biāo)容量和裝機(jī)容量補(bǔ)償進(jìn)行了對比，得出按中標(biāo)容量進(jìn)行補(bǔ)償能更好地體現(xiàn)各機(jī)組對發(fā)電容量充裕性的貢獻(xiàn)。文獻(xiàn)[10]給出了不同經(jīng)濟(jì)理論下的定價(jià)方法。文獻(xiàn)[11]提出了根據(jù)市場中各機(jī)組的年化投建成本和運(yùn)行盈利情況，并考慮其單位有效容量的成本回收缺額平均值，進(jìn)而確定單位容量的成本補(bǔ)償價(jià)格。文獻(xiàn)[12]則定義月度單位容量補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)為單位容量年化固定成本和其他市場單位容量年收益相減后再乘以月補(bǔ)償系數(shù)。文獻(xiàn)[13-14]則采用邊際成本法確定容量電價(jià)，并根據(jù)峰值負(fù)荷和電網(wǎng)阻塞情況調(diào)整充裕容量，最終確定補(bǔ)償容量。

為保證補(bǔ)償價(jià)格的合理性，在電力市場環(huán)境下對機(jī)組進(jìn)行容量補(bǔ)償必須考慮機(jī)組的現(xiàn)貨收入，因此容量補(bǔ)償定價(jià)過程中需要進(jìn)行電力現(xiàn)貨市場仿真。在電力市場仿真方面，文獻(xiàn)[15]采用模擬市場規(guī)則、報(bào)價(jià)策略、投資策略的方法來研究發(fā)電容量長期充裕性的動態(tài)行為。文獻(xiàn)[16]從系統(tǒng)動力學(xué)方面研究了市場環(huán)境與充裕性機(jī)制設(shè)計(jì)的關(guān)系，綜合考慮機(jī)組的經(jīng)濟(jì)效益，設(shè)計(jì)了基于凈現(xiàn)值評估的發(fā)電投資退役模型，構(gòu)建了電力市場長期動態(tài)仿真模型，分析了幾種不同容量機(jī)制對市場的影響。同時(shí)，容量機(jī)制需要配套充裕性評估機(jī)制來核定機(jī)組的有效容量，文獻(xiàn)[17-18]論證了蒙特卡羅模擬方法在系統(tǒng)發(fā)電容量充裕性評估的適用性。文獻(xiàn)[19]在蒙特卡羅法的基礎(chǔ)下，實(shí)現(xiàn)了超大規(guī)模系統(tǒng)充裕性評估。文獻(xiàn)[20]基于中心極限定理對蒙特卡羅法的抽樣進(jìn)行了改進(jìn)，平衡計(jì)算精度和計(jì)算成本。文獻(xiàn)[21]借助Stackelberg 博弈模型構(gòu)建了發(fā)電容量充裕性評估的框架。文獻(xiàn)[22]引入了缺電時(shí)間期望LOLE（loss of load expectation）作為可靠性指標(biāo)，對比了不同充裕度機(jī)制對可靠性改善的情況。

目前，容量補(bǔ)償電價(jià)的制定一般采用系統(tǒng)長期邊際容量成本測算，僅考慮了一定時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)峰值負(fù)荷期間的邊際機(jī)組，但此方法確定的容量補(bǔ)償價(jià)格是否可以合理引導(dǎo)發(fā)電機(jī)組投資、退役，以保證未來電力系統(tǒng)可靠性，缺少相關(guān)的理論研究。同時(shí)，容量補(bǔ)償費(fèi)用并不等同于兩部制電價(jià)，因?yàn)槿萘垦a(bǔ)償機(jī)制是現(xiàn)貨市場的補(bǔ)充，用于解決機(jī)組無法在現(xiàn)貨市場中回收固定成本的問題，容量補(bǔ)償電價(jià)設(shè)定過高會造成用戶購電成本升高，反之，會造成長期發(fā)電充裕度不足。由于現(xiàn)有容量補(bǔ)償價(jià)格的制定并沒有綜合考慮火電機(jī)組在現(xiàn)貨、容量等方面的綜合利潤。因此，本文綜合考慮火電機(jī)組的現(xiàn)貨利潤和容量收入，以及容量補(bǔ)償價(jià)格對未來電力系統(tǒng)可靠性的影響，提出一種實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)保供要求并計(jì)及發(fā)電企業(yè)電力現(xiàn)貨市場經(jīng)濟(jì)效益的容量補(bǔ)償定價(jià)方法。

