由于新能源的地域稟賦差異性、間歇性和不可預(yù)測性，不斷增加的新能源會給電網(wǎng)的安全運(yùn)行和社會用電成本帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。如果沒有細(xì)致的、全面的規(guī)劃和市場規(guī)則設(shè)計，大量的新能源并網(wǎng)很可能導(dǎo)致所謂的“不可能三角”——價格低廉、穩(wěn)定供給和清潔環(huán)保之間的矛盾加劇。
正是由于高比例新能源是電力系統(tǒng)低碳化的必然導(dǎo)向，而高比例新能源又會對用電成本和可靠性帶來沖擊，電力系統(tǒng)的深化改革和電力市場設(shè)計就必須綜合考慮各種因素，避免“創(chuàng)口貼”式的改革——我國既要設(shè)計有利于新能源消納的現(xiàn)貨市場規(guī)則 , 又要提供新能源健全發(fā)展的政策和電網(wǎng)規(guī)劃，同時，也要實行輸配電定價機(jī)制方面的改革。
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幾年前，部分學(xué)者開始質(zhì)疑現(xiàn)有的現(xiàn)貨市場設(shè)計是否已經(jīng)過時。其中討論最多的，是在補(bǔ)貼扶植下的新能源快速增長的情況中，90 年代設(shè)計的以煤電為主的現(xiàn)貨市場規(guī)則是否為傳統(tǒng)電源（包括煤、氣和核電）提供了一個可靠的市場信號，電力系統(tǒng)安全是否已經(jīng)惡化。波利特等認(rèn)為，在最初階段，市場競爭是市場設(shè)計的首要目標(biāo)。但是在現(xiàn)階段，現(xiàn)貨市場的目標(biāo)卻一分為三——市場競爭、能源安全和低碳化。
在過去的十幾年，世界各國的電力現(xiàn)貨市場都經(jīng)歷了一個快速調(diào)整的過程，展示了極強(qiáng)的適應(yīng)性和韌性。電力現(xiàn)貨市場非但沒有成為新能源消納的障礙，反而極大地幫助了新能源的消納，展示了比縱向一體化的電力系統(tǒng)更具有成本效益和更便捷的消納能力。
01、適應(yīng)高比例新能源的現(xiàn)貨市場設(shè)計
美國各州的市場情況為新能源的消納和電力現(xiàn)貨市場的關(guān)系提供了一個縮影。如圖1所示，美國風(fēng)力發(fā)電占比最大的十個州中，除了新墨西哥和科羅拉多州以外，其它八個州都位于區(qū)域現(xiàn)貨市場之內(nèi)。但是，在許多縱向一體化的州（主要是位于中西部的州，比如亞利桑那州和內(nèi)華達(dá)州等），盡管風(fēng)力資源非常豐富，但風(fēng)力發(fā)電微乎其微。
一方面，因為公開、公平的市場準(zhǔn)入條件和競爭措施，現(xiàn)貨市場，尤其是大區(qū)域市場更有利于新能源的參與和消納。另一方面，現(xiàn)貨市場為新能源供應(yīng)方與具有環(huán)保意識的用戶之間建立了直接的橋梁，更有利于新能源的合約簽訂與開發(fā)。而且，許多現(xiàn)貨市場為因應(yīng)新能源政策而拓展或新增了許多有利于新能源消納的產(chǎn)品和服務(wù)，進(jìn)一步鼓勵了技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用。許多市場因此在促進(jìn)新能源消納的同時，也進(jìn)一步提高了系統(tǒng)可靠性。具體來看，在過去的十幾年中，國外的電力現(xiàn)貨市場采取了如下幾個有利于新能源消納的主要措施。
