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【摘要】发电机组的平均成本、边际成本随着出力的增加都是先下降,然后上升。但实际的电力市场中,都规定发电的报价必须是单调非降的。电力市场设计中有一些不同的方法来解决这个问题。本文对几种典型的解决方法进行介绍,并进行简单的讨论。
(来源:微信公众号”走进电力市场“ ID:PowerMarket 作者:刘润泽 荆朝霞)
一、典型火电机组的发电成本特性
我们在之前的文章(走进电力市场:发电企业成本特性及报价策略1)中对火电厂的成本特性进行了分析。如图1所示为某个发电机组的成本曲线。其中,MC为边际成本曲线,AC为平均成本曲线。机组的额定出力为100MW,最小出力为40MW。可以看到,无论是平均成本曲线还是边际成本曲线,都是先下降后上升的。
二、现货市场考虑发电成本特性的方法
电力现货市场中,从技术的角度(可以较快速的得到唯一的最优解),都要求电厂的报价曲线是单调非降的。这与电厂的实际成本特性(先下降后上升,并且在很大范围内是下降的)不一致。对这个问题,实际电力市场中有以下几种解决方法。
1、由市场主体通过报价考虑
这种方法下,市场规则中不对这个特性(非单调)做特殊的考虑,市场主体通过报价保证其收益。如图2所示,上述的例子中,电厂考虑机组的实际成本特性,为了保证不亏损,申报(报价1)的最小经济出力为83.5MW,申报价格不低于375.1¥/MWh(MC与AC交点处的成本)。该方法存在的问题是:电厂的最小经济出力(83.5MW)可能远远大于最小技术出力(40MW),减小了系统运行的可行空间。在一些情况下可能造成无法出清的结果,特别是在调峰能力紧张的地区,这种报价机制将进一步增加调峰的困难。
为解决这个问题,可以有以下解决的方法。
1)强制规定最小申报量要求
比如,规定报价中第一段的出力为最小技术出力(广东现货市场的规定)。这种方法解决了出清中优化空间变小的问题。但会带来另外一个问题:理性的市场主体会进一步提高第一段的申报价格。比如,如果市场要求其报价中的最小出力为最小技术出力(40MW),则报价曲线为图2中的“报价2”,在(40~92)MW范围内的出力的报价均不能低于487.2¥/MWh(最小出力处的平均成本)。这样,导致在很大一段出力范围内的报价偏离了真实的成本,进而导致市场出清的结果偏离最优调度结果,增加发电成本。
2)另外申报最小技术出力
这种方法下,允许第一段的出力大于最小技术出力,但机组必须另外申报真实的、物理的最小技术出力(美国加州的做法)。当系统出现(深度)调峰的问题时,市场运营机构根据一定原则可以将机组的出力降到最小技术出力,同时给予一定的补偿。
2、通过空载成本考虑
在机组的报价中,除了启停成本、微增成本,还有空载成本,以解决发电成本非单调的问题。后面的章节里进行详细的分析。
三、空载成本的定义
国外很多电力市场中,电厂都是三部式报价,即电厂的总生产成本包括三个部分:启动成本(¥/次),空载成本(¥/h)和增量成本(¥/MWh)。启动成本是指机组启动产生的费用;而增量成本则是多生产一个单位电能增加的可变成本。空载成本是什么呢?一些人理解为在机组启动未带负荷(空载)到稳定运行期间的成本,是不正确的。
根据PJM的定义,空载成本(No Load Cost)指的是“单调递增的增量成本曲线的起点所需的成本”,也有ISO/RTO将此成本称为最小发电成本(Minimum Generation Cost),如纽约的NYSIO。简单的说,空载成本可以理解为:与出力水平无关的,只要在开机状态每个小时都会要付出的成本。实际市场中,发电机组可以根据成本特性情况确定申报的空载成本值。
四、 空载成本的意义
如果允许机组申报空载成本,则机组可以降低报价中的最小经济出力水平。如图2所示。如果机组从边际成本曲线开始上升的出力处(本例中为55MW)开始按边际成本报价(报价3),如果市场出清价正好为第一段的报价,则出清量为55MW,其可以获得的收益为绿色阴影面积。发电的总成本为边际成本的积分,即绿色阴影面积与黄色阴影面积之和。因此,为了保证不亏损,需要申报黄色阴影面积大小的空载成本。
实际上,在LMP(Locational Marginal Pricing)定价机制下,如果发电机组不是边际机组,则用于发电机组结算的LMP价格会大于自身报价,因此发电机组可以获得超过报价的额外收入,可以用来收回一部分空载成本。比如,如果市场出清价为400¥/MWh,则出清量为83.5MW。此时机组的平均成本为375.1¥/MWh,小于市场出清价。因此,这种情况下不需要另外给机组补偿,机组按系统出清价结算不仅能完全补偿成本,一个小时还可以有额外的利润2079(=83.5*24.9)元。
但是,当该发电资源无法完全收回总成本时,需要通过别的机制来补偿,例如PJM的全成本补偿(make whole payment)。
五、考虑空载成本的出清与结算
这里结合PJM的市场规则,对考虑空载成本的市场出清及结算机制进行介绍。
【SCUC】在进行机组组合确定机组启停时,其目标是最小化总成本,其中包含了空载成本:
Min(增量成本+启动成本+空载成本)
【SCED】在进行经济调度确定机组出力和价格时,启动成本和空载成本都是不会随调度结果变化而变化的固定的常量,因此目标函数中不考虑空载成本和启动成本。
【全成本补偿】市场运营机构按日根据机组申报的启动成本、空载成本和增量成本计算每台机组的总成本。其中,启动成本按启动的次数计算,每启动一次计算一次;空载成本按运行时间计算,在启动期间的每个小时均计算;增量成本根据每个小时的实际出力对增量报价积分得到。总成本是按上述方法计算得到的启动成本、空载成本和增量成本之和。如果机组该日通过现货市场获得的总收入(还包括辅助服务市场的收入)小于总成本,则对差额进行补偿。具体的计算细节不同市场有一些不同的规定。
六、对我国电力市场的启示
电力现货市场设计中,很重要的内容是对电力系统的一些特殊的技术、经济特性的考虑。其中一个方面就是对发电机组非单调成本特性的考虑。
本文介绍了几种不同的处理非单调成本特性的方法。每种方法各有其优缺点。我国的现货市场设计中,普遍尚未对这个问题进行细致的考虑。一些简单的处理方法可能会影响市场的优化空间。需要尽快对这个问题进行进一步的研究,完善相关市场设计。
往期文章参考
[1] 走进电力市场合集(2016.11.13-2019.9.10)
[2]电力市场经济学基础(10 发电企业成本特性及报价策略1)
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