电力市场环境下发电容量成本回收方式的讨论.docx

电力市场环境下发电容量成本回收方式的讨论摘要：新型电力系统相对传统电力系统的一个最大的变化是电源结构的变化：煤、气等化石能源发电的电源装机比例和利用小时降低,风、光等零/近零变动成本发电的电源装机比例和发电比例升高。这种情况下，发电的容量成本如何回收，如何更好反映到电价中，是电力市场机制设计需要考虑的重要的、核心的内容之一，但目前无论在国内还是国外都尚未达成广泛的共识。本文从经济学中成本、均衡等的基本概念和理论出发，对电力市场下发电容量成本回收方法，以及电价形成机制进行讨论，涉及的理论和定价机制包括：共同成本分摊理论、拉姆齐定价理论、边际成本定价理论、多产品定价理论、容量补偿机制、变动成本补偿机制等。本文总共23000字左右，预计阅读需要80分钟。引言电力市场环境下，发电容量成本回收的相关问题，如容量成本通过何种方式回收、如何反映到相关产品的价格中，如何通过市场机制引导充足、合理的电源的投资，是重要的、必须解决的问题，有时候也被称为“容量机制"问题、”发电容量充裕度”问题或“容量市场”问题，是电力市场机制设计的重要内容。但关于解决该问题的最佳方案尚未达成共识。美国PJM电力市场的容量市场机制在我国受到了较多的关注，作为我国容量市场设计的重要参考。但是，在PJM独立市场监管机构IMM(IndependentMarketMonitorforPJM)在2024及同时与生产A和生产B相关的成本Clo企业如果对产品A和B定价，需要考虑如何将公共成本Cl分配到两个产品A和Bo令上述例子中的企业为某发电机组，产品A和产品B分别为时段1和时段2的电力，与产品A和B直接相关的成本Csl和Cs2分别为时段1和时段2的燃料成本，A和B的共同成本Cl为机组的容量成本，就可以把发电容量成本分摊问题看为一个典型的共同成本分摊问题。有很多关于共同成本分摊的方法。但由于共同成本常常并不直接与产品的生产相关，因此其分摊方法常常是多解的（多解的含义是，有多种分摊的方法，都可以实现收支平衡的结果），而不同的方法之间在一些情况下没有绝对的优劣之分（在一些情况下等价的分摊方法,在改变相关边界条件、增加相关信息或增加相关目标、约束后可能不再等价，比如在考虑参与理性和收支平衡两个约束下，不考虑用户弹性的情况下一些方法是等价的，但考虑不同用户的价格弹性的差异后,不同的分摊方法从对社会总福利的影响角度可能不再等价）。在选择容量成本分摊的方法（或者说分摊机制）时，需要先确定机制的目标。根据机制设计理论,好的机制需要满足四个方面的目标：激励相容、参与约束、最优（即社会福利最大，或者说有效）及预算平衡（或者说收支平衡）。已经证明，对双边报价的交易（供需双方都报价，意味着考虑用户的需求弹性的不同），不存在同时满足四个目标的机制。因此，不同的容量成本分摊方法可以认为是在不同目标之间的选择。本文的后续分析中，在一些场景下会给出多种不同的容量成本分摊方法，实际市场中可以根据具体的目标在多个方案之间进行选择。2. 2拉姆齐定价拉姆齐定价是一种多产品定价方法，是在按经济学的最优定价机制即边际成本定价机制下企业无法收回全部的成本时，在保证企业回收全部成本的基础上最小化社会福利损失的定价方法，是一种次优定价方法(前述已经介绍机制设计有四个目标，其中一个是社会福利最大，由于双边报价下无法设计出同时满足四个目标的机制，可以在保证其他三个目标满足的情况下，尽量减小设计的机制下社会总福利与最大社会福利的差)。拉姆齐定价的基本原理是，各产品的价格偏离边际成本的程度，与相关产品需求的价格弹性成反比。以发电容量成本分摊问题为例，如果按边际成本定价方法发电机组无法回收共同成本一一容量成本，则容量成本可以按拉姆齐定价的原则分配到不同时段的电力产品。