浙達觀察室|電力市場如何運行(上)

作者:李曉波|浙達能源聯合創始人、高級工程師、資深電力市場行業專家

一、為什麽要有電力市場?

電力系統的運行牽扯到很多問題和決策,比如明天哪些機組能發電賺錢、價格是多少,比如2小時後電不夠用了哪些用戶能用電、價格是多少,比如五年後新建的電廠要建在哪裡……這些問題目前都是由政府來集中決策,電力市場則試圖用經濟學原理讓每個參與者來分散決策。我們日常見到的商品市場和服務市場都是分散決策的,相比集中定價和集中決策,分散決策可以提高運行效率和整體社會福利。

不同於商品,電力系統具有實時平衡、傳輸阻塞、安全要求高等特點,無法像商品市場一樣集中存儲、分散買賣,因此電力市場需要特別設計。

图片alt

二、是否存在一個完美的電力市場?

美國聯邦能源管理會(FERC)在2001年提出了標準電力市場設計(Standard Market Design, SMD)供北美各個電力系統採用,我個人感覺還是比較完備的。

1、SMD要解決的第一個問題:電價應該是多少?

SMD認為,每個用戶都應該申報每個時間需要的電能以及能接受的最高價,每個機組都應該申報每個時間的期望發電量和成本價即最低價,之後由市場出清電能單價,凡是出價高於該單價的用戶都能用電,凡是出價低於該單價的機組都能發電,而出清的目標就是社會福利最大。

【經濟學家認為:單個用戶福利=(用戶能接受的價格-出清價格)*電量;單個機組福利=(出清價格-機組能接受的最低價)*電量;社會福利=每個用戶的福利之和+每個機組的福利之和。】

圍繞這個理念,SMD設計了實時電能市場,從而決定每個用戶和機組在每個時刻的電量和電價。

2、SMD要解決的第二個問題:實時電能市場中電價波動太頻繁。

為此SMD設計了中長期電能市場和日前電能市場,方便機組和用戶進行雙邊協商或者集中招投標。如果用戶在日前市場買的電不夠,那他也可以在實時市場按照實時電價購買差值,承擔價格波動的風險。

3、SMD要解決的第三個問題:如果機組和用戶已經達成了買賣意向,但電網輸送能力不夠怎麽辦?

為此SMD引入了節點電價,讓越限支路的受端價格比送端價格高,以鼓勵受端的機組多發一點電、用戶再少用一點電。

同時為了讓用戶對沖支路越限時被迫接受高價買電的風險,SMD設計了金融輸電權供用戶投標購買,一旦中標且支路越限了,那用戶就可以獲得節點電價的差值補償(即用戶實際支付的是出清價格+金融輸電權拍賣價格,而不是節點電價)。

图片alt

4、SMD要解決的第四個問題:電網實時安全。

SMD建議實時電能市場在1小時前關閉,比如4:00後無法修改5:00的報價(如果5:00時某用戶實際消耗了比計劃更多的電,則按5:00的實時價格來支付這部分差額電量)。

實時電能市場一旦關閉,電力系統的決策權就從市場轉移到了調度,調度可以通過招投標的方式來採購/調用各類輔助服務來保證電網實時安全,比如調頻服務(電網頻率必須保持在50Hz,如果頻率低了那就讓機組調整齣力)、調壓服務(電網電壓必須保持在一個範圍內,如果超過了那就要機組進行無功調節)、調峰服務(用戶實際比計劃多用電了,那就讓機組臨時多發電;比較精妙的是,SMD把調峰設計成了電能市場中的機組經濟運行區間參數而不是單獨的輔助服務)等。

5、SMD要解決的第五個問題:電網遠期安全。

顯然在電能市場中,機組越多價格越低,這就造成沒有發電企業願意新建機組,因此SMD設計了容量市場。只要一臺機組承諾未來會在線(不管是新建機組還是已有機組),就能在容量市場獲得回報,從而保證在未來有足夠的機組;甚至是線路也能參與容量市場獲利(理論基礎是:線路增加了區域互聯,從而降低了安全需求)。

當然SMD還有很多內容,比如調度機構獨立、市場機構獨立、輸電網壟斷、配電網分區域壟斷、利用節點電價差額鼓勵盈利線路等等。但是很可惜由於政治原因,2004年SMD被迫取消(各個州擔心聯邦機構權力過大)。

图片alt

三、世界各國電力市場為什麽不完美?