1 電力市場容量補(bǔ)償機(jī)制

1.1 容量補(bǔ)償機(jī)制綜述

國際上采用的容量成本回收機(jī)制主要有稀缺定價(jià)機(jī)制、容量市場機(jī)制、戰(zhàn)略備用機(jī)制和容量補(bǔ)償機(jī)制。其中，稀缺定價(jià)機(jī)制主要應(yīng)用在美國ERCOT 電力市場和澳大利亞NEM 電力市場，這種機(jī)制的特點(diǎn)在于只存在單一的電力現(xiàn)貨市場，可以在促進(jìn)機(jī)組成本回收的同時(shí)節(jié)省電力用戶的開支，并且對現(xiàn)貨市場的行政干預(yù)最??；容量市場機(jī)制主要應(yīng)用在美國PJM、NYISO 電力市場及英國電力市場，其特點(diǎn)在于由系統(tǒng)運(yùn)營機(jī)構(gòu)設(shè)定系統(tǒng)容量需求曲線，并通過集中式拍賣機(jī)制獲得滿足需求的容量水平和電源結(jié)構(gòu)；戰(zhàn)略備用機(jī)制主要應(yīng)用在歐洲國家，其特點(diǎn)是系統(tǒng)運(yùn)營機(jī)構(gòu)擁有部分系統(tǒng)邊際冗余容量，并在供需緊張時(shí)進(jìn)行調(diào)用；容量補(bǔ)償機(jī)制主要應(yīng)用在秘魯、智利等南美洲國家，這種機(jī)制建立在非市場環(huán)境下，由監(jiān)管機(jī)構(gòu)事先確定參數(shù)滾動調(diào)整容量補(bǔ)償電價(jià)，并根據(jù)供需核算補(bǔ)償容量的一種機(jī)組成本回收機(jī)制。針對發(fā)電側(cè)通常會制定統(tǒng)一容量補(bǔ)償電價(jià)，根據(jù)不同類型機(jī)組有效容量及系統(tǒng)峰值負(fù)荷確定各個(gè)機(jī)組的補(bǔ)償容量，然后按照容量電價(jià)和機(jī)組補(bǔ)償容量支付機(jī)組容量費(fèi)用。

各國的容量補(bǔ)償機(jī)制均存在一定的政策差異，并且有些國家會同時(shí)采用多種容量機(jī)制，例如意大利、西班牙和波蘭還同時(shí)存在戰(zhàn)略備用機(jī)制[23]。本文主要以智利的容量補(bǔ)償機(jī)制為參考[24]。

智利的中央電力系統(tǒng)SIC（central interconnection system）為智利約93%的人口提供電力服務(wù)，2008年其發(fā)電來源中水電占比55.1%、天然氣占比27.3%、煤炭占比9.7%、柴油占比7.4%、其他類型機(jī)組占比0.4%。在典型年水力發(fā)電提供約58.0%的總電量，然而在干旱年份水力發(fā)電量僅占SIC 總發(fā)電量的27.0%。因此，為了提高電力系統(tǒng)對極端天氣的應(yīng)對能力，智利電力市場在批發(fā)和遠(yuǎn)期合約市場外建立了集中容量市場，但其僅確定電能量價(jià)格，發(fā)電機(jī)組仍然按照容量補(bǔ)償機(jī)制規(guī)制的容量補(bǔ)償價(jià)格獲得容量收入，以此來保障電力系統(tǒng)的充裕度維持在合理區(qū)間。

1.2 容量補(bǔ)償機(jī)制主要環(huán)節(jié)

容量補(bǔ)償機(jī)制主要由政府監(jiān)管機(jī)構(gòu)及調(diào)度機(jī)構(gòu)制定運(yùn)作，其關(guān)鍵在于容量電價(jià)制定和補(bǔ)償容量核定。

容量補(bǔ)償電價(jià)一般基于長期邊際容量成本制定。長期邊際容量成本是指在未來一定時(shí)間內(nèi)電力系統(tǒng)增加單位發(fā)電容量所需的成本。市場環(huán)境下，容量電價(jià)由一定時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)峰值負(fù)荷期間運(yùn)行的邊際機(jī)組的投資成本折算得到的等額年金確定，其計(jì)算公式[14]為

