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摘 要： 摘要：自2030年前碳達(dá)峰、2060年前碳中和的目標(biāo)提出后，中央財(cái)經(jīng)委員會第九次會議又進(jìn)一步提出實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的基本思路和主要舉措，特別是實(shí)施可再生能源替代行動(dòng)，深化電力體制改革，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。這些舉措必將導(dǎo)致電源結(jié)構(gòu)的重大調(diào)整。
摘要：自“2030年前碳達(dá)峰、2060年前碳中和”的目標(biāo)提出后，中央財(cái)經(jīng)委員會第九次會議又進(jìn)一步提出實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的基本思路和主要舉措，特別是實(shí)施可再生能源替代行動(dòng)，深化電力體制改革，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。這些舉措必將導(dǎo)致電源結(jié)構(gòu)的重大調(diào)整。另一方面，近年來世界范圍內(nèi)電力市場中各類負(fù)面事件接連不斷，引起各方廣泛關(guān)注。這些事件產(chǎn)生的原因與電源結(jié)構(gòu)缺陷和電力市場設(shè)計(jì)不合理有很大的關(guān)系。結(jié)合近期全球電力市場典型事故的介紹和原因分析，重點(diǎn)探討了電源結(jié)構(gòu)的變化所引起的安全風(fēng)險(xiǎn)和電能價(jià)值的多樣化等問題，分析了電力市場體制機(jī)制所面臨的挑戰(zhàn)，并提出了初步解決方案。電力定價(jià)和電力市場設(shè)計(jì)應(yīng)建立在電能價(jià)值規(guī)律的基礎(chǔ)之上。在可再生能源大規(guī)模接入的背景下，電能除了傳統(tǒng)電力市場中的容量價(jià)值、電量價(jià)值，還具有靈活性、安全性和彈性價(jià)值等多種不同的價(jià)值，使得問題更加復(fù)雜，因此針對這些問題進(jìn)行了初步分析。
關(guān)鍵詞：電力市場;價(jià)值規(guī)律;發(fā)電組合;靈活性
0引言
近年來，由于社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展對化石能源的過度依賴，能源資源日漸枯竭，同時(shí)大量碳排放也導(dǎo)致溫室效應(yīng)日益加重，極端天氣的出現(xiàn)越來越頻繁，而高比例可再生能源的接入也對電網(wǎng)運(yùn)行帶來越來越嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。國際社會一致認(rèn)為需要對氣候變化采取緊迫行動(dòng)和強(qiáng)有力的國際合作。“碳中和(carbonneutral或carbonneutrality)”是指中立的(即零)總碳量釋放，通過排放多少碳就采取多少抵銷措施，來達(dá)到平衡。目前已有數(shù)十個(gè)國家和地區(qū)提出了“碳中和”目標(biāo)。中共中央總書記、國家主席習(xí)近平在2020年9月22日召開的第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上表示：“中國將提高國家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，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(shí)現(xiàn)碳中和。”(本文簡稱為“雙碳”目標(biāo))。2021年3月15日，習(xí)近平同志主持召開中央財(cái)經(jīng)委員會第九次會議，進(jìn)一步明確了實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的基本思路及主要舉措。會議特別強(qiáng)調(diào)：“實(shí)施可再生能源替代行動(dòng)，深化電力體制改革，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。”
