中國儲能網(wǎng)訊：美國的風(fēng)電為什么可以報出負(fù)的電價？
作者：王欽 李婉寧 文福拴（作者單位：王欽，美國可再生能源國家實驗室；李婉寧，美國愛荷華州立大學(xué)；文福拴，浙江大學(xué)）
隨著風(fēng)電等新能源進入市場，很多風(fēng)電機組在市場中的報價為負(fù)數(shù)。這是怎樣的一種市場行為，背后有什么經(jīng)濟學(xué)的含義？本文將為您一一解答這些問題背后所隱藏的奧秘。
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一些基本的概念
首先要指出，負(fù)電價和負(fù)報價是電力市場中出現(xiàn)的特殊情況。在尚未成立電力市場的國家和地區(qū)，比如中國，是不存在這些現(xiàn)象的。另一方面，電力市場又分為批發(fā)市場和零售市場。負(fù)電價和負(fù)報價的現(xiàn)象，只出現(xiàn)在批發(fā)市場。而按照美國現(xiàn)有的模式，一般用戶不直接參與批發(fā)市場。即使是在存在零售市場的地區(qū)，用戶與零售商之間簽訂的買電合同也一般是按月來支付電費，均為正值。因此，在現(xiàn)有的美國電力市場的發(fā)展?fàn)顩r下，終端用戶一般直接感受不到負(fù)電價所帶來的影響。只有零售商，它作為用戶和ISO（獨立系統(tǒng)運營商）之間的代理商，可以利用市場中的負(fù)電價來為自己謀取利潤。零售商以實時價格（每5分鐘變化一次）從ISO買電，又以每月的固定價格向用戶賣電。因此，它可以知道市場中負(fù)電價出現(xiàn)的信息，從而采取適當(dāng)?shù)拇胧├眠@些信息來盈利。它如果發(fā)現(xiàn)市場中出現(xiàn)了負(fù)電價，就可以通知相應(yīng)區(qū)域的用戶增加用電量。這個過程不是強制性的，而是通過一種激勵性的手段。比如，它可以通知用戶說，在該時段每多用一度電，可以給用戶返還1美元。這些返還的錢，最后會體現(xiàn)在用戶每月的電費帳單上面。
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“按統(tǒng)一出清價結(jié)算”和“按報價結(jié)算”之爭
要理解負(fù)電價和負(fù)報價的奧秘，就必須要對電力批發(fā)市場有一定的了解。在美國電力市場發(fā)展的初期，曾經(jīng)有一段著名的“按統(tǒng)一出清價結(jié)算” （pay as uniform market clearing price）和“按報價結(jié)算”（pay-as-bid）之間的爭論。尤其是2000年加州電力市場危機之后，工業(yè)界和學(xué)術(shù)界出現(xiàn)了這樣一種聲音：電力批發(fā)市場應(yīng)該由按統(tǒng)一出清價結(jié)算的模式轉(zhuǎn)為按報價結(jié)算的模式，從而避免可能出現(xiàn)的“電價激增”（即在某些時段，批發(fā)電價激增到一個非常高的值）現(xiàn)象。最后爭論的結(jié)果，“按統(tǒng)一出清價結(jié)算”的制度取得勝利，并一直沿用至今。這是怎樣的一段歷史呢？
從電力市場成立之初，就必須要有下面的市場參與者：１）授權(quán)計劃實體(Qualifiedschedulingentities,QSEs)。它代表發(fā)電商和負(fù)荷服務(wù)實體(Load serving entity, LSE) 向ISO提交買電和賣電報價。負(fù)荷服務(wù)實體包括競爭性的零售商和非競爭性的可向用戶供電的公用事業(yè)單位。２）輸配電服務(wù)供應(yīng)商(Transmission/distribution service providers, TSPs)。它為系統(tǒng)提供輸電和配電服務(wù)。３）獨立系統(tǒng)運營商(Independent System Operator， ISO), 它是非盈利性的獨立機構(gòu)，是電力調(diào)度和電力批發(fā)市場交易的場所。
