激勵火電提供靈活性的容量補償機制設計

武昭原，周 明，王劍曉，夏 清，李庚銀

（1. 新能源電力系統國家重點實驗室，華北電力大學，北京市102206；2. 電力系統及大型發電設備安全控制和仿真國家重點實驗室，清華大學，北京市100084）

0 引言

自2015 年啟動新一輪電力市場化改革以來，中國電力市場建設取得了一系列實質性進展。截至2019 年底，8 個試點省份的電力現貨市場如期試運行［1］。隨著電力市場化改革的逐步推進，也暴露了一些問題，較為典型的就是以煤電為代表的火電（如無特指，本文火電均指燃煤發電）企業大面積虧損，部分火電企業甚至還貸難以為繼，以致宣告破產。其中的關鍵問題在于供需關系的變化以及價格信號的缺失。近年來，隨著能源轉型進程的加快，可再生能源比例的不斷提高，大量低邊際成本的可再生能源發電替代了火電機組發電，降低了市場價格以及火電的利用小時數，壓縮了火電機組的市場利潤［2］。在中國，未來火電機組將逐步由主力發電電源轉型為調節性電源，其作用更多地轉為保證系統的容量充裕度以及足夠的調節能力，起支撐新能源運行的作用。

中國正處于現貨市場建設初期，已有的現貨市場設計中僅統籌了電力電量的平衡，尚缺乏相應的容量補償機制。當前的單一電量市場僅能保障火電機組邊際運行成本的回收，火電機組以容量方式保障新能源消納產生的外部成本沒有得到回報，特別是隨著可再生能源接入比例的日益提高，如何正確評估以火電為代表的調節性電源作為可再生能源消納的靈活資源價值，以及確定適應中國電力市場建設的容量補償機制以提供有效的發電投資信號將是具有重要意義的研究課題［3-4］。由于火電機組的占比和代表性，因此本文選取火電機組為例，研究針對它的容量補償機制。

近年來，已有不少針對不同容量補償機制設計的原理和具體規則［5-6］、不同地區容量補償機制實施效果分析［7-8］的研究，以及基于系統動力學或基于代理模型（agent based model，ABM）評估不同容量補償機制對各市場環節的影響［9-14］?？傮w上來說，現有研究存在2 個方面的問題。一方面缺少對于容量補償機制設計的系統性分析框架，特別是容量補償機制對考慮網絡約束的市場規劃和運行影響的量化分析；另一方面，已有的研究大多基于國外成熟的電力市場，但考慮到中國各省電源結構、負荷特性、現貨市場建設等一系列的差異，如何確定合理的容量補償機制，保證市場的充裕性和靈活性等問題需要系統性的理論和方法。

為此，本文針對適應中國電力市場建設的容量補償機制設計方法展開研究。首先，分析了各類容量補償機制與中國當前過渡期電力市場情況的適應性。由于中國各省區電源結構、現貨市場發展情況均有差異，因此各省區應依據自身實際情況，確定不同的容量補償力度；同時考慮到容量補償機制與現貨市場運行的耦合關系，在實際確定容量補償額度時，應當考慮火電企業的決策行為對系統運行的容量充裕性與靈活性的影響。為此，本文建立了考慮容量補償機制的火電企業雙層決策模型，上層以火電企業預期收益最大為目標確定火電企業是否退出市場的決策行為，下層為基于各火電企業的決策行為的市場出清模型。最后，基于IEEE 30 節點系統和中國某省級實際電網驗證了所建模型的有效性，分析了不同容量補償價格（capacity payment price，CPP）對火電企業退出決策以及市場整體運行情況的影響，并分析了未來不同可再生能源滲透率場景對容量補償價格的影響。

1 容量補償機制必要性分析及分類

如果沒有容量補償機制，包括火電企業在內的發電商只能通過電能交易價格與發電成本的差額來回收其投資成本。已有研究指出，單一的電量市場往往難以為中長期投資提供足夠的激勵信號，這一現象當市場競爭不充分時尤為明顯［15-16］。為此，本章首先從當前單一電量市場存在的主要問題入手，分析了容量補償機制的必要性。在此基礎上，分別介紹了當前主要的幾種容量補償機制。

