當(dāng)前全國電力現(xiàn)貨市場(chǎng)建設(shè)正緊鑼密鼓地進(jìn)行，交易規(guī)則雖然可能厚厚幾百頁(在國外是幾千頁)，但最核心最關(guān)鍵的價(jià)格形成機(jī)制可能就那么幾行(電力現(xiàn)貨定價(jià)一般基于出清模型的拉格朗日乘子或邊際機(jī)組的報(bào)價(jià)，兩者的含義是等同的)。電價(jià)作為電力市場(chǎng)的關(guān)鍵，是調(diào)節(jié)電力供需的橋梁、實(shí)現(xiàn)電力交易的紐帶，并事關(guān)國計(jì)民生，必須極其慎重地對(duì)待。因此對(duì)電價(jià)形成機(jī)制、電價(jià)結(jié)構(gòu)及電價(jià)水平的深入分析和研究就十分重要。電價(jià)理論的研究主要包括兩個(gè)部分：一是電能成本分析(即什么是合理電價(jià))，二是電力市場(chǎng)中的電價(jià)形成機(jī)制。電能成本分析是衡量電價(jià)是否合理的基礎(chǔ)，但電價(jià)最終要通過市場(chǎng)機(jī)制形成。在理想電力市場(chǎng)中，出清電價(jià)應(yīng)與電力系統(tǒng)中的電能邊際生產(chǎn)成本和電力用戶的電能邊際效用(utility)相等。

在電力市場(chǎng)交易機(jī)制設(shè)計(jì)中，根據(jù)國外市場(chǎng)模式照抄或按經(jīng)濟(jì)學(xué)教科書理論編制一個(gè)形式上的交易規(guī)則并不難，難的是所形成的市場(chǎng)價(jià)格是否能反映真實(shí)的發(fā)電成本/用電效益?是否由供需雙方自主形成?是否穩(wěn)定可預(yù)期?是否能做到“效率”與“公平”兼顧?能否適應(yīng)綠色發(fā)展和不同地區(qū)工業(yè)化水平?本文主要就拉格朗日乘子是否適合作為現(xiàn)貨結(jié)算價(jià)的問題進(jìn)行探討。

一個(gè)簡(jiǎn)單的單時(shí)段現(xiàn)貨市場(chǎng)交易模型

電力現(xiàn)貨市場(chǎng)建立在實(shí)時(shí)電價(jià)概念的基礎(chǔ)上，這里以一個(gè)簡(jiǎn)化的單時(shí)段單邊現(xiàn)貨交易(pool)模型為例來說明電力現(xiàn)貨市場(chǎng)(spot market)的基本原理。假設(shè)獨(dú)立調(diào)度ISO代表所有電力用戶向發(fā)電廠商購買電能，其目標(biāo)是使總購電費(fèi)用c最小：

要注意上述現(xiàn)貨市場(chǎng)模型只是一個(gè)簡(jiǎn)化模型，在實(shí)際應(yīng)用中還必須考慮電廠和系統(tǒng)運(yùn)行的各種約束條件。實(shí)際現(xiàn)貨市場(chǎng)交易模型有以下區(qū)別：1)采用多時(shí)段交易模型而不是單時(shí)段模型;2)用潮流方程取代式(2)的功率平衡方程，形成節(jié)點(diǎn)電價(jià);3)考慮開停機(jī)優(yōu)化;4)考慮更多的發(fā)電機(jī)組技術(shù)約束;5)在雙邊競(jìng)價(jià)市場(chǎng)模式中，還包括負(fù)荷報(bào)價(jià)模型，購電總費(fèi)用最小的優(yōu)化目標(biāo)(1)也替換為社會(huì)福利最大化的目標(biāo)。

