張濤，胡娛歐，張晶，韓亮，王佩雯，何淼，陳雨果

(1．國(guó)家電網(wǎng)公司華北分部，北京市 100053；2．北京清能互聯(lián)科技有限公司，北京市 100084)

0 引 言

發(fā)電資源充裕性與靈活性是高比例風(fēng)光新能源電力系統(tǒng)保障供電可靠性的兩大基石[1-2]。理論上，機(jī)制完善、運(yùn)行良好的“單一能量市場(chǎng)(energy-only market，EOM)”通過完全競(jìng)爭(zhēng)可以形成準(zhǔn)確價(jià)格信號(hào)，引導(dǎo)電源及時(shí)進(jìn)行投資建設(shè)，形成經(jīng)濟(jì)、靈活、高效的最優(yōu)發(fā)電資源組合，保障短期供電可靠性和長(zhǎng)期發(fā)電資源充裕性。然而，國(guó)外成熟電力市場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，由于電力需求缺乏彈性，市場(chǎng)監(jiān)管價(jià)格設(shè)置上限等原因，發(fā)電資源充裕性無(wú)法通過“單一能量市場(chǎng)”提供的價(jià)格信號(hào)保障[3]。此外，電力系統(tǒng)中新能源滲透率增長(zhǎng)會(huì)加劇這一現(xiàn)象，進(jìn)一步影響電力市場(chǎng)可持續(xù)性。

我國(guó)電力體制改革已進(jìn)入深水區(qū)，電力市場(chǎng)機(jī)制設(shè)計(jì)和市場(chǎng)運(yùn)行尚不完善。各省市開展了不同形式的中長(zhǎng)期電力市場(chǎng)交易與輔助服務(wù)市場(chǎng)交易，各試點(diǎn)省份也已逐步完成現(xiàn)貨市場(chǎng)方案與規(guī)則編制，并先后開展了試運(yùn)行。我國(guó)現(xiàn)貨市場(chǎng)主要采用基于機(jī)組邊際成本的邊際定價(jià)機(jī)制，并且設(shè)置了市場(chǎng)出清價(jià)格上限，在保障參與現(xiàn)貨市場(chǎng)的發(fā)電機(jī)組的固定成本回收、形成有效引導(dǎo)電源投資建設(shè)的電能量?jī)r(jià)格信號(hào)等方面仍在探索。

在當(dāng)前能源轉(zhuǎn)型背景下，我國(guó)長(zhǎng)期發(fā)電資源充裕性與短期供電可靠性問題較為突出。一方面，相較于歐美國(guó)家，我國(guó)電力需求仍在持續(xù)高速增長(zhǎng)。另一方面，我國(guó)電力系統(tǒng)正在進(jìn)行低碳轉(zhuǎn)型，風(fēng)電、光伏等波動(dòng)性電源裝機(jī)總量居全球之首，據(jù)中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)統(tǒng)計(jì)，2019年我國(guó)風(fēng)電、光伏裝機(jī)占比高達(dá)20.6%[4]。為確保電力供應(yīng)，并適應(yīng)波動(dòng)性、不確定性新能源大規(guī)模并網(wǎng)，需要保障電力系統(tǒng)發(fā)電資源充裕性與靈活性。然而新能源發(fā)電替代了火電機(jī)組部分發(fā)電空間，減少了火電機(jī)組發(fā)電時(shí)長(zhǎng)，同時(shí)拉低了電價(jià)水平，使得火電機(jī)組的收益受損，直接影響電廠和投資商的預(yù)期投資回報(bào)率(return on investment，ROI)，從而影響投資決策，導(dǎo)致電力系統(tǒng)發(fā)電充裕性與供電可靠性受到影響。

因此，低碳電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型過程中自由化電力市場(chǎng)能否提供穩(wěn)定的投資環(huán)境，并最終確保電力供應(yīng)安全，以及電力市場(chǎng)環(huán)境下如何合理設(shè)計(jì)高比例風(fēng)光新能源電力系統(tǒng)的容量保障機(jī)制是亟待進(jìn)行深入研究的重要問題。

近年來(lái)，伴隨可再生能源滲透率不斷增加，供電安全問題凸顯，容量保障機(jī)制設(shè)計(jì)成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的重點(diǎn)。文獻(xiàn)[5]討論了法國(guó)電力市場(chǎng)容量保障機(jī)制和評(píng)價(jià)模型設(shè)計(jì)；文獻(xiàn)[6]中北美電力可靠性協(xié)會(huì)( North American Electric Reliability Cooperation, NERC)全面總結(jié)了波動(dòng)性新能源滲透率提高對(duì)發(fā)電充裕性、可靠性以及批發(fā)電力市場(chǎng)設(shè)計(jì)的影響。文獻(xiàn)[7]中歐盟能源監(jiān)管機(jī)構(gòu)(Agency for the Cooperation of Energy Regulators, ACER)深入研究容量保障機(jī)制，討論了在能源轉(zhuǎn)型背景下，歐美電力市場(chǎng)運(yùn)行過程中的發(fā)電資源充裕性問題與配套容量保障機(jī)制。文獻(xiàn)[8]提出了南方(以廣東起步)電力容量市場(chǎng)機(jī)制設(shè)計(jì)思路。文獻(xiàn)[9]討論了容量市場(chǎng)與能量市場(chǎng)銜接機(jī)制中市場(chǎng)力的抑制辦法。然而，目前國(guó)內(nèi)探討現(xiàn)有電力市場(chǎng)框架下新能源發(fā)展對(duì)容量保障機(jī)制設(shè)計(jì)的影響以及容量保障機(jī)制設(shè)計(jì)原則的相關(guān)研究還較少。