1.1 容量補償機制必要性分析

單一電量市場存在的問題可歸結為以下2 個方面:①物理性問題；②市場相關性問題［17］。物理性問題指的是電力作為一種特殊的商品，需要時刻在系統的各個節點保證供需平衡［18］。通常，為了規避現貨市場風險，市場主體的大部分電力交易通過遠期合約或場外市場提前鎖定。市場主體所簽的中長期合同與實際發用電的電力差額部分則需要在現貨市場進行交易。然而，電力現貨需要提前一定時間進行交易，由于電力生產消費固有的隨機性所導致的實時不平衡則需要系統有足夠的靈活性資源進行調節。也即:電力現貨市場在出清時難以完全準確捕捉到不同市場主體這種時空耦合的靈活性需求，需要其他的合理機制去保障此類靈活性資源的價值［19-20］。

市場相關性問題指的是現有某些市場機制或市場實際情況會在一定程度上限制電能量市場所提供價格信號的有效性。已有研究指出，若市場能滿足以下2 個假設條件，則單一電量市場可以在反映短期供求關系的同時，有效引導中長期電力投資:①市場是完全競爭的；②市場參與者風險中性且有理性的市場預期［21］。然而從目前電力市場的實踐情況來看，這些假設非常不切實際。首先，電力行業存在規模效益使得電力市場不可能是完全競爭的。此外，投資者通常是風險規避的，當市場中存在著較大不確定性以及電力本身的長投資周期都會使得投資者很難有足夠理性的投資預期［22］。從電力市場穩定運行的角度出發，市場設計者通常傾向于設置較低的價格上限，特別是在可再生能源比例持續提高、用電量增幅減緩的大背景下，電價下降，從而使火電的投資成本很難得到有效補償，最終導致資金缺失（missing money）以及市場缺失（missing market）。如附錄A 圖A1 所示［23］，市場的價格上限可能會降低原有的稀缺性租金，對市場機組收益產生影響。除此之外，中國正處于現貨市場建設初期，當前計劃與市場雙軌制下存在大量保障性用戶，采用目錄電價結算，大部分電力需求是非彈性的，短時間內需求側靈活性潛力難以被挖掘，高比例可再生能源電力系統所需的大量容量充裕性及靈活性仍然主要依靠供給側提供，而市場價格很難真實反映這類資源的價值［24-26］。

綜上所述，僅依靠單一的電量市場去實現資源的價值分配、維持市場的有效運行非常困難，引入適宜的容量補償機制是極為必要的，特別是針對中國當前電源結構的矛盾。只有通過切實有效的容量補償機制，在保障調節性機組收益的同時，為長期投資提供正確的激勵信號，才能保障系統的容量充裕性與靈活性。

1.2 容量補償機制分類

具體的容量補償機制可細分為以下6 類，各類容量補償機制的特點如表1 所示［17，23，27-28］。

1）新建機組的招投標制度:通過政府公開招標并管制、承諾給新建機組提供財政補貼或簽訂長期購電協議等方式刺激容量投資。

2）戰略性備用容量（strategic reserve，SR）:在電量市場之外，通過簽訂合同對一部分僅在容量短缺情況下（現貨市場容量不足或電價高于某一限定值）使用的發電容量或需求響應進行約定。在該機制下，一些面臨退役或停用的發電機組要求保持在備用狀態，以應對電力緊缺的情況。

3）定向容量費用補償:系統運營商通過設置固定價格的方式向特定的市場主體（如特定的機組類型或新建機組）購買容量。

4）集中式的容量市場:由市場運營商組織的獨立于電量市場之外的容量市場，發電企業通過集中競價的方式向市場運營商提供容量產品，從而回收投資成本。

5）分散式的容量義務:售電商或負荷聚合商有義務保證滿足其消費者需求所需的總容量。與集中式的容量市場不同的是，其沒有集中競價的過程，容量產品是通過雙邊協商的方式進行交易的。

6）全市場的容量費用補償:根據對未來所需容量的費用估計，向市場中所有符合條件的容量提供者按預先設定的補償價格基于裝機容量或參與市場電量支付容量費用。

表1 容量補償機制分類及特點Table 1 Classification and characteristics of capacity payment mechanisms

