孫啟星，尤培培，李成仁，劉思佳，李炎林，高效

(國網(wǎng)能源研究院有限公司，北京 102209)

0 引言

隨著中國電力市場建設不斷推進，電力生產(chǎn)逐步向市場經(jīng)濟運營模式轉變。發(fā)電容量的充裕程度將成為保證電網(wǎng)長期穩(wěn)定的重要因素[1-3]。在未來的電能量市場和輔助服務市場的機制下，電力系統(tǒng)中發(fā)電容量的充裕度將會受到一定威脅。需進一步完善和健全電力市場機制設計，從全局層面保證電網(wǎng)穩(wěn)定運行[4]。

隨著可再生能源發(fā)電裝機容量和消納率逐步提高，火電機組的發(fā)電運營面臨較大壓力[5]。電力平衡和對其他電源的補償調(diào)節(jié)決定了煤電在電力系統(tǒng)中仍將發(fā)揮重要的作用[6-7]。提升電網(wǎng)穩(wěn)定性，調(diào)整電網(wǎng)發(fā)電結構不能僅使用行政命令方式，需要建立整套完備的價格機制，以引導電網(wǎng)發(fā)展。

現(xiàn)有文獻對電力市場中電能量市場的出清方式[11-12]、結算機制[13-14]和輔助服務市場[15]研究較多，但對于保證發(fā)電商合理收益及保障電力系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行等方面的有所欠缺。文獻[16-17]進行了容量市場分析，但對中國電力市場如何向容量市場過渡沒有深入研究。在現(xiàn)有的電能量市場和輔助服務市場機制下，若不能建立有效的市場機制以確保發(fā)電容量的充裕性，可能會造成穩(wěn)定性電源因收益不足而導致關停的情況，進而會對電力系統(tǒng)可靠性帶來較大威脅。因此，需針對電力系統(tǒng)發(fā)電容量可靠性，建立有效的容量市場保障機制保證電網(wǎng)長期穩(wěn)定運行。

本文提出了適應中國現(xiàn)行電力體制機制下的容量市場建設路徑。通過合理的機制及過渡方式建設容量市場，減少了電力市場中引入容量市場帶來的價格波動。

1 國外電力市場機制設計

本文借鑒國外電力市場經(jīng)驗，因地制宜，完善中國發(fā)電容量市場機制設計。為提高發(fā)電容量充裕度，國外電力市場發(fā)電容量充裕性保障機制主要包括稀缺定價機制[18-19]、戰(zhàn)略備用機制[20]、容量市場機制[21-22]。

1.1 稀缺定價機制

稀缺定價機制是電能量市場中的一種存在形式，一般應用于純電能量市場。稀缺定價機制允許部分發(fā)電商持留發(fā)電容量，使其可通過稀缺電價進行成本回收并創(chuàng)造收益[23]。有效的市場監(jiān)管是稀缺定價機制的重點。監(jiān)管可消除市場帶來的電價虛高現(xiàn)象。與此同時，用戶側的需求響應也是減少稀缺電價的重要因素[24]。當用戶對電價足夠敏感且能按照電價調(diào)整用電行為時，可從需求側保證電力市場的穩(wěn)定運行。稀缺定價機制在供電短缺時允許電能量市場中尖峰價格的出現(xiàn)，沖擊了電力市場的穩(wěn)定性。

1.2 戰(zhàn)略備用機制

戰(zhàn)略備用機制是指電網(wǎng)運營商與一些面臨退役或停用的發(fā)電機組簽訂合約，在需要時使用其發(fā)電容量對電網(wǎng)負荷需求進行響應。在系統(tǒng)常規(guī)運行時，參與戰(zhàn)略備用的機組將不被調(diào)用。在整個系統(tǒng)出現(xiàn)容量短缺時，簽訂備用的機組將會被調(diào)用以應對短時電力供需。在戰(zhàn)略備用機制中，參與備用的機組將不被允許參加電能量市場。因此，此類機組收入的唯一來源為與電網(wǎng)運營商簽署的戰(zhàn)略備用合約。戰(zhàn)略備用機制采用的容量一般由電網(wǎng)運營商確定，并采用招標的方式進行采購。采購發(fā)電容量的成本通過輸電價格回收，從而將成本疏導到用戶[25]。戰(zhàn)略備用會使用戶承擔支付給備用機組的費用，從而導致終端電價上升。

