適應(yīng)中國現(xiàn)行電力市場環(huán)境下的容量市場機(jī)制設(shè)計(jì)

孫啟星，尤培培，李成仁，劉思佳，李炎林，高效

(國網(wǎng)能源研究院有限公司，北京 102209)

0 引言

隨著中國電力市場建設(shè)不斷推進(jìn)，電力生產(chǎn)逐步向市場經(jīng)濟(jì)運(yùn)營模式轉(zhuǎn)變。發(fā)電容量的充裕程度將成為保證電網(wǎng)長期穩(wěn)定的重要因素[1-3]。在未來的電能量市場和輔助服務(wù)市場的機(jī)制下，電力系統(tǒng)中發(fā)電容量的充裕度將會(huì)受到一定威脅。需進(jìn)一步完善和健全電力市場機(jī)制設(shè)計(jì)，從全局層面保證電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行[4]。

隨著可再生能源發(fā)電裝機(jī)容量和消納率逐步提高，火電機(jī)組的發(fā)電運(yùn)營面臨較大壓力[5]。電力平衡和對其他電源的補(bǔ)償調(diào)節(jié)決定了煤電在電力系統(tǒng)中仍將發(fā)揮重要的作用[6-7]。提升電網(wǎng)穩(wěn)定性，調(diào)整電網(wǎng)發(fā)電結(jié)構(gòu)不能僅使用行政命令方式，需要建立整套完備的價(jià)格機(jī)制，以引導(dǎo)電網(wǎng)發(fā)展。

現(xiàn)有文獻(xiàn)對電力市場中電能量市場的出清方式[11-12]、結(jié)算機(jī)制[13-14]和輔助服務(wù)市場[15]研究較多，但對于保證發(fā)電商合理收益及保障電力系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行等方面的有所欠缺。文獻(xiàn)[16-17]進(jìn)行了容量市場分析，但對中國電力市場如何向容量市場過渡沒有深入研究。在現(xiàn)有的電能量市場和輔助服務(wù)市場機(jī)制下，若不能建立有效的市場機(jī)制以確保發(fā)電容量的充裕性，可能會(huì)造成穩(wěn)定性電源因收益不足而導(dǎo)致關(guān)停的情況，進(jìn)而會(huì)對電力系統(tǒng)可靠性帶來較大威脅。因此，需針對電力系統(tǒng)發(fā)電容量可靠性，建立有效的容量市場保障機(jī)制保證電網(wǎng)長期穩(wěn)定運(yùn)行。

本文提出了適應(yīng)中國現(xiàn)行電力體制機(jī)制下的容量市場建設(shè)路徑。通過合理的機(jī)制及過渡方式建設(shè)容量市場，減少了電力市場中引入容量市場帶來的價(jià)格波動(dòng)。

1 國外電力市場機(jī)制設(shè)計(jì)

本文借鑒國外電力市場經(jīng)驗(yàn)，因地制宜，完善中國發(fā)電容量市場機(jī)制設(shè)計(jì)。為提高發(fā)電容量充裕度，國外電力市場發(fā)電容量充裕性保障機(jī)制主要包括稀缺定價(jià)機(jī)制[18-19]、戰(zhàn)略備用機(jī)制[20]、容量市場機(jī)制[21-22]。

1.1 稀缺定價(jià)機(jī)制

稀缺定價(jià)機(jī)制是電能量市場中的一種存在形式，一般應(yīng)用于純電能量市場。稀缺定價(jià)機(jī)制允許部分發(fā)電商持留發(fā)電容量，使其可通過稀缺電價(jià)進(jìn)行成本回收并創(chuàng)造收益[23]。有效的市場監(jiān)管是稀缺定價(jià)機(jī)制的重點(diǎn)。監(jiān)管可消除市場帶來的電價(jià)虛高現(xiàn)象。與此同時(shí)，用戶側(cè)的需求響應(yīng)也是減少稀缺電價(jià)的重要因素[24]。當(dāng)用戶對電價(jià)足夠敏感且能按照電價(jià)調(diào)整用電行為時(shí)，可從需求側(cè)保證電力市場的穩(wěn)定運(yùn)行。稀缺定價(jià)機(jī)制在供電短缺時(shí)允許電能量市場中尖峰價(jià)格的出現(xiàn)，沖擊了電力市場的穩(wěn)定性。

