摘要：高比例新能源接入情況下，系統(tǒng)高峰時刻可靠容量不足會影響系統(tǒng)運行的安全，因此在能源轉型的過程中應充分挖掘新能源及需求響應等靈活性資源在高峰時刻提供可靠容量的能力?；诿绹陀萘渴袌龅臋C制設計，分別綜述了新能源及需求響應資源參與容量市場及可信容量的計算方法，并結合中國的市場發(fā)展，從穩(wěn)步推進容量市場化機制建設、設計適應于高比例新能源接入的容量市場化機制、構建全國各地協(xié)同的容量支持機制對我國未來建設容量市場進行了探討。
關鍵詞：容量市場;可信容量;拍賣結果分析;一次能源充
引言
近期，隨著我國向國際社會做出“碳達峰”“碳中和”國際承諾，加快能源轉型成為社會熱點[1]。而在能源轉型的過程中，大量入網(wǎng)的可再生能源與加速退坡的傳統(tǒng)煤電機組之間的矛盾如果處理不得當，將導致短期供需平衡更加困難。加州于2020年8月發(fā)生的輪流停電事故，其發(fā)生原因之一正是加州極端高溫導致負荷高峰驟增以及風電光伏出力在短時間之內驟降，系統(tǒng)卻沒有充足的電源容量和靈活性資源應對[2]。
而未來我國電力系統(tǒng)的性狀將由當前傳統(tǒng)化石燃料作為壓艙石，可再生能源發(fā)電作為補充向可再生能源作為電網(wǎng)主力發(fā)電的形式轉變。在此背景下需要解決以下幾大問題：1)傳統(tǒng)化石燃料發(fā)電作為靈活可調節(jié)電源能夠平抑可再生能源發(fā)電的波動性，因此有必要長期存在，但是此類電源無法在缺乏完善的發(fā)電充裕度機制的能量市場中獲得持久穩(wěn)定的收益，此類電源回收投資成本問題亟待解決;2)間歇性電源可提供的能量或容量相對來說是有限的且具有高度不確定性，成為電網(wǎng)發(fā)電主力軍后，如何衡量它們支持系統(tǒng)規(guī)劃和運行的能力;3)在未來高新能源占比的電力環(huán)境下，除傳統(tǒng)發(fā)電資源外是否存在其他資源可以被挖掘以應對系統(tǒng)靈活性調節(jié)的需求。對于傳統(tǒng)機組在高比例新能源接入的電力系統(tǒng)中的投資成本回收的問題，美國德州引入了稀缺電價機制通過供應短缺時的尖峰電價來回收邊際機組的固定成本，智利引入了容量補償機制通過政府核定價格對發(fā)電容量進行一定的補貼。
英國、美國賓夕法尼亞-新澤西-馬里蘭州(PJMInterconnection，PJM)等國家及地區(qū)引入了容量市場作為解決該問題的長效機制。在容量市場中標的傳統(tǒng)化石燃料發(fā)電機組高峰時刻在能量市場報價后將獲得額外容量收入，從而回收部分在能量和輔助服務市場中不能完全回收的成本;另一方面，部分地區(qū)的容量市場機制也允許間歇性資源參與，以其對系統(tǒng)供電可靠性的貢獻評估其可信容量。
除發(fā)電側以外，英美等國家也積極吸納用戶側需求響應資源參與容量市場。研究表明，需求響應資源的主要收入來源就是容量市場[3]，因此有必要關注需求響應資源參與容量市場的相關問題。如何保障高比例新能源接入下電力系統(tǒng)的容量充裕度將成為未來容量機制的研究熱點[48]。文獻[5]設計了兼顧多目標調控需要的新型容量市場機制。
部分學者在現(xiàn)有容量市場機制基礎上考慮靈活性資源參與，已建立了同時參與集中拍賣與分平臺競價等市場出清模型[67]。文獻[8]在容量市場出清模型中引入靈活性爬坡約束，出清容量需要滿足一定的靈活性需求。上述研究雖然可以較好地應對高比例新能源接入下電力系統(tǒng)的容量充裕度問題，但是對于新能源以及需求響應資源如何參與容量市場并沒有一個系統(tǒng)的解決思路。未來新能源也必將參與進系統(tǒng)平衡調節(jié)中，在此發(fā)展過程中，至關重要的是如何評估風、光等不確定性能源與傳統(tǒng)可靠能源之間的等效性，其評估的準確性將影響各市場的效率[9]。
