適應中國現行電力市場環境下的容量市場機制設計

(相關資料圖)

孫啟星, 尤培培, 李成仁, 劉思佳, 李炎林, 高效

（國網能源研究院有限公司，北京 102209）

摘要：從保證電力系統發電容量充裕度的必要性出發，研究國外電力市場中保障電力系統可靠發電容量的體制機制，提出適應中國電力市場環境下的容量市場機制設計方式，有助于建設與現行機制耦合的容量市場機制，保障系統發電容量充裕及系統長期穩定運行。

引文信息

孫啟星, 尤培培, 李成仁, 等. 適應中國現行電力市場環境下的容量市場機制設計[J]. 中國電力, 2022, 55(8): 196-201.

SUN Qixing, YOU Peipei, LI Chengren, et al. Capacity market mechanism design under electricity market mechanism in china[J]. Electric Power, 2022, 55(8): 196-201.

引言

隨著中國電力市場建設不斷推進，電力生產逐步向市場經濟運營模式轉變。發電容量的充裕程度將成為保證電網長期穩定的重要因素[1-3]。在未來的電能量市場和輔助服務市場的機制下，電力系統中發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穩定運行[4]。

隨著可再生能源發電裝機容量和消納率逐步提高，火電機組的發電運營面臨較大壓力[5]。電力平衡和對其他電源的補償調節決定了煤電在電力系統中仍將發揮重要的作用[6-7]。提升電網穩定性，調整電網發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，以引導電網發展。

發電容量充裕是保證電力系統長期穩定運行的重要因素[8-9]。為保證電網安全，發電容量必須保證在滿足最大用電高峰時留有充裕的電源容量以應對突發事件[10]。與此同時，過多的發電容量會使發電機組平均利用小時數降低，從而導致資源浪費。

現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，但對于保證發電商合理收益及保障電力系統長期穩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電容量的充裕性，可能會造成穩定性電源因收益不足而導致關停的情況，進而會對電力系統可靠性帶來較大威脅。因此，需針對電力系統發電容量可靠性，建立有效的容量市場保障機制保證電網長期穩定運行。

本文提出了適應中國現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驗，因地制宜，完善中國發電容量市場機制設計。為提高發電容量充裕度，國外電力市場發電容量充裕性保障機制主要包括稀缺定價機制[18-19]、戰略備用機制[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電商持留發電容量，使其可通過稀缺電價進行成本回收并創造收益[23]。有效的市場監管是稀缺定價機制的重點。監管可消除市場帶來的電價虛高現象。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整用電行為時，可從需求側保證電力市場的穩定運行。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，沖擊了電力市場的穩定性。

1.2 戰略備用機制

戰略備用機制是指電網運營商與一些面臨退役或停用的發電機組簽訂合約，在需要時使用其發電容量對電網負荷需求進行響應。在系統常規運行時，參與戰略備用的機組將不被調用。在整個系統出現容量短缺時，簽訂備用的機組將會被調用以應對短時電力供需。在戰略備用機制中，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運營商簽署的戰略備用合約。戰略備用機制采用的容量一般由電網運營商確定，并采用招標的方式進行采購。采購發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中發電容量的充裕度，進而使系統安全穩定運行。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。基本拍賣市場主要目的為釋放價格信號并引導發電商投資。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電企業直接簽訂容量合約以實現容量交易。

由于電能量市場競爭的存在，發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電價格沒有競爭力而退出市場，從而優化了電源結構。

2 中國容量市場制定方法

現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，沒有對電力系統發電充裕度進行系統化地市場機制研究。現行的電力市場化機制設計會導致經濟效益好的發電機組支撐電力系統的大部分用能需求，發電效益不好的機組僅能在少數用電高峰時段發電，導致其有效利用小時數不高。有效利用小時數與發電機組收益成正相關關系，發電設備有效利用小時數過低可能導致以下情況：（1）發電設備通過尖峰時段利用小時數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）發電設備利用小時數低嚴重影響經濟效益，造成持續虧損，最終導致發電設備關停，系統穩定性降低。

在計劃發電時代，電力系統發電容量較為充裕，容量安全性問題尚未凸顯。但隨著可再生能源發電量占比逐步上升，壓縮了火電利用小時數。火電廠長期虧損會導致區內發電容量降低，影響系統安全性。需要建立容量市場，優化電力系統電源結構，促進電網長期穩定運行。