本文討論依托單一能量市場(chǎng)應(yīng)對(duì)未來(lái)容量需求增長(zhǎng)和靈活性調(diào)節(jié)能力的局限性分析，探討在我國(guó)設(shè)計(jì)適應(yīng)高比例新能源發(fā)展的容量保障機(jī)制的必要性。通過建立簡(jiǎn)化發(fā)電技術(shù)篩選模型，分析高比例波動(dòng)性新能源發(fā)展對(duì)電力系統(tǒng)最優(yōu)發(fā)電裝機(jī)組合與電力市場(chǎng)規(guī)則設(shè)計(jì)的影響與挑戰(zhàn)。在調(diào)研分析國(guó)外容量保障機(jī)制的建設(shè)目的與具體措施的基礎(chǔ)上，本文總結(jié)容量保障機(jī)制對(duì)電能量市場(chǎng)的影響，提出我國(guó)容量保障機(jī)制設(shè)計(jì)需要考慮的三要素以及對(duì)未來(lái)工作的建議。

1 市場(chǎng)環(huán)境下高比例新能源電力系統(tǒng)面臨的問題

1.1 單一能量市場(chǎng)缺陷

自1980年智利引入競(jìng)爭(zhēng)性電力市場(chǎng)以來(lái)，全球大多數(shù)地區(qū)對(duì)電力產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重組，并構(gòu)建了批發(fā)電力市場(chǎng)體系。批發(fā)電力市場(chǎng)體系架構(gòu)如圖1所示。

根據(jù)國(guó)際能源署(International Energy Agency, IEA)總結(jié)，大多數(shù)國(guó)家采用了包含遠(yuǎn)期市場(chǎng)、日前市場(chǎng)、平衡/實(shí)時(shí)市場(chǎng)、輔助服務(wù)與備用的單一能量市場(chǎng)模式[10]。單一能量市場(chǎng)中，發(fā)電企業(yè)主要通過生產(chǎn)電量獲得收益，少部分發(fā)電企業(yè)通過期權(quán)合同或備用合同等容量相關(guān)合同獲取收益。

單一能量市場(chǎng)邊際定價(jià)機(jī)制會(huì)出現(xiàn)市場(chǎng)失靈現(xiàn)象。單一能量市場(chǎng)中采用邊際定價(jià)機(jī)制，發(fā)電機(jī)組基于邊際成本的報(bào)價(jià)按升序排列，以通過發(fā)用側(cè)供需平衡確定的邊際機(jī)組價(jià)格水平進(jìn)行定價(jià)。這種出清機(jī)制下，在電力需求極高時(shí)，會(huì)出現(xiàn)兩種情況：1)當(dāng)電力供給不能滿足需求時(shí)，電力需求缺乏彈性，可能出現(xiàn)電力供應(yīng)缺口，市場(chǎng)供需曲線無(wú)法形成交點(diǎn)，市場(chǎng)不能完成出清并釋放有意義的價(jià)格信號(hào)；2)當(dāng)電力供給足夠滿足電力需求時(shí)，為避免發(fā)電企業(yè)動(dòng)用市場(chǎng)力，持留發(fā)電能力抬高電價(jià)，市場(chǎng)監(jiān)管者會(huì)設(shè)置遠(yuǎn)低于失負(fù)荷價(jià)值的出清價(jià)格上限，導(dǎo)致市場(chǎng)中基荷、腰荷、峰荷電源在尖峰時(shí)段的售電收益受損，產(chǎn)生“金錢流失”現(xiàn)象[11]，影響對(duì)新容量或替代容量的必要投資，使得電能量市場(chǎng)不能提供足夠高的回報(bào)來(lái)維持足以滿足用電需求的容量水平。

圖1 批發(fā)電力市場(chǎng)體系架構(gòu)[10]Fig.1 Wholesale power market structure

1.2 高比例新能源發(fā)展影響

電力行業(yè)作為各國(guó)能源轉(zhuǎn)型的重要抓手，可再生能源發(fā)電尤其是風(fēng)電、光伏等發(fā)電技術(shù)裝機(jī)容量在全球范圍內(nèi)得以快速增長(zhǎng)[12]。

風(fēng)電、光伏等波動(dòng)性新能源(variable renewable energy，VRE)發(fā)電技術(shù)出力特性很大程度受天氣影響，不確定性較強(qiáng)，并且會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)凈負(fù)荷的波動(dòng)性、不確定性增加，影響系統(tǒng)實(shí)時(shí)電力平衡與短時(shí)供電可靠性。隨著電力系統(tǒng)中VRE裝機(jī)比例的提高，在VRE發(fā)電出力高時(shí)需要更多可以靈活調(diào)節(jié)出力的發(fā)電資源及時(shí)降低出力；而在光照不好或風(fēng)速較低時(shí)，VRE發(fā)電出力水平低，又需要充足的后備發(fā)電資源及時(shí)提供發(fā)電容量，保障電力實(shí)時(shí)平衡。

然而矛盾的是，電力系統(tǒng)VRE滲透率越高，越會(huì)加劇發(fā)電充裕性問題。首先，當(dāng)VRE與其他發(fā)電技術(shù)一起參與電力市場(chǎng)時(shí)，由于優(yōu)先排序效應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致供應(yīng)曲線整體向右移動(dòng)，導(dǎo)致一些傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組無(wú)法在市場(chǎng)中中標(biāo)，年平均發(fā)電小時(shí)數(shù)與售電盈利逐年下降，長(zhǎng)期以往將會(huì)導(dǎo)致靈活發(fā)電資源與后備發(fā)電資源因整體收益受損，甚至無(wú)法回收固定成本而提前退役，同時(shí)影響對(duì)這兩類電源的投資決策。其次，VRE發(fā)展會(huì)加劇單一能量市場(chǎng)中“金錢流失”現(xiàn)象。VRE發(fā)電邊際成本幾乎為0，并且大部分國(guó)家均為VRE提供了如保障性消納、優(yōu)先消納或補(bǔ)貼政策等。當(dāng)向電能量市場(chǎng)引入低成本且有補(bǔ)貼的VRE時(shí)，市場(chǎng)價(jià)格水平可能會(huì)達(dá)到0甚至為負(fù)值水平，進(jìn)一步惡化了靈活性電源與后備發(fā)電資源的收益水平，未來(lái)存在發(fā)電資源充裕度和靈活調(diào)節(jié)能力不足風(fēng)險(xiǎn)。