文獻[1013]采用蒙特卡洛模擬原理對風、光的容量可信度進行了建模。其中容量可信度指標主要可以分為有效帶載能力(effectiveloadcarryingcapacity，ELCC)、等效可靠容量(equivalentfirmcapacity，EFC)等。新能源雖能提供部分可靠性容量，但是由于其波動性較大、靈活性不足，目前參與容量市場尚存在許多技術限制，文獻[1418]考慮儲能、可中斷/可削減負荷、可轉移負荷等靈活性資源參與容量市場中，計及各靈活性資源后，風、光容量可信度有所增加，大大促進了新能源參與市場，有利于增加系統(tǒng)的容量充裕度，可以緩解容量市場“資金短缺”問題。
綜上，在面向“碳達峰”、“碳中和”需求下容量市場機制作為一種能夠有效提供可靠性容量保障的方法受到廣泛關注，同時新能源及需求響應等靈活性資源如何參與容量市場也是關注的焦點問題。典型的容量市場機制應用地區(qū)有美國中西部地區(qū)(MidcontinentIndependentSystemOperator，MISO)、美國紐約州(NewYorkIndependentSystemOperator，NYISO)、美國新英格蘭州(ISONewEngland，ISONE)、PJM、英國，他們的市場規(guī)則設計較為成熟，且在新能源及需求響應參與容量市場方式具有一定的代表性。
因此本文首先對比分析上述典型地區(qū)的容量市場特征，并在此基礎上介紹英美新能源及需求響應資源參與容量市場的方式，并針對雙碳目標下我國新能源相關的容量市場建設提出思考，為未來高比例新能源電力市場的容量市場開展提供參考。
1英美典型容量市場特征對比
美國PJM、MISO、NYISO、ISONE以及英國都采用容量市場機制來保障發(fā)電充裕度和未來高峰時段的供電可靠性，各地區(qū)容量市場的具體組織流程差別不大，因此本節(jié)以PJM容量市場為例按照其容量市場的組織流程順序對市場機制展開評述，并在表1中給出其他地區(qū)容量市場機制在各個環(huán)節(jié)的差異[1921]。美國PJM容量市場最初為容量信用市場(capacitycreditmarket，CCM)，后考慮到CCM的諸多缺陷替代為可靠性定價容量市場(reliabilitypricingmodel，RPM)[22]，包括1個基本拍賣市場(baseresidualauction，BRA)、3個增量拍賣市場(incrementalauction，IA)和1個持續(xù)的雙邊市場。
PJM容量市場中的主市場為BRA市場，先于交付期3年組織拍賣，長期主市場拍賣可以為新建容量提供長期穩(wěn)定的金融支撐，并保證機組的建設時間;ISONE、英國國家電力市場的主市場拍賣也都采用長期時間尺度，分別為3年和4年。
因主市場拍賣提前時間較長造成容量的交易不夠靈活，PJM還設置了3個增量拍賣市場，即IA市場，使得容量的交易更靈活且能及時調整容量購買量，除MISO之外，其他地區(qū)均存在單一或多重的二級市場。PJM容量市場的組織流程主要包括制定容量需求曲線、組織拍賣、結算等幾個環(huán)節(jié)。
1)容量需求曲線的制定。為了精準預測各輪拍賣中的容量需求及容量需求曲線，PJM會定期更新與容量需求相關的系統(tǒng)負荷預測峰值、裝機備用裕度(installedreservemargin，IRM)以及機組等效強迫停運率(equivalentdemandforcedoutagerate，EFORd)EFOR等參數(shù)。