“雙碳”目標(biāo)下的電力系統(tǒng)面臨電源結(jié)構(gòu)的重大調(diào)整，其內(nèi)容包括淘汰和改造現(xiàn)有化石能源發(fā)電機(jī)組、新建配備碳捕獲、利用與封存(carboncapture，utilizationandstorage，CCUS)裝置的化石能源發(fā)電機(jī)組和提高清潔能源(特別是風(fēng)、光等可再生能源)裝機(jī)占比等。由于“雙碳”目標(biāo)下的電力系統(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(qiáng)的不確定性，在進(jìn)行規(guī)劃、運(yùn)行決策時(shí)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(yùn)行，并有足夠的靈活性資源提供調(diào)峰和各種輔助服務(wù)。這些問題對電力定價(jià)和電力市場設(shè)計(jì)帶來重大挑戰(zhàn)[1-2]，本文擬進(jìn)行初步探討。
1近年來全球電力市場的典型事故
近期，世界范圍內(nèi)電力市場中各類事件接連不斷，引起各方廣泛關(guān)注。美國加利福尼亞州當(dāng)?shù)貢r(shí)間2020年8月14日15:20，加州獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營商(CAISO)宣布電網(wǎng)進(jìn)入二級緊急運(yùn)行狀態(tài)。8月14日18:36，為了防止電力系統(tǒng)崩潰，CAISO向全州的電力用戶發(fā)布了自2000—2001年加州電力危機(jī)以來近20年的第一次三級緊急運(yùn)行狀態(tài)警告，并對居民用戶實(shí)施輪流停電。隨后，8月15日18:28，CAISO又發(fā)布了二級和三級緊急運(yùn)行狀態(tài)警告各一次并采取切負(fù)荷措施。8月17日、8月18日、9月5日、9月6日，CAISO又各發(fā)布了一次二級緊急運(yùn)行狀態(tài)。從當(dāng)?shù)貢r(shí)間2021年2月14日開始，美國得克薩斯州(下簡稱“得州”)在極寒天氣下再次發(fā)生大范圍輪流停電，現(xiàn)貨市場價(jià)格也達(dá)到9000美元/(MW×h)的上限。美國總統(tǒng)拜登相繼批準(zhǔn)得州進(jìn)入緊急狀態(tài)和重大災(zāi)難狀態(tài)。而2021年1月20日，澳大利亞歷史上最大的能源集體訴訟在聯(lián)邦法院提請。集體訴訟針對的是兩家國有發(fā)電公司Stanwell和CSEnergy，由律師事務(wù)所PiperAlderman代表50730多名電力客戶提出，稱Stanwell和CSEnergy人為操縱了電力定價(jià)系統(tǒng)(electricitypricingsystem)并讓消費(fèi)者承擔(dān)了過高的電費(fèi)。2021年2月22日，美國聯(lián)邦能源管理委員會(FERC)宣布將啟動(dòng)一項(xiàng)新的議程來調(diào)查氣候變化和極端天氣事件對電力可靠性造成的威脅，研究電網(wǎng)運(yùn)營商如何準(zhǔn)備和應(yīng)對極端天氣的影響[3]。
高比例新能源的并網(wǎng)在引入高度不確定性的同時(shí)，也淘汰了大部分傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組，而后者是電力系統(tǒng)安全性和靈活性的重要來源。此外，新能源一般通過變流器、逆變器并網(wǎng)，系統(tǒng)的電力電子化程度高，很多系統(tǒng)特性尚未被認(rèn)識清楚。這將增加系統(tǒng)的安全風(fēng)險(xiǎn)，一系列運(yùn)行控制問題也有待解決。