9容量补偿与容量市场60714

电力市场概论A第九章容量补偿与容量市场 在电力市场环境下 如何保证发电容量的充裕性问题是电力市场设计中还没有达到共识的问题 目前已经实施的方法既有按照行政的方法进行补贴 也有按照市场的方法进行补偿的方法 对于一般商品的市场 在完全竞争的条件下 微观经济学给出了具有相当说服力的定价方法 短期边际定价方法 ShortRunningMarginalPrice SRMC 微观经济学证明 采用边际定价方法可以在市场成员追求自身利益最大化 达到市场均衡时 同时达到社会福利最大化 也即激励相容的Pareto效益 正是这种良好的性质 边际定价方法几乎成为了市场定价方法的 标准 一 电力市场进行容量补偿的原因电力市场在其开始进行理论讨论的初期 就是按照完全竞争的市场条件进行的 所以在发电侧电力市场通常也采用短期边际定价方法 但是 我们要特别注意短期边际定价具有Pareto效益的前提是完全竞争的市场条件 非常遗憾 目前已经进行的电力市场实践表明 电力市场并不具备这样的条件 其主要的表现为 1 电力需求在短期内其价格弹性系数几乎为零 2 发电厂商的数目不多 通常拥有较大的市场份额 具有潜在的市场力 3 电力系统要求及时的供需平衡 且没有电能储存装置作为缓冲 并且 还要保证可靠性供电 4 电力系统中发电机组的生产状态使得至少在短期并不具备生产函数连续的要求 例如 发电机组的最小出力要求 使得每个机组的生产函数是一个非凸的集合 在不开机与最小出力之间没有连通 5 电力设备的建设周期长 且规模经济性并没有完全消失 也正因为目前的电力市场不具备完全竞争的市场条件 所以采用边际定价方法的电力市场实践出现了一些问题 不同的国家和地区电力实践中经常发生电价飞升的情况 出现电价飞升的原因有两个 一个是容量出现了短缺 一个是发电厂商市场力的实施 电力市场的设计有三个具有挑战意义的问题 一是如何设计运行备用服务市场使得发电厂商按照自愿原则能够提供充分合理的运行备用服务 其二则是由于发电厂商具有潜在的市场力 市场设计时应该充分考虑发电厂商的策略行为 抑制发电厂商市场力的实施 第三则需要保证长期的容量充裕性 这三个方面存在着密切的联系 如果没有足够的容量备用 能量市场的价格在统一出清电价机制下 会出现价格的飞升 如果没有合适的能量市场价格信号 很难引导出自愿的充裕的发电容量投资 同时也不能够维持充裕的备用以支持短期的系统安全运行 有关是否需要进行容量补偿以及如何补偿的问题一直是电力市场设计的焦点问题 一种意见认为只要能量市场与辅助服务市场设计足够好就可以满足短期的市场运行与长期的容量充裕性 不需要容量补偿 但是通过多年的市场实践人们已逐渐取得了共识 容量补偿机制可以缓解电价的波动并保证发电容量的充裕性 电力市场需要容量补偿机制 容量补偿的机理很难从微观经济学理论中找到现存的答案 目前也没有给出补偿机制的严格的理论说明 容量补偿的具体方法也有所不同 当前比较有影响的方法是以PJM为代表的 容量市场 ICAP InstalledCapacityMarket 方法 英国早期的电力市场中的容量费方法 CapacityPayment 两部制电价以及当量电价方法 二 不同容量补偿机制的介绍1 两部制电价模式及其容量补偿由于电源建设周期长 并且电力负荷需求存在不确定性 电力系统还需要一定的发电容量作为备用 因此 为了保证电力系统的高度可靠稳定运行 电力企业要按照用户最大可能的电力需求投资建设电厂 而用户并不是时刻都按其最大需求量用电 但即使在用户不用电能的时间里 发电企业也要发生固定成本 而且由于发电厂的投资和运行维护费巨大 其固定成本很高 无法保证在其发电收入中回收 况且还有一些调峰机组的变动成本高 年发电量低 新能源和可再生资源发电的成本远高于水电和煤电 在这些情况下 无法仅仅通过电量费回收其全部成本 因此需要按照用户所占用的电源和电网资源的成本 或价值 向用户收取固定的费用 容量电费 这是英国人约翰于1882年提出的两部制电价概念的初衷 当时是被用于销售电价中 近年来又被发展应用到输配电电价和发电电价中 两部制上网电价是指 将上网电价分成两部分 容量电价和电量电价 容量电价是对发电公司可提供的上网容量计价讨费的依据 体现对发电公司固定成本的补偿及相应的利润 容量电价与实际上网电量无关 发电公司无论提供多少上网电量 均按机组容量计价 电量电价是对发电公司的实际上网电量计价讨费的依据 定价方法为在能量市场通过竞争得到 体现对发电公司变动成本的补偿及相应的利益 容量电价及的定价方法有两种 包括 1 按照发电机组能够向电网提供的可用容量支付 即 2 按照发电机组额定容量支付 即 