[科普中国]-发电侧电力市场结算方法

背景

电力工业的市场改革已在全世界范围内展开,我国也正处在“厂网分开, 竞价上网”这一改革的进程之中: 上海、辽宁、浙江等6 省市已经成功地在发电侧引入了市场竞争机制。目前我国在建立电力市场的过程中, 急需澄清、解决的问题较多, 结算方式就是其中之一。虽然国内有些文献对这一问题进行了研究, 但大都是将注意力集中在发电商的市场力上。如通过比较在购电费用目标函数最小时按照系统边际电价和按照机组实际申报价格进行结算的两种方法的优劣, 认为在降低市场力这一方面按机组实际申报价格结算有一定优势; 也可以在采用系统边际电价结算的方式下,边际电价为最后一台机组的报价决定, 易被投机行为所左右。1

但是就世界范围内看, 绝大多数电力市场化改革的国家采用市场边际出清价(MCP) 进行结算。

虽然按照发电商实际报价结算可以从一定程度上降低发电商借助市场力操纵市场清算价的可能性, 但是由于在这种结算方式下, 发电商提高报价会使得市场均衡量下降, 造成社会福利的净损失。2

发电商竞价模型分析1、问题的描述和基本假定

一级密封价格拍卖( The First2price2sealed Auc2tion) 是许多拍卖形式中的一种。在这种拍卖中,投标人同时将自己的出价写下来装入一个信封, 密封后交给拍卖人, 拍卖人打开信封, 出价最高者为赢者, 按他的出价支付价格, 拿走被拍卖的物品。投标人是否能够成功由它自己的出价和其他投标人的出价共同决定。当该投标人的出价大于其他人的出价时, 支付为他对物品的评价减去他的出价; 当该投标人的出价小于任何其他1 个投标人的出价时,支付为零。使得该投标人的期望支付最大化的出价即为该投标人的最优出价策略。

我国目前6 省市试行的电力市场中, 发电商竞价上网, 交易中心(电网公司) 按各个负荷时段发电商的报价从低到高排序, 然后根据各时段预测的负荷需求按此排序确定各发电商的上网电量。这种发电商的竞价与一级密封价格拍卖相似。若将满足某一时段负荷需求的最后1 台机组的报价对交易中心所购买的电量进行统一结算, 即是按照MCP 结算法; 而按照各机组不同的实际报价对各发电商的上网电量进行分别结算则是属于按照实际申报价格结算法。

2、模型构建

发电商参与实时市场竞价, 有3 种可能的结果。

(1) 发电商竞价成功, 其报价低于市场出清价。用H (·) 来表示这种情况的概率。不难得出H ( ·) 是该发电商成本ck 的函数, 又因为bk=B (ck) , 故可将概率函数表示为H( B-1( bk) ) 。

(2) 发电商竞价成功, 其报价恰好等于市场出清价。我们用R(B-1 ( bk) ) 表示这种情况的概率。

(3) 发电商竞价失败, 用F(B-1(bk ) ) 表示这种情况的概率。

那么, 发电商在以上3 种情况下的支付分别为:

a.在按MCP 结算的条件下发电商竞价成功, 其报价小于市场出清价：

qk (ω- ck)

式中:qk 为上网电量; ω为市场出清价; ck为其成本。

b.发电商竞价成功, 且报价等于市场出清价：

qk(bk-ck)

式中:bk为发电商的报价; qk,ck意义同上。

c.发电商竞价失败, 其报价大于市场出清价, 此时支付为0 。2

经济学分析1、电力市场供需模型

在我国试行的基于电力库(交易中心) 的电力市场运行机制中,发电商、交易中心(电网公司) 、用户构成了一个特殊的交易市场。在发电侧市场作为供给者的发电商面对的是作为购买者的交易中心;而在配电侧市场交易中心又作为电能供给者面对终端电力用户。

右图表示在某一时刻的2 个市场的供求均衡。

图(a) : P为价格; Q为电量; P0为均衡价格;Q0为均衡电量; S 为发电商的供给; D′为交易中心的需求; Pcap为市场交易最高限价; Qmax为最大可供电量。在发电侧电力市场中,电力公司在预测到某一时刻的负荷水平后,必须在交易市场中购进同样数值的电量以满足系统出力与负荷的实时平衡约束,所以需求线D′在图中表现为一价格弹性为0 的垂线。

图(b) : P, Q , P0 , Q0 意义同(a) , D 为用户需求;S′为交易中心的供给; Qmax为通过辅助服务所能提供的最大电量。无论是按照MCP 结算还是按照机组实际申报价格结算,对于某一时刻用户的电价都是固定不变的,所以供给线S′在图中表现为一条水平线。

