发布时间：2021-05-29所属分类：电工职称论文浏览：1次
摘 要： 摘要：自2030年前碳达峰、2060年前碳中和的目标提出后，中央财经委员会第九次会议又进一步提出实现该目标的基本思路和主要举措，特别是实施可再生能源替代行动，深化电力体制改革，构建以新能源为主体的新型电力系统。这些举措必将导致电源结构的重大调整。
摘要：自“2030年前碳达峰、2060年前碳中和”的目标提出后，中央财经委员会第九次会议又进一步提出实现该目标的基本思路和主要举措，特别是实施可再生能源替代行动，深化电力体制改革，构建以新能源为主体的新型电力系统。这些举措必将导致电源结构的重大调整。另一方面，近年来世界范围内电力市场中各类负面事件接连不断，引起各方广泛关注。这些事件产生的原因与电源结构缺陷和电力市场设计不合理有很大的关系。结合近期全球电力市场典型事故的介绍和原因分析，重点探讨了电源结构的变化所引起的安全风险和电能价值的多样化等问题，分析了电力市场体制机制所面临的挑战，并提出了初步解决方案。电力定价和电力市场设计应建立在电能价值规律的基础之上。在可再生能源大规模接入的背景下，电能除了传统电力市场中的容量价值、电量价值，还具有灵活性、安全性和弹性价值等多种不同的价值，使得问题更加复杂，因此针对这些问题进行了初步分析。
关键词：电力市场;价值规律;发电组合;灵活性
0引言
近年来，由于社会经济发展对化石能源的过度依赖，能源资源日渐枯竭，同时大量碳排放也导致温室效应日益加重，极端天气的出现越来越频繁，而高比例可再生能源的接入也对电网运行带来越来越严峻的挑战。国际社会一致认为需要对气候变化采取紧迫行动和强有力的国际合作。“碳中和(carbonneutral或carbonneutrality)”是指中立的(即零)总碳量释放，通过排放多少碳就采取多少抵销措施，来达到平衡。目前已有数十个国家和地区提出了“碳中和”目标。中共中央总书记、国家主席习近平在2020年9月22日召开的第七十五届联合国大会一般性辩论上表示：“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。”(本文简称为“双碳”目标)。2021年3月15日，习近平同志主持召开中央财经委员会第九次会议，进一步明确了实现碳达峰、碳中和的基本思路及主要举措。会议特别强调：“实施可再生能源替代行动，深化电力体制改革，构建以新能源为主体的新型电力系统。”
“双碳”目标下的电力系统面临电源结构的重大调整，其内容包括淘汰和改造现有化石能源发电机组、新建配备碳捕获、利用与封存(carboncapture，utilizationandstorage，CCUS)装置的化石能源发电机组和提高清洁能源(特别是风、光等可再生能源)装机占比等。由于“双碳”目标下的电力系统包括高比例的风电、光伏发电等在内的多种可再生能源，出力具有极强的不确定性，在进行规划、运行决策时要确保系统的发电资源能适应各种风力、光伏出力场景。此外，还应维持系统备用、调频能力、惯性水平、安全稳定裕度等以确保安全可靠运行，并有足够的灵活性资源提供调峰和各种辅助服务。这些问题对电力定价和电力市场设计带来重大挑战[1-2]，本文拟进行初步探讨。
1近年来全球电力市场的典型事故
近期，世界范围内电力市场中各类事件接连不断，引起各方广泛关注。美国加利福尼亚州当地时间2020年8月14日15:20，加州独立系统运营商(CAISO)宣布电网进入二级紧急运行状态。8月14日18:36，为了防止电力系统崩溃，CAISO向全州的电力用户发布了自2000—2001年加州电力危机以来近20年的第一次三级紧急运行状态警告，并对居民用户实施轮流停电。随后，8月15日18:28，CAISO又发布了二级和三级紧急运行状态警告各一次并采取切负荷措施。8月17日、8月18日、9月5日、9月6日，CAISO又各发布了一次二级紧急运行状态。从当地时间2021年2月14日开始，美国得克萨斯州(下简称“得州”)在极寒天气下再次发生大范围轮流停电，现货市场价格也达到9000美元/(MW×h)的上限。美国总统拜登相继批准得州进入紧急状态和重大灾难状态。而2021年1月20日，澳大利亚历史上最大的能源集体诉讼在联邦法院提请。集体诉讼针对的是两家国有发电公司Stanwell和CSEnergy，由律师事务所PiperAlderman代表50730多名电力客户提出，称Stanwell和CSEnergy人为操纵了电力定价系统(electricitypricingsystem)并让消费者承担了过高的电费。2021年2月22日，美国联邦能源管理委员会(FERC)宣布将启动一项新的议程来调查气候变化和极端天气事件对电力可靠性造成的威胁，研究电网运营商如何准备和应对极端天气的影响[3]。