靈活性電源與后備發(fā)電資源在應(yīng)對(duì)間歇性和不可預(yù)測(cè)性的風(fēng)電、光伏大規(guī)模并網(wǎng)中發(fā)揮重要的靈活調(diào)節(jié)與保障供電可靠性的作用。因此，建議引入相應(yīng)容量保障機(jī)制，保證現(xiàn)存靈活性電源與后備發(fā)電資源收益，激勵(lì)增量電源投資建設(shè)，維持電力系統(tǒng)發(fā)電資源充裕性和供電可靠性。

2 高比例新能源發(fā)展對(duì)容量保障機(jī)制設(shè)計(jì)的影響

適應(yīng)高比例新能源發(fā)展的容量保障機(jī)制設(shè)計(jì)需要考慮新能源滲透率增加對(duì)電力系統(tǒng)發(fā)電充裕性的影響。為了量化這一過程，本文通過構(gòu)建發(fā)電技術(shù)最優(yōu)裝機(jī)容量組合篩選模型，在電力系統(tǒng)負(fù)荷需求與發(fā)電技術(shù)種類、成本不變情況下，分別計(jì)算了不同新能源滲透率(0，10%，20%，30%)對(duì)應(yīng)的電力系統(tǒng)熱電技術(shù)成本最低的最優(yōu)裝機(jī)容量組合。

2.1 模型構(gòu)建

發(fā)電企業(yè)的全壽命周期成本由固定成本與變動(dòng)成本構(gòu)成。固定成本包含材料費(fèi)、員工工資和折舊費(fèi)等。變動(dòng)成本與燃料價(jià)格直接相關(guān)。不同發(fā)電技術(shù)的成本結(jié)構(gòu)差異很大。核電、風(fēng)電和太陽(yáng)能固定成本較高,變動(dòng)成本幾乎為0，建成后幾乎免費(fèi)發(fā)電；而燃煤電廠變動(dòng)成本(燃料成本和環(huán)保費(fèi)用)約占總成本40%，燃?xì)饴?lián)合循環(huán)發(fā)電廠變動(dòng)成本約占總成本的60%。

篩選曲線模型通過比對(duì)各發(fā)電技術(shù)年度單位容量成本，篩選出最低成本的發(fā)電技術(shù)容量組合。以年度單位容量成本為縱坐標(biāo)，以年發(fā)電利用小時(shí)數(shù)為橫坐標(biāo)，以年平均法折算到每年的固定成本為截距，以變動(dòng)成本為斜率，可以得到各熱力發(fā)電技術(shù)的年單位容量成本與發(fā)電利用小時(shí)數(shù)的關(guān)系。該曲線與減去新能源出力后剩余凈負(fù)荷形成的負(fù)荷持續(xù)曲線一同組成發(fā)電技術(shù)最優(yōu)裝機(jī)容量組合篩選模型。

2015年德國(guó)負(fù)荷持續(xù)曲線與10%、20%、30%新能源裝機(jī)占比情況下剩余凈負(fù)荷持續(xù)曲線如圖2所示[13]。新能源滲透率增長(zhǎng)導(dǎo)致電力系統(tǒng)剩余凈負(fù)荷曲線整體下移，但受限于新能源的低容量可信度水平，負(fù)荷峰值水平并沒有很大降低。

圖2 發(fā)電技術(shù)篩選曲線模型Fig.2 Screening curve model

2.2 模型分析

模型輸出的最優(yōu)發(fā)電容量組合如表1所示。隨著新能源發(fā)展，可調(diào)度電源總裝機(jī)容量下降，不同發(fā)電企業(yè)的投資水平將發(fā)生相應(yīng)調(diào)整。電力系統(tǒng)中新能源裝機(jī)占比達(dá)到10%時(shí)，在相同負(fù)荷水平下，基荷電源(核電)裝機(jī)降低了7 GW，腰荷電源(燃煤)與峰荷電源(燃?xì)?裝機(jī)量分別增加了2 GW與3 GW；當(dāng)新能源裝機(jī)占比達(dá)到20%時(shí)，基荷電源(核電)裝機(jī)降低了17 GW，腰荷電源(燃煤)與峰荷電源(燃?xì)?裝機(jī)量分別增加了7 GW與6 GW；當(dāng)新能源裝機(jī)占比達(dá)到30%時(shí)，基荷電源(核電)裝機(jī)降低了30 GW，腰荷電源(燃煤)與峰荷電源(燃?xì)?裝機(jī)量分別增加了16 GW與8 GW。并且隨著新能源滲透率繼續(xù)增高，可調(diào)度的基荷、腰荷與峰荷電源利用小時(shí)數(shù)進(jìn)一步減少。

表1 最優(yōu)發(fā)電容量組合Table 1 Optimal generation capacity mixGW

從長(zhǎng)期來(lái)看，一方面，新能源滲透率提升降低了基荷、腰荷以及峰荷電源的負(fù)荷率和利用小時(shí)數(shù)，不利于電廠日常經(jīng)營(yíng)和投資回收。另一方面，新能源發(fā)電占比逐步增加，未來(lái)對(duì)可調(diào)電源的定位從當(dāng)前保障電網(wǎng)容量供應(yīng)轉(zhuǎn)為保障系統(tǒng)靈活性調(diào)節(jié)能力。國(guó)外也有專家認(rèn)為，這種現(xiàn)象表明電力市場(chǎng)正在進(jìn)行向低碳經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)性轉(zhuǎn)型，要統(tǒng)籌考慮容量保障機(jī)制和調(diào)節(jié)容量保障機(jī)制建設(shè)[14]。

