中國儲能網(wǎng)訊：張柳潼 水石能源咨詢
01
背景
在電力市場中，資源充裕性和可靠性是非常重要但也難以解決的市場設計和政策問題。政策制定者可能會更喜歡超出純能量市場所能提供的更高水平的可靠性和資源充裕度。
資源充裕度是系統(tǒng)中供需雙方資源滿足負載的能力。一個地區(qū)的資源充裕度標準是由監(jiān)管機構通過行政手段制定的，通常會用失負荷期望值（Loss of Load Expectation, LOLE）或失負荷概率（Loss of Load Probability, LOLP）來表示1。該標準會被列入規(guī)劃要求，以保證目標容量儲備裕度高于預測峰值負荷。但純能量市場無法從根本上確保產(chǎn)能投資達到目標容量儲備裕度要求。
為了有效解決這一潛在問題，越來越多的競爭性電力市場（如PJM、ISO-NE、NYISO、英國、愛爾蘭等）引入了容量市場。這些市場使用由監(jiān)管機構或系統(tǒng)運營商確定的競爭流程來識別和吸引合格的資源，以滿足儲備裕度要求，達到資源充裕度目標。
這些容量市場的成熟度不同，但都在不斷發(fā)展中。PJM、ISO-NE和NYISO的容量市場均起源于1999年至2005年期間，并在2000年代中期推進。英國容量市場是通過2013年立法建立的，而愛爾蘭容量市場則在2018年重新進行了設計。
容量市場為電力系統(tǒng)提供了以下幾個好處：
它為符合條件的資源提供額外的收入來源，以彌補他們在能源和輔助服務市場想要達到的預期收入和他們?yōu)闈M足資源充裕度標準所獲得的收入之間的差距。
相比純能量市場，它能降低符合條件資源的收入波動。這可以降低風險，使投資更具吸引力，還可降低融資成本。
它能使消費者受益于更高的可靠性，雖然消費者要在需求預測方面承擔一定的風險。
基于市場方法的競爭規(guī)則可以確保容量所需的投資和維護盡可能高效和透明地完成。在理想情況下，容量市場可以準確反映資源充裕度在任何時間點上的邊際成本和價值。
每個容量市場設計都必須回答以下問題：
什么是容量產(chǎn)品？
容量產(chǎn)品的資格預審規(guī)則是什么？
需要多少容量產(chǎn)品？
市場定價機制是什么？
產(chǎn)品交付有哪些保證？
誰支付費用？
在這篇文章中，我們將討論不同的容量市場是如何解決這些設計問題的，以及其中一些設計特點是如何在不同的國家和地區(qū)中隨時間而演變的。
02
什么是容量產(chǎn)品？
由于容量市場的目標是確保資源充裕度，因此容量產(chǎn)品的定義必須對應于資源充裕度的兆瓦“需求”，并且必須有與可靠性目標一致的明確義務。一個容量產(chǎn)品的典型定義是具有兆瓦容量供應義務，是可用的或能運行的，能向系統(tǒng)提供至少與他們所承諾的一樣多的可靠性價值，期限通常為一年，會因未能執(zhí)行而受到處罰。換句話說，容量供應義務是在需要時提供能源和輔助服務，會因不可用或不執(zhí)行而遭受處罰。
此外，還有需要確定交付容量產(chǎn)品的遠期期限。早期的容量市場實際上是短期現(xiàn)貨市場，需要在采購后幾天或幾個月內(nèi)交付產(chǎn)能。然而，短期市場限制了新的潛在進入者參與市場的能力。競爭減少，增加了現(xiàn)有發(fā)電企業(yè)行使市場勢力的可能性。
隨著時間的推移，大多數(shù)容量市場（NYISO除外2）的遠期期限已經(jīng)變?yōu)榱烁L的三到四年，以此降低新進入者的投資風險，促進競爭。雖然更長的期限有助于促進市場競爭并降低成本，但它會帶來一些由于負荷預測的不確定性所產(chǎn)生的風險。因此補充拍賣被引入遠期容量市場，以便隨著負荷預測變得更準確以及考慮可獲得的資源容量在接近交付日期時發(fā)生的變化，進行平衡調整。
早期容量機制采用的是系統(tǒng)的容量義務，沒有考慮到傳輸擁塞和本地可靠性指標，這導致一些地區(qū)會出現(xiàn)容量短缺和可靠性的問題?，F(xiàn)在，大多數(shù)國際容量市場對不同區(qū)域都有不同的容量要求和定價，后者還能反映其傳輸能力限制。