近年來，由于新能源大規(guī)模接入，電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量減少、一次調(diào)頻能力減弱，電力系統(tǒng)頻率控制的結(jié)構(gòu)性困境日趨明顯，頻率穩(wěn)定分析和控制問題受到廣泛關(guān)注。國外發(fā)生了幾起由系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較小的電網(wǎng)設(shè)備故障所誘發(fā)的大停電事故，如：2016年9月28日澳大利亞南澳州電網(wǎng)發(fā)生了世界上第一次轉(zhuǎn)動(dòng)慣量偏低電網(wǎng)中風(fēng)電大規(guī)模脫網(wǎng)所誘發(fā)的全州大停電事故;2019年8月9日英國電網(wǎng)再次發(fā)生了大面積停電事故，系統(tǒng)慣量水平下降也是重要原因之一[4-5]。
2得州停電事件分析及美國電力市場設(shè)計(jì)的爭論
2.1得州停電事件分析
美國當(dāng)?shù)貢r(shí)間2021年2月24日，得克薩斯州電力可靠性委員會(ERCOT)召開緊急董事會并發(fā)布了關(guān)于得州停電事件的首份官方報(bào)告(下簡稱“ERCOT報(bào)告”)，從中可以了解到該事件的總體過程[6]。值得注意的是，2月15日01:53左右，得州電網(wǎng)頻率一度跌至59.4Hz以下長達(dá)4min23s(美國電網(wǎng)的額定頻率為60Hz)，而如果電網(wǎng)頻率跌至59.4Hz以下超過9min后，將觸發(fā)發(fā)電機(jī)組低頻保護(hù)而使更多機(jī)組跳閘，可能使得系統(tǒng)功率缺額進(jìn)一步擴(kuò)大而造成全州大停電的更嚴(yán)重事故。由ERCOT的官方報(bào)告可以看出，由于負(fù)荷削減等應(yīng)對措施及時(shí)，避免了一次由頻率失穩(wěn)而引發(fā)的全網(wǎng)安全穩(wěn)定事故[3]。
ERCOT報(bào)告介紹了2月14日—2月19日發(fā)電容量停運(yùn)(包括強(qiáng)迫停運(yùn)和計(jì)劃停運(yùn))的總體情況(最大停運(yùn)容量達(dá)總裝機(jī)容量的48.6%，即52277MW)，以及按一次能源分類的發(fā)電容量停運(yùn)的情況。與最初的估計(jì)不同，其中停運(yùn)最多的是天然氣發(fā)電機(jī)組，其次才是風(fēng)電，而煤電、核電和光伏停運(yùn)容量較少。得州是美國能源第一大州，石油和天然氣資源極為豐富，平時(shí)以電價(jià)低聞名。目前ERCOT轄區(qū)內(nèi)發(fā)電總裝機(jī)容量為107514MW，根據(jù)2020年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，其中51.0%為天然氣機(jī)組，24.8%為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，13.4%為煤電機(jī)組，4.9%為核電機(jī)組，3.8%為光伏發(fā)電機(jī)組，1.9%為其他機(jī)組，0.2%為儲能。由于美國天然氣發(fā)電機(jī)組大多采用管道即時(shí)供氣，本地儲氣能力不足，極寒天氣下的凍井和管道冰堵是此次得州大停電事件的重要原因。
從電力市場的角度，ERCOT報(bào)告給出了從2月13日—2月21日的日前和實(shí)時(shí)電價(jià)變化情況，以及市場參與者所采用的基本風(fēng)險(xiǎn)對沖措施。ERCOT日前市場電價(jià)和實(shí)時(shí)市場電價(jià)曾經(jīng)一度飆升至9000美元/(MW×h)的價(jià)格上限。雖然市場主體可能采取了一些風(fēng)險(xiǎn)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(fèi)賬單，得州最大、建立時(shí)間最長的電力合作公司布拉索斯電力(BrazosElectricPowerCooperativeInc)在休斯敦申請破產(chǎn)保護(hù)。同一天，得克薩斯州檢察長KenPaxton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，而實(shí)際上電力用戶收到天價(jià)電費(fèi)單的根本原因只不過是格里迪公司是以日前、實(shí)時(shí)市場批發(fā)價(jià)格與其所代理的用戶結(jié)算電費(fèi)的。格里迪公司最終于3月15日向法院提交了破產(chǎn)申請。事件的其他細(xì)節(jié)可參考文獻(xiàn)[7]，本文不再贅述。
