（电力系统及其自动化专业论文）电力市场环境下发电容量充裕性调控机制的研究.pdf

华北电力大学博士学位论文 a b s t r a c t g e n e r a t i o na d e q u a c yi sa ni m p o r t a n tc o n d i t i o nt om a k es u r eo ft h es e c u r i t ya n d s t a b i l i t yo ft h ep o w e rs y s t e mo p e r a t i o n ，a n da l s oi ti st h ep r e c o n d i t i o nt oe n s u r et h e s u c c e s so fp o w c rm a r k e td e r e g u l a t i o n t h i st h e s i sp r e s e l l t e das e “e so fm e t h o da i l d m e c h a n i s mt or e g l l l a t et h eg e n e r a t i o na d e q u a c yi nt h em a r k e tc i r c u m s t a n c e ，c o n s i d e m g s o m ef a c t o r sw h i c ha 仃e c t e dt h eg e n e r a t i o na d e q u a c ye m e r g e dd u r i n gt h ep r o c e s so f m a r k e tr e f j m a t i o n g e n c r a t i o ni n v e s t m e n tp l a n n i n gi sa ni m p o r t a n tf a c t o rw h i c hi n n u e n c e dt h el o n gt e 眦 g e n e r a t i o na d e q u a c y b yi n t r o d u c i n gm et h e o r ya n dm e t h o do fs y s t e md y n a m i c si n t o g e n e r a t i o ni n v e s t m e n tp l a n n i n g ，t h i st h e s i sm a p p e dt h eg e n e r a t i o ni n v e s t m e n tp l a n n i n g m a r k e ti n t oad y n a m i c r c s p o n d i n gp h y s i c a ls y s t e m ， a n de s t a b l i s h e dt h ed ”a m i c e q u a t i o n st o r e f l e c tt h e s y s t e ms t a t et r a n s f c 玎i n gc h a r a c t 州s t i c b ys o l v i n gt h e s e e q u a t i o n si tc o u l dg e t t h ec h a n g i n gm i eo fg e n e r a t i o ni n v e s t m e n tp l a n n i n gu n d e rt h e v a r i a b l e c h a n g i n gt r e n do ft h ei n f l u e n c e df a c t o r s ，m a s t e rt h ed e v e l o p i n g 仃e n do f g e n e r a t i o ni n v e s t m e n tp l 柚n i n g ，a n a l y z ea n dc o n t r o l t h eg c n e r a t i o ni n v e s t m e n tp l a i l l l i n g a h e a do fs c h e d u l e u n i tm a i n t e n a n c ed e c r e a s e dt h eg e n e r a t o fc a p a c i t yw h i c hi n n u e n c e dt h eg e n e r a t i o n a d e q u a c yg r e a t ly a i m i n ga tt h ef a c t i t i o u sl a c ko fg e n e r a t o rc a p a c i t yw i t ht h er e a s o no f u n i tm a i n t e n a n c e ，t h i st h e s i sp r e s e n t e dt h ec o n c e p to f “m a i n t e n a n c er i g h t ”a n