“双碳”目标下的电能价值分析与市场机制设计

第 42卷 第 2期 发 电 技 术 Vol. 42 No. 2 2021 年 4月 Power Generation Technology Apr. 2021 DOI10.12096/j.2096-4528.pgt.21008 中图分类号TK 01; TM 73 “双碳”目标下的电能价值分析与市场机制设计 陈皓勇 （华南理工大学电力学院，广东省 广州市 510641） Electricity Value Analysis and Market Mechanism Design Under Carbon-Neutral Goal CHEN Haoyong School of Electric Power Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510641, Guangdong Province, China 摘要自“2030 年前碳达峰、2060 年前碳中和”的目标 提出后，中央财经委员会第九次会议又进一步提出实现该 目标的基本思路和主要举措，特别是实施可再生能源替代 行动，深化电力体制改革，构建以新能源为主体的新型电 力系统。这些举措必将导致电源结构的重大调整。另一方 面，近年来世界范围内电力市场中各类负面事件接连不 断，引起各方广泛关注。这些事件产生的原因与电源结构 缺陷和电力市场设计不合理有很大的关系。结合近期全球 电力市场典型事故的介绍和原因分析，重点探讨了电源结 构的变化所引起的安全风险和电能价值的多样化等问题， 分析了电力市场体制机制所面临的挑战，并提出了初步解 决方案。电力定价和电力市场设计应建立在电能价值规律 的基础之上。在可再生能源大规模接入的背景下，电能除 了传统电力市场中的容量价值、电量价值，还具有灵活 性、安全性和弹性价值等多种不同的价值，使得问题更 加复杂，因此针对这些问题进行了初步分析。 关键词电力市场；价值规律；发电组合；灵活性 ABSTRACT Since the goal of “having CO 2 emissions peak before 2030 and achieving carbon neutrality before 2060“ was put forward, the ninth meeting of the Central Finance and Economics Committee has further proposed the basic ideas and main measures to achieve this goal, especially implementing renewable energy substitution actions, deepening the reform of the power system and building new power systems with new energy as the main power source. These measures will inevitably lead to major adjustments in the generation mix. On the other hand, 基金项目国家自然科学基金项目51937005；广东省自然科学 基金项目2019A1515010689。 Project Supported by National Natural Science Foundation of China 51937005; Natural Science Foundation of Guangdong Province 2019A1515010689. various negative events in the electricity markets around the world occurred one after another in recent years, which has attracted widespread attention from all the world. The reasons for these events are highly related to the defects of generation