[科普中国]-低碳电力市场

简介

当前，整个能源系统如何向低碳能源系统过渡的关键是电力系统如何向低碳电力系统过渡与此同时，如果希望其他行业如交通行业也降低碳排放，则需要推广电动汽车等的应用叫。这样，总的用电需求将会增加，但总的碳排放可能会增加也可能会降低，这取决于哪一个环节(发电环节或终端电能替代环节)实现的碳减排效果更好。

政府作为碳减排政策的制定者，应更关注碳减排的总量，而不是某个行业或某个环节的碳排放数量。对于中国而言，当前需要特别关注的一个问题是要从系统工程的角度分析测算整个系统的碳排放总量，在此基础上确定出经济上可承受的、碳排放总量最低的产能和用能发展规划和实施计划，包括低碳发电和低碳用电技术发展规划与实施计。对于低碳电力系统的政策研究与设计要考虑到电力系统的技术因素及制度因素(制度因素主要包括电力市场模式、结构、规则等方而).。到目前为比，己有包括中国在内的相当多的国家实施了电力市场化改革，在电力市场化改革情况下所要考虑的关键技术和制度特征就是如何设计一个批发电力市场的问题。同样，如何设计电力批发市场对于能否促进低碳发电的可持续发展具有重要的作用2。

电力市场基本类型分析电力市场设计的关键问题之一是所设计的市场模式是否满足系统安全、高效运行的要求。电力市场设计的另一个关键问题是所设计的交易品种和服务定价机制是否能够反映供电边际成本，能否基于供电边际成本来形成市场结清价格。

目前国际上电力市场设计可分成以下3类。

1)第1类电力市场设计是继续沿用传统的电力管理体制与模式，即垂直一体化的管理模式，其输电网不对外开放。例如:美国东南部民营的公共电力公司及西北部公营电力公司均采用此类模式设计3。

2)第2类电力市场设计是一种有组织的对冲交易模式设计。这种对冲市场模式设计是基于一个整体区域输电网系统层而上的市场交易，但是这种对冲市场模式有时也能够支持单独的市场交易和形成单独的发电计划，而这些单独的市场交易和发电调度计划只是与整体系统运行发生部分联系，如场外的双边交易或其他双边合同。这种对冲交易模式在欧洲大部分国家的电力市场中得到了应用。

3)第3类电力市场设计是一种有组织的现货市场模式设计。这种现货市场有一个独立的系统运行管理机构(ISO) , ISO负责发电调度的协调但它不拥有输电网，而是基于电力系统安全运行的要求来协调(修改)市场实时交易和发电机组实时调度计划。美国有2/3的电力系统采用这种市场模式。

整合型节点电力市场模式上述3种基本电力市场模式一定程度上实现了设计的初衷，但在实践过程中也暴露出预期之外的诸多问题。要实现低碳电力系统，必须开发和应用太阳能发电、风力发电以及需求侧管理技术，而这些发电(节电)技术与化石燃料发电技术相比具有完全不同的特征。因此，这些清洁低碳能源发电如何进入市场，需要对电力市场进行重新考虑和设计。

电力市场必须具备竞争性，从整个国际上看，当前电力市场设计遇到的主要问题是如何符合互联电网的特征要求。随着低碳电力系统的形成，电网互联规模更加庞大、技术联系更加密切、系统反应速度更快、安全运行约束因素更多，这些特征都将成为低碳电力市场设计所而临的挑战。

无论设计何种交易模式，都会而临外部性影响问题，即一个交易界而上的实际物理潮流与其他交易形成的物理潮流的相互干扰问题。可行的办法是实施基于安全约束的经济调度模式，这种经济调度的总体平衡结果可形成一组市场均衡价格，即节点边际价格(LMP )。在实施基于安全约束的经济调度模式以及I,MP机制的情况下，可通过一个现货市场来解决系统供求不平衡问题。基于I,MP机制所建立的电力市场称为整合型节点电力市场。

这种整合型节点电力市场模式的一个主要特征就是它使得节点上的边际机会成本是显性的，并且可以根据节点边际机会成本来确定节点价格，使得节点价格成为市场结算价格。在这种市场模式下，由于要考虑多个节点市场之间的协调，会增加一些成本，但是与人为合并节点所产生的成本相比，所增加的成本要小得多。这一点具有重要的启示作用。中国对于是建设省级电力市场(节点型电力市场)还是建设统一的大区域电力市场(即主要采用行手段“合并”的节点型电力市场)一直存在争论。由此可知，国际上未来低碳电力市场模式很可能会以这种“整合型节点电力市场模式”为主，并且己经初步证明，这种市场模式最有利于低碳电力系统的形成。因此，本文将重点分析论证基于这种整合型节点市场模式的低碳发用电技术并网等关键问题。