從短期來(lái)看，最優(yōu)發(fā)電容量組合同時(shí)會(huì)對(duì)電能量市場(chǎng)價(jià)格產(chǎn)生影響。理論上，電能量市場(chǎng)中發(fā)電機(jī)組根據(jù)邊際成本進(jìn)行報(bào)價(jià)，根據(jù)經(jīng)濟(jì)調(diào)度與電能量市場(chǎng)優(yōu)先排序原理，新能源優(yōu)先發(fā)電，剩余凈負(fù)荷由其他可調(diào)度發(fā)電技術(shù)按成本排序進(jìn)行經(jīng)濟(jì)調(diào)度，電能量市場(chǎng)供給優(yōu)先排序曲線會(huì)按照最優(yōu)發(fā)電容量組合生成。不同發(fā)電容量組合形成不同的電能量市場(chǎng)供給優(yōu)先排序曲線，從而影響電能量市場(chǎng)定價(jià)。

因此不同發(fā)電容量組合會(huì)影響各類發(fā)電技術(shù)成本回收。目前負(fù)荷需求彈性有限，由于邊際機(jī)組定價(jià)機(jī)制，供需緊張時(shí)，市場(chǎng)價(jià)格高于邊際定價(jià)機(jī)組的年單位容量成本，這一時(shí)期峰荷、腰荷、基荷機(jī)組均可回收固定成本；供需寬松時(shí)，市場(chǎng)價(jià)格較低，峰荷機(jī)組、甚至腰荷機(jī)組無(wú)法回收固定成本。新能源滲透率升高會(huì)加劇這一現(xiàn)象，因此設(shè)計(jì)適應(yīng)新能源發(fā)展的容量保障機(jī)制補(bǔ)償水平時(shí)需要充分考慮到新能源滲透率對(duì)各類電源利用小時(shí)數(shù)與能量市場(chǎng)價(jià)格的影響。

3 國(guó)外電力市場(chǎng)容量保障機(jī)制

針對(duì)發(fā)電充裕性問題，世界各國(guó)電力市場(chǎng)正在引入不同形式的容量保障機(jī)制或?qū)σ延腥萘勘Ｕ蠙C(jī)制進(jìn)行改革。

3.1 國(guó)外電力市場(chǎng)容量保障機(jī)制設(shè)計(jì)成因與目的

由于各國(guó)電力系統(tǒng)資源特點(diǎn)、電網(wǎng)架構(gòu)、電力市場(chǎng)設(shè)計(jì)以及對(duì)保障供電安全的備用容量需求不盡相同，因此采用容量保障機(jī)制的目的各有差異[15]。

法國(guó)供電安全保障的關(guān)鍵問題是滿足預(yù)期內(nèi)的負(fù)荷峰值增長(zhǎng)。最近10年，法國(guó)用電負(fù)荷峰值增長(zhǎng)了25%。這是因?yàn)榉▏?guó)廣泛使用電供暖，電力需求與氣溫高低相關(guān)。在不加重市場(chǎng)力前提下，法國(guó)容量保障機(jī)制重點(diǎn)保障電力資源充裕性，并通過發(fā)展需求側(cè)響應(yīng)技術(shù)增強(qiáng)電力需求彈性，緩解用電高峰時(shí)刻供電壓力。

德國(guó)供電安全保障的問題包括：靈活性電源和后備發(fā)電資源缺乏，發(fā)用電資源分布不均，輸電網(wǎng)絡(luò)受限等。截至2019年，德國(guó)風(fēng)電、光伏裝機(jī)比例高達(dá)49.9%，部分時(shí)段實(shí)現(xiàn)用電量100%來(lái)自可再生能源發(fā)電，導(dǎo)致火電機(jī)組利用小時(shí)數(shù)水平較低，火電企業(yè)收益水平低。另外，由于南北輸電網(wǎng)絡(luò)容量限制，德國(guó)北部的風(fēng)電難以輸送至南部(特別是巴伐利亞地區(qū))負(fù)荷集中地區(qū)。因此，德國(guó)容量保障機(jī)制重點(diǎn)關(guān)注輸電線路容量充足、負(fù)荷集中地區(qū)電力容量的投資建設(shè)，并充分保障靈活性電源與后備發(fā)電資源的可用性。

英國(guó)與其他歐洲國(guó)家電網(wǎng)互聯(lián)性較弱，并且面臨大規(guī)模熱電廠退役與可再生能源快速發(fā)展。因此英國(guó)容量保障機(jī)制重點(diǎn)推動(dòng)新的電網(wǎng)容量投資建設(shè)，并且充分保障系統(tǒng)靈活性。

意大利和西班牙等南歐國(guó)家與其他歐洲國(guó)家輸電聯(lián)絡(luò)線有限。一方面，這些國(guó)家的電力需求逐年下降，持續(xù)性面臨電力容量供應(yīng)過剩問題；另一方面，電力系統(tǒng)中可再生能源裝機(jī)比例不斷提高，傳統(tǒng)電源的擱置成本回收問題日益凸顯。

以上國(guó)家出現(xiàn)的問題表明，容量保障機(jī)制需要改進(jìn)，并需要考慮到間歇性可再生能源對(duì)電力市場(chǎng)日益增長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)影響?？傮w來(lái)看，容量保障機(jī)制需要達(dá)到以下目的：1)解決即將或已經(jīng)提前退役機(jī)組的擱置成本問題；2)為保障長(zhǎng)期供電安全，吸引新的電源投資；3)為保障電力實(shí)時(shí)平衡，提供后備資源。

3.2 國(guó)外容量保障機(jī)制具體內(nèi)容與實(shí)施

各容量保障機(jī)制的關(guān)鍵差異在于容量?jī)r(jià)格和容量需求的確定辦法：即通過傳統(tǒng)計(jì)劃監(jiān)管模式確定，或基于容量市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制形成。容量保障機(jī)制可以按以下3個(gè)維度進(jìn)行分類[16-19]。

1)從監(jiān)管對(duì)象上，容量保障機(jī)制可分為價(jià)格管控和需求管控。價(jià)格管控機(jī)制下，投資者根據(jù)政策相關(guān)制定者設(shè)定的容量?jī)r(jià)格確定建設(shè)容量。需求管控機(jī)制下，根據(jù)確定的容量需求，以市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的形式確定容量?jī)r(jià)格。