FERC制訂SMD,其實是想把美國最大電力平衡區域PJM的成功經驗推廣出去,所以SMD是否完美就看PJM實際運行情況就好了。事實有點打臉:

1、SMD試圖挖掘電力的商品屬性,系統缺電時就用高電價來吸引用戶少用電,或者去阻塞少、節點電價低的區域用電。實踐證明,美國電價太低了,所以絕大部分用戶都基本沒有需求彈性,不會根據電價波動來調整用電行為。少有的極端情況下(比如2014年美國極地渦旋),超高的實時電價最後也由於政治原因被分攤給了所有用戶而不是實時市場用戶。

2、同理SMD試圖用缺電時的高電價來吸引機組投資,但一來缺電機會太少了,二來缺電時報高價很有可能會招來新聞報道(以及後續的濫用市場力調查和政治壓力,畢竟用電更像一個公共服務而不僅僅是商品服務),三來市場參與者的負荷預測能力遠遠低於電力市場之前的一體化電力公司,因此機組裕度反而下降了。

3、前面說的市場機制其實都是批發市場的機制,參與者包括大機組、大工業用戶、售電公司,而小用戶則無法參與。一方面,小用戶都沒有經驗和餘力,也雇不起專業人士來參與電力市場的復雜預測和報價,更承擔不起實時電價的波動風險;另一方面,小用戶的電量太少沒有議價能力,電力市場的優化出清引擎顯然也無法容納這麽多用戶。因此工商業和居民等小用戶只能通過售電公司進入市場,而且簽訂的也大都是固定分時電價合同(和電力市場前差不多),售電公司同質化競爭非常嚴重,規劃中的差異化競爭、技術創新、模式創新一直沒有到來。

图片alt

世界其他幾個主要電力市場也都有各自的問題:

1、歐洲的電力市場:由於擔心節點電價過於復雜且預期阻塞不多,因此歐洲電力市場採用統一齣清電價。一旦出現阻塞則由調度員手工調整,這種非市場行為讓很多機組都會刻意製造阻塞然後等待手工調整賺錢,這反過來倒逼調度員預留更多備用,降低了系統效率。歐洲也沒有引入實時電能市場,而只是引入了了日內電能市場(精度更低波動更小,且只限於各國內部),但絕大部分電量都在歐洲整體聯動的中長期和日前電能市場都交易完了,因此價格發現能力有限。

2、英國、澳洲的電力市場:均未引入節點電價,機組報量報價,用戶僅作為價格接受者。顯然這種機制下的非市場行為更多了。

總體看來,電力市場的確沒有那麽神奇,畢竟電能兼具公共服務和商品的屬性,很難完全交給市場決定,電力系統和電力市場的運行往往都能看到行政大手的參與。即便是電力市場最先進的美國,51個洲都只有23個有電力市場,而且很多都沒有SMD那麽完善,另外28個洲均還是發輸配一體化電力系統。

雖然電力市場有很多初衷(提高效率、避免浪費、保障安全、引入競爭、鼓勵創新),但實際運行下來真正的好處只有兩個:一是發電公司自負盈虧了,所以他們會小心翼翼地避免故障且減少檢修;二是政府終於可以避免制訂電價這種吃力不討好的事情了。

图片alt

四、中國電力市場目前處在哪一階段?

下期預告:中國電力系統的市場化其實比歐美更困難。

五、新能源來了!

下期預告:新能源存在波動性、隨機性問題,使得電力市場很多規則不適用。可是一個電力系統如果以新能源為主,那電力市場一定是必選項。