低碳电力市场设计基本问题随着低碳电力系统的逐步形成，与之配套的市场平台也随之发生变化，要求形成能够适应低碳电力技术发展要求，保障系统供电可靠性以及不断提高市场效率的新型低碳电力市场模式。

1)并网规则的设计问题分析。发电企业并网规则对于系统中新增发电容量至关重要。在整合型节点电力市场模式下，对于所有并网的发电企业而言，特别是对于那些发电出力波动很大的清洁能源发电并网而言，需要系统增加备用容量或以其他控制手段(措施)保证系统能够持续安全、可靠地供电。通常情况下，输电网运行机构要基于电网运行的安全目标来承担这些相关的投资成本，或者由输电网运行机构确定发电企业并网的技术条件，这些条件包括技术标准和并网配套设施的投资成本分摊规定等方而。包括可再生和清洁能源发电在内的各种发电企业，希望通过并网来参与电力市场公平竞争与交易，这种发电企业并网激励产生的预期效益与并网实际成本之间会产生一些差异，因此需要制定相应的规则和实施相应的管制措施以平衡这些差异。

2)智能电网及其定价机制的设计问题分析。为了使得智能用电系统成功运行，必须使用户得到一个有效的价格信号，用户在这个价格信号之下所产生的行为将能够反映出智能用电系统的机会成本。在整合型节点电力市场模式下，能够使得电网调度机构的行为与用户的行为相一致。如果所设计出的电力市场模型对于市场价格是抑制的，尤其是抑制终端用户电价的自然变化，那么对于这样的电力市场模型就需要附加新的管制规则。

3)发电容量充裕性的设计问题分析。系统供电可靠性标准通常是要保证系统具有一个规定的备用容量水平，以使得当系统中一些设备突发故障以及系统中设备需要正常维修时都能够保证供电可靠}h}。如何定义和评估基于低碳发电技术的发电容量，如何定义和量度太阳能发电、风电以及负荷管理的“容量”，是一个需要深入研究解决的问题。考虑到风能、太阳能等清洁发电资源的可用率较低，因此很难确定其等效可用发电容量。这将使得未来大引入清洁能源发电之后的容量市场很难设计。虽然中国当前的电力市场尚处于初级阶段，没有相应容量市场的运行，但在未来低碳电力系统条件下，如何设计相应的容量市场是必须要考虑的重要问题。是通过改善稀缺资源定价机制还是通过设计出一个更好的容量市场来解决发电投资激励问题，仍有待探讨。通过改善稀缺资源定价机制既可以改善系统运行效率，也可以通过市场机制来激励发电投资，一个良好的稀缺资源定价机制可以在容量市场中形成一个合理的稀缺资源付费水平。

4)电力基础设施投资的问题分析。基础设施的投资与建设是保证发电容量充裕性的又一项重要工作，基础设施的投资包括输电网的扩容投资以及电力系统的技术改造投资。从理论上说，如果受益者愿意付费，那么他们就可以自行组织和实施对于输电网扩容投资与建设的工作，而不需要管制机构来强制进行。在某些情况下，可以由市场成员自身来进行输电网扩容投资，并且拥有相应的输电权。但是所遇到的更多的情况是，各个受益者很难协调行动来完成输电网扩容投资与建设的工作，以保证低碳电力系统的供电可靠性。因此，基于未来低碳电力系统的特征，应由电网规划与投资建设决策来引导电源的规划与投资建设决策。

如何设计出一个合适的电力市场模式，使得既可以基于市场机制来引导输电网及其应基础设施的投资，又可以基于管制机制来形成输电网及其相应基础设施的投资，对于低碳电力系统条件下的电力市场化改革而言，是一项非常具有挑战的课题。

清洁能源引入后低碳电力市场设计风力发电、太阳能发电、潮汐能发电、生物质发电以及具有碳捕捉与封存(CCS)技术的化石燃料发电等一系列的低碳发电技术将对电力系统的运行以及电力市场的运行产生显著影响。对于提高能效进行投资以及对于负荷管理进行投资将会改变系统的用电负荷模式，而用电负荷模式的改变又将影响发电投资和输电网投资。低碳电力系统为了满足以上3个方而的要求，需要逐步形成智能电网和智能用电支撑平台，而智能电网和智能用电的出现，将使得系统运行方式和电力市场模式发生明显的变化。

低碳技术选择的不确定性问题分析为逐步形成一个低碳电力系统，要求对于电力市场化改革的方向作出一定调整，尤其是要充分考虑到碳排放的特征以及电力系统的技术经济特征，分析论证建立一个什么样的电力市场有利于长期激励这种技术进步与创新，而这种技术进步与创新对于电力系统的安全运行与可靠供电会产生怎样的长期性影响，或者对于形成低碳电力系统会产生怎样的长期性影响。在而临很大的不确定性情况下，应该由市场来引导技术的选择，尽可能通过市场信号以及市场的激励作用来引导技术选择2。

