王鵬, 杜瑜鈴，王雁凌，劉文宇，徐可琪，于松泰

(1.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院, 北京市 102206；2.北京電力交易中心有限公司，北京市 100031)

0 引 言

作為低碳電力建設(shè)的先行者，歐盟計(jì)劃逐步減少化石能源消費(fèi)，向以可再生能源、核能和應(yīng)用碳捕獲與封存(carbon capture and storage, CCS)技術(shù)的燃?xì)獍l(fā)電為主的低碳能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，2050年歐盟計(jì)劃將溫室氣體排放量在1990年水平上降低80%～95%[1-3]。

但可再生能源發(fā)電的強(qiáng)間歇性和弱調(diào)度靈活性給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)諸多挑戰(zhàn)。可再生能源發(fā)電份額的增加將導(dǎo)致火電利用小時(shí)數(shù)下降，并加劇火電機(jī)組的虧損，疊加碳政策、燃料價(jià)格和供需關(guān)系等的不確定性，現(xiàn)有火電廠會(huì)提前退役，新增火電廠容量投資也將不足，大幅降低電力系統(tǒng)的充裕性[4-7]。

因此電力系統(tǒng)需要對(duì)傳統(tǒng)電源及儲(chǔ)能進(jìn)行合理規(guī)劃以確保系統(tǒng)發(fā)電容量的充裕度，同時(shí)起到調(diào)節(jié)與支撐作用[1]。為了解決這一問(wèn)題多個(gè)國(guó)家建立了發(fā)電容量充裕性機(jī)制，具體包括稀缺定價(jià)機(jī)制、容量市場(chǎng)機(jī)制、容量補(bǔ)償機(jī)制和戰(zhàn)略備用機(jī)制。

稀缺定價(jià)機(jī)制是發(fā)電商通過(guò)系統(tǒng)電能和備用短缺時(shí)產(chǎn)生的尖峰電價(jià)回收成本并創(chuàng)造收益的一種機(jī)制，可以反映市場(chǎng)運(yùn)行中電能量和備用的稀缺信號(hào)以刺激發(fā)電投資[8-9]。稀缺定價(jià)機(jī)制又主要分為基于市場(chǎng)主體的稀缺價(jià)格(澳大利亞)與基于備用需求曲線的稀缺定價(jià)機(jī)制(紐約、加州、得州)兩類(lèi)。

容量市場(chǎng)機(jī)制則通過(guò)集中拍賣(mài)、雙邊協(xié)商等方式提供發(fā)電容量產(chǎn)品以保障未來(lái)可用發(fā)電容量[10-12]，主要應(yīng)用于英國(guó)電力市場(chǎng)與PJM電力市場(chǎng)[13-15]。

容量補(bǔ)償機(jī)制也稱為容量費(fèi)用補(bǔ)償機(jī)制或容量收費(fèi)機(jī)制，由政府相關(guān)部門(mén)核定補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)及范圍，對(duì)發(fā)電企業(yè)的裝機(jī)或可用容量直接支付補(bǔ)償費(fèi)用，幫助其回收固定成本[16-17]。目前采用此機(jī)制的有智利、巴西、西班牙等國(guó)家。

戰(zhàn)略備用機(jī)制指在市場(chǎng)化機(jī)組之外保留部分老舊待退役機(jī)組以及需求側(cè)資源，由系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商調(diào)度控制并保障其部分收入，確保供需緊張或極端天氣等情況下的電力供應(yīng)，而在系統(tǒng)常規(guī)運(yùn)行時(shí)，戰(zhàn)略備用機(jī)組將不被調(diào)用。在具體應(yīng)用上，主要以歐洲國(guó)家為主，包括瑞典、芬蘭、德國(guó)、比利時(shí)等[18-21]。歐洲議會(huì)和歐盟理事會(huì)推薦歐盟成員國(guó)采用戰(zhàn)略備用機(jī)制應(yīng)對(duì)充裕性問(wèn)題。戰(zhàn)略備用機(jī)制易于組織實(shí)施，可充分挖掘老舊及待退役火電機(jī)組的潛力，對(duì)電力市場(chǎng)的成熟度沒(méi)有過(guò)高要求，不易出現(xiàn)路徑依賴問(wèn)題。

在碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)下，我國(guó)將大力推動(dòng)新能源發(fā)展，火電將由主體電源轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏χ涡秃驼{(diào)峰型電源。隨著電力體制改革的縱深推進(jìn)，在電力市場(chǎng)環(huán)境下進(jìn)行電力規(guī)劃以及通過(guò)市場(chǎng)機(jī)制保障發(fā)電容量的充裕性將成為關(guān)鍵問(wèn)題，而目前相應(yīng)研究及實(shí)踐較少。本文首先介紹歐洲能源轉(zhuǎn)型過(guò)程中電力市場(chǎng)出現(xiàn)的問(wèn)題并探討發(fā)電容量充裕性機(jī)制的發(fā)展歷程，隨后詳細(xì)分析歐洲戰(zhàn)略備用機(jī)制的設(shè)計(jì)內(nèi)容及其在比利時(shí)等國(guó)的實(shí)施細(xì)節(jié)，為我國(guó)容量機(jī)制建設(shè)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。最后，進(jìn)行我國(guó)煤電戰(zhàn)略備用機(jī)制的初步探索與設(shè)計(jì)。

1 歐洲發(fā)電容量充裕性機(jī)制發(fā)展歷程

1.1 設(shè)立原因

歐洲電力行業(yè)的市場(chǎng)自由化和脫碳計(jì)劃深刻地影響了發(fā)電、交易和消費(fèi)的方式[22]，許多歐盟成員國(guó)意識(shí)到在單一電能量市場(chǎng)模式下，發(fā)電商僅通過(guò)售電或提供輔助服務(wù)獲得收入，無(wú)法有效引導(dǎo)發(fā)電投資和維持長(zhǎng)期發(fā)電容量充裕性[4]。