mix and electricity market design. On basis of the introduction and cause analysis of typical accidents in the global electricity markets in recent years, this paper focused on the safety risks and diversification of electricity value caused by the changes in generation mix, analyzed the challenges faced by the electricity market designs, and proposed preliminary solutions. Electricity pricing and electricity market design should be based on the law of electricity value. In the context of large-scale integration of renewable energy, electricity not only has capacity value and energy value in traditional electricity markets, but also has various other values such as flexibility, security and resilience, which makes the problem more complicated. This paper carried out a preliminary analysis of these issues. KEY WORDS electricity market; law of value; generation mix; flexibility 0 引言 近年来，由于社会经济发展对化石能源的过 度依赖，能源资源日渐枯竭，同时大量碳排放也 导致温室效应日益加重，极端天气的出现越来越 频繁，而高比例可再生能源的接入也对电网运行 带来越来越严峻的挑战。国际社会一致认为需要 对气候变化采取紧迫行动和强有力的国际合作。 “碳中和carbon neutral 或 carbon neutrality” 是 指中立的即零总碳量释放，通过排放多少碳就 采取多少抵销措施，来达到平衡。目前已有数十 个国家和地区提出了“碳中和”目标。中共中央142 陈皓勇“双碳”目标下的电能价值分析与市场机制设计 Vol.42 No.2 总书记、国家主席习近平在 2020 年 9 月 22日召 开的第七十五届联合国大会一般性辩论上表示 “中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力 的政策和措施， 二氧化碳排放力争于 2030年前达 到峰值，努力争取 2060年前实现碳中和。 ” 本文 简称为“双碳”目标。2021 年 3 月 15日，习近 平总书记主持召开中央财经委员会第九次会议， 进一步明确了实现碳达峰、碳中和的基本思路及 主要举措。会议特别强调 “实施可再生能源替代 行动，深化电力体制改革，构建以新能源为主体 的新型电力系统。 ” “双碳”目标下的电力系统面临电源结构的 重大调整，其内容包括淘汰和改造现有化石能源 发电机组、新建配备碳捕获、利用与封存carbon capture，utilization and storage，CCUS装置的化 石能源发电机组和提高清洁能源特别是风、 光等 可再生能源装机占比等。由于“双碳”目标下的 电力系统包括高比例的风电、光伏发电等在内的 多种可再生能源，出力具有极强的不确定性，在 进行规划、运行决策时要确保系统的发电资源能 适应各种风力、光伏出力场景。此外，还应维持 系统备用、调频能力、惯性水平、安全稳定裕度 等以确保安全可靠运行，并有足够的灵活性资源 提供调峰和各种辅助服务。这些问题对电力定价 和电力市场设计带来重大挑战 [1-2] ， 本文拟进行初 步探讨。 1 近年来全球电力市场的典型事故 近期，世界范围内电力市场中各类事件接连 不断，引起各方广泛关注。