低碳发电技术的投资与运行成本的问题分析对于刚刚进入市场的新的低碳发用电技术而言，其成本明显高于常规发电成本。如何解决这些不同低碳发用电技术之间所存在的成本差值，要看低碳发用电技术的高成本是什么性质的问题以及所设计的市场具有什么样的市场结构。如果存在一个碳排放价格，但是这个碳排放价格水平不足以吸引一项低碳发用电技术进入市场，其原因可能有多个:

①与其他发用电技术相比，这些低碳发用电技术的成本太高;②所设计的电力市场中的碳排放价格水平太低;③在所设计的市场中碳排放价格水平是合适的，但是这项新的低碳发用电技术目前的成本使得它没有市场竞争力，只要通过不断提高其规模经济性或者采取其他措施就能够使得这项低碳发用电技术的成本降低到具有竞争力的水平。

发电出力波动性与系统供电可靠性对于某些低碳发电技术而言，向系统提供的是波动性很强的发电出力，这种波动性发电出力对于系统的安全运行与可靠供电会带来显著的不利影响。这些低碳发电技术所具有的发电出力波动性会形成2个相关但又不同的问题:一是这些低碳发电出力的可用性如何，即当需要它们发电时其发电“可靠性”如何;二是这些发电出力波动明显的可再生和清洁能源发电机组并网运行与解列的速度如何。理论上基于安全约束的经济调度将对发电机组的发出力给出一个限制，并且降低电能价格，这样做可以保留更多的系统备用容量以对付发电出力的波动性问题。然而实施这种整合型节点市场模式，由于违背了“不弃风”的原则，无法充分利用风能资源。基于系统安全运行与可靠供电的目标所形成的发电投资最优化应该是低碳发电投资与其他发电方式投资的最优组合，只有这样才能做到在保证系统安全运行的前提下促使更多的低碳发电进入市场。

清洁能源并网发电所需基础设施投资实施一个整合型节点电力市场模式，对于输电网扩容的潜在效益问题，通过节点价格机制能够向投资者发出一个明显的信号。确定输电网的扩容规模首先必须保证各种发电资源所形成的系统总的最大出力能够传输出去。由此可知，可再生和清洁发电资源在时空分布上的分散性可以降低可再生和清洁能源发电对于电力系统安全运行与可靠供电的负而影响;但也正由于这种时空分布的分散性，使得为可再生和清洁能源发电并网而专门扩建的输电线路的容量利用率往往很低，线路满负荷运行时间短。输电网扩容的投资成本以及由于输电容量利用率低而产生的附加成本通常都是分摊到那些距离用电负荷中心很远的低碳发电技术的并网成本中。国内当前正在争论“陆上风电三峡”的大量风电出力如何送出的问题，希望能够深入借鉴国际上的经验教训。

政策分析为了更好地适应低碳电力系统的建设和发展，保证低碳电力市场的设计能够顺利运行，从国际上来看需要制定一系列政策来扶持低碳发用电技术的研发与推广。其中一些政策能够成为市场机制的有力补充，而另外一些政策，主要是指当前那些试图将碳排放所形成的外部性影响内部化的政策，可能会与市场机制相抵触2。

碳减排限额方面的政策分析到目前为比，将碳排放所造成的外部性影响内部化的一个最为有效和最具可操作性的政策就是对于碳排放进行定价(收费)的政策。一般而论，碳排放定价机制应该有尽可能宽的经济有效性范围。关于是选择碳排放税制度还是选择碳排放限额交易机制，这是一个非常重要的政策选择问题，并且由此会产生许多新的问题需要解决。

碳排放指标分配机制的主要评判标准之一是看其能否完全切断实际发电出力与碳排放指标总体分配间的任何联系。在这种情况下，碳排放限额的自由分配使得经济福利在各市场成员之间发生转移，但无法降低总的碳排放成本。基于欧洲的实践，碳排放政策是否正确且可行，起决定性作用的因素是该项政策所确定的碳排放制度的可信度，以及这项碳排放制度未来所而临的政治风险。只有通过实施一项可持续的政策来保证对碳排放收取足够的费用，或者说在市场中形成一个碳排放与交易的市场价格机制，才能使得对于低碳发用电技术的投资可以获利，并且这个碳排放价格水平要定得足够高，以保证对于低碳技术的投资有一个合理的经济回报率。

