陳皓勇

（華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東省 廣州市 510641）

0 引言

近年來，由于社會經(jīng)濟發(fā)展對化石能源的過度依賴，能源資源日漸枯竭，同時大量碳排放也導(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)運行帶來越來越嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。國際社會一致認為需要對氣候變化采取緊迫行動和強有力的國際合作?！疤贾泻?carbon neutral 或 carbon neutrality)”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，來達到平衡。目前已有數(shù)十個國家和地區(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年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和?！?本文簡稱為“雙碳”目標(biāo))。2021年3月15日，習(xí)近平總書記主持召開中央財經(jīng)委員會第九次會議，進一步明確了實現(xiàn)碳達峰、碳中和的基本思路及主要舉措。會議特別強調(diào)：“實施可再生能源替代行動，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)電機組、新建配備碳捕獲、利用與封存(carbon capture，utilization and storage，CCUS)裝置的化石能源發(fā)電機組和提高清潔能源(特別是風(fēng)、光等可再生能源)裝機占比等。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，出力具有極強的不確定性，在進行規(guī)劃、運行決策時要確保系統(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和電力市場設(shè)計帶來重大挑戰(zhàn)[1-2]，本文擬進行初步探討。

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間2020年8月14日15:20，加州獨立系統(tǒng)運營商(CAISO)宣布電網(wǎng)進入二級緊急運行狀態(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年加州電力危機以來近20年的第一次三級緊急運行狀態(tài)警告，并對居民用戶實施輪流停電。隨后，8月15日18:28，CAISO又發(fā)布了二級和三級緊急運行狀態(tài)警告各一次并采取切負荷措施。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行狀態(tài)。從當(dāng)?shù)貢r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)貨市場價格也達到9 000美元/(MW·h)的上限。美國總統(tǒng)拜登相繼批準(zhǔn)得州進入緊急狀態(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CS Energy，由律師事務(wù)所Piper Alderman代表50 730多名電力客戶提出，稱Stanwell和CS Energy人為操縱了電力定價系統(tǒng)(electricity pricing system)并讓消費者承擔(dān)了過高的電費。2021年2月22日，美國聯(lián)邦能源管理委員會(FERC)宣布將啟動一項新的議程來調(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，也淘汰了大部分傳統(tǒng)發(fā)電機組，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)特性尚未被認識清楚。這將增加系統(tǒng)的安全風(fēng)險，一系列運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)計的爭論

2.1 得州停電事件分析

美國當(dāng)?shù)貢r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告(下簡稱“ERCOT報告”)，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 59.4 Hz以下長達4 min 23 s(美國電網(wǎng)的額定頻率為60 Hz)，而如果電網(wǎng)頻率跌至59.4 Hz以下超過9 min后，將觸發(fā)發(fā)電機組低頻保護而使更多機組跳閘，可能使得系統(tǒng)功率缺額進一步擴大而造成全州大停電的更嚴(yán)重事故。由ERCOT的官方報告可以看出，由于負荷削減等應(yīng)對措施及時，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報告介紹了2月14日—2月19日發(fā)電容量停運(包括強迫停運和計劃停運)的總體情況(最大停運容量達總裝機容量的 48.6%，即52 277 MW)，以及按一次能源分類的發(fā)電容量停運的情況。與最初的估計不同，其中停運最多的是天然氣發(fā)電機組，其次才是風(fēng)電，而煤電、核電和光伏停運容量較少。得州是美國能源第一大州，石油和天然氣資源極為豐富，平時以電價低聞名。目前 ERCOT轄區(qū)內(nèi)發(fā)電總裝機容量為107 514 MW，根據(jù) 2020年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，其中51.0%為天然氣機組，24.8%為風(fēng)力發(fā)電機組，13.4%為煤電機組，4.9%為核電機組，3.8%為光伏發(fā)電機組，1.9%為其他機組，0.2%為儲能。由于美國天然氣發(fā)電機組大多采用管道即時供氣，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報告給出了從2月13日—2月21日的日前和實時電價變化情況，以及市場參與者所采用的基本風(fēng)險對沖措施。ERCOT日前市場電價和實時市場電價曾經(jīng)一度飆升至9 000美元/(MW·h)的價格上限。雖然市場主體可能采取了一些風(fēng)險對沖措施，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21億美金電費賬單，得州最大、建立時間最長的電力合作公司布拉索斯電力(Brazos Electric Power Cooperative Inc)在休斯敦申請破產(chǎn)保護。同一天，得克薩斯州檢察長Ken Paxton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，而實際上電力用戶收到天價電費單的根本原因只不過是格里迪公司是以日前、實時市場批發(fā)價格與其所代理的用戶結(jié)算電費的。格里迪公司最終于3月15日向法院提交了破產(chǎn)申請。事件的其他細節(jié)可參考文獻[7]，本文不再贅述。