在批發(fā)市場中，日前市場交易的過程是這樣的：首先，發(fā)電商向授權(quán)計劃實體提交賣電報價(offer)，負(fù)荷服務(wù)實體基于第二天的負(fù)荷預(yù)測數(shù)據(jù)向授權(quán)計劃實體提交買電報價(bid)。然后，授權(quán)計劃實體把這些電力供應(yīng)側(cè)和需求側(cè)的報價上報給獨立系統(tǒng)運營商。最后，獨立系統(tǒng)運營商平衡電力的供需得到市場出清價（Market clearing price, MCP）。實時市場的交易過程與此類似，除了負(fù)荷服務(wù)實體不再提交買電報價。取而代之的，是實時的負(fù)荷預(yù)測數(shù)據(jù)。因此，日前市場的電力需求是一個下降的階梯狀曲線，而實時市場的電力需求是一個垂直的直線。圖１中電力需求曲線和電力供應(yīng)曲線的交點，即是市場的統(tǒng)一出清價。
圖１. 日前市場的電力供應(yīng)和需求曲線
值得注意的是，在圖１的背后我們做了兩個基本假設(shè)：第一，系統(tǒng)的傳輸線的容量是無窮大，即系統(tǒng)不存在阻塞。任何發(fā)電機所發(fā)的電力都可以無障礙地輸送到系統(tǒng)中的任何一個節(jié)點。第二，系統(tǒng)不存在輸電損耗。假如這兩點成立的話，獨立系統(tǒng)運營商做市場出清的過程就會變得很簡單。它只要對發(fā)電機組的供應(yīng)和負(fù)荷服務(wù)實體的需求按由小到大做排序，就可以得到圖１的階梯狀供應(yīng)－需求曲線圖，取其交點就可得到市場的統(tǒng)一出清價MCP。而實際上，電力系統(tǒng)既存在阻塞，又存在損耗，因此實際批發(fā)市場的價格不是一個統(tǒng)一的價格，而是在每個節(jié)點上都不一樣。這就是所謂的“節(jié)點邊際電價(Locational marginal pricing, LMP)”。這也是電力市場區(qū)別其他金融拍賣市場的重要地方。
在這里我們先不考慮節(jié)點邊際電價，只考慮統(tǒng)一的市場出清價。細(xì)心的讀者一定會發(fā)現(xiàn)一個問題：市場出清價是被選擇的所有發(fā)電商中報價最高的那一個（報價更高的機組，即圖1交點以上部分，沒有被市場選中），其他被選中的機組的報價都要低于市場出清價（即圖1交點以下部分）。那么用這個統(tǒng)一的市場出清價去支付所有發(fā)電機組的費用，這是否合理呢？付給發(fā)電商的錢比他們自身的報價還要高，這樣會不會給廣大電力用戶
帶來額外的負(fù)擔(dān)？
伴隨著這個問題的思考，便出現(xiàn)了有些人提出的“按報價結(jié)算”制度。即市場出清依然按照圖１中所示的方法，但是結(jié)算（即給發(fā)電機組支付費用）時卻是按機組的實際報價來支付。發(fā)電機組報的是多少錢，市場就支付給它多少錢。這樣看起來似乎更合理。
支持者認(rèn)為，由于支付給發(fā)電機組的錢最終是由用戶來分擔(dān)的，按報價結(jié)算制度能夠減少用戶的總支出。這從圖１可以明顯的看出來。如果按照現(xiàn)行的制度，需要按較高的統(tǒng)一出清價來向所有發(fā)電機組進行支付。而如果采用按報價結(jié)算制度，只需要對最后一臺機組按統(tǒng)一出清價支付，對其它機組則采用（比統(tǒng)一出清價更低的）自身報價來支付。這樣看來，的確會降低用戶的費用。但是，實際上，在“按報價結(jié)算”機制下，由于發(fā)電商獲得的收益取決于自己的報價，那他就會對市場最高的成交價格進行預(yù)測，繼而報出這個價格。這樣既保證了自己被選中，同時又得到了最好的回報。這樣下來，發(fā)電商們的報價普遍就會高于自己的邊際成本，從而導(dǎo)致整體提高了成交的價格。