2)從保障對(duì)象上，容量保障機(jī)制可分為面向全體的和面向特定目標(biāo)。面向全體的機(jī)制獎(jiǎng)勵(lì)市場(chǎng)中全部存量和增量電量容量資源，而面向特定目標(biāo)的機(jī)制只針對(duì)特定電廠或發(fā)電技術(shù)。

3)從組織方式上，容量保障機(jī)制可分為集中模式和分散模式。集中模式下，容量合約通過集中競(jìng)爭(zhēng)形式簽訂；分散模式下，容量合約通過雙邊協(xié)商形式簽訂。

歐洲電力監(jiān)管機(jī)構(gòu)ACER定義了以下不同類型的容量保障機(jī)制：戰(zhàn)略儲(chǔ)備、容量收費(fèi)、容量義務(wù)、容量拍賣、可靠性期權(quán)和容量收費(fèi)[20]，如表2所示。每種保障機(jī)制都可以根據(jù)電力系統(tǒng)與電力市場(chǎng)的發(fā)展需要進(jìn)行進(jìn)一步延伸變化。

表2 容量保障機(jī)制分類Table 2 CRMs classification

電能量市場(chǎng)中的稀缺定價(jià)機(jī)制可以對(duì)發(fā)電企業(yè)容量成本有一定程度補(bǔ)償，理論上屬于容量保障機(jī)制。然而，稀缺定價(jià)沒有明確的容量收益方式，并且往往與市場(chǎng)上限監(jiān)管需求相關(guān)，不在本文考慮范圍內(nèi)。

1)戰(zhàn)略備用機(jī)制。

戰(zhàn)略備用機(jī)制預(yù)留備用容量，能夠在電力資源極端稀缺的特殊情況下確保電力供應(yīng)。其實(shí)施方式具體如下：首先，電力監(jiān)管機(jī)構(gòu)或電網(wǎng)調(diào)度機(jī)構(gòu)提前確定未來(lái)電網(wǎng)容量需求；然后，根據(jù)備用資源提供商的投標(biāo)價(jià)格，以備用容量資源成本最低的原則簽訂合約。締約電廠的中標(biāo)容量不再參與電能量市場(chǎng)，僅在電力供應(yīng)不足時(shí)段根據(jù)合約調(diào)用并支付費(fèi)用。戰(zhàn)略備用機(jī)制通常將老舊或即將退役的電廠視作備用資源，成本一般視為輸電成本或平衡費(fèi)用傳導(dǎo)到用戶側(cè)。

瑞典水電發(fā)電量占比較高，水電出力受來(lái)水影響大，不確定性較強(qiáng)，加之20世紀(jì)90年代末以來(lái)瑞典大量核電退役，因此，瑞典引入戰(zhàn)略備用機(jī)制，解決系統(tǒng)短期容量不足的問題。芬蘭、德國(guó)、比利時(shí)和波蘭等國(guó)家也采用了戰(zhàn)略備用機(jī)制。

戰(zhàn)略備用機(jī)制的容量采購(gòu)規(guī)模小，僅在少數(shù)供應(yīng)短缺時(shí)段調(diào)用，對(duì)電能量市場(chǎng)影響較小。相較于長(zhǎng)期合同，戰(zhàn)略備用的退出成本較低。然而，備用容量資源不參與電能量市場(chǎng)競(jìng)價(jià)，使得部分發(fā)電資源置于電能量市場(chǎng)規(guī)則之外，戰(zhàn)略備用機(jī)制一定程度上扭曲了電能量市場(chǎng)出清價(jià)格，限制市場(chǎng)紅利釋放空間。

2)容量收費(fèi)機(jī)制。

容量收費(fèi)機(jī)制下，電力監(jiān)管機(jī)構(gòu)核定提供容量的發(fā)電商，核算并支付容量費(fèi)用。容量費(fèi)用可以按固定值收取總?cè)萘抠M(fèi)或按每單位容量收取月度或年度費(fèi)用。容量費(fèi)用支付給所有或部分可用的發(fā)電容量提供商。

西班牙、葡萄牙、愛爾蘭、希臘和意大利等對(duì)外輸電互聯(lián)線路較少的電力市場(chǎng)一直采用容量收費(fèi)機(jī)制，阿根廷、巴西、智利和哥倫比亞等拉美國(guó)家也引入了容量收費(fèi)機(jī)制。

3)容量拍賣機(jī)制。

與戰(zhàn)略備用機(jī)制類似，容量拍賣也屬于一次性干預(yù)機(jī)制。調(diào)度機(jī)構(gòu)根據(jù)核定的未來(lái)發(fā)電容量，根據(jù)備用資源提供商的報(bào)價(jià)，采用拍賣的形式進(jìn)行集中采購(gòu)，確定成本最低的容量采購(gòu)費(fèi)用。與戰(zhàn)略備用機(jī)制不同，要求拍賣機(jī)制確定的容量參與電能量市場(chǎng)。

英國(guó)、美國(guó)CAISO、MISO以及PJM、哥倫比亞、巴西和巴拿馬均采用了容量拍賣機(jī)制。

4)容量義務(wù)機(jī)制。

容量義務(wù)機(jī)制屬于反向激勵(lì)的懲罰性機(jī)制。電力用戶與發(fā)電企業(yè)根據(jù)雙方評(píng)估的電力需求以及電力監(jiān)管機(jī)構(gòu)或調(diào)度機(jī)構(gòu)確定的系統(tǒng)邊際備用水平簽訂容量義務(wù)合約。電力資源緊張時(shí)段，約定的資源提供方的容量供應(yīng)不足時(shí)，須根據(jù)義務(wù)合同支付懲罰性費(fèi)用。允許持有容量義務(wù)合約的市場(chǎng)成員交易容量信用，為發(fā)電資源提供商提供額外的收入來(lái)源。