IA市場中容量需求曲線的建立是基于容量提供者以及PJM提交的購買投標構建的，其中價格是基于IA前公布的更新VRR曲線確定的[23]。各輪拍賣中最終的容量需求曲線在整合價格型需求響應(priceresponsivedemand，PRD)資源后最終確定。與PJM類似，ISONE、NYISO均依據(jù)IRM及新建調峰機組的凈成本確定需求曲線，但在曲線的趨勢上有所差異。
2)組織拍賣。拍賣開始前，各容量提供者需提交裝機容量(installedcapacity，ICAP)以及EFORd等技術參數(shù)以確定可用自然容量(unforcedcapacity，UCAP)并申報賣標價格和容量，UCAP指在扣除因降額或停電而無法提供容量的時間后，在任何給定時間容量提供者實際可提供的平均容量，部分學者也將其定義為可信容量;PJM在考慮位置約束、容量資源約束的基礎上，以最小化容量購買費用為優(yōu)化目標進行出清，以形成各區(qū)域的容量出清價格和各容量提供者的UCAP義務;考慮到輸電約束的影響，PJM將整個市場劃分為27個節(jié)點交付區(qū)域，各區(qū)域分別制定容量需求曲線并形成各自的容量出清價格。
3)結算。容量提供者按照所在區(qū)域的統(tǒng)一容量出清價格進行結算，容量費用以地區(qū)可靠性費用的名義按照負荷比例向該地區(qū)的負荷聚合商收取，從而實現(xiàn)容量成本分攤。
2新能源可信容量的確定方法
未來我國能源結構將向清潔、綠色能源轉型，需要建設更多的新能源機組，容量市場將為新能源機組提供更加明確的投資激勵機制，從而提高市場效率。且隨著新能源接入系統(tǒng)比例不斷增加，傳統(tǒng)僅由煤電機組提供可靠性電源容量的方式亟待改變，需要考慮新能源的生力軍作用[22]。新能源可信容量需重點關注其提供容量的不確定性，即其容量可信度。新能源的容量可信度主要取決于其出力時序特性與容量需求的相關性，與滲透率高度相關。
當新能源占比較低時，新能源尤其是光伏與系統(tǒng)負荷(容量需求)高峰期具有貼合性，使得光伏的容量可信度較高;而新能源占比較高時，系統(tǒng)凈負荷高峰期可能由白天轉移到傍晚，額外增加的新能源裝機與容量需求相關性低，因此新能源機組的容量可信度值大幅降低[2426]，見圖2。但風電出力具有反調峰特性，其出力與容量需求相關性較低，因此即使在新能源滲透率較低的時候其容量可信度大小也遠小于光伏，且受新能源滲透率變化不明顯。
此外，新能源的容量可信度還有區(qū)位差異性，如在一些高峰用電為冬季的國家或地區(qū)，光伏冬季的總體發(fā)電量卻較低，這種情況下即使新能源滲透率較低光伏容量可信度值也較低。但在高峰用電為夏季的國家或地區(qū)，用電高峰與光伏的發(fā)電量高峰高度匹配，此時容量可信度值較高。由此即使在新能源滲透率均較低時，光伏在不同地區(qū)的容量可信度值計算結果差異性便較大。但是對于風電來說，其總體與容量需求相關性就不高，因此受區(qū)位因素影響并不明顯。
由于新能源容量可信度隨新能源滲透率的變化趨勢，容量市場的需求和出清價格也會受到一定的影響。在需求方面，系統(tǒng)新能源滲透率增加，容量市場可信容量需求雖然不會發(fā)生變化，但是總體裝機容量需求卻會大幅度增加;在出清價格方面，新能源滲透率較低時，由于新能源成本較低，其參與容量市場可能會帶來容量出清價格降低。
但是隨著新能源滲透率增加，其容量可信度逐步降低，最終可能將導致出清價格上漲。在考慮靈活性需求的容量市場出清中，高比例新能源的接入也將導致對靈活性資源的需求增加，總體價格上漲[8]。本節(jié)將圍繞美國PJM、英國容量市場中新能源參與現(xiàn)狀進行分析與評述，以期在我國未來引入新能源提供可靠容量時為相關準入規(guī)則設計、可信容量確定提供參考。