2.2 美國有關(guān)電力市場設(shè)計的爭論

實際上，在美國有關(guān)電力市場設(shè)計的爭論由來已久[8]。在2017年9月28日時任能源部長的Rick Perry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)市場價格形成機制也受到質(zhì)疑，甚至認為已威脅到美國電網(wǎng)安全和國家安全。Rick Perry敦促FERC立即采取行動，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，并制定新的市場規(guī)則來實現(xiàn)這一緊迫目標(biāo)[9]。在此前美國能源部給部長的報告中，重點研究了當(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)市場的價格形成機制[10]。由于認為能源部理由不充分，2018年1月8日，F(xiàn)ERC暫停市場規(guī)則的修改并啟動一項新的對各大RTO/ISO所運營區(qū)域的大電網(wǎng)彈性進行評估的行動。Rick Perry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，以進一步評估使我們的電網(wǎng)的長期彈性面臨風(fēng)險的市場扭曲。按照原先的意圖，我的提案啟動了關(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”(Polar Vortex)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)下的電能價值分析

3.1 “雙碳”目標(biāo)下電能價值的多樣化

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)、光等新能源的隨機性和波動性，給電網(wǎng)的調(diào)度運行帶來諸多困難，如何提高電力系統(tǒng)靈活性已成為各方關(guān)注的焦點。2018年 11月 13日國際能源署(International Energy Agency)發(fā)布的世界能源展望(World Energy Outlook 2018)提出“靈活性是電力系統(tǒng)的新口號(Flexibility is the new watchword for power systems)”。

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))的電能價值問題進行初步分析。

電力定價和電力市場設(shè)計應(yīng)以對電能價值規(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)化運行原理的數(shù)學(xué)模型，它是一個大規(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格密切相關(guān)[2]。

3.2 電能商品品質(zhì)及定價機制

“同質(zhì)同價”是市場中商品定價的基本原則，因此有必要對電能商品品質(zhì)問題進行深入分析。我們常說的電能的同質(zhì)性是從物理學(xué)意義上來說的，而實際上電力市場交易是電力系統(tǒng)調(diào)度運行層面的問題[12]。由于電能難以大量儲存，發(fā)用功率必須實時平衡，從對電力系統(tǒng)調(diào)度運行和功率平衡的影響，本文認為電能商品品質(zhì)應(yīng)從波動性、可控性、隨機性3個維度進行衡量。其中波動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(負荷)所消費的電能商品品質(zhì)排級如表1所示。注意這里是對電能商品的品質(zhì)進行排級，而不是給電源或負荷“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(消費者)，商品品質(zhì)的價值內(nèi)涵是不同的。從定價原則來講，對于供方，電能商品品質(zhì)越高，定價越高；對于需方，電能商品品質(zhì)越高，定價越低(即價格越優(yōu)惠)，甚至可以享受負電價。也就是說供方所生產(chǎn)的低品質(zhì)電能商品(如風(fēng)電)可以較低價提供需方的高品質(zhì)電能商品消費(如需求側(cè)響應(yīng))，反之亦然。

表1 電能商品品質(zhì)排級Tab. 1 Ranking of electricity commodity qualities

傳統(tǒng)電力現(xiàn)貨市場基于實時電價(spot pricing)理論而建立，采用分時段邊際統(tǒng)一出清方式。其隱含的假設(shè)為同一時段的電能商品都是同質(zhì)的，由于未考慮不同類型發(fā)電機組在負荷曲線上所處的位置，也未考慮發(fā)電功率變化的時間動態(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)特征及價值。

