如何避免能源低碳转型过程中的反直觉问题

近年来，环境问题、能源安全问题日益突出，促进低碳可再生能源的发展、促进电力系统的低碳转型成为多个国家能源政策、能源体制改革的核心目标。包括美国PJM、英国和澳大利亚等在内的国际上多个较为成熟的电力市场都是基于以传统火电为主要电源的电力系统进行设计，未考虑大量风、光等波动性一次能源及低运行成本电源的影响，无法充分、合理反映各种灵活性资源的价值并对新环境下充足发电容量投资进行有效激励。基于这一现状，适应新形势的电力市场设计成为广泛关注的内容。

2015年以来，我国启动了新一轮的电力体制改革，包括中长期市场、零售市场、现货市场等在内的市场体系不断完善，包括山西、广东等省份在内的多个地区的现货市场已经进行了一年以上的连续结算试运行。我国电力市场在设计过程中广泛借鉴国外成熟电力市场的经验，也同样面临适应低碳转型电力系统的挑战。解决以上问题需要新的市场设计，包括反映多元价值的新型产品体系的设计，以及反映多元物理和经济特性的新型交易机制的设计等。多个学者指出，电力市场是经济社会中唯一需要设计的市场。市场设计的优劣将直接影响市场的效果。缺乏系统性、长期性、动态性考虑的市场设计，不仅达不到预期的目标，可能还会造成相反的结果。本文结合经济学中“机制设计”的相关理论，对当前电力市场机制设计中存在的一些反直觉问题开展分析，并对研究方法进行讨论。

促进能源低碳转型的市场机制

为应对气候变化、保证能源安全，大力发展低碳、可再生能源已成为多个国家能源转型的要求。但与此同时，伴随着全球气候变化和能源转型的加速，世界各地电力市场中紧急事件接连不断。2020年8月，美国加利福尼亚州电网连续2天出现了用电高峰时期切负荷运行的限电事故，共计1.47吉瓦负荷被限制；2021年2月，美国得克萨斯州经历了连续极端低温天气诱发的大停电事故，事故中执行了最高20吉瓦、最长持续4天的负荷轮停；2022年6月14日，美国中东部断电用户达到50万户；2022年6月15日，由于数日频繁出现电力供应紧张的预警，澳大利亚电力市场运营机构在实施多次市场干预无果后宣布暂停运行现货市场。虽然对于这些事件的发生与电力市场的设计是否有关，有何关系尚未达成一致意见，但对电力市场的设计进行完善，以更加适应新能源占比不断提高，以及大量新能源、储能、主动负荷、虚拟电厂等新型主体参与的情况已得到广泛认可。

传统的市场化机制面临的挑战可总结为以下五个方面：一是低碳等政策性目标对电力市场的影响加强，需要对促进政府与市场协调作用的混合市场设计进行研究；二是风光等随机、波动性电源的增加，促进不同时间尺度的储能的大量接入，需要研究适合储能的物理、经济特性的产品设计及交易机制设计；三是大量主动负荷、虚拟电厂等的参与导致市场主体的类型及数量增加，需要研究适合海量、异质资源参与的新型交易机制；四是大量零边际成本或低边际成本资源参与市场的情况下，如何保证各类资源的总成本的合理回收，如何促进充足、合理的发电投资；五是电网的平台作用增强，如何建立促进源网荷协调发展的输配电规划、定价与管理机制。以上问题的解决均需通过设计新型的市场机制来应对。

机制设计概述

经济学中，机制是规则和制度的总称，机制设计理论是在自由选择、自愿变换、信息不完全及决策分散化的条件下，研究如何设计一套机制以达到既定目标的理论。机制设计是博弈论和社会选择理论的综合运用，即如何构造博弈形式，使得博弈的解最接近需要满足的目标。机制设计理论提出了对机制进行评估的一些标准化的性质与原则，包括最优、有效、激励相容、参与约束、预算平衡等。

最优指从机制设计者的角度，实现机制设计者的最佳目标。机制设计者的目标可以是多方面的，比如对拍卖来说，可以是拍卖者的收益最大或中标者的效益最大；对电力市场来说，可以是购电成本最小、发电成本最小或者新能源消纳最大等。

有效即通常所谓的资源配置最优，或者说社会福利最大。在需求没有弹性的情况下，资源配置最优等价于系统成本最小化。比如在电力现货市场中，不考虑网络成本及需求弹性的情况下，资源配置最优等价于总发电成本最小。资源配置最优是电力市场设计中最常见的、最主要的设计目标。

激励相容是电力市场中受到较多关注的概念。机制设计中，激励相容是指个体的最优行为与机制设计者的目标一致。前面提到，机制设计者的目标可能有不同的方面。如果机制设计者的目标是有效，即社会福利最大，则激励相容意味着每个市场主体在按自己利润最大化目标进行决策的情况下，市场可以自动促进全社会福利的最大化。在完全竞争、具有完全对称的信息的完美市场中，激励相容是可以自动实现的，但由于现实中的市场往往不是完美竞争的市场，因此激励相容的实现需要基于特别的市场设计，并且在一些情况下可能无法实现。