2.2美國有關(guān)電力市場設(shè)計(jì)的爭論
實(shí)際上，在美國有關(guān)電力市場設(shè)計(jì)的爭論由來已久[8]。在2017年9月28日時(shí)任能源部長的RickPerry給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(jià)格信號來確保合理的長期容量投資[8](下簡稱“Perry信件”)。此外，批發(fā)市場價(jià)格形成機(jī)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。RickPerry敦促FERC立即采取行動(dòng)，確保不同類型發(fā)電廠提供的可靠性(reliability)和彈性(resiliency)得到充分估價(jià)，并制定新的市場規(guī)則來實(shí)現(xiàn)這一緊迫目標(biāo)[9]。在此前美國能源部給部長的報(bào)告中，重點(diǎn)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/彈性的關(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(jià)格形成機(jī)制[10]。由于認(rèn)為能源部理由不充分，2018年1月8日，F(xiàn)ERC暫停市場規(guī)則的修改并啟動(dòng)一項(xiàng)新的對各大RTO/ISO所運(yùn)營區(qū)域的大電網(wǎng)彈性進(jìn)行評估的行動(dòng)。RickPerry部長當(dāng)日即在美國能源部官網(wǎng)上作出回應(yīng)：“我感謝FERC所作的考慮和努力，以進(jìn)一步評估使我們的電網(wǎng)的長期彈性面臨風(fēng)險(xiǎn)的市場扭曲。按照原先的意圖，我的提案啟動(dòng)了關(guān)于電力系統(tǒng)彈性的全國性辯論。但毫無疑問的是，多樣化的燃料供應(yīng)，特別是本地燃料供應(yīng)能力，在為美國人提供可靠、有彈性和價(jià)格可承受的電力方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，特別是在我們現(xiàn)在看到的與天氣有關(guān)的緊張時(shí)期。我期待繼續(xù)與FERC委員們合作，以確保電網(wǎng)的健全[5]。”
此外，從Perry信件可知，得州的天氣事件是由所謂“極地渦旋”(PolarVortex)所導(dǎo)致，在美國并非首次出現(xiàn)，其中記錄了2014年美國所發(fā)生的一次類似的極寒天氣事件及其對PJM電力市場的影響。
3“雙碳”目標(biāo)下的電能價(jià)值分析
3.1“雙碳”目標(biāo)下電能價(jià)值的多樣化
由于全球氣候變化問題，極端天氣的出現(xiàn)越來越頻繁，對電網(wǎng)運(yùn)行帶來越來越嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，特別是影響資源充裕性[11]。碳中和是應(yīng)對全球氣候變化的關(guān)鍵措施。在碳中和的目標(biāo)下，現(xiàn)代電力系統(tǒng)正逐步向高比例可再生能源和高比例電力電子設(shè)備(“雙高”)的趨勢發(fā)展。由于風(fēng)、光等新能源的隨機(jī)性和波動(dòng)性，給電網(wǎng)的調(diào)度運(yùn)行帶來諸多困難，如何提高電力系統(tǒng)靈活性已成為各方關(guān)注的焦點(diǎn)。2018年11月13日國際能源署(InternationalEnergyAgency)發(fā)布的世界能源展望(WorldEnergyOutlook2018)提出“靈活性是電力系統(tǒng)的新口號(Flexibilityisthenewwatchwordforpowersystems)”。