法國(guó)自2014年開始采用了分散式的容量義務(wù)機(jī)制。美國(guó)ISO-NE、NYISO以及PJM相繼引入負(fù)荷服務(wù)實(shí)體(load service entity，LSE)。容量義務(wù)與容量市場(chǎng)相關(guān)成本優(yōu)先由LSE承擔(dān)，再以電費(fèi)的形式疏導(dǎo)至用戶側(cè)。

5)可靠性期權(quán)機(jī)制。

可靠性期權(quán)機(jī)制指調(diào)度機(jī)構(gòu)或大型用戶與發(fā)電容量提供商簽訂包括差價(jià)合約(contract for difference，CfD)在內(nèi)的期權(quán)合同。合同周期內(nèi)極少數(shù)電力資源稀缺時(shí)段，電能量市場(chǎng)價(jià)格p可能飆升并超過合同執(zhí)行價(jià)格s，容量提供者需要向交易對(duì)手支付電能量市場(chǎng)價(jià)格和合同執(zhí)行價(jià)格之間的差額(p-s)。通過可靠性期權(quán)合同，容量提供商放棄了在少數(shù)電能量市場(chǎng)尖峰時(shí)段獲得不確定收益的可能性，但獲得了電能量市場(chǎng)收益外更穩(wěn)定且可預(yù)測(cè)的期權(quán)費(fèi)?？煽啃云跈?quán)機(jī)制中履約價(jià)格和容量提供商必須提供的容量需求通常是由電力監(jiān)管機(jī)構(gòu)設(shè)定。此外，可靠性期權(quán)不僅是金融合同，還包括電力的實(shí)際交付。當(dāng)電能量市場(chǎng)的價(jià)格超過合同執(zhí)行價(jià)格時(shí)，容量提供商必須保證合同規(guī)定容量的可用性，否則將支付罰款。

意大利、愛爾蘭、美國(guó)部分市場(chǎng)和哥倫比亞均引入了可靠性期權(quán)機(jī)制。

3.3 PJM容量保障機(jī)制分析

美國(guó) PJM容量市場(chǎng)(又稱可靠性定價(jià)模型)運(yùn)行時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，被視為容量保障機(jī)制的典范。美國(guó)PJM容量市場(chǎng)機(jī)制包括容量市場(chǎng)的需求曲線確定和容量市場(chǎng)結(jié)算方式兩部分。通過調(diào)整需求曲線參數(shù)體現(xiàn)全系統(tǒng)容量需求、釋放價(jià)格指導(dǎo)信號(hào)，從而引導(dǎo)發(fā)電企業(yè)投資及運(yùn)營(yíng)；通過容量市場(chǎng)結(jié)算可將合理的市場(chǎng)價(jià)格傳導(dǎo)到用戶[21]。

PJM依據(jù)新發(fā)電資源新進(jìn)入機(jī)組凈成本(cost of entry, net CONE)制定容量需求曲線。CONE是指扣除運(yùn)營(yíng)成本后的凈收入， net CONE是指CONE與PJM能量和輔助服務(wù)市場(chǎng)預(yù)期收入相抵后的凈收入。為避免出現(xiàn)容量過剩，PJM不允許現(xiàn)存容量資源申報(bào)價(jià)格低于新進(jìn)入市場(chǎng)資源成本，實(shí)現(xiàn)存量與新增容量同臺(tái)競(jìng)爭(zhēng)，該機(jī)制以更低的容量成本滿足系統(tǒng)發(fā)電資源充裕性與可靠性要求。表3為2020年P(guān)JM容量市場(chǎng)各類型電源net CONE值。

表3 PJM容量市場(chǎng)各類型電源凈成本標(biāo)準(zhǔn)[21]Table 3 2020 net CONE values for different resource types in PJM RPM

PJM現(xiàn)行的容量機(jī)制從2007年實(shí)現(xiàn)以來(lái)運(yùn)行平穩(wěn)，有效刺激了發(fā)電側(cè)投資。2019年容量市場(chǎng)在PJM的批發(fā)市場(chǎng)成本中占比為22.4%。但由于該機(jī)制核心需求曲線主要依據(jù)PJM過去的運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)制定，具有一定的主觀隨意性，對(duì)未來(lái)容量充裕度下新增發(fā)電凈成本的預(yù)估準(zhǔn)確度實(shí)際會(huì)影響市場(chǎng)價(jià)格水平。

3.4 國(guó)外電力市場(chǎng)容量保障機(jī)制的設(shè)計(jì)要素

國(guó)外容量保障機(jī)制設(shè)計(jì)主要考慮了以下3個(gè)要素：

1)容量需求水平確定。現(xiàn)階段，反映用戶容量需求與對(duì)供電可靠性偏好的有效市場(chǎng)機(jī)制尚未形成，容量需求水平一般由電力監(jiān)管部門或調(diào)度機(jī)構(gòu)基于對(duì)供電可靠性的評(píng)估，以行政規(guī)劃形式確定所需的備用容量裕度。

國(guó)際上通常按照以下步驟確定系統(tǒng)備用容量裕度，從而確定容量需求：首先，采用概率模擬，如蒙特卡洛模擬，來(lái)估算失負(fù)荷概率(loss of load probability, LOLP)、失負(fù)荷期望(loss of load expectation, LOLE)、電力不足小時(shí)數(shù)(loss of load hours, LOLH)或缺供電量期望(expected unserved energy, EUE)等電力系統(tǒng)供電可靠性標(biāo)準(zhǔn)。不同地區(qū)可靠性標(biāo)準(zhǔn)不同，例如歐盟部分成員國(guó)規(guī)定電力不足小時(shí)數(shù)為每年3～4 h，北美地區(qū)更多采用十年一遇準(zhǔn)則，即10年內(nèi)發(fā)生停電事故不超過1次(LOLE為0.1)或10年內(nèi)發(fā)生停電事故時(shí)間不超過24 h(年度LOLH為2.4 h)，澳大利亞目前采用缺供電量期望(EUE)為0.002%作為可靠性標(biāo)準(zhǔn)，即10萬(wàn)kW·h電力需求中停電電量低于2 kW·h。然后，基于可靠性標(biāo)準(zhǔn)形成規(guī)劃備用裕度。例如NERC要求火電為主的系統(tǒng)備用裕度不低于15%，水電為主的系統(tǒng)不低于10%。最后，根據(jù)電力系統(tǒng)負(fù)荷峰值與備用容量裕度之和確定系統(tǒng)容量需求。