主要原因如下：首先，電力需求側(cè)在短期內(nèi)缺乏彈性與靈活性，難以有效響應(yīng)并參與市場(chǎng)，確保電網(wǎng)穩(wěn)定及發(fā)電充裕的責(zé)任主要由供應(yīng)側(cè)承擔(dān)。然而，監(jiān)管者為防止市場(chǎng)力濫用及電價(jià)飆升通常會(huì)設(shè)置電力市場(chǎng)價(jià)格上限，這使得承擔(dān)峰值負(fù)荷的發(fā)電廠難以回收全部成本，即“missing money”問(wèn)題[18]。

如圖1所示，發(fā)電機(jī)組基于邊際成本的報(bào)價(jià)按升序形成供給曲線，與需求曲線的交點(diǎn)即為市場(chǎng)均衡價(jià)格。圖1(a)均衡價(jià)格P*低于價(jià)格上限Pcap，可得到有效出清結(jié)果；圖1(b)均衡價(jià)格P*超過(guò)價(jià)格上限Pcap，則以Pcap作為最終出清電價(jià)，生產(chǎn)者剩余減少，消費(fèi)者剩余增多(包含機(jī)組固定成本和后續(xù)投資的資金)。

圖1 “missing money”問(wèn)題示意圖

同時(shí)，在多項(xiàng)政策及補(bǔ)貼推動(dòng)下，歐洲可再生能源裝機(jī)規(guī)模和發(fā)電量顯著增長(zhǎng)，其較低的邊際成本導(dǎo)致電價(jià)下降并壓縮傳統(tǒng)電源的發(fā)電空間，加速了以燃?xì)廨啓C(jī)為代表的高邊際成本機(jī)組的破產(chǎn)及退役[23]。而風(fēng)電、光伏具有高度間歇性和不確定性，無(wú)法如火電機(jī)組一樣，對(duì)系統(tǒng)提供足夠的可靠性、靈活性。

1.2 發(fā)展脈絡(luò)

1.2.1 歐盟委員會(huì)開(kāi)展容量機(jī)制專(zhuān)項(xiàng)調(diào)查

2015年4月29日，歐盟委員會(huì)啟動(dòng)國(guó)家援助專(zhuān)項(xiàng)調(diào)查，深入了解各成員國(guó)容量機(jī)制的設(shè)計(jì)及實(shí)施情況，收集發(fā)電商、電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商和需求響應(yīng)提供商等利益相關(guān)者的意見(jiàn)[24]。此次調(diào)查的主要目的是研究容量機(jī)制對(duì)歐洲統(tǒng)一電力市場(chǎng)建設(shè)的影響，防止成員國(guó)偏好某些發(fā)電商或技術(shù)類(lèi)型造成市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)扭曲，形成跨境交易壁壘。

2016年，歐盟委員會(huì)發(fā)布了關(guān)于容量機(jī)制的行業(yè)調(diào)查最終報(bào)告，對(duì)成員國(guó)已存在的容量機(jī)制進(jìn)行了分類(lèi)梳理[25]。該報(bào)告分析了未來(lái)存在的電力供應(yīng)安全問(wèn)題及原因，要求各成員國(guó)在引入容量機(jī)制前必須經(jīng)過(guò)充裕性評(píng)估等流程，并對(duì)容量機(jī)制的選擇、設(shè)計(jì)和實(shí)施提供了相應(yīng)指導(dǎo)。

1.2.2 歐盟2019/943法案對(duì)容量機(jī)制的規(guī)定

2019年，歐洲議會(huì)和歐盟理事會(huì)發(fā)布關(guān)于歐洲內(nèi)部電力市場(chǎng)的2019/943法案，對(duì)歐洲內(nèi)部統(tǒng)一市場(chǎng)建設(shè)的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行規(guī)定[26]。該法案表明：為了支撐高比例可再生能源電力系統(tǒng)的發(fā)展，應(yīng)取消能量市場(chǎng)的價(jià)格上下限制，逐步取消容量機(jī)制，建立以稀缺電價(jià)為基礎(chǔ)的純能量市場(chǎng)機(jī)制。

該法案指出成員國(guó)應(yīng)按照公開(kāi)透明的流程計(jì)算資源充裕度指標(biāo)，包括歐洲資源充裕性評(píng)估和國(guó)家資源充裕性評(píng)估，評(píng)估結(jié)果達(dá)不到系統(tǒng)可靠性標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，才允許成員國(guó)引入容量機(jī)制。

該法案要求成員國(guó)監(jiān)測(cè)其領(lǐng)土內(nèi)的電力充裕性問(wèn)題并制訂實(shí)施計(jì)劃，截至2021年8月，已有12個(gè)國(guó)家公布相應(yīng)方案，如表1所示。這些成員國(guó)普遍認(rèn)為市場(chǎng)失靈和充裕性問(wèn)題將持續(xù)存在，還應(yīng)繼續(xù)實(shí)施容量機(jī)制。

表1 歐盟部分成員國(guó)容量機(jī)制實(shí)施計(jì)劃

歐洲內(nèi)部電力市場(chǎng)的2019/943法案的第21條闡述了容量機(jī)制的一般原則，主要目的是限制容量機(jī)制的使用，但同時(shí)指出戰(zhàn)略備用是優(yōu)先推薦的容量機(jī)制，如果戰(zhàn)略備用機(jī)制無(wú)法解決充裕性問(wèn)題，才可以采用其他類(lèi)型的容量機(jī)制。下面將介紹戰(zhàn)略備用機(jī)制的具體內(nèi)容以及歐洲各國(guó)實(shí)施情況。

