深度文章｜“双碳”目标下的电能价值分析与市场机制设计

摘要：

自“2030年前碳达峰、2060年前碳中和”的目标提出后，中央财经委员会第九次会议又进一步提出实现该目标的基本思路和主要举措，特别是实施可再生能源替代行动，深化电力体制改革，构建以新能源为主体的新型电力系统。这些举措必将导致电源结构的重大调整。另一方面，近年来世界范围内电力市场中各类负面事件接连不断，引起各方广泛关注。这些事件产生的原因与电源结构缺陷和电力市场设计不合理有很大的关系。结合近期全球电力市场典型事故的介绍和原因分析，重点探讨了电源结构的变化所引起的安全风险和电能价值的多样化等问题，分析了电力市场体制机制所面临的挑战，并提出了初步解决方案。电力定价和电力市场设计应建立在电能价值规律的基础之上。在可再生能源大规模接入的背景下，电能除了传统电力市场中的容量价值、电量价值，还具有灵活性、安全性和弹性价值等多种不同的价值，使得问题更加复杂，因此针对这些问题进行了初步分析。

关键词:电力市场,价值规律,发电组合,灵活性

0 引言

近年来，由于社会经济发展对化石能源的过度依赖，能源资源日渐枯竭，同时大量碳排放也导致温室效应日益加重，极端天气的出现越来越频繁，而高比例可再生能源的接入也对电网运行带来越来越严峻的挑战。国际社会一致认为需要对气候变化采取紧迫行动和强有力的国际合作。

“碳中和(carbon neutral 或 carbon neutrality)”是指中立的(即零)总碳量释放，通过排放多少碳就采取多少抵销措施，来达到平衡。目前已有数十个国家和地区提出了“碳中和”目标。中共中央总书记、国家主席习近平在 2020 年 9 月 22 日召开的第七十五届联合国大会一般性辩论上表示：“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于 2030 年前达到峰值，努力争取 2060 年前实现碳中和。”(本文简称为“双碳”目标)。2021 年 3 月 15 日，习近平总书记主持召开中央财经委员会第九次会议，进一步明确了实现碳达峰、碳中和的基本思路及主要举措。会议特别强调：“实施可再生能源替代行动，深化电力体制改革，构建以新能源为主体的新型电力系统。”

“双碳”目标下的电力系统面临电源结构的重大调整，其内容包括淘汰和改造现有化石能源发电机组、新建配备碳捕获、利用与封存(carboncapture，utilization and storage，CCUS)装置的化石能源发电机组和提高清洁能源(特别是风、光等可再生能源)装机占比等。由于“双碳”目标下的电力系统包括高比例的风电、光伏发电等在内的多种可再生能源，出力具有极强的不确定性，在进行规划、运行决策时要确保系统的发电资源能适应各种风力、光伏出力场景。此外，还应维持系统备用、调频能力、惯性水平、安全稳定裕度等以确保安全可靠运行，并有足够的灵活性资源提供调峰和各种辅助服务。这些问题对电力定价和电力市场设计带来重大挑战 [1-2] ，本文拟进行初步探讨。

1 近年来全球电力市场的典型事故

近期，世界范围内电力市场中各类事件接连不断，引起各方广泛关注。美国加利福尼亚州当地时间 2020 年 8 月 14 日 15:20，加州独立系统运营商(CAISO)宣布电网进入二级紧急运行状态。8 月 14 日 18:36，为了防止电力系统崩溃，CAISO 向全州的电力用户发布了自 2000—2001年加州电力危机以来近 20 年的第一次三级紧急运行状态警告，并对居民用户实施轮流停电。随后，8 月 15 日 18:28，CAISO 又发布了二级和三级紧急运行状态警告各一次并采取切负荷措施。8 月17 日、8 月 18 日、9 月 5 日、9 月 6 日，CAISO又各发布了一次二级紧急运行状态。从当地时间2021 年 2 月 14 日开始，美国得克萨斯州(下简称“得州”)在极寒天气下再次发生大范围轮流停电，现货市场价格也达到 9 000 美元/(MWh)的上限。美国总统拜登相继批准得州进入紧急状态和重大灾难状态。而 2021 年 1 月 20 日，澳大利亚历史上最大的能源集体诉讼在联邦法院提请。集体诉讼针对的是两家国有发电公司 Stanwell 和 CSEnergy，由律师事务所 Piper Alderman 代表 50 730多名电力客户提出，称 Stanwell 和 CS Energy 人为操纵了电力定价系统(electricity pricing system)并让消费者承担了过高的电费。2021 年 2 月 22 日，美国联邦能源管理委员会(FERC)宣布将启动一项新的议程来调查气候变化和极端天气事件对电力可靠性造成的威胁，研究电网运营商如何准备和应对极端天气的影响 [3] 。