式中：r為邊際機(jī)組的單位容量電價(jià)；c為邊際機(jī)組的單位容量建設(shè)投資成本；γ為折現(xiàn)率；n為邊際機(jī)組的投資回收周期。

補(bǔ)償容量核定包括初始容量核定、充裕容量核定及補(bǔ)償容量核定。在初始容量核定時(shí)，不同類型發(fā)電機(jī)組分別核定，主要基于機(jī)組在歷史時(shí)間內(nèi)實(shí)際的發(fā)電功率進(jìn)行測算；充裕容量核定主要考慮機(jī)組的廠用電率、年度檢修計(jì)劃、強(qiáng)迫停運(yùn)率及平均修復(fù)時(shí)間等對機(jī)組可用性影響因素，對各個(gè)機(jī)組的初始容量進(jìn)行下調(diào)；補(bǔ)償容量核定是根據(jù)系統(tǒng)峰值負(fù)荷和線路阻塞情況對機(jī)組的充裕容量進(jìn)行調(diào)整。

2 基于可靠性標(biāo)準(zhǔn)和內(nèi)部收益率的容量補(bǔ)償價(jià)格調(diào)整模型

2.1 基于內(nèi)部收益率評估的機(jī)組決策模型

2.1.1 發(fā)電機(jī)組在現(xiàn)貨市場和容量補(bǔ)償?shù)氖杖胗?jì)算

本文采用基于安全約束機(jī)組組合和安全約束經(jīng)濟(jì)調(diào)度的電力現(xiàn)貨市場長周期仿真模型，以發(fā)電成本最低為優(yōu)化目標(biāo)，輸入?yún)?shù)為各類型機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)、輸電安全約束、負(fù)荷時(shí)序需求等，約束條件包括供需功率平衡、火電機(jī)組的出力上下限、爬/滑坡率等。采用各類型機(jī)組的邊際成本作為發(fā)電報(bào)價(jià)數(shù)據(jù)。長周期仿真的輸出數(shù)據(jù)為全年8 760 h 所有機(jī)組節(jié)點(diǎn)邊際電價(jià)和發(fā)電出力，進(jìn)而通過統(tǒng)計(jì)計(jì)算所有機(jī)組當(dāng)年的現(xiàn)貨市場收入、成本及凈利潤。

本文采用的容量收入基于容量補(bǔ)償機(jī)制進(jìn)行計(jì)算，初始的容量補(bǔ)償電價(jià)采用基于長期邊際容量成本原理計(jì)算，即由負(fù)荷峰值期間運(yùn)行的邊際機(jī)組的單位投資成本核算等額年金，機(jī)組的容量收入由容量補(bǔ)償價(jià)格和機(jī)組補(bǔ)償容量確定。

2.1.2 內(nèi)部收益率評估

由容量補(bǔ)償機(jī)制規(guī)制的電價(jià)可以顯著影響發(fā)電機(jī)組的投資和退役，進(jìn)而影響未來年份電力系統(tǒng)的裝機(jī)容量和裝機(jī)結(jié)構(gòu)。因此，本文構(gòu)建了一種基于內(nèi)部收益率IRR（internal rate of return）評估的發(fā)電機(jī)組決策模型。IRR 是效率型經(jīng)濟(jì)效果評價(jià)指標(biāo)，目前多數(shù)發(fā)電企業(yè)在進(jìn)行投資決策時(shí)采用IRR作為評價(jià)指標(biāo)，反映項(xiàng)目為其所占用資金所能提供的盈利率，即凈現(xiàn)值為0時(shí)的折現(xiàn)率。通?？梢圆捎貌逯捣ㄇ蠼釯RR的近似值，凈現(xiàn)值的計(jì)算公式為

式中：NPV(γ)為折現(xiàn)率為γ時(shí)的凈現(xiàn)值；SMt為機(jī)組在第t年的現(xiàn)貨市場凈利潤；CMt為機(jī)組在第t年的容量收入；CO0為機(jī)組在第0 年的建設(shè)成本；nc為機(jī)組的成本回收年限。

采用插值法求解IRR近似值的計(jì)算公式為

式中：IRR 為內(nèi)部收益率；NPV(γa)和NPV(γb)分別為折現(xiàn)率為γa和γb時(shí)的凈現(xiàn)值；σ為使用插值法計(jì)算IRR的精度參數(shù)。

