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容量市场4-PJM容量市场 采编

作者:郎木晨烟 2020年08月20日

  一、RPM之前的情况

  说说我最初看到容量市场时的感觉,一头雾水!首先,看到这几个字,我第一想到的是国内两部制电价的容量电价,再一看,根本两码事:一个是针对用户的收费,一个是对资源提供者的付费(虽然最终羊毛落在羊身上)。接着,我就又想到了备用(辅助服务里最“烦”的一种,有好多定义,各地区还不一样)。但也不是呀,备用是从运行控制角度给与既有机组的收益。容量市场算什么,不发电也拿钱,怎么这么特殊!看了一遍又一遍,总算是搞懂了。再重复一遍,不管是稀缺定价,还是战略备用,还是容量机制,根本目的都是为了确保资源充裕性从而实现可靠性指标,不仅仅是为了保证发电商的收益。

  PJM的可靠性定价模型(Reliability Pricing Model,RPM)是最大、最复杂的容量机制,很多电力市场其实并不需要。国际能源署还是将其列为典范,原因有三:首先,它是提倡利用市场力量激励容量投资的先行案例;其次,成功的在非常大的区域实现了确保资源充裕性的根本目标;第三,对其结构的研究可为了解其他容量机制提供借鉴。

  话说PJM是1997年被批准为ISO的,之前以联营体的形式存在了70年,彼时就对市场成员提出容量义务要求,以保证供电可靠性。容量义务的履行可以通过购买新机组的方式,也可以通过购买的方式。市场化改革初期,为了引入零售侧竞争,PJM市场引入了很多新的市场参与者(负荷供应商,Load Service Enterprises,LSE)。新的市场成员需要按照规则承担容量义务,但这些新成员的体量普遍很小,不可能购买新机组,只能从老牌电力公司那里购买容量义务。对于老牌电力公司来说,这些新的市场成员就是竞争者,市场力此时不用更待何时。

  为了避免这种情况,1999年,PJM引入了第一个容量市场,即容量信用市场(Capacity Credit Market,CCM)。CCM允许各LSE通过日前、月度和多月市场上的交易来实现自己的容量义务。

  经过几年的实践,发现了如下缺陷:只有不到PJM需求量10%的容量在市场上得以出清,机组的全市场收入(电量、辅助服务、CCM)低于新增容量的边际成本;CCM市场设计没有激励新建机组投资的措施;需求曲线设计不合理,容量价格波动大;没有考虑输电约束、导致局部局域的可靠性问题;未考虑除发电外的资源参与容量市场。

  二、RPM容量市场介绍

  CCM的运行效果使得PJM重新考虑容量市场的角色:容量市场应当是一种正式的市场机制,兼具行政监管和市场竞争的双重成分,以分配为保证特定可靠性而带来的容量成本。PJM重新进行了容量市场设计,2007年引入了RPM机制。下面我们按照市场的时序对RPM机制进行介绍,市场时序是这样的:

  PJM给出容量需求曲线;

  PJM组织竞拍,市场成员参与竞拍;

  中标机组在承诺期内履行容量义务;

  1. 需求曲线

  CCM采用垂直需求曲线,有很多缺点。首先,导致容量价格剧烈波动。当容量不足时,容量价格很快到达上限,而当新投入一台机组,又导致容量过剩,容量价格降到谷底。其次,容量变动门槛远小于1台机组的容量,无法激励新的投资,因为任何新资源的进入会造成过剩而导致价格下降,收益无法保证。为此,PJM引入了倾斜的带凸点的容量需求曲线,称之为变动资源需求(VRR,variable resource requirement)曲线,如下图:

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  与这张图密切相关的是以下几个参数:

  (1). R(region reliability requierment):区域可靠性需求,反映了PJM为满足可靠性指标所需的自然容量。正如在前文中介绍,该指标无法通过市场手段有效获取,需要由PJM行政方式确定,计算公式为:

  R = Lp*IRM*(1 - E) - FRR

  式中,Lp为PJM预测的区域峰值负荷;IRM对应满足可靠性指标设定的装机容量裕度,对应峰值负荷的百分数,PJM目前取值为1.15;E为机组的等效停机率,基于5年历史数据计算而来,拍卖前公开;FRR为LSE的容量自供应部分。