2 歐洲戰(zhàn)略備用機(jī)制具體內(nèi)容與實(shí)施

2.1 設(shè)計(jì)原理

戰(zhàn)略備用機(jī)制是指將部分發(fā)電機(jī)組或需求側(cè)資源置于電能量市場(chǎng)之外，由電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商招標(biāo)、承包和控制，僅在電力供需緊張時(shí)進(jìn)行調(diào)度，以保障電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。戰(zhàn)略備用資源通常是老舊或即將退役的機(jī)組，為避免市場(chǎng)扭曲，它們不能參與電能量市場(chǎng)，其收入一部分來(lái)源于機(jī)組和電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商簽訂的年度戰(zhàn)略備用合同，用以覆蓋固定成本，另一部分為被調(diào)用時(shí)的運(yùn)行成本。這些運(yùn)行成本通過(guò)輸電費(fèi)用或平衡費(fèi)用等回收，傳導(dǎo)給電力用戶。戰(zhàn)略備用機(jī)制影響的容量相對(duì)較少，對(duì)市場(chǎng)整體價(jià)格的扭曲也較小，其實(shí)施和退出的成本都比較低，在改革初期是一種有效的過(guò)渡措施。

國(guó)外學(xué)者通過(guò)理論研究與建模仿真等分析驗(yàn)證了戰(zhàn)略備用機(jī)制的作用。文獻(xiàn)[39]使用基于主體建模的電力市場(chǎng)模型分析并驗(yàn)證了戰(zhàn)略備用機(jī)制在可再生能源份額不斷增長(zhǎng)下的有效性。為了評(píng)估德國(guó)提出的戰(zhàn)略備用機(jī)制對(duì)電價(jià)和投資的影響，文獻(xiàn)[40]開(kāi)發(fā)并應(yīng)用了基于主體建模的德國(guó)電力市場(chǎng)仿真模型，仿真結(jié)果表明戰(zhàn)略備用機(jī)制顯著提高了電力系統(tǒng)的供應(yīng)安全性，主要在2030年后可再生能源在負(fù)荷高峰時(shí)期出力受限的極端情況發(fā)揮作用。文獻(xiàn)[41]開(kāi)發(fā)了系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型來(lái)研究容量機(jī)制對(duì)發(fā)電投資的動(dòng)態(tài)影響，模擬結(jié)果顯示戰(zhàn)略備用和容量市場(chǎng)都能減少單一電能量市場(chǎng)中常見(jiàn)的投資周期現(xiàn)象。

2.2 各國(guó)實(shí)施情況

2.2.1 芬蘭

芬蘭以能源密集型產(chǎn)業(yè)為主，人均能耗高，且氣候寒冷需要四季供暖。冬季，室外溫度通常降至-40 ℃，如果供電中斷將對(duì)人體健康造成直接威脅，并對(duì)建筑和管道造成結(jié)構(gòu)性損壞。芬蘭于2007年引入峰值負(fù)荷戰(zhàn)略備用，截至2020年，峰值負(fù)荷戰(zhàn)略備用容量由4個(gè)發(fā)電廠(共707 MW)和兩個(gè)需求側(cè)響應(yīng)設(shè)施(共22 MW)組成。芬蘭冬季期間的峰值負(fù)荷備用電廠一直處于12 h發(fā)電準(zhǔn)備就緒狀態(tài)，在接到調(diào)令后能在10 min內(nèi)增加10 MW功率輸出，可以滿負(fù)荷連續(xù)發(fā)電200 h；需求側(cè)響應(yīng)設(shè)施能在接到調(diào)令10 min內(nèi)減少10 MW的負(fù)荷[29]。

2.2.2 德國(guó)

為在2050年達(dá)成將可再生能源在終端能源消費(fèi)中的份額提高到80%的能源轉(zhuǎn)型目標(biāo)，德國(guó)同樣引入了戰(zhàn)略備用機(jī)制。由于水力發(fā)電、生物質(zhì)發(fā)電等調(diào)度靈活的可再生能源在德國(guó)發(fā)展?jié)摿τ邢?，要?shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，則很大程度上依賴風(fēng)力、光伏等波動(dòng)較大的可再生能源。

但是由于高壓遠(yuǎn)距離輸電線路的容量限制，德國(guó)北部富余的風(fēng)電難以輸送至南部負(fù)荷中心，北部地區(qū)面臨消納問(wèn)題。為了解決這一問(wèn)題，德國(guó)于2013年實(shí)施網(wǎng)絡(luò)備用(狹義上的戰(zhàn)略備用)，網(wǎng)絡(luò)備用容量主要由位于德國(guó)南部的發(fā)電廠組成，通常已停用或面臨關(guān)停，當(dāng)南北區(qū)域輸電線路容量不足時(shí)將被系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商強(qiáng)制激活調(diào)用，保障電力安全。隨著風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源發(fā)電量的增加，德國(guó)于2018年在全國(guó)范圍內(nèi)進(jìn)一步引入2 GW的戰(zhàn)略備用資源，防止電力市場(chǎng)改革期間出現(xiàn)電力供應(yīng)缺口，保障靈活性電源與應(yīng)急備用資源的充裕性[42-43]。

2.2.3 比利時(shí)

2014年冬季，比利時(shí)開(kāi)始實(shí)施戰(zhàn)略備用機(jī)制，主要原因有3點(diǎn)：1)大量現(xiàn)役機(jī)組將被關(guān)停，具體來(lái)說(shuō)2014年有928 MW燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組因機(jī)組老化或無(wú)盈利能力被關(guān)停，2015—2016年1.8 GW核電資源將被關(guān)閉。比利時(shí)電力系統(tǒng)未來(lái)面臨近13 GW的峰值負(fù)荷需求，電力容量充裕性受到挑戰(zhàn)。2)核電機(jī)組意外停機(jī)事件引起了系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商對(duì)老舊機(jī)組可靠性的擔(dān)憂。3)可再生能源發(fā)電份額逐年增加，電力系統(tǒng)靈活性的要求隨之提高，冬季問(wèn)題尤為突出，而可再生發(fā)電的低電價(jià)導(dǎo)致傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組難以回收成本[44-45]。