由于新能源發(fā)電設(shè)備一般通過電力電子裝置接入大電網(wǎng)，導(dǎo)致系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為發(fā)生深刻變化，不僅對經(jīng)典穩(wěn)定性(如功角穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定和頻率穩(wěn)定)產(chǎn)生重大影響，而且會引發(fā)一系列新型穩(wěn)定性問題。在這樣的背景下，電能作為商品，其價(jià)值相對于以傳統(tǒng)化石能源發(fā)電和沒有需求側(cè)響應(yīng)的電力系統(tǒng)更加多樣化，本文針對發(fā)電系統(tǒng)(電源側(cè))的電能價(jià)值問題進(jìn)行初步分析。
電力定價(jià)和電力市場設(shè)計(jì)應(yīng)以對電能價(jià)值規(guī)律的深入分析為基礎(chǔ)，并建立基于電力系統(tǒng)優(yōu)化規(guī)劃、優(yōu)化運(yùn)行原理的數(shù)學(xué)模型，它是一個(gè)大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)優(yōu)化問題，其理論基礎(chǔ)是微觀經(jīng)濟(jì)學(xué)有關(guān)生產(chǎn)成本的理論和相關(guān)的數(shù)學(xué)優(yōu)化理論，特別是數(shù)學(xué)優(yōu)化中的對偶優(yōu)化原理與有限資源影子價(jià)格密切相關(guān)[2]。
3.2電能商品品質(zhì)及定價(jià)機(jī)制
“同質(zhì)同價(jià)”是市場中商品定價(jià)的基本原則，因此有必要對電能商品品質(zhì)問題進(jìn)行深入分析。我們常說的電能的同質(zhì)性是從物理學(xué)意義上來說的，而實(shí)際上電力市場交易是電力系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行層面的問題[12]。由于電能難以大量儲存，發(fā)用功率必須實(shí)時(shí)平衡，從對電力系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行和功率平衡的影響，本文認(rèn)為電能商品品質(zhì)應(yīng)從波動(dòng)性、可控性、隨機(jī)性3個(gè)維度進(jìn)行衡量。其中波動(dòng)性指功率相對于自身容量的變化幅度;可控性指將功率在一定范圍內(nèi)自由調(diào)節(jié)的難易程度。當(dāng)前各類常見供方(電廠)所生產(chǎn)和需方(負(fù)荷)所消費(fèi)的電能商品品質(zhì)排級如表1所示。注意這里是對電能商品的品質(zhì)進(jìn)行排級，而不是給電源或負(fù)荷“貼標(biāo)簽”(即所謂“技術(shù)中性”)。例如，如果品質(zhì)一般的煤電經(jīng)過靈活性改造，可以升級為高品質(zhì)的調(diào)峰電源。需要說明的是，電能商品品質(zhì)是從保證電力系統(tǒng)發(fā)用功率平衡的角度來定義的，因此，對于電能商品的供方(生產(chǎn)者)和需方(消費(fèi)者)，商品品質(zhì)的價(jià)值內(nèi)涵是不同的。從定價(jià)原則來講，對于供方，電能商品品質(zhì)越高，定價(jià)越高;對于需方，電能商品品質(zhì)越高，定價(jià)越低(即價(jià)格越優(yōu)惠)，甚至可以享受負(fù)電價(jià)。也就是說供方所生產(chǎn)的低品質(zhì)電能商品(如風(fēng)電)可以較低價(jià)提供需方的高品質(zhì)電能商品消費(fèi)(如需求側(cè)響應(yīng))，反之亦然。
