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深度文章 | 绿色电力市场本质动因及设计思考

北极星售电网  来源:电力系统自动化    2020/8/31 11:05:44  我要投稿  
所属频道: 能源服务   关键词: 绿电 电力市场 电力现货市场

北极星售电网讯:摘要:绿色电力市场建设是一项长期而复杂的系统工程。文中分析了绿色电力市场的概念内涵与发展动因,澄清了当前对绿色电力市场的认识误区,指出绿色规制作用下的竞争性电力市场是绿色电力市场当前阶段建设重点。分别从可再生能源发电进入电力市场的绿色政策、交易机制、偏差处 理以及跨市场交易等方面比对分析欧美电力市场促进系统绿色化的经验及启示。同时,结合中国电力市场建设环境和需求,提出了当前阶段中国绿色电力市场的发展建议。

(来源:电力系统自动化 作者:单茂华 ,汤洪海 ,耿明志 ,曹 阳 ,杨争林 ,王一哲 )

0 引言 

绿色电力市场并不是一个新鲜的概念,早在 20 世纪 90 年代,美国一家公用电力公司向用户推出第一个绿色价格项目,允许消费者自愿认购可再生能源电力,以支持电力公司加大对可再生能源技术的投资,自此消费者首次获得选择不同电力的机会。 这一经验迅速被其他电力公司效仿,到 2000 年,美国有 80 多家电力公司实施绿色价格项目,这使得美国新增可再生能源装机容量将近 73 MW[1]。随着电力市场的开放竞争,进入竞争性的绿色电力市场发展阶段,用户可自由选择绿色电力供应商。绿色电力市场进一步发展催生了可再生能源认证体系 建立,使得可再生能源发电的相关属性与实际的电能得以分开,证书的可交易性打破了可再生能源发电交易的地域性质,可以销售到任何有需求的地方,任何单位均可销售,因而大大拓展了绿色电力的市场。 

那么,究竟什么是绿色电力市场?目前缺少明确的定义,一般界定为绿色电力的生产和买卖市场。在此市场中,存在有许多家企业利用可再生能源通过特定的发电设备生产出绿色电力产品,并向电力用户自我营销,或委托代理商销售,或由批发商以及零售商进行销售等;同时,用户将可以根据自己经济条件和偏好自由选择某一家或几家绿色电力销售商购买一定比率的绿色电力[2]。 

很明显,这种对于绿色电力市场的定义是把绿色电力当作普通商品去理解。但事实上,绿色能源和其他能源的电力目前依然不能像普通商品一样大规模存储,依然需要电网传输,而且要保持供需实时平衡,维持系统频率、电压等技术指标在允许范围内。因此,本文认为目前这种绿色电力市场定义有些狭隘,有必要重新审视绿色电力市场,克服对绿色电力市场的认识误区,重构绿色电力市场的运营框架体系,以期在中国的电力市场建设起步阶段能促进中国电力市场朝着绿色、高效、公平的方向发展。 

1 绿色电力市场的概念解析 

就物理电力而言,绿色电力与非绿色电力高度同质,互相替代,然而目前绿色电力市场定义隐含着将电力市场切分为绿色电力市场与非绿色电力市场,这容易引起割裂电力市场的误解。这种误解一旦进入市场建设中容易带来如下的问题:①减小了市场竞争范围,降低了电力市场配置电力资源的效率;②加重了电力市场交易组织的复杂度,增加用户的交易成本;③绿色电力企业也缺少动力去降低成本,提高技术和服务质量,难以发现绿色电力的真实价值,不利于其长远发展。正如前文所述,不同于其他普通商品,无论是绿色电力还是非绿色电力,都需要电网传输,且须保持供需实时平衡。一般情况,绿色电力带来的系统偏差需要非绿色电力去平衡。绿色电力的发展也离不开非绿色电力的支持。无论是系统运行层面,还是市场竞争角度,电力市场应该是一个不可分割的整体,并且竞争区域越大,越利于提升市场的效率。

因此,针对绿色电力市场的理解,本文认为它是对现有竞争性电力市场概念的延伸,是以竞争性电力市场为基础,以电网安全稳定运行为边界,以公 平、效率与环境相和谐为目的而发展起来的一种电力市场,是为降低电力系统污染排放水平、适应人类环保与健康需要而产生的配置电力资源的形式。