不斷擴(kuò)大的區(qū)域市場。毫無疑問，現(xiàn)貨市場的地理范圍越大，新能源波動對系統(tǒng)運(yùn)行造成的沖擊越小，越有益于新能源的消納。據(jù)美國的MISO估計，其不斷擴(kuò)大范圍的區(qū)域市場極大地幫助了各州的新能源的消納，僅新能源消納一項，就為市場成員每年節(jié)約了4-5億美元。加州市場和SPP也于前幾年擴(kuò)展到其他附近幾個州，而且還將在未來的幾年內(nèi)進(jìn)一步擴(kuò)大范圍，以便進(jìn)一步降低成員間的總體發(fā)電成本并促進(jìn)新能源大范圍的消納。甚至，一直抗拒區(qū)域電力市場的美國東南部，目前也正朝著區(qū)域市場化方向發(fā)展，為降低成本和新能源發(fā)展創(chuàng)造條件。無獨(dú)有偶，德國的高比例新能源（46.3%）和低棄風(fēng)/棄光率（3%）也得益于一個統(tǒng)一的歐洲電力市場，讓德國可以更方便地出口剩余的新能源電力。
采用或改進(jìn)容量市場和稀缺定價。許多歐洲國家早年認(rèn)為容量市場沒有必要，因為雙邊合約機(jī)制自然會保障發(fā)電電源有足夠的收入。但是，隨著大量享受政府補(bǔ)貼的新能源進(jìn)入現(xiàn)貨市場，傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組的市場份額和結(jié)算價格都受到擠壓，因此無法獲得足夠維持生存的收入。而新能源的間歇性和不可預(yù)測性又增加了對輔助服務(wù)的需求，讓絕大多數(shù)傳統(tǒng)機(jī)組現(xiàn)階段還不能退出市場。因此，建立類似于北美的容量市場便成為最優(yōu)選擇。
在過去的幾年中，英國、意大利、波蘭、西班牙、葡萄牙等國陸續(xù)建立了容量市場或容量補(bǔ)償機(jī)制。其為傳統(tǒng)機(jī)組提供了現(xiàn)貨市場以外的收入，在保證系統(tǒng)可靠性的同時，反過來又更有利于新能源的擴(kuò)展和消納。稀缺定價是北美市場因應(yīng)新能源壓低現(xiàn)貨市場價格而改進(jìn)定價機(jī)制的一種重要方式。稀缺定價允許現(xiàn)貨價格短時間內(nèi)上升到很高的水平，為靈活、快速的資源提供有效的財務(wù)補(bǔ)償，鼓勵它們在供給緊張時快速提供電力電量或減少需求。北美目前主要的稀缺定價機(jī)制包括備用需求曲線、快速機(jī)組和可調(diào)負(fù)荷參與定價、約束懲罰因子、懲罰定價等等。
集中式新能源預(yù)測。國外的調(diào)度機(jī)構(gòu)，尤其是集中式市場調(diào)度機(jī)構(gòu)，通常都會對電網(wǎng)的新能源進(jìn)行中短期預(yù)測，包括批發(fā)市場和分布式電源。
雖然新能源可以選擇申報參與日前市場出清，但調(diào)度機(jī)構(gòu)則完全依賴自己的集中預(yù)測來進(jìn)行實時調(diào)度和出清。因為調(diào)度機(jī)構(gòu)的集中式預(yù)測（尤其是對新能源的總量預(yù)測）通常比新能源發(fā)電企業(yè)的預(yù)測更為準(zhǔn)確，新能源預(yù)測誤差對電力系統(tǒng)和實時市場運(yùn)營造成的影響比較小，短時間內(nèi)出清系統(tǒng)都會盡量保存足夠應(yīng)對新能源不確定性的靈活性能力，避免了不必要的短時間棄電。因此，調(diào)度機(jī)構(gòu)的集中式預(yù)測既保證了電力系統(tǒng)的可靠性，又有利于新能源的及時消納。
滾動預(yù)出清和前瞻性多時段優(yōu)化出清。近幾年來， 滾動預(yù)出清和前瞻性實時出清（look-ahead Optimization）成了許多北美市場的“標(biāo)配”。滾動預(yù)出清提前數(shù)小時，甚至數(shù)十個小時根據(jù)調(diào)度的新能源預(yù)測和參與主體的報價等約束條件優(yōu)化出清，為市場提供指導(dǎo)性價格信號。
由于新能源的邊際成本接近于零，再加上綠證收入和其他形式的補(bǔ)貼，它們的報價往往比傳統(tǒng)電源低許多。在大多數(shù)情況下，盡管新能源也可能必須通過報價參與現(xiàn)貨市場，但新能源往往得到優(yōu)先調(diào)度，最終效果類似于我國目前的優(yōu)先發(fā)電計劃。