美国加利福尼亚州当 地时间 2020 年 8 月 14 日 1520，加州独立系统 运营商CAISO宣布电网进入二级紧急运行状 态。8 月 14 日 1836，为了防止电力系统崩溃， CAISO 向全州的电力用户发布了自 20002001 年加州电力危机以来近 20年的第一次三级紧急运 行状态警告，并对居民用户实施轮流停电。随后， 8 月 15 日 1828，CAISO 又发布了二级和三级紧 急运行状态警告各一次并采取切负荷措施。8 月 17 日、8 月 18 日、9 月 5 日、9 月 6 日，CAISO 又各发布了一次二级紧急运行状态。从当地时间 2021 年 2 月 14 日开始，美国得克萨斯州下简称 “得州”在极寒天气下再次发生大范围轮流停 电，现货市场价格也达到 9 000美元/MW h的上 限。美国总统拜登相继批准得州进入紧急状态和 重大灾难状态。而 2021 年 1 月 20日，澳大利亚 历史上最大的能源集体诉讼在联邦法院提请。集 体诉讼针对的是两家国有发电公司 Stanwell和 CS Energy，由律师事务所 Piper Alderman代表 50 730 多名电力客户提出， 称 Stanwell 和 CS Energy人为 操纵了电力定价系统electricity pricing system并 让消费者承担了过高的电费。2021 年 2 月 22日， 美国联邦能源管理委员会FERC宣布将启动一项 新的议程来调查气候变化和极端天气事件对电力 可靠性造成的威胁，研究电网运营商如何准备和 应对极端天气的影响 [3] 。 高比例新能源的并网在引入高度不确定性的 同时，也淘汰了大部分传统发电机组，而后者是 电力系统安全性和灵活性的重要来源。此外，新 能源一般通过变流器、逆变器并网，系统的电力 电子化程度高，很多系统特性尚未被认识清楚。 这将增加系统的安全风险，一系列运行控制问题 也有待解决。近年来，由于新能源大规模接入， 电力系统转动惯量减少、一次调频能力减弱，电 力系统频率控制的结构性困境日趋明显，频率稳 定分析和控制问题受到广泛关注。国外发生了几 起由系统转动惯量较小的电网设备故障所诱发的 大停电事故，如2016 年 9 月 28 日澳大利亚南 澳州电网发生了世界上第一次转动惯量偏低电网 中风电大规模脱网所诱发的全州大停电事故； 2019年 8月 9日英国电网再次发生了大面积停电 事故，系统惯量水平下降也是重要原因之一 [4-5] 。 2 得州停电事件分析及美国电力市场设 计的争论 2.1 得州停电事件分析 美国当地时间 2021 年 2 月 24日，得克萨斯 州电力可靠性委员会ERCOT召开紧急董事会 并发布了关于得州停电事件的首份官方报告下 简称“ERCOT 报告”，从中可以了解到该事件 的总体过程 [6] 。值得注意的是，2 月 15 日 0153第 42卷 第 2期 发 电 技 术 143 左右，得州电网频率一度跌至 59.4 Hz 以下长达 4 min 23 s美国电网的额定频率为 60 Hz，而如果 电网频率跌至 59.4 Hz 以下超过 9 min 后，将触发 发电机组低频保护而使更多机组跳闸，可能使得 系统功率缺额进一步扩大而造成全州大停电的更 严重事故。由 ERCOT 的官方报告可以看出，由 于负荷削减等应对措施及时，避免了一次由频率 失稳而引发的全网安全稳定事故 [3] 。 ERCOT报告介绍了 2月 14日2月 19日发 电容量停运包括强迫停运和计划停运的总体情 况 最大停运容量达总装机容量的 48.6，即 52 277 MW，以及按一次能源分类的发电容量停 运的情况。与最初的估计不同，其中停运最多的 是天然气发电机组，其次才是风电，而煤电、核 电和光伏停运容量较少。得州是美国能源第一大 州，石油和天然气资源极为丰富，平时以电价低 闻名。目前 ERCOT 辖区内发电总装机容量为 107 514 MW，根据 2020 年的统计数据，其中 51.0为天然气机组，24.8为风力发电机组， 13.4为煤电机组，4.9为核电机组，3.8为光 伏发电机组，1.9为其他机组，0.2为储能。由 于美国天然气发电机组大多采用管道即时供气， 本地储气能力不足，极寒天气下的冻井和管道冰 堵是此次得州大停电事件的重要原因。 