詹衛(wèi)許, 王舒楊, 張建中, 鄭景立, 司福利, 張沛

(1.南方電網(wǎng)數(shù)字電網(wǎng)研究院有限公司, 廣東, 廣州 510000; 2.天津弘源慧能科技有限公司, 天津 300000)

0 引言

2020年8月美國加州緊急停電、2021年2月美國得州輪流停電[1]、2021年10月中國多省有序用電或拉閘限電等全球電力市場事故使電力系統(tǒng)發(fā)電容量的充裕性問題成為討論的熱點(diǎn)之一。在電力市場環(huán)境下,如何確保發(fā)電容量充裕性是一個極具挑戰(zhàn)的問題[2],系統(tǒng)容量價值的分析與測算對不同保障充裕性的機(jī)制有關(guān)鍵指導(dǎo)作用。本文從基本的供需理論出發(fā),提出系統(tǒng)容量價值的測算方法,并通過算例驗(yàn)證本文方法的有效性。

1 電力系統(tǒng)容量價值的作用

在全球電力工業(yè)的重組進(jìn)程中,現(xiàn)貨市場建設(shè)是各國電力市場的共同部分,其理論基礎(chǔ)是基于短期成本競爭的實(shí)時電價理論。隨著風(fēng)、光等新能源大規(guī)模接入,電力系統(tǒng)對靈活性的需求急劇上升[3],現(xiàn)貨市場無法區(qū)別不同類型機(jī)組技術(shù)特征及價值貢獻(xiàn)的問題愈加嚴(yán)重。采用安全約束機(jī)組組合、安全約束經(jīng)濟(jì)調(diào)度等短期模型出清的現(xiàn)貨電價,在激勵新容量投資、防止調(diào)節(jié)資源提前退役等方面的作用存有爭議。為了保障電力的長期可靠供應(yīng),國外電力市場設(shè)計(jì)了不同的容量充裕度機(jī)制,幫助發(fā)電機(jī)組尤其是邊際機(jī)組回收容量成本。

1.1 容量補(bǔ)償機(jī)制

智利、阿根廷等國家采用的容量補(bǔ)償機(jī)制是由監(jiān)管機(jī)構(gòu)設(shè)定補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn),直接向市場中符合條件的容量提供者支付容量費(fèi)用[4]。容量價格主要取決于系統(tǒng)峰荷時段運(yùn)行的邊際機(jī)組投資成本,而各機(jī)組的最終補(bǔ)償收入與峰荷時段的出力有關(guān),體現(xiàn)了發(fā)電資源對系統(tǒng)充裕性的貢獻(xiàn)。

1.2 容量市場機(jī)制

美國PJM、英國等地區(qū)運(yùn)行了獨(dú)立于能量、輔助服務(wù)交易的集中式容量市場[5],該市場以機(jī)組的可用裝機(jī)容量作為標(biāo)的,由系統(tǒng)運(yùn)營商確定需求曲線、容量提供者申報(bào)供應(yīng)曲線,通過最小化容量采購成本進(jìn)行市場出清,中標(biāo)的資源可獲得容量收入。

1.3 可靠性期權(quán)機(jī)制

意大利、愛爾蘭等國家在單一能量市場基礎(chǔ)上推行可靠性期權(quán)機(jī)制,其本質(zhì)是一種看漲期權(quán)金融產(chǎn)品[6]。期權(quán)的買方是運(yùn)營機(jī)構(gòu)或用戶,通過簽訂合同向發(fā)電機(jī)組支付期權(quán)保費(fèi),當(dāng)現(xiàn)貨市場價格高于合同執(zhí)行價時,有權(quán)要求發(fā)電商返回收益差值。

盡管上述容量機(jī)制的原理各有差別,但都急需一種有效核定系統(tǒng)容量價值的方法,指導(dǎo)并優(yōu)化不同機(jī)制的實(shí)際應(yīng)用。測算準(zhǔn)確、合理的系統(tǒng)容量價值,能夠直接決定容量補(bǔ)償機(jī)制中補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)置,或作為可靠性期權(quán)中協(xié)議年度保費(fèi)的重要參考,詳細(xì)類型的機(jī)組只需要結(jié)合峰荷時段的出力情況即可量化對充裕度的貢獻(xiàn)值。容量市場的出清模式實(shí)際上與核定系統(tǒng)容量價值的方法十分接近,其主要區(qū)別在于前者的供應(yīng)曲線由市場主體自行申報(bào),因此本文核定的系統(tǒng)容量價值可用于檢驗(yàn)容量市場出清價格是否合理、檢測市場主體是否濫用市場力等評估環(huán)節(jié)。

