国外新能源参与电力市场创新机制的启示

2021-07-28 22:55:06      点击:
    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。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。1997年12月11日结束的联合国气候变化框架公约缔约方第三次大会上(日本京都会议)通过了《京都议定书》,并于2005年2月16日正式生效,这是人类历史上首次以法规的形式限制温室气体排放。2015年12月12日在巴黎气候变化大会上通过、2016年4月22日在纽约签署的《巴黎协定》为2020年后全球应对气候变化行动作出安排,并设定了本世纪后半叶实现净零排放的目标。当前越来越多的国家正在将其转化为国家战略,提出了无碳未来的愿景。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。”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。”

一、新能源大规模接入使全世界电力市场面临挑战
    在上世纪八九十年代,一些发达国家就已经将可再生能源发展(如无特殊说明,本文的“可再生能源”都指风、光等新能源)作为能源规划中的一环,此后随着各国和国际组织纷纷加大了对可再生能源的开发利用,该时期下针对可再生能源的各种政策方针也层出不穷。截至2019年底,全球共有166个国家制定了可再生能源电力发展目标,143个国家制定和实施了不同的支持政策,常见的经济激励政策有固定上网电价(FiT)、溢价补贴(FiP)、差价合同(CfD)、绿色证书,此外还有净电表制(Net Metering)、税收返还、税收优惠、融资等政策。近年来,可再生能源发电竞争性拍卖机制为越来越多的国家采用,既包括德国、英国、丹麦等可再生能源市场成熟的国家,也包括拉美、中东、南亚等地区的可再生能源市场新兴国家,竞争性拍卖对降低成本和电价的效果非常显著。通过竞争性拍卖确定了开发项目及业主,也同时确定了拍卖电价,与之配套的电价政策有的执行FiT(将拍卖电价作为固定上网电价),有的则配套采用FiP或CfD,有的直接按拍卖电价由拍卖中标项目与电网企业签订中长期协议。在可再生能源消纳保障方面,美国在1990年后陆续在各州实行了可再生能源配额制,使得可再生能源装机容量实现了快速增长。澳大利亚在2001年实行了可再生能源配额制,有效地激励了可再生能源市场的投资意向和发电项目建设。英国于2002年实行了可再生能源义务制度,促进了可再生能源在市场上的竞争力。可再生能源配额制的有效实施需要依赖于绿色证书(Tradable Green Certificates,TGC)交易机制和完善的市场体系,绿色证书交易为市场主体完成其配额责任提供了一个有效的途径。此外,美国等国家的可再生能源长期购电协议(PPA)、企业直购电(VPPA)等模式,对我国也有一定的参考和借鉴作用。
    2006年,我国也出台了《可再生能源法》以推动可再生能源的开发建设,随后我国施行了固定上网电价政策以推动可再生能源的发展,但随着可再生能源装机容量的飞速上升,我国财政支出的“固定电价补贴”也日趋增多,由此带来的补贴缺口进一步扩大。为改善可再生能源发展和政策现状,早在2014年8月,国家能源局就印发了《可再生能源电力配额考核办法(试行)》,后又在2016年2月印发了《关于建立可再生能源开发利用目标引导制度的指导意见》(国能新能〔2016〕54号),开启了我国可再生能源配额制及绿色证书交易模式的探索。伴随着可再生能源配额制施行的呼声越来越强烈,2018年3月,国家能源局先发布了《可再生能源电力配额及考核办法(征求意见稿)》,同年该征求意见稿又陆续修改了两版,明确了考核指标、责任实施主体、义务主体、指标测算方式及考核时间。2019年5月国家发展改革委、国家能源局印发了《关于建立健全可再生能源电力消纳保障机制的通知》(发改能源〔2019〕807号),结束了我国可再生能源配额制长久的征求意见和争论,确立了以“可再生能源电力消纳责任权重”模式为主体的建设框架。2020年5月又在各地测算的基础上统筹提出了各省级行政区域2020年可再生能源电力消纳责任权重(发改能源〔2020〕767号),包括可再生能源电力总量消纳责任权重和非水电可再生能源电力消纳责任权重。2021年1月,北京电力交易中心响应国家要求,发布了《可再生能源电力超额消纳量交易规则(实行)》,为可再生能源电力超额消纳量交易市场的建立奠定了基础。
   可再生能源参与电力市场交易已成为必然趋势。随着可再生能源发电比例逐步升高、各种类型储能的成本逐渐降低、智能电表的普及和需求响应的引入,世界各国的电力市场都面临着重大挑战,需要更新换代。