从电力市场的角度， ERCOT报告给出了从 2 月 13日2月 21日的日前和实时电价变化情况， 以及市场参与者所采用的基本风险对冲措施。 ERCOT 日前市场电价和实时市场电价曾经一度 飙升至 9 000 美元/MW h的价格上限。虽然市场 主体可能采取了一些风险对冲措施，但短短几天 的市场异常情况还是造成了严重的后果。 3月 1日， 由于无力支付 ERCOT开具的 21亿美金电费账单， 得州最大、建立时间最长的电力合作公司布拉索 斯电力Brazos Electric Power Cooperative Inc在休 斯敦申请破产保护。同一天，得克萨斯州检察长 Ken Paxton对电力零售商格里迪公司Griddy提起 诉讼，称其使用欺骗性商业行为误导了电力用户， 而实际上电力用户收到天价电费单的根本原因只 不过是格里迪公司是以日前、实时市场批发价格 与其所代理的用户结算电费的。格里迪公司最终 于 3 月 15日向法院提交了破产申请。事件的其他 细节可参考文献[7]，本文不再赘述。 2.2 美国有关电力市场设计的争论 实际上，在美国有关电力市场设计的争论由 来已久 [8] 。在 2017 年 9 月 28 日时任能源部长的 Rick Perry 给 FERC 的信件中，提到美国电力市 场的短期市场可能无法提供充分的价格信号来确 保合理的长期容量投资 [8] 下简称“Perry信件” 。 此外，批发市场价格形成机制也受到质疑，甚至 认为已威胁到美国电网安全和国家安全。Rick Perry敦促 FERC立即采取行动， 确保不同类型发 电厂提供的可靠性reliability和弹性resiliency 得到充分估价，并制定新的市场规则来实现这一 紧迫目标 [9] 。 在此前美国能源部给部长的报告中， 重点研究了当前电力批发市场的问题及其与电网 可靠性/弹性的关系，建议 FERC应加快与联邦、 RTO/ISO 和其他利益相关方的合作，改革集中组 织的电力批发市场的价格形成机制 [10] 。由于认为 能源部理由不充分，2018 年 1 月 8 日，FERC 暂 停市场规则的修改并启动一项新的对各大 RTO/ISO 所运营区域的大电网弹性进行评估的行 动。Rick Perry 部长当日即在美国能源部官网上 作出回应 “我感谢 FERC所作的考虑和努力，以 进一步评估使我们的电网的长期弹性面临风险的 市场扭曲。按照原先的意图，我的提案启动了关 于电力系统弹性的全国性辩论。 但毫无疑问的是， 多样化的燃料供应，特别是本地燃料供应能力， 在为美国人提供可靠、有弹性和价格可承受的电 力方面发挥着至关重要的作用，特别是在我们现 在看到的与天气有关的紧张时期。我期待继续与 FERC 委员们合作，以确保电网的健全 [5] 。 ” 此外，从 Perry 信件可知，得州的天气事件 是由所谓“极地涡旋”Polar Vortex所导致，在 美国并非首次出现， 其中记录了 2014年美国所发 生的一次类似的极寒天气事件及其对 PJM 电力 市场的影响。 3 “双碳”目标下的电能价值分析 3.1 “双碳”目标下电能价值的多样化 由于全球气候变化问题，极端天气的出现越144 陈皓勇“双碳”目标下的电能价值分析与市场机制设计 Vol.42 No.2 来越频繁，对电网运行带来越来越严峻的挑战， 特别是影响资源充裕性 [11] 。碳中和是应对全球气 候变化的关键措施。在碳中和的目标下，现代电 力系统正逐步向高比例可再生能源和高比例电力 电子设备“双高”的趋势发展。由于风、光等 新能源的随机性和波动性，给电网的调度运行带 来诸多困难，如何提高电力系统灵活性已成为各 方关注的焦点。2018 年 11 月 13 日国际能源署 International Energy Agency发布的世界能源展 望World Energy Outlook 2018提出“灵活性是电 力系统的新口号Flexibility is the new watchword for power systems” 。 由于新能源发电设备一般通过电力电子装置 接入大电网，导致系统动态行为发生深刻变化， 不仅对经典稳定性如功角稳定、 电压稳定和频率 稳定产生重大影响， 而且会引发一系列新型稳定 性问题。在这样的背景下，电能作为商品，其价 值相对于以传统化石能源发电和没有需求侧响应 的电力系统更加多样化， 本文针对发电系统电源 侧的电能价值问题进行初步分析。 