1.3 容量市場機制

容量市場的目標是保證電力系統(tǒng)中發(fā)電容量的充裕度，進而使系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。美國PJM容量市場的結算方式主要有基本市場拍賣、追加市場拍賣和雙邊合約?；九馁u市場主要目的為釋放價格信號并引導發(fā)電商投資。追加市場拍賣的設立是為了應對負荷水平和機組建設計劃等不確定性因素，從而對基本拍賣起到有效的補充作用。雙邊合約結算方式是用戶和發(fā)電企業(yè)直接簽訂容量合約以實現(xiàn)容量交易。

十九大報告中進一步強調(diào)：“社會主義核心價值觀是當代中國精神的集中體現(xiàn)，凝結著全體人民共同的價值追求，要把社會主義核心價值觀融入社會發(fā)展各方面，轉化為人們的情感認同和行為習慣?！币陨鐣髁x核心價值觀引領高校校園文化建設,有利于堅定大學生的理想信念，形成和諧、求真、向上的良好校園文化氛圍，建立平等和諧的師生關系，使大學生對社會主義核心價值觀更加認同和接受并主動踐行，有利于高校堅持社會主義辦學方向。

由于電能量市場競爭的存在，發(fā)電商為保證成本回收和獲得合理利潤將會壓低電能量市場的報價，這會使用戶電價仍處在合理的范圍。部分老舊機組和高耗能機組會因容量市場競標獲利價格水平低或電能量市場發(fā)電價格沒有競爭力而退出市場，從而優(yōu)化了電源結構。

2 中國容量市場制定方法

現(xiàn)有的中國電力市場研究主要集中在電能量市場和輔助服務市場，沒有對電力系統(tǒng)發(fā)電充裕度進行系統(tǒng)化地市場機制研究。現(xiàn)行的電力市場化機制設計會導致經(jīng)濟效益好的發(fā)電機組支撐電力系統(tǒng)的大部分用能需求，發(fā)電效益不好的機組僅能在少數(shù)用電高峰時段發(fā)電，導致其有效利用小時數(shù)不高。有效利用小時數(shù)與發(fā)電機組收益成正相關關系，發(fā)電設備有效利用小時數(shù)過低可能導致以下情況：（1）發(fā)電設備通過尖峰時段利用小時數(shù)回收其固定成本及變動成本，導致尖峰時段電價過高，增加了電力市場的不確定性，并增加了用戶的用能成本；（2）發(fā)電設備利用小時數(shù)低嚴重影響經(jīng)濟效益，造成持續(xù)虧損，最終導致發(fā)電設備關停，系統(tǒng)穩(wěn)定性降低。

在計劃發(fā)電時代，電力系統(tǒng)發(fā)電容量較為充裕，容量安全性問題尚未凸顯。但隨著可再生能源發(fā)電量占比逐步上升，壓縮了火電利用小時數(shù)?；痣姀S長期虧損會導致區(qū)內(nèi)發(fā)電容量降低，影響系統(tǒng)安全性。需要建立容量市場，優(yōu)化電力系統(tǒng)電源結構，促進電網(wǎng)長期穩(wěn)定運行。

非水可再生能源未來在電能量市場和補貼等方面獲得收益渠道，故在容量市場建設初期不考慮非水可再生發(fā)電進入容量市場。核電、水電可在容量市場第二階段實施時進入容量市場。因此，容量市場前期可僅納入煤電和氣電。通過煤電、氣電充分進行容量市場交易，為全面開放容量市場和允許更多類型的發(fā)電資源進入容量市場提供經(jīng)驗。

中國電價政策以穩(wěn)定為主基調(diào)，以市場競爭方式產(chǎn)生合理的用戶電價。稀缺定價機制潛在的用戶高電價風險是不適應中國當前情況的。戰(zhàn)略備用機制雖可以穩(wěn)定用戶電價，但會從電力市場競爭機制中剝離部分發(fā)電容量，而電價由用戶承擔，也不適宜中國現(xiàn)狀。因此容量市場機制較為適應中國現(xiàn)有情況，并需要根據(jù)中國實際情況做修改，從而建成機制完善的中國特色電力市場體系。