高比例新能源的并网在引入高度不确定性的同时，也淘汰了大部分传统发电机组，而后者是电力系统安全性和灵活性的重要来源。此外，新能源一般通过变流器、逆变器并网，系统的电力电子化程度高，很多系统特性尚未被认识清楚。这将增加系统的安全风险，一系列运行控制问题也有待解决。近年来，由于新能源大规模接入，电力系统转动惯量减少、一次调频能力减弱，电力系统频率控制的结构性困境日趋明显，频率稳定分析和控制问题受到广泛关注。国外发生了几起由系统转动惯量较小的电网设备故障所诱发的大停电事故，如：2016年9月28日澳大利亚南澳州电网发生了世界上第一次转动惯量偏低电网中风电大规模脱网所诱发的全州大停电事故;2019年8月9日英国电网再次发生了大面积停电事故，系统惯量水平下降也是重要原因之一[4-5]。
2得州停电事件分析及美国电力市场设计的争论
2.1得州停电事件分析
美国当地时间2021年2月24日，得克萨斯州电力可靠性委员会(ERCOT)召开紧急董事会并发布了关于得州停电事件的首份官方报告(下简称“ERCOT报告”)，从中可以了解到该事件的总体过程[6]。值得注意的是，2月15日01:53左右，得州电网频率一度跌至59.4Hz以下长达4min23s(美国电网的额定频率为60Hz)，而如果电网频率跌至59.4Hz以下超过9min后，将触发发电机组低频保护而使更多机组跳闸，可能使得系统功率缺额进一步扩大而造成全州大停电的更严重事故。由ERCOT的官方报告可以看出，由于负荷削减等应对措施及时，避免了一次由频率失稳而引发的全网安全稳定事故[3]。
ERCOT报告介绍了2月14日—2月19日发电容量停运(包括强迫停运和计划停运)的总体情况(最大停运容量达总装机容量的48.6%，即52277MW)，以及按一次能源分类的发电容量停运的情况。与最初的估计不同，其中停运最多的是天然气发电机组，其次才是风电，而煤电、核电和光伏停运容量较少。得州是美国能源第一大州，石油和天然气资源极为丰富，平时以电价低闻名。目前ERCOT辖区内发电总装机容量为107514MW，根据2020年的统计数据，其中51.0%为天然气机组，24.8%为风力发电机组，13.4%为煤电机组，4.9%为核电机组，3.8%为光伏发电机组，1.9%为其他机组，0.2%为储能。由于美国天然气发电机组大多采用管道即时供气，本地储气能力不足，极寒天气下的冻井和管道冰堵是此次得州大停电事件的重要原因。
从电力市场的角度，ERCOT报告给出了从2月13日—2月21日的日前和实时电价变化情况，以及市场参与者所采用的基本风险对冲措施。ERCOT日前市场电价和实时市场电价曾经一度飙升至9000美元/(MW×h)的价格上限。虽然市场主体可能采取了一些风险对冲措施，但短短几天的市场异常情况还是造成了严重的后果。3月1日，由于无力支付ERCOT开具的21亿美金电费账单，得州最大、建立时间最长的电力合作公司布拉索斯电力(BrazosElectricPowerCooperativeInc)在休斯敦申请破产保护。同一天，得克萨斯州检察长KenPaxton对电力零售商格里迪公司(Griddy)提起诉讼，称其使用欺骗性商业行为误导了电力用户，而实际上电力用户收到天价电费单的根本原因只不过是格里迪公司是以日前、实时市场批发价格与其所代理的用户结算电费的。格里迪公司最终于3月15日向法院提交了破产申请。事件的其他细节可参考文献[7]，本文不再赘述。
2.2美国有关电力市场设计的争论
