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制定配电系统分时电价:支持系统灵活性,实现低成本电气化

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在世界范围,分时电价机制正在逐渐普及。时至今日,大部分国家的分时电价都是根据使用时间,将发电相关成本分摊到不同的时间段中,同时在各个时间平均分摊电网相关成本。本文的主题是将分时电价机制的概念延展到配电系统定价中。

最近,一些国家和地区已经开始着手处理这一课题。在此,我们关注到了丹麦电力市场正在发生的变化,丹麦在将分时电价用于配电系统定价机制中已先行一步,有些经验可圈可点,我们在此梳理了一些相关经验,也许对世界各地的政策制定者有所启发。

本文修改版首发于《南方能源观察》

 

制定输电价格:完美很难,搞砸容易

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中国在朝着放开电力批发市场的方向稳步前行。谨慎地实施运行调度以及电价改革,改善了电力体系的运行效率,揭示了低成本、零碳排放的可再生能源的真实价值,并提高了系统的总体可靠性。

然而,挑战依旧存在。其中一点尤为特殊,即如何为各受益者公平地分摊及回收输电成本。这个问题没有完美的解决方案,也很容易搞砸。制定正确的(或者至少大部分正确的)输电价格是解决问题的关键,如果这一点没做好,就会削弱其他市场改革的效力,而这些改革对经济效率和低碳转型是非常必要的。

1965年11月,加拿大东部和美国东北部大部分地区停电,这之后社会上便流传着一个或真或假关于电网故障的故事。当时,3000万人断电13个小时,经济停滞不前,民众对失去公共安全的恐惧激增。加拿大的一条输电线路因设备故障而离线,导致一系列的输电线路负荷过载,最终无法运行。防止重蹈覆辙成为当年闹得满城风雨的政治事件。不过,几天后发生的事情则可能只是传言。

传言是这么说的:电力恢复后,美国总统林登·约翰逊召集了该地区所有电力公司(几乎都是投资者所有)的首席执行官来华盛顿特区,商讨如何确保这样的灾难不会再次发生。在一群身着深灰色西装的男人指指点点,支支吾吾,推脱责任后,约翰逊红着脸,拳头砰地一声砸在桌子上,冲他们说道,除非问题很快得到解决,否则他将接管“这些该死的公司”并将其合并成一个国有电力机构。

高管们匆匆离去。此后五年左右的时间里,东北地区电力系统进行了深度改革。这是“紧密型电力库”(tight power pools)时代的开始——新英格兰、纽约、宾夕法尼亚-新泽西-马里兰(PJM)——其特点是电力公司共享发电和输电资产,由中央系统运行商管理,负责确保系统安全(实时可靠性)和资源充足(长期投资的充足性)。通过让可靠性成为一种共同的责任,即通过扩大需要管理的发电和输电资源组合,分散风险,这样总成本降低了,系统范围停电的可能性也大大降低了。

这些“紧密型电力库”就是如今竞争激烈的批发市场和监管这些市场的区域输电组织(RTO)的前身。这些实体的一个关键组成部分——也许是关键的部分——是它们共享的公平开放的输电系统。使其可行的关键是设定输电网络服务价格从而回收这些输电资产的总成本,并且所有参与者为输电网络服务支付相应的价格。

这就是诀窍所在。服务于RTO的输电系统资产可能由不止一个公司拥有——事实上是许多公司——但它们被视为属于一个所有者,并由一个所有者运行。每个人为使用大电网支付相应的价格;但是他们支付多少取决于他们在电网总负荷中所占份额(通常以同时峰值负荷需求的兆瓦数来衡量,但在某些情况下,也以兆瓦时来衡量)。这被称为一个地区的负荷分担比率,通常由负荷服务实体(例如,电力购买者)支付。对于满足低于一定电压阈值需求(例如345 kV)的电网资产,通常全部由其所在地区的负荷服务实体支付,除非有人认为这些资产对整个系统的可靠性起着必要作用。