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傳統(tǒng)電力現(xiàn)貨市場基于實(shí)時(shí)電價(jià)(spotpricing)理論而建立，采用分時(shí)段邊際統(tǒng)一出清方式。其隱含的假設(shè)為同一時(shí)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(jī)組在負(fù)荷曲線上所處的位置，也未考慮發(fā)電功率變化的時(shí)間動(dòng)態(tài)特性，因此無法區(qū)別不同品質(zhì)電能差別明顯的技術(shù)特征及價(jià)值。
為強(qiáng)調(diào)時(shí)間因素在電能商品中的作用，重新定義圖1所示的由功率-時(shí)間對組成的連續(xù)時(shí)間電能商品模型(P,t)(t1£t£t2)(形象地稱為“能量塊”)，功率曲線下的面積即為電量。當(dāng)t2=t1+1并且P=const(t1£t£t2)時(shí)，即退化為實(shí)時(shí)電價(jià)理論中的分時(shí)電能商品模型。
由于功率是時(shí)間的函數(shù)，所以該連續(xù)時(shí)間電能商品模型也可寫成[P(t),t](t1£t£t2)的形式，在實(shí)時(shí)電價(jià)定義中的功率點(diǎn)變成定義于(t1,t2)時(shí)間區(qū)間的一個(gè)函數(shù)，需要用無窮維空間上的泛函分析、變分法等數(shù)學(xué)理論進(jìn)行分析。引入連續(xù)時(shí)間電能商品模型后，市場出清的社會福利最大化問題，即從多階段靜態(tài)優(yōu)化問題變?yōu)檫B續(xù)時(shí)間的泛函優(yōu)化問題。
在此基礎(chǔ)上，可提出一種按負(fù)荷持續(xù)時(shí)間、即數(shù)學(xué)上稱為“測度”定價(jià)的電力市場機(jī)制。即認(rèn)為同一負(fù)荷持續(xù)時(shí)間的電能商品價(jià)格是相同的;而負(fù)荷持續(xù)時(shí)間改變時(shí)，價(jià)格相應(yīng)地發(fā)生變化，持續(xù)時(shí)間越短，價(jià)格越高(其經(jīng)濟(jì)含義為峰荷機(jī)組電能價(jià)格比基荷機(jī)組高)，具體分析可參考文獻(xiàn)[13]。
3.3電能價(jià)值規(guī)律的初步分析
實(shí)時(shí)電價(jià)是基于經(jīng)典微觀經(jīng)濟(jì)學(xué)中的社會福利最大化原理形成的，在實(shí)際電力市場中一般由SCUC、SCED等短期運(yùn)行優(yōu)化模型的拉格朗日乘子求出。在這種假設(shè)下，如圖2所示，對于同一個(gè)發(fā)電廠(即由多個(gè)相同顏色的小矩形組成的橫條)，隨時(shí)間不同所生產(chǎn)的電能商品的品質(zhì)是不同的，這并不符合電力系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)際情況;而對同一時(shí)段(不同顏色組成的豎條)，認(rèn)為所有電能商品都是同質(zhì)的，無法區(qū)別基荷、腰荷和峰荷機(jī)組區(qū)別明顯的技術(shù)特征及價(jià)值。
在按負(fù)荷持續(xù)時(shí)間定價(jià)的市場機(jī)制中，認(rèn)為同一負(fù)荷持續(xù)時(shí)間的電能商品品質(zhì)和價(jià)值是相同的;而負(fù)荷持續(xù)時(shí)間改變時(shí)，所需電能商品品質(zhì)相應(yīng)地發(fā)生變化，持續(xù)時(shí)間越短，靈活性越好的電能商品品質(zhì)越高，價(jià)值也越高。在這種假設(shè)下，圖3中，對于同一個(gè)發(fā)電廠(同一顏色的橫條)，在持續(xù)同一輸出功率的時(shí)間區(qū)間內(nèi)，其生產(chǎn)電能商品的品質(zhì)和價(jià)值是相同的，而對同一時(shí)段(豎條)，基荷、腰荷和峰荷機(jī)組所生產(chǎn)的電能商品品質(zhì)和價(jià)值是不同的。這種假設(shè)與實(shí)際電力系統(tǒng)電能價(jià)值分布一致。