火電發(fā)電商的成本由固定成本和變動成本組成。固定成本包含材料費及員工工資等。變動成本與燃料價格直接相關。單一電能量市場下，發(fā)電設備利用小時數(shù)與收益關系如圖1所示。

圖1 發(fā)電設備利用小時數(shù)與收益關系Fig. 1 Relationship between power generation equipment utilization hours and income

從圖1中可以看出，發(fā)電設備由于能效不同，單位利用小時數(shù)的收益也不同。發(fā)電設備的收益可以表示為一個區(qū)間。當發(fā)電利用小時數(shù)低于h1時，發(fā)電設備虧損。當利用小時數(shù)高于h2時，發(fā)電設備盈利。

中國電力市場可以實行“電能量市場+容量市場”模式，既保證了電網(wǎng)的充裕度，也保證了發(fā)電商獲得合理收益，并且盡量確保用戶用電價格接近電能邊際價格，容量市場覆蓋固定成本，電能量市場覆蓋發(fā)電廠變動成本。激勵機制保證發(fā)電商有足夠動力提高發(fā)電效率從而獲得更大利潤。

3 適應中國容量市場機制設計框架

3.1 容量市場需求曲線方案

市場建設初期需求曲線應以線性變化為基準，在后期電力數(shù)據(jù)充足且容量市場對價格的響應情況可以預估的情況下，逐步確定參考點，引導電力系統(tǒng)總發(fā)電容量向容量需求點靠攏。

前期需求曲線應采用線性遞減變化設計，以收集發(fā)電側價格響應情況數(shù)據(jù)，為設計容量需求參考點做準備。需求曲線對發(fā)電投資方起到指引作用，有助于電網(wǎng)發(fā)電容量規(guī)劃的有序發(fā)展，如圖2所示。

圖2 容量市場需求曲線Fig. 2 Demand curve design in capacity auction market

3.2 容量市場組織形式及資金回收方式

發(fā)電企業(yè)會綜合考慮發(fā)電的變動成本和固定成本。未來，容量市場的費用可以在電能量市場中拆分出來，將一定比例的發(fā)電固定成本由容量市場負責回收，變動成本由電能量市場回收，從而不會對用戶側價格產(chǎn)生過多影響。由于目前各省的電力市場都是以電能量市場為主，在容量市場實行的初期，可建立僅面向發(fā)電商的容量市場。發(fā)電商扣除費用和容量市場需求曲線可在容量市場拍賣前確定，發(fā)電商依此作為報價參考。

火電發(fā)電企業(yè)在電能量市場的收入為

式中：I為發(fā)電企業(yè)在電能量市場的收入；Ti為發(fā)電商i在電能量市場中的結算價格；Ei為發(fā)電商i發(fā)出的電量； σ1為發(fā)電企業(yè)偏差考核費用；a為發(fā)電商需要上繳的費用；n為發(fā)電商個數(shù)。

中標的火電發(fā)電企業(yè)需要上繳的容量市場費用C1為

在容量市場實施初期，可適當縮短容量市場拍賣周期。在容量市場實施的短期內(nèi)，將國外三年的拍賣周期縮短為半年一拍賣或一季度一拍賣。該措施有助于讓發(fā)電商盡快適應容量市場報價規(guī)則，保證容量市場資金規(guī)?？刂圃谝欢ǚ秶畠?nèi)，確保容量市場建設的穩(wěn)步推進。在市場和監(jiān)管機構熟悉報價規(guī)則和市場情況之后，延長容量市場拍賣周期，保障全系統(tǒng)發(fā)電容量長期穩(wěn)定。

3.3 容量市場定價原則方案

方案1為容量市場覆蓋發(fā)電設備固定成本的100%，電能量市場覆蓋發(fā)電設備變動成本及準許收益。發(fā)電設備利用小時數(shù)及收益情況如圖3所示。從圖3中可以看出，容量市場覆蓋全部固定成本的情況下，發(fā)電商會通過電能量市場競爭獲得發(fā)電設備上網(wǎng)發(fā)電量，從而獲取相應利潤。發(fā)電設備固定成本已由容量市場覆蓋。發(fā)電商回收固定成本壓力小，只要上網(wǎng)發(fā)電就可以獲利。發(fā)電商可以在電能量市場報價中增加合理收益來獲得發(fā)電資格，從而不用顧慮固定成本帶來的成本回收問題。相較于單一電能量市場的價格收益，“容量市場+電能量市場”結合的市場機制可以促進發(fā)電商競爭，降低發(fā)電商的固定成本回收壓力，促進發(fā)電廠提高經(jīng)濟效率。

