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低碳綠色轉型背景下企業如何應對電力市場變化

2023-03-16 [905]

安科瑞鮑靜君

　　摘要：2022年1月24日，中共中央就努力實現碳達峰、碳中和目標進行第三十六次集體學習。在主持學習時強調，實現碳達峰、碳中和，是貫徹新發展理念、構建新發展格局、推動高質量發展的內在要求，是黨中央統籌國內國際兩個大局作出的重大戰略決策，要扎扎實實把黨中央決策部署落到實處。2022年1月30日，國家發展改革委、國家能源局發布的《關于完善能源綠色低碳轉型體制機制和政策措施的意見》（發改能源〔2022〕206號），提出推動構建以清潔低碳能源為主體的能源供應體系和健全適應新型電力系統的市場機制。[1]

　　關鍵詞：雙碳電力市場低碳發展新能源企業微電網管理平臺

　　1 引言

　　伴隨著全球氣候變化和能源轉型的加速，世界范圍內電力市場中各類事件接連不斷。2022年3月25日，歐盟成員國領導人圍繞如何應對能源價格持續上漲在比利時布魯塞爾展開激辯，但仍未能拿出統一對策。在此之前，2021年2月8～20日，美國得州經歷了連續低溫天氣誘發的大停電事故，被迫執行的負荷輪停達到2000萬千瓦以上，是美國規模人工停電事件，電力市場也受到很大沖擊。此外，美國加州、澳大利亞南澳州等地也發生過電力市場事故。由于在能源綠色低碳轉型背景之下快速發展的風力發電、光伏發電等出力具有很強的不確定性，傳統的電力市場設計方案難再適用，使電力市場面臨多重風險。[2]

　　2 背景

　　2.1新能源接入和天氣，導致電力市場風險日益增強

　　由于電能的生產、傳輸和消費過程明顯區別于其他大宗商品，電力市場具有區別于其他商品市場的一些特殊性和風險特征。第一，電能的生產環節包含風電、光伏等間歇性可再生能源，出力具有隨機波動性，在供需發生巨大變化時會降低系統的穩定性、提高電價的波動性；其次，電能無法脫離傳輸網絡而獨立存在，電能的供應、交易、使用都依賴于由發電設施、傳輸網絡、配電網絡和用電設備組成的電力系統才能夠實現，而且電能的發、輸、配、供、用是瞬時完成的。另外，用電設備的運行和電力負荷的變動具有隨機波動性，其價格彈性較低，而電力系統和電力市場的運行卻對安全性和平穩性有著較高的要求。因此，在間歇性可再生能源大規模并網的影響下，電力市場易受外界環境的影響，尤其對天氣事件較為敏感。

　　從近些年來電力市場風險事件對電力系統和國民經濟造成的重大損失中，可以理解電力市場風險管理的重要性。2020年8月，受高溫天氣和高滲透率光伏電源接入的影響，美國加州電力系統獨立運營商20年來處于三級緊急狀態，一度中斷超過40萬家企業與家庭的電力供應。電力供需緊張導致加州每立方米天然氣價格3天內上漲2.19美元，約為平時價格的一倍，并迅速影響到電力現貨市場，導致其尖峰電價可高達1000美元/兆瓦時。2021年2月中旬，美國得克薩斯州經歷了一次寒潮，用電需求攀升加上風力發電和火力發電的減少，造成得州約有400萬家庭在嚴寒中失去了電力供應，得州電力市場批發電價一度突破了1萬美元/兆瓦時，按當時匯率計算電價約為人民幣65元/千瓦時。受高額批發電價影響，得州較大、建立時間長的電力合作公司——布拉索斯電力合作公司，欠下了18億美元的電力采購賬單，并因無力償債而遞交了破產申請。有分析認為，此次風險事件發生的一部分原因是其電力系統的低碳化發展，因為得州近年來風電裝機占比從2006年的2%提高到目前的23%，而天然氣發電、燃煤發電等調節性能較好的穩定電源占比則從83%降低到64%。

　　在以上案例中可以發現，在間歇性可再生能源大規模接入和天氣頻發的背景下，電力市場的風險主要來源于系統的不平衡電力以及相應的波動電價。為了保障能源綠色低碳轉型背景下電力市場的平穩運行，各電力市場主體需要充分利用儲能裝置、需求響應等靈活性資源來管理電力不平衡風險，并積極探索開發電力期貨、電力期權等電力金融產品以管理電價波動風險（見圖1）。