近年來，業(yè)界一直在討論將“燃料安全”和“清潔”屬性納入遠期容量市場的考量范圍。例如，PJM一直在考慮對其容量市場施加限制，以確保擁有最低數(shù)量能滿足燃料安全要求的容量。3幾個美國的容量市場（PJM、ISO-NE、NYISO）也一直在考慮將清潔屬性（clean attributes）整合到其容量市場中，以應對發(fā)電燃料組合向產(chǎn)生更少或零溫室氣體排放資源的轉變。
03
容量產(chǎn)品的資格預審規(guī)則是什么
容量產(chǎn)品的資格預審規(guī)則是整個市場設計中最具爭議的方面之一。為了減少爭議，最好的國際實踐包括：
使用技術中立的思路來制定資格預審規(guī)則，這要考慮所有現(xiàn)有和計劃中的資源，包括傳統(tǒng)的火力發(fā)電容量、需求響應、進口、光伏、風能和儲能。
經(jīng)過評級來確保所有資源都是合格的，保證每兆瓦容量提供相同的邊際可靠性值。
具體的資質授權規(guī)則在不同的管轄區(qū)中略有不同。
對于可調度的火力發(fā)電容量，大多數(shù)市場依賴于同一種方法，即根據(jù)預期的計劃內(nèi)和計劃外停電頻率調整資源的裝機容量，確保能在供應短缺期間提供容量。
對于太陽能、風能、儲能和需求響應，許多市場已開始使用基于有效負荷承載能力（Effective Load Carrying Capability，ELCC）的方法，以等效的最終可用容量來顯示間歇性和電量有限資源的容量貢獻。ELCC的計算依賴于電力不足概率（LOLP）模型，該模型模擬了電力系統(tǒng)幾十年在不同負荷和資源條件下的運行情況。該模型可用于比較間歇資源和電量有限資源的可靠性貢獻，得出其容量貢獻如圖1所示。
圖 1：ELCC 的計算圖片
A：計算具有所需間歇或電量有限資源系統(tǒng)的可靠性值
B：從系統(tǒng)中移除間歇或電量有限資源，增加固定容量，直到系統(tǒng)可靠性值等于步驟A
間歇或能源有限資源的ELCC即是步驟B中所增加的固定容量
在ELCC方法下，太陽能和風能的容量貢獻隨著其滲透率的增加而下降。此外，ELCC方法能反映太陽能和風能發(fā)電的季節(jié)性模式；PJM和新英格蘭也因此引入了允許容量資源季節(jié)性匹配的方法。
04
需要多少容量產(chǎn)品？
在容量市場中，需求曲線確定了在每個容量數(shù)量下的最大支付意愿。需求曲線的設計與滿足可靠性指標目標一致，即采購足夠的容量以滿足所預測的年度負荷高峰加上所需要的儲備裕度。
早期的容量市場機制是使用垂直需求曲線的，它解決了與資源充裕度要求相等的固定數(shù)量的裝機容量。這意味著，比固定容量稍低的每兆瓦容量可靠性價值實際上就是價格上限，比固定容量稍高的每兆瓦容量可靠性價值即為零。這導致價格波動和新投資者的不確定性過大，也使容量市場更容易受到市場力的影響。
從早期的容量市場設計中得出的修改經(jīng)驗是：使用向下傾斜的需求曲線，這能讓在資源充裕度要求附近的容量價格變得平穩(wěn)。當容量充裕度降低，價格上升，發(fā)出激勵發(fā)電商投資的價格信號，但設置了價格上限確保價格波動不會過大；當容量過剩，價格下降，降低新投資者進入市場的熱情。圖2是國際容量市場使用的各種需求曲線，每一條都是根據(jù)其特定的市場條件量身定制的。
圖2：美國和英國容量市場需求曲線
來源：The Brattle Group
PJM Interconnection, "2021/2022 RPM Base Residual Auction Planning Period Parameters," February 2018.
ISO New England, "Forward Capacity Market (FCA 12) Result Report," May 2018.
New York Independent System Operator, "ICAP Translation of Demand Curve (Summer 2018)," March 2018.
McNamara, Fergal, “Capacity Market,” United Kingdom Department of Energy & Climate Change, June 25, 2014.