可再生能源并网发电标准的政策分析从国际上看，对于可再生能源发电并网标准(RES)是侧重于使用市场激励机制还是侧重于采用强制性手段，也一直也存在争论。RES要求选择可以接受的可再生能源发电技术。电网公司或电力系统运行管理机构与可再生能源发电公司，甚至与用户之间会存在不同的看法。负责电力系统安全运行与可靠供电的调度机构要将系统安全运行作为首要目标;可再生能源发电公司则希望电网能够全额收购其发电出力并且收购价格具有吸引力;政府则注重节能减排等方而的环境或者社会效益。只要碳排放限额起了作用，RES就不会形成一个附加的碳减排效益。

清洁能源发电的非经济性调度问题分析促进清洁发电进入市场的另外一个方法是，采用强制性手段要求系统调度机构在确定发电机组经济调度计划时首先保证清洁能源发电上网，即首先选择低碳发电技术上网发电。但采用这个方法会遇到一些复杂的问题，因为输电网的运行特征与所采用的电力市场模式相互影响，电力系统实际运行的结果到底对于碳排放会产生怎样的作用也难以预测。有研究提出采用清洁能源发电调度来替代传统的发电经济调度，但这种所谓的清洁能源发电调度将会影响所采用的电力市场模式。至于中国的清洁能源发电如何进入市场，需要密切结合基本国情来分析研究。近年来，中国在试点一种“节能发电调度”模式，这个模式如何与经济调度模式、市场化模式相结合，一直是个问题。当前，低碳电力系统的建设也己提上议事日程，因此不论是节能发电调度，还是清洁能源发电调度，如何与经济调度和市场运行相结合，都是需要深入研究解决的问题。

长期保护性价格政策分析所谓长期保护性价格政策，是指要求电力系统调度机构必须以一个被批准的(固定)价格全额收购被批准并网发电的所有低碳发电技术的发电量。这个长期保护性价格政策是一种强制性机制，主要是用行政手段保证低碳电力的成本回收。但是，目前这种结构的长期保护性价格政策会产生一种经济效率损失，这个经济效率损失类似于采用清洁能源发电调度所产生的经济效率损失。实施这个长期保护性价格政策是否能够保证对于低碳发电的投资稳步提高，目前还没有定论。可以有一种简单的方法来替代这个长期保护性价格政策方法，即采用投资税赋信用与直接经济补贴相组合的方法，这样做能够降低清洁能源发电的投资成本，但不会降低其运行成本。为激励这些清洁能源发电机组的经济、高效运行，应基于在实时市场中所投标的发电容量来确定经济补贴的数量，同时应遵循基于安全约束的经济调度基本原则。

输电网投资的政策问题分析低碳发用电技术进入市场的主要问题之一是如何确定一个合适的输电网扩容投资模式。对风力发电和太阳能发电，要尽可能采用分布式发电技术，以避免其他影响输电网安全运行与可靠供电的问题。如果不能够采用分布式发电技术，即可再生能源资源与用电负荷中心不在一处，那么输电网的扩容投资必不可少。

要想高效实现清洁能源发电并网，需要确定有多少输电网的投资成本应通过各种清洁能源发电技术之间的竞争而形成。清洁能源发电到底是采用分布式还是集中并网式，一定要与相应的输电网扩容投资成本联系起来。对于将太阳能发电集中并网送到远方的用电负荷中心的方案，或是在用电负荷中心直接安装屋顶太阳能发电的方案，前者需要输电网扩容投资但太阳能发电本身的成本可能较低，而后者基本上不需要输电网扩容投资但太阳能发电本身成本会高一些。另外，各种可再生能源发电方式可以相互替代，因此就有一个最优化选择问题。而输电网投资模式以及输电网投资成本的分摊模式对于可再生能源发电的最优化选择会产生重要影响。

中国己确定了8个千万千瓦级以上的风电基地，如何配置相应的输电网投资是全社会关注的问题。希望上述政策分析对于决策者有所启示。

展望目前，中国正处于电力市场改革和电力工业低碳转型的关键时期。基于这一特殊背景，探讨了如何综合考虑电力系统运行特性，充分发挥电力市场机制的作用，将低碳电力技术和清洁能源资源优化整合到现有市场体系中。低碳电力系统和低碳电力市场的形成和发展需要重新审视基础设施投资决策、新兴能源并网发电、清洁能源市场准入、电力市场价格形成等环节的原则和标准。从并网规则、定价机制、发电容量、基础设施投资等4个方而分析低碳电力市场设计所要解决的基本问题;揭示了低碳电力市场建设与政策制定的互补作用机理，提出了发展低碳电力市场的相关政策建议。希望能为政策制定者和相关部门提供新的思路，为促进中国电力工业的低碳发展提供一定的借鉴和启示。