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電資源進入容量市場提供經驗。

中國電價政策以穩定為主基調，以市場競爭方式產生合理的用戶電價。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。戰略備用機制雖可以穩定用戶電價，但會從電力市場競爭機制中剝離部分發電容量，而電價由用戶承擔，也不適宜中國現狀。因此容量市場機制較為適應中國現有情況，并需要根據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，發電設備利用小時數與收益關系如圖1所示。

圖1 發電設備利用小時數與收益關系

Fig.1 Relationship between power generation equipment utilization hours and income

從圖1中可以看出，發電設備由于能效不同，單位利用小時數的收益也不同。發電設備的收益可以表示為一個區間。當發電利用小時數低于h1時，發電設備虧損。當利用小時數高于h2時，發電設備盈利。

中國電力市場可以實行“電能量市場+容量市場”模式，既保證了電網的充裕度，也保證了發電商獲得合理收益，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，電能量市場覆蓋發電廠變動成本。激勵機制保證發電商有足夠動力提高發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，在后期電力數據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，引導電力系統總發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，以收集發電側價格響應情況數據，為設計容量需求參考點做準備。需求曲線對發電投資方起到指引作用，有助于電網發電容量規劃的有序發展，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

發電企業會綜合考慮發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，可建立僅面向發電商的容量市場。發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，發電商依此作為報價參考。

火電發電企業在電能量市場的收入為

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

中標的火電發電企業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，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。該措施有助于讓發電商盡快適應容量市場報價規則，保證容量市場資金規模控制在一定范圍之內，確保容量市場建設的穩步推進。在市場和監管機構熟悉報價規則和市場情況之后，延長容量市場拍賣周期，保障全系統發電容量長期穩定。

3.3 容量市場定價原則方案

方案1為容量市場覆蓋發電設備固定成本的100%，電能量市場覆蓋發電設備變動成本及準許收益。發電設備利用小時數及收益情況如圖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，發電商會通過電能量市場競爭獲得發電設備上網發電量，從而獲取相應利潤。發電設備固定成本已由容量市場覆蓋。發電商回收固定成本壓力小，只要上網發電就可以獲利。發電商可以在電能量市場報價中增加合理收益來獲得發電資格，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電商競爭，降低發電商的固定成本回收壓力，促進發電廠提高經濟效率。

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電設備固定成本，電能量市場覆蓋發電設備變動成本、剩余的固定成本及合理收益。本文以容量市場覆蓋70%的發電設備固定成本，電能量市場覆蓋發電設備變動成本及30%的固定成本為例。發電設備利用小時數及收益情況如圖4所示。從圖4中可以看出，在發電設備利用小時數高于合理利用小時數時，發電機組盈利。當發電設備利用小時數低于合理利用小時數時，發電機組虧損。方案2的機制可以促進發電設備盡量達到合理的利用小時數，從而實現發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電設備部分市場風險，在容量市場下，發電商報價將以“變動成本+合理收益+發電設備單位發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，發電市場獲得的容量費用占固定成本比例越多，發電設備回收固定成本壓力越小會使單位發電收益期望降低，從而加劇市場競爭。在充分市場競爭的情況下，發電商可以獲得較為穩定的收益，用戶獲得合理的電費報價，有助于發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為發電設備的固定成本；V為發電企業的變動成本。結合圖5和表1可以看出：（1）方案2的發電設備有固定成本回收壓力。該方案下單位發電量的期望收益上升時，收益區間將增大。在發電設備利用小時數大于一定值時，方案2的發電設備收益高于方案1的發電設備收益，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可以促進發電商發電積極性，以更高的發電量獲得更好收益。（3）方案1包含了發電設備的全部固定成本，可以有力保證所需發電容量的經營情況，故其對全系統發電容量有強力的保障。發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

良好的發電資源充裕程度對于電力市場建設和電力工業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發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階段電力市場運行現狀的方法。本文提出了容量市場參與中國現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電商在電能量市場中回收固定成本的壓力，促進發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。

作者介紹

孫啟星（1993—），男，博士，從事電力改革中電力價格研究，E-mail：sunqixing@sgeri.sgcc.com.cn;

尤培培（1984—），女，通信作者，碩士，從事電價理論與方法、電力市場改革價格規則等研究，E-mail：youpeipei@sgeri.sgcc.com.cn.