需求曲線由三個關鍵特征組成。
可靠性指標：需求曲線的數(shù)量點是根據(jù)維持電網(wǎng)可靠運行所需的可靠性指標建立的。即使在多變的供需條件下，需求曲線的設計也必須符合該標準。
新進入容量的凈成本（Net CONE）：需求曲線的定價點是基于Net CONE確定的，即所預計的長期邊際供應成本或在需要時吸引新資源所需的價格。
需求曲線形狀：大多數(shù)地區(qū)的需求曲線都是向下傾斜的，與垂直曲線相比，它們有著可靠性、定價和競爭優(yōu)勢。向下傾斜的曲線分別以可靠性指標和新進入的凈成本為橫縱坐標軸，擁有清晰的特定形狀、位置和參數(shù)，如價格上限、數(shù)量上限、斜率（s）、寬度和x截距。這些所有選擇都會影響容量拍賣的結果，包括采購的容量數(shù)量、可靠性、消費者成本和價格波動。
05
市場定價機制是什么？
國際容量市場采用統(tǒng)一出清價格拍賣，所有取得資質的資源每兆瓦容量獲得相同的邊際價格（圖3）。統(tǒng)一定價可以激勵供應商以成本價供貨，這有助于確保以最低成本采購容量，并為投資和消費提供有效的長期信號。
圖3：統(tǒng)一價格
容量資源的默認交付期限通常為一年。盡管如此，一些容量市場（如英國、ISO-NE和愛爾蘭）允許新資源和翻新資源的出清價格“鎖定”多年。人們認為，這種方法有助于減少收入的不確定性，從而有助于降低資本密集型新資源或翻新現(xiàn)有資源的融資成本。
表1：容量市場的鎖定價格
06
產(chǎn)品交付有哪些保證？
收到容量費用的供應商將承擔參與電能量和/或輔助服務市場的義務，以及參與計算合格容量級別所需的性能測試和數(shù)據(jù)收集活動。
容量績效激勵和懲罰對于鼓勵績效和鞏固容量產(chǎn)品的價值非常重要。隨著時間的推移，ISO-NE和PJM都引入了更為嚴格的績效激勵系統(tǒng)，極大地激勵了供應商在系統(tǒng)短缺的情況下提供更多的能源。
ISO-NE發(fā)展了績效激勵的概念方法，因為人們越來越擔心容量可用性和績效的歷史衡量標準與實際需求之間的聯(lián)系并不充分，并且對資源績效的實時激勵不足。5 一些舊資源收取了容量費用，但在需要使用時卻很少有所表現(xiàn)。此外，新英格蘭地區(qū)持續(xù)的冬季“寒流”和天然氣管道限制表明，一些資源在緊急情況下無法提供能源，但仍然在收取容量費用。解決方案是為容量費用設立一種兩階段的結算機制：（1）發(fā)電商以容量拍賣出清價收取容量費用；（2）對在發(fā)生緊急事件期間表現(xiàn)不佳的容量賣家進行處罰，所收取的罰款作為獎金獎勵給表現(xiàn)優(yōu)秀的供應商。6
在2014年極地渦漩事件表現(xiàn)不佳后，PJM采用了ISO-NE的設計，并進行了輕微的修改。極地渦漩在整個PJM市場區(qū)域造成了長時間低溫，導致發(fā)電機宕機情況遠比預期嚴重。7
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容量市場如何回收成本？
在國際容量市場中，容量成本分配給消費者或為終端用戶提供服務的零售商，并與他們在高峰時段所承擔的負荷成比例。這種費用分配機制可以有效促進消費者在高負荷時段減少需求。
PJM的容量成本是根據(jù)一年中五個高峰時段的實際消耗分配的8。每個消費者的峰值負荷貢獻（PLC）是根據(jù)其在（5個）峰值期間的消費量計算，每個零售商都有義務反映其所有消費者PLC的總和。
ISO-NE市場中，容量成本是根據(jù)一個負荷峰值來分配的。9 與PJM類似，ISO-NE有相對較高的峰值負荷，因此它尋求將容量價格信息集中在一年中最高的負荷小時。容量成本的分配根據(jù)上一年中整個系統(tǒng)相同峰值負荷期間的消耗情況進行。
英國容量市場依據(jù)的是較為寬泛的高峰期定義。10 英國將11月至2月期間任何工作日的17:00 - 19:00時段定為高峰時段或“高需求時段”。消費者將依據(jù)其在這些期間的消耗量（MWh）被收取費用。
注釋（上下滑動查看）
1.例如，許多北美地區(qū)的電力不足標準是十年發(fā)生一次失負荷事件(1-in-10)，而英國的供電安全標準則是每年三小時的電能不足期望值。
2.NYISO曾在不同場合研究過轉向更長的遠期期限的好處。研究普遍得出結論，雖然從可靠性和新資源開發(fā)激勵的角度來看，較長的遠期可能會帶來好處，但考慮到當時的市場和系統(tǒng)條件以及現(xiàn)有結構的成功經(jīng)驗，轉向更長的遠期是既沒有必要也沒有保障的。
3.PJM, Fuel Security Senior Task Force, accessed May 2019. www.pjm.com/committees-and-groups/closed-groups/fsstf.aspx
4.S&P Global, PJM stakeholders mull creating a market for clean energy resources
5.ISO New England (ISO-NE) (2017a), “FCM Performance Incentives Key Project.” Posted at: https://www.iso-ne.com/committees/key-projects/fcm-performance-incentives
6.See PJM Manual 18, Section 8.4A. See also p. 8 of Borgatti, Michael, “Comparison of Performance-Based Capacity Models in ISO-NE and PJM,” June 2, 2016. Posted at:http://www.pjm.com/~/media/committees-groups/task-forces/urmstf/20160602/20160602-item-09-pay-for-performance-and-capacity-performance-comparison.ashx
7.PJM Interconnection, L.L.C., 151 FERC ? 61,208 (June 9, 2015).
8.PJM, Manual 18: PJM Capacity Market, Section 7 (pp. 149-155), January 2019.
9.ISO-NE, Demand-Side Settlement – FCM Charges, October 2018.
10.EMR Settlement Limited, G12 – Supplier Capacity Market Demand Forecast, June 2018.
（本文原文為英文，由eo實習記者劉昭宏翻譯，eo記者姜黎編輯，已經(jīng)作者本人審定）