為強調(diào)時間因素在電能商品中的作用，重新定義圖 1所示的由功率-時間對組成的連續(xù)時間電能商品模型(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，即退化為實時電價理論中的分時電能商品模型。

由于功率是時間的函數(shù)，所以該連續(xù)時間電能商品模型也可寫成[P(t),t](t1≤t≤t2)的形式，在實時電價定義中的功率點變成定義于(t1,t2)時間區(qū)間的一個函數(shù)，需要用無窮維空間上的泛函分析、變分法等數(shù)學(xué)理論進行分析。引入連續(xù)時間電能商品模型后，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)時間的泛函優(yōu)化問題。

圖1 連續(xù)時間電能商品模型Fig. 1 Continuous time electricity commodity model

在此基礎(chǔ)上，可提出一種按負荷持續(xù)時間、即數(shù)學(xué)上稱為“測度”定價的電力市場機制。即認為同一負荷持續(xù)時間的電能商品價格是相同的；而負荷持續(xù)時間改變時，價格相應(yīng)地發(fā)生變化，持續(xù)時間越短，價格越高(其經(jīng)濟含義為峰荷機組電能價格比基荷機組高)，具體分析可參考文獻[13]。

3.3 電能價值規(guī)律的初步分析

實時電價是基于經(jīng)典微觀經(jīng)濟學(xué)中的社會福利最大化原理形成的，在實際電力市場中一般由SCUC、SCED等短期運行優(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，對于同一個發(fā)電廠(即由多個相同顏色的小矩形組成的橫條)，隨時間不同所生產(chǎn)的電能商品的品質(zhì)是不同的，這并不符合電力系統(tǒng)運行的實際情況；而對同一時段(不同顏色組成的豎條)，認為所有電能商品都是同質(zhì)的，無法區(qū)別基荷、腰荷和峰荷機組區(qū)別明顯的技術(shù)特征及價值。

圖2 電能商品概念示意圖Fig. 2 Illustration of electricity commodity model

在按負荷持續(xù)時間定價的市場機制中，認為同一負荷持續(xù)時間的電能商品品質(zhì)和價值是相同的；而負荷持續(xù)時間改變時，所需電能商品品質(zhì)相應(yīng)地發(fā)生變化，持續(xù)時間越短，靈活性越好的電能商品品質(zhì)越高，價值也越高。在這種假設(shè)下，圖 3中，對于同一個發(fā)電廠(同一顏色的橫條)，在持續(xù)同一輸出功率的時間區(qū)間內(nèi)，其生產(chǎn)電能商品的品質(zhì)和價值是相同的，而對同一時段(豎條)，基荷、腰荷和峰荷機組所生產(chǎn)的電能商品品質(zhì)和價值是不同的。這種假設(shè)與實際電力系統(tǒng)電能價值分布一致。

圖3 市場機制下的電力電量平衡示意圖Fig. 3 Schematic diagram of electric power/energy balance in electricity markets

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)的運行機理和穩(wěn)定特性更加復(fù)雜，電能價值將更加復(fù)雜化。除了傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的容量價值、電量價值，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間可以看出，長期和短期發(fā)電組合(generation mix)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)計和運營帶來重大挑戰(zhàn)，需要進一步深入研究。

4 “雙碳”目標(biāo)下的電力市場機制設(shè)計

4.1 “雙碳”目標(biāo)下電力市場機制設(shè)計的基本思路

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)的基于實時電價理論的電力批發(fā)市場設(shè)計忽略了電能生產(chǎn)和消費的時間連續(xù)性這個十分重要的特征，也無法根據(jù)功率的時間動態(tài)特性分辨不同品質(zhì)的電能商品并進行合理定價。在這種定價方式下，由于光伏、風(fēng)電近零邊際成本的特點，使得市場出清價格降低，甚至出現(xiàn)負值，將傳統(tǒng)火電、核電在以邊際成本為準(zhǔn)的競價交易中擠出，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，光伏和風(fēng)電的隨機性、波動性，給電力系統(tǒng)的運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)濟激勵。在“雙碳”目標(biāo)下，設(shè)計正確體現(xiàn)不同品質(zhì)電能價值的新市場機制十分關(guān)鍵。