比利時(shí)政府對(duì)戰(zhàn)略備用機(jī)制制定了較為明確的發(fā)展目標(biāo)、權(quán)責(zé)分工及實(shí)施流程等，下面以比利時(shí)為例分析戰(zhàn)略備用機(jī)制。

2.3 設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)——以比利時(shí)為例

2.3.1 市場(chǎng)成員及關(guān)系

戰(zhàn)略備用機(jī)制涉及的市場(chǎng)主體包括能源部門(mén)、監(jiān)管機(jī)構(gòu)、電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商、容量提供商(包含發(fā)電機(jī)組及需求響應(yīng))和電力用戶，如圖2所示。戰(zhàn)略備用的目標(biāo)總量由能源局、電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商及監(jiān)管機(jī)構(gòu)共同協(xié)商確定，隨后電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商與容量提供商簽訂合約，同時(shí)負(fù)責(zé)合同容量的認(rèn)證。簽約后，戰(zhàn)略備用的觸發(fā)由電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商決定，容量提供者按合約進(jìn)行響應(yīng)。最后，簽訂合約以及戰(zhàn)略備用觸發(fā)的成本由電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商分配給終端用戶[45]。

圖2 市場(chǎng)成員及其在戰(zhàn)略備用設(shè)計(jì)中的作用

2.3.2 年度采購(gòu)流程

比利時(shí)戰(zhàn)略備用總量的確定流程及時(shí)間安排如圖3所示。圖中FPS(Federal Public Service)代表聯(lián)邦公共服務(wù)部，CREG(Commission for Electricity and Gas Regulation)指電力和燃?xì)夤芾砦瘑T會(huì)[46]。

圖3 戰(zhàn)略備用容量的確定流程

戰(zhàn)略備用容量經(jīng)過(guò)多部門(mén)評(píng)估修正，最終由能源主管部門(mén)確定；隨后開(kāi)展市場(chǎng)招標(biāo)，系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商組織戰(zhàn)略備用資源投標(biāo)報(bào)價(jià)；CREG及能源大臣對(duì)投標(biāo)報(bào)價(jià)情況進(jìn)行分析，為合同簽訂提供價(jià)格指導(dǎo)。

2.3.3 資源選擇

戰(zhàn)略備用容量分為兩類(lèi)，分別是發(fā)電側(cè)戰(zhàn)略備用(strategic generation reserve，SGR)和需求側(cè)戰(zhàn)略備用(strategic demand reserve，SDR)，二者都應(yīng)位于比利時(shí)境內(nèi)，不允許跨境容量參與。比利時(shí)近年來(lái)戰(zhàn)略備用容量總量及分類(lèi)情況如圖4所示。

圖4 比利時(shí)戰(zhàn)略備用容量總量

對(duì)于發(fā)電側(cè)戰(zhàn)略備用資源的選擇，系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商主要考察其經(jīng)濟(jì)參數(shù)和技術(shù)參數(shù)，據(jù)此計(jì)算調(diào)度資源的平均成本。經(jīng)濟(jì)參數(shù)包括備用成本和啟機(jī)成本等，技術(shù)參數(shù)包括燃料類(lèi)型、耗量特性等[47]。

2.3.4 觸發(fā)機(jī)制及調(diào)度過(guò)程

比利時(shí)戰(zhàn)略備用機(jī)制只在11月1日至來(lái)年3月31日的冬季期間啟動(dòng)，觸發(fā)機(jī)制包括經(jīng)濟(jì)觸發(fā)和技術(shù)觸發(fā)[48]。

經(jīng)濟(jì)觸發(fā)機(jī)制與日前市場(chǎng)的出清結(jié)果有關(guān)。如果日前出清價(jià)格達(dá)到3 000 歐元/(MW·h)的上限，系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商將調(diào)度戰(zhàn)略備用。調(diào)用價(jià)格設(shè)置為3 000 歐元/(MW·h)，最小程度避免市場(chǎng)扭曲，防止對(duì)其他國(guó)家產(chǎn)生溢出效應(yīng)。

技術(shù)觸發(fā)機(jī)制基于系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商對(duì)電力供需的預(yù)測(cè)分析。如果系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商的日前需求預(yù)測(cè)結(jié)果高于發(fā)電量預(yù)測(cè)與可用增量投標(biāo)之和，則檢測(cè)出存在結(jié)構(gòu)性短缺，并將調(diào)度戰(zhàn)略備用機(jī)組。

戰(zhàn)略備用資源的調(diào)度過(guò)程如圖5所示。一旦監(jiān)測(cè)到經(jīng)濟(jì)或技術(shù)觸發(fā)，系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商需要結(jié)合容量缺額、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞纫蛩剡x擇合適的戰(zhàn)略備用機(jī)組?？紤]機(jī)組預(yù)熱啟動(dòng)等過(guò)程，系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商應(yīng)在觸發(fā)信號(hào)對(duì)應(yīng)時(shí)間(記為實(shí)時(shí)Z)的前X小時(shí)發(fā)出調(diào)度命令以通知戰(zhàn)略備用機(jī)組。隨后，系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商核查實(shí)際需求并確認(rèn)最終增發(fā)、減載量，通知相應(yīng)機(jī)組進(jìn)行必要準(zhǔn)備工作以保證交付。