由于本文重點(diǎn)研究容量補(bǔ)償價(jià)格對機(jī)組決策的影響，因此在進(jìn)行現(xiàn)貨收入計(jì)算時(shí)，為了簡化計(jì)算及體現(xiàn)發(fā)電商在進(jìn)行決策時(shí)的有限理性原則，僅精確計(jì)算當(dāng)前年份（第y年）的現(xiàn)貨收入SMy，成本回收期內(nèi)其他年份的現(xiàn)貨收入則在此基礎(chǔ)上進(jìn)行合理預(yù)測，即

式中：SMy為精確計(jì)算得到的當(dāng)前年份的現(xiàn)貨收入；α為現(xiàn)貨利潤變動指標(biāo)，受未來年份的機(jī)組燃料預(yù)測價(jià)格、負(fù)荷增長預(yù)測指標(biāo)等因素影響。

傳統(tǒng)火電機(jī)組屬于資本密集程度較高的產(chǎn)業(yè)，因此發(fā)電企業(yè)在進(jìn)行投資決策時(shí)需要綜合考慮市場環(huán)境、技術(shù)選擇、投資時(shí)機(jī)等因素，而IRR指標(biāo)可以反映投資回報(bào)的內(nèi)在性質(zhì)，并且考慮了投資項(xiàng)目生命周期內(nèi)所有的現(xiàn)金流量，因此能夠比較全面地反映投資項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益。本文構(gòu)建了基于IRR評估的機(jī)組投資/退役決策模型，該模型中新建機(jī)組決策需要保證同類型機(jī)組的IRR 高于基準(zhǔn)折現(xiàn)率，即若某類型機(jī)組的IRR 高于設(shè)定的基準(zhǔn)折現(xiàn)率，則發(fā)電企業(yè)會決策投資一臺同類型機(jī)組，并可以在未來目標(biāo)年份投產(chǎn)運(yùn)行，作為目標(biāo)年份可用的發(fā)電容量。而傳統(tǒng)火電機(jī)組作為重資產(chǎn)投資，現(xiàn)有機(jī)組的退役決策并不能按照基準(zhǔn)折現(xiàn)率進(jìn)行評估。因此現(xiàn)有機(jī)組退役設(shè)定為某機(jī)組全生命周期的IRR小于設(shè)定的退役決策參考折現(xiàn)率時(shí)，在次年啟動退役計(jì)劃，且在目標(biāo)年份無法提供可用容量，具體投資/退役模型策略可表示為

式中：IRRi為機(jī)組i的IRR；θi為發(fā)電企業(yè)設(shè)定的機(jī)組i的基準(zhǔn)折現(xiàn)率；θr為設(shè)定的退役決策參考折現(xiàn)率。

2.2 發(fā)電結(jié)構(gòu)決策迭代收斂模型

不同容量補(bǔ)償價(jià)格水平會顯著影響發(fā)電企業(yè)的投資決策，即影響目標(biāo)年份市場的裝機(jī)容量和電源結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響目標(biāo)年份電力系統(tǒng)的可靠性，因此本文采用迭代收斂法來確定不同容量補(bǔ)償價(jià)格水平下目標(biāo)年份的裝機(jī)結(jié)構(gòu)。首先在給定容量補(bǔ)償價(jià)格情況下，計(jì)算所有機(jī)組的IRR 指標(biāo)，并根據(jù)指標(biāo)結(jié)果進(jìn)行單次投資/淘汰決策，若發(fā)生已有機(jī)組淘汰或機(jī)組新建，則使用新的裝機(jī)結(jié)構(gòu)重新進(jìn)行電力現(xiàn)貨市場長周期仿真，并進(jìn)行IRR 評估；然后再次進(jìn)行單次淘汰/投資決策，循環(huán)此過程直到不再發(fā)生投資/淘汰決策，此時(shí)裝機(jī)結(jié)構(gòu)就為該容量補(bǔ)償價(jià)格水平下目標(biāo)年份的裝機(jī)結(jié)構(gòu)。具體迭代流程如圖1所示。