2.1美國
PJM中新能源一般不單獨參與容量市場[27]，通常將間歇性資源、儲能資源等資源聚集起來作為聚集資源參與容量市場。此時，聚集資源中的任一資源不得單獨參與容量市場的拍賣，亦不允許參與雙邊市場交易。而MISO、NYISO、ISONE并沒有明確提出新能源以聚集資源形式參與容量市場的要求[2830]。
2.1.1可信容量確定方法
美國各地區(qū)確定新能源的可信容量，即UCAP有兩種方法：
1)根據(jù)新能源在歷史容量交付年固定時段內資源的平均輸出歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計得到。使用這種方法的地區(qū)一般該種新能源滲透率不高，目前PJM、ISONE、NYISO正在使用該方法來確定風電、光伏的UCAP，MISO目前也采用該方法計算光伏的UCAP[31]。2)根據(jù)單一資源對整個系統(tǒng)資源充足性的貢獻，即根據(jù)有效帶載能力(effectiveloadcarryingcapacity，ELCC)來確定，新能源的UCAP等于其ELCC與裝機容量的乘積。ELCC的具體計算方法是維持某一可靠性標準下，在有無可再生能源情況下系統(tǒng)可以承載的負荷差[32]。使用這種方法的地區(qū)一般該種新能源滲透率較高，MISO采用該方法計算風電的UCAP[31]。
隨著新能源的并網(wǎng)規(guī)模及滲透率的逐漸提高，夏季負荷峰值出現(xiàn)時刻逐漸向傍晚推遲，仍按照固定時段的歷史出力數(shù)據(jù)平均值會夸大新能源的可用容量。因此第一種方法并沒有考慮到風電及光伏滲透率增加導致的系統(tǒng)凈峰荷轉移對可靠性的潛在影響，而ELCC值的計算與電力不足時段有關，這些時段會隨著間歇性資源滲透率的提高而變化，因此采用ELCC衡量新能源UCAP可以很好的解決凈峰值負荷轉移帶來的可靠性影響問題。此外對于一些新建機組，PJM無法獲取其平均輸出歷史數(shù)據(jù)[33]。因此，PJM計劃在2022/2023交付年開始或之后采用方法二[3435]。
2.2英國
英國自2017年起大面積停止實施可再生能源義務制(renewableobligation，RO)，而上網(wǎng)電價(feedintariff，F(xiàn)IT)僅針對容量較小的新能源風電廠，越來越多的風電期望依靠其他途徑，如容量市場來獲取穩(wěn)定性的支持。自2019年起，新能源被批準參與容量市場[38]。但參與容量市場的新能源要求沒有獲得FIT、RO、差價合約(contractfordifference，CfD)在內所有其他低碳計劃的支持。此外因小容量的可再生能源大多通過FIT機制獲取補貼，所以他們也沒有被考慮參與進容量市場中[39]。
風電的EFC取決于許多因素，包括裝機容量、地理位置以及在峰值負荷時期的預期風力發(fā)電量等。如英國海上風電的風電渦輪機的發(fā)電功率更高、風速穩(wěn)定性更好，其海上風電的EFC約為12%，但陸上風電的EFC僅為8%左右。此外，隨著電力系統(tǒng)可靠性要求越來越低，由新能源發(fā)電出力來滿足需求(即防止負荷損失)的時期將會越來越多，他們的EFC計算結果將有所增加。