由上面的推導(dǎo)很容易聯(lián)想到《電力系統(tǒng)分析》課程中經(jīng)濟(jì)調(diào)度問題所采用的經(jīng)典的等耗量微增率(即每增加單位功率時(shí)燃料耗量的變化)準(zhǔn)則，其含義為，在不考慮網(wǎng)絡(luò)損耗的情況下，按耗量微增率相等的原則來分配多臺(tái)發(fā)電機(jī)組的功率時(shí)，可使系統(tǒng)總的燃料消耗最小。等耗量微增率的推導(dǎo)和上述單邊現(xiàn)貨模型求解過程是一樣的，只是將總購電費(fèi)用最小的目標(biāo)換為總?cè)剂舷淖钚　Ｈ鐖D1中，求得系統(tǒng)耗量微增率為λ，對(duì)應(yīng)的4臺(tái)發(fā)電機(jī)組的發(fā)電功率分別為PG1,PG2,0(機(jī)組耗量微增率全部大于系統(tǒng)耗量微增率)，PG4MAX(機(jī)組耗量微增率全部小于系統(tǒng)耗量微增率)，并滿足系統(tǒng)功率平衡條件，即PG1+PG2+PGMAX=PL。從圖1也可以看出，系統(tǒng)耗量微增率(或市場(chǎng)環(huán)境下的邊際電價(jià))λ并不一定落在機(jī)組的耗量微增率(或機(jī)組申報(bào)價(jià)格)的范圍內(nèi)，在實(shí)際電力系統(tǒng)中，往往處于大部分機(jī)組的耗量微增率(或機(jī)組申報(bào)價(jià)格)上下限之外，并不能反映機(jī)組的真實(shí)燃料消耗(或發(fā)電費(fèi)用)。

圖1 有功功率負(fù)荷的最優(yōu)分配

圖2用更簡(jiǎn)潔的方式圖示了單邊現(xiàn)貨競(jìng)價(jià)的過程，假設(shè)發(fā)電機(jī)組申報(bào)的是階梯狀的報(bào)價(jià)曲線，則ISO按報(bào)價(jià)由低到高對(duì)發(fā)電機(jī)組申報(bào)的容量(電量)段進(jìn)行排隊(duì)，直至發(fā)電機(jī)組總出力能夠滿足系統(tǒng)負(fù)荷，圖中陰影部分機(jī)組中標(biāo)，而報(bào)價(jià)最高的中標(biāo)機(jī)組確定市場(chǎng)價(jià)格，這種競(jìng)價(jià)出清用Excel表格處理就足夠了。

圖2 電力現(xiàn)貨市場(chǎng)競(jìng)價(jià)交易示意圖

二

多時(shí)段現(xiàn)貨市場(chǎng)交易模型的分析

在實(shí)際電力現(xiàn)貨市場(chǎng)中，都是多時(shí)段交易，實(shí)時(shí)電價(jià)一般由安全約束機(jī)組組合(Security Constrained Unit Commitment，簡(jiǎn)稱SCUC)、安全約束經(jīng)濟(jì)調(diào)度(Security Constrained Economic Dispatch，簡(jiǎn)稱SCED)等短期運(yùn)行優(yōu)化模型求出，將每個(gè)時(shí)段對(duì)應(yīng)于功率平衡約束的拉格朗日乘子(或邊際價(jià)格)提出作為該時(shí)段的市場(chǎng)統(tǒng)一出清價(jià)格。

圖3為某電力現(xiàn)貨市場(chǎng)的電能商品概念及價(jià)格分布示意圖。以日前市場(chǎng)為例，將整個(gè)交易期間分成一系列的周期(cycle)(即1天)，每個(gè)周期又分為若干時(shí)段(period，如1小時(shí))，然后分時(shí)段按電量平衡模型計(jì)算出清價(jià)格和出清電量。對(duì)于日內(nèi)實(shí)時(shí)市場(chǎng)，除了周期通常縮短為5-15min，但其基本概念是相同的。因此，如圖3所示，該電力現(xiàn)貨市場(chǎng)的電能商品模型為：將交易周期的功率曲線下的面積按等長(zhǎng)時(shí)段切分成若干“條”，然后每條又分為若干可不等高的“段”。在發(fā)電側(cè)，在1個(gè)時(shí)段中成交的發(fā)電商各取1“段”(即1個(gè)商品)，而按統(tǒng)一邊際價(jià)格(和影子價(jià)格的涵義是等同的)出清方式，同一時(shí)段的各段負(fù)荷(即所有商品)的結(jié)算價(jià)是相同的，均為該時(shí)段成交機(jī)組的最高價(jià)格。負(fù)荷側(cè)也是類似的情況。