电力定价和电力市场设计应以对电能价值规 律的深入分析为基础，并建立基于电力系统优化 规划、优化运行原理的数学模型，它是一个大规 模复杂系统优化问题，其理论基础是微观经济学 有关生产成本的理论和相关的数学优化理论，特 别是数学优化中的对偶优化原理与有限资源影子 价格密切相关 [2] 。 3.2 电能商品品质及定价机制 “同质同价” 是市场中商品定价的基本原则， 因此有必要对电能商品品质问题进行深入分析。 我们常说的电能的同质性是从物理学意义上来说 的，而实际上电力市场交易是电力系统调度运行 层面的问题 [12] 。由于电能难以大量储存，发用功 率必须实时平衡，从对电力系统调度运行和功率 平衡的影响， 本文认为电能商品品质应从波动性、 可控性、随机性 3 个维度进行衡量。其中波动性 指功率相对于自身容量的变化幅度；可控性指将 功率在一定范围内自由调节的难易程度。当前各 类常见供方电厂所生产和需方负荷所消费的 电能商品品质排级如表 1 所示。注意这里是对电 能商品的品质进行排级， 而不是给电源或负荷 “贴 标签”即所谓“技术中性”。例如，如果品质 一般的煤电经过灵活性改造，可以升级为高品质 的调峰电源。需要说明的是，电能商品品质是从 保证电力系统发用功率平衡的角度来定义的，因 此，对于电能商品的供方生产者和需方消费 者，商品品质的价值内涵是不同的。从定价原则 来讲，对于供方，电能商品品质越高，定价越高； 对于需方，电能商品品质越高，定价越低即价格 越优惠，甚至可以享受负电价。也就是说供方所 生产的低品质电能商品如风电可以较低价提供 需方的高品质电能商品消费如需求侧响应，反 之亦然。 表 1 电能商品品质排级 Tab. 1 Ranking of electricity commodity qualities 供需方 电源/负荷类型 波动性 可控性 随机性 电能商品品质 抽水蓄能、气电、调 节性能好的水电、部 分煤电、光热发电 大 好 小 高 部分煤电、核电、流 量稳定的径流式水电 小 小 中 供方 MPPT方式的风电和 光伏、流量不稳定的 径流式水电 大 差 大 低 需求侧响应 小 好 小 高 工商业负荷 差 小 中 需方 居民负荷 大 差 大 低 传统电力现货市场基于实时电价spot pricing理论而建立，采用分时段边际统一出清方 式。其隐含的假设为同一时段的电能商品都是同 质的，由于未考虑不同类型发电机组在负荷曲线 上所处的位置，也未考虑发电功率变化的时间动 态特性，因此无法区别不同品质电能差别明显的 技术特征及价值。 为强调时间因素在电能商品中的作用，重新 定义图 1 所示的由功率 时间对组成的连续时间 电能商品模型P,tt 1 t t 2 形象地称为“能量 块”，功率曲线下的面积即为电量。当 t 2 t 1 1 并且 P constt 1 t t 2 时，即退化为实时电价理论 中的分时电能商品模型。 由于功率是时间的函数，所以该连续时间电 能商品模型也可写成[Pt,t]t 1 t  t 2 的形式， 在实第 42卷 第 2期 发 电 技 术 145 时电价定义中的功率点变成定义于t 1 ,t 2 时间区 间的一个函数， 需要用无穷维空间上的泛函分析、 变分法等数学理论进行分析。引入连续时间电能 商品模型后，市场出清的社会福利最大化问题， 即从多阶段静态优化问题变为连续时间的泛函优 化问题。 t t 2 t 1 P 0 图 1 连续时间电能商品模型 Fig. 1 Continuous time electricity commodity model 在此基础上，可提出一种按负荷持续时间、 即数学上称为“测度”定价的电力市场机制。即 认为同一负荷持续时间的电能商品价格是相同 的；而负荷持续时间改变时，价格相应地发生变 化，持续时间越短，价格越高其经济含义为峰荷 机组电能价格比基荷机组高， 具体分析可参考文 献[13]。 3.3 电能价值规律的初步分析 实时电价是基于经典微观经济学中的社会福 利最大化原理形成的，在实际电力市场中一般由 SCUC、 SCED等短期运行优化模型的拉格朗日乘 子求出。