dd e s i g n e d t h ec o r r e s p o n d i n gt r a d em e c h a n i s m b ye s t a b l i s h i n gu n i tm a i n t e n a n c em a r k e t ，i tc o u l d m a n a g et h eu n i tm a i n t e n a n c e ，c o l l o c a t et h ef a r eu n i tm a i n t e n a l l c er e s o u r c ew i t hm a r k e t m e a s u r e ， a n dr e a l i z e dt h eh a r m o n ya n du n i f b mo ft h e d i s p e r s i v ed e c i s i o na n d c e n t r a l i z e do p t i m j z a t i o m g e n e r a t o rf h e la d e q u a c yi sa ni m p o n a n tp r e m i s et oi n s u r et h ec o m p l e t eg e n e r a t o r c a p a c i t y a i m i n ga tt h ed e f i c i e n c yo fg e n e r a t o rc a p a c i t yc a u s e db ys h o r t n e s so f “e l e c t “c i t yc o a l ”，t h i sp a p e rb r o u g h tf o r w a r dar e a lo p t i o n st r a d em o d eo ff u e lt r a d eb y u s i n gt h ec o n c c p to ff i n a n c i a lo p t i o nf o rr c f e r e n c e u n d e rt h i sm o d e ，i te s t a b i i s h e da g u a r a n t e em e c h a n i s mo fg e n e r a t o r 如e l ，w h i c ho f 艳r e da ne f 艳c t i v ew a yf o rt h eg e n e r a t o r c o m p a n yt oe v a d et h er i s ko ft h en u c t u a t i o no fe l e c t r i c i t y 砸c ea 1 1 dc o a lp r i c e w i t ht h i s m e c h a n i s m ，i tc o u l de n s u r et h ef u e la d e q u a c ya n dt h e nm a d es u r eo ft h ea d e q u a c yo f g e n c r a t o rc a p a c i t y t h ef i l e lr e a lo p t i o nt r a d em o d ec o u l de n s u r et h ea b u n d a n c e 向e ls u p p l y o nt h eb a s i s o fi t ，t h i sp a p e re s t a b l i s h e dt h er a n d o me x p e c t a t i o no p t i m a lm o d e lo ff u e ld i s t r i b u t i o n c o n s i d 谢n gt h eu n c e n a i n t yo ft h ee l e c t r i c i t ys e u i n gp r i c ea n dt h es e u i n gq u a n t i t yf b rt h e g e n c r a t o rc o r p o r a t i o nw h i c ht o o kp a r ti ns e v e r a lc o m p e t e dm a r k e t s ( o rd i f 亿r e n tp r i c e z o n e si nt h es a m em a r k e t ) t bs o l v et h i 8c o m p l i c a t e dp r o b l e m ，t h i st h e s i sp r e s e i l t e da h y b “dm e t h o dw h i c hc o m b i n e dr a n d o ms i m u l a t i o n ，n e r v en e t w o r ka n dg e n e t i ca l g o r i t h m a l s o ，t h i sm o d e lc o u l db