参考 | 容量市场怎么建
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张柳潼 水石能源咨询
在电力市场中，资源充裕性和可靠性是非常重要但也难以解决的市场设计和政策问题。政策制定者可能会更喜欢超出纯能量市场所能提供的更高水平的可靠性和资源充裕度。
资源充裕度是系统中供需双方资源满足负载的能力。一个地区的资源充裕度标准是由监管机构通过行政手段制定的，通常会用失负荷期望值（Loss of Load Expectation, LOLE）或失负荷概率（Loss of Load Probability, LOLP）来表示 1 。该标准会被列入规划要求，以保证目标容量储备裕度高于预测峰值负荷。但纯能量市场无法从根本上确保产能投资达到目标容量储备裕度要求。
为了有效解决这一潜在问题，越来越多的竞争性电力市场（如PJM、ISO-NE、NYISO、英国、爱尔兰等）引入了容量市场。 这些市场使用由监管机构或系统运营商确定的竞争流程来识别和吸引合格的资源，以满足储备裕度要求，达到资源充裕度目标。
这些容量市场的成熟度不同，但都在不断发展中。PJM、ISO-NE和NYISO的容量市场均起源于1999年至2005年期间，并在2000年代中期推进。英国容量市场是通过2013年立法建立的，而爱尔兰容量市场则在2018年重新进行了设计。
容量市场为电力系统提供了以下几个好处：
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它为符合条件的资源提供额外的收入来源，以弥补他们在能源和辅助服务市场想要达到的预期收入和他们为满足资源充裕度标准所获得的收入之间的差距。
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相比纯能量市场，它能降低符合条件资源的收入波动。这可以降低风险，使投资更具吸引力，还可降低融资成本。
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它能使消费者受益于更高的可靠性，虽然消费者要在需求预测方面承担一定的风险。
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基于市场方法的竞争规则可以确保容量所需的投资和维护尽可能高效和透明地完成。在理想情况下，容量市场可以准确反映资源充裕度在任何时间点上的边际成本和价值。
每个容量市场设计都必须回答以下问题：
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什么是容量产品？
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容量产品的资格预审规则是什么？
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需要多少容量产品？
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市场定价机制是什么？
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产品交付有哪些保证？
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谁支付费用？
在这篇文章中，我们将讨论不同的容量市场是如何解决这些设计问题的，以及其中一些设计特点是如何在不同的国家和地区中随时间而演变的。
由于容量市场的目标是确保资源充裕度，因此容量产品的定义必须对应于资源充裕度的兆瓦“需求”，并且必须有与可靠性目标一致的明确义务。一个容量产品的典型定义是具有兆瓦容量供应义务，是可用的或能运行的，能向系统提供至少与他们所承诺的一样多的可靠性价值，期限通常为一年，会因未能执行而受到处罚。换句话说，容量供应义务是在需要时提供能源和辅助服务，会因不可用或不执行而遭受处罚。
此外，还有需要确定交付容量产品的远期期限。早期的容量市场实际上是短期现货市场，需要在采购后几天或几个月内交付产能。然而，短期市场限制了新的潜在进入者参与市场的能力。竞争减少，增加了现有发电企业行使市场势力的可能性。
随着时间的推移，大多数容量市场（NYISO除外 2 ）的远期期限已经变为了更长的三到四年，以此降低新进入者的投资风险，促进竞争。虽然更长的期限有助于促进市场竞争并降低成本，但它会带来一些由于负荷预测的不确定性所产生的风险。因此补充拍卖被引入远期容量市场，以便随着负荷预测变得更准确以及考虑可获得的资源容量在接近交付日期时发生的变化，进行平衡调整。
早期容量机制采用的是系统的容量义务，没有考虑到传输拥塞和本地可靠性指标，这导致一些地区会出现容量短缺和可靠性的问题。现在，大多数国际容量市场对不同区域都有不同的容量要求和定价，后者还能反映其传输能力限制。