在这种假设下，如图 2 所示，对于同一 个发电厂即由多个相同颜色的小矩形组成的横 条， 随时间不同所生产的电能商品的品质是不同 的，这并不符合电力系统运行的实际情况；而对 同一时段不同颜色组成的竖条，认为所有电能 150 140 130 120 110 100 90 80 70 第 1 小 时 第 2 小 时 第 3 小 时 第 4 小 时 第 5 小 时 第 6 小 时 第 7 小 时 第 8 小 时 第 9 小 时 第 10 小 时 第 11 小 时 第 12 小 时 第 13 小 时 第 14 小 时 第 15 小 时 第 16 小 时 第 17 小 时 第 18 小 时 第 19 小 时 第 20 小 时 第 21 小 时 第 22 小 时 第 23 小 时 第 24 小 时 时段 系统负荷/GW . h 异价 同 价 图 2 电能商品概念示意图 Fig. 2 Illustration of electricity commodity model 商品都是同质的，无法区别基荷、腰荷和峰荷机 组区别明显的技术特征及价值。 在按负荷持续时间定价的市场机制中，认为 同一负荷持续时间的电能商品品质和价值是相同 的；而负荷持续时间改变时，所需电能商品品质 相应地发生变化，持续时间越短，灵活性越好的 电能商品品质越高，价值也越高。在这种假设下， 图 3 中，对于同一个发电厂同一颜色的横条， 在持续同一输出功率的时间区间内，其生产电能 商品的品质和价值是相同的，而对同一时段竖 条，基荷、腰荷和峰荷机组所生产的电能商品品 质和价值是不同的。这种假设与实际电力系统电 能价值分布一致。 0000 1200 2400 时刻 年度基荷交易 月度18 小时块交易 多日12 小时块交易 日前1 小时块交易 日内半小时块交易 图 3 市场机制下的电力电量平衡示意图 Fig. 3 Schematic diagram of electric power/energy balance in electricity markets 在可再生能源大规模接入的背景下， 由于 “双 高”电力系统的运行机理和稳定特性更加复杂， 电能价值将更加复杂化。除了传统电力系统的容 量价值、 电量价值， 电能还具有灵活性、 安全性如 惯性、调频和备用和弹性等多种不同的价值，使 得问题更加复杂。此外，从美国加州、得州和澳 大利亚停电时间可以看出，长期和短期发电组合 generation mix对电力系统的安全性和弹性都有 重大影响。这些问题为电力市场设计和运营带来 重大挑战，需要进一步深入研究。 4 “双碳”目标下的电力市场机制设计 4.1 “双碳”目标下电力市场机制设计的基本 思路 在“双碳”目标下，随着高比例间歇式可再 生能源的接入，电力市场面临着更新换代。如前146 陈皓勇“双碳”目标下的电能价值分析与市场机制设计 Vol.42 No.2 所述，传统的基于实时电价理论的电力批发市场 设计忽略了电能生产和消费的时间连续性这个十 分重要的特征，也无法根据功率的时间动态特性 分辨不同品质的电能商品并进行合理定价。在这 种定价方式下，由于光伏、风电近零边际成本的 特点，使得市场出清价格降低，甚至出现负值， 将传统火电、核电在以边际成本为准的竞价交易 中挤出，因此火电、核电难以生存，导致电源结 构失衡，并降低电力系统的安全性和灵活性。同 时，光伏和风电的随机性、波动性，给电力系统 的运行和控制带来重大挑战，对系统灵活性的需 求急剧增加，需要为灵活性资源提供足够的经济 激励。在“双碳”目标下，设计正确体现不同品 质电能价值的新市场机制十分关键。 电能的生产和使用都具有时间连续性，无论 对于发电商还是电力负荷，销售或购买的商品 都是如图 1 所示的“能量块” 。电力市场交易过程 可用不同的横向的或纵向的“能量块”填充 负荷曲线下的面积，实现电力电量平衡，建立 图 3 所示的中长期与现货日前、日内、实时交 易相协调、电量与电力型交易相结合的电力市场 目标模式，这也符合我国当前电力市场建设所采 用的“中长期交易现货市场”的基本框架。不 同“能量块”的组合将形成不同的短期运行发电 组合即运行方式和内涵不同的价格。主能量交 易可采用分段竞价或水平拍卖或合约交易机 制， 实时平衡与辅助服务交易采用分时竞价或垂 直拍卖机制 [14-15] 。对于基荷、腰荷机组负荷， 即图 3 中的横向“能量块” ，可按负荷持续时间定 价，进行集中竞价或开展合约交易 [13] 。对于峰 荷机组或需求侧响应资源，基于实时电价，针 对图 3 中的绿色和褐色纵向“能量块”进行集中 竞价。 在“能量块”交易的初级阶段，可采用比较 简单的分时段交易。 