2)確定價(jià)格形成機(jī)制。集中競(jìng)爭(zhēng)是形成價(jià)格最高效的方式。容量拍賣、容量義務(wù)等面向全體的容量保障機(jī)制，需要構(gòu)建考慮發(fā)電資源充裕性與激勵(lì)新投資所需的補(bǔ)償水平的容量需求曲線，由容量提供商根據(jù)可提供容量水平進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)。戰(zhàn)略備用等面向特定目標(biāo)的容量保障機(jī)制需要明確集中競(jìng)爭(zhēng)中應(yīng)考慮的成本。

3)選取合理的發(fā)電資源。不同發(fā)電技術(shù)提供發(fā)電容量的可靠性不同，燃?xì)鈾C(jī)組啟停和爬坡速度快，負(fù)荷跟隨能力強(qiáng)，容量可信度較高。風(fēng)電雖然在某些時(shí)段有較高的負(fù)荷系數(shù)，但由于風(fēng)速等氣象因素影響，出力的間歇性與波動(dòng)性較強(qiáng)，在電力需求緊張時(shí)不能保證容量可用性，容量可信度較低(如表4)。因此，設(shè)計(jì)容量保障機(jī)制時(shí)應(yīng)當(dāng)選擇合理的發(fā)電資源。

表4 美國(guó)電力市場(chǎng)風(fēng)電容量可信度與計(jì)算方法[22]Table 4 Wind capacity credit and calculation methods in US

4 對(duì)我國(guó)容量保障機(jī)制設(shè)計(jì)的建議

我國(guó)正處于能源轉(zhuǎn)型的重要階段，電網(wǎng)容量裕度整體來(lái)看比較充足，但系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)資源不足，可再生能源消納壓力持續(xù)增加，系統(tǒng)運(yùn)行靈活性問題正成為制約我國(guó)清潔能源進(jìn)一步發(fā)展的主要問題。引導(dǎo)可再生能源在系統(tǒng)中的高比例應(yīng)用，在保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，促進(jìn)可再生能源大規(guī)模充分利用，是我國(guó)容量保障機(jī)制設(shè)計(jì)需要達(dá)成的目標(biāo)。

4.1 我國(guó)電力系統(tǒng)靈活性與可靠性現(xiàn)狀

2009—2019年我國(guó)發(fā)電裝機(jī)容量構(gòu)成與發(fā)電量占比構(gòu)成如表5、6所示[23]。近十年來(lái)，我國(guó)清潔能源產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，風(fēng)電和光伏裝機(jī)容量已達(dá)全球第1。但相較于歐美高比例新能源電力系統(tǒng)，我國(guó)新能源發(fā)電量占比仍較低。一方面，我國(guó)風(fēng)電光伏資源與用電負(fù)荷整體呈遠(yuǎn)距離逆向分布，本地化充分消納難度大；另一方面，我國(guó)電源結(jié)構(gòu)中調(diào)節(jié)能力較強(qiáng)的燃?xì)怆姀S和有蓄水能力的水電裝機(jī)規(guī)模較小，并且其中有相當(dāng)一部分為受“以熱定電”限制的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，系統(tǒng)靈活性有限。

系統(tǒng)運(yùn)行可靠性方面，2018年我國(guó)全口徑用戶平均停電時(shí)間為4.77 h/戶[24]，落后歐美國(guó)際領(lǐng)先水平國(guó)家和地區(qū)，供電可靠性位于第2梯隊(duì)(如圖3所示)，電力系統(tǒng)發(fā)電設(shè)備、供電設(shè)備可靠性有待進(jìn)一步提升。

表5 2009—2019年中國(guó)發(fā)電裝機(jī)構(gòu)成Table 5 China installed capacity Mix during 2009—2019TW

表6 2009—2019年中國(guó)發(fā)電量構(gòu)成占比Table 6 China generation percentage by technology during 2009—2019

4.2 區(qū)域容量保障機(jī)制協(xié)調(diào)

自2015年新一輪電力體制改革以來(lái)，在“統(tǒng)一市場(chǎng)，兩級(jí)運(yùn)作”的電力市場(chǎng)框架體系下，省內(nèi)市場(chǎng)與省間市場(chǎng)建設(shè)協(xié)同開展。省內(nèi)市場(chǎng)定位為優(yōu)化省內(nèi)資源配置，確保電力供需平衡與電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行；省間市場(chǎng)定位為促進(jìn)可再生能源跨省消納和省間余缺互濟(jì)，實(shí)現(xiàn)送端省份省內(nèi)富余電力在全國(guó)范圍優(yōu)化配置。

引入容量保障機(jī)制時(shí)，應(yīng)考慮外部容量資源對(duì)供電安全、電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效率、輸電聯(lián)絡(luò)線容量分配以及電能量市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)等方面的影響，并重點(diǎn)研究區(qū)域容量保障機(jī)制與現(xiàn)貨電能量市場(chǎng)的銜接。如圖4所示，A、B兩區(qū)通過聯(lián)絡(luò)線互聯(lián)，其中，A區(qū)電源裝機(jī)容量高于其負(fù)荷峰值，B區(qū)電源裝機(jī)容量不能滿足其負(fù)荷峰值，存在高峰電力缺口，市場(chǎng)價(jià)格高。若B區(qū)在電能量市場(chǎng)之外設(shè)置了允許外部容量資源參與的容量保障機(jī)制，則A區(qū)的發(fā)電資源出于逐利訴求，會(huì)更傾向于參與B區(qū)電力市場(chǎng)，發(fā)電投資商也會(huì)更傾向于在B區(qū)進(jìn)行新的電源建設(shè)，長(zhǎng)期來(lái)看可能導(dǎo)致A、B兩地的容量充裕度水平發(fā)生變化。