2.2利用靈活性資源，管理電力不平衡風險

　　儲能裝置可以通過削峰填谷解決風、光出力高峰與負荷高峰錯配的難題，其中響應速度較快的電化學儲能可以提供調頻服務緩解新能源波動導致的頻率不穩定性，進而從多個不同時間尺度上規避電力不平衡風險。需求響應資源則可以在新能源出力降低或電力批發市場價格升高時，改變電力用戶的習慣性用電模式，減少或者推移某時段的用電負荷，對電力供應作出響應，從而保障電力實時平衡。電力市場環境下，電力用戶可以采用基于價格的需求響應，根據接收到的電價信號調整其電力需求，主要包括分時電價、實時電價和尖峰電價等。此外，還可考慮基于綜合能源系統，將天然氣、熱力、氫能與新能源發電設備進行有機整合，統籌安排不同形式能量的生產、利用與轉換，在降低新能源發電出力波動風險的同時，取得合理的能源利用效率與經濟效益。

　　在高比例新能源電力市場中，為了充分利用各類靈活性資源的潛在價值，需要建設有效的電力輔助服務市場機制。2022年1月18日國家發展改革委、國家能源局發布的《關于加快建設全國統一電力市場體系的指導意見》中提出，要持續完善電力輔助服務市場，推動電力輔助服務市場更好地體現靈活調節性資源的市場價值，建立健全調頻、備用等輔助服務市場，探索用戶可調節負荷參與輔助服務交易，推動源網荷儲一體化建設和多能互補協調運營，完善成本分攤和收益共享機制。除了已經廣泛應用的旋轉備用、調頻產品之外，美國加州獨立系統運營商（California Independent System Operator，CAISO）和美國中部電力系統運營商（Midcontinent Independent System Operator，MISO）還設計了一種新型電力輔助服務品種——靈活爬坡產品（Flexible Ramping Products，FRP）。FRP的設計目的在于為電力系統本時段預留出足夠的靈活調節空間，在考慮可再生能源出力波動的基礎上，使靈活性資源的可調出力滿足下階段負荷的變動需求，它在降低電力市場電力不平衡風險的同時，也能為提供服務的靈活性資源所有者帶來相應的經濟回報。

　　部分國家和地區，如愛爾蘭和北愛爾蘭，針對高比例新能源電力系統的低慣性問題，設計了快速頻率響應（Fast Frequency Response，FFR）產品，通過在系統頻率突變時快速注入有功功率，彌補原有慣性和一次調頻容量的不足。此外，英國國家電網公司提出了慣性服務的概念，并在2020年1月與Drax、Rassau Grid Services、Statkraft、Triton 和Uniper五家能源企業簽訂了6年的慣性服務合同，以保證電力系統頻率的穩定性。在此項輔助服務中，系統慣性的提供者不僅包括并網的大型發電機組，還有已經關停的發電機組，而這些發電機的轉子以電動機模式接入電網旋轉運行，能夠以更低的成本為電力系統提供靈活性，保障系統頻率穩定，促進可再生能源消納，降低相應的電力不平衡風險。

　　2.3探索建立電力金融市場，管理電價波動風險

　　在可再生能源大規模接入的背景下，電力現貨市場價格往往劇烈波動，電力市場成員迫切需要可以管理電價波動風險的金融工具，同時也希望能夠掌握未來購售電價的變化范圍，以合理安排購售電計劃，電力金融產品即為具有這種風險管控功能的工具之一。2015年3月15日中共中央、國務院發布的《關于進一步深化電力體制改革的若干意見》中提出，條件成熟時，探索開展容量市場、電力期貨和衍生品等交易，并探索在全國建立統一的電力期貨、衍生品市場。2021年4月19日，廣州期貨交易所經中國證監會批準成立，并計劃研發電力期貨產品，幫助電力交易主體規避電價風險，并促進港粵澳大灣區和我國的綠色金融發展。具體來講，常見的標準化電力金融產品是電力期貨和電力期權，這些電力金融衍生品都基于商品或金融期貨和期權的概念發展而來。其中，電力期貨是指以特定價格進行買賣，在將來某一特定時間開始交割，并在特定時間段內交割完畢，以電力期貨合約形式進行交易的電力商品。電力期權則是一種選擇權，其交易實質是對于電力商品使用權的買賣，它賦予了持有者在某一確定的時間以某個確定的價格交易電力相關標的的權利。電力期權分為看跌期權和看漲期權，或歐式期權和美式期權，電力期權的標的物可以是電力現貨和電力期貨。

　　由于電力網絡及系統*的復雜性，各個物理節點間供需不平衡導致整個網絡中電力價格存在差異，難以形成統一的電力價格而不利于電力期貨市場的發展。為解決此問題，美國PJM電力市場在所管轄的電網建立了若干交易中心節點，對應相關多個實際物理節點。該中心節點的電價是這些節點邊際電價（Locational Marginal Price，LMP）的加權平均，即中心節點的LMP是PJM電力市場的電價指數，基于中心節點的LMP可開發出各類電力金融衍生品。如圖2所示，在美國洲際交易所（Intercontinental Exchange，ICE）可以購買到美國7大區域電力市場的165種電力期貨產品和15種電力期權產品。