比如，假设时段1和时段2的价格弹性分别为el和e2,则根据拉姆齐定价原理，两个时段的电能价格应满足以下公式：(1) (Pl-Csl)/(P2-Cs2)=e2el(2) (Pl-Csl)*Ql+(P2-Csl)*Q2=Cl(3)Ql=al-bl*Pl(4)Q2=a2-b2*P2其中，式(1)为拉姆齐定价公式，(2)为收支平衡约束，(3)和(4)分别为产品A和产品B,即时段1的电力和时段2的电力的需求函数。式中，Pl、P2分别为产品A和产品B的价格，Ql和Q2分别为产品A和产品B的需求量；al、a2、bl、b2均为需求函数中的参数，为固定的常数。上述四个公式中，有四个未知的变量：Pl和P2,QI和Q2。联立求解方程即可以得到两种产品的价格Pl、P2和需求量QI、Q2o拉姆齐定价提供了一种作为共同成本的容量成本在不同时段的电力之间分配的方法，前提是已知不同时段的用电的需求弹性。如果各时段的需求均为固定值，即需求弹性为0,则拉姆齐定价失效，共同成本的分摊方法将是多解的,无法从社会福利角度对不同的分摊方案进行比较,但可以根据对相关成本的分析确定分摊需要满足的一些基本要求。三、市场均衡价格的形成机理(3) 短期与长期在进行市场机制方面的创新性的研究中，对相关经济学概念的深刻、准确的把握非常重要。一方面，可以实现一些突破性的、基础性的创新；另一方面，可以避免设计出“反直觉”的机制（市场实际结果和预想的目标相反），以及缺乏全局性的机制（解决了一个问题,但产生了另外一个问题）。容量成本是一种持续较长时间，或者说在较长时间情况下才可以变化的成本。在容量成本分摊相关机制的设计中，对“短期”和“长期”，以及相关的短期/长期成本的概念的深刻理解非常重要。经济学中，短期和长期是与产品的具体生产特性相关的一个概念。对某个产品生产，长期指所有生产资源（或者说投入品）都可变的时间。而对某时间范围只要有一种投入品的数量不可变，就是短期。对燃煤发电来说，假设有两种投入品：煤和机组。长期就是可以对机组的规模即容量进行变动的时间，比如可以根据负荷增长情况建设新的机组，增加发电容量。而小于长期的时间就都是短期。在长期，由于所有资源都可变，因此在理论上，如果有足够的时间（市场的供给和需求变化比较慢），市场可以达到最佳的规划（比如对于发电来说，最佳的规划意味着系统中发电总容量、各类发电的容量、各类发电的位置都是最佳的，即长期看总的发电成本最小）和最佳的运行状态（比如对于发电来说，最佳的运行状态意味着短期看，在已知各类发电的容量的情况下，满足一定负荷的总的发电成本最小）。在短期，由于某些资源无法调整，因此只能达到在某些资源固定的情况下的最优状态，其是一种局部最优，不一定是全局最优的状态。比如，如果当前发电装机已经过剩了，短期只能通过对发电调度方案的优化促进短期可变成本，即燃料成本的最小，无法对装机容量进行调整。但在长期，包括机组容量在内的所有资源都可变，因此可以达到最佳的装机规模：如果当前发电容量过剩，市场促进一些发电容量退出；如果当前发电容量不足，市场促进新的发电容量进入。需要注意的是，前述分析中，假设市场的需求和供给变化比较慢。如果供给和需求快速变化，市场可能总是在向均衡调整的过程中，无法实现真正的最优的均衡。总结：假设供给和需求变化缓慢（有充足的时间进行各种资源的调整），长期均衡下，可以实现最优规划和最优运行；但在短期均衡下，只能实现某个现有发电结构下的最优运行。3. 2市场均衡【均衡的基本概念】对竞争性的市场，价格是在所有市场参与者的行为共同作用下产生的，是市场均衡的结果。这里对市场均衡下的价格进行分析，包括短期的均衡和长期的均衡。（什么是均衡？均衡与一般的优化的关系是什么？简单的说，优化重点考虑的是某个主体的决策问题，是在已知相关参数、一定约束下寻求最优的行动方案的过程，优化的目标可以是单一的，也可以是多元的；均衡问题与优化的最主要的区别，是强调多个主体之间的博弈、强调主体之间决策的相互影响，均衡是在多个主体之间决策行为相互影响的情况下达到的一种整体的平衡状态，这种情况下所有主体都达到了平衡。）