電能的生產(chǎn)和使用都具有時間連續(xù)性，無論對于發(fā)電商還是電力負荷，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”填充負荷曲線下的面積，實現(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)、實時)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行發(fā)電組合(即運行方式)和內(nèi)涵不同的價格。主能量交易可采用分段競價(或水平拍賣)或合約交易機制，實時平衡與輔助服務(wù)交易采用分時競價(或垂直拍賣)機制[14-15]。對于基荷、腰荷機組(負荷)，即圖3中的橫向“能量塊”，可按負荷持續(xù)時間定價，進行集中競價或開展合約交易[13]。對于峰荷機組(或需求側(cè)響應(yīng)資源)，基于實時電價，針對圖3中的綠色和褐色縱向“能量塊”進行集中競價。

在“能量塊”交易的初級階段，可采用比較簡單的分時段交易。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)改運行〔2020〕1784號)中，為拉大峰谷差價，明確提出“交易雙方簽訂分時段合同”(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范圍內(nèi)消納，并以比市場最低價更低的價格結(jié)算電量。在這種情況下，系統(tǒng)總負荷扣除可再生能源機組出力后，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。

如果采用按負荷持續(xù)時間的定價方式，負荷曲線斜率越大、形狀越陡時，功率變化速度快、負荷持續(xù)時間短的調(diào)峰機組，能獲得更高的電價收入。因此，該定價機制能合理反映不同電源電能品質(zhì)對電力系統(tǒng)安全運行和全系統(tǒng)效益最優(yōu)所貢獻的價值。此外，可再生能源機組和傳統(tǒng)能源機組不再集中統(tǒng)一排序，前者也不會影響后者的定價。這種新的定價方式將有利于促進高比例新能源消納，也確保傳統(tǒng)能源機組獲得合理回報[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，參與分時交易的輔助服務(wù)市場。智利是世界上第一個進行電改的國家，為鼓勵可再生能源消納并增加競爭，2014年引入了時間跨度長達 20年的帶時標(biāo)的能量塊(time block)交易，允許發(fā)電機在一天中針對特定的時段進行投標(biāo)，而不是限定必須24 h供應(yīng)電力。智利的帶時標(biāo)能量塊交易取得了預(yù)期的效果，增強了競爭，促進了可再生能源消納，電價大幅下跌，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(flexible ramping product)交易，取得了良好的效果。如圖 4所示，深藍色曲線表示預(yù)測凈負荷(FNL)，即系統(tǒng)總負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)測凈負荷可減小至(FNL-)，其中包括了向下不確定性 DU。在第t時段采購靈活爬坡產(chǎn)品，要覆蓋從t到t+1時段的凈負荷增長/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)品實際上屬于一種爬坡能力的備用，涉及一定的時間跨度，與作者提出的基于連續(xù)時間商品模型的電力市場定價理論的內(nèi)在邏輯是一致的。