中科彩票投注不难发现,当前对于绿色电力市场的理解与本文的理解逻辑完全不同,前者将其看成“绿色电力的市场 ”,而后者将其理解为“绿色的电力市场”。 这 2 种理解的出发点都是促进电力经济环保健康发展,但是前者是通过配置可再生能源等绿色电力来实现低碳减排等环境保护目标,是一种狭义的理解; 而后者是发挥市场在资源配置中的决定性作用,将绿色发展理念融入和渗透到电力系统发输配变用等各个环节,促进电力经济资源节约型、环境友好型发展,实现电力工业的协同发展、可再生能源与化石能源的协同发展、源网储荷的协同发展。

绿色电力市场的核心是用市场机制持续增加环境友好型清洁能源电力供应,推动需求侧高效节能的用电,促进能源的安全、清洁、高效和可持续发展。绿色电力市场包括风电、光伏等绿色电力在内的清洁能源电力市场。事实上当前阶段,绿色电力市场首要问题便是如何通过市场机制促进风电等清洁能源电力的消纳。但应当注意,绿色电力的市场设计不仅仅局限在绿色电力自身的范畴内,考虑整个电力市场范畴将更加系统、更加科学。风电等绿色电力波动性、间歇性等不稳定的技术特征对电力供需实时平衡以及电网运行都带来了极大的挑战, 因此发现并促进降低绿色电力消纳成本是绿色电力市场设计另一个核心问题。绿色电力市场同样需要关注非绿色能源的电能以及系统稳定运行的辅助服务价值,通过市场机制配置非绿色电力资源,控制风电等绿色电力引发的市场交易与调度运行风险。

在环境所能承载人类生产的容量越来越稀缺的情况下,由风电等绿色电力衍生出的绿色证书(简称绿证)体现的是绿色电力在生产过程中对环境友好的属性,绿证市场本质上属于环境容量使用权益市场。竞争性电力市场在配置绿色电力资源的同时, 也创造出环境容量增量的权益。因此,从广义上讲, 绿色电力市场资源配置功能突破了电力资源本身, 还延伸至环境容量资源对电力生产过程的配置,其体系如图 1 所示。

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2 绿色电力市场的内涵与动因

当前,生态环境日益恶化,能源清洁化变革势在必行。绿色电力市场本质上即是通过竞争性市场机制推动电力系统绿色转型,降低电力系统绿色转型成本,提高电力系统发电侧、输电侧与需求侧等各个环节资源配置效率,促进电力系统向低碳、环保和节能的绿色方向发展。

1)绿色电力市场推进发电侧绿色转型。绿色电力市场通过市场竞争机制,促进发电公司优化电源装机容量、扩大新能源装机比例、提升发电环保技术等,最大限度地减少污染物排放,提高能源利用效率,使其对环境负面影响最小化。

2)绿色电力市场推进输电侧绿色转型。当前, 电能的交易依然离不开电网的传输,输电网对所有用户无歧视开放是绿色电力市场的基础,实现电网开放前提是区分电网所有者、运行者与使用者之间的权责。输电网自然垄断特性并不妨碍对输电网使用权的竞争,特别是输电容量稀缺时,更需要通过市场建立竞争机制公平分配输电容量,使得电能生产、 传输中能耗和污染物排放最少,同时形成清晰的输电使用价格,引导促进输电网络的长远规划与投资, 减少投资浪费。

3)绿色电力市场推进需求侧绿色转型。绿色电力市场通过市场竞争机制,形成分时用户电价,引导用户高峰时少用电,低谷时多用电,提高供电效率、 优化用电方式,从而在完成同样用电功能的情况下提高负荷率,降低供用电成本,达到节约能源和保护环境的长远目的。

每个国家发展绿色电力市场的动因并不完全相同。当今,中国经济已经进入绿色发展阶段,环保与绿水青山已上升到国家战略高度,对电力行业和电力体制的“需求层次”也在提升,迫切需要发挥市场在资源配置中的决定性作用。基于中国社会经济发展的阶段性特征、能源可持续发展的内在要求以及电力工业发展的客观规律,本文将绿色电力市场建设的本质动因归纳为以下几个方面[3]。

1)能源转型与环保约束 

能源需求的快速增长对能源资源的可供量、承载能力以及国家能源安全提出严峻挑战;全球气候变化使得环保约束日趋严格。资源节约型和环境友好型的社会发展战略目标要求电力工业肩负起节能减排、发展低碳经济、保障经济社会和谐发展的重任。因此,大力发展可再生清洁能源成为必然选择, 这对保障能源安全和缓解资源环境压力都具有重大意义。如何有效解决风电、太阳能等新型可再生能源的大规模开发、接入、配送以及消纳等问题,根本上需要通过市场竞争向各类市场主体传递准确的经济信号,发挥市场在生产效率、配置效率以及投资效 率上的优势,以尽可能低的成本实现中国能源转型与满足环保约束。