尽管这些听起来简单明了,一旦有了对新输电设备的需求,这就会变得复杂起来。新发电机组的并网,通常由发电商支付,被称之为“参与者资金”,这可用来涵盖电网升级的成本,而如果没有新的发电资源,则不需要产生这些成本。但这其中也有细微差别,比如需要投资来满足负荷增长或国家政策的要求。这些成本是全部还是部分应由系统所有用户或部分用户承担,取决于谁造成了这些成本以及谁从中受益。

“成本产生者”应支付的原则源于经济学理论和公平观念。而且,一般来说,收益遵循成本因果关系:产生成本的人通常是从中受益的人。但情况并非总是如此,这就是成本分摊问题有时难以解决的地方,特别是在碳排放受限的世界里,电力系统的需求和使用都在不断演化。

其实没有简单的公式。在约翰逊总统敲桌子之后的50年里,美国州和联邦监管机构已经数百次修改和完善了输电成本分摊和定价规则。如今,为应对气候挑战、可变可再生资源的投资增加,相关规则正再次受到审查。联邦能源管理委员会(FERC)已经与各州监管机构联合成立了一个输电价格工作小组来处理这些棘手的问题。预计将在2022年晚些时候提出改革建议。

这对中国有什么有益启示吗?

答案是肯定的。如果跨省输电服务是按每千瓦时收取的,而大电网的电力传输必须经过每个省的输电,那么就会出现两个缺点。其一,它对可用输电容量的使用施加了不经济的成本。也就是说,它不当地反映了未使用的输电容量的价值,从而阻碍了各省之间本来有经济性的电力交易。第二,阻碍了按经济调度原则对整个区域电网进行调度。

一种类似于美国区域输电组织的方法能解决这些问题。可以在全国建立一些这样的区域实体,每个都有一套统一的区域规则来分摊区域输电成本,一个统一的区域输电规划过程,一个单一的区域系统运行商和一个单一的区域市场运行商(这些不一定在同一个机构内)来监管一个统一的区域市场(请点击“规划投资如何与市场衔接”,“广东现货市场如何进阶”,以及“南方区域市场怎么建”。了解我们对此议题与中国南方电网地区相关的深入讨论)。

RTO式的方法认识到区域输电对整个区域是有益的。根据峰值负荷的分担份额,按月或按年将输电成本分摊给该地区所有省级电网公司(最终分配给所有用户)。或者,可以按照一个公司每月总电量消耗(MWh)相对于该地区总电量消耗的函数来分摊成本。关键是不以固定每千瓦时输电价格和交易量为基础回收成本。这将大大有助于确保输电成本不会掩盖不同省份不同发电资源的相对运营成本。这将意味着,输电成本的分摊和回收将与区域电网的经济调度分开。

最终,消费者将支付这些成本。通过被纳入每个省级电网公司的准许输电成本(输电“收入要求”),这些成本将在省级电网公司让客户支付的输配电价中回收。省级政府可以像目前一样,在中央政府批准的情况下,继续负责制定和设计输配电价。

改革输电成本分摊和回收,可令在更广阔的地域范围内进行经济调度成为可能,这将为中国的家庭和企业带来深远而直接的利益。同时,电网可以更容易,成本也更低地消纳大量可变可再生资源。与世界其他地区的情况一样,这将需要一个不断审查和完善的过程。随着使用新方法的经验的增长,人们也将准备好迎接新的挑战,诸如设计输电阻塞收费和金融输电权。这些都是未来需要讨论的,当前要为今后铺路而打好基础。

本文首发于《南方能源观察》

解锁灵活性资源促进建筑电气化-以热泵为例

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在中国总的碳排放中,建筑运行产生的排放大概贡献了约20%,其中3/4来自于与建筑相关的用电和供热的化石燃料非直接燃烧。为了满足中国政府提出的2030碳达峰和2060碳中和目标,高比例发展可再生能源,大力开发建筑节能潜力以及电气化将是建筑领域脱碳的关键。热泵对于电力系统的贡献在于1)热泵是一种极为高效的电气化供热/制冷方式,从而减少能耗,降低排放;2)热泵可以更多地利用清洁的可再生能源发电(风电、光伏);3)由于其灵活可控的特点,可以通过低谷用电减少用电峰值负荷,以及在系统需要时提供辅助服务以增加系统的可靠性;4)减少输配电扩容和升级需要,降低所需的可再生能源投资。