光伏常與持續(xù)時間有限的儲能聚集起來共同參與到容量市場中，但目前其邊際EFC計算結果較小，僅為3%左右。但隨著系統(tǒng)儲能及光伏裝機容量的增加，光伏的邊際EFC將大量增加[44]。為了進一步增加新能源機組在容量市場的出清數(shù)量，2020年5月，英國進一步修訂容量市場規(guī)則，在容量市場競標中引入考慮二氧化碳排放限值，碳排放限值將適用于從2024年10月1日起實行，適用于在2019年7月4日之前存在的項目容量。如果容量提供者排放超過550g/(kW·h)或者350kg/kW二氧化碳將不再允許獲取容量合同[45]。
3需求響應資源可信容量的確定方法
大規(guī)?？稍偕茉窗l(fā)電并網(wǎng)后單純依賴發(fā)電側資源不能完全滿足可再生能源作為電網(wǎng)主力發(fā)電形式下電力系統(tǒng)可靠、安全、高效運行的要求，必須從用戶側挖掘新的可用資源應對以可再生能源為主的電力系統(tǒng)對于靈活性調節(jié)資源的需求[22]。
且隨著新能源滲透率的增加，現(xiàn)貨市場價格由于新能源機組邊際成本低造成邊際出清價持續(xù)走低[5253]，因此單純依靠現(xiàn)貨市場價格差進行套利不會是需求響應的主要盈利模式，可預見，其參與容量市場的機遇將會更大，從機理上來看，需求響應能夠有效減少電源、電網(wǎng)的容量投資，緩解容量市場價格尖峰[17]。進一步能夠減少發(fā)電機組的啟停循環(huán)、快速爬坡，降低發(fā)電容量需求，而且還能延緩電網(wǎng)、網(wǎng)架投資[54]。
需求響應(demandresponse，DR)的資源特性與新能源和發(fā)電機都有相似之處，如不確定性、時間耦合性，且各DR資源之間的可用性高度相關等。但傳統(tǒng)的基于可靠性的容量可信度計算方法是基于機組故障概率與其自身無關的假設之上的，但DR實際的可用性與他自身的負荷水平高度相關[5455]。另外DR資源與其他容量資源的優(yōu)勢在于其具有更高的爬坡率，但是目前統(tǒng)一的容量市場難以評估出DR這一優(yōu)點。綜上，目前應用在新能源的基于可靠性的可信容量確定方法難以適用于DR，因此目前在實際應用中DR的UCAP確定方法主要是依靠其相關歷史數(shù)據(jù)確定其負荷可增加/削減量，再通過歷史平均可用性或全系統(tǒng)發(fā)電機平均可用性來考慮DR的容量可信度。
本節(jié)仍圍繞PJM和英國展開論述。PJM容量市場中的DR資源包括經(jīng)濟型DR和價格型DR(PRD)。參與方式可以選擇作為一種發(fā)電資源直接參與容量市場拍賣或參與固定資源需求替代計劃(fixedresourcerequirement，F(xiàn)RR)。對于前者，下文將進一步展開論述;而PRD并不是由PJM直接調度的，PJM根據(jù)PRD提供者提交的資源實時節(jié)點電價-最大預測負荷曲線[56]對容量需求曲線進行修正[22]。在容量緊急情況下，容量出清價格會上升，則根據(jù)PRD的負荷曲線，PRD大量參與，系統(tǒng)所需的總體容量需求降低。即PRD的參與主要是影響系統(tǒng)的容量需求，因此PRD對容量市場的影響是隱性的，PRD提供者的收益也是隱性的。而在英國需求響應只能作為一種可預測的變化負荷間接參與容量市場。
4對中國容量市場的思考
目前，中國新一輪電改已經(jīng)啟動，面對碳達峰碳中和的目標，能源格局的重構必然是大勢所趨。在大幅發(fā)展可再生能源、降低化石能源比例及用電負荷增長的多重壓力下，國內容量市場的建立有必要充分考慮新能源、DR資源以及其他靈活性資源的參與。通過分析對比PJM和英國容量市場設計和相關研究，結合中國的市場特色，對中國未來的容量市場建設提出以下幾點思考：
4.1穩(wěn)步推進容量市場化機制建設