隨著間歇性可再生能源滲透比率不斷提高,系統(tǒng)容量價值的研究將具備更廣泛的應(yīng)用場景。國際能源署(IEA)在2020年全球發(fā)電成本報(bào)告中提出,為了公平衡量不同發(fā)電技術(shù)在系統(tǒng)服務(wù)上的貢獻(xiàn),可通過測算系統(tǒng)容量價值,進(jìn)而根據(jù)機(jī)組的有效可用率量化特定技術(shù)容量價值,改進(jìn)傳統(tǒng)的平準(zhǔn)化成本(LCOE)競爭力度量標(biāo)準(zhǔn)。鑒于當(dāng)前國內(nèi)外文獻(xiàn)對系統(tǒng)容量價值的測算研究較少,本文從經(jīng)濟(jì)效率最優(yōu)的層面出發(fā),提出一種基于供需理論的測算方法,通過生產(chǎn)模擬與成本分析,形成系統(tǒng)容量需求、供給曲線,求取均衡點(diǎn)并最終核定系統(tǒng)容量價值。

2 基于供需理論的測算方法

本文基于微觀經(jīng)濟(jì)學(xué)的供需理論,首先通過最大化消費(fèi)者福利繪制容量需求曲線,然后對現(xiàn)有機(jī)組、規(guī)劃機(jī)組進(jìn)行發(fā)電長期成本分析,形成容量供給曲線,在以容量為橫軸、價格(成本)為縱軸的坐標(biāo)系中,令曲線相交得到供需平衡點(diǎn)及其對應(yīng)價值。以下是具體測算步驟。

2.1 確定失負(fù)荷期望目標(biāo)值

首先通過新建邊際機(jī)組容量成本(CONE)、失負(fù)荷價值(VOLL)求得消費(fèi)者福利最大化時的失負(fù)荷期望(LOLE)。

定義消費(fèi)者的凈收益Rnet為

Rnet(k)=R-CB(k)-CE(k)

(1)

其中,k表示系統(tǒng)總?cè)萘?R表示消費(fèi)者在可靠電力供應(yīng)下的收益,假設(shè)為常數(shù),CB表示停電成本,CE表示總電力成本。

圖1 容量價值測算步驟

為求得極值,等式右端對k微分并令之為0,得到:

(2)

此時,式(2)左端是增加單位容量的電力成本,右端是增加單位停電造成的經(jīng)濟(jì)損失。

采用Eloss表示停電電量,則有總停電成本如式(3):

CB(k)=Eloss×VOLL

(3)

式(3)兩端進(jìn)行對系統(tǒng)總?cè)萘壳笪⒎?可得:

(4)

根據(jù)式(5)所示的失負(fù)荷期望定義,可進(jìn)一步得到新建邊際機(jī)組容量成本,

(5)

即新建邊際機(jī)組容量成本為

(6)

2.2 模擬電力電量平衡

將步驟1確定的LOLE作為可靠性標(biāo)準(zhǔn),采用隨機(jī)生產(chǎn)模擬進(jìn)行電力電量平衡計(jì)算,得到滿足可靠性標(biāo)準(zhǔn)時系統(tǒng)所需的總?cè)萘?。本文采用等效電量函?shù)法進(jìn)行隨機(jī)生產(chǎn)模擬[7],具體過程如下。

(1) 形成原始等效電量函數(shù)

定義持續(xù)負(fù)荷曲線為t=F(x),自變量是x,函數(shù)值是t,F(x)是一個減函數(shù)。曲線上的任意點(diǎn)(x,t)表示系統(tǒng)負(fù)荷大于或等于x時的持續(xù)時間為t。設(shè)xmin和xmax是負(fù)荷的最小值與最大值。用Δx表示常規(guī)機(jī)組容量的最大公因數(shù),記NE=(xmax-xmin)/Δx,NE是整數(shù)。將持續(xù)負(fù)荷曲線F(x)中的x軸按Δx分段,得到離散化的電量函數(shù)為

(7)