实际上，在美国有关电力市场设计的争论由来已久[8]。在2017年9月28日时任能源部长的RickPerry给FERC的信件中，提到美国电力市场的短期市场可能无法提供充分的价格信号来确保合理的长期容量投资[8](下简称“Perry信件”)。此外，批发市场价格形成机制也受到质疑，甚至认为已威胁到美国电网安全和国家安全。RickPerry敦促FERC立即采取行动，确保不同类型发电厂提供的可靠性(reliability)和弹性(resiliency)得到充分估价，并制定新的市场规则来实现这一紧迫目标[9]。在此前美国能源部给部长的报告中，重点研究了当前电力批发市场的问题及其与电网可靠性/弹性的关系，建议FERC应加快与联邦、RTO/ISO和其他利益相关方的合作，改革集中组织的电力批发市场的价格形成机制[10]。由于认为能源部理由不充分，2018年1月8日，FERC暂停市场规则的修改并启动一项新的对各大RTO/ISO所运营区域的大电网弹性进行评估的行动。RickPerry部长当日即在美国能源部官网上作出回应：“我感谢FERC所作的考虑和努力，以进一步评估使我们的电网的长期弹性面临风险的市场扭曲。按照原先的意图，我的提案启动了关于电力系统弹性的全国性辩论。但毫无疑问的是，多样化的燃料供应，特别是本地燃料供应能力，在为美国人提供可靠、有弹性和价格可承受的电力方面发挥着至关重要的作用，特别是在我们现在看到的与天气有关的紧张时期。我期待继续与FERC委员们合作，以确保电网的健全[5]。”
此外，从Perry信件可知，得州的天气事件是由所谓“极地涡旋”(PolarVortex)所导致，在美国并非首次出现，其中记录了2014年美国所发生的一次类似的极寒天气事件及其对PJM电力市场的影响。
3“双碳”目标下的电能价值分析
3.1“双碳”目标下电能价值的多样化
由于全球气候变化问题，极端天气的出现越来越频繁，对电网运行带来越来越严峻的挑战，特别是影响资源充裕性[11]。碳中和是应对全球气候变化的关键措施。在碳中和的目标下，现代电力系统正逐步向高比例可再生能源和高比例电力电子设备(“双高”)的趋势发展。由于风、光等新能源的随机性和波动性，给电网的调度运行带来诸多困难，如何提高电力系统灵活性已成为各方关注的焦点。2018年11月13日国际能源署(InternationalEnergyAgency)发布的世界能源展望(WorldEnergyOutlook2018)提出“灵活性是电力系统的新口号(Flexibilityisthenewwatchwordforpowersystems)”。
由于新能源发电设备一般通过电力电子装置接入大电网，导致系统动态行为发生深刻变化，不仅对经典稳定性(如功角稳定、电压稳定和频率稳定)产生重大影响，而且会引发一系列新型稳定性问题。在这样的背景下，电能作为商品，其价值相对于以传统化石能源发电和没有需求侧响应的电力系统更加多样化，本文针对发电系统(电源侧)的电能价值问题进行初步分析。
电力定价和电力市场设计应以对电能价值规律的深入分析为基础，并建立基于电力系统优化规划、优化运行原理的数学模型，它是一个大规模复杂系统优化问题，其理论基础是微观经济学有关生产成本的理论和相关的数学优化理论，特别是数学优化中的对偶优化原理与有限资源影子价格密切相关[2]。
3.2电能商品品质及定价机制
“同质同价”是市场中商品定价的基本原则，因此有必要对电能商品品质问题进行深入分析。我们常说的电能的同质性是从物理学意义上来说的，而实际上电力市场交易是电力系统调度运行层面的问题[12]。由于电能难以大量储存，发用功率必须实时平衡，从对电力系统调度运行和功率平衡的影响，本文认为电能商品品质应从波动性、可控性、随机性3个维度进行衡量。其中波动性指功率相对于自身容量的变化幅度;可控性指将功率在一定范围内自由调节的难易程度。当前各类常见供方(电厂)所生产和需方(负荷)所消费的电能商品品质排级如表1所示。注意这里是对电能商品的品质进行排级，而不是给电源或负荷“贴标签”(即所谓“技术中性”)。例如，如果品质一般的煤电经过灵活性改造，可以升级为高品质的调峰电源。需要说明的是，电能商品品质是从保证电力系统发用功率平衡的角度来定义的，因此，对于电能商品的供方(生产者)和需方(消费者)，商品品质的价值内涵是不同的。从定价原则来讲，对于供方，电能商品品质越高，定价越高;对于需方，电能商品品质越高，定价越低(即价格越优惠)，甚至可以享受负电价。也就是说供方所生产的低品质电能商品(如风电)可以较低价提供需方的高品质电能商品消费(如需求侧响应)，反之亦然。