我们希望进一步讨论如何更好地利用热泵,并促进热泵在提供电力系统灵活性方面的作用。要实现这一目标,需要市场和政策的共同作用,并加强电力系统改革的多个方面。本篇文章主要在结合具体案例的基础上,分两个部分为中央和地方政策制定者给出建议:热泵作为一种灵活的资源,发挥需求响应的潜力;电力和供热综合资源规划。

中国电力报就此主题对作者进行了采访,文章刊登于中国电力报及其微信公众号,文章标题为:将热泵技术融入清洁供热

国际视野:对创建“全国统一电力市场”的下一步工作建议

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近日,国家发展改革委、国家能源局发布了《关于加快建设全国统一电力市场体系的指导意见》 (发改体改〔2022〕118)。该文件为电力市场改革又向前迈出了重要一步,比如,该政策中制定了总体目标,要求在2025年前,国家市场与省(区、市)/区域市场协同运行,电力中长期、现货、辅助服务市场一体化设计、联合运营。同时,还提出优化电力市场总体设计”,“建设全国统一的电力市场体系,统一交易规则和技术标准等关于电力市场建设的要求。 

基于国际相关经验,以及对中国电力市场的了解,本文分别从以下五点提出落实该政策可考虑实施的建议,仅供参考: 

  • 以统一的算法优化区域调度的区域现货市场,是清洁能源转型的重要组成部分 
  • 中长期合同利用金融手段比物理手段更灵活、更利于可再生能源发电并网 
  • 电力现货市场的一个关键功能是在调度决策中反映不同资源的真实边际成本 
  • 输电定价不应成为统一区域市场和调度的壁垒 
  • 支持发电机容量成本回收的措施应谨慎加以限制。 

本文首登于南方能源观察(2022318

     

电力现货市场风险管理:发电运行成本分析、电力现货市场监测、市场力筛选和减缓

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国际经验表明,电力市场,特别是电力现货市场,很容易受到操纵,从而导致增加不必要的成本和排放,降低系统效率。在电力短缺和输电系统阻塞时,这些问题将更加突出。随着现货市场在全国范围内的发展,完善市场监管的需求将继续增长。总的来说,在欧洲、美国以及世界其他地区,电力市场在很多不同的方面受到密切的监管 。本文以美国为例 ,主要从发电运行成本分析、电力市场监测、市场力筛选和减缓等方面进行分析,以期对中国电力现货市场提供参考。

本文初稿于2021年完成,在结合和国内专家的讨论后,我们于今年3月正式发表在网站上,以便与更多行业内同仁分享。

解锁一体化区域电力市场的收益

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中国的风能和太阳能装机容量仍居世界领先地位,总装机容量超过500吉瓦。此外,中国承诺在2030年前达到碳排放峰值,并在2060年前实现碳中和,为此,中国制定了到2030年,风能和太阳能发电总装机容量达到1200吉瓦,即从2020年起每年新增约80吉瓦可再生能源发电的目标。由此,电网公司也面临着更多风能和太阳能并网所带来的挑战。尽管每个国家的政策、机制和技术情况不尽相同,随着可再生能源的渗透率提高,世界各地的电网运行商和政策制定者将面临类似的挑战。中国已经在消纳风能和太阳能发电方面取得了令人印象深刻的进展,但正如一些研究中提到的,要确保所有这些机制良好地协同工作,还有很多工作要做。

世界各地应对这些挑战的一个基本方法,对中国来说也同样至关重要,那就是建立更多的区域市场,脱离以省为单位的调度方式并向区域经济调度过渡。区域经济调度是指以最小化短期运行成本(理想情况下包括排放的社会成本)为目的运行区域电力系统。在一些地区,如中国西北地区,基于省级的电力调度意味着各省级调度中心在更大地理范围平衡可再生能源和水力发电的作用会受限。