圖5 戰(zhàn)略備用觸發(fā)及調(diào)度過(guò)程

3 歐洲戰(zhàn)略備用機(jī)制對(duì)我國(guó)的啟示

3.1 雙碳目標(biāo)下煤電容量機(jī)制的必要性

“雙碳”目標(biāo)已成為國(guó)家戰(zhàn)略，中國(guó)將加快構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，推動(dòng)電力系統(tǒng)的清潔、低碳、安全、高效發(fā)展[49]。與歐洲情況類(lèi)似，新能源接入規(guī)模的快速增加將削弱系統(tǒng)充裕性，影響電力安全供應(yīng)，而目前儲(chǔ)能安全等關(guān)鍵技術(shù)尚處在研發(fā)階段，具有很多不確定性，因此在未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間之內(nèi)我國(guó)仍然需要煤電機(jī)組確保電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

在我國(guó)現(xiàn)有機(jī)制下，煤電機(jī)組無(wú)法發(fā)揮充裕性價(jià)值并獲得相應(yīng)回報(bào)。大部分地區(qū)因?yàn)闆](méi)有輔助服務(wù)政策的支持，煤電企業(yè)的調(diào)峰意愿也不強(qiáng)。在燃料價(jià)格上漲、新能源發(fā)展及市場(chǎng)化改革等多因素的共同作用下，近年來(lái)我國(guó)五大發(fā)電集團(tuán)下屬多家火電廠接連虧損破產(chǎn)，發(fā)電企業(yè)所處的經(jīng)營(yíng)環(huán)境十分嚴(yán)峻[50]。在以淘汰落后產(chǎn)能為導(dǎo)向的政策加持下，部分地區(qū)甚至可能出現(xiàn)一刀切式的煤電被迫退役的情況。我國(guó)現(xiàn)役煤電機(jī)組平均服役時(shí)間為12年，遠(yuǎn)低于歐美國(guó)家煤電退役機(jī)組服役時(shí)間，且現(xiàn)運(yùn)行超過(guò)30年的機(jī)組不足1.1%，未來(lái)或?qū)⒚媾R嚴(yán)重的擱淺成本問(wèn)題，將造成巨大的國(guó)有資產(chǎn)流失，伴生的社會(huì)經(jīng)濟(jì)影響也將損害社會(huì)公共福利[51]。

煤電機(jī)組是新型電力系統(tǒng)中不可或缺的一部分，將由主力電源轉(zhuǎn)變?yōu)橐蕴峁┫到y(tǒng)靈活性和關(guān)鍵時(shí)刻提供電力支撐為主要作用的電源。為了推動(dòng)其平穩(wěn)轉(zhuǎn)型，亟需容量充裕性機(jī)制保障合理收益。

3.2 我國(guó)煤電容量機(jī)制建設(shè)現(xiàn)狀

國(guó)家發(fā)改委在2019年10月出臺(tái)的《關(guān)于深化燃煤發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)形成機(jī)制改革的指導(dǎo)意見(jiàn)》中指出“對(duì)于燃煤機(jī)組利用小時(shí)嚴(yán)重偏低的省份，可建立容量補(bǔ)償機(jī)制，容量電價(jià)和電量電價(jià)通過(guò)市場(chǎng)化方式形成”。多地在深化燃煤發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)形成機(jī)制相關(guān)文件中明確表示，將根據(jù)實(shí)際情況逐步探索建立容量補(bǔ)償機(jī)制。

為促進(jìn)市場(chǎng)化機(jī)組固定成本的有效回收，保障電力系統(tǒng)長(zhǎng)期容量的充裕性，山東省發(fā)展和改革委員會(huì)發(fā)布《關(guān)于電力現(xiàn)貨市場(chǎng)容量補(bǔ)償電價(jià)有關(guān)事項(xiàng)的通知(魯發(fā)改價(jià)格[2020]622號(hào))》，自2020年6月1日起試行容量補(bǔ)償電價(jià)，以補(bǔ)償參與電力現(xiàn)貨市場(chǎng)的發(fā)電機(jī)組，用戶側(cè)的收取標(biāo)準(zhǔn)暫定為0.099 1元/(kW·h)[52]。2021年5月，南方(以廣東起步)電力現(xiàn)貨市場(chǎng)第5次結(jié)算試運(yùn)行期間實(shí)施容量補(bǔ)償機(jī)制[53]，但只是進(jìn)行模擬結(jié)算，容量補(bǔ)償費(fèi)用暫定為0.03元/(kW·h)。山東和廣東容量補(bǔ)償機(jī)制處于試運(yùn)行階段，補(bǔ)償價(jià)格標(biāo)準(zhǔn)由監(jiān)管部門(mén)確定且差異較大，補(bǔ)償效果尚未進(jìn)行事后評(píng)估。

當(dāng)前，以廣東、山東為代表的第1批電力現(xiàn)貨市場(chǎng)試點(diǎn)已陸續(xù)完成了結(jié)算試運(yùn)行，電力市場(chǎng)化建設(shè)取得階段性成就，各現(xiàn)貨試點(diǎn)密切關(guān)注發(fā)電容量充裕性問(wèn)題，為進(jìn)一步深化煤電機(jī)組容量機(jī)制奠定基礎(chǔ)?！半p碳”目標(biāo)下，煤電機(jī)組容量機(jī)制的內(nèi)涵和意義更為復(fù)雜，需充分挖掘存量煤電對(duì)于支撐可再生能源消納的價(jià)值，引導(dǎo)現(xiàn)役煤電機(jī)組的有序退役，保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3.3 戰(zhàn)略備用機(jī)制適用性分析