前瞻性多時段優(yōu)化出清是指在實時出清時，市場和調(diào)度機(jī)構(gòu)的出清軟件會通盤考慮未來多個時段（一般是 1-2個小時）的新能源電量和負(fù)荷預(yù)測。盡管出清的目標(biāo)函數(shù)是在幾個時段內(nèi)總成本最小化，但它卻起到了有助于新能源消納的作用。
例如，當(dāng)調(diào)度機(jī)構(gòu)預(yù)測到新能源在未來的幾個時段會大量增加時，出清軟件就會提前調(diào)降慢爬坡機(jī)組的出力，以便在新能源快速增加的時段，其他傳統(tǒng)快速調(diào)節(jié)機(jī)組有足夠的爬坡能力可以及時響應(yīng)。因此，采用前瞻性多時段優(yōu)化出清，避免了因為缺少靈活性資源而短時間內(nèi)不得不采取的棄風(fēng)棄光行為。
爬坡產(chǎn)品和靈活性備用。靈活性爬坡產(chǎn)品是指在市場出清的過程中，從傳統(tǒng)電源預(yù)留部分爬坡能力（包括上爬坡和下爬坡），而靈活性備用是在預(yù)測到新能源出力可能很大時，增加30分鐘備用要求。采用前者的有美國加州和MISO，采用后者的有加拿大安大略省。理論上講，兩種方式都可以適當(dāng)應(yīng)對因新能源預(yù)測誤差而導(dǎo)致的爬坡能力不足。
值得注意的是，設(shè)立爬坡產(chǎn)品和靈活性備用機(jī)制的目的并不是為了利用爬坡產(chǎn)品或調(diào)用備用，而是為了利用價格信號保證有足夠的、經(jīng)濟(jì)的傳統(tǒng)機(jī)組同步在線，以便在新能源的預(yù)測誤差太大時，有靈活性機(jī)組可以及時響應(yīng)。兩者要解決的問題是新能源的不可預(yù)測性，而不是其可以預(yù)測的波動性。
更短時段的跨區(qū)域交易和“ 協(xié)調(diào)交易出清”（Coordinated Transaction Scheduling）。北美區(qū)域或省間電力市場間的交易在早年都是按小時調(diào)度，類似于我國目前的跨省交易設(shè)計。近幾年來，大多數(shù)市場間都實行了按15分鐘調(diào)度，部分市場間甚至可以按5分鐘調(diào)度（例如紐約和魁北克之間）。也就是說，兩市場間的交易每15分鐘可以有不同的成交量。由于新能源每小時的波動可以很大，每15分鐘的市場間交易讓新能源的波動可以在更大范圍內(nèi)消納，從而降低對本地市場的消納壓力。
同時，為了降低跨區(qū)域交易商對電價預(yù)測的風(fēng)險，部分市場采用了“協(xié)調(diào)交易出清”方式。在“協(xié)調(diào)交易出清”下，跨區(qū)域交易商只需向一個市場申報，交易機(jī)構(gòu)便會根據(jù)自己的價格預(yù)測來出清兩個市場間交易商的成交量，避免了交易商必須在兩個市場同時申報并出清。這種出清方式有利于提高跨區(qū)域交易量，方便新能源跨區(qū)域流動。當(dāng)然，“協(xié)調(diào)交易出清”的效果很大程度上有賴于交易機(jī)構(gòu)價格預(yù)測的準(zhǔn)確性。
更多的調(diào)頻服務(wù)和需求響應(yīng)。為抵消新能源波動對系統(tǒng)可靠性的沖擊，幾乎所有市場都增加了對調(diào)頻服務(wù)的需求與調(diào)用。調(diào)頻服務(wù)的增加降低了對場外調(diào)度的需求，讓價格更真實地反應(yīng)了市場的供需狀況，反過來又更有利于新能源的消納。
需求響應(yīng)參與了電力市場幾乎所有的交易產(chǎn)品，包括容量、能量、備用、調(diào)頻等等。在北美市場，需求響應(yīng)近幾年起到了越來越重要的作用。更多的競爭參與主體不但降低了市場價格，當(dāng)新能源波動較大時，需求響應(yīng)提供的服務(wù)（比如負(fù)荷削減、備用調(diào)度等）也起到了抵消或減輕波動的作用，幫助了新能源的消納。