其中,x0=xmin,xk+1=xk+Δx,k=0,…,NE-1。

(2) 計(jì)算各機(jī)組發(fā)電量

按照新能源優(yōu)先、火電機(jī)組按變動成本由小到大的帶負(fù)荷順序,依次投入發(fā)電機(jī)組運(yùn)行,計(jì)算發(fā)電量。第i臺發(fā)電機(jī)組的發(fā)電量G應(yīng)根據(jù)等效電量函數(shù)E(i-1)(j)來進(jìn)行計(jì)算:

(8)

(9)

式中,Ji-1表示前i-1臺發(fā)電機(jī)組容量之和所占的步長,對第1臺發(fā)電機(jī)組而言,E(i-1)(j)表示原始等效電量函數(shù),pi表示發(fā)電機(jī)組i的可用率,Ci表示發(fā)電機(jī)組i的容量。

(3) 修正等效電量函數(shù)

第i臺機(jī)組投入運(yùn)行后,利用卷積公式修正等效電量函數(shù):

E(i)(j)=piE(i-1)(j)+qiE(i-1)(j-Ki)

(10)

式中,Ki=Ci/Δx

(4) 計(jì)算可靠性指標(biāo)LOLE

(11)

若LOLE小于或等于可靠性標(biāo)準(zhǔn),則結(jié)束模擬;否則,新增CONE最小的邊際機(jī)組1臺,返回第(2)步,迭代計(jì)算,直至LOLE滿足可靠性標(biāo)準(zhǔn),得到此時的系統(tǒng)總?cè)萘考礊槟繕?biāo)容量值TC。

2.3 繪制容量需求曲線

根據(jù)步驟2所得結(jié)果可繪制系統(tǒng)靜態(tài)的垂直容量需求曲線,即在橫坐標(biāo)為容量、縱坐標(biāo)為價格的坐標(biāo)系中,目標(biāo)容量值TC左側(cè)的價格設(shè)為較高的上限(比如CONE的若干倍),目標(biāo)容量值TC右側(cè)的價格設(shè)為較低的下限(比如0)。垂直曲線下價格的彈性系數(shù)為0,但是電力市場的實(shí)際情況表明負(fù)荷有較強(qiáng)的價格反映。從國外實(shí)踐來看,美國(PJM、紐約、新英格蘭)、英國等地區(qū)建立的容量市場,為了表征容量需求隨價格變化的趨勢,采用了有彈性的、傾斜向下的需求曲線進(jìn)行容量的集中采購。如圖所示,傾斜曲線經(jīng)過點(diǎn)(0.95*TC,1.5*CONE)、(TC,CONE),當(dāng)系統(tǒng)容量小于目標(biāo)值時,價格低于上限,當(dāng)系統(tǒng)容量大于目標(biāo)值時,價格高于下限。

圖2 需求曲線

2.4 計(jì)算不同類型機(jī)組凈成本

對系統(tǒng)中現(xiàn)有發(fā)電機(jī)組的單位容量凈成本(元/MW·a)進(jìn)行測算,凈成本等于機(jī)組投資成本的折舊值加上年固定運(yùn)行維護(hù)成本,再減去發(fā)電利潤。本文采用年數(shù)總和法對固定資產(chǎn)進(jìn)行折舊,該方法是將固定資產(chǎn)原值減去殘值后,以剩余可使用年限與逐年使用年限數(shù)字之和的比值作為當(dāng)年折舊率計(jì)算折舊額?？紤]資金時間價值影響因素后,發(fā)電機(jī)組固定資產(chǎn)折舊計(jì)算模型為

(12)

式中,I0表示固定資產(chǎn)初始投資,θ為殘值率,Y表示固定資產(chǎn)折舊年限,r為資本金成本率。

2.5 供需曲線相交得到平衡點(diǎn)

根據(jù)步驟4的計(jì)算結(jié)果,按照凈成本從小到大的順序排列形成系統(tǒng)容量供給曲線,如圖3所示,每段階梯曲線的長度為同類型機(jī)組的總?cè)萘?。供給曲線、需求曲線相交之處即為系統(tǒng)平衡點(diǎn),平衡點(diǎn)對應(yīng)的價格即為當(dāng)前系統(tǒng)容量價值。