在可再生能源大規(guī)模接入的背景下，由于“雙高”電力系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)理和穩(wěn)定特性更加復(fù)雜，電能價(jià)值將更加復(fù)雜化。除了傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的容量價(jià)值、電量價(jià)值，電能還具有靈活性、安全性(如慣性、調(diào)頻和備用)和彈性等多種不同的價(jià)值，使得問題更加復(fù)雜。此外，從美國加州、得州和澳大利亞停電時(shí)間可以看出，長期和短期發(fā)電組合(generationmix)對電力系統(tǒng)的安全性和彈性都有重大影響。這些問題為電力市場設(shè)計(jì)和運(yùn)營帶來重大挑戰(zhàn)，需要進(jìn)一步深入研究。
4“雙碳”目標(biāo)下的電力市場機(jī)制設(shè)計(jì)
4.1“雙碳”目標(biāo)下電力市場機(jī)制設(shè)計(jì)的基本思路
在“雙碳”目標(biāo)下，隨著高比例間歇式可再生能源的接入，電力市場面臨著更新?lián)Q代。如前所述，傳統(tǒng)的基于實(shí)時(shí)電價(jià)理論的電力批發(fā)市場設(shè)計(jì)忽略了電能生產(chǎn)和消費(fèi)的時(shí)間連續(xù)性這個(gè)十分重要的特征，也無法根據(jù)功率的時(shí)間動(dòng)態(tài)特性分辨不同品質(zhì)的電能商品并進(jìn)行合理定價(jià)。在這種定價(jià)方式下，由于光伏、風(fēng)電近零邊際成本的特點(diǎn)，使得市場出清價(jià)格降低，甚至出現(xiàn)負(fù)值，將傳統(tǒng)火電、核電在以邊際成本為準(zhǔn)的競價(jià)交易中擠出，因此火電、核電難以生存，導(dǎo)致電源結(jié)構(gòu)失衡，并降低電力系統(tǒng)的安全性和靈活性。同時(shí)，光伏和風(fēng)電的隨機(jī)性、波動(dòng)性，給電力系統(tǒng)的運(yùn)行和控制帶來重大挑戰(zhàn)，對系統(tǒng)靈活性的需求急劇增加，需要為靈活性資源提供足夠的經(jīng)濟(jì)激勵(lì)。在“雙碳”目標(biāo)下，設(shè)計(jì)正確體現(xiàn)不同品質(zhì)電能價(jià)值的新市場機(jī)制十分關(guān)鍵。
電能的生產(chǎn)和使用都具有時(shí)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如圖1所示的“能量塊”。電力市場交易過程可用不同的(橫向的或縱向的)“能量塊”填充負(fù)荷曲線下的面積，實(shí)現(xiàn)電力電量平衡，建立圖3所示的中長期與現(xiàn)貨(日前、日內(nèi)、實(shí)時(shí))交易相協(xié)調(diào)、電量與電力型交易相結(jié)合的電力市場目標(biāo)模式，這也符合我國當(dāng)前電力市場建設(shè)所采用的“中長期交易+現(xiàn)貨市場”的基本框架。不同“能量塊”的組合將形成不同的短期運(yùn)行發(fā)電組合(即運(yùn)行方式)和內(nèi)涵不同的價(jià)格。主能量交易可采用分段競價(jià)(或水平拍賣)或合約交易機(jī)制，實(shí)時(shí)平衡與輔助服務(wù)交易采用分時(shí)競價(jià)(或垂直拍賣)機(jī)制[14-15]。對于基荷、腰荷機(jī)組(負(fù)荷)，即圖3中的橫向“能量塊”，可按負(fù)荷持續(xù)時(shí)間定價(jià)，進(jìn)行集中競價(jià)或開展合約交易[13]。對于峰荷機(jī)組(或需求側(cè)響應(yīng)資源)，基于實(shí)時(shí)電價(jià)，針對圖3中的綠色和褐色縱向“能量塊”進(jìn)行集中競價(jià)。
在“能量塊”交易的初級階段，可采用比較簡單的分時(shí)段交易。2020年11月25日國家發(fā)展改革委、國家能源局發(fā)布的《2021年電力中長期合同簽訂工作的通知》(發(fā)改運(yùn)行〔2020〕1784號)中，為拉大峰谷差價(jià)，明確提出“交易雙方簽訂分時(shí)段合同”(即國家發(fā)展改革委電力中長期合同“六簽”要求之“分時(shí)段簽”)。