2)用户能源消费优化的需求 

绿色经济已是当前中国经济发展的主题。企业既有降低用电成本、增进企业经济效益的内在需求, 同时为了减少环境影响,也有提升用电效率与绿色 电力消费比重的外在要求。因此,用户迫切需要 化自身能源消费,需要更加精细的价格信号引导用户管理自身能源的使用与成本。然而,中国电力市 场刚刚起步,建设状况还远未能满足人们对用电服务的期望。此外,风电、光伏发电等分布式能源的大规模发展,也需要通过绿色电力市场机制去推动终 端用户侧能源消费结构的优化。

3)高度灵活可靠的绿色电网安全性要求 

容量充裕度是保证电网安全的基本要求。长期以来,计划电量和管制定价为中国电源和电网投资提供了稳定的投资激励,保证了中国电力装机、输电容量总量的充裕,中国电网供电安全性得到可靠的保障。从 2013 年开始,中国电源装机、电网规模都超越美国,成为世界第一。但随着风电等间歇性能源大规模并入电网,基于电网安全的需要,电网容量结构性矛盾日渐突出。传统的计划手段可以解决这一矛盾,但容易造成过度投资、效率损失等问题,通过市场引导配置灵活性电力资源,提升系统电源结构优化配置效率,符合当今中国绿色经济发展的理念。

4)电网调度经济性运行要求 

中国电力资源分布极为不均,发电资源远离负荷中心,电网阻塞管理增加了电网调度的成本。通过电力市场促进电力动态交易,是保证系统高效运行、成本最低的最直接方法;其次,随着海量分布式资源接入电网,调度范围将扩大到数千甚至数百万处分布资源,当前集中调度模式难以为继,唯有通过市场协调资源调度,以市场价格引导海量分布式资源进行自调度,才可能实现电网经济性运行;通过大范围的绿色电力市场还能平抑可再生能源接入局部电网后给互联电网带来的波动,发现真实的平衡价格,降低中国能源转型成本。

5)新技术和新设备的创新需求 

通过建设绿色电力市场会激发市场主体在新能源发电、需求侧响应、储能、电动汽车等绿色技术的投资与创新,同时绿色电力市场的开放也带来了信息、通信、网络、传感器等技术及设备在电力系统中的应用升级。应当注意到,新技术和新设备的大规模应用也深深影响着电力市场,甚至会改变电力市场的运营模式。因此,绿色电力市场的设计需要注意技术可行性。

3 电力市场促进系统绿色化国际经验与启示

虽然各个国家的资源禀赋、电源结构、电网体制、电网结构、电力市场及调度管理模式等不尽相同,世界上也没有普适的市场设计方案,但是国外在促进系统绿色化的一些共性的先行建设经验仍对中国有一定启示[4]。

中科彩票投注1)绿色市场正外部性失灵问题,迫使绿色电力市场设计需考虑绿色电力外部性内部化经济激励手段与竞争性电力市场机制之间的关系,推动绿色电力和非绿色电力之间的协调发展。

绿色市场正外部性失灵问题是绿色电力市场特 有问题。对环境等公共物品的产权难以界定,环境外部性边际效益和成本本身也难以计算,单纯采用绿证交易、碳交易等环境容量市场机制难以解决绿 色电力市场正外部性失灵问题,因此国外仍然使用 电量激励(如配额制)、价格激励(如补贴)等绿色政策,吸引绿色电力的投资,以达到绿色电力转型的 目标。

激励政策直接影响了电力市场均衡。激励机制 过弱,难以促进新能源发展。如美国早在 2009 年就 实现了中国 2025 年可再生能源装机目标。因此,得 克萨斯州新能源的发展,绿证并没有起到太多的促 进作用[5],仍然依靠电力市场价格支撑;激励机制过 强,如德国新能源以极低的边际成本报价,降低电力 市场的出清价。极端情况下,市场出清价甚至为零 或者负值,影响火电电量收益,致其常处于微利甚至 亏损状态,降低了未来投资意愿。 

当前中国正推行可再生能源配额制度,配额责 任主体在用电侧,旨在强制需求侧主动消纳可再生 能源。然而,可再生能源的配额指标只强制用户侧 消纳总量指标,绿证价格也仅能反映环境容量的总 平均使用价值,并不能体现风电等不同时段的电能 价值差异性,因而绿色电力消纳总量指标可能难以 激励用户低谷消纳风电,也难以减轻发电侧的调峰 压力。因此可以预见,促进用户削峰填谷仍需通过电力市场机制来实现。