ed e v e l o p e dt od e a lw i t ht h e 缸e ld i s t r i b u t i o nc o n s i d e r i n gt h e o t h e ru n c e r t a i n t yo ft h em a r k e tf o rt h eg e n e m t o rc o r p o r a t i o n k e yw o r d ：g e n e r a t i o na d e q u a c y ，g e n e r a t i o ni n v e s t m e n tp l a n n i n g ，s y s t e md y n a m i c s ， m a i n t e i l a n c er i 曲t ，m a i n t e n a n c em a r k e t ，r e a lo p t i o n s ，r a n d o me x p e c t a t i o no p t i m a lm o d e l ， h y b r i ds t r a t e g y h 声明 本人郑重声明：此处所提交的博士学位论文电力市场环境下发电容量充裕性调控 机制的研究，是本人在华北电力大学攻读博士学位期间，在导师指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成 果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人 和集体，均己在文中以明确方式标明。 趔 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名溷速作者签名：心型 日期： 四：! i 导师签名： 日期： 华北电力大学博士学位论文 第一章绪论 发电容量充裕度【l 】( g a - g e n 哪t i o na d e q u a c y ) 是指电力系统持续保持向用户提 供足够的电量需求的能力，而且在负荷高峰以及预期和适度未预期的系统元件故障 时也能够保持这种能力。 电力市场中发电侧竞争能够有效实施的一个关键前提是，市场拥有足够的发电 容量，能够确保可靠的电力供应，从而促使市场参与者充分有效地竞争，实现资源 优化配置的目标。不满足这个条件，就无法形成有利于最大化社会效益的市场，其 结果是：少数发电商凭借其掌握的足以支配市场价格的发电容量，获得了能够获取 超额利润的机会。这与电力工业市场化改革的初衷相背离，非但不能实现优化配置 资源的目的，反而会对社会资源造成极大的浪费，并且直接威胁到电力系统的安全 稳定运行。 1 1 问题的提出 1 1 1 电力市场的发展历程 回顾一百多年的电力工业史，电力体制的发展大致可归纳为三个阶段： ( 1 ) 简单的自由竞争阶段 早期的电力公司一般由私人所有，既从事发电，也负责配送，并且通常使用不 同的设备、电压与频率进行供电，相互之间不能兼容。它们在投运前通常需要获取 特许经营权，取得向一定范围内的用户进行供电的权利，但由于特许经营权不是排 他性的，各公司之间的竞争非常激烈。 ( 2 ) 垂直一体化垄断经营 由于发电机组单机容量的不断提高和远距离大功率输电网的建设与发展，电力 自由竞争并没有维持多久，很快它就过渡到了受监管的一体化垄断经营模式。这种 模式按地域建立起垄断性的集发电、输电、配电和售电为一体的资产体系和垂直管 理体制。这种模式通常由一家“电力公司”垄断一个或数个地域的电力的生产、输 送、分配和销售。这种垄断模式在电力工业的发展过程中曾经发挥了非常重要的作 用，它促进了大型发电厂和大电网的建设，使电力工业得到了迅猛的发展。并且由 于发、输、配、售各环节的一体化管理经营，在理论上能够有效的实现规划、建设、 生产和运营的协调发展。 ( 3 ) 解除管制重新市场化 第一章绪论 自上世纪7 0 年代开始，传统的、自上而下的、垂直一体的电力生产体制开始 受到极大的挑战，其投资效率低、经济效率低和运营效益低等弊端逐渐暴露，电力 工业又开始探讨向市场竞争的回归。美国麻省理工学院的p j o s k o w 教授首先对电力 工业放松监管问题进行了研究【2 】，而英国率先拉开了电力工业市场化改革的序幕， 其后世界上许多国家和地区陆续对电力体制进行了历史性的变革，电力行业的运营 模式发生了根本性的变化。 事实上，无论是上述哪种电力体制，充足的发电容量都是确保电网安全可靠经 济运行的前提。市场化运作之前，由于发、输、配、售各环节的一体化管理运营， 能够进行电力供需的全局优化、控制和协调，理论上，发电容量的充裕性只受到需 求预测的准确性、电力规划模型和算法的有效性以及电力系统调度运行水平等技术 条件的制约。而市场化运作后，利益主体多元化，各利益主体分散进行决策，彼此 独立，相互制约，缺乏有效的协调，并且由于市场信息不完备，决策难免出现偏差， 难以实现全局最优。此时，发电容量的充裕性除了受到上述技术条件的制约之外， 合理的市场机制，有效的协调手段以及完备的法律法规显得更为重要。 1 1 2 市场改革失败的教训和成功的经验 电力工业改革面对的一个重要挑战是如何维持足够并且适度的发电容量，以满 足当前和将来的负荷需求。