电力市场环境下如何保证发电容量的充裕性

为实现“双碳”目标，我国可再生能源高速发展，装机规模正在稳步扩大，能源结构进一步优化。然而，可再生能源出力的不确定性给电力供给的稳定可靠带来了挑战；同时，受可再生能源挤压的传统火电机组正加速退役，增加了我国电力系统容量短缺的风险。因此，在电力市场化改革的背景下，如何通过设计有效的市场机制来保障发电容量的充裕性再次成为业界关注和探讨的热点问题。

近年来，学术界对容量充裕性机制已开展不少研究，但尚未定量评估不同充裕性机制在引导系统最优容量方面的效果。本文的主要工作如下：

1）针对稀缺性定价、容量拍卖和引入可靠性期权的容量拍卖这三种机制，通过理论推导证明三者引导系统最优容量的等价性。

2）考虑系统实际停电小时数和机组实际出力的不确定性，分析三种机制下发电商在系统最优容量点的收入差异性。

3）结合我国的国情，提出设计容量充裕性机制时的建议和值得关注的问题。

图1 主要研究内容

研究内容一：确定性下三种容量充裕性机制引导最优容量的等价性

本文首先对三种容量充裕性机制在引导系统最优方面的等价性进行了研究。当社会福利的增益为零时系统的社会福利最大，此时系统的总发电容量为最优容量，对应的容量最优性条件为新建单位容量的年化投资成本等于稀缺时刻的毛利润。

在稀缺性定价机制下，为了以负荷停电损失来衡量用户的购电意愿，将能量市场在电力稀缺时刻的实时电价设定为用户的失负荷价值。当发电商新建单位容量每年在电力稀缺时段获得的毛利润大于单位容量的年化投资成本，发电商将有动力继续投资扩容，并导致系统预期停电小时数逐步减少，直至新建容量的预期毛利润降低至其边际投资成本。此时，新建单位容量的边际成本等于其边际毛利润，亦等于其边际价值。因此，稀缺性定价可以引导系统的最优容量。

在容量拍卖中，系统运营商通过集中竞价的交易方式来获得容量，并组织额外的双边交易市场来校准预测误差。发电商在容量拍卖市场得到一笔稳定的容量收入，回收部分投资成本。该部分容量收入减轻了发电商在能量市场回收全部成本的压力，因此系统运营商将能量市场稀缺时刻的价格上限由失负荷价值P_VOLL限定为某一相对较低值P_cap。发电商新建发电容量的年投资成本将从能量市场和容量市场共同收回，因此新建机组的容量报价为年投资成本与能量市场的预期毛利润之差，现存机组参与容量拍卖时仅报量不报价。容量拍卖如图2所示，由出清结果可知机组获得的毛利润亦等于系统新建容量的边际成本。因此出清容量C_clear为系统的最优容量，即容量拍卖也能引导最优容量。

图2 容量拍卖的出清示意图

在可靠性期权的机制下，发电商与用户提前签订一定数额的中长期期权合约，并确定行权价格P_strike，同时用户需要支付给发电商一笔期权费。当能量市场的实时价格高于行权价格时，用户要求执行期权，发电商需要将期权费返还给用户。发电商新建单位容量的毛利润与发电容量的边际投资成本相等，也满足最优性条件。因此引入可靠性期权的容量拍卖也能引导最优容量。

综上所述，在假定用户愿为避免停电而支付的费用等于其失负荷损失 (即用户完全理性)的前提下，三种容量充裕性机制均能引导系统建设至最优容量C^*，对应的最优停电小时数为H^*，发电商新建单位发电容量获得的预期收入为P_VOLL×H^*，如图3所示，且机组在稀缺时刻的毛利润与其边际投资成本相等。

图3 三种机制引导最优容量时的发电商收入

研究内容二：考虑不确定性下三种容量充裕性机制的对比

三种机制在确定性条件下引导系统的最优容量具有等价性，此时发电商获得的收入相等。但是当系统停电小时数和机组出力发生预测偏差时，将对发电商的收入产生影响。

在三种容量充裕性机制下，考虑不确定性时机组收入的期望仍是相等的而方差有所不同。稀缺性定价机制下，参与投资的发电商根据自己对未来系统停电小时数的预测确定投资规模，且无法获知其他发电商的投资决策，因此通过稀缺时刻收回投资成本的风险较大。在本文所假定的奖惩机制下，容量拍卖以及容量拍卖+可靠性期权本质上是锁定系统预期停电小时数的看涨期权。本文奖惩机制的设定使得机组的出力偏差以失负荷价值来奖惩，与稀缺性定价等效，这种期权并没有降低机组出力变化带来的风险。而在停电小时的偏差时刻，机组预期出力的收入将以较低的价格帽结算，相较于稀缺性定价降低了停电小时偏差带来的风险。因此，这两种机制相较于稀缺性定价降低了发电商获得收入的风险。