當(dāng)然，許多市場還采取其他市場改革措施來促進(jìn)新能源的消納。這些措施包括但不限于；允許新能源參與備用和調(diào)頻市場、增加聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的靈活性、增加儲能設(shè)施等等。目前，北美也在進(jìn)一步探索對跨省跨州交易計算碳成本，對來自傳統(tǒng)電源的“外來電”另外征收碳費(fèi)。
02、適應(yīng)消納需求的電網(wǎng)規(guī)劃和新能源政策
除了改善現(xiàn)貨市場設(shè)計以外，許多國家還在電網(wǎng)規(guī)劃和新能源政策方面采取了諸多改進(jìn)措施，一方面為了更快、更經(jīng)濟(jì)地消納新能源，另一方面，為了盡可能地降低新能源的收購成本。
事實上，電網(wǎng)和電源的發(fā)展往往存在很強(qiáng)的互補(bǔ)性。一方面，新能源的快速滲透離不開電網(wǎng)的相應(yīng)擴(kuò)張。同時，電網(wǎng)的擴(kuò)張又有利于減少甚至消除電網(wǎng)阻塞，充分利用現(xiàn)有可再生資源，減少棄風(fēng)棄光。
電網(wǎng)規(guī)劃。為應(yīng)對更高比例新能源并網(wǎng)需求，北美過去幾年將新增網(wǎng)線工程分為可靠性和政策性輸電工程?？煽啃暂旊姽こ淌莻鹘y(tǒng)的、基于可靠性要求而建設(shè)的工程。政策性輸電工程是為了滿足新能源開發(fā)而必須新建的輸電工程，可靠性和經(jīng)濟(jì)性并非主要考量。根據(jù)咨詢公司Brattle集團(tuán)的估算，美國電網(wǎng)的投資，從90年代的20億美元/年，增加到近幾年200億美元/年。除了改善老舊的電網(wǎng)外，更多是為了新能源的開發(fā)與消納。
電價政策。在新能源發(fā)展初期，部分國家或地區(qū)（比如德國和加拿大），采取了比較激進(jìn)的、單一的平價上網(wǎng)政策。該政策雖然可以以最快的速度建設(shè)大量的新能源發(fā)電資源，但購買成本卻往往非常昂貴。以加拿大安大略省為例，2009年的綠色能源法案和相應(yīng)的法規(guī)以0.8加元/千瓦時（約4元人民幣）收購光伏電量，并以0.135加元/千瓦時收購風(fēng)電。高價政策吸引了大量的光伏和風(fēng)電投資，但也導(dǎo)致了大量的“不平衡資金”（即合同價高于現(xiàn)貨市場價的部分）。隨后幾年，安大略省逐步調(diào)低了上網(wǎng)電價并最終放棄了平價上網(wǎng)，改以競標(biāo)方式來購買大型風(fēng)電資源。2016年最后一次招標(biāo)成交價格約為0.08加元/千瓦時。到目前為止，對于除居民住宅太陽能沿用平價上網(wǎng)以外，大部分國家都采用公開招標(biāo)方式購買較大規(guī)模的新能源電量。
綠證與碳市場。為鼓勵新能源的開發(fā)，許多國家和地區(qū)設(shè)立了綠證和碳市場交易市場。綠證收入降低了對現(xiàn)貨市場收入的依賴，有助于新能源與其他電源競爭。而碳市場則增加了傳統(tǒng)電源的可變成本，相對性地改善新能源的競爭地位。兩者皆有利于新能源的進(jìn)一步發(fā)展和消納。
03、適應(yīng)大范圍平衡的跨區(qū)交易輸配電價
在電力市場成熟的國家，輸電和配電通常是分開的，由不同的公司運(yùn)作，或受不同的監(jiān)管部門或監(jiān)管機(jī)制的約束。高壓輸電的公共網(wǎng)絡(luò)（在北美主要是115kV以上）是將電能從發(fā)電機(jī)組輸送到配電公司和批發(fā)用戶的主干線，而配電網(wǎng)則是將高壓電流轉(zhuǎn)換成低壓電流供工商業(yè)和居民用戶消費(fèi)的支流。