2、社会剩余分析

上述通过对博弈模型的分析,得出了在按照机组实际报价结算中机组会提高报价的结论。

右图表示在按照机组实际申报价格结算下发电商提高报价, 将使得原来在按照MCP 结算下的供给线S 垂直上移Δbca(c) ,变为在按照机组实际申报价格结算的S′,结果使均衡点E 变为E′, 均衡价格变为Pd ,均衡量变为Q0′,

Pd-Ps =Δbca(c)。此时消费者获得部分的生产者剩余:即消费者剩余为ΔDE′Pd + ΔPd E′S′,生产者剩余为S′E′GS ,而社会总剩余从在MCP 结算方式下的ΔDES减为DE′GS ,使ΔE′EG 成为无谓损失(Dead WeightLoss) 。因此按照机组实际报价结算不仅是剩余在生产者与消费者之间转换,重要的是结算方式的改变会造成社会总剩余(即社会福利) 的减少。2

方法目前,电力市场主要有两种结算方法:

方法1按系统边际电价进行结算;

方法2 按机组的实际申报价格进行结算。

为此,电力市场的目标函数也分为两种

1、一种是按系统边际电价进行结算的购电费用最小的目标函数:

式中:Fm表示电网购电费用;

Pi 为发电商(或发电机组)i竞价获得的发电功率;

i 表示发电商的序号,

I 表示发电商总数;

Com表示系统边际电价。

2、另一种是按照机组的实际申报价格进行结算的购电费用最小的目标函数:

式中：Ci(Pi) 表示发电商i 发电费用曲线(由报价曲线Coi ( Pi ) 得到) ,是发电功率Pi 的函数。

两种目标函数有相同的约束 ,其中系统功率平衡约束为:

式中：PD为用于竞价的电网总负荷功率。1

原则1、购电费用最小原则

购电费用最小原则约束公式和系统边际电价的目标函数的极值问题,因为边际价格Com对全网来说是一个值,所以可以从公式中提出来:

这样满足约束条件系统边际电价的目标函数的极值问题,实际上变成为满足 约束条件下使边际价格Com最低的问题。

2、经济原则

系统边际价格的主要作用是:只有当商品的价格等于其边际成本价格时,该经济才能从各种稀缺资源的利用中获得最大的满足。即只有当每一个企业使得它自己的边际成本(MC) 等于其他企业的MC ——正如每一个MC 都等于共同的价格的情况——该行业才能以最低成本来实现它的总产量。也只有当价格等于所有企业的边际成本时,社会才处于它的生产可能性边界之上。就电力市场而言,最终应该发展成一个完全市场,即对任何一个发电商来说,不应存在超额利润的现象。

所以两种结算方式在这方面应是一致的,但是电力市场是否可以及如何发展成一个完全市场,并不是一个乐观的问题。所以不应该用经济原则作为选择那种结算方法的决定原则。

3、公平竞争原则

从公平竞争的原则出发,商品应该享受“同质同价”的原则 ,电力也是商品,所以不应该例外。显然从这一点上讲按系统边际电价进行结算的方法更合理一些。但是,目前也有人对此提出了疑问,认为既然峰谷电价有差别已被大家所公认,且峰荷时所有发电商的发电质量是否一定一样尚无定论,所以简单地将“同质同价”原则作为电力市场结算方法的选择原则同样不合适。

4、市场行为原则

由于基于系统边际电价的购电费用最小的结算方式,具有优化算法简单、便于市场运行的优点,所以最初被各国所采纳,如英国电力市场,美国加州的电力市场实际上也是这种结算方式。但是,随着电力市场的不断发展,英国电力市场发现这种结算方式存在的缺点,即很难控制电力公司的投机行为:对于市场份额较大的发电商,可能在这种结算方式下,降低发电量,尤其降低峰时发电量,这样就导致边际成本更高的电厂被调度,尽管这个发电商的发电量小了,但由于结算价提高了,仍能获得超额利润。

为此,英国已修改了这种结算方式。但这并不是说,按第二种结算方式就不存在类似的投机行为,而是对发电商来说,风险可能大一些,则对电力市场而言,投机行为就少一些。

由以上可以看到,很难明确区分两种结算方法的优劣,具体采用哪种结算方法,要根据各个国家各个地区具体电力系统的实际情况以及相应的法规制度而定,从减少市场投机行为角度上讲,按机组的实际报价进行结算的方法要好一些。1

结论通过构建、求解在两种结算方式下的发电商的竞价博弈模型, 得到不同的报价策略, 并在此基础上比较两个不同的报价策略的社会总福利, 得出在按照机组实际报价结算方式下, 由于发电商提高报价从而导致社会总福利减少的结论。故本文认为, 虽然按照机组实际报价结算有可能降低有市场力的发电商操纵市场清算价的可能性, 但是在加强电力市场交易监管下, 还是采用经济学的竞争市场中的一般交易结算方式———统一市场出清价为好。世界上大多数电力市场化改革的国家均采用这种结算方式也从客观上说明了其合理性。2