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传统电力现货市场基于实时电价(spotpricing)理论而建立，采用分时段边际统一出清方式。其隐含的假设为同一时段的电能商品都是同质的，由于未考虑不同类型发电机组在负荷曲线上所处的位置，也未考虑发电功率变化的时间动态特性，因此无法区别不同品质电能差别明显的技术特征及价值。
为强调时间因素在电能商品中的作用，重新定义图1所示的由功率-时间对组成的连续时间电能商品模型(P,t)(t1£t£t2)(形象地称为“能量块”)，功率曲线下的面积即为电量。当t2=t1+1并且P=const(t1£t£t2)时，即退化为实时电价理论中的分时电能商品模型。
由于功率是时间的函数，所以该连续时间电能商品模型也可写成[P(t),t](t1£t£t2)的形式，在实时电价定义中的功率点变成定义于(t1,t2)时间区间的一个函数，需要用无穷维空间上的泛函分析、变分法等数学理论进行分析。引入连续时间电能商品模型后，市场出清的社会福利最大化问题，即从多阶段静态优化问题变为连续时间的泛函优化问题。
在此基础上，可提出一种按负荷持续时间、即数学上称为“测度”定价的电力市场机制。即认为同一负荷持续时间的电能商品价格是相同的;而负荷持续时间改变时，价格相应地发生变化，持续时间越短，价格越高(其经济含义为峰荷机组电能价格比基荷机组高)，具体分析可参考文献[13]。
3.3电能价值规律的初步分析
实时电价是基于经典微观经济学中的社会福利最大化原理形成的，在实际电力市场中一般由SCUC、SCED等短期运行优化模型的拉格朗日乘子求出。在这种假设下，如图2所示，对于同一个发电厂(即由多个相同颜色的小矩形组成的横条)，随时间不同所生产的电能商品的品质是不同的，这并不符合电力系统运行的实际情况;而对同一时段(不同颜色组成的竖条)，认为所有电能商品都是同质的，无法区别基荷、腰荷和峰荷机组区别明显的技术特征及价值。
在按负荷持续时间定价的市场机制中，认为同一负荷持续时间的电能商品品质和价值是相同的;而负荷持续时间改变时，所需电能商品品质相应地发生变化，持续时间越短，灵活性越好的电能商品品质越高，价值也越高。在这种假设下，图3中，对于同一个发电厂(同一颜色的横条)，在持续同一输出功率的时间区间内，其生产电能商品的品质和价值是相同的，而对同一时段(竖条)，基荷、腰荷和峰荷机组所生产的电能商品品质和价值是不同的。这种假设与实际电力系统电能价值分布一致。
在可再生能源大规模接入的背景下，由于“双高”电力系统的运行机理和稳定特性更加复杂，电能价值将更加复杂化。除了传统电力系统的容量价值、电量价值，电能还具有灵活性、安全性(如惯性、调频和备用)和弹性等多种不同的价值，使得问题更加复杂。此外，从美国加州、得州和澳大利亚停电时间可以看出，长期和短期发电组合(generationmix)对电力系统的安全性和弹性都有重大影响。这些问题为电力市场设计和运营带来重大挑战，需要进一步深入研究。
4“双碳”目标下的电力市场机制设计
4.1“双碳”目标下电力市场机制设计的基本思路
在“双碳”目标下，随着高比例间歇式可再生能源的接入，电力市场面临着更新换代。如前所述，传统的基于实时电价理论的电力批发市场设计忽略了电能生产和消费的时间连续性这个十分重要的特征，也无法根据功率的时间动态特性分辨不同品质的电能商品并进行合理定价。在这种定价方式下，由于光伏、风电近零边际成本的特点，使得市场出清价格降低，甚至出现负值，将传统火电、核电在以边际成本为准的竞价交易中挤出，因此火电、核电难以生存，导致电源结构失衡，并降低电力系统的安全性和灵活性。同时，光伏和风电的随机性、波动性，给电力系统的运行和控制带来重大挑战，对系统灵活性的需求急剧增加，需要为灵活性资源提供足够的经济激励。在“双碳”目标下，设计正确体现不同品质电能价值的新市场机制十分关键。