世界电力工业市场化运作近2 0 年，成功的经验和失败 的教训无不体现出发电容量充裕对市场化运作的重要作用。加州电力危机是其中最 典型的反面教材。 1 1 2 1 加州市场失败的教训 2 0 0 1 年1 月中下旬，由于系统备用容量只有1 5 ，加州经历了二次世界大战 以来首次强制性的分区轮流停电【3 】，上百万人受到影响，造成巨大的社会经济损失。 其直接原因可归咎为在加州市场环境中，发电商独立自主进行决策，由于缺乏有效 的管制、协调和激励机制，发电商不愿意做长线投资，以至于发电容量跟不上负荷 增长，市场发电容量严重匮乏。具体而言，加州电力市场失败的主要因素可归纳为 【2 ，4 1 ： ( 1 ) 缺乏有效的引导和激励机制，导致发电投资严重不足 加州市场中，政府或调节机构承诺冻结或严格限制零售电价，这事实上为发电 投资商提供了负面的信息，即投资发电厂盈利前景堪忧；同时，加州市场以旧电厂 缺乏竞争力为由，要求新建电厂以部分利润补贴旧电厂，进一步降低了发电商投资 动力；加州市场中不存在发电安装容量市场，投资发电厂的风险明显增大，严重打 击了发电投资的热情；此外，政策不清晰，投资者对前景不明朗，高投资额，长回 华北电力大学博士学位论文 收期等也是限制发电投资的原因。种种因素导致加州市场发电投资严重匮乏。 ( 2 ) 市场机制不健全，监管不力 加州市场标榜最自由开放的市场，鼓励市场参与者充分竞争，但是，对电力市 场的特殊性分析不足，未能建立起健全的市场机制。加州公用事业委员会c p u c 驳 回了某些电力公司要求与一些发电公司签订购买电力的长期合同，以规避现货市场 价格风险的请求，导致部分大的发电公司获得了充分行使市场力的机会。同时，加 州市场监管者在鼓励市场参与者自主决策，参与市场竞争的同时，未对市场参与者 的行为进行有效的规范和监管，使具备行使市场力可能性的发电公司获得了行使市 场力的手段，最终滥用了市场力。例如，在加卅i 市场中，发电公司自行决定机组检 修时期，缺乏协调，部分发电公司故意在需求高峰时段安排机组检修，或故意停运 部分发电机组，进一步加剧电力紧缺形势，从而抬高市场价格，获取超额利润。 ( 3 ) 未充分利用用户用电弹性，使市场调节的作用减弱 加州市场冻结零售电价，这种做法人为造成了市场的缺陷，使得没有办法通过 市场价格来调节需求，限制了市场经济中“看不见的手”所应该发挥的重要调节作 用，违背了自由市场运行的规则，也使得用户缺乏节约用电的动力。这种模式本身 存在严重缺陷，无法引导一个有效的市场，进一步加剧了加州发电容量的匮乏。 “) 其他因素 此外，加州市场输电容量不足，能源价格高涨，环保投入增大等因素也是造成 加州电力危机的原因。 由上分析可见，各种因素导致加州市场发电容量匮乏是造成加州电力市场失败 最直接根本的原因。 1 1 2 2 美国东部市场的成功经验阿 与加州市场相对应，美国东部3 个电力市场o ，采取一系列措施，确保发电容量 充裕，为市场的稳定高效运行做出了重要贡献。 ( 1 ) 长期合同确保发电容量充裕 p j m 、新英格兰、纽约卅i 电力市场都非常重视长期合同的确保发电容量充裕从 而平抑电价的作用。纽约州长期合同电量占5 0 ，次日市场占4 0 鼽5 0 ，实时市场 仅占5 以下。这样的比例对保证电力市场的稳定运行至关重要。p j m 开创了长期 容量信用市场和日容量信用市场独具特色，新英格兰和纽约州也都有运行容量备用 及装机容量备用市场，这些机制和措施给出了鼓励发电容量投资的有效信号，在一 o 3 个电力市场指：p j m ，纽约州和新英格兰市场 第一章绪论 定程度上刺激了对发电容量的投资。 ( 2 ) 集中的长远规划 p j m 作为负责区域长期规划的电力市场运营机构，除负责区域输电网络的发展 规划还获准负责区域电源规划，较好的进行了市场条件下发电投资的自主决策和集 中优化之间的协调，避免了市场自发调节的滞后性和发电投资商自主决策时由于信 息不完备而造成的投资无序，为保证发电投资在合理水平作用明显。 ( 3 ) 其他原因 此外，东部市场i s o 与各电力公司及发电企业之间有良好的协调和配合，i s o 与p x 之间也紧密耦合，在市场环境下既注重各方参与者彼此之间的竞争与制约， 又强调相互的协调与配合，也是东部3 市场成功的重要因素。 1 1 2 3 其他国家成功经验与失败教训1 6 7 】 在部分已经运行的电力市场中，虽然没有出现加州那样严重的电力危机，但已 显现出潜在的容量不足问题。在瑞典，由于高成本机组缺乏竞争逐步退出，同时缺 乏新机组的补充，市场改革几年来，系统的备用容量大大减少；在挪威，新建容量 计划被推迟或取消，而负荷持续增长，电力工业经历了一个从解除管制前容量过剩 到不久以后可能出现容量不足的快速变化。所有这些都引起业界对市场条件下确保 发电容量充裕的机制、方法和措施研究的关注。 玻利维亚、智利、秘鲁等几个南美国家则采取了一定的措施，在引入竞争和解 除管制之间取得了较好的平衡。这些国家的监管机构在电力市场化后，将发电容量 扩展的职责移交给了私人机构，但监管机构仍然保留了策略性引导发电投资的指导 性角色。私人投资决策一般与对社会最优的决策不一致，难以获得充分、全面的信 息，因此监管机构应提供足够的指导信息，减少私人投资决策所面对的不确定性因 素，降低投资风险，引导充足的发电容量投资。 