圖3 2018年各國(guó)用戶平均停電時(shí)間對(duì)比[24]Fig.3 SAIDI global comparison

圖4 區(qū)域外容量資源交換Fig.4 Cross-zone capacity resource exchange

4.3 歐美經(jīng)驗(yàn)對(duì)我國(guó)的啟示

1)容量保障機(jī)制設(shè)計(jì)。

參考?xì)W美電力市場(chǎng)容量保障機(jī)制經(jīng)驗(yàn)，容量保障機(jī)制包含以下環(huán)節(jié)：

(1) 明確供電可靠性標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)電力市場(chǎng)范圍內(nèi)的發(fā)電資源充裕性進(jìn)行評(píng)估，對(duì)容量需求進(jìn)行測(cè)算；

(2) 明確電力系統(tǒng)容量的需求水平與發(fā)電容量?jī)r(jià)格機(jī)制確定方式；

(3) 明確容量資源提供方，包括由發(fā)電側(cè)提供或由用戶側(cè)提供，由存量電源提供或增量電力提供，由本地資源提供或外部資源提供；

(4) 評(píng)估各類型容量資源的影響和容量保障機(jī)制實(shí)施成本，最終確定各類容量資源參與方式。

2)提升電力系統(tǒng)新能源發(fā)電量占比方式。

新能源發(fā)電量占比增加可以通過提升電力系統(tǒng)靈活性與引導(dǎo)新能源參與市場(chǎng)交易2種方式實(shí)現(xiàn)。

通過電力市場(chǎng)釋放合理的價(jià)格信號(hào)，引導(dǎo)遠(yuǎn)距離輸電線路、靈活性調(diào)節(jié)電源、需求側(cè)響應(yīng)資源的合理投資，激勵(lì)現(xiàn)有火電機(jī)組進(jìn)行靈活性改造，增加系統(tǒng)發(fā)用兩側(cè)的供需彈性，提升我國(guó)電力系統(tǒng)靈活性和清潔能源利用水平，適應(yīng)新能源大規(guī)模并網(wǎng)，支撐我國(guó)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型。

為引導(dǎo)新能源參與市場(chǎng)交易，應(yīng)當(dāng)推進(jìn)統(tǒng)一電力市場(chǎng)框架下現(xiàn)貨市場(chǎng)建設(shè)，設(shè)置符合新能源出力特性的高頻次短時(shí)交易品種，提高新能源的市場(chǎng)參與主動(dòng)性和積極性，在更大市場(chǎng)范圍充分消納新能源。

3)從區(qū)域的視角考慮容量保障機(jī)制構(gòu)建。

在當(dāng)前“統(tǒng)一市場(chǎng)，兩級(jí)運(yùn)作”的電力體制改革背景下，容量保障機(jī)制應(yīng)當(dāng)從區(qū)域甚至全國(guó)范圍的容量資源協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)電力資源的最優(yōu)化配置?？梢酝ㄟ^以下兩種方式構(gòu)建區(qū)域容量保障協(xié)調(diào)機(jī)制：結(jié)合輸電聯(lián)絡(luò)線容量限制，在區(qū)域內(nèi)各電力系統(tǒng)評(píng)估各自發(fā)電充裕性時(shí)考慮相鄰電力系統(tǒng)的電力容量貢獻(xiàn)；通過在區(qū)域范圍內(nèi)制定統(tǒng)一的可靠性標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一評(píng)估區(qū)域整體容量需求，從而實(shí)現(xiàn)區(qū)域范圍內(nèi)容量資源的優(yōu)化配置。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文在電力市場(chǎng)設(shè)計(jì)對(duì)電力系統(tǒng)發(fā)電充裕性與電力市場(chǎng)自身可持續(xù)性的影響分析基礎(chǔ)上，通過量化分析新能源的引入對(duì)電力系統(tǒng)最優(yōu)裝機(jī)組合的影響，討論了新能源滲透率對(duì)單一電力市場(chǎng)各類電源成本回收的影響，證明了容量保障機(jī)制的必要性；通過對(duì)比分析國(guó)外容量保障機(jī)制設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)因素與目的，并以美國(guó)PJM為例分析了PJM RPM容量保障機(jī)制，以便了解各容量保障機(jī)制的共性與差異，同時(shí)總結(jié)了國(guó)外經(jīng)驗(yàn)對(duì)我國(guó)容量保障機(jī)制設(shè)計(jì)的啟示，為我國(guó)在電力市場(chǎng)環(huán)境下適應(yīng)新能源發(fā)展的容量保障機(jī)制設(shè)計(jì)提供了參考。

本文分析表明，采用容量保障機(jī)制驅(qū)動(dòng)因素差異很大，主要取決于電力系統(tǒng)資源特點(diǎn)、電網(wǎng)架構(gòu)、電力市場(chǎng)設(shè)計(jì)以及對(duì)保障供電安全的備用容量需求。但無(wú)論采用哪種容量保障機(jī)制設(shè)計(jì)，其最終目的都是對(duì)電力批發(fā)市場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)充，以保障發(fā)電資源充裕性與供電可靠性，從而維持電力系統(tǒng)與電力市場(chǎng)的可持續(xù)性。而關(guān)于容量保障機(jī)制設(shè)計(jì)中具體可靠性標(biāo)準(zhǔn)制定、新能源發(fā)電可靠性核算、容量需求測(cè)算、容量?jī)r(jià)格形成機(jī)制、需求側(cè)響應(yīng)的參與方式以及省內(nèi)容量保障機(jī)制設(shè)計(jì)與省間市場(chǎng)協(xié)調(diào)機(jī)制等問題都有待進(jìn)一步深入研究。