圖1 發(fā)電機(jī)組決策流程Fig.1 Flow chart of decision-making for generators

2.3 基于可靠性的容量補(bǔ)償價(jià)格調(diào)整模型

在確定目標(biāo)年的裝機(jī)結(jié)構(gòu)后，采用基于序貫蒙特卡羅法的電力系統(tǒng)可靠性計(jì)算程序來計(jì)算目標(biāo)年份的可靠性指標(biāo)。電力系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)主要有缺電時(shí)間期望LOLE 和電量不足期望LOEE（loss of energy expectation），本文采用LOLE 作為可靠性評估指標(biāo)。首先根據(jù)發(fā)電結(jié)構(gòu)決策迭代收斂模型確定的裝機(jī)結(jié)構(gòu)和目標(biāo)年份的電力系統(tǒng)邊界數(shù)據(jù)及機(jī)組參數(shù)，計(jì)算當(dāng)前發(fā)電結(jié)構(gòu)下目標(biāo)年份的LOLE；然后與可靠性標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，若低于可靠性標(biāo)準(zhǔn)，則說明目標(biāo)年份裝機(jī)容量不足，需要提高容量補(bǔ)償價(jià)格，促進(jìn)機(jī)組投資，反之則降低容量補(bǔ)償價(jià)格，加速現(xiàn)有機(jī)組淘汰。

第j+1次調(diào)整的容量補(bǔ)償價(jià)格可表示為

式中：LOLEj為第j次調(diào)整容量補(bǔ)償價(jià)格后的目標(biāo)年份的可靠性指標(biāo)；LOLEO為可靠性標(biāo)準(zhǔn)，CPj為第j次調(diào)整的容量補(bǔ)償價(jià)格；STj+1為第j+1 次調(diào)整容量補(bǔ)償價(jià)格的步長。

為實(shí)現(xiàn)最佳容量補(bǔ)償價(jià)格的快速準(zhǔn)確求解，本文提出了以下價(jià)格調(diào)整方案，該方案由兩階段組成。具體流程如圖2所示。

圖2 容量補(bǔ)償電價(jià)制定流程Fig.2 Flow chart of capacity compensation pricing

（1）確定最佳容量補(bǔ)償價(jià)格區(qū)間。將基于長期邊際容量成本計(jì)算得到的容量補(bǔ)償價(jià)格作為基準(zhǔn)參考，按照較大步長逐漸單向調(diào)整容量補(bǔ)償價(jià)格，計(jì)算不同容量補(bǔ)償價(jià)格下的目標(biāo)年份可靠性指標(biāo)LOLE。對比相鄰容量補(bǔ)償價(jià)格下LOLE 的變化情況，若相鄰兩次LOLE指標(biāo)位于可靠性標(biāo)準(zhǔn)兩側(cè)，則這兩次的容量補(bǔ)償價(jià)格即為最佳容量補(bǔ)償價(jià)格所在區(qū)間。

（2）確定容量補(bǔ)償價(jià)格。確定最佳容量補(bǔ)償價(jià)格區(qū)間后，按照小步長對區(qū)間內(nèi)的容量補(bǔ)償價(jià)格逐步增加，并分別計(jì)算不同容量補(bǔ)償價(jià)格下的LOLE指標(biāo)變化情況，若再次出現(xiàn)相鄰兩次迭代的LOLE指標(biāo)位于可靠性標(biāo)準(zhǔn)兩側(cè)時(shí)，則選取兩個(gè)指標(biāo)中較小者所對應(yīng)的容量補(bǔ)償價(jià)格作為最終價(jià)格。

3 算例分析

本節(jié)構(gòu)建算例對容量補(bǔ)償價(jià)格的制定策略進(jìn)行驗(yàn)證。本文算例中，發(fā)電側(cè)有燃煤、燃?xì)鈨深惢痣姍C(jī)組?？紤]機(jī)組不同的裝機(jī)容量，共有5種類型的火電機(jī)組，各類型機(jī)組的經(jīng)濟(jì)參數(shù)及可靠性參數(shù)如表1 所示，系統(tǒng)現(xiàn)有裝機(jī)結(jié)構(gòu)如圖3 所示?？煽啃詤?shù)來自《2021年全國電力可靠性年度報(bào)告》。

表1 機(jī)組運(yùn)行參數(shù)Tab.1 Operation parameters of generators

圖3 各類型發(fā)電機(jī)組裝機(jī)占比Fig.3 Proportion of installed capacity for different types of generators