高壓輸電網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)貨市場運(yùn)行的主干網(wǎng)，輸電費(fèi)用通常只考慮電網(wǎng)本身的投資和運(yùn)營成本（電廠的專用線和用戶的專屬變壓器一般由該電廠或用戶負(fù)責(zé)，不屬電網(wǎng)費(fèi)用）。輸電費(fèi)用也通常由同一控制區(qū)的用戶承擔(dān)（英國沒有節(jié)點(diǎn)定價，因此電廠也承擔(dān)部分輸電費(fèi)用，替代現(xiàn)貨價中缺失的位置信號），或在不同控制區(qū)之間分?jǐn)?，不再對跨區(qū)交易另外收取輸電費(fèi)用。
因為跨區(qū)輸電線路主要是為受端用戶提供可靠的供電，受端用戶負(fù)有大部分財務(wù)責(zé)任。而且輸電線路一旦建成，它的邊際運(yùn)營成本幾乎為零。免除跨區(qū)交易商的公共網(wǎng)絡(luò)輸電費(fèi)，既合理、也有利于促進(jìn)跨區(qū)域交易和跨區(qū)域新能源消納。
04、國外電力市場建設(shè)的啟示
我國電力市場建設(shè)起步較晚，中長期交易和現(xiàn)貨市場的運(yùn)行也剛剛啟動，還是有許多需要不斷完善之處。同時，由于我國監(jiān)管體系復(fù)雜，電力系統(tǒng)運(yùn)行中市場與計劃方式并存，新能源的發(fā)展和消納目前主要還是通過計劃手段來完成。
有必要做好大區(qū)域市場，甚至是全國統(tǒng)一電力市場的研究和建設(shè)。結(jié)合國際新能源消納的先進(jìn)經(jīng)驗和失敗案例，我國在現(xiàn)貨市場設(shè)計方面，應(yīng)盡量擴(kuò)大新能源的消納范圍，以降低的系統(tǒng)成本。在全國或大區(qū)域市場建立之前，電網(wǎng)和政府部門可以探索改革目前的五級調(diào)度體制，減少不必要的中間調(diào)度環(huán)節(jié)，縮短調(diào)度時間，增加跨省交易的靈活性和流動性。同時，各地的市場規(guī)則也要盡量協(xié)調(diào)一致，避免扭曲外送電和“外來電”的價格信號，從而導(dǎo)致無效的跨區(qū)域交易。
注重各市場規(guī)則細(xì)節(jié)設(shè)計，減少和消除不利于新能源消納的障礙，并創(chuàng)造有利于消納的條件。有條件的市場可以盡快引入前瞻式出清和需求響應(yīng)，再建設(shè)容量市場和稀缺定價機(jī)制，最后適時引入爬坡產(chǎn)品或靈活性備用等其他措施。
有效的輸電定價決定了區(qū)域市場和全國市場的成敗。我國目前的輸配電價定價機(jī)制沒有區(qū)分輸、配價格，同時還包括各種交叉補(bǔ)貼和基金，與國外成熟市場中比較單純輸電定價的方式有很大差別。目前進(jìn)行的輸配電成本監(jiān)管是輸電定價機(jī)制改革的一大步，但還不足以完全理順各種成本和經(jīng)濟(jì)關(guān)系，不利于跨省交易和新能源的大范圍消納。
電力監(jiān)管部門應(yīng)該探索將公共網(wǎng)絡(luò)成本與其他電網(wǎng)成本分開，避免將屬于公共網(wǎng)絡(luò)的跨省交易輸電費(fèi)與實際交易量掛鉤，尤其是在負(fù)荷谷時段。像北美一樣，通過降低甚至免除跨省交易輸電費(fèi)，可以促進(jìn)有效的跨省交易和新能源的大范圍消納。
電網(wǎng)規(guī)劃和新能源政策也有必要隨著“雙碳”的大目標(biāo)而不斷修正。鑒于我國新能源的資源稟賦差異，以及其天然的間歇性和不可預(yù)測性，大量的新能源必然對電網(wǎng)的運(yùn)行和系統(tǒng)成本帶來極大的沖擊。因此，電網(wǎng)規(guī)劃和新能源收購政策也必須適時調(diào)整。政府監(jiān)管部門有必要對電網(wǎng)規(guī)劃和新能源發(fā)展進(jìn)行全面仿真研究，在充分利用現(xiàn)有電網(wǎng)資源的同時，建設(shè)必要的政策性輸電工程，為新能源的大力開發(fā)與消納提供物理支撐。
本文作者：何愛民
系加拿大安大略省獨(dú)立電力系統(tǒng)運(yùn)營公司高級經(jīng)濟(jì)師。