1.2 戰(zhàn)略備用機(jī)制

戰(zhàn)略備用機(jī)制是指電網(wǎng)運(yùn)營商與一些面臨退役或停用的發(fā)電機(jī)組簽訂合約，在需要時(shí)使用其發(fā)電容量對電網(wǎng)負(fù)荷需求進(jìn)行響應(yīng)。在系統(tǒng)常規(guī)運(yùn)行時(shí)，參與戰(zhàn)略備用的機(jī)組將不被調(diào)用。在整個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)容量短缺時(shí)，簽訂備用的機(jī)組將會(huì)被調(diào)用以應(yīng)對短時(shí)電力供需。在戰(zhàn)略備用機(jī)制中，參與備用的機(jī)組將不被允許參加電能量市場。因此，此類機(jī)組收入的唯一來源為與電網(wǎng)運(yùn)營商簽署的戰(zhàn)略備用合約。戰(zhàn)略備用機(jī)制采用的容量一般由電網(wǎng)運(yùn)營商確定，并采用招標(biāo)的方式進(jìn)行采購。采購發(fā)電容量的成本通過輸電價(jià)格回收，從而將成本疏導(dǎo)到用戶[25]。戰(zhàn)略備用會(huì)使用戶承擔(dān)支付給備用機(jī)組的費(fèi)用，從而導(dǎo)致終端電價(jià)上升。

1.3 容量市場機(jī)制

容量市場的目標(biāo)是保證電力系統(tǒng)中發(fā)電容量的充裕度，進(jìn)而使系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。美國PJM容量市場的結(jié)算方式主要有基本市場拍賣、追加市場拍賣和雙邊合約。基本拍賣市場主要目的為釋放價(jià)格信號并引導(dǎo)發(fā)電商投資。追加市場拍賣的設(shè)立是為了應(yīng)對負(fù)荷水平和機(jī)組建設(shè)計(jì)劃等不確定性因素，從而對基本拍賣起到有效的補(bǔ)充作用。雙邊合約結(jié)算方式是用戶和發(fā)電企業(yè)直接簽訂容量合約以實(shí)現(xiàn)容量交易。

十九大報(bào)告中進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)：“社會(huì)主義核心價(jià)值觀是當(dāng)代中國精神的集中體現(xiàn)，凝結(jié)著全體人民共同的價(jià)值追求，要把社會(huì)主義核心價(jià)值觀融入社會(huì)發(fā)展各方面，轉(zhuǎn)化為人們的情感認(rèn)同和行為習(xí)慣。”以社會(huì)主義核心價(jià)值觀引領(lǐng)高校校園文化建設(shè),有利于堅(jiān)定大學(xué)生的理想信念，形成和諧、求真、向上的良好校園文化氛圍，建立平等和諧的師生關(guān)系，使大學(xué)生對社會(huì)主義核心價(jià)值觀更加認(rèn)同和接受并主動(dòng)踐行，有利于高校堅(jiān)持社會(huì)主義辦學(xué)方向。

由于電能量市場競爭的存在，發(fā)電商為保證成本回收和獲得合理利潤將會(huì)壓低電能量市場的報(bào)價(jià)，這會(huì)使用戶電價(jià)仍處在合理的范圍。部分老舊機(jī)組和高耗能機(jī)組會(huì)因容量市場競標(biāo)獲利價(jià)格水平低或電能量市場發(fā)電價(jià)格沒有競爭力而退出市場，從而優(yōu)化了電源結(jié)構(gòu)。

2 中國容量市場制定方法

現(xiàn)有的中國電力市場研究主要集中在電能量市場和輔助服務(wù)市場，沒有對電力系統(tǒng)發(fā)電充裕度進(jìn)行系統(tǒng)化地市場機(jī)制研究?，F(xiàn)行的電力市場化機(jī)制設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)效益好的發(fā)電機(jī)組支撐電力系統(tǒng)的大部分用能需求，發(fā)電效益不好的機(jī)組僅能在少數(shù)用電高峰時(shí)段發(fā)電，導(dǎo)致其有效利用小時(shí)數(shù)不高。有效利用小時(shí)數(shù)與發(fā)電機(jī)組收益成正相關(guān)關(guān)系，發(fā)電設(shè)備有效利用小時(shí)數(shù)過低可能導(dǎo)致以下情況：（1）發(fā)電設(shè)備通過尖峰時(shí)段利用小時(shí)數(shù)回收其固定成本及變動(dòng)成本，導(dǎo)致尖峰時(shí)段電價(jià)過高，增加了電力市場的不確定性，并增加了用戶的用能成本；（2）發(fā)電設(shè)備利用小時(shí)數(shù)低嚴(yán)重影響經(jīng)濟(jì)效益，造成持續(xù)虧損，最終導(dǎo)致發(fā)電設(shè)備關(guān)停，系統(tǒng)穩(wěn)定性降低。