  关于FRR,各ISO要求不同,PJM允许容量自供应,但5年内要连续自供应,不能部分自供应、部分从容量市场采购,这部分比例大约为20%。

  (2). gross CoNE(cost of new entry):新建机组总成本,PJM参考的是联合循环燃气轮机(CCGT);

  (3). net CoNE:新进入机组净成本,对应机组在电量市场和辅助服务市场不能回收、需要在容量市场回收的成本。

  (4). Lr:PJM预测的可中断负荷的容量。

  A、B、C三点对应的坐标值为:

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  不考虑Lr和E,A点容量大约对应0.97倍容量裕度,价格对应上限;B点对应1.01倍容量裕度,价格为新建机组净成本;C点为1.05倍容量,价格为新建机组净成本的20%。

  B点为理想情况,对应系统容量满足可靠性指标并略有盈余,此时价格为机组在容量市场上需要回收的成本。B点向左,容量开始短缺,可靠性指标降低低,因此容量价格上升,提高了发电商的收益并发出了激励投资的市场信号。但为了防止发电商的市场力并避免出现价格尖峰,A点及其左设置了上限(容量价格帽)。B点右边对应容量过剩,容量价格下降,减少了发电商的收益并给出了减少投资的市场信号。到了C点及其右边,属于严重过剩,需要遏制投资,故容量价格为零。

  PJM的容量市场基于对未来的负荷需求,给出了长期稳定的价格信号,有利于市场成员做出正确的投资选择,在保证系统充裕性的同时又防止出现发电过剩现象。

  容量市场尽管独立运行,但与电量市场、辅助服务等其他市场是密不可分的,参数“net CoNE”体现了它们之间的紧密耦合关系。电量市场和辅助服务市场市场收益高了,容量市场收益就会降低,反之亦然。

  2. 容量竞拍市场

  (1). 市场组织

  PJM的容量拍卖市场为多重市场,包括1个基本拍卖市场(BRA,Base Residual Auction)、3个追加市场(Incrimental Aucton)和1个双边市场。

  容量市场的一大目的是引导投资,因此BAR需要考虑一定的提前量,以允许新的、未建成的容量参与竞争。PJM基于联合循环燃气机组的建设周期,设定为3年。PJM定义每年的6月1日到次年的5月31日为一个容量交付年(DY,Delivery Year),BRA在每个容量交付年的前三年的5月份举行。

  PJM规定,区域内可用自然容量(UCAP,Unforced Capacity)的现有机组必须参加BRA竞拍(这与CCM市场完全不同),区域外的机组、规划建设的机组、现有或规划的负荷资源、获得审批的输电升级计划可自愿选择参加。

  需求曲线由PJM提供,供给曲线由容量资源提供者的供给容量和报价确定,拍卖以最小化购买成本为目标函数得到市场出清结果,包括容量和价格。同电量市场一样,容量市场也是采用边际价格,最简单的出清点即需求曲线和供给曲线的交点,如下图所示:

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  以两组报价组合为例。S1有5个机组参与容量竞拍,第4个机组为边际机组,第5个机组由于价格太高,没有中标。D点对应的出清结果代表了充裕度不够,同时较高的容量价格也释放出了鼓励投资的市场信号。S2则是4个机组参与竞拍,第3个机组竞价容量大,成为最终边际机组。E点对应的出清结果代表了资源相对过剩,释放出了投资要谨慎的市场信号。

  得以出清的资源从PJM获得容量收益。PJM则通过地区可靠性费用(Locational Reliability Charge)将容量购买费用按负荷大小分摊给各LSE。

  BRA之后,RPM在每个容量交付年之前还有三次追加拍卖市场,以应对市场因素(负荷、机组建设等)的变化,安排时间分别为交付年提前20个月、10个月、2个月。

  BRA中标者可能由于项目延迟、取消或由于强迫停运等原因而不能按期交付容量,允许其在第1、3次追加拍卖市场中,购买其他市场成员的资源以替代原中标容量。

  第2次追击拍卖前,PJM重新进行负荷预测,如果高于BRA市场中预测负荷100MW及以上,则组织追加拍卖以弥补差额。此次拍卖为垂直需求曲线。

  下图引自谢开主任的著作,为PJM容量市场的组织形式

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  (2). 区域容量市场

  CCM年代,没有考虑地区输电约束,采用全市场统一的容量价格,结构导致区域容量短缺或过剩,带来了局部可靠性问题。RPM模式下,PJM将整个市场分为27个节点交付区域(LDA,Locational Delibery Areas),形成不同的出清价格。