   在美国,有关电力市场规则的争论由来已久。早在2017年,美国能源部(Department of Energy)与各大区域电力市场运营商ISO/RTO就电力市场价格形成机制等问题发生过激烈争论。近期,美国电力市场中各类事件接连不断,引起各方广泛关注。当地时间2020年8月14日,加利福尼亚州独立系统运营商(CAISO)宣布电网进入二级紧急运行状态。8月14日,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,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,美国得克萨斯州在极端低温天气下再次发生大范围轮流停电,数百万家庭失去电力供应,而且现货市场价格也已达到9000美元/兆瓦时的上限。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。
    欧盟在2016年12月公布的新电力市场设计方案中尖锐指出“当今能源市场规则是为了满足过去的以传统火力发电和没有需求响应的能源系统而设计出来的”。由于光伏、风电低边际成本的特点,把传统火力发电在以边际成本为基础的现货竞价交易中挤出,使得市场出清价格降低,甚至出现负值,导致火力发电难以生存。而同时,光伏和风电的不可预测性、波动性,给电力系统的安全可靠性和灵活性带来了挑战。在2012年11月至2013年2月欧盟针对电力市场问题的调查中,被调查者一致认为确保市场更健康地运行和市场进一步融合对于电力安全供给十分关键,对现有市场设计是否能够充分吸引投资以保障发电容量充裕度则观点各异。相当多的观点认为可再生能源的补贴机制、优先发电和电力平衡责任缺失扭曲了市场。
    2016年9月28日,台风和暴雨等极端天气袭击了新能源发电占比高达48.36%的澳大利亚南部地区电网,最终导致澳大利亚南部大停电,50小时后才全部恢复供电。这是世界上第一次由极端天气诱发新能源大规模脱网导致的电网大停电事故。电力市场环境下报价低的风电侵占报价高的燃气机组发电空间、大规模安装光伏自发电系统导致用电负荷减少、天然气市场波动及输送管道地缘格局不利等因素导致澳大利亚南部电网燃煤机组及燃气机组大量退出运行,系统转动惯量逐年减少。“9·28”事故当日,澳大利亚南部电力系统惯量呈现历史最低,频率振荡时间最短、切机容量最大,是导致大停电事故的重要原因。
    美、欧、澳的电力市场问题有一些共同点:一是电力系统的安全稳定运行需要保持多样化的发电机组类型(电源结构),当前电力市场设计虽然对新能源有利,但对传统电源冲击过大,无法确保电力系统的长期可靠性与弹性;二是电力市场需要对灵活性资源合理定价,才能保障可再生能源的消纳,当前电力市场设计无法对灵活性资源提供合理的经济激励。因此,欧美在二十多年的电力市场运营经验基础上,进行了各种各样的更新和尝试。由于我国弃风、弃光问题严重,建立有利于新能源消纳的电力市场机制也已成为当前的紧迫任务。

二、“双碳”目标下的电力市场体制机制创新
    随着“双碳”目标的提出,“构建以新能源为主体的新型电力系统”的举措将使电源结构和电网特性出现重大变化,在为我国电力行业的发展带来重大机遇的同时,也存在一定的风险和挑战。建立有利于新能源消纳的电力市场体制机制已成为当前的紧迫任务,国外能源转型的经验值得借鉴。
    价格机制是市场机制的核心,市场决定价格是市场在资源配置中起决定性作用的关键。由于电价问题的复杂性、电力工业在国民经济中的基础性地位以及电力产品的公共性,电价问题牵一发而动全身,并且与其他能源价格紧密相关,还曾经作为国家宏观调控的手段,甚至牵涉到社会稳定问题(可称之为“电价的社会性”)。当前的电价结构和电价水平(尤其是折旧和财务费用)是我国长期以来各种电价政策历史沉淀的产物,由于电厂的建设和运行寿命周期跨度可长达几十年,不同历史阶段的电价政策和投融资政策对当前成本和价格的构成有重大影响(可称之为“电价的历史性”)。电价问题又可分为“价值问题”(即电能价值分析)和“价格问题”(即电价形成机制)两个方面。“价值问题”具有理想性(即回答“最理想的价格应该是什么”),而“价格问题”具有现实性(各利益主体将基于价格进行真金白银的结算)。价格是价值的表现,并且不能偏离价值太远。在计划经济模式下,最理想的电价水平应等于电能的真实价值;在市场经济模式下,市场电价应围绕电能真实价值上下波动。在可再生能源大规模接入的背景下,电能除了容量价值、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,其分析和研究需要建立在对新型电力系统运行特性深入认识的基础上并紧密结合相关经济学理论。