1)理性看待容量市場化機制的建設問題。隨著高比例新能源接入系統(tǒng)，由于新能源的可變成本為零，其總體報價水平較低，很有可能將導致現(xiàn)貨市場出清價格持續(xù)走低[65]。導致發(fā)電商難以回收投資成本，出臺相關容量支持機制與政策的需求日益迫切。但是是否要推進容量市場機制的建設應結合我國各地實際的容量需求、充裕度情況以及市場化發(fā)展階段統(tǒng)籌考慮[66]。對于一些尚在市場化初期階段的省市，可參考智利所實施的容量補償機制或美國德州實施的稀缺定價機制，對可靠發(fā)電容量進行直接補償或允許發(fā)電企業(yè)獲得高價收益以刺激發(fā)電投資，促進市場穩(wěn)步發(fā)展[6768]。
雖然上述兩種機制實施簡單，但是前者由政府或監(jiān)管機構核定的容量補償價格致使管制的靈活性滯后于市場調節(jié)，而后者僅依靠部分時段可能出現(xiàn)的價格飆升會給發(fā)電投資帶來較大的風險且僅反映了容量需求的短期供需。因此有條件、有必要開展容量市場的省市，可利用市場競爭刺激發(fā)電投資、保障未來高峰時段的可靠容量以及回收部分發(fā)電成本。
總體而言，雖然美國PJM為集中式電力市場模式，英國為分散式電力市場模式，但兩者的容量市場規(guī)則設計基本類似，因此現(xiàn)有國外的容量市場規(guī)則設計對中國各省市均有借鑒意義。此外，國外愛爾蘭、意大利市場采用可靠性期權機制保障系統(tǒng)發(fā)電充裕度?？煽啃云跈嘟Y算方式類似于新能源補貼中差價合約，期權持有者在被調用發(fā)電容量后將獲得電量實際電價與預先拍賣得到執(zhí)行價格的差值收益?？傮w而言，該機制也引入了一定的市場競爭，也能夠較好地保證系統(tǒng)中的發(fā)電充裕度，在中國各省市容量機制建設時也可以考慮采用此類做法[69]。
5結論
基于新能源及DR資源提供容量可靠性的必要性，本文綜述了美國PJM及英國容量市場中新能源及DR資源參與的方式，并對容量市場的拍賣結果進行分析，當新能源發(fā)電日益成為主力軍后，其容量可信度的評價方式非常關鍵，新能源滲透率增加導致峰荷時段后移，其容量可信度整體上將呈現(xiàn)下降趨勢，可以通過配建儲能或者將不同能源類型的可再生能源發(fā)電聚集打包提高其容量可信度。
此外，容量市場將會是需求響應等用戶側靈活性資源獲取收益的主戰(zhàn)場，新能源及DR資源出清容量占申報容量的比例較高，可以考慮其與常規(guī)機組同平臺競價。最后基于中國能源結構特點及2020年冬我國個別省份限電現(xiàn)象，為我國未來容量市場的發(fā)展和建設提供以下思路：首先理性看待容量市場化機制的建設問題，需分階段擴大提供可靠性容量的主體范圍;其次設計適應于高比例新能源接入的容量支持機制市場規(guī)則，包括應用可衡量不同發(fā)電技術提供可靠性容量能力的方法、設計多樣化的容量產品、合理設置容量協(xié)議時限和周期、動態(tài)變化容量市場目標容量;最后建設我國容量支持機制時應考慮全國各地一次能源及機組建設的互補性，構建全國各地協(xié)同的容量支持機制。
本文僅基于美國、英國的容量市場的運行結果、規(guī)則演變及相關理論角度對中國容量市場化機制建設提出了建議。但尚未對市場實際規(guī)則進行詳細的仿真論證。后續(xù)將結合我國實際能源結構、現(xiàn)貨市場規(guī)則特點等，建立具體的模型、設計相關算例以分析容量市場規(guī)則設計對于我國系統(tǒng)能源充裕度的影響。
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作者：王蓓蓓1，亢麗君1，苗曦云1，徐立中2，張思2
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