考慮到中國正處于現貨市場建設初期，大多數?。▍^）仍以月度中長期電量交易為主，電力交易產品不夠完善，且市場信息公開程度不足，市場透明度不夠，而容量市場獨立于電能量市場之外，主要通過市場競爭的方式形成相應的容量價值來實現發電容量成本回收，因此需要良好的容量需求預測以及市場管控手段，以及較為完善的信息披露政策。由此可見，在當前中國電能量市場仍處于摸索階段時，短期內難以開展容量市場。與此同時，當前面臨的主要問題之一是現有的火電機組大面積虧損，而針對火電機組的全市場容量補償機制可以有效緩解這一現狀，且這一容量補償方式對信息披露要求較低，不需要增加額外市場環節，與中國現有市場銜接性較好，相關的容量補償價格可由市場監管機構核定，整體可控性較強。為此，本文針對基于裝機容量的補償機制展開研究，分析該機制對火電企業是否退出市場決策行為、整體的成本回收，以及對現貨市場運行的影響，探索適應中國電力市場建設的容量補償機制設計方法。

2 考慮容量補償的火電機組雙層決策模型

在現貨市場環境下，某些高煤耗機組可能沒有參與能量市場的價值，但是在負荷高峰時段存在保障系統容量可靠性的價值；或是某些投資成本較高的高效率機組具有能有效提升系統調節能力的價值。但以上2 類機組由于所需要回收的成本較高，在單一電量市場中可能面臨虧損而選擇退出市場。如附錄A 圖A2 所示。通過適度的容量補償可以使其部分機組留在市場，一方面提升了系統的調節能力，減少某些新能源不確定性或波動性較大的場景下的棄風、棄光，提升了系統消納新能源的能力；另一方面有利于保證系統可靠性，降低失負荷概率，進而提高系統整體效率。

對于全市場的容量費用補償機制而言，政府會事先設定具體的容量補償價格。市場中的火電企業會依據所公布的容量補償價格，基于對自身的總預期收益做出是否繼續留在市場的決策，這一決策會影響現貨市場的運行情況，而現貨市場的運行結果也會影響各火電企業的預期收益。為權衡容量補貼成本與其所帶來的系統運行效率的提升效果，本文考慮了間歇性可再生能源不確定性和波動性對現貨市場出清結果的影響，將不同的容量補償價格作為輸入參數，構建了考慮容量補償機制的火電企業雙層決策模型。實際上，也可考慮政府的監管職能，構建多層均衡模型來直接求得最優的容量補償價格。這將作為未來的研究方向，在本文中不做討論。

2.1 上層優化模型

雙層模型的上層是以現有火電企業的當前水平年預期收益最大為目標確定各火電企業未來是否留在市場，具體模型如下所示。

式中:ΦGEN、ΦD、ΦT、ΦS分別為火電機組集合、等效水平年內典型運行日集合、每個運行日以1 h 為單位的24 個出清時段集合和實時運行場景集合；αi和βi分別為火電機組i 是否留在市場的0-1 決策變量以及相應的容量補償價格；C為火電機組i 在時段t的 發 電 成 本；λi，t和γs，i，t分 別 為 火 電 機 組i 所 在 節 點的電量和備用出清電價，即下層模型中約束（4）和約束（5）的對偶乘子；為火電機組i 的出清功率；θd為第d 個典型運行日的運行時間；和分 別為火電機組i 在場景s 下提供的上調、下調功率；為火電機組i 的出力上限；為年化的火電機組i 投資成本。

2.2 下層優化模型

雙層模型的下層為現貨市場出清模型，以市場運行成本最小為目標［29］。運行成本包括可再生能源不確定性成本、可再生能源棄電成本、失負荷成本，以及容量補償費用，具體模型如下所示。

下層模型中，式（4）和式（5）分別描述了日前和實時運行場景s 下的功率平衡約束；式（6）和式（7）分別表示日前及實時運行場景s 下線路l 的傳輸功率；式（8）和式（9）分別描述日前和實時階段線路l的傳輸功率限制；式（10）—式（13）描述了發電機調節功率的非負性和總出力限制；式（14）描述了實時切負荷功率的取值范圍。下層模型中出清結果的相關變量將反饋給上層，對于之前已選擇退出市場的機組，則反饋其退出前的出力計劃。