参与约束又称个人理性，就是要保证市场主体参与市场比不参与好，市场主体可自愿参与市场。参与约束可以从短期和长期两个维度看。以发电商为例，短期看，参与约束意味着发电机组可以在现货市场中收回全部的变动成本；长期看，参与约束意味着短期利润的累积，以及从容量市场获得的收入能覆盖全部的固定成本。参与约束是市场设计中，特别在我国电力市场的设计中容易忽略的原则。

预算平衡主要从市场运营或结算机构的角度考虑，要求总体收支平衡，主要针对供、需双方进行报价的情况。电力市场中的“不平衡资金”问题可以认为就是一种预算平衡问题。在我国电力市场的建设初期，广东、山东等多个现货市场试点省份在结算试运行中都出现了不平衡资金问题，引起了广泛关注。

1996年被授予诺贝尔奖的维克瑞拍卖（Vickrey Clarke Groves，VCG）是一种多件物品密封竞价拍卖机制，其同时满足激励兼容和个体理性的条件，并且在所有单物品拍卖满足有效、激励兼容且参与约束的机制中，VCG机制可使得每个竞拍者的期望值最大化。

对一些复杂的拍卖问题，如双边参与的多产品拍卖问题，可能不存在同时满足有效、激励相容、参与约束及预算平衡的机制，因而造成了相关市场设计的困难。例如在电力市场的三部制报价（包括启停成本、空载成本和增量成本三个部分）下，交易机构为了激励主体按成本报价（即为了保证满足参与约束目标），需要对主体进行额外的费用支付（即全成本补偿），进而造成交易机构整体的收支不平衡（不满足预算平衡目标），继而需要通过分摊的方式（即向用户收取uplift费用）去解决收支不平衡问题，而在此过程中又会造成一些价格信号的扭曲。因此，对电力市场复杂的设计问题，设计者常常需要在多个目标之间进行权衡。

电力市场机制设计中典型的

反直觉问题

反直觉就是看起来有一个明显、简单的结论，但正确结论却与人们的直觉所想相反。反直觉问题存在于很多领域：经济学的卢卡斯批判，社会学中的非理性决策、群体极化、自证预言效应，教育学中的混淆练习和分散效应，数学中的贝叶斯悖论，物理学中的相对论时间膨胀，哲学中的资本主义的“假象自由”等。尽管不同领域的叫法各不相同，但以上现象的本质都是一种反直觉的问题。

在电力市场的机制设计中，反直觉现象可以简单描述为：对市场设计中的某个环节，其实际的效果与设计预期不一致，甚至是相反的。这里的效果，可以从机制设计的目标，即有效、最优、个人理性、激励相容、预算平衡等角度考虑。实际上，这几个方面的目标通常不是相互独立的，在实际市场中可能会互相影响。比如，如果市场机制不满足参与约束，可能导致市场主体不满足激励相容的行为，进而导致无法实现资源配置最优的目标。

电力市场设计中存在很多典型的反直觉的例子。这里对常见的几个例子进行简要的分析。

一是边际成本定价（Marginal Clearing Pricing, MCP）与按报价结算（Pay as Bid, PAB）两种定价机制的比较。直觉分析可知，采用PAB机制可以降低平均购电成本，但如果考虑市场主体的策略性报价，在一些情况下可能出现PAB机制下成本更高的反直觉结果。

二是较低的价格上限。一些情况下市场运营机构会设置较低的价格上限，以期望降低用户的用电成本。但是，此行为可能会抑制在正常电价下可以实现盈利的发电的投资，因此，从长期看导致该类电源供给的短缺，使得在电力紧缺时供电依赖于更加昂贵的资源或通过停电保证电力系统的安全，导致了总体用电成本的提高。

三是为了实现不同成本机组的同台竞价而对高成本机组实施“变动成本补偿”机制。该机制的设计初衷是避免高成本机组按真实成本报价抬高整体的出清价，从而实现降低电价的目的。但是，如果补贴的存在会改变机组的报价从而改变优先排序，一些情况下可能出现补偿下总体购电成本（包括补偿成本）更高的反直觉结果。

四是基于节点定价的市场中对发电侧采用基于加权节点电价计算的分区电价的定价方式。这种方式的初衷是为了在采用分区定价的情况下尽量降低电价（区域的节点加权平均价格比区域边际价格低），但在考虑发电为满足个人理性而进行的策略性报价的情况下，同样可能得到提高总体电价水平的结果。

五是三部制报价下成本不完全补偿的问题。在我国多个现货市场试点地区中，对按照启停、空载、能量进行三部制报价的机组对市场收入与报价成本之差没有进行补偿，或没有完全补偿。比如，对差额部分按现货电量的比例进行补偿。其出发点是避免发电获得过多的收益，从而提高电价。但在考虑策略性报价的情况下，不补偿或不完全补偿时，用户侧的平均电价可能反而升高。