我國在實踐中總結(jié)出來的深度調(diào)峰定價方式值得肯定。該定價方式首先在東北電力輔助服務(wù)市場建立，并且在全國推廣。作為國家電力體制改革專項試點，自2017年1月在東北地區(qū)啟動以來成效顯著，深入挖掘了電網(wǎng)調(diào)峰潛力，促進了風(fēng)電核電等清潔能源消納，顯著提高了電網(wǎng)安全運行水平和供熱可靠性。東北調(diào)峰服務(wù)市場根據(jù)火電機組調(diào)峰深度的不同，采用“階梯式”補償及分?jǐn)倷C制，按照非線性比例“多減多得、少減多罰”的原則加大獎罰力度，以激勵發(fā)電企業(yè)加大提供調(diào)峰服務(wù)的意愿。調(diào)峰服務(wù)分為基本(無償)調(diào)峰服務(wù)以及有償調(diào)峰服務(wù)(針對靈活性供方)。基本調(diào)峰服務(wù)指機組調(diào)峰率小于等于 48%(可根據(jù)實際情況，在征得監(jiān)管機構(gòu)同意后進行調(diào)整)時所提供的輔助服務(wù)；有償調(diào)峰服務(wù)指機組調(diào)峰率大于48%或按調(diào)度要求進行啟停調(diào)峰所提供的服務(wù)。發(fā)電企業(yè)須在日前提交有償調(diào)峰服務(wù)報價，對報價設(shè)置區(qū)間限制，通過報價的高低來確定次日各電廠提供有償調(diào)峰服務(wù)的先后順序。假設(shè)某火電廠提供了深度調(diào)峰有償調(diào)峰服務(wù)，其發(fā)電曲線如圖5所示，則以每檔出清電價與積分電量計算每檔補償，三檔補償總計為其補償費用。由于火電機組參與深度調(diào)峰有必要進行穩(wěn)燃技術(shù)改造，并且可能需要投油，增大發(fā)電成本，這種降低發(fā)電功率反而增大成本的情況是無法通過國外電力市場的現(xiàn)貨價格來真實反映的。對于調(diào)峰服務(wù)費用分?jǐn)偡绞剑瑬|北調(diào)峰輔助服務(wù)市場首次引入“階梯式”分?jǐn)倷C制。當(dāng)發(fā)生深度調(diào)峰時(針對靈活性需方)，為鼓勵火電廠加大調(diào)峰力度，對火電廠在負荷率在 80%以上部分電量承擔(dān)分?jǐn)偨痤~×折算系數(shù)2.0；負荷率在70%～80%之間的電量承擔(dān)分?jǐn)偂琳鬯阆禂?shù) 1.5；其余電量折算系數(shù)為1.0。費用分?jǐn)傇砣鐖D6所示。

圖5 深度調(diào)峰服務(wù)(靈活性供方)定價原理Fig. 5 Pricing principle of deep peak shaving service(flexible supplier)

圖6 深度調(diào)峰服務(wù)(靈活性需方)費用分?jǐn)傇鞦ig. 6 Cost sharing principle of deep peak shaving service (flexible demander)

作為適合我國國情的靈活性資源市場化交易的初步嘗試，東北調(diào)峰服務(wù)市場可算是成功的，但也有一些缺陷，特別是人為指定的參數(shù)太多，需要在實踐中進一步深入研究。

4.4 “雙碳”目標(biāo)下電能的容量價值

雖然電力現(xiàn)貨市場是世界各國電力市場的共同組成部分。但是，如前所述，現(xiàn)貨市場價格信號對于激勵新建發(fā)電容量、保障電力長期平穩(wěn)供應(yīng)方面的作用是存疑的，更難以引導(dǎo)出合理的長期規(guī)劃發(fā)電組合(即電源結(jié)構(gòu))。從國際經(jīng)驗來看，為保障長期電力供給安全(充裕性)，目前包括美國(PJM、紐約、新英格蘭)、英國等在內(nèi)的電力市場都已建立起配套的容量市場機制[16-17]。

以美國PJM容量市場為例，1998年P(guān)JM建立了容量信用市場。由于市場操縱等問題，2007年 PJM 采用可靠性定價模式(reliability pricing model，RPM)取代容量信用市場，并于當(dāng)年4月開始正式運行。RPM容量市場是由多重拍賣市場組成的，包括 1個基本拍賣市場(base residual auction)、3個追加拍賣市場(incremental auction)和1個雙邊市場。市場成員由容量擁有者和負荷服務(wù)商組成?；九馁u市場提前3年舉行。PJM根據(jù)對3年后的負荷預(yù)測，組織容量擁有者競價，以滿足電網(wǎng)3年后的機組容量需求，購買容量的費用根據(jù)相關(guān)規(guī)則分?jǐn)偨o負荷服務(wù)商。

值得注意的是，雖然容量市場在一定程度上解決了發(fā)電容量投資不足的問題，但也爭議不斷。隨著可再生能源的大規(guī)模接入，問題更加尖銳。作者在針對兩部制電價(電量電價+容量電價)和容量市場的理論分析中曾斷言[18]，采用基于兩部制電價的管制容量市場將導(dǎo)致以下問題：1）管制的而非經(jīng)濟的容量目標(biāo)；2）人為的供電聯(lián)營組織規(guī)模，導(dǎo)致扭曲的電能價格(偏低)；3）繼續(xù)靠供給方平衡市場，而不是讓負荷隨反映邊際運行成本和容量緊缺程度的一部制價格變化；4）不能公平接納不提供“額定”的發(fā)電和備用容量分額的供給方技術(shù)。根據(jù)自然資源保護委員會(Natural Resources Defense Council)和塞拉俱樂部(Sierra Club)在 2020年 2月提交的報告(Over-Procurement of Generating Capacity in PJM:Causes and Consequences)，這些結(jié)論均已被PJM容量市場20年來的實踐所證實[19]。