綜上，目標函數（1）和（3）以及約束（2）、（4）—（14）分別構成的上層、下層優化模型即為考慮容量補償機制的火電企業決策模型。

2.3 雙層模型求解

本文所提的雙層模型中，上層與下層模型均為混合整數線性規劃模型，可通過上層、下層模型迭代求解，求解流程如附錄A 圖A3 所示。詳細求解步驟如下所示。

步驟1:收集市場中現有火電機組的相關參數、需要回收的等效年投資成本，以及選取的當前水平年的負荷、風電和光伏等間歇性電源出力數據，而后采用K-均值聚類方法得到4 個季節典型運行日的凈負荷曲線和相應的運行時間，在模型中用θd表示。

步驟2:基于上述聚合得到的典型運行日凈負荷曲線生成考慮凈負荷不確定性的一系列實時場景和對應的場景概率。

步驟3:設置上層模型相關參數，其中包括火電機組決策變量αi（假設初始時，所有機組均留在市場內，即αi=1），容 量 補 償 價 格βi，初 始 化 迭 代 次 數G=0。

步驟4:將上層模型中的火電機組決策變量αi傳遞到下層，根據全年運行日出力的聚類結果，下層市場出清模型將在等效水平年內每一典型運行日重復求解，最終將生成的各典型運行日24 個時段的出清電價和火電機組出力計劃傳遞給上層。

步驟5:根據上層模型中各火電機組需要回收的年投資成本并結合下層中求解的出清電價和出力計劃計算上層初始目標的函數值，決定是否繼續留在市場，并將新的決策行為αi傳遞給下層。

步驟6:令G=G+1，若上層模型2 次迭代決定留在市場的總火電機組容量差大于設定的收斂判據時，則返回步驟4，進入下一次循環；否則，終止迭代求解，輸出此時的αi及下層模型的相關市場運行結果。若出現數次迭代中決定留在市場的總火電機組容量差相等，即出現振蕩現象，則取下層模型中目標函數較低時的結果。

3 算例分析

3.1 算例設置

本文以IEEE 30 節點系統為例進行算例分析，系統中共包含6 臺常規火電機組，各機組報價數據取自文獻［30］，失負荷成本設置為1 000元/（MW·h）。火電機組投資回收期限設為25 年，貼現率為8%，相關成本參數取自文獻［31］。在基礎算例中，在原系統節點20 處增加裝機容量為30 MW 的風電機組，以中國西北某風電場實際數據作為風電出力的預測值，并按裝機容量作等比例調整，預測誤差為20%。

3.2 容量補償機制效果分析

為驗證所提容量補償機制有效性，圖1 給出了不同容量補償價格下的火電機組決策行為以及系統運行總成本，其中總成本包括以下3 部分:容量補償費用、購電費用、輔助服務費用（含平抑間歇性電源不確定性所對應的調節費用和切負荷費用）。圖1（b）表示留在市場中的火電機組臺數。

由圖1 可以看出，隨著容量補償價格的增加，系統總成本呈現先增大后減小又逐漸增大的趨勢。特別是當容量補償價格達到某些特定數值（容量補償價格分別為15、20、30 元/（kW·月））時，即有更多機組選擇繼續留在市場中時，系統運行總成本會有明顯的下降。這主要是因為更多火電機組的加入有助于降低各節點邊際電價和相應的輔助服務成本，因此對應的系統運行總成本會有明顯下降。而隨著容量補償價格進一步提高，若沒有新的火電機組選擇留在市場或放棄退出的火電機組本身發電成本較高，則系統運行總成本會持續升高。也即:過度的容量補償會讓一些經濟性較差的本該退役的機組繼續留在市場，反而降低了市場效率。就本算例而言，容量補償價格為10～15 元/（kW·月）時系統運行總成本最低，即為最優的容量補償價格。

圖1 不同容量補償價格下系統運行總成本以及火電機組決策結果Fig.1 Total operation costs of system and decisionmaking results of thermal power units with different capacity payment prices