Pc有两种计算方式 1 若按会计成本法制订容量电价 则发电厂可以通过容量电费回收其全部固定投资 但为了激励发电企业降低成本 提高效率 也可以在制订容量电价时部分地考虑 甚至不考虑人工费和大修费等在电力生产运行中发生的固定成本 此方法能保证回收固定成本 但不能反映系统对应未来发电容量地需求 Pc有两种计算方式 按照成本定价原则 容量电价的基础是发电机组地固定成本 即与发电量无关的成本 包括折旧 固定的运行管理费 财务费用以及部分投资受益和税金 实行两部制电价机制的目的是保证发电公司能够全部或部分地回收固定成本 降低市场环境下机组投资的风险 以引导出合适的发电投资 应该指出 在我国两部制电价机制中的容量电价是由国家给出 本质上还是管制的 Pc有两种计算方式 2 若以边际成本法制订容量电价 则当电力系统备用容量不足 即为满足新增单位千瓦负荷需求而需要新建电厂 或机组 时 容量电价为新增单位装机容量的成本 当电力系统拥有充足的备用容量时 容量电价水平很低 甚至为零 显然 以边际理论为基础形成的容量电价 是反映系统电力平衡能力的信号 但不能保证合理地回收发电地固定成本 2 英国运行备用市场与容量费方法的机理分析在英格兰 威尔士发电市场的运行规则中 其运行备用辅助服务是在日前主市场竞价上网的基础上 同时进行运行备用辅助服务的定价的 因而也是1日前事先制定的 基于机组的申报 按照容量块的价格从小到大排序 按照价格从低到高购买直到负荷平衡 最后的容量块为边际容量块 其价格为对应的边际电价 小于边际电价的容量块将被购买 购买价格为边际电价 未被购买的容量块自动作为运行备用 如果在实际的运行中这些容量块被调用加载 则其发电按照其高于边际电价的容量块的报价收购 而且 对于所有参加报价的容量块都给予容量补偿 设单边拍卖的电力市场 机组的报价包含价格与容量 且每台机组的可以分成多块 每块的价格将随着容量上升非减 表示为 上式表示机组的收入来自三个方面 在能量市场按照边际电价销售电能的收入 右边第一项 作为备用的部分容量实际发电后按照自己的报价得到的收入 右边第二项 容量补偿的收入 右边第三项 这等式右边前三项构成了总收益 减去右边第四项总成本即为期望利润 其中英国的容量补偿费计算公式为 英国市场采用这样的运行备用以及能量市场的定价规则具有其合理的意义 这种合理的意义可以通过电力系统随机生产模拟进行揭示 对边际容量块以及边际以外的容量块的容量价值就是英国式的容量补偿值 对于边际之内的容量 其容量价值由两个部分组成 一个部分是边际价格与运行成本之差 也就是影子容量价值 另一个是容量补偿价值 因此 英国早期的容量费所补偿的是在统一出清电价中没有考虑的机组强迫停运以及系统停电损失所附加成本部分 电力市场之所以要进行容量补偿 是因为在市场环境下 依然要保证电力系统高可靠性地供电 也就是说还必须保证其电力不足概率定的水平之下 所以应该对发电机组进行补偿 显然 考虑到电力系统随机发生的机组强迫停运 以及系统可靠性的容量充裕度要求 英国方法是有一定理论依据的 但应同时指出 这仍属于成本分析范畴 3 当量电价法当量电价就是针对电力市场规模经济效益还未消失的管制竞争阶段的特点 为解决市场效率和投资回报不充分这两个难题而发展起来的 并解决了缺电情况下开放电力市场的难题 目前已发展了涵盖主 辅电力市场的近10种当量电价法 并已形成体系 实用当量电价法通过以下3步实现 1 在负荷持续曲线上排序优化 2 在成本平面上作最小成本折线 3 计入规模经济效益 自动补足影子容量成本 三 美国PJM电力容量市场分析1 美国电力工业发展的历史1882年9月 爱迪生在纽约建立了美洲第一家发电厂 开创了美国电力工业 1890 1910年 美国的采矿 纺织 钢铁和印刷等工业迅速实现电气化 1935年 富兰克林 罗斯福总统签署了 乡村电气化法案 REA 乡村电气化得到快速发展 1967年美国98 的农场用上了电 美国最初的发电设备主要是燃煤机组和水电机组 1957年 核电厂首度并网发电 其规模一直稳步扩大 天然气机组和燃油机组则从20世纪60年代末开始稳步发展 20世纪60和70年代 美国发电装机容量迅速增长 该时期被称为美国电力工业发展的 黄金时代 进入80年代后 发电装机容量增长明显趋缓 而以煤 天然气和油为一次能源的发电装机容量增长趋于停滞状态 主要的增长容量来自核电发电设备 黄金时期 大规模的发展 使美国电力工业规模迅速扩大 同时也使电力供给能力大大超过了电力负荷需求 化石类发电设备的平均利用小时在 黄金时期 初期为5000h左右 而80年代初最低降至3500h左右 供给能力的极度富余 使发电企业特别是独立发电商的经营遭受巨大困难 