高比例新能源的并网在引入高度不确定性的同时，也淘汰了大部分传统发电机组，而后者是电力系统安全性和灵活性的重要来源。此外，新能源一般通过变流器、逆变器并网，系统的电力电子化程度高，很多系统特性尚未被认识清楚。

这将增加系统的安全风险，一系列运行控制问题也有待解决。近年来，由于新能源大规模接入，电力系统转动惯量减少、一次调频能力减弱，电力系统频率控制的结构性困境日趋明显，频率稳定分析和控制问题受到广泛关注。国外发生了几起由系统转动惯量较小的电网设备故障所诱发的大停电事故，如：2016 年 9 月 28 日澳大利亚南澳州电网发生了世界上第一次转动惯量偏低电网中风电大规模脱网所诱发的全州大停电事故；2019 年 8 月 9 日英国电网再次发生了大面积停电事故，系统惯量水平下降也是重要原因之一 [4-5] 。

2 得州停电事件分析及美国电力市场设计的争论

2.1 得州停电事件分析

美国当地时间 2021 年 2 月 24 日，得克萨斯州电力可靠性委员会(ERCOT)召开紧急董事会并发布了关于得州停电事件的首份官方报告(下简称“ERCOT 报告”)，从中可以了解到该事件左右，得州电网频率一度跌至 59.4 Hz 以下长达4 min 23 s(美国电网的额定频率为 60 Hz)，而如果电网频率跌至 59.4 Hz 以下超过 9 min 后，将触发发电机组低频保护而使更多机组跳闸，可能使得系统功率缺额进一步扩大而造成全州大停电的更严重事故。由 ERCOT 的官方报告可以看出，由于负荷削减等应对措施及时，避免了一次由频率失稳而引发的全网安全稳定事故 [3] 。

ERCOT 报告介绍了 2 月 14 日—2 月 19 日发电容量停运(包括强迫停运和计划停运)的总体情况(最大停运容量达总装机容量的 48.6%，即52 277 MW)，以及按一次能源分类的发电容量停运的情况。与最初的估计不同，其中停运最多的是天然气发电机组，其次才是风电，而煤电、核电和光伏停运容量较少。得州是美国能源第一大州，石油和天然气资源极为丰富，平时以电价低闻名。目前 ERCOT 辖区内发电总装机容量为107 514 MW，根据 2020 年的统计数据，其中51.0%为天然气机组，24.8%为风力发电机组，13.4%为煤电机组，4.9%为核电机组，3.8%为光伏发电机组，1.9%为其他机组，0.2%为储能。由于美国天然气发电机组大多采用管道即时供气，本地储气能力不足，极寒天气下的冻井和管道冰堵是此次得州大停电事件的重要原因。

从电力市场的角度，ERCOT 报告给出了从 2月 13 日—2 月 21 日的日前和实时电价变化情况，以及市场参与者所采用的基本风险对冲措施。

ERCOT 日前市场电价和实时市场电价曾经一度飙升至 9 000 美元/(MWh)的价格上限。虽然市场主体可能采取了一些风险对冲措施，但短短几天的市场异常情况还是造成了严重的后果。3月1日，由于无力支付ERCOT开具的21亿美金电费账单，得州最大、建立时间最长的电力合作公司布拉索斯电力(Brazos Electric Power Cooperative Inc)在休斯敦申请破产保护。同一天，得克萨斯州检察长Ken Paxton 对电力零售商格里迪公司(Griddy)提起诉讼，称其使用欺骗性商业行为误导了电力用户，而实际上电力用户收到天价电费单的根本原因只不过是格里迪公司是以日前、实时市场批发价格与其所代理的用户结算电费的。格里迪公司最终于 3 月 15 日向法院提交了破产申请。事件的其他细节可参考文献[7]，本文不再赘述。

2.2 美国有关电力市场设计的争论

实际上，在美国有关电力市场设计的争论由来已久 [8] 。在 2017 年 9 月 28 日时任能源部长的Rick Perry 给 FERC 的信件中，提到美国电力市场的短期市场可能无法提供充分的价格信号来确保合理的长期容量投资 [8] (下简称“Perry 信件”)。