六是低碳及可再生能源支持政策。强制保证可再生能源全额消纳是促进可再生能源消纳、降低碳排放的一项政策，在可再生能源比例较小的情况下可以实现最初的目标。但在可再生能源占比逐渐提高，并考虑配套可再生能源消纳所需要的调节服务的情况下，某些场景的可再生能源消纳量的增加可能反而造成总体排放的增加。

电力市场机制设计中

导致反直觉问题的原因

有多方面的原因可能导致电力市场产生反直觉现象，这里从电力市场的动态性、系统性和长期性三个方面进行简要讨论。

动态性主要从市场主体行为的角度考虑，即市场中主体的策略或报价不是静止不变的，而是随着市场规则、环境和其他市场主体行为的变化而变化。如果在市场机制研究中未考虑主体的策略性报价行为，局限于以固定报价参与市场的假设，则实际市场的结果和静态分析下的结果可能会不一致，甚至相反。

系统性主要描述电力市场中多个产品、多种交易、多种主体及多维目标之间的耦合关系。如果在对具体的某个机制进行设计的过程中未考虑其他主体、其他环节、其他目标的影响，整体上看可能会产生反直觉的结果。

长期性主要考虑长期目标与短期目标、长期效果与短期效果之间的关系。短期内发挥作用的机制，在长期可能产生反直觉的结果，如前所述的设置较低的价格上限导致的结果。

前述典型例子中，PAB定价机制、变动成本补偿机制、发电侧基于加权节点电价的分区定价机制及全成本补偿机制产生反直觉问题的原因都是缺乏动态性的考虑，即缺乏对市场主体策略性行为的考虑；可再生能源全额消纳政策得到反直觉结果的原因是缺乏市场多个部分之间的系统性的考虑；而设置较低的价格上限则是在市场设计中缺乏对长期结果的考虑，造成反直觉问题。

机制设计中

反直觉问题的研究方法

针对电力市场设计中广泛存在的反直觉问题，在评估某一具体机制是否存在反直觉现象时，应通过科学的方法进行证明和研究。可以采用静态均衡分析和动态均衡分析相结合的方法。

静态均衡分析，即在不考虑市场主体的策略行为的情况下，对不同市场机制的均衡结果进行分析，从而得出对于问题的直观结论。

动态均衡分析中需要考虑市场主体的策略，这可能造成问题的复杂性、模型的难以求解，对此可以采用启发式方法及多种仿真方法相结合来解决。首先采用人工启发式方法进行研究，对模型和机制进行最大程度的简化，基于典型场景与典型参数得到定性的结论。其次，利用博弈论均衡分析的方法进行深入分析，通过建立相关的数学模型和求解，更加详细地研究策略性行为对于市场均衡的量化影响，但此时由于要满足可解性，模型仍然需要进行适当的简化。最后，建立更加贴近实际问题的模型，采用多代理仿真等方法进行研究，详细模拟市场主体的策略性行为和相互之间的博弈过程。

运行补偿费机制的反直觉分析

结合本文提出的对于反直觉问题的研究方法，笔者对电力市场中的运行补偿费机制进行了研究。

考虑到火电机组成本结构的特殊性，电力现货市场设计了包括启停、空载和能量三个成本项的三部制报价机制，并配合实施全成本补偿机制。也就是说，发电机组按三部制报价的要求申报，但结算时按照每个时段的实际发电量和分时电价结算；如果在现货市场中的总收入（简称市场收入）不足以补偿按报价计算出来的总成本（简称报价成本），则需对差额部分进行全额补偿。国外实施三部制报价的市场中均配套了全成本补偿机制。我国电力市场在实施三部制报价的过程中，大多数市场对结算机制进行了一定的改造，导致对差额部分进行不完全的补偿。比如，在计算市场收入的过程中考虑中长期合同的收入；计算补偿额时根据现货电量的比例进行折算；启停成本单独补偿；对报价成本根据核定成本进行限制等。

直觉分析可知，采取不完全补偿的方法相对全补偿的方法可以降低用户的电价，因为支付给发电企业的补偿费相比完全补偿方式减少了。但是，如果考虑发电企业的策略性报价行为，无论是总的发电成本，还是总的用电成本，在不完全补偿的机制下反而会比完全补偿的情况下更高。通过启发式方法、多代理仿真方法均可以对这一现象进行验证。经过动态仿真分析，前面提到的包括无补偿、按现货电量比例补偿等机制均会导致发电企业申报偏离实际成本的报价，从而可能使调度方案偏离最优调度，最终导致总发电成本的增加及购电成本增加，从而降低社会福利。社会福利降低的幅值在市场主体对市场情况的预测偏差较大的情况下会更大。

为了应对能源系统低碳转型的要求，电力市场机制需要进行创新的设计。在设计过程中，应借鉴机制设计相关理论，从参与约束、激励相容、预算平衡及资源配置最优等角度对设计机制进行科学评估，并特别关注由于缺乏对动态性、整体性和长期性的考虑情况下可能造成的反直觉问题。