这应该也是90年代初推动美国电力市场改革的动因之一 美国在宾夕法尼亚 新泽西 马里兰 简称PJM 新英格兰和纽约等电网成功推行电能市场后 装机容量并未得到应有的平稳增长 黄金时期 打下的基础被迅速侵蚀 2000年起燃煤机组的平均发电利用小时数超过了6000h 供求失衡的苗头开始出现 2000 2001年的美国加州电力危机 是电能市场发出的强烈价格信号 希望市场增加发电容量投资 并引发了2000 2003年天然气机组快速增长 但加州社会经济及电力工业也付出了惨重的代价 人们认识到 仅以电能市场信号来引导发电设备的建设是不够的 并于20世纪90年代末开始了艰难的容量市场建设探索 PJM作为美国运作最成熟的电力市场之一 于1999年开始了容量市场建设进程 2 PJM容量市场介绍PJM电力市场的成员必须遵守四大基本协议 可靠性保障协议 ReliabilityAssuranceAgree ment 运行协议 theOperatingAgreement 输电价目表 thePJMOpenAccessTransmissionTariff 和输电商协议 theTransmissionOwnersAgree ment 根据可靠性保障协议 负荷服务商 Loadservers 必须持有足够机组容量不一定是自己的机组 以满足自己的容量义务 不能履行义务的负荷服务商将按照协议条款进行处罚 容量义务成了容量市场的需求基础 1 PJM容量市场发展过程1998年 开创了容量信用交易模式的容量信用市场 CapacityCreditMarket CCM 当年10月15日 第一个月度市场开市 12月31日 第一个日市场开市 1999年1月27日 由于容量信用市场容易被操纵而被管制 此时距第一个月度市场开始仅3个月 1999年5月31日 容量信用市场经过改良后恢复运行 1999年7月10日再次被管制 此后一直处于管制状态 2007年 PJM采用可靠性定价模式取代原有的容量信用市场 并于当年4月开始正式运行 2 容量信用市场容量信用市场是PJM电网最初采用的容量市场模式 为容量市场的建设取得了宝贵经验 奠定了良好的基础 容量信用市场分为月度市场和日市场 市场成员有两类 负荷服务商 Loadservers 和容量拥有者 Resourceowner 容量拥有者指PJM区域内的现有机组 规划中机组 可削减的电力负荷 DemandResource 合格的输电网升级项目 QualifyingTransmissionUpgrades 及区域外机组 是否参与容量信用市场遵循自愿原则 负荷服务商和容量拥有者都可以在市场外通过双边交易买卖容量信用 CapacityCredit 通过容量市场购得的容量信用不得以任何借口进行调整 负荷服务商购买容量信用 以满足全部或部分机组容量义务 在月度市场中 负荷服务商和容量拥有者可以根据自己未来的容量需求预期和对市场情况的判断 买卖容量信用 而在日市场中 如果参与者不能满足其规定的容量义务 PJM仅接受其不足部分的买盘 如果参与者在满足其规定的容量义务的基础上有多余的容量信用 PJM仅接受多余部分的卖盘 在月度市场和日市场的参与者完成报价后 PJM根据买卖双方的申报组织出清 出清价格等于边际成交卖盘的报价 所有成交的交易都按照同一市场出清价格成交 如果市场成员在月容量信用市场上卖了过多的容量信用 以致无法满足自己最终的机组容量义务 则必须通过日容量信用市场或双边交易获得足够的容量信用 否则将根据PJM的运行规则和可靠性保障协议 RAA 进行处罚 3 可靠性定价模型 ReliabilityPricingModel RPM 容量市场RPM容量市场是由多重拍卖市场组成的 包括1个基本拍卖市场 BaseResidualAuction 3个追加拍卖市场 IncrementalAuction 和1个双边市场 市场成员也由负荷服务商和容量拥有者组成 基本拍卖市场提前3年举行 PJM根据对3年后的负荷预测 组织容量拥有者竞价 以满足电网3年后的机组容量需求 购买容量的费用根据规则分摊给负荷服务商 市场成员可以在第一次和第三次追加拍卖中购买容量来替代其无法履约的售出容量 比如工程的延迟或取消 现有机组的毁损等 在目标年份的前1年 PJM将重新进行负荷预测 如果此次预测比基本拍卖前预测高100MW以上 则组织第二次追加拍卖以补足差额 并将购买费用按规则分摊给负荷服务商 负荷服务商可以通过双边交易市场获得其在容量拍卖中未满足的容量 4 容量信用市场和RPM容量市场的不同在容量信用市场中 市场成员受到的约束很少 一些有实力的市场成员可以通过月度市场买空卖空 控制日前市场供给等方式操纵市场 从而获取高额利润