為進一步分析容量補償機制對系統實際運行的影響，圖2 給出了某典型日24 個時段對應的系統加權平均邊際電價以及輔助服務成本。

從圖2 中2 條電價曲線可以看出，適度的容量補償使得全時段系統加權平均出清電價都有了不同程度的下降，這種下降在負荷高峰時段尤為明顯。對比有、無容量補償機制下的輔助服務成本同樣可以看出，容量補償機制使上調及下調備用成本都有了明顯下降，這主要是因為容量補償機制使某些發電成本低但固定成本較高的機組留在了市場。此外，觀察某些時段下的上調、下調輔助服務成本可以發現，這些時段的輔助服務成本變化極大:如t=23 h 時，若沒有容量補償機制，則系統可能產生較高的下調備用成本，而容量補償價格為20 元/（kW·月）時，產生較少的上調備用成本的同時，下調備用成本降為0 元。這一現象主要是由于更多火電機組的加入在一定程度上改變了系統的日前調度方式，也就是說，適度的容量補償能夠優化資源配置，提升系統運行效率。

圖2 容量補償機制對市場出清電價和輔助服務成本的影響Fig.2 Influence of capacity payment mechanism on market clearing price and auxiliary service costs

為從分配效益的角度更直觀展現容量補償機制對火電機組的影響，圖3 給出了某火電機組在不考慮和考慮容量補償（容量補償價格為20元/（kW·月））2 種情況下的利潤（分別用L1 和L2 代表）變化情況，其中包含電能收益（R1）、輔助服務收益（R2）以及容量補償收益（R3）3 部分。圖3 中還展示了燃料成本（C1）、投資年分攤成本（C2），以及其他固定成本（C3）3 部分。

圖3 火電機組利潤分析圖Fig.3 Profit analysis graphy of thermal power units

由圖3 可以看出，當沒有容量補償或容量補償價格較低時，火電機組的市場總收益僅能覆蓋提供電能和輔助服務所需的燃料成本，而難以彌補需要支付的年分攤固定成本，只能選擇退出市場。只有當容量補償價格達到一定程度，使最終預期利潤為正時，火電機組才會選擇繼續留在市場。

3.3 可再生能源滲透率對容量補償價格的影響

為探索可再生能源滲透率對容量補償機制效用的影響，圖4 給出了不同容量補償價格及可再生能源滲透率下系統運行總成本熱力圖，其中深色代表較高的系統運行總成本。

圖4 不同容量補償價格及可再生能源滲透率下系統運行總成本熱力圖Fig.4 Thermodynamic diagram of total operation costs of system with different capacity payment prices and renewable energy penetration

從橫向來看，隨著容量補償價格的增加，圖4 所示系統總成本熱力圖呈現出與圖1 相似的趨勢，而隨著可再生能源滲透率不斷提高，如圖中紅圈標注的區域所示，最優的容量補償價格不斷增加。這主要是因為隨著可再生能源比例的提高，隨之而來的優先次序效應（merit-order effect）在降低系統出清電價的同時，也降低了火電機組的電量收益。盡管高比例的可再生能源意味著更多的輔助服務需求，但對于火電機組而言，整體收益是下降的，此時需要更多的容量補償才能使同一火電機組繼續留在市場，因此，熱力圖中呈現了向右傾斜向上的斷面。此外，從圖4 還可以看出，紅圈標注部分的顏色斷面較為明顯，這主要是因為這一容量補償水平下，選擇繼續留在市場的火電機組經濟性較好，發電成本和輔助服務成本較低，能較大程度地降低系統運行總成本，提升運行效率。

3.4 收斂性分析

為驗證本文所提算法的收斂性，附錄A 圖A4給出了不同容量補償價格下留在市場中的火電機組迭代收斂情況?？紤]到當容量補償價格大于25 元/（kW·月）時，全部機組均選擇留在市場，算法直接收斂，附錄A 圖A4 僅給出了有機組選擇退出市場的情況。

由附錄A 圖A4 可以看出，不同容量補償價格下最多經過4 次迭代即可收斂，收斂速度較快。相比之下，當容量補償價格較低時，迭代次數相對較多，這主要是因為當容量補償價格較低時選擇退出市場的機組相對較多，模型需要較多次數的迭代才可以收斂。