圖3 方案1的收入情況Fig. 3 Income of scheme 1

方案2為容量市場覆蓋部分發(fā)電設備固定成本，電能量市場覆蓋發(fā)電設備變動成本、剩余的固定成本及合理收益。本文以容量市場覆蓋70%的發(fā)電設備固定成本，電能量市場覆蓋發(fā)電設備變動成本及30%的固定成本為例。發(fā)電設備利用小時數(shù)及收益情況如圖4所示。從圖4中可以看出，在發(fā)電設備利用小時數(shù)高于合理利用小時數(shù)時，發(fā)電機組盈利。當發(fā)電設備利用小時數(shù)低于合理利用小時數(shù)時，發(fā)電機組虧損。方案2的機制可以促進發(fā)電設備盡量達到合理的利用小時數(shù)，從而實現(xiàn)發(fā)電設備收支平衡及獲利。

圖4 方案2的收入情況Fig. 4 Income of scheme 2

由于容量市場承擔了發(fā)電設備部分市場風險，在容量市場下，發(fā)電商報價將以“變動成本+合理收益+發(fā)電設備單位發(fā)電量承擔的容量基金”報價，此種報價更為直觀。

在引入容量市場后，發(fā)電市場獲得的容量費用占固定成本比例越多，發(fā)電設備回收固定成本壓力越小會使單位發(fā)電收益期望降低，從而加劇市場競爭。在充分市場競爭的情況下，發(fā)電商可以獲得較為穩(wěn)定的收益，用戶獲得合理的電費報價，有助于發(fā)電商與用戶的良性互動。

3.4 設計方案對比

2種方案情況的收益情況比較如圖5所示。本文所提方案與單一電能量市場的情況比較如表1所示。表1中：F為發(fā)電設備的固定成本；V為發(fā)電企業(yè)的變動成本。結合圖5和表1可以看出：（1）方案2的發(fā)電設備有固定成本回收壓力。該方案下單位發(fā)電量的期望收益上升時，收益區(qū)間將增大。在發(fā)電設備利用小時數(shù)大于一定值時，方案2的發(fā)電設備收益高于方案1的發(fā)電設備收益，從而導致用戶用能價格稍高。（2）方案1可以減少固定成本回收壓力，從而促進發(fā)電商按照邊際成本報價，加劇市場競爭，有利于釋放電力市場建設進程中的改革紅利，降低用戶用能成本。方案2可以促進發(fā)電商發(fā)電積極性，以更高的發(fā)電量獲得更好收益。（3）方案1包含了發(fā)電設備的全部固定成本，可以有力保證所需發(fā)電容量的經(jīng)營情況，故其對全系統(tǒng)發(fā)電容量有強力的保障。發(fā)電設備需在電能量市場競爭從而回收30%的固定成本，方案2對發(fā)電容量保障能力相對弱于方案1。

圖5 2種方案情況的比較Fig. 5 Comparison of two schemes

表1 3種方案比較Table 1 Comparison of three schemes

4 結語

良好的發(fā)電資源充裕程度對于電力市場建設和電力工業(yè)的安全可靠運營至關重要，本文介紹了3種典型的保證電力系統(tǒng)發(fā)電容量充裕性的解決辦法。容量市場模式是目前較為符合中國現(xiàn)階段電力市場運行現(xiàn)狀的方法。本文提出了容量市場參與中國現(xiàn)行電力市場的過渡方式，可以幫助容量市場加速融入中國現(xiàn)行的電力市場體制并加快市場良性競爭。通過對不同容量市場設計方案場景的分析，引入容量市場降低發(fā)電商在電能量市場中回收固定成本的壓力，促進發(fā)電商在電能量市場按邊際成本報價，有利于市場的充分競爭，同時使用戶獲得更清晰、合理的用電價格。