2020 年 11 月 25日国家发展 改革委、国家能源局发布的2021年电力中长期 合同签订工作的通知发改运行〔2020〕1784 号中，为拉大峰谷差价，明确提出“交易双方签 订分时段合同” 即国家发展改革委电力中长期合 同“六签”要求之“分时段签”。 4.2 可再生能源参与电力市场的方式 在“双碳”目标下，为构建以新能源为主体 的新型电力系统，建立有利于新能源消纳的电力 市场体制机制已成为当前的紧迫任务。一般情况 下，对于光伏、风电等可再生能源机组，由于功 率曲线难控，电能商品品质低，但因环保效益显 著，可全额消纳，或根据电力系统安全稳定约束 在一定功率波动范围内消纳，并以比市场最低价 更低的价格结算电量。在这种情况下，系统总负 荷扣除可再生能源机组出力后，将可能形成功率 缺口， 例如美国加州电力系统著名的 “鸭子曲线” ， 将显著增加电力系统的灵活性需求和调峰困难。 如果采用按负荷持续时间的定价方式，负荷 曲线斜率越大、形状越陡时，功率变化速度快、 负荷持续时间短的调峰机组，能获得更高的电价 收入。因此，该定价机制能合理反映不同电源电 能品质对电力系统安全运行和全系统效益最优所 贡献的价值。此外，可再生能源机组和传统能源 机组不再集中统一排序，前者也不会影响后者的 定价。这种新的定价方式将有利于促进高比例新 能源消纳，也确保传统能源机组获得合理回报 [13] 。 如果可再生能源搭配储能或购买调峰容量、 提高其电能品质后，也可以参与图 3 中横向能量 块的交易；在加装自动发电控制系统AGC后， 响应电网调度指令下调功率，参与分时交易的辅 助服务市场。智利是世界上第一个进行电改的国 家，为鼓励可再生能源消纳并增加竞争，2014 年 引入了时间跨度长达 20 年的带时标的能量块 time block交易，允许发电机在一天中针对特定 的时段进行投标， 而不是限定必须 24 h供应电力。 智利的带时标能量块交易取得了预期的效果，增 强了竞争，促进了可再生能源消纳，电价大幅下 跌，受到了各方面的称赞。 4.3 “双碳”目标下电能的灵活性价值 在美国加州电力市场CAISO和中部大陆电 力市场MISO，建立了灵活爬坡产品flexible ramping product交易，取得了良好的效果。如 图 4 所示，深蓝色曲线表示预测净负荷FNL， 即系统总负荷减去可再生能源发电出力。由于新 能源功率预测的不确定性，取概率为 95的置信第 42卷 第 2期 发 电 技 术 147 区间，最大预测净负荷可增加至FNL ，其中包 括了向上不确定性 UU；而最小预测净负荷可减 小至FNL ，其中包括了向下不确定性 DU。在 第 t 时段采购灵活爬坡产品，要覆盖从 t 到 t1 时段的净负荷增长/减少， 则需采购的向上灵活爬 坡产品为 FRUt FNLt 1 UUt 1 FNLt，需 采购的向下灵活爬坡产品为 FRDt FNLt 1 DUt 1 FNLt。灵活爬坡产品实际上属于一种 爬坡能力的备用，涉及一定的时间跨度，与作者 提出的基于连续时间商品模型的电力市场定价理 论的内在逻辑是一致的。 t 1 FRU和 FRD覆盖从 t 到 t 1 时段的净负荷增长/减少 时间 预测净负荷 FNL FNL 向上不 确定性UU FNL 向下不 确定性DU FRDt 采购目标 FRUt 采购目标 系统净负荷 FNLt1DU t 1 FNLt FNLt 1 UU t 1 FNLt t 图 4 美国电力市场灵活爬坡产品示意图 Fig. 4 Flexible ramping product in the U.S. electricity markets 我国在实践中总结出来的深度调峰定价方式 值得肯定。该定价方式首先在东北电力辅助服务 市场建立，并且在全国推广。作为国家电力体制 改革专项试点， 自 2017 年 1 月在东北地区启动以 来成效显著，深入挖掘了电网调峰潜力，促进了 风电核电等清洁能源消纳，显著提高了电网安全 运行水平和供热可靠性。东北调峰服务市场根据 火电机组调峰深度的不同，采用“阶梯式”补偿 及分摊机制，按照非线性比例“多减多得、少减 多罚”的原则加大奖罚力度，以激励发电企业加 大提供调峰服务的意愿。 调峰服务分为基本无偿 调峰服务以及有偿调峰服务针对灵活性供方。 