本文算例起始年和目標(biāo)年的負(fù)荷曲線、外來電、風(fēng)電和光伏出力曲線均采用某地區(qū)2021 年的測量值和2025 年的預(yù)測值。假設(shè)所有機(jī)組的成本回收年限均為20 a，當(dāng)前年份為2021 年，目標(biāo)年份為2025年，現(xiàn)貨利潤變動指標(biāo)α=1，目標(biāo)年份的可靠性標(biāo)準(zhǔn)LOLEO=0.1 h/a。同時(shí)，為簡化機(jī)組決策流程，本文算例設(shè)定所有火電機(jī)組的投產(chǎn)年份相同。首先對此地區(qū)2021 年電力現(xiàn)貨市場進(jìn)行長周期仿真，現(xiàn)貨電價(jià)如圖4所示。

圖4 全年時(shí)序電價(jià)曲線Fig.4 Curve of electricity price series in one year

1）確定初始的容量補(bǔ)償價(jià)格

根據(jù)長期邊際容量成本原理，選擇現(xiàn)貨市場中峰值負(fù)荷期間運(yùn)行的邊際機(jī)組為150 MW的燃?xì)鈾C(jī)組，設(shè)定折現(xiàn)率為6%，則初始的容量補(bǔ)償價(jià)格計(jì)算式為

設(shè)定基準(zhǔn)折現(xiàn)率為10%，退役決策參考折現(xiàn)率為0。由基于IRR評估的機(jī)組決策模型進(jìn)行多輪機(jī)組決策，最終確定在容量補(bǔ)償價(jià)格為24.2×104￥/（MW·a）的情況下，該地區(qū)2025 年的電力系統(tǒng)發(fā)電機(jī)組參數(shù)如表2所示。

表2 發(fā)電機(jī)組類型和數(shù)量Tab.2 Types and quantities of generators

基于表2 所示發(fā)電機(jī)組參數(shù)計(jì)算得到的2025年可靠性指標(biāo)LOLE 為0 h/a，即在容量補(bǔ)償價(jià)格為24.2×104￥/（MW?a）的情況下可滿足可靠性標(biāo)準(zhǔn)。

2）調(diào)整容量補(bǔ)償價(jià)格

首先按照大步長1×104￥/（MW?a）單向調(diào)節(jié)容量補(bǔ)償價(jià)格，確定容量補(bǔ)償價(jià)格的最佳區(qū)間為160 000～170 000 ￥/（MW?a）；然后再按照小步長1 000 ￥/（MW?a）單向調(diào)節(jié)容量補(bǔ)償價(jià)格，計(jì)算得到當(dāng)容量補(bǔ)償價(jià)格為16.9×104￥/（MW?a）時(shí)，目標(biāo)年份的LOLE為0.129 h/a，大于設(shè)定的可靠性標(biāo)準(zhǔn)，而當(dāng)容量補(bǔ)償價(jià)格為17.0×104￥/（MW?a）時(shí)，目標(biāo)年份的LOLE為0.04 h/a，小于設(shè)定的可靠性標(biāo)準(zhǔn)。因此，通過兩輪步長調(diào)整得到最佳的容量補(bǔ)償價(jià)格為17.0×104￥/（MW?a），即170 ￥/（kW?a）。當(dāng)容量補(bǔ)償價(jià)格為17.0×104￥/（MW?a）時(shí)，抽樣1 000次計(jì)算可靠性指標(biāo)收斂過程如圖5所示，容量補(bǔ)償價(jià)格-可靠性指標(biāo)關(guān)系如圖6 所示。此容量補(bǔ)償價(jià)格下2025 年的電源結(jié)構(gòu)與每個(gè)機(jī)組生命周期內(nèi)的IRR指標(biāo)如表3所示。

表3 發(fā)電機(jī)組類型及IRRTab.3 Types and IRR of generators

圖5 可靠性指標(biāo)收斂過程Fig.5 Convergence process of reliability index

圖6 容量補(bǔ)償價(jià)格和可靠性指標(biāo)關(guān)系Fig.6 Relationship between capacity compensation price and reliability index