在計(jì)劃發(fā)電時(shí)代，電力系統(tǒng)發(fā)電容量較為充裕，容量安全性問題尚未凸顯。但隨著可再生能源發(fā)電量占比逐步上升，壓縮了火電利用小時(shí)數(shù)?；痣姀S長期虧損會(huì)導(dǎo)致區(qū)內(nèi)發(fā)電容量降低，影響系統(tǒng)安全性。需要建立容量市場，優(yōu)化電力系統(tǒng)電源結(jié)構(gòu)，促進(jìn)電網(wǎng)長期穩(wěn)定運(yùn)行。

非水可再生能源未來在電能量市場和補(bǔ)貼等方面獲得收益渠道，故在容量市場建設(shè)初期不考慮非水可再生發(fā)電進(jìn)入容量市場。核電、水電可在容量市場第二階段實(shí)施時(shí)進(jìn)入容量市場。因此，容量市場前期可僅納入煤電和氣電。通過煤電、氣電充分進(jìn)行容量市場交易，為全面開放容量市場和允許更多類型的發(fā)電資源進(jìn)入容量市場提供經(jīng)驗(yàn)。

中國電價(jià)政策以穩(wěn)定為主基調(diào)，以市場競爭方式產(chǎn)生合理的用戶電價(jià)。稀缺定價(jià)機(jī)制潛在的用戶高電價(jià)風(fēng)險(xiǎn)是不適應(yīng)中國當(dāng)前情況的。戰(zhàn)略備用機(jī)制雖可以穩(wěn)定用戶電價(jià)，但會(huì)從電力市場競爭機(jī)制中剝離部分發(fā)電容量，而電價(jià)由用戶承擔(dān)，也不適宜中國現(xiàn)狀。因此容量市場機(jī)制較為適應(yīng)中國現(xiàn)有情況，并需要根據(jù)中國實(shí)際情況做修改，從而建成機(jī)制完善的中國特色電力市場體系。

火電發(fā)電商的成本由固定成本和變動(dòng)成本組成。固定成本包含材料費(fèi)及員工工資等。變動(dòng)成本與燃料價(jià)格直接相關(guān)。單一電能量市場下，發(fā)電設(shè)備利用小時(shí)數(shù)與收益關(guān)系如圖1所示。

圖1 發(fā)電設(shè)備利用小時(shí)數(shù)與收益關(guān)系Fig. 1 Relationship between power generation equipment utilization hours and income

從圖1中可以看出，發(fā)電設(shè)備由于能效不同，單位利用小時(shí)數(shù)的收益也不同。發(fā)電設(shè)備的收益可以表示為一個(gè)區(qū)間。當(dāng)發(fā)電利用小時(shí)數(shù)低于h1時(shí)，發(fā)電設(shè)備虧損。當(dāng)利用小時(shí)數(shù)高于h2時(shí)，發(fā)電設(shè)備盈利。

中國電力市場可以實(shí)行“電能量市場+容量市場”模式，既保證了電網(wǎng)的充裕度，也保證了發(fā)電商獲得合理收益，并且盡量確保用戶用電價(jià)格接近電能邊際價(jià)格，容量市場覆蓋固定成本，電能量市場覆蓋發(fā)電廠變動(dòng)成本。激勵(lì)機(jī)制保證發(fā)電商有足夠動(dòng)力提高發(fā)電效率從而獲得更大利潤。

3 適應(yīng)中國容量市場機(jī)制設(shè)計(jì)框架

3.1 容量市場需求曲線方案

市場建設(shè)初期需求曲線應(yīng)以線性變化為基準(zhǔn)，在后期電力數(shù)據(jù)充足且容量市場對價(jià)格的響應(yīng)情況可以預(yù)估的情況下，逐步確定參考點(diǎn)，引導(dǎo)電力系統(tǒng)總發(fā)電容量向容量需求點(diǎn)靠攏。