充足的发电容量是电力系统安全稳定运行的前提。电力市场改革成功的经验与 失败的教训无一不表明，发电容量充裕性是影响改革成败的关键因素。发电容量是 电力市场竞争的根本物质基础，只有具备了充裕的发电容量，电力市场改革才有了 可资进行的前提。反之，发电容量匮乏或潜在不足，市场改革将注定要失败。 市场条件下，发电容量充裕性除受传统的技术条件制约外，更多地受到市场结 构、运行规则、调控机制和监管手段等因素的影响。合理的市场结构和运行规则应 该能够有效的引导发电容量投资，确保长期充足的发电容量，并且提供给市场参与 者有效的规避风险的手段，提高其参与市场竞争的积极性；有力的调控机制和监管 手段则应有效的制止发电商市场力的实施，限制发电商容量持留，使市场所有发电 华北电力大学博士学位论文 容量切实可用。 1 2 研究现状 发电容量充裕一直是电力系统安全稳定运行的前提，多年来受到广泛的重视和 关注，取得了诸多研究成果。本节对此作一个简单的综述和归纳。 1 2 1 容量充裕性评估 正如前所述，电力市场改革之前，影响发电容量充裕的主要是诸如负荷预测、 电力规划、调度运行水平等技术因素，对发电容量充裕性的研究除尽可能提高负荷 预测的精确度，电力规划模型和算法的有效性，调度运行的科学性外，更多地集中 在如何正确有效地进行发电容量充裕性的评估。 对发电容量充裕性的评估通常有确定性和不确定性两类方法。确定性【8 ，9 ，1 0 】方法 以解析法为代表，主要是故障枚举法，即在给定系统拓扑及参数、运行条件及假定 扰动方式下进行的系统充裕度分析。确定性准则广泛应用于容量决策，例如以负荷 或最大单机容量的某一比例为备用及两者的结合，通常计算备用率等指标。确定性 方法对数据的要求低，易于理解和实施，当电力系统规模较小时，确定性方法往往 能够取得较好的效果。但是，随着电力系统规模的不断扩大，实际运行中需要考虑 的因素日趋复杂，确定性方法已日益不适应现代电力系统的发展，逐渐退出历史的 舞台。 随着工程数学理论的发展成熟以及长期的数据积累，基于不确定性分析方法的 发电容量充裕度评估开始被广泛关注、研究并应用于实践，其中以概率分析方法为 代表。概率分析方法依据系统中影响充裕度的主要随机因素的统计特性来确定发电 容量充裕性指标，主要计算电力不足期望值l o l e ，失负荷概率l o l p 等指标。随 着理论的进一步发展和研究的逐步深入，条件概率和蒙特卡洛模拟【，1 2 】等不确定性 方法相继应用于发电容量充裕性评估，并取得了令人满意的成果，较好的为发电扩 展规划提供决策信息。 文献 1 3 】以未确知数学为理论基础，将发电和负荷两类变量转化成盲数并通过 盲数运算建立了关于发电全局充裕度评估模型，并提出了相应的两个指标：发电系 统可靠性盲数期望g r b e 和盲数可信度g r b c ，对发电容量充裕度的不确定性评估 做了有益的探索和补充。 文献 1 4 】将确定性准则和概率分析进行有机的结合，综合确定性方法计算简单 快速和概率分析能够计及系统运行随机因素的优点，对现代小型孤立系统的发电容 量充裕度进行评估；文献 1 5 利用连续蒙特卡洛模拟对包含风力发电机组的系统充 第一章绪论 裕度进行分析；文献【1 6 】利用连续蒙特卡洛模拟对计及系统调峰需求时的发电容量 充裕度进行评估，分别计算了强迫停运概率u f o p 和降阶调整强迫停运概率 d a u f o p 。这些探讨和研究都对现代电力系统中出现多种多样新的特征下的充裕度 评估方法做出了贡献。 解除对电力工业的管制，发电侧开放后，对发电容量充裕度的评估更多的结合 市场影响因素。文献【1 7 】采用蒙特卡洛动态优化方法对市场化改革后，考虑市场成 员之间交易等不确定性因素，进行发电和输电系统一体化的充裕度评估。文献【1 8 】 将发电充裕度的经济代价融入充裕度评估模型，构建了发电容量充裕度的风险模 型。文中将可用发电容量的取值范围分为3 个区间：静态不充裕、动态风险充裕和 动态无风险充裕，并定义了静态充裕度和动态充裕度，通过充裕性和安全性的价值 化，将可靠性问题转化为最优控制问题，寻求市场条件下发电容量最优充裕度。文 献【1 9 】考虑市场模式下发电投资等影响因素，研究了单一能量市场模式、容量费用 模式和装机容量市场模式对发电容量充裕性的影响。文献【2 0 】在前人研究的基础上， 进一步分析国际上几种典型的保持发电容量充裕度的机制，分析了影响发电容量充 裕度的主要因素、功能和指标，并提出2 种新的结合经济目标的分析指标：充裕度 不足损失和充裕度效益，进而建立了电力市场发电容量充裕度的分析系统，使市场 条件下发电容量充裕的评估更趋实用化。随着市场改革的进一步深化和拓展，市场 因素对发电容量充裕性的影响将更加明显和深刻，如何有效进行市场条件下的发电 容量充裕度评估值得进一步深入研究。 1 2 2 提高发电容量充裕度的机制和方法 市场化改革后，除进一步研究如何有效评估发电容量充裕度，更多的研究工作 将集中在如何采取有力的机制、方法和措施，确保市场条件下发电容量充裕。美国 加州电力市场的失败引起了对这一问题的广泛关注和争议，国际国内学界相继进行 了大量的理论探讨和实践，虽未能完全解决这一问题，但已取得了诸多研究成果。 