电能的生产和使用都具有时间连续性，无论对于发电商还是电力负荷，销售或购买的商品都是如图1所示的“能量块”。电力市场交易过程可用不同的(横向的或纵向的)“能量块”填充负荷曲线下的面积，实现电力电量平衡，建立图3所示的中长期与现货(日前、日内、实时)交易相协调、电量与电力型交易相结合的电力市场目标模式，这也符合我国当前电力市场建设所采用的“中长期交易+现货市场”的基本框架。不同“能量块”的组合将形成不同的短期运行发电组合(即运行方式)和内涵不同的价格。主能量交易可采用分段竞价(或水平拍卖)或合约交易机制，实时平衡与辅助服务交易采用分时竞价(或垂直拍卖)机制[14-15]。对于基荷、腰荷机组(负荷)，即图3中的横向“能量块”，可按负荷持续时间定价，进行集中竞价或开展合约交易[13]。对于峰荷机组(或需求侧响应资源)，基于实时电价，针对图3中的绿色和褐色纵向“能量块”进行集中竞价。
在“能量块”交易的初级阶段，可采用比较简单的分时段交易。2020年11月25日国家发展改革委、国家能源局发布的《2021年电力中长期合同签订工作的通知》(发改运行〔2020〕1784号)中，为拉大峰谷差价，明确提出“交易双方签订分时段合同”(即国家发展改革委电力中长期合同“六签”要求之“分时段签”)。
4.2可再生能源参与电力市场的方式
在“双碳”目标下，为构建以新能源为主体的新型电力系统，建立有利于新能源消纳的电力市场体制机制已成为当前的紧迫任务。一般情况下，对于光伏、风电等可再生能源机组，由于功率曲线难控，电能商品品质低，但因环保效益显著，可全额消纳，或根据电力系统安全稳定约束在一定功率波动范围内消纳，并以比市场最低价更低的价格结算电量。在这种情况下，系统总负荷扣除可再生能源机组出力后，将可能形成功率缺口，例如美国加州电力系统著名的“鸭子曲线”，将显著增加电力系统的灵活性需求和调峰困难。
如果采用按负荷持续时间的定价方式，负荷曲线斜率越大、形状越陡时，功率变化速度快、负荷持续时间短的调峰机组，能获得更高的电价收入。因此，该定价机制能合理反映不同电源电能品质对电力系统安全运行和全系统效益最优所贡献的价值。此外，可再生能源机组和传统能源机组不再集中统一排序，前者也不会影响后者的定价。这种新的定价方式将有利于促进高比例新能源消纳，也确保传统能源机组获得合理回报[13]。
如果可再生能源搭配储能或购买调峰容量、提高其电能品质后，也可以参与图3中横向能量块的交易;在加装自动发电控制系统(AGC)后，响应电网调度指令下调功率，参与分时交易的辅助服务市场。智利是世界上第一个进行电改的国家，为鼓励可再生能源消纳并增加竞争，2014年引入了时间跨度长达20年的带时标的能量块(timeblock)交易，允许发电机在一天中针对特定的时段进行投标，而不是限定必须24h供应电力。智利的带时标能量块交易取得了预期的效果，增强了竞争，促进了可再生能源消纳，电价大幅下跌，受到了各方面的称赞。
4.3“双碳”目标下电能的灵活性价值
在美国加州电力市场(CAISO)和中部大陆电力市场(MISO)，建立了灵活爬坡产品(flexiblerampingproduct)交易，取得了良好的效果。如图4所示，深蓝色曲线表示预测净负荷(FNL)，即系统总负荷减去可再生能源发电出力。由于新能源功率预测的不确定性，取概率为95%的置信区间，最大预测净负荷可增加至(FNL+)，其中包括了向上不确定性UU;而最小预测净负荷可减小至(FNL-)，其中包括了向下不确定性DU。在第t时段采购灵活爬坡产品，要覆盖从t到t+1时段的净负荷增长/减少，则需采购的向上灵活爬坡产品为FRU(t)=FNL(t+1)+UU(t+1)-FNL(t)，需采购的向下灵活爬坡产品为FRD(t)=FNL(t+1)+DU(t+1)-FNL(t)。灵活爬坡产品实际上属于一种爬坡能力的备用，涉及一定的时间跨度，与作者提出的基于连续时间商品模型的电力市场定价理论的内在逻辑是一致的。——论文作者：陈皓勇
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