此外，由我國學(xué)者言茂松教授首創(chuàng)的當(dāng)量電價(或電能價值當(dāng)量分析)方法將發(fā)電機組的容量、電量的成本和效益綜合為單一電價，精準(zhǔn)地體現(xiàn)了老電廠、新電廠、水電廠、火電廠、電量限制、外購電等不同類型電源在系統(tǒng)中所承擔(dān)的功能及其價值，而且克服了實時電價“短視”的缺陷，特別符合發(fā)展中國家對電價制定的要求。另外，當(dāng)量電價定價方法基于持續(xù)負荷曲線進行定價，自然地區(qū)分了基荷、腰荷和峰荷電能的不同價值，符合電能生產(chǎn)和消費的價值規(guī)律?？紤]長期電源優(yōu)化規(guī)劃的電力定價模型及市場設(shè)計將有助于引導(dǎo)合理的電源結(jié)構(gòu)并確保電力市場的“穩(wěn)健性”，并為涵蓋電力投融資政策的“大電力市場”建設(shè)和產(chǎn)業(yè)重組奠定理論基礎(chǔ)[18,20-22]。

電力行業(yè)是中國特色社會主義市場經(jīng)濟的重要組成部分，電力市場化改革應(yīng)在中國特色社會主義政治經(jīng)濟學(xué)理論的指導(dǎo)下進行。以孫冶方、顧準(zhǔn)為代表的新中國第一代經(jīng)濟學(xué)家們都非常重視價值規(guī)律的研究與應(yīng)用[23]，電力定價和電力市場設(shè)計也應(yīng)建立在電能價值規(guī)律的基礎(chǔ)之上，當(dāng)量電價理論是價值規(guī)律理論在電力行業(yè)應(yīng)用的范例，為“雙碳”目標(biāo)下的電力定價和電力市場設(shè)計提供了重要的科學(xué)方法論，應(yīng)結(jié)合新形勢進一步加以研究和應(yīng)用。

5 結(jié)論

隨著“雙碳”目標(biāo)的提出，“控制化石能源總量，著力提高利用效能，實施可再生能源替代行動，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)”的舉措將使電源結(jié)構(gòu)和電網(wǎng)特性出現(xiàn)重大變化，在為我國電力行業(yè)的發(fā)展帶來重大機遇的同時，也存在一定的風(fēng)險和挑戰(zhàn)。結(jié)合近期全球電力市場典型事故的介紹和原因分析，重點探討了電源結(jié)構(gòu)的變化所引起的安全風(fēng)險和電能價值的多樣化等問題，分析了電力市場體制機制所面臨的挑戰(zhàn)，并提出了初步解決思路。

電能價值(或成本)分析是電力經(jīng)濟與電力市場的核心基礎(chǔ)理論，而且是由計劃經(jīng)濟模式通往市場經(jīng)濟模式的一個橋梁。電價不但影響電力工業(yè)本身的健康發(fā)展和電力資源的優(yōu)化配置，而且影響到全社會各行各業(yè)的發(fā)展和人民群眾生活水平的提高。在計劃經(jīng)濟模式下，最理想的電價水平應(yīng)等于電能的真實價值；在市場經(jīng)濟模式下，市場電價應(yīng)圍繞電能真實價值上下波動。在可再生能源大規(guī)模接入的背景下，電能除了容量價值、電量價值，還具有靈活性、安全性和彈性價值等多種不同的價值，使得問題更加復(fù)雜，其分析和研究需要建立在對新型電力系統(tǒng)運行特性深入認識的基礎(chǔ)上并緊密結(jié)合相關(guān)經(jīng)濟學(xué)理論。因此，還有許多問題需要進一步深入研究。