1 1 2 2 1 引导发电投资的相关措施 市场自发调节发电投资导致发电投资不足或过度是电力市场普遍存在的问题。 如何正确引导发电投资，是保证电力市场下电力长期供给充足的关键问题。虽然理 论上，由电价反映出的短期供求状态会产生一个正确的、关于是否需要增加发电容 量的市场信号，这意味着只存在能量市场的电力市场可以引导出足够的发电容量 【2 1 1 。然而，市场改革的实践却表明这一结论在现实中并不成立，必须在能量市场外 采取其他相关措施正确引导发电投资。 文献【2 2 ，2 3 ，2 4 ，2 5 】分别提出通过建立各种类型的长期购售电合同，确保发电商 华北电力大学博士学位论文 部分收益，降低其所面临的不确定性以鼓励发电投资。文献 2 1 】通过竞争机制拍卖 可靠性合约( 可以视为一种期权) ，从而锁定各类发电机组的价格及出力，为发电 商提供稳定的收益和明确的投资信号；文献【2 2 】分别针对垄断市场和寡头垄断市场 设计不同的期货合约，并通过模拟得出结论，期货合约的存在有助于降低现货市场 价格，并且长期的期货市场的供给弹性要远远大于实时市场或短期期货市场，这使 得期货市场的价格给出的投资信号将更加充分；文献【2 3 】介绍了拉美基于长期合约 机制和需求侧参与而重新进行的市场设计，认为这是确保电力供给充足的关键；文 献【2 4 】设计了一种类似看涨期权的差价合约。 针对实践中单一的能量市场难以引导出足够的发电容量，各国电力市场机制设 计者和研究者纷纷提出向发电商支付容量费用或建立发电安装容量市场【2 6 ，2 7 2 8 ，2 9 1 ， 以稳定发电公司收入并刺激新的投资，最终达到保证长期的电力供应的充裕性的目 的。容量费用的支付或容量市场的建立其作用主要在于：以直接、合理的方式恢复 部分固定的容量成本；为增加新的发电容量提供适当的正确的价格信号；减少发电 投资风险，尤其是峰荷机组，从而鼓励发电投资；降低发电公司减产的动机；延缓 现有的竞争力弱的发电机组从市场退出；在发电机提供的能量和容量中适当分配成 本和收入；减少能量市场的价格波动。这些都将为保证市场发电容量充裕提供有力 的支持。 目前，被广泛采用的支付容量费用的方法主要有：容量责任模式，行政方法， 显式的额外容量费用模式。容量责任是指显式或隐式的强制性要求用户与电力供应 商签订长期合同，监管机构确定每个用户实体必须购买的容量以及每个发电机所允 许出售的最大容量，即将备用按照负荷的一定比例强加于各个负荷实体。这种模式 被美国东部电力市场1 4 】及南美【3 0 】某些国家所采用。行政方法是指采用行政方式支付 透明的报酬来作为增加装机容量的经济信号，在负荷较高的时段，基于发电公司的 可用容量支付额外的费用以刺激容量投资，而不管他们的发电机组是否被调度发 电。这种方式在阿根廷、智利、哥伦比亚和西班牙等国被采用。显式额外容量费用 模式在英格兰和威尔士电力市场的初期运营阶段被采用，容量和能量分开单独定 价，不要求用户购买容量；容量费用被设定为每半小时的基础上，失负荷价值 ( v o l l ) 乘以失负荷概率( l o l p ) ，对所有可用发电容量支付容量费用。不同的 容量费用支付方式适用于不同的市场模式，很难简单的判断孰优孰劣，但通常认为 由市场机制确定容量费用的方法要比由行政手段定价更优。 虽然各种投资信号有助于引导发电投资商做出正确的决策，但是完全分散的自 主决策以自身利益最大化为目标，难以实现社会效益最优，并且由于信息的不对称 和不完备，决策难免出现偏差，因此即使在完全竞争的市场中，在发电投资商分散 自主进行投资决策时，仍需要从宏观上进行电源投资的全局分析、规划和调控。 7 第一章绪论 11 2 2 2 抑制容量持留的有效机制 容量持留是指在接近于寡头垄断的电力市场中，发电商通过各种手段人为造成 市场发电容量短缺，从而影响市场的电价水平，以获取超额利润的行为。通常容量 持留可分为【3 1 】：物理持留和经济持留，通俗地说就是“囤积居奇”和“哄抬物价”。 物理持留是指发电厂商有意减少申报可用发电容量，其主要表现形式包括：谎称设 备不能或部分不能使用；有意不恰当的安排检修；不申报发电或不发电。经济持留 是指发电商将部分容量不合理的报高价( 远高于其边际成本) ，导致该部分发电容 量不发电。 容量持留与市场改革通过竞争实现资源的优化配置，提高电力工业生产效率， 从而实现电力工业的社会福利最大化的初衷背道而驰，严重影响了电力市场健康发 展，因而各国学者纷纷寻求有效机制抑制电力市场下的容量持留行为。文献 3 2 ，3 3 ，3 4 ，3 5 ，3 6 】分别对统一出清电价方式m c p ( m 棚【e tc l e a r i n gp r i c e ) 和按发电商 报价结算方式p a b ( p a y a sb i d ) 下，发电商的策略行为进行了分析，认为在统一出 清电价下，发电商无论是在价格决策上还是在产量决策上都存在容量持留的动力， 统一出清电价将激励严重危害市场安全的持留容量行为；而在p a b 方式下，由于支 付电价是其自身报价，在产量决策上发电商没有持留容量的利益驱动，但是在价格 决策上，发电商仍可通过报高价获取额外利润。因而两种传统的定价方法均存在先 天的不足，不可避免的产生容量持留现象，危害市场健康发展。