由于不同國(guó)家的國(guó)情與需求有較大差異，各國(guó)實(shí)施的容量機(jī)制各不相同并在不斷改進(jìn)完善。容量市場(chǎng)為激勵(lì)新機(jī)組投資和需求側(cè)響應(yīng)的發(fā)展，主拍賣(mài)市場(chǎng)通常早于交付年3～5年，考慮到我國(guó)已明確將嚴(yán)控煤電項(xiàng)目及裝機(jī)規(guī)模，容量市場(chǎng)的實(shí)施可能存在不確定性及限制因素；稀缺定價(jià)機(jī)制通過(guò)長(zhǎng)期且頻繁出現(xiàn)的尖峰電價(jià)吸引發(fā)電容量的投資，對(duì)市場(chǎng)力監(jiān)測(cè)、風(fēng)險(xiǎn)管理等機(jī)制要求高，適用于成熟的電力市場(chǎng)；容量補(bǔ)償機(jī)制通過(guò)核定的支付幫助市場(chǎng)化機(jī)組回收固定成本，但準(zhǔn)確核定每臺(tái)機(jī)組的容量費(fèi)率較困難，同時(shí)運(yùn)用了行政力量干預(yù)自由市場(chǎng)。

戰(zhàn)略備用機(jī)制可以利用現(xiàn)有機(jī)組保障電力系統(tǒng)充裕性，充分挖掘老舊及待退役機(jī)組的潛力，比較適合中國(guó)的國(guó)情，戰(zhàn)略備用機(jī)制具有以下3點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

1)戰(zhàn)略備用機(jī)制易于實(shí)施，涉及的煤電機(jī)組范圍小且可控，不易出現(xiàn)路徑依賴問(wèn)題。例如，隨著儲(chǔ)能、需求側(cè)響應(yīng)等技術(shù)的成熟，容量充裕性機(jī)制可能不是永久性的，或者需要結(jié)合未來(lái)電力市場(chǎng)發(fā)展進(jìn)行機(jī)制的改變，規(guī)模較小的戰(zhàn)略備用機(jī)制易于被取消。

2)戰(zhàn)略備用機(jī)制對(duì)于成熟電力市場(chǎng)的依賴程度較低，能適應(yīng)不斷變化的市場(chǎng)條件，在開(kāi)展及尚未開(kāi)展電力現(xiàn)貨市場(chǎng)建設(shè)的地區(qū)都能實(shí)施。

3)由于我國(guó)靈活性資源的技術(shù)限制、輔助服務(wù)市場(chǎng)等機(jī)制的不成熟以及潛在的社會(huì)經(jīng)濟(jì)影響，煤電機(jī)組大規(guī)模退役將帶來(lái)嚴(yán)重后果，亟需補(bǔ)償機(jī)制引導(dǎo)其為電力系統(tǒng)提供充裕性并有序退出，這正與戰(zhàn)略備用機(jī)制的作用對(duì)象及意義相契合。

2021年11月，國(guó)家發(fā)改委、國(guó)家能源局發(fā)布的《關(guān)于開(kāi)展全國(guó)煤電機(jī)組改造升級(jí)的通知》指出，要加快對(duì)供電煤耗在300 g標(biāo)準(zhǔn)煤/(kW·h)以上的煤電機(jī)組的節(jié)能改造，逐步淘汰關(guān)停無(wú)法改造的機(jī)組，并視情況將具備條件的轉(zhuǎn)為應(yīng)急備用電源。應(yīng)急備用電源在常態(tài)下停機(jī)備用，應(yīng)急狀態(tài)下啟動(dòng)，頂峰運(yùn)行后停機(jī)，與戰(zhàn)略備用機(jī)制的運(yùn)行原理相似[54]。

4 我國(guó)煤電戰(zhàn)略備用機(jī)制設(shè)計(jì)初探

4.1 戰(zhàn)略備用容量的確定

在電力系統(tǒng)有功功率備用容量方面，GB/T 38969—2020《電力系統(tǒng)技術(shù)導(dǎo)則》進(jìn)行了相關(guān)規(guī)定，其中負(fù)荷備用容量為最大發(fā)電負(fù)荷的2%～5%，事故備用容量為最大發(fā)電負(fù)荷的10%左右。隨著大規(guī)模新能源接入、電網(wǎng)運(yùn)行控制技術(shù)發(fā)展以及電力市場(chǎng)化改革的不斷推進(jìn)，根據(jù)最大發(fā)電負(fù)荷及比例設(shè)置備用容量的方法則顯得較為粗放，難以實(shí)現(xiàn)可靠性和經(jīng)濟(jì)性統(tǒng)籌優(yōu)化。

由于僅通過(guò)市場(chǎng)機(jī)制難以有效引導(dǎo)備用容量需求水平，國(guó)外對(duì)備用容量配置多采用模擬仿真和可靠性評(píng)估的分析方法[18]。電力監(jiān)管部門(mén)或調(diào)度機(jī)構(gòu)可通過(guò)蒙特卡洛模擬，計(jì)算失負(fù)荷概率、失負(fù)荷期望、電量不足期望值等電力系統(tǒng)可靠性指標(biāo)并進(jìn)行評(píng)估，隨后基于評(píng)估結(jié)果以行政規(guī)劃形式確定備用容量需求。部分歐洲國(guó)家采用失負(fù)荷期望這一可靠性標(biāo)準(zhǔn)，如法國(guó)、意大利、波蘭規(guī)定電力不足小時(shí)數(shù)為每年3 h，德國(guó)規(guī)定為每年5 h，愛(ài)爾蘭和立陶宛規(guī)定為每年8 h[20]。

根據(jù)2015年國(guó)際相關(guān)數(shù)據(jù)，戰(zhàn)略備用容量占國(guó)家峰值負(fù)荷的比例(以下簡(jiǎn)稱“戰(zhàn)略備用占比”)與風(fēng)電、光伏及生物質(zhì)在電力生產(chǎn)中的占比(以下簡(jiǎn)稱“可再生發(fā)電占比”)大致呈正相關(guān)[43]，如表2所示。

表2 戰(zhàn)略備用容量與峰值負(fù)荷及可再生發(fā)電占比的關(guān)系

比利時(shí)可再生發(fā)電占比最高約20%，戰(zhàn)略備用的比例設(shè)置在最高水平；波蘭可再生發(fā)電占比最低僅13%，戰(zhàn)略備用的比例最低。