  PJM的LDA见下图:

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  PJM各LDA的容量价格为下图,可见RTO(即PJM)容量价格为各价格下限,由于输电约束存在,RTO的容量价格不能满足所有区域的可靠性要求。

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  类似于电量市场的金融输电权FTR,PJM在RPM中也引入了容量输电权CTR(Capacity Trasmission Right)。

  3. 容量承诺和承诺期

  PJM默认承诺期为一年,特殊情况下可以延长,最长为3年。

  容量市场中标资源必须在承诺期内,保证提供约定的发电容量,在系统运行需要时被调用。首先,在系统短缺时,接受PJM的调度,以市场价格发电或削减负荷,实现发电充裕,保证系统可靠性。其次,PJM规定容量资源必须在日前电量市场报价,参与批发市场。前者体现了容量市场与稀缺定价机制的区别;后者体现了与战略备用机制的不同。

  PJM对未能履行其义务的容量资源实施惩罚:在未能履行义务的第一年,容量报酬减半,第二年降至25%,第三年取消。该惩罚办法不适用于水电以及太阳能、风电等波动性电源。

  三、RPM容量市场的运行效果

  从可靠性、灵活性和竞争性三个方面来衡量,RPM市场十分有效。容量市场的价格上升了,在PJM最需要容量的东部地区,市场收入可以激励新的CCGT机组投资。同时,RPM灵活性很强,适应了天然气和煤炭价格剧烈波动,兼顾了新的环保政策的重要影响,并考虑了需求的大幅增长和可再生能源的接入。

  下图为容量价格,2007年之前对应CCM模式,容量价格的上升有力的保证了发电机组的收益。

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  但容量市场并非对所有机组一视同仁,从实践效果来看,RPM鼓励投资新建联合循环机组(CC),一定程度上鼓励新建燃气机组(CT),不鼓励新建煤电机组(CP)。

  近年来美国提高了环保要求,在PJM的2014/15的容量市场直接得以体现,PJM的容量价格提高了34%,有效覆盖了环保升级带来的成本增加。部分老旧机组由于环保改造费用过高,而在容量市场没有中标,不再具备经济性而选择了退役。

  容量市场对需求侧资源也起了很好的激励作用,2011年,PJM市场向需求侧资源支付总量的97.7%来自容量市场,即4.87亿美元。同期,需求侧资源在电量市场仅获益200万美元,在旋转备用市场的获益也只有940万美元。可见,容量市场可以有效的激励新技术的使用。

  2012年,PJM批发电价构成如下(总电价为$47.77/MWh),可见容量市场已经成为PJM市场不可或缺的一部分:

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  美国最新一轮的容量市场(2021/2022年交付)的拍卖于2018年2月8日揭晓,市场出清价格为8.40英镑($10.77)/千瓦年,出清容量共计5041万千瓦。假设机组装机1000MW,年容量收益为1077万美元。假设该机组同时参与电量市场,年利用小时数为4500h(PJM装机1.8亿千瓦,年发电量在8000亿千瓦时,推算而来),从上图中的电能电价为$35.23/MWh,电量市场的收入为1.6亿美元左右。貌似差别很大,但是前者是纯利润,而后者包含燃料、运维(含人工)、排放等成本费用。

  尽管取得了不错的效果,证明了容量市场的可行性,PJM的RPM模型在需求曲线变动、有限需求资源参与、净收益补偿延迟等方面还存在不足,需要不断完善。

  下一篇介绍腐国的容量市场,最后把几个容量市场对比下,容量机制就告一段路了。这几篇的标题起得有问题,不应该是容量市场1、2、3,应该是容量机制1、2、3,一开始就错了,公众号文章内容可以改,但是标题改不了。

  本文参考文献:国际能源署著作、《全球电力市场演进》、谢开主任著作。

*文章为作者独立观点,不代表甘蔗网立场,除来源是“甘蔗网”外 文章来源:电力市场那些事儿

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标签: 电力科普

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