在有充足输电能力的前提下,区域经济调度将促进发电边际成本较低的省份向发电边际成本较高的省份输出电力。特别是,区域经济调度将在更大的范围内平衡风能和太阳能发电,减少这些资源的总体可变性和不确定性,并利用负荷和其他发电资源的多样性优势。这也将有助于减少可再生能源弃电,并以低排放低成本的方式帮助管理和预防缺电。

一、区域市场模式有效缓解市场矛盾

随着中国迈向具有更大跨省输电能力的区域市场,可以借鉴美国的区域市场(RTO)模式。这种模式包括日前和实时电能量和辅助服务市场,区域经济调度,以及所有资源公平竞争的指导原则。南方电网地区已率先开展“区域市场”建设,尽管有关该市场将如何发展的许多细节似乎仍在考量中。与此同时,在中国其他地区,如可再生能源资源丰富的西北地区,区域市场一体化也是一个非常重要的议题。

向区域市场和区域经济调度转变,无论是通过RTO还是类似的模式,都将以多种形式为中国带来实质性的利益:降低运行成本,减少运行备用容量,提高现有输电资产的利用率,通过协调计划发电机组维护和停机以及实时管理电频和电压,提高系统可靠性,完善系统规划。在这里,我们基于美国一些RTO的研究,提供一小部分可获得利益的样本。

首先,通过向RTO结构过渡,可以实现的一个好处是,不再对每笔输电交易收取每千瓦时或每千瓦的输电费用,而是按月或年向所有省级电网公司分摊输电成本。例如,在中国,电力输入省份每输入1千瓦时通常需支付“元/千瓦时”的输电价格。这种每千瓦时的交易费用对参与者之间的电力交易造成了障碍,而若无此交易费用电力交易本来可以具有经济性。从基于交易的输电费用向省级电网公司收取月度或年度输电费用的转变,避免了这一问题,与区域经济调度的转变更相符。

尽管与中国略有不同,美国也有输电交易费用阻碍市场参与者之间进行更多电力交易的经验。在目前覆盖美国约三分之二地区的RTO成立之前,电力公司管理各自的服务区域,导致很高的交易成本。跨越一个以上电力公司服务区域的交易被评估收取单独的输电费用,这种做法被称为“摊大饼电价”(pancaked rates),随着更多的输电系统参与进来,成本迅速叠加。不出所料,这样的输电费用阻碍了电力公司之间进行电力交易。此外,电力公司留出了5%~25%的现有输电容量,以支持这些双边交易,而这些预留容量往往没有得到充分利用。在美国西部和东南部的部分地区,这种做法仍然存在。

所有这些问题在RTO运行的区域市场都不复存在。按RTO输电成本分摊方法,输电被视为一项公共利益,由所有参与者按“美元/千瓦”的接入费用支付,不与单个交易挂钩。“摊大饼”式的输电费用根本不存在,随着交易成本的降低,各方之间的电力交易——包括跨更大地理区域的电力交易大幅增加。RTO的日前和实时电能量市场接受参与者的投标,并在安全限制的基础上进行区域调度,输电资产得到更充分的利用。

二、区域能源调度降低了经济与环境成本

中陆独立系统运行商(The Midcontinental Independent System Operator,简称MISO )是一家业务覆盖美国15个州以及加拿大马尼托巴省的RTO,据估计,2020年,区域经济调度为其成员节省了3.29~3.63亿美元,而输电可用性的改善又为他们节省了2.88~3.13亿美元。类似地,服务于13个州和哥伦比亚特区的PJM发现,区域调度每年可节省6亿美元的成本。这些估计未包含区域经济调度所带来的环境效益,例如减排量。这些效益会在未来几年到几十年随着越来越多的可再生能源并网而大幅增加。