近年来，业界一直在讨论将“燃料安全”和“清洁”属性纳入远期容量市场的考量范围。例如，PJM一直在考虑对其容量市场施加限制，以确保拥有最低数量能满足燃料安全要求的容量。 3 几个美国的容量市场（PJM、ISO-NE、NYISO）也一直在考虑将清洁属性（ clean attributes ）整合到其容量市场中，以应对发电燃料组合向产生更少或零温室气体排放资源的转变。 4
容量产品的资格预审规则是整个市场设计中最具争议的方面之一。为了减少争议，最好的国际实践包括：
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使用技术中立的思路来制定资格预审规则，这要考虑所有现有和计划中的资源，包括传统的火力发电容量、需求响应、进口、光伏、风能和储能。
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经过评级来确保所有资源都是合格的，保证每兆瓦容量提供相同的边际可靠性值。
具体的资质授权规则在不同的管辖区中略有不同。
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对于可调度的火力发电容量，大多数市场依赖于同一种方法，即根据预期的计划内和计划外停电频率调整资源的装机容量，确保能在供应短缺期间提供容量。
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对于太阳能、风能、储能和需求响应，许多市场已开始使用基于有效负荷承载能力（Effective Load Carrying Capability，ELCC）的方法，以等效的最终可用容量来显示间歇性和电量有限资源的容量贡献。ELCC的计算依赖于电力不足概率（LOLP）模型，该模型模拟了电力系统几十年在不同负荷和资源条件下的运行情况。该模型可用于比较间歇资源和电量有限资源的可靠性贡献，得出其容量贡献如图1所示。
图 1：ELCC 的计算
A： 计算具有所需间歇或电量有限资源系统的可靠性值
B： 从系统中移除间歇或电量有限资源，增加固定容量，直到系统可靠性值等于步骤A
间歇或能源有限资源的ELCC即是步骤B中所增加的固定容量
在ELCC方法下，太阳能和风能的容量贡献随着其渗透率的增加而下降。此外，ELCC方法能反映太阳能和风能发电的季节性模式；PJM和新英格兰也因此引入了允许容量资源季节性匹配的方法。
在容量市场中，需求曲线确定了在每个容量数量下的最大支付意愿。需求曲线的设计与满足可靠性指标目标一致，即采购足够的容量以满足所预测的年度负荷高峰加上所需要的储备裕度。
早期的容量市场机制是使用垂直需求曲线的，它解决了与资源充裕度要求相等的固定数量的装机容量。这意味着，比固定容量稍低的每兆瓦容量可靠性价值实际上就是价格上限，比固定容量稍高的每兆瓦容量可靠性价值即为零。这导致价格波动和新投资者的不确定性过大，也使容量市场更容易受到市场力的影响。
从早期的容量市场设计中得出的修改经验是：使用向下倾斜的需求曲线，这能让在资源充裕度要求附近的容量价格变得平稳。当容量充裕度降低，价格上升，发出激励发电商投资的价格信号，但设置了价格上限确保价格波动不会过大；当容量过剩，价格下降，降低新投资者进入市场的热情。图2是国际容量市场使用的各种需求曲线，每一条都是根据其特定的市场条件量身定制的。
图2：美国和英国容量市场需求曲线
来源：The Brattle Group
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PJM Interconnection, "2021/2022 RPM Base Residual Auction Planning Period Parameters," February 2018.
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ISO New England, "Forward Capacity Market (FCA 12) Result Report," May 2018.
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New York Independent System Operator, "ICAP Translation of Demand Curve (Summer 2018)," March 2018.
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McNamara, Fergal, “Capacity Market,” United Kingdom Department of Energy & Climate Change, June 25, 2014.