由于“同質(zhì)同價(jià)”是市場(chǎng)中商品定價(jià)的基本原則，這種定價(jià)方式實(shí)際隱含了一種假設(shè)，即同一時(shí)段負(fù)荷下的所有電能商品是同質(zhì)的，因此都取相同的邊際價(jià)格;而不同時(shí)段負(fù)荷下的電能商品是異質(zhì)的，因此不同時(shí)段的負(fù)荷有不同價(jià)格。在這種假設(shè)下，如圖3所示，對(duì)于同一個(gè)發(fā)電廠(即由多個(gè)相同顏色的小矩形組成的橫條)，隨時(shí)間不同所生產(chǎn)的電能商品的價(jià)格是不同的，這并不符合電力系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)際(因?yàn)橹灰l(fā)電功率不變，同一個(gè)發(fā)電廠在不同時(shí)段的發(fā)電成本并無差異，如圖4所示);而對(duì)同一時(shí)段(不同顏色組成的豎條)，所有電能商品都是同價(jià)的，無法區(qū)別基荷、腰荷和峰荷機(jī)組區(qū)別明顯的技術(shù)特征及成本構(gòu)成，這也是不符合電力系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)際情況的。根據(jù)前面的推導(dǎo)和圖4可判斷，拉格朗日乘子實(shí)際上只能反映每個(gè)時(shí)段的邊際機(jī)組的邊際成本，無法為該時(shí)段發(fā)電的全部機(jī)組合理定價(jià)(后文還將對(duì)此問題進(jìn)行詳述)。在可再生能源大規(guī)模接入的背景下，世界各國基于這種定價(jià)機(jī)理所建立的電力市場(chǎng)運(yùn)行紛紛出現(xiàn)問題，因此都在改進(jìn)市場(chǎng)設(shè)計(jì)。

一種可行的改進(jìn)方案是筆者所提出的按負(fù)荷持續(xù)時(shí)間定價(jià)的機(jī)制，認(rèn)為同一負(fù)荷持續(xù)時(shí)間的電能商品品質(zhì)與價(jià)格應(yīng)是相同的;而負(fù)荷持續(xù)時(shí)間改變時(shí)，電能商品品質(zhì)相應(yīng)地發(fā)生變化，持續(xù)時(shí)間越短、靈活性越好的電能商品品質(zhì)越高，價(jià)格也越高。如圖5所示，在這種定價(jià)方式下，對(duì)于同一個(gè)發(fā)電廠(同一顏色的橫條)，在持續(xù)同一發(fā)電功率的時(shí)間跨度內(nèi)，所生產(chǎn)的電能商品價(jià)格是相同的，而對(duì)同一時(shí)段(豎條)，基荷、腰荷和峰荷機(jī)組所生產(chǎn)的電能商品價(jià)格是不同的。與圖4對(duì)照可知，這種定價(jià)方式與實(shí)際電力系統(tǒng)中電能商品的生產(chǎn)成本和使用價(jià)值的分布規(guī)律是一致的。此外，物理合約交易也能有效地修正拉格朗日乘子定價(jià)造成的價(jià)格扭曲。

圖3 電力現(xiàn)貨市場(chǎng)電能商品及價(jià)格分布示意圖

圖4 美國PJM市場(chǎng)2015年夏峰日日前市場(chǎng)分時(shí)電價(jià)及發(fā)電成本堆積圖

(本圖由美國新時(shí)代能源/佛州電力公司能源市場(chǎng)交易中心李化先生提供)