【市场均衡下的边际成本与价格】首先回顾下经济学中”成本“（即经济成本）的概念：成本是生产一定产品的最低总费用。注意定义中”最低”这两个字，其意味着，如果生产一定数量的产品有多种方案，我们关心的是费用最低的方案,这个方案下的成本才是经济学中关注的成本。在此基础上，这里以燃煤发电机组为例，分析四个成本相关的概念：短期边际成本SRMC,短期平均成本SRAC,长期边际成本LRMC,长期平均成本LRAC（"S”和“L”分别为Short和Long的缩写，“R”是Run的缩写，和“A”分别是Marginal和Average的缩写）。从数学上，边际成本是总成本对出力的导数，但在一些情况下成本函数的导数可能不存在。这里讨论两种情况。1）导数不存在，但左导数或右导数存在，可以用左导数或右导数计算边际成本，即左边际成本IMC与右边际成本rMC（“1”和“r”分别为Left和Right的缩写）。2）导数的表达式复杂，不容易计算，但可通过差分的方式计算边际成本的近似值。即采用如下公式计算：MC=成本增量/负荷增量=（成本2-成本1）/（负荷2-负荷1）。根据不同情况，负荷增量可以是Ikw、IMW、10MW>100MW或100OMW（增量为正，计算的是右边际成本rMC,即增加单位负荷增加的成本），也可以是Tkw、TMW、-10MW>-10OMW或TOOOMW（增量为负，计算的是左边际成本IMC,即减小单位负荷减小的成本）等。考虑短期成本的计算，即假设发电容量为固定值，不会改变。因此，成本中仅包含与发电相关的燃料成本。如果将单位发电的燃料成本简化为固定的常数，比如为CV,则短期边际成本与短期平均成本相等，均为CV,即SRMC=SRAC=CV。如果考虑燃料成本随出力水平Q发生变化的情况，即CV=f（Q）,则一般情况下SRMC和SRAe随着出力增加先下降后上升，两者在SRAe的最低点相交。在交点左侧,srmc<srac,在交点右侧，srmc>sraco四、简单场景下的成本及定价分析为分析方便，本文定义若干典型场景，场景的定义包括负荷情况、发电装机情况、定价机制等。这里首先定义一种简单的场景：系统具有单一的负荷类型，仅具有一种类型的发电机组。3.1 场景1基本情况及成本分析【场景U基本情况场景1基本情况：1）负荷功率为Q,年持续时间为5000小时；2）有10台相同的发电机组，各机组的参数相同；3）单台机组额定容量100OMW,最小出力400MW,每kW容量每年需要回收的固定成本为300元（每MW的年固定成本为300*1000=300000元=30万元）；4）机组的出力在400MW-100OMW之间时的燃料成本为400¥/MWh；5）机组出力在100OMW-120OMW之间时机组处于过载状态，一方面燃料成本增加，另一方面存在一些安全成本,假设单位发电成本为800¥/MWh;6）不考虑系统备用等需求。分析计算可以得到，场景1下，SRMC为分段函数，出力为400-1000MW时SRMC=400YMWh,出力为100oT200MW时SRMC=800YMWho出力为100OMW时成本函数的导数不存在，但存在左导数和右导数：左边际成本LSRMe为400¥/MWh,右边际成本LSRMC为800YMWho单位MWh用电分摊的容量成本为：年容量成本/年发电小时=3000005000=60YMWh;系统总的发电容量为100O*10MW=100OOMW。之所以发取不同值时计算得到的边际成本不一样，是考虑到发电机组的容量无法连续变化。在比较大的系统中，单台发电机组相对系统总发电装机容量如果比较小，在进行相关分析中，可以简化认为发电机组的容量可以连续变化。则长期边际成本LRMC为机组扩建下的成本，即LRMC=460¥/MWh。以上分析是基于右边际成本的概念，即取LRMC=rLRMC=460¥/MWh。如果基于左边际成本ILRMC的概念，在当前的情况下减少单位负荷，无论