而當(dāng)市場是按照統(tǒng)一出清價進行結(jié)算的時候，對于最終成交價格沒有決定性作用的發(fā)電商沒有動力去報出比自己的邊際價格更高的報價。設(shè)想如果他們報出更高的報價，他們就會減少自己被選中的機會。而報出比自己的邊際價格更低的報價，則有可能會導(dǎo)致虧損。所以，發(fā)電商的報價很大程度上會反應(yīng)出他們的真實邊際（機會）成本。
還有一個重要原因，當(dāng)按統(tǒng)一出清價進行結(jié)算的時候，所有機組得到的收益都大于或等于它們的報價。這兩者帶來的“收益差”，可以在一定程度上彌補機組的固定運行成本、折舊成本等，使得機組的報價可以“專注”于其邊際運行成本。而采用按報價結(jié)算的制度時，機組為了盈利，報價的時候往往在邊際運行成本之上還要考慮固定運行成本、機組折舊成本、人工成本等等。經(jīng)濟學(xué)認(rèn)為，當(dāng)市場參與者的報價趨向于其邊際成本時，市場運行是最有效率的。因此，電力市場采用統(tǒng)一出清價結(jié)算會使得市場效率運行最高。
事實上，很多研究表明，在完全充分競爭的市場中，“按統(tǒng)一出清價結(jié)算”和“按報價結(jié)算”制度并不會對最終的成交價格產(chǎn)生顯著不同的影響。也就是說，不管采用什么樣的結(jié)算模式，只要保證完全充分競爭，那這個最終的成交價格就是反應(yīng)市場的真實價格。然而，在我們還無法做到完全充分競爭的情況下，“按統(tǒng)一出清價結(jié)算”制度是當(dāng)下比較好的選擇。
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為什么風(fēng)電要提交負(fù)報價
如果理解了現(xiàn)行美國電力市場都是按統(tǒng)一出清價進行結(jié)算的，那么這個問題不難回答。風(fēng)電機組提供零報價甚至是負(fù)報價，并不代表它最后得到的收益是零或者為負(fù)。它所得到的，是按統(tǒng)一出清價結(jié)算的正收益。相反，它還獲得了額外的一個好處，那就是因為它的報價是零或者為負(fù)值，那它的報價一定比其他（非風(fēng)電）機組要低。在圖1中，它一定處在電力供應(yīng)曲線的最下端。這就保證了它一定能夠被市場調(diào)用。真可謂一舉兩得。
難回答的問題是，既然風(fēng)電機組采用負(fù)報價會帶來這些好處，為什么其他機組如火電、核電不采用負(fù)報價呢？這是由風(fēng)電的物理特性來決定的。一方面，假如市場中所有的機組都是負(fù)報價，那么最后的統(tǒng)一出清價肯定是負(fù)的。這樣一來，所有的機組都得賠錢。這種情況肯定是不會出現(xiàn)的。另一方面，風(fēng)電不消耗任何能源，其燃料成本為零。因此，只要它能夠被調(diào)用，它就一定會盈利。而火電或者是核電機組，都是有最低運行成本的。它們不會不計一切代價來被調(diào)用。如果最后的市場出清價低于它們的運行成本，它們寧愿選擇不被調(diào)用。
風(fēng)電采用負(fù)報價還有一個額外的好處。由于風(fēng)電出力是難以預(yù)測的，市場中經(jīng)常會出現(xiàn)“棄風(fēng)”的現(xiàn)象。調(diào)度員會基于系統(tǒng)安全或者傳輸線阻塞的考慮，砍掉一部分風(fēng)電機組的發(fā)電能力。如果風(fēng)電的報價是負(fù)的，那就意味著調(diào)度員要砍掉相應(yīng)的風(fēng)電出力時，就必須支付給風(fēng)電機組相對應(yīng)的“正”的費用。這樣，就給調(diào)度員“棄風(fēng)”作了懲罰，從而在一定程度上減輕了“棄風(fēng)”對風(fēng)電機組帶來的影響。
最后一個原因，是很多國家對風(fēng)電上網(wǎng)有額外的補貼，如澳洲的“綠證”制度。只要風(fēng)電上網(wǎng)了，它就能獲得政府的補貼。因此，它會不計代價地保證能夠被調(diào)用。而提交負(fù)報價，則是保證被調(diào)用的最好方式。