2)大规模风电等绿色电力引入市场后,改变了 电力市场竞争格局,需要完善短期电力现货市场交 易体系,提升绿色电力市场竞争效率,促进新能源 消纳。

与中国电力市场发展不同,在新能源快速发展 之前,欧美一些地区电力市场发展已相对成熟,一般 都建立了远期市场、日前市场、日内市场、实时市场 的市场体系。随着新能源大规模并网之后,电网在 实时运行数小时前需要做更多的调整,欧美电力市 场设计也进行了诸多升级完善。如美国部分地区均 缩短了实时市场出清周期至 5 min,减小了辅助服务 容量的需求。部分独立系统运营机构(ISO)如美国 中西部独立系统运营机构(MISO)等针对区内可快 速启动的燃气机组开发日内时前机组组合程序,以 适应绿色电力功率波动。当前美式集中市场如何兼 容海量分布式可再生能源投标是其最大挑战。欧洲 市场则为兼容新能源,重点完善了日内市场,采用连 续电量竞价模式,便于风电等可再生能源利用最新 预测信息调整交易。欧洲分散式市场模式最大风险 在于电力交易所和系统运营商分别组织市场交易, 两者衔接易出现问题,如随着新能源可能增加的电 网阻塞,系统运营商在日内市场关闭前的再调度操 作缺少价格信号指引,甚至反而影响日内市场的交 易价格,影响了市场效率。 而中国中长期电量交易开展多年,机组中长期 电量偏差一直难以妥善处理。当前首要任务是加快 现货市场体系建设,通过开展日前、日内实时电能量 和调频备用辅助服务交易,发挥新能源发电边际成 本低的优势,也为新能源等机组中长期电量纠偏创 造交易机会。同时通过市场形成的价格信号引导发 电主动调峰调频,优化统筹全网调节资源,有效促进 新能源电力消纳。

3)在精细化的交易组织基础上,应设计更具激 励性质的新能源偏差结算机制,促使新能源持续提 高预测水平,吸引快速调节资源参与系统平衡也是 当今绿色电力设计的重点[6]。

新能源参与电力市场后,与其他市场主体一样 参与电力市场报价,并且承担电力市场中的平衡责 任,如其预测出力偏差超过一定数值,风电企业就会 受到相应市场考核。总体上,为激励新能源发展,国 外风电偏差考核相对常规机组要宽松,如美国得克 萨斯州电力可靠性委员会(ERCOT)仅在弃风降出 力情况下,对出力高于基准指令值 10% 以上的风电 商才会实施偏差考核处罚。对风电偏差考核的宽 松,加重了系统平衡负担,因此需要更有活力的平衡 市场。为更好地激励调节资源参与平衡市场,欧美 实时平衡市场普遍采用边际定价机制来反映新能源 接入后的真实平衡成本,并以此作为包括风电商在 内的交易主体不平衡电量的结算依据。

但在中国日内实时市场尚未成熟,新能源缺少 管理预测误差的交易机会,过早让可再生能源承担 不平衡风险往往会促使风电场等个体层面提供平衡 容量,削弱了大规模风电互补特性的利用,反而导致 平衡容量的低效利用,加大辅助服务的成本。

4)通过市场融合,扩大市场交易的区域范围,提 升市场流动性,也是市场促进新能源消纳的有力 措施[7-8]

扩大市场交易区域的最大优势在于提高电力市 场流动性与稳定性,减小电价波动,但客观上增加了 新能源外送交易机会,同时有助于降低系统接纳波 动性可再生能源的成本。目前欧美国家都在积极推 动跨区交易,欧洲甚至提出构建泛欧统一电力市场 的建设。

跨市场交易虽利于市场总体福利增加,但却改 变了市场福利在不同地区的分配格局,有可能受到 部分地区政治、财税等因素阻扰。而在中国当前,行 政、财税等管理是以省为实体单元,销售电价也以省 为价区核准,因此,省级电力市场就有其存在合理性 与必要性。由省级市场扩大到全国市场,采用美国 集中式市场的整合模式,需要统一相关模型、市场机 制、出清算法等,实现上除了技术复杂外,还会受到 技术之外因素的影响。相对而言,欧洲分区平衡的 市场耦合方式对中国建设省间电力市场,实现跨省 跨区交易可能更具借鉴意义。但由于中国省级市场 可能存在分散式、集中式等多种市场模式,以及省间 特高压通道输电费率不同等现实情况,也决定中国 省间市场融合并不能完全照搬欧洲融合模式,需要 自主创新市场设计。

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