表4 為采用長期邊際成本定價(jià)方法和本文容量定價(jià)方法的計(jì)算結(jié)果比較，對比指標(biāo)包括2025年的發(fā)電側(cè)電量費(fèi)用、發(fā)電側(cè)容量費(fèi)用及可靠性指標(biāo)，其中發(fā)電側(cè)電量費(fèi)用為所有火電機(jī)組的現(xiàn)貨市場電能量收入，發(fā)電側(cè)容量費(fèi)用為所有火電機(jī)組的容量補(bǔ)償收入。在采用長期邊際成本定價(jià)方法時(shí)，由于容量補(bǔ)償價(jià)格相對較高，所以2025 年的裝機(jī)容量更多，現(xiàn)貨市場競爭更激烈，使得平均現(xiàn)貨價(jià)格下降，發(fā)電側(cè)電量費(fèi)用也相對較低。在考慮容量費(fèi)用后，兩種方法都滿足可靠性標(biāo)準(zhǔn)，本文方法發(fā)電側(cè)總費(fèi)用減少了21.91×108￥，根據(jù)算例系統(tǒng)的用電量，相當(dāng)于2025 年用戶平均購電成本降低了0.019 85 ￥/（kW?h）。結(jié)果表明，本文方法可以在保證電力系統(tǒng)可靠性的同時(shí)，最大程度保證電力用戶經(jīng)濟(jì)性。

表4 兩種定價(jià)方法計(jì)算結(jié)果對比Tab.4 Comparison of calculation result between two pricing methods

同時(shí)，為了分析高比例風(fēng)光裝機(jī)占比對容量補(bǔ)償價(jià)格的影響，在上述算例的基礎(chǔ)上，將原有風(fēng)光裝機(jī)占比提高至原有的5倍，并計(jì)算此時(shí)的最佳容量補(bǔ)償價(jià)格。兩種場景下的可靠性指標(biāo)趨勢如圖7所示。

圖7 兩種場景下的LOLE 指標(biāo)趨勢Fig.7 Trend of LOLE under the two scenarios

從圖7可以看出，高比例風(fēng)光場景下，最佳的容量補(bǔ)償價(jià)格為21.0×104￥/（MW·a），即210 ￥/（kW·a），對應(yīng)目標(biāo)年份的可靠性指標(biāo)LOLE為0.033 h/a?？梢?，在其他條件不變的情況下，單獨(dú)增大風(fēng)電光伏的裝機(jī)并沒有降低容量補(bǔ)償價(jià)格，反而使容量補(bǔ)償價(jià)格得到升高。這是因?yàn)轱L(fēng)光大規(guī)模并網(wǎng)后，使得電力現(xiàn)貨市場平均價(jià)格下降，壓縮了火電機(jī)組在現(xiàn)貨市場上的利潤空間，進(jìn)而導(dǎo)致需要更高的容量補(bǔ)償價(jià)格才能保證火電機(jī)組的正常經(jīng)營。

4 結(jié) 語

本文提出了一種基于可靠性標(biāo)準(zhǔn)的電力現(xiàn)貨市場環(huán)境下的容量補(bǔ)償定價(jià)方法，以提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定，保證容量補(bǔ)償機(jī)制的經(jīng)濟(jì)合理性。在定價(jià)過程中采用了兩階段容量補(bǔ)償定價(jià)方法，通過算例驗(yàn)證了所提容量補(bǔ)償定價(jià)方法的有效性。結(jié)果表明，經(jīng)過調(diào)整后的容量補(bǔ)償價(jià)格可以更經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)目標(biāo)年份的可靠性標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)高比例風(fēng)光并網(wǎng)并不能有效降低容量補(bǔ)償價(jià)格，反而因?yàn)槠淅碗娏ΜF(xiàn)貨市場價(jià)格，導(dǎo)致傳統(tǒng)火電機(jī)組需要更高的容量補(bǔ)償收入才能回收成本，進(jìn)而使得容量補(bǔ)償價(jià)格高于低比例風(fēng)光場景。

未來容量補(bǔ)償定價(jià)方法仍需要不斷改進(jìn)，例如如本文為簡化機(jī)組決策，設(shè)定所有機(jī)組的投產(chǎn)年限相同，在未來可以考慮各機(jī)組不同的投產(chǎn)年限；機(jī)組決策模型在進(jìn)行機(jī)組投資/退役時(shí)可以考慮更多的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)；在計(jì)算目標(biāo)年份可靠性指標(biāo)時(shí)進(jìn)一步考慮新能源出力的隨機(jī)特性等。