4.2可再生能源參與電力市場的方式
在“雙碳”目標(biāo)下，為構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，建立有利于新能源消納的電力市場體制機(jī)制已成為當(dāng)前的緊迫任務(wù)。一般情況下，對于光伏、風(fēng)電等可再生能源機(jī)組，由于功率曲線難控，電能商品品質(zhì)低，但因環(huán)保效益顯著，可全額消納，或根據(jù)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定約束在一定功率波動(dòng)范圍內(nèi)消納，并以比市場最低價(jià)更低的價(jià)格結(jié)算電量。在這種情況下，系統(tǒng)總負(fù)荷扣除可再生能源機(jī)組出力后，將可能形成功率缺口，例如美國加州電力系統(tǒng)著名的“鴨子曲線”，將顯著增加電力系統(tǒng)的靈活性需求和調(diào)峰困難。
如果采用按負(fù)荷持續(xù)時(shí)間的定價(jià)方式，負(fù)荷曲線斜率越大、形狀越陡時(shí)，功率變化速度快、負(fù)荷持續(xù)時(shí)間短的調(diào)峰機(jī)組，能獲得更高的電價(jià)收入。因此，該定價(jià)機(jī)制能合理反映不同電源電能品質(zhì)對電力系統(tǒng)安全運(yùn)行和全系統(tǒng)效益最優(yōu)所貢獻(xiàn)的價(jià)值。此外，可再生能源機(jī)組和傳統(tǒng)能源機(jī)組不再集中統(tǒng)一排序，前者也不會影響后者的定價(jià)。這種新的定價(jià)方式將有利于促進(jìn)高比例新能源消納，也確保傳統(tǒng)能源機(jī)組獲得合理回報(bào)[13]。
如果可再生能源搭配儲能或購買調(diào)峰容量、提高其電能品質(zhì)后，也可以參與圖3中橫向能量塊的交易;在加裝自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)(AGC)后，響應(yīng)電網(wǎng)調(diào)度指令下調(diào)功率，參與分時(shí)交易的輔助服務(wù)市場。智利是世界上第一個(gè)進(jìn)行電改的國家，為鼓勵(lì)可再生能源消納并增加競爭，2014年引入了時(shí)間跨度長達(dá)20年的帶時(shí)標(biāo)的能量塊(timeblock)交易，允許發(fā)電機(jī)在一天中針對特定的時(shí)段進(jìn)行投標(biāo)，而不是限定必須24h供應(yīng)電力。智利的帶時(shí)標(biāo)能量塊交易取得了預(yù)期的效果，增強(qiáng)了競爭，促進(jìn)了可再生能源消納，電價(jià)大幅下跌，受到了各方面的稱贊。
4.3“雙碳”目標(biāo)下電能的靈活性價(jià)值
在美國加州電力市場(CAISO)和中部大陸電力市場(MISO)，建立了靈活爬坡產(chǎn)品(flexiblerampingproduct)交易，取得了良好的效果。如圖4所示，深藍(lán)色曲線表示預(yù)測凈負(fù)荷(FNL)，即系統(tǒng)總負(fù)荷減去可再生能源發(fā)電出力。由于新能源功率預(yù)測的不確定性，取概率為95%的置信區(qū)間，最大預(yù)測凈負(fù)荷可增加至(FNL+)，其中包括了向上不確定性UU;而最小預(yù)測凈負(fù)荷可減小至(FNL-)，其中包括了向下不確定性DU。在第t時(shí)段采購靈活爬坡產(chǎn)品，要覆蓋從t到t+1時(shí)段的凈負(fù)荷增長/減少，則需采購的向上靈活爬坡產(chǎn)品為FRU(t)=FNL(t+1)+UU(t+1)-FNL(t)，需采購的向下靈活爬坡產(chǎn)品為FRD(t)=FNL(t+1)+DU(t+1)-FNL(t)。靈活爬坡產(chǎn)品實(shí)際上屬于一種爬坡能力的備用，涉及一定的時(shí)間跨度，與作者提出的基于連續(xù)時(shí)間商品模型的電力市場定價(jià)理論的內(nèi)在邏輯是一致的。——論文作者：陳皓勇