基本调峰服务指机组调峰率小于等于 48可根 据实际情况，在征得监管机构同意后进行调整 时所提供的辅助服务；有偿调峰服务指机组调峰 率大于 48或按调度要求进行启停调峰所提供的 服务。 发电企业须在日前提交有偿调峰服务报价， 对报价设置区间限制，通过报价的高低来确定次 日各电厂提供有偿调峰服务的先后顺序。假设某 火电厂提供了深度调峰有偿调峰服务，其发电曲 线如图 5 所示，则以每档出清电价与积分电量计 算每档补偿，三档补偿总计为其补偿费用。由于 火电机组参与深度调峰有必要进行稳燃技术改 造，并且可能需要投油，增大发电成本，这种降 低发电功率反而增大成本的情况是无法通过国外 电力市场的现货价格来真实反映的。对于调峰服 务费用分摊方式，东北调峰辅助服务市场首次引 入“阶梯式”分摊机制。当发生深度调峰时针对 灵活性需方，为鼓励火电厂加大调峰力度，对火 电厂在负荷率在 80以上部分电量承担分摊金 额 折算系数 2.0； 负荷率在 7080之间的电量 承担分摊 折算系数 1.5；其余电量折算系数为 1.0。费用分摊原理如图 6 所示。 第三档有偿调峰电量  第三档实际出清电价 第二档有偿调峰电量  第二档实际出清电价 第一档有偿调峰电量  第一档实际出清电价 某火电厂实际发电曲线 某火电厂负荷率 52 45 40 总和 为该 火电 厂补 偿费 用 图 5 深度调峰服务灵活性供方定价原理 Fig. 5 Pricing principle of deep peak shaving service flexible supplier 某厂实际发电曲线 负荷率 80 70 52 2.0 1.5 1.0 图 6 深度调峰服务灵活性需方费用分摊原理 Fig. 6 Cost sharing principle of deep peak shaving service flexible demander 作为适合我国国情的灵活性资源市场化交易 的初步尝试，东北调峰服务市场可算是成功的， 但也有一些缺陷，特别是人为指定的参数太多， 需要在实践中进一步深入研究。 4.4 “双碳”目标下电能的容量价值 虽然电力现货市场是世界各国电力市场的共148 陈皓勇“双碳”目标下的电能价值分析与市场机制设计 Vol.42 No.2 同组成部分。但是，如前所述，现货市场价格信 号对于激励新建发电容量、保障电力长期平稳供 应方面的作用是存疑的，更难以引导出合理的长 期规划发电组合即电源结构。从国际经验来看， 为保障长期电力供给安全充裕性，目前包括美 国PJM、纽约、新英格兰、英国等在内的电力市 场都已建立起配套的容量市场机制 [16-17] 。 以美国 PJM 容量市场为例，1998 年 PJM 建 立了容量信用市场。由于市场操纵等问题，2007 年 PJM 采用可靠性定价模式reliability pricing model，RPM取代容量信用市场，并于当年 4 月 开始正式运行。 RPM容量市场是由多重拍卖市场 组成的，包括 1 个基本拍卖市场base residual auction、3 个追加拍卖市场incremental auction 和 1 个双边市场。市场成员由容量拥有者和负荷 服务商组成。基本拍卖市场提前 3 年举行。PJM 根据对 3 年后的负荷预测， 组织容量拥有者竞价， 以满足电网 3 年后的机组容量需求，购买容量的 费用根据相关规则分摊给负荷服务商。 值得注意的是，虽然容量市场在一定程度上 解决了发电容量投资不足的问题， 但也争议不断。 随着可再生能源的大规模接入，问题更加尖锐。 作者在针对两部制电价电量电价容量电价和 容量市场的理论分析中曾断言 [18] ，采用基于两部 制电价的管制容量市场将导致以下问题 1）管 制 的而非经济的容量目标； 2）人为的供电联营组织 规模，导致扭曲的电能价格偏低；3）继续靠供 给方平衡市场，而不是让负荷随反映边际运行成 本和容量紧缺程度的一部制价格变化； 4）不 能 公 平接纳不提供“额定”的发电和备用容量分额的 供给方技术。根据自然资源保护委员会Natural Resources Defense Council和塞拉俱乐部Sierra Club 在 2020 年 2 月提交的报告Over- Procurement of Generating Capacity in PJM Causes and Consequences，这些结论均已被 PJM 容