在较大范围内的系统运行还可带来其他效益,因为不仅风能和太阳能的可变性降低了,电力需求的可变性也降低了。由于供需两侧可变性的降低,确保电力系统可靠性所需的备用容量则相应减少。2020年,涵盖14个州的西南电力池(Southwest Power Pool,简称SPP)估计,整个区域需要1514兆瓦的运行备用容量,而如果单个电力公司自己提供备用容量,则需要9068兆瓦,这样算下来就节省了5.42亿美元。MISO估计,由于地理多样性,2020年减少15吉瓦左右运行备用,成本节约在19亿到24亿美元之间。MISO认为从百分比来看,这种地理多样性使得备用容量减少了7%,从25.2%降到18%。PJM估计,由于区域市场所需备用容量的减少,可节省12~18亿美元。同样,这些估计未包含环境效益,比如减排量。

三、区域间电网互联,有效保障系统安全

到目前为止,我们已经讨论了区域内部市场和运行实践的巨大好处,此外,区域间市场通过合作和协调,或通过连接多个区域的大规模输电,或两者兼有,也会带来额外的好处。太平洋西北部和西南沙漠地区之间的电力交换就是一个长期的例子。由于电力需求高峰的时间不同——西北太平洋地区的冬季高峰和西南沙漠地区的夏季高峰——这两个地区有必要选择在各自的高峰需求期间相互传输电力,而不是各自提高系统容量。

从更广泛的角度来看,美国的电网(不包括阿拉斯加和夏威夷)由三大内部电网互联组成:东部电网、西部电网和德克萨斯州电力可靠性委员会(ERCOT),后者覆盖了德克萨斯州的大部分,但不是全部。这三者之间的互联是很有限的——他们基本上独立运行,相互之间的电力传输量很小。国家可再生能源实验室(National Renewable Energy Laboratory,简称NREL)评估了在各种不同的假设下(例如,天然气价格低,天然气价格高,等等),通过一系列高压直流输电线路连接美国东部和西部电网会带来何种效益,研究发现,除了一种情景外,其余所有情景下的经济收益都远远超过成本。而且,大部分经济效益来自于更大的输电能力促进了发电运行成本的降低。

在节约成本的同时,地区间更强大的电网互联也能带来可靠性和韧性方面的好处,这一点在2021年2月席卷美国南部的冬季风暴“乌里”中得到了证明。ERCOT与州外电网的连接有限。德克萨斯州冬季需求比预期高得多,发电机组的表现不佳等诸多因素导致了这场危机,在州外如果有更强的电网互联必定会对缓解该危机有所帮助。

与此不同的是,SPP和MISO虽然也面临严寒天气,但通过从没有受到“乌里”影响的其他地区输入电力,最大限度地减少了电力短缺。在风暴的高峰期,MISO从邻近电网输入了大约12吉瓦电力。MISO估计,2011年,作为其多价值项目(Multi-Value Project)输电计划的一部分进行的输电投资,以约65亿美元成本建造,仅在冬季风暴“乌里”期间就带来了约180亿美元的效益。电网战略有限责任公司(Grid Strategies LLC)计算得出,在冬季风暴“乌里”期间,额外增加1 GW德克萨斯州与美国东南部输电的连接,就可以节省近10亿美元。

四、总结

在中国,虽然会存在输电投资是否足够,选址是否正确的担忧,但总的来说,近年来许多高压直流输电线路的建设给中国电力行业带来了益处。换句话说,中国已经具备了成功的开展区域经济调度和区域市场的基础设施。中国面临的挑战是制定一项计划和时间表,将这些市场机制落实到位。正如本文所讨论的,“美国RTO”是实现区域市场的一种模式。

更具体地,我们对中国提出以下几个“下一步”政策建议:

  • 为南方区域电力现货市场的建设制定一个清晰的路线图,由于南方电网是第一个开展区域电力市场工作的地区,这将是在全国范围内建设区域市场迈出的重要一步。我们建议不仅仅停留在对区域内几个省级现货市场的简单关联,而是以类似美国RTO模式形成区域电力市场。这样的区域电力市场除了实施上述的现货市场机制以外,还应该对输电成本分摊和输电规划采取区域一体化的方式;此外,成立一个单一的区域系统运行商(调度中心)和市场运行商,这两者可以属于同一个机构,例如,作为电网公司的一部分,或者也可以单独成立。
  • 制定一项政策规则,由从每一次输电收取度电固定输电费用,转向将区域输电成本按年度或者月度向省级电网公司分摊的做法。国家发改委最近发布的《跨省跨区专项工程输电价格定价方法》中,在从严审批电网公司跨省跨区输电成本和改善电网运行效率等方面迈出了新的步伐。然而,它依旧采用了对每笔交易收取固定电量电价的方法来回收输电成本。这样的输电成本回收方法很可能继续作为实现区域内、跨区经济调度和解锁区域市场相关收益的绊脚石。
  • 相对领先的地区可以率先形成RTO模式的区域市场,而其他地区也能够通过逐步向区域经济调度转变来获得收益。正如我们对中国西北地区电力行业转型提出的建议,应该逐渐改变在该区域内以省为中心的调度方式。西北区域电网公司调度中心应该在审查和调整(目前是以省为基础)运行决策方面发挥更积极的作用。也就是说,为了帮助区域优化风能、太阳能和水电,西北区域电网调度中心应享有调整省级水电和煤电机组安排的权力。

最近几年,中国的政策制定者和行业相关者已经在改善调度运行效率、促进跨省跨区电力交易以及增加太阳能、风能并网发电量方面取得了显著的进展。然而,正如世界上其他国家一样,在区域电力市场改革方面还有许多工作要做。我们希望这些建议能够帮助解锁区域电力市场带来的持续收益,为中国早日实现清洁能源和低碳目标做出贡献。

本文首刊于南方能源观察,11月26日 

睿博能源智库携手英国能源监管局、国际能源署、世界银行等机构联合启动“能源监管转型加速项目”

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能源行业在实现脱碳目标中起着至关重要的作用,制定雄心勃勃的脱碳目标是政府的职责,而国家、地区的能源监管机构将在政策落地方面发挥关键作用。英国格拉斯哥当地时间11月3日,睿博能源智库与英国能源监管局(Ofgem),国际能源署,世界银行,国际可再生能源署等召集了全球能源监管机构和组织,启动了国际“能源监管转型加速项目”(Regulatory energy Transition Accelerator),旨在提高能源监管机构的能力,以促进高效、迅速和公平的能源系统脱碳。

项目启动声明得到了世界各地政府机构和官员的正式认可,包括澳大利亚能源监管机构、美国加州公共事业委员会、法国能源监管委员会、印度尼西亚能源和矿产资源部、肯尼亚能源和石油管理局、新加坡能源市场管理局,以及美国联邦能源监管委员会委员Allison Clements女士。

全球供暖转型也需要能源政策和监管的转变。11月11日,由联合国环境规划署主持的全球建筑建设联盟与多家机构共同主办了 “清洁供暖论坛”(Clean Heat Forum)。该论坛通过将公共部门和私营企事业单位领导人聚集在一起,使参与者能够共同创造并分享最佳实践政策、标准和公众参与战略,以减少破坏气候、造成空气污染的来源。加速使用高效清洁的供暖技术、恰当的建筑设计以及配套的解决方案,也将有助于减轻健康和能源负担、促进繁荣和创造更多就业。

该边会参会代表来自德国联邦环境、自然保护和核安全部,德国能源署,丹麦能源署,苏格兰政府能源和气候变化理事会,约旦能源矿产部等政府部门和国际组织。睿博能源智库有幸成为其中的一员,贡献了我们的政策建议和专业知识,帮助“清洁供暖论坛”实现其原定目标。

本次气候大会取得了一些成就,但仍面临诸如落地实施等挑战。睿博能源智库长期致力于为欧洲、美国、中国、印度等国的电力行业改革所面临的挑战提供解决方案。我们在能源领域从事专业的技术和经济分析,特别是在电力行业规划和市场设计、能效和电力需求侧管理、可再生能源并网、排放交易等方面有着资深的国际经验。

未来,我们将继续与合作伙伴一道,共同促进可持续经济发展、增加电力系统可靠性,努力推动本次气候大会的相关成果得以实施,为全球减少温室气体排放尽绵薄之力。