前期需求曲線應(yīng)采用線性遞減變化設(shè)計(jì)，以收集發(fā)電側(cè)價(jià)格響應(yīng)情況數(shù)據(jù)，為設(shè)計(jì)容量需求參考點(diǎn)做準(zhǔn)備。需求曲線對發(fā)電投資方起到指引作用，有助于電網(wǎng)發(fā)電容量規(guī)劃的有序發(fā)展，如圖2所示。

圖2 容量市場需求曲線Fig. 2 Demand curve design in capacity auction market

3.2 容量市場組織形式及資金回收方式

發(fā)電企業(yè)會(huì)綜合考慮發(fā)電的變動(dòng)成本和固定成本。未來，容量市場的費(fèi)用可以在電能量市場中拆分出來，將一定比例的發(fā)電固定成本由容量市場負(fù)責(zé)回收，變動(dòng)成本由電能量市場回收，從而不會(huì)對用戶側(cè)價(jià)格產(chǎn)生過多影響。由于目前各省的電力市場都是以電能量市場為主，在容量市場實(shí)行的初期，可建立僅面向發(fā)電商的容量市場。發(fā)電商扣除費(fèi)用和容量市場需求曲線可在容量市場拍賣前確定，發(fā)電商依此作為報(bào)價(jià)參考。

火電發(fā)電企業(yè)在電能量市場的收入為

式中：I為發(fā)電企業(yè)在電能量市場的收入；Ti為發(fā)電商i在電能量市場中的結(jié)算價(jià)格；Ei為發(fā)電商i發(fā)出的電量； σ1為發(fā)電企業(yè)偏差考核費(fèi)用；a為發(fā)電商需要上繳的費(fèi)用；n為發(fā)電商個(gè)數(shù)。

中標(biāo)的火電發(fā)電企業(yè)需要上繳的容量市場費(fèi)用C1為

在容量市場實(shí)施初期，可適當(dāng)縮短容量市場拍賣周期。在容量市場實(shí)施的短期內(nèi)，將國外三年的拍賣周期縮短為半年一拍賣或一季度一拍賣。該措施有助于讓發(fā)電商盡快適應(yīng)容量市場報(bào)價(jià)規(guī)則，保證容量市場資金規(guī)?？刂圃谝欢ǚ秶畠?nèi)，確保容量市場建設(shè)的穩(wěn)步推進(jìn)。在市場和監(jiān)管機(jī)構(gòu)熟悉報(bào)價(jià)規(guī)則和市場情況之后，延長容量市場拍賣周期，保障全系統(tǒng)發(fā)電容量長期穩(wěn)定。

3.3 容量市場定價(jià)原則方案

方案1為容量市場覆蓋發(fā)電設(shè)備固定成本的100%，電能量市場覆蓋發(fā)電設(shè)備變動(dòng)成本及準(zhǔn)許收益。發(fā)電設(shè)備利用小時(shí)數(shù)及收益情況如圖3所示。從圖3中可以看出，容量市場覆蓋全部固定成本的情況下，發(fā)電商會(huì)通過電能量市場競爭獲得發(fā)電設(shè)備上網(wǎng)發(fā)電量，從而獲取相應(yīng)利潤。發(fā)電設(shè)備固定成本已由容量市場覆蓋。發(fā)電商回收固定成本壓力小，只要上網(wǎng)發(fā)電就可以獲利。發(fā)電商可以在電能量市場報(bào)價(jià)中增加合理收益來獲得發(fā)電資格，從而不用顧慮固定成本帶來的成本回收問題。相較于單一電能量市場的價(jià)格收益，“容量市場+電能量市場”結(jié)合的市場機(jī)制可以促進(jìn)發(fā)電商競爭，降低發(fā)電商的固定成本回收壓力，促進(jìn)發(fā)電廠提高經(jīng)濟(jì)效率。