需要說明的是，盡管如附錄A 圖A4 所示，算例中不同容量補償價格下經過數次迭代均可收斂，但理論上仍然存在小幅振蕩的可能，這種振蕩現象可通過某邊際機組是否退出市場的決策困境來解釋:依據下層模型反饋到上層的出清電價，該邊際機組發現此時選擇留在市場較為有利，但在下一次迭代時，由于該邊際機組的加入導致出清電價降低，使該邊際機組收益不足，此時選擇退出市場較為有利，因而機組是否留在市場的決策可能會出現振蕩現象。一般來說，這種振蕩現象更多地出現在有2 種或多種決策的情形［32］，在本文單一決策中出現這一現象的根本原因是本文中容量補償價格是提前給定的，當某邊際機組需要回收的年投資成本恰好介于退出市場前、后的預期總收益之間時就會出現振蕩現象。當通過多層優化模型直接求得最優容量補償價格時，即可解決可能的振蕩問題。

3.5 基于某省級實際電網的容量補償機制實證分析

為進一步驗證本文所提容量補償機制在實際中的應用效果，選取某省實際火電機組數據進行實證分析，其中所涉及的火電機組容量及起始運行年份如附錄A 圖A5 所示。假設各機組均按照邊際成本報價，上調、下調輔助服務報價分別為邊際成本的1.1 倍和9/10。圖5 給出了不同容量補償價格下選擇繼續留在市場中的火電機組容量以及相應的系統運行總成本，其中總成本包括容量補償成本、系統購電成本和輔助服務成本。當容量補償價格分別為0、5、10、15、20、25、30、35、40 元/（kW·月）時，留在市場中的機組容量比例分別為57.3%、61.2%、65.9%、71.1%、77.2%、84.0%、86.8%、89.3%、91.5%。

由圖5 可以看出，隨著容量補償價格的增加，留在市場中的機組容量比例逐漸增加，但當容量補償價格較大（容量補償價格為25 元/（kW·月））時，此時再進一步增加容量補償對于市場中機組容量的影響已經非常有限。這一現象主要是由于，對于大部分機組來說，適度的容量補貼已經能有效緩解其虧損狀態，合理回收成本，因此在容量補償價格增長初期，選擇繼續留在市場的機組容量增長較快；但與此同時，中國電力市場改革前長久以來的計劃調度體制使某些低效率、高成本的機組一直存在，這部分機組與當前機組相比，平均競爭力相差較遠，在市場環境下，這部分機組能回收成本所對應的容量補償價格較高且相差較大，因而當容量補貼以同樣速率增長時，選擇繼續留在市場中的機組容量趨于飽和。這一現象也同樣反映在系統運行總成本變化中，適度的容量補償使部分效率相對較高的機組選擇留在市場中，有利于降低系統成本，提升效率。由圖5 還可以看出，當容量補償價格為25 元/（kW·月）時，系統運行總成本最低。而當容量補償價格繼續增加時，系統購電成本和輔助服務成本降低的幅度已無法彌補容量補償成本的增加，系統運行總成本呈上升趨勢，即存在過度補貼現象。

圖5 不同容量補償價格下系統運行總成本及留在市場中的機組容量比例Fig.5 Total operation costs of system and capacity proportion of unit remaining in the market with different capacity payment prices

4 結語

中國電力市場正處于由中長期電量市場向現貨市場的過渡階段，本文以火電機組為例，針對已有的單一的電能量市場無法真正反映火電靈活性價值的實際情況，旨在探索能有效激勵火電機組提供靈活性的容量補償機制。首先，分析了容量補償機制的必要性，梳理了國外成熟電力市場中幾種典型的容量補償機制，并以此為基礎分析了各類容量補償機制與中國國情的適應性。隨后，基于全市場容量補償費用機制，提出火電企業雙層決策模型能準確反映不同容量補償價格對火電企業是否繼續留在市場中的決策影響，進而體現容量補償機制對系統運行情況的影響，包括出清電價、輔助服務成本等。最后，通過IEEE 30 節點系統和中國某省級實際電網驗證了所建模型的有效性。算例結果表明適度的容量補償能明顯降低系統運行總成本，提升系統運行效率。

本文中容量補償價格需要由市場監管機構根據各地區實際情況和未來的預測情況核定，難免存在權責不對等或滯后性等問題。因此，隨著中國現貨市場建設的完善，如何以市場的方式精準發現未來容量需求，充分調動各市場主體的積極性，并制定與未來能源目標相一致的容量補償價格是未來容量補償機制研究的關鍵所在。

附錄見本刊網絡版（http：//www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx），掃英文摘要后二維碼可以閱讀網絡全文。