为此，上述文献提 出了一种替代以上两种定价方法的当量电价方法，认为在当量电价方法下，由于发 电商所得的支付电价不敏感于报价，并且最优报价策略是按真实成本报价，持留容 量将导致发电商利润损失，因而从对发电商行为的诱导机理看，当量电价方法要优 于统一出清电价和p a b 定价方法，能够自动抑制厂商的不良持留行为。文献 3 6 】对 电力市场下经济持留现象进行了深入的分析，并提出了两种衡量经济持留的指标： 机组指标和系统指标，并认为通过该两种指标分析实际电力市场报价情况，能够有 效监控和抑制发电商经济持留行为。 有学者认为【3 1 n ，电力作为商品本身缺乏需求弹性，而且无可替代品。由经济学 中的结论表明：当需求缺乏弹性时，提高价格可以增加总收益，即发电商可以通过 降低发电量抬高价格来获取超额利润，这是电力市场下发电商持留容量的根本原 因。因此，文献 2 4 ，3 6 ，3 8 】提出，电力市场最终应该通过需求侧响应( d e m a l l d r e s p o n s e ) 来增大需求价格弹性，从而使发电商有利可图的持留容量空间趋于萎缩， 因此可以作为制约发电商持留容量哄抬电价的有力工具。并且，增大需求侧价格弹 性也将使电价更合理，市场更稳定，节省能源及减少装机容量。 此外，是否应该设置价格上限，价格上限能否抑制发电商容量持留，会对发电 华北电力大学博士学位论文 容量的充裕性产生怎样的影响也受到广泛的关注。许多人，特别是经济学家，甚至 美国总统布什和副总统切尼，美国联邦能源管制委员会( f e r c ) 都认为在仅有能量 市场的情况下，设置电价上限是新的发电容量投资不足的主要原因之一。因为实时 电价被价格上限扭曲，无法提供正确的投资信号【6 ，3 9 ，4 0 ，4 1 1 。但是，也有学者【6 ，2 4 1 指出， 价格尖峰【4 2 l 并不总是容量不足的表现，它还往往是具有市场力的发电商实施市场力 操纵价格的结果。因此，合理设置价格上限将使最终用户避免承受过高的现货市场 电价，抑制发电商持留容量，也有利于保证现货市场发电容量充裕【2 1 1 。在此基础上， 文献【2 4 ，4 3 ，4 4 】进一步探讨了合理设置价格上限的方法。 在市场条件下，发电机组检修调度是否应该由i s o 统一确定还是由发电商依据 市场状况自主决定仍然是个有着广泛争议的问题。而在某些由发电商自主决定机组 检修的市场中，利用机组检修行使市场力，持留发电容量，人为造成发电容量紧缺 【3 ，3 0 ，4 5 l 已经严重危及到电力系统的安全稳定运行，以发电机组检修为名成为发电商 持留容量行使市场力的一种主要手段。因此，研究有效地机组检修机制，公平有序 的进行市场条件下发电机组检修迫在眉睫。文献【4 6 】提出通过引入发电公司对维持 其所申报的检修计划不被i s o 调整的意愿支付( w i l l i n g n e s s t o p a y ) ，可以同时保 证系统的发电容量充裕和发电公司间的公平性。文献 4 7 】提出了一种基于竞标模式 的机组竞争检修机制。 1 2 2 3 促进供给充裕的有效手段 就短期供给而言，发电容量紧缺通常只发生在某些特殊情况，如负荷高峰时段 调峰容量不足等。为此，研究人员还针对市场条件下，一些特殊情况下促进电力供 应充足的方法和手段进行了研究。文献 4 8 提出了调峰权及调峰权交易的概念，并 从理论上论证了引入调峰权交易后机组的发电成本将降低。该交易模式的提出，为 发电机组提供了一个新的风险交易市场一调峰容量交易市场。文中认为，该市场的 建立，能够为调峰能力较强的机组提供获得合理利润的交易方式，提高机组参与调 峰的积极性，从而达到通过市场手段鼓励机组参与调峰，解决调峰容量相对不足的 目标。 此外，电能作为高效清洁的二次能源，其可靠的生产是以一次能源的充足供应 为前提的。加州电力危机产生的一个直接原因就是【”，4 9 1 ，由于石油、天然气等能源 价格暴涨，致使发电成本飞升，两大电力公司难以为继，而能源供应公司由于自身 利益，不愿将燃料继续供应给电力公司，进一步加剧了电力短缺。而在国内，2 0 0 5 年国家出台并实施了“煤电价格联动”政策，但由于联动幅度较小，联动周期滞后， 仍给发电集团带来巨大的成本压力，致使发电集团难以获得充足的燃料供给。因此， 建立高效的燃料供给保障机制，确保发电燃料充足稳定供应也是保证系统发电容量 第一章绪论 充裕的重要手段。 1 3 论文的主要内容 综上所述，在市场条件下，影响发电容量充裕的因素将变得更多更复杂，而确 保发电容量充裕则变得更加紧迫，需要从宏观规划协调，微观机制引导，局部措施 控制等多层次多角度进行深入研究。 从长期看，发电容量充裕度主要受电力负荷增长与电源装机容量增长的影响， 在市场条件下，两者相互影响相互制约，必须从宏观上进行全局的分析和把控；从 中短期看，发电容量充裕度主要受负荷需求与机组容量可用性的影响，机组容量可 用性主要取决于机组检修容量、发电燃料供应能力以及水电的来水情况等，通过优 化机组检修计划、规范和完善发电燃料市场等措施可以提高中短期的发电容量充裕 度；从系统实时运行看，发电容量充裕度主要取决于系统预留或购买的快速备用容 量数量等。