我國(guó)“十四五”及中長(zhǎng)期電力供需有以下特點(diǎn)：1)電力需求持續(xù)以較快速度增長(zhǎng)，用電負(fù)荷呈現(xiàn)夏冬“雙高峰”特征；2)新能源裝機(jī)快速增長(zhǎng)，但負(fù)荷高峰時(shí)期新能源難以對(duì)電力電量平衡做出貢獻(xiàn)；3)夏冬“雙高峰”均存在電力保供問(wèn)題，西南等水電規(guī)模占比高的地區(qū)在冬季枯水期存在電量缺口[55]。

監(jiān)管機(jī)構(gòu)及電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商需要結(jié)合上述特點(diǎn)，提前預(yù)測(cè)夏冬“雙高峰”以及極端天氣下的最高負(fù)荷，進(jìn)一步明確電力系統(tǒng)可靠性標(biāo)準(zhǔn)(如失負(fù)荷概率、失負(fù)荷期望等)并對(duì)容量需求進(jìn)行測(cè)算，綜合研判戰(zhàn)略備用容量，同時(shí)探索區(qū)域容量備用共享[56]。而煤電規(guī)劃建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警中電力充裕度指標(biāo)為綠色且電力電量平衡偏緊地區(qū)，以及間歇性電源裝機(jī)占比大的地區(qū)等，更應(yīng)提前部署戰(zhàn)略備用電源。

4.2 戰(zhàn)略備用機(jī)組的評(píng)估選擇

確定戰(zhàn)略備用容量總量后，相關(guān)機(jī)構(gòu)組織機(jī)組進(jìn)行申報(bào)。結(jié)合戰(zhàn)略備用機(jī)制的相關(guān)原則，本文主要考慮從技術(shù)要求、環(huán)保要求、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益4方面，對(duì)機(jī)組進(jìn)行評(píng)估選擇。建立的戰(zhàn)略備用機(jī)組評(píng)估選擇框架如圖6所示。

圖6 戰(zhàn)略備用機(jī)組評(píng)估選擇框架示意圖

1)技術(shù)要求考察發(fā)電機(jī)組的可靠性及靈活性，目的是確保戰(zhàn)略備用機(jī)組能及時(shí)響應(yīng)并準(zhǔn)確執(zhí)行調(diào)度指令?？煽啃钥蛇x擇機(jī)組非計(jì)劃停運(yùn)及降出力等指標(biāo)，靈活性可選擇調(diào)峰深度、負(fù)荷響應(yīng)速率等指標(biāo)。

2)環(huán)保要求是指發(fā)電機(jī)組必須滿足國(guó)家嚴(yán)格的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)?？赏ㄟ^(guò)供電煤耗指標(biāo)反映資源消耗情況，碳排放強(qiáng)度和廢棄物綜合利用率反映環(huán)境影響及可持續(xù)發(fā)展情況。

3)經(jīng)濟(jì)效益衡量發(fā)電機(jī)組成本及經(jīng)濟(jì)性，分固定成本和變動(dòng)成本兩方面。固定成本部分主要考慮機(jī)組的折舊情況，變動(dòng)成本部分通過(guò)運(yùn)行成本和維護(hù)費(fèi)用反映。

4)社會(huì)效益可衡量發(fā)電機(jī)組納入戰(zhàn)略備用機(jī)制后對(duì)社會(huì)的積極作用，例如提供就業(yè)崗位數(shù)量、供暖能力、節(jié)約裝機(jī)及輸電網(wǎng)建設(shè)等。

技術(shù)要求和環(huán)保要求是硬性約束，通常由監(jiān)管機(jī)構(gòu)進(jìn)行指標(biāo)選擇及標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)置，申報(bào)機(jī)組必須滿足相應(yīng)條件。經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益作為輔助參考，以決定候選機(jī)組的優(yōu)先次序，隨后相關(guān)機(jī)構(gòu)結(jié)合戰(zhàn)略備用容量總量確定中標(biāo)機(jī)組及容量。

4.3 戰(zhàn)略備用機(jī)制與電能量市場(chǎng)和輔助服務(wù)市場(chǎng)的銜接

自2015年新一輪電力市場(chǎng)化改革以來(lái)，電力現(xiàn)貨市場(chǎng)建設(shè)試點(diǎn)不斷推進(jìn)，“中長(zhǎng)期+現(xiàn)貨+輔助服務(wù)”的市場(chǎng)交易體系逐步建立，容量機(jī)制、金融輸電權(quán)、碳市場(chǎng)機(jī)制等也在研究探索中。為更好發(fā)揮煤電行業(yè)保障電力系統(tǒng)充裕性的作用，建議在市場(chǎng)設(shè)計(jì)過(guò)程中明確其容量屬性，區(qū)分發(fā)電量和發(fā)電容量，實(shí)現(xiàn)與電能量市場(chǎng)和輔助服務(wù)市場(chǎng)的有效銜接，最終形成以發(fā)電容量為標(biāo)的的市場(chǎng)機(jī)制。

戰(zhàn)略備用調(diào)度過(guò)程主要包含4個(gè)步驟，即觸發(fā)、選擇并通知戰(zhàn)略備用機(jī)組、核查最終需求及調(diào)度執(zhí)行，在開(kāi)展和不開(kāi)展現(xiàn)貨市場(chǎng)兩種交易體系下的時(shí)序關(guān)系如圖7所示，二者主要區(qū)別在于開(kāi)展現(xiàn)貨市場(chǎng)時(shí)，可根據(jù)日前市場(chǎng)出清價(jià)格形成戰(zhàn)略備用經(jīng)濟(jì)型觸發(fā)。觸發(fā)機(jī)制在第2節(jié)已詳細(xì)描述，緊急型和經(jīng)濟(jì)型分別參照技術(shù)、經(jīng)濟(jì)觸發(fā)。