　　另外，在LMP定價機制下，針對電力系統網絡阻塞和損耗所引起的電價風險，美國電力市場還設計了一個金融工具——金融輸電權（Financial Transmission Rights，FTR），其價值取決于日前電力市場中相應定價節點的LMP。在美國，FTR交易場所一般由一級市場和二級市場組成。在一級市場中，獨立系統運營商將電網全部FTR向市場參與者出售，其容量主要由可用輸電容量（Available Transfer Capacity，ATC）決定；在二級市場中，市場參與者可以根據自身風險偏好和對日前市場LMP的預測，將一級市場購買的FTR進行自由買賣。FTR的概念早于1992年正式提出，并已成為現代電力市場中特色的電力金融衍生品。截至目前，美國CAISO、MISO等7大獨立系統運營商都已先后投運了FTR市場。

　　2.4適合我國國情的，電力市場風險管理思路

　　由于我國電力市場所面臨的宏觀政治經濟環境、改革目標和路徑、體制機制等與國外電力市場有所不同，電力市場所面臨的風險類型和程度等也存在較大差異。需在充分借鑒國外電力市場風險管理經驗的基礎上，研究適合我國國情的風險管理措施。根據對電力市場風險著眼點的不同，有的學者將電力市場風險劃分為市場力風險、缺電風險、電價風險、信息風險、系統風險、電力市場規則的缺陷及法律方面的風險；有的學者將電力市場中的風險分為缺電風險、電力投資風險、電力定價風險、發電側市場力風險、電網安全運行風險、負荷預測風險、用戶欠費風險等幾類。結合我國電力市場改革的實際情況，筆者對電力市場風險進行如下劃分：整體上將風險分為內部風險和外部風險，并進一步將內部風險劃分為違約風險、市場力風險、新能源發電風險、電力負荷風險、交易風險、監管風險、電網安全風險、運營合規風險等；將外部風險劃分為能源危機風險、自然風險、社會風險、經濟風險等。

　　針對市場成員建立從入場到離場的全過程，違約風險控制策略包括市場準入機制、違約風險量化與監控、違約處置機制等環節，具體措施為對市場成員準入資質的審核等定性分析和信用評級、履約保函制度等定量分析。電力市場風險防范方法可以歸納為風險點識別、風險程度評估、風險邏輯推演、風險法規化處置四個階段。需要建立風險監測指標體系，并在異常數據達到判定閾值時發布黃色預警。應對新能源發電風險的手段包括建立儲能參與電力市場的相關機制和完善輔助服務市場機制等。通過引入需求響應和允許電動汽車參與電力市場等可有效防范疏導電力負荷風險。應對交易風險的方法包括引入科學的交易機制設計理論與方法和做好負荷預測、電價預測和新能源出力預測等。應對監管風險的方法主要是健全監管機構的職能并完善相應的監管制度。應對電網安全風險的方法主要是強化市場化交易與傳統電力安全管理的協同，需深入研究和認識電力市場交易對電網安全的影響。合規風險是指企業違反相關法律法規所導致的制裁、處罰、財產損失和聲譽損失風險。電力交易合規風險防控主要包括改革環節、交易環節和管理環節。其中改革環節涉及制度建設、機制設計和市場準入，交易環節涉及交易組織、交易行為、輸配電費、交易執行和交易結算，管理環節涉及信息管理、輿情管理和技術支持等。外部風險涉及國際國內方方面面的關系，影響因素眾多，情況十分復雜，決策者需提高戰略思維能力，處理好整體和局部、政府和市場等關系，系統設計，多管齊下。[3]

　　3 應對措施

　　未來將有大量新能源并網發電，全國建有統一的電力交易中心，而電網供電的波動性、間歇性引起電價的大幅快速波動，企業配電、用電系統做出調整，以適應未來的發展需要。與現有的企業配用電情況不同，未來的企業內部大概率會有屋頂分布式光伏發電系統、作為電能蓄水池的儲能系統、以充電樁為代表的可調負荷，與大電網、企業內部的配電網共同組成“源網荷儲充"企業微電網系統。電網系統環節太多，要運行管理起來困難，而且要實現自動智能調度，亟需一套統一管理的大平臺系統。

　　4 解決方案

　　4.1整體介紹

　　AcrelEMS企業微電網系統通過在源、網、荷、儲、充的各個關鍵節點安裝監測、分析、保護、治理裝置，通過高性能邊緣計算網關采集數據并上傳至企業微網平臺。平臺根據電網價格、用電負荷、電網調度指令等情況，調整各系統控制策略并遠程下發，使企業微電網始終高效穩定運行，降低企業用電成本，實現能源互聯、信息互動。[4]