因此，本论文拟从以下几方面开展电力市场发电容量充裕性调控机制的 研究： ( 1 ) 当前发电投资商在各种投资信号引导下分散自主进行发电投资决策，容 易造成投资的无序和盲目，从长远而言将会导致系统发电容量不足或过剩。因此， 本文提出，电源投资规划在分散决策的同时，应当进行集中的宏观分析和调控；在 此基础上，借鉴系统动力学分析原理，将电源投资规划作为一个如同物理系统一般 的动态响应系统，建立电源投资规划的动力学分析模型，通过观测某一区域内影响 电源投资的因素的变化趋势，分析判断电源投资的发展趋势，从而能在宏观上控制 或指导电源投资发展，调控长远的系统发电容量充裕度。 ( 2 ) 针对部分市场出现的以机组检修为由，持留发电容量，人为造成发电容 量紧缺的现象，本文提出检修权概念并且建立了相应的交易机制，重新有序化市场 条件下的发电机组检修。本文在分析现有检修机制可能给市场和市场参与者带来的 问题的基础上，发掘电力市场改革给发电机组检修提出的新的要求，通过对市场条 件下发电机组检修的特点进行详尽的剖析，建立起兼顾市场参与者利益和系统可靠 性的发电机组检修市场模型，既给予市场参与者自主决策的权力，又确保系统发电 容量的充裕性。 ( 3 ) 针对近年来出现的由于燃料供应紧张，燃料价格飞升导致发电机组出力 不足，发电商风险陡增的局面，本文借鉴金融期权的理论成果和实物期权在投资决 策上成功的应用经验，设计了发电燃料的实物期权交易模式，以期实现新的意义上 的“煤电联动”，为发电商提供规避煤价波动和电价波动风险的工具。通过该交易 模式建立起燃料供给保障机制，保证发电机组所需燃料的充足供给，从而确保发电 华北电力大学博士学位论文 机组出力和系统发电容量充裕。 ( 4 ) 发电燃料的实物期权交易是一种中长期的燃料供给保障机制，发电集团 在参与市场竞争时还应优化配置燃料资源，确保短期燃料供给充裕，并降低燃料成 本，增强竞争力。为此，本文进一步探讨了市场条件下以集团身份同时参与不同市 场( 或不同价区) 竞争时的燃料配给优化问题。市场改革使得发电集团面临的不确 定性大大增加，其中最为典型的是市场竞争带来的电量和电价的不确定性，并由此 导致发电集团收益的不确定性。本文考虑电力市场现货电价及电量的不确定性，以 全集团利益最大化为目标，建立集团燃料配置优化的随机期望模型，并给出相应的 解法。 第二章电源投资的系统动力学分析 2 1 引言 第二章电源投资的系统动力学分析 电源投资规划是确保发电容量长期充裕的必要措施。电力市场下，厂网分开， 发电侧引入竞争，导致电源投资主体的多元化。传统的集中式以国民经济总支出最 小为目标的电源投资优化方式【5 0 】已经难以适应市场条件下的电源投资规划。 在市场条件下，发电投资商自主进行投资分析决策，以自身利益最大化为决策 目标5 2 1 ，国家不再直接干预投资规模、成本以及收益的分配【5 扪，而主要由市场机 制来自动调节。在此背景下，国内外众多学者纷纷从发电投资商个体利益的角度出 发，研究如何在新的体制下有效地进行投资分析决策，如本文下一章将会介绍到的 基于实物期权的投资分析方法5 4 ，5 5 ，5 6 ，5 7 ，53 1 ，以博弈论为基础的决策模型 5 8 ，5 9 ，6 3 1 ，注 重自身风险的投资决策框架【5 1 ，5 2 】等等。同时，为有效引导电源投资，还积极设计相 应的激励保障机制，如前文述及的长期购售电合约机制2 2 ，2 4 1 ，发电安装容量市场 模式【2 6 2 7 ，2 8 ，2 9 】等，用以辅助市场机制能够有效运行。 但是市场机制并非万能的，市场失灵的事件时有发生，尤其是像电源投资建设 这样关系国计民生的基础设施建设，完全依赖分散的投资决策，无法兼顾社会整体 效益最优，将会导致电能生产和消费之问平衡即电力供需平衡的周期性震荡【6 “，对 社会经济发展造成不利影响的同时也将造成巨大的社会资源和效率的浪费【6 l ”】。加 州市场就是由于对市场机制的力量过于乐观，缺乏有效的管制和监控，以致一段时 间内发电容量跟不上负荷的增长，导致市场发电容量严重匮乏，最终造成了严重危 机。因此，即使是在鼓励完全竞争的市场环境内，电源投资也应在分散决策的同时 注重集中式的总量优化控制。监管部门必须在发电投资商分散投资决策的同时，进 行必要的全局宏观分析和事先调控，消除市场自发调节的异步性和滞后性，确保电 源投资建设的有序健康【6 3 1 ，进而确保电力市场长期发电容量的充裕。 电力系统作为能源系统的重要组成部分，其规划、建设、生产、消费的全过程 表现为一个大时间常数的惯性系统m 】。电源投资建设是该惯性系统的重要环节，具 有资本密集度高，建设周期长，服役期长【i8 l 的特点。随着电力市场改革的推进，电 源投资规划、建设受市场供需平衡的调节，表现为一个复杂的非线性动态系统，本 章借鉴系统动力学的模型、理论和方法，通过建立反映电源投资对供需等影响因素 的响应特征的动力学方程并进行求解，掌握在不同的电力供需形势下电源投资市场 的发展规律，从而能够通过观测某一区域内影响电源投资的因素的变化趋势，判断 电源投资的发展趋势，进而能够预先采取有效的措施和手段进行宏观分析和调控， 华北电力大学博士学位论文 指导电源投资发展，确保电源投资处于合理健康的水平。 2 2 系统动力学简介 从系统的角度观察客