圖3 供需曲線相交

3 算例分析

為說明方法的有效性,以一個簡單系統(tǒng)為例測算容量價值。該系統(tǒng)年最大發(fā)電負(fù)荷為10 000 MW,持續(xù)負(fù)荷曲線如圖4所示。發(fā)電端有新能源容量3000 MW,傳統(tǒng)火電機(jī)組11 200 MW(含燃煤1000 MW、600 MW、300 MW各4臺、4臺、6臺,燃?xì)?00 MW、100 MW各6臺)。新能源機(jī)組的容量可信度取30%,火電機(jī)組的強(qiáng)迫停運(yùn)率均取5%,已服役年限均為10年,資本金成本率為5%。詳細(xì)參數(shù)見表1。

表1 火電機(jī)組參數(shù)

圖4 持續(xù)負(fù)荷曲線

本案例中,設(shè)定失負(fù)荷價值VOLL=4萬元/MWh,火電機(jī)組生產(chǎn)模擬的帶負(fù)荷順序依次為:燃煤1000 MW、燃煤600 MW、燃煤300 MW、燃?xì)?00 MW、燃?xì)?00 MW。新建發(fā)電容量選擇初始投資成本最低的400 MW燃?xì)鈾C(jī)組,根據(jù)投資成本年化值、運(yùn)維成本固定值得到投產(chǎn)年的CONE=32.73(萬元/MW·a),因此:

(13)

通過等效電量函數(shù)法進(jìn)行隨機(jī)生產(chǎn)模擬,得到當(dāng)前系統(tǒng)中LOLE=25.31(h/a),不滿足可靠性目標(biāo)。逐次增加400 MW燃?xì)鈾C(jī)組1臺,繼續(xù)進(jìn)行隨機(jī)生產(chǎn)模擬,記錄系統(tǒng)擴(kuò)容后更新的LOLE值。實(shí)驗(yàn)表明:當(dāng)新增機(jī)組數(shù)量為5臺時,LOLE=8.69;當(dāng)新增機(jī)組數(shù)量為6臺時,LOLE=8.04。可知,取新增數(shù)量為6時滿足可靠性要求,此時系統(tǒng)總裝機(jī)容量為16 600 MW。各類型機(jī)組年發(fā)電量如圖5所示。

圖5 各類型機(jī)組發(fā)電量

假設(shè)各發(fā)電機(jī)組在電量市場的度電平均純利潤均為50元/MWh,結(jié)合上述發(fā)電量數(shù)據(jù),可計(jì)算各類型機(jī)組的年發(fā)電凈收入。進(jìn)一步,計(jì)算機(jī)組凈成本為初始投資成本折舊年值,加上年固定運(yùn)維成本,再減去年發(fā)電凈收入,形成繪制容量供給曲線所需的數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 容量供給曲線數(shù)據(jù)

根據(jù)以上結(jié)果,繪制該系統(tǒng)的容量需求、容量供給曲線如圖6所示,易得曲線的交點(diǎn)為(16 600,32.47),因此該系統(tǒng)的容量價值為32.47(萬元/MW·a)。結(jié)合初始條件中的機(jī)組可用率,本算例新能源機(jī)組的容量價值為0.3×32.47=9.74(萬元/MW·a),火電機(jī)組的容量價值為0.95×32.47=30.85(萬元/MW·a)。

圖6 容量供需曲線

4 總結(jié)

本文基于供需理論提出了一種量化系統(tǒng)容量價值的方法:在需求層面,以最大化消費(fèi)者福利為目標(biāo),計(jì)算經(jīng)濟(jì)最優(yōu)的LOLE,并通過隨機(jī)生產(chǎn)模擬轉(zhuǎn)化為裝機(jī)容量需求;在供給層面,對系統(tǒng)中的實(shí)際發(fā)電資源進(jìn)行長期成本分析,折算年度凈成本并形成優(yōu)先順序表。需求與供給的均衡點(diǎn)反映了最佳容量水平對應(yīng)的系統(tǒng)容量價值,研究結(jié)果對容量補(bǔ)償、容量市場、可靠性期權(quán)等充裕度機(jī)制的實(shí)際應(yīng)用有重要指導(dǎo)意義。

對電力市場化改革的效益來說,系統(tǒng)容量規(guī)劃帶來的提升要遠(yuǎn)大于短期的經(jīng)濟(jì)調(diào)度。本文的研究提供了一種從經(jīng)濟(jì)效率層面分析最優(yōu)規(guī)劃水平及其邊際成本的思路,更深入的研究可以圍繞各個測算步驟的技術(shù)環(huán)節(jié)展開。