圖5 按負(fù)荷持續(xù)時(shí)間定價(jià)的電能商品及價(jià)格分布示意圖

三

拉格朗日乘子僅適合作為邊際機(jī)組的結(jié)算價(jià)格

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圖6 市場(chǎng)機(jī)制下的電力電量平衡示意圖

電力系統(tǒng)規(guī)劃、運(yùn)行的核心問題是電力電量平衡。電力市場(chǎng)化改革并不改變電力電量平衡的基本問題，只是改變發(fā)用電計(jì)劃和調(diào)度計(jì)劃的形成方式，由傳統(tǒng)的政府、電網(wǎng)制定改為市場(chǎng)主體自主報(bào)價(jià)，并通過市場(chǎng)交易出清規(guī)則形成。直觀地說，市場(chǎng)機(jī)制下的電力電量平衡問題即用不同的(橫向的或縱向的)“能量塊”填充負(fù)荷曲線下的面積，因此也將形成內(nèi)涵不同的價(jià)格，如圖6所示。如前所分析，由于現(xiàn)貨出清模型的拉格朗日乘子實(shí)際上只能反映每個(gè)時(shí)段的邊際機(jī)組的邊際成本，電力現(xiàn)貨交易主要對(duì)應(yīng)于綠色的縱向“能量塊”，并進(jìn)而形成分時(shí)的調(diào)峰價(jià)格，亦即除輔助服務(wù)外的電力電量平衡漫長(zhǎng)鏈條的“最后一公里”的價(jià)格，為煤機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、抽水蓄能等調(diào)峰電源和需求側(cè)響應(yīng)提供合理的經(jīng)濟(jì)激勵(lì)。但這種價(jià)格并不適合于對(duì)所有的“能量塊”(特別是基荷“能量塊”)進(jìn)行定價(jià)。以英國電力市場(chǎng)的NETA、BETTA模式為例，以中長(zhǎng)期雙邊交易為主，形成物理交割的發(fā)用電計(jì)劃曲線，并提交給電網(wǎng)調(diào)度執(zhí)行，而電網(wǎng)調(diào)度采用平衡機(jī)制來保證電力實(shí)時(shí)平衡和系統(tǒng)頻率穩(wěn)定。平衡機(jī)制中的交易電量約占全網(wǎng)總用電量的3%，而包含日前交易的現(xiàn)貨市場(chǎng)交易電量比例不到30%。也就是說，在現(xiàn)貨交易前負(fù)荷曲線的形狀即已大致確定，現(xiàn)貨交易主要是對(duì)負(fù)荷曲線的形狀進(jìn)行精細(xì)化修正，也沒有采用現(xiàn)貨價(jià)格對(duì)所有電量進(jìn)行定價(jià)。

由于負(fù)荷需求的剛性和不確定性、發(fā)電商的博弈行為、新能源發(fā)電機(jī)組出力的不確定性等原因，以電力實(shí)時(shí)平衡模型(即潮流方程)為基礎(chǔ)計(jì)算出的現(xiàn)貨價(jià)格往往變化劇烈，給市場(chǎng)主體帶來巨大的財(cái)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)，因此金融交易(特別是差價(jià)合約交易)從一開始就與電力現(xiàn)貨交易相伴而生，迄今澳大利亞國家電力市場(chǎng)和加拿大部分地區(qū)電力市場(chǎng)依然采用“全電量現(xiàn)貨+差價(jià)合約”的市場(chǎng)模式。但差價(jià)合約僅僅是一種財(cái)務(wù)結(jié)算關(guān)系，其背后的實(shí)物商品仍然是現(xiàn)貨市場(chǎng)中分時(shí)交易的縱向“能量塊”，而且全部電量按拉格朗日乘子(或邊際價(jià)格)來結(jié)算，仍未實(shí)現(xiàn)電能商品的合理定價(jià)。反之，物理合約相當(dāng)于圖6中藍(lán)色的能量塊，其電量要從總負(fù)荷電量中扣除，并以合約價(jià)格結(jié)算，則可以有效修正拉格朗日乘子定價(jià)造成的價(jià)格扭曲。