    类似于德国电力市场设计,电力市场交易过程可用不同的(横向的或纵向的)“能量块”填充负荷曲线下的面积,实现电力电量平衡,建立如图所示的中长期与现货(日前、日内、实时)交易相协调、电量与电力型交易相结合的电力市场目标模式,这也符合我国当前电力市场建设所采用的“中长期交易+现货市场”的基本框架。不同“能量块”的组合将形成不同的短期运行发电组合(即运行方式)和内涵不同的价格。主能量交易可采用分段竞价(或水平拍卖)或合同交易机制,实时平衡与辅助服务交易采用分时竞价(或垂直拍卖)机制。对于基荷、腰荷机组(负荷),即图中的横向“能量块”,可按负荷持续时间定价,进行集中竞价或开展合同交易。对于峰荷机组(或需求响应资源),可基于实时电价,针对图中的绿色和褐色纵向“能量块”进行集中竞价。此外,借鉴德国电力市场平衡结算单元的设计思路,可再生能源应以就地消纳为主要形式,并减少大电网平衡的负担。
    一般情况下,对于光伏、风电等可再生能源机组,由于功率曲线难控,电能商品品质低,但因环保效益显著,可全额消纳,或根据电力系统安全稳定约束在一定功率波动范围内消纳,并以比市场最低价更低的价格结算电量。在这种情况下,系统总负荷扣除可再生能源机组出力后,可能形成功率缺口,例如美国加州电力系统著名的“鸭子曲线”,将显著增加电力系统的灵活性需求和调峰困难。如果可再生能源搭配储能或购买调峰容量、提高其电能品质后,也可以参与图中横向能量块的交易;在加装自动发电控制系统(AGC)后,响应电网调度指令下调功率,参与分时交易的辅助服务市场。
    智利是世界上第一个进行电改的国家,为鼓励可再生能源消纳并增加竞争,2014年引入了时间跨度长达20年的带时标的能量块(time block)交易,允许发电机组在一天中针对特定的时段进行投标,而不是限定必须24小时供应电力。智利的带时标能量块交易取得了预期的效果,增强了竞争,促进了可再生能源消纳,电价大幅下跌,受到了各方面的称赞。2021年3月31日,美国政府公布了一项2万亿美元的就业计划,该计划力争让美国在2035年之前实现100%零碳电力。值得注意的一个细节是,该计划规定联邦市政设施应从所在区域电网采购“7✕24”全时段清洁电力,并与其小时级负荷曲线相匹配,这恰恰是我们所提的“能量块”交易的概念。在“能量块”交易的初级阶段,可采用比较简单的分时段交易。2020年11月25日,国家发展改革委、国家能源局发布的《2021年电力中长期合同签订工作的通知》(发改运行〔2020〕1784号)中,为拉大峰谷差价,明确提出“交易双方签订分时段合同”(即国家发展改革委电力中长期合同“六签”要求之“分时段签”),目前江西等省份正在进行试点。
    在世界范围,风电和光伏发电的快速增长对电力系统的灵活性提出了前所未有的要求。2018年11月13日,国际能源署发布的世界能源展望提出“灵活性是电力系统的新口号”。对于发电机组,灵活性的提升主要体现在:深度调峰(降低最小技术出力)、快速启停、增强爬坡能力(即提高加减负荷速度)。对于热电机组,热电解耦也是增强灵活性的方式。在美国加州电力市场(CAISO)和中部大陆电力市场(MISO),建立了灵活爬坡产品交易,取得了良好的效果。我国在实践中总结出来的深度调峰交易值得肯定,该交易方式首先在东北电力辅助服务市场建立,并且在全国推广。作为国家电力体制改革专项试点,自2017年1月在东北地区启动以来成效显著,深入挖掘了电网调峰潜力,促进了风电、核电等清洁能源消纳,显著提高了电网安全运行水平和供热可靠性。
    在以新能源为主体的新型电力系统中,传统电力系统单一的“源随荷动”(即根据负荷变动情况调节发电功率)模式将转变为“源随荷动、荷随网动”的友好互动模式,柔性负荷、虚拟电厂等新技术和商业模式也受到广泛关注。柔性负荷是指在一定时间段内灵活可变的负荷,包含具备需求弹性的可调节负荷或可转移负荷、具备双向调节能力的电动汽车、储能、蓄能以及分布式电源、微电网等,其用电行为可对价格信号作出灵活响应,是电力系统灵活性的重要来源。在供电无法满足用电需求增长的大城市,柔性负荷的削峰填谷作用还可对保障电网的安全运行起到关键作用。我国目前处于市场发展的初级阶段,还缺乏完整的市场运营规则和电价形成机制,尚不能通过经济手段及时有效地调节市场供需,负荷调度更多表现为以分时电价和有序用电为代表的需求侧管理。在电力市场环境下,引入柔性负荷参与交易,有利于提升电网的安全稳定水平及灵活性,并带来巨大的社会效益和经济效益。随着市场建设的推进,柔性负荷参与现货市场和辅助服务市场的条件逐步具备,并已在广东等省区投入实际运行。