此外，批发市场价格形成机制也受到质疑，甚至认为已威胁到美国电网安全和国家安全。RickPerry 敦促 FERC 立即采取行动，确保不同类型发电厂提供的可靠性(reliability)和弹性(resiliency)得到充分估价，并制定新的市场规则来实现这一紧迫目标 [9] 。在此前美国能源部给部长的报告中，重点研究了当前电力批发市场的问题及其与电网可靠性/弹性的关系，建议 FERC 应加快与联邦、RTO/ISO 和其他利益相关方的合作，改革集中组织的电力批发市场的价格形成机制 [10] 。由于认为能源部理由不充分，2018 年 1 月 8 日，FERC 暂停 市 场 规 则 的 修 改 并 启 动 一 项 新 的 对 各 大RTO/ISO 所运营区域的大电网弹性进行评估的行动。Rick Perry 部长当日即在美国能源部官网上作出回应：“我感谢 FERC 所作的考虑和努力，以进一步评估使我们的电网的长期弹性面临风险的市场扭曲。按照原先的意图，我的提案启动了关于电力系统弹性的全国性辩论。但毫无疑问的是，多样化的燃料供应，特别是本地燃料供应能力，在为美国人提供可靠、有弹性和价格可承受的电力方面发挥着至关重要的作用，特别是在我们现在看到的与天气有关的紧张时期。我期待继续与FERC 委员们合作，以确保电网的健全 [5] 。”

此外，从 Perry 信件可知，得州的天气事件是由所谓“极地涡旋”(Polar Vortex)所导致，在美国并非首次出现，其中记录了 2014 年美国所发生的一次类似的极寒天气事件及其对 PJM 电力市场的影响。

3 “双碳”目标下的电能价值分析

3.1 “双碳”目标下电能价值的多样化

由于全球气候变化问题，极端天气的出现越来越频繁，对电网运行带来越来越严峻的挑战，特别是影响资源充裕性 [11] 。碳中和是应对全球气候变化的关键措施。在碳中和的目标下，现代电力系统正逐步向高比例可再生能源和高比例电力电子设备(“双高”)的趋势发展。由于风、光等新能源的随机性和波动性，给电网的调度运行带来诸多困难，如何提高电力系统灵活性已成为各方关注的焦点。2018 年 11 月 13 日国际能源署(International Energy Agency)发布的世界能源展望(World Energy Outlook 2018)提出“灵活性是电力系统的新口号(Flexibility is the new watchwordfor power systems)”。由于新能源发电设备一般通过电力电子装置接入大电网，导致系统动态行为发生深刻变化，不仅对经典稳定性(如功角稳定、电压稳定和频率稳定)产生重大影响，而且会引发一系列新型稳定性问题。在这样的背景下，电能作为商品，其价值相对于以传统化石能源发电和没有需求侧响应的电力系统更加多样化，本文针对发电系统(电源侧)的电能价值问题进行初步分析。

电力定价和电力市场设计应以对电能价值规律的深入分析为基础，并建立基于电力系统优化规划、优化运行原理的数学模型，它是一个大规模复杂系统优化问题，其理论基础是微观经济学有关生产成本的理论和相关的数学优化理论，特别是数学优化中的对偶优化原理与有限资源影子价格密切相关 [2] 。

3.2 电能商品品质及定价机制

“同质同价”是市场中商品定价的基本原则，因此有必要对电能商品品质问题进行深入分析。我们常说的电能的同质性是从物理学意义上来说的，而实际上电力市场交易是电力系统调度运行层面的问题 [12] 。由于电能难以大量储存，发用功率必须实时平衡，从对电力系统调度运行和功率平衡的影响，本文认为电能商品品质应从波动性、可控性、随机性 3 个维度进行衡量。其中波动性指功率相对于自身容量的变化幅度；可控性指将功率在一定范围内自由调节的难易程度。当前各类常见供方(电厂)所生产和需方(负荷)所消费的电能商品品质排级如表 1 所示。注意这里是对电能商品的品质进行排级，而不是给电源或负荷“贴标签”(即所谓“技术中性”)。例如，如果品质一般的煤电经过灵活性改造，可以升级为高品质的调峰电源。需要说明的是，电能商品品质是从保证电力系统发用功率平衡的角度来定义的，因此，对于电能商品的供方(生产者)和需方(消费者)，商品品质的价值内涵是不同的。从定价原则来讲，对于供方，电能商品品质越高，定价越高；对于需方，电能商品品质越高，定价越低(即价格越优惠)，甚至可以享受负电价。也就是说供方所生产的低品质电能商品(如风电)可以较低价提供需方的高品质电能商品消费(如需求侧响应)，反之亦然。

表 1 电能商品品质排级

传 统 电 力 现 货 市 场 基 于 实 时 电 价 (spotpricing)理论而建立，采用分时段边际统一出清方式。其隐含的假设为同一时段的电能商品都是同质的，由于未考虑不同类型发电机组在负荷曲线上所处的位置，也未考虑发电功率变化的时间动态特性，因此无法区别不同品质电能差别明显的技术特征及价值。