圖7 戰(zhàn)略備用調(diào)度過(guò)程

戰(zhàn)略備用機(jī)組不參與電能量市場(chǎng)，僅在特定情境下根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商的要求出力。為減少對(duì)市場(chǎng)的扭曲，戰(zhàn)略備用調(diào)用價(jià)格應(yīng)設(shè)置在較高水平，一般為邊際機(jī)組報(bào)價(jià)或市場(chǎng)價(jià)格上限。戰(zhàn)略備用機(jī)制可為特定機(jī)組提供較穩(wěn)定的容量收入，但該機(jī)制不應(yīng)成為確保發(fā)電資源利潤(rùn)的工具。一方面，容量機(jī)制需引導(dǎo)傳統(tǒng)燃煤電廠有序退出，從嚴(yán)淘汰落后產(chǎn)能，激勵(lì)煤電機(jī)組靈活性改造；另一方面，為確保電價(jià)機(jī)制平穩(wěn)過(guò)渡，應(yīng)以不推動(dòng)市場(chǎng)化用戶整體電價(jià)水平大幅上漲為前提，初期暫時(shí)實(shí)行容量成本費(fèi)用欠補(bǔ)償。

容量機(jī)制和輔助服務(wù)市場(chǎng)的關(guān)系需要進(jìn)一步厘清。容量機(jī)制關(guān)注的是較長(zhǎng)時(shí)間尺度的系統(tǒng)充裕性問(wèn)題，交易標(biāo)的通常為月度、年度容量。戰(zhàn)略備用機(jī)制執(zhí)行期限一般在夏冬“雙高峰”期間，通常為7月至9月、12月至來(lái)年2月，一方面是降低對(duì)電能量市場(chǎng)的影響，另一方面是限制燃煤機(jī)組的碳排放。而輔助服務(wù)市場(chǎng)更多關(guān)注短期的電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定問(wèn)題，如調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)壓、備用等，多與電能量市場(chǎng)統(tǒng)一出清。長(zhǎng)備用輔助服務(wù)一定程度上也能為系統(tǒng)提供充裕性，但當(dāng)前我國(guó)電力市場(chǎng)中普遍缺失這一輔助服務(wù)種類(lèi)。

5 結(jié) 語(yǔ)

歐盟在能源政策制定、電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)、電力市場(chǎng)改革等方面都有豐富的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)致力于推進(jìn)能源電力低碳化發(fā)展，并通過(guò)立法設(shè)定了2050年實(shí)現(xiàn)“碳中和”的減排目標(biāo)。為應(yīng)對(duì)高比例可再生能源的挑戰(zhàn)，歐洲各國(guó)積極探索容量機(jī)制以保障電力系統(tǒng)充裕度。本文主要梳理了歐洲容量充裕性機(jī)制建設(shè)的背景及其發(fā)展歷程，詳細(xì)介紹了歐洲議會(huì)和歐盟理事會(huì)發(fā)布的2019/943法案中認(rèn)可的戰(zhàn)略備用機(jī)制，分析了芬蘭、比利時(shí)和德國(guó)的機(jī)制設(shè)計(jì)與實(shí)施情況，希望對(duì)我國(guó)容量機(jī)制建設(shè)提供經(jīng)驗(yàn)參考。但是，歐洲電力需求趨于平穩(wěn)、電力工業(yè)發(fā)展成熟，能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)與我國(guó)也有一定差異。因此，我國(guó)在研究容量機(jī)制時(shí)既要借鑒經(jīng)驗(yàn)，又要充分考慮實(shí)際國(guó)情、省情。

在“雙碳”目標(biāo)及構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的大背景下，煤電由主力發(fā)電電源轉(zhuǎn)型為調(diào)節(jié)性電源已成必然。在較短的緩沖時(shí)間內(nèi)，如何保障轉(zhuǎn)型過(guò)程中能源供應(yīng)的安全穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)存量化石能源資產(chǎn)的有序退出，解決相應(yīng)擱淺成本問(wèn)題，是國(guó)家能源戰(zhàn)略的重點(diǎn)。本文提出的煤電戰(zhàn)略備用機(jī)制能夠充分挖掘老舊退役機(jī)組的潛力、保障電力系統(tǒng)充裕性，能適應(yīng)變化的市場(chǎng)環(huán)境且不易出現(xiàn)制度路徑依賴問(wèn)題，從中國(guó)國(guó)情出發(fā)具有較強(qiáng)的適用性。

本文分析了我國(guó)煤電戰(zhàn)略備用機(jī)制的關(guān)鍵問(wèn)題。一是戰(zhàn)略備用容量的確定需要結(jié)合我國(guó)“十四五”及中長(zhǎng)期電力供需特點(diǎn)，制定可靠性標(biāo)準(zhǔn)并進(jìn)行仿真以規(guī)劃備用裕度。二是戰(zhàn)略備用機(jī)組的評(píng)估選擇需要綜合考慮技術(shù)要求、環(huán)保要求、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。三是實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)略備用機(jī)制與電能量市場(chǎng)、輔助服務(wù)市場(chǎng)的有效銜接，最終形成以發(fā)電容量為標(biāo)的的市場(chǎng)機(jī)制。而關(guān)于戰(zhàn)略備用機(jī)制設(shè)計(jì)中具體可靠性標(biāo)準(zhǔn)制定、價(jià)格形成與分?jǐn)倷C(jī)制、新能源發(fā)電容量可信度影響、市場(chǎng)主體及相關(guān)機(jī)構(gòu)的權(quán)責(zé)分工以及省內(nèi)與省間市場(chǎng)協(xié)調(diào)機(jī)制等問(wèn)題將是后續(xù)研究重難點(diǎn)。