圖3 方案1的收入情況Fig. 3 Income of scheme 1

方案2為容量市場覆蓋部分發(fā)電設(shè)備固定成本，電能量市場覆蓋發(fā)電設(shè)備變動(dòng)成本、剩余的固定成本及合理收益。本文以容量市場覆蓋70%的發(fā)電設(shè)備固定成本，電能量市場覆蓋發(fā)電設(shè)備變動(dòng)成本及30%的固定成本為例。發(fā)電設(shè)備利用小時(shí)數(shù)及收益情況如圖4所示。從圖4中可以看出，在發(fā)電設(shè)備利用小時(shí)數(shù)高于合理利用小時(shí)數(shù)時(shí)，發(fā)電機(jī)組盈利。當(dāng)發(fā)電設(shè)備利用小時(shí)數(shù)低于合理利用小時(shí)數(shù)時(shí)，發(fā)電機(jī)組虧損。方案2的機(jī)制可以促進(jìn)發(fā)電設(shè)備盡量達(dá)到合理的利用小時(shí)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電設(shè)備收支平衡及獲利。

圖4 方案2的收入情況Fig. 4 Income of scheme 2

由于容量市場承擔(dān)了發(fā)電設(shè)備部分市場風(fēng)險(xiǎn)，在容量市場下，發(fā)電商報(bào)價(jià)將以“變動(dòng)成本+合理收益+發(fā)電設(shè)備單位發(fā)電量承擔(dān)的容量基金”報(bào)價(jià)，此種報(bào)價(jià)更為直觀。

在引入容量市場后，發(fā)電市場獲得的容量費(fèi)用占固定成本比例越多，發(fā)電設(shè)備回收固定成本壓力越小會(huì)使單位發(fā)電收益期望降低，從而加劇市場競爭。在充分市場競爭的情況下，發(fā)電商可以獲得較為穩(wěn)定的收益，用戶獲得合理的電費(fèi)報(bào)價(jià)，有助于發(fā)電商與用戶的良性互動(dòng)。

3.4 設(shè)計(jì)方案對比

2種方案情況的收益情況比較如圖5所示。本文所提方案與單一電能量市場的情況比較如表1所示。表1中：F為發(fā)電設(shè)備的固定成本；V為發(fā)電企業(yè)的變動(dòng)成本。結(jié)合圖5和表1可以看出：（1）方案2的發(fā)電設(shè)備有固定成本回收壓力。該方案下單位發(fā)電量的期望收益上升時(shí)，收益區(qū)間將增大。在發(fā)電設(shè)備利用小時(shí)數(shù)大于一定值時(shí)，方案2的發(fā)電設(shè)備收益高于方案1的發(fā)電設(shè)備收益，從而導(dǎo)致用戶用能價(jià)格稍高。（2）方案1可以減少固定成本回收壓力，從而促進(jìn)發(fā)電商按照邊際成本報(bào)價(jià)，加劇市場競爭，有利于釋放電力市場建設(shè)進(jìn)程中的改革紅利，降低用戶用能成本。方案2可以促進(jìn)發(fā)電商發(fā)電積極性，以更高的發(fā)電量獲得更好收益。（3）方案1包含了發(fā)電設(shè)備的全部固定成本，可以有力保證所需發(fā)電容量的經(jīng)營情況，故其對全系統(tǒng)發(fā)電容量有強(qiáng)力的保障。發(fā)電設(shè)備需在電能量市場競爭從而回收30%的固定成本，方案2對發(fā)電容量保障能力相對弱于方案1。

圖5 2種方案情況的比較Fig. 5 Comparison of two schemes

表1 3種方案比較Table 1 Comparison of three schemes

4 結(jié)語

良好的發(fā)電資源充裕程度對于電力市場建設(shè)和電力工業(yè)的安全可靠運(yùn)營至關(guān)重要，本文介紹了3種典型的保證電力系統(tǒng)發(fā)電容量充裕性的解決辦法。容量市場模式是目前較為符合中國現(xiàn)階段電力市場運(yùn)行現(xiàn)狀的方法。本文提出了容量市場參與中國現(xiàn)行電力市場的過渡方式，可以幫助容量市場加速融入中國現(xiàn)行的電力市場體制并加快市場良性競爭。通過對不同容量市場設(shè)計(jì)方案場景的分析，引入容量市場降低發(fā)電商在電能量市場中回收固定成本的壓力，促進(jìn)發(fā)電商在電能量市場按邊際成本報(bào)價(jià)，有利于市場的充分競爭，同時(shí)使用戶獲得更清晰、合理的用電價(jià)格。