需求曲线由三个关键特征组成。
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可靠性指标：需求曲线的数量点是根据维持电网可靠运行所需的可靠性指标建立的。即使在多变的供需条件下，需求曲线的设计也必须符合该标准。
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新进入容量的净成本（Net CONE）：需求曲线的定价点是基于Net CONE确定的，即所预计的长期边际供应成本或在需要时吸引新资源所需的价格。
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需求曲线形状：大多数地区的需求曲线都是向下倾斜的，与垂直曲线相比，它们有着可靠性、定价和竞争优势。向下倾斜的曲线分别以可靠性指标和新进入的净成本为横纵坐标轴，拥有清晰的特定形状、位置和参数，如价格上限、数量上限、斜率（ s ）、宽度和x截距。这些所有选择都会影响容量拍卖的结果，包括采购的容量数量、可靠性、消费者成本和价格波动。
国际容量市场采用统一出清价格拍卖，所有取得资质的资源每兆瓦容量获得相同的边际价格（图3）。统一定价可以激励供应商以成本价供货，这有助于确保以最低成本采购容量，并为投资和消费提供有效的长期信号。
图3：统一价格
容量资源的默认交付期限通常为一年。尽管如此，一些容量市场（如英国、ISO-NE和爱尔兰）允许新资源和翻新资源的出清价格“锁定”多年。人们认为，这种方法有助于减少收入的不确定性，从而有助于降低资本密集型新资源或翻新现有资源的融资成本。
表1：容量市场的锁定价格
收到容量费用的供应商将承担参与电能量和/或辅助服务市场的义务，以及参与计算合格容量级别所需的性能测试和数据收集活动。
容量绩效激励和惩罚对于鼓励绩效和巩固容量产品的价值非常重要。随着时间的推移，ISO-NE和PJM都引入了更为严格的绩效激励系统，极大地激励了供应商在系统短缺的情况下提供更多的能源。
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ISO-NE发展了绩效激励的概念方法，因为人们越来越担心容量可用性和绩效的历史衡量标准与实际需求之间的联系并不充分，并且对资源绩效的实时激励不足。 5 一些旧资源收取了容量费用，但在需要使用时却很少有所表现。此外，新英格兰地区持续的冬季“寒流”和天然气管道限制表明，一些资源在紧急情况下无法提供能源，但仍然在收取容量费用。解决方案是为容量费用设立一种两阶段的结算机制：（1）发电商以容量拍卖出清价收取容量费用；（2）对在发生紧急事件期间表现不佳的容量卖家进行处罚，所收取的罚款作为奖金奖励给表现优秀的供应商。 6
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在2014年极地涡漩事件表现不佳后，PJM采用了ISO-NE的设计，并进行了轻微的修改。极地涡漩在整个PJM市场区域造成了长时间低温，导致发电机宕机情况远比预期严重。 7
在国际容量市场中，容量成本分配给消费者或为终端用户提供服务的零售商，并与他们在高峰时段所承担的负荷成比例。这种费用分配机制可以有效促进消费者在高负荷时段减少需求。
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PJM的容量成本是根据一年中五个高峰时段的实际消耗分配的 8 。每个消费者的峰值负荷贡献（ PLC ）是根据其在（ 5个 ）峰值期间的消费量计算，每个零售商都有义务反映其所有消费者PLC的总和。
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ISO-NE市场中，容量成本是根据一个负荷峰值来分配的。 9 与PJM类似，ISO-NE有相对较高的峰值负荷，因此它寻求将容量价格信息集中在一年中最高的负荷小时。容量成本的分配根据上一年中整个系统相同峰值负荷期间的消耗情况进行。
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英国容量市场依据的是较为宽泛的高峰期定义。 10 英国将11月至2月期间任何工作日的17:00 - 19:00时段定为高峰时段或“高需求时段”。消费者将依据其在这些期间的消耗量（MWh）被收取费用。
注释（上下滑动查看 ）
1.例如，许多北美地区的电力不足标准是十年发生一次失负荷事件(1-in-10)，而英国的供电安全标准则是每年三小时的电能不足期望值。
2.NYISO曾在不同场合研究过转向更长的远期期限的好处。研究普遍得出结论，虽然从可靠性和新资源开发激励的角度来看，较长的远期可能会带来好处，但考虑到当时的市场和系统条件以及现有结构的成功经验，转向更长的远期是既没有必要也没有保障的。
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.
（本文原文为英文，由eo实习记者刘昭宏翻译，eo记者姜黎编辑，已经作者本人审定）
审核 冯洁
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