節點邊際價格和電力市場

2023-01-02 14:52:06 中國電力企業管理柴瑋王澍譯　點擊量：評論 (0)

LMP與2016-2050年不斷變化的電力資源結構在本節中，我們將討論LMP在過去7-8年美國不斷變化的電力資源組成中的作用，以及在未來10年、20年和...

LMP與2016-2050年不斷變化的電力資源結構

在本節中，我們將討論LMP在過去7-8年美國不斷變化的電力資源組成中的作用，以及在未來10年、20年和30年使用LMP定價來支持美國和世界各地能源轉型的潛在優勢。1997年至2014年期間，美國和安大略省電網經常出現輸電阻塞現象，并且隨著能源構成向更依賴可再生能源的方向發展，這種情況很可能會長期反復發生。當可再生能源發電異常高時，不可避免地會出現輸電阻塞。輸電網改造以適應偶爾或每天只出現很短時間的不正常輸出水平是不經濟的。未來幾年，對有效管理阻塞的定價機制的需求會變得越來越重要。

正如導言中所強調的，在未來30年里，隨著電力資源組合的不斷變化，LMP的核心優勢將是其在過去20年里的優勢的延伸。

1.LMP市場出清價格為儲能和價格響應資源提供符合市場條件的有效價格信號

隨著電力資源組合的演變和分布式發電、儲能和價格響應負荷的發展，使用LMP價格提供有效的價格信號變得越來越重要，儲能和表后資源可以以支持而不是破壞電力系統可靠性的方式響應。

這對需要隨著時間優化功率的電力資源(例如儲能)尤其重要。這類資源需要在價格和實際電力成本較低時充電以及在價格和電力實際成本較高時放電。很難想象，在缺乏透明的價格信號(如實時LMP價格)的按報價結算的平衡市場中，如何引導儲能充電和放電決策儲能資源實現有效競爭，或在平衡凈負荷時實現其全部潛在經濟價值。對于位于低價阻塞下游區域的儲能資源和位于高價阻塞上游區域的儲能資源都是如此。在按報價結算的平衡市場中，儲能資源必須猜測低價時刻電價會有多低，以便提交低價競標，以低價購買，并猜測高價時刻電價會有多高，以便以與其他供應商相同的價格進行出售。如果儲能資源報價低于出清電價，則無法充電，而如果為了確保可以充電而提交高報價，則可能不得不支付比儲能發電成本更高的電價，從而人為的降低了儲能的價值。

相反地，在阻塞上游地區的儲能可以提交足夠低的報價，以確保它們被調度用于平衡，但后果是他們不會得到真正的市場價格，也就是說，它們無法得到與同一地點其他發電商相同的價格。然而，如果他們為了得到市場價格而出價更高，一旦他們對市場價格的估計略高，他們將面臨不被調度的風險。任何基于上述猜謎游戲的按報價結算的設計都會阻礙儲能支持能源轉型。

此外，單一或分區價格系統通常會低估爬坡能力的價值，不管它是由水力發電、天然氣發電還是儲能資源。單一或分區價格機制從機理上就會低估爬坡的價值，因為非節點價格將反映在實際調度中的由于輸電約束而無法平衡凈負荷的爬坡能力。

LMP市場鼓勵并允許所有資源和所有類型的資源參與經濟調度以提供系統平衡，而不是像歐洲平衡市場那樣，將平衡市場的參與者限制在可用資源的一個子集內。特別是，非LMP系統不會提供價格信號以激勵表后資源以平衡系統的方式調整其功率。事實上，當出現輸電阻塞時，非LMP定價系統往往會促使表后資源以一種加劇當地不平衡的方式運行，因為它們將基于單一或分區價格運行，而不是響應其所在位置的LMP價格。隨著可再生能源輸出水平的提高以及資源組合演變，也包括更多的分布式資源，LMP對支持盡可能廣泛地各類資源參與市場平衡將變得更加重要，包括支持表后發電、價格響應負荷和價格響應的局部電網的功率輸入和輸出等各類資源的有效參與的作用，這些資源將對價格信號作出響應，而不是僅僅接收調度指令。

英國和歐盟的非LMP平衡市場使用的按報價結算的設計有利于存量大型發電商，不利于新建電源和新技術，并可能通過降低小型競爭者的利潤來實現市場力的行使。盡管一直以來都在努力改革這種機制的問題，但這種不公平在很大程度上是在平衡市場的非節點的、按報價結算的設計中固有存在的。

正如我們在下文中解釋的那樣，在按報價結算的平衡市場中，不存在允許阻塞區的發電商和電力用戶買賣遠期合約的遠期市場。在平衡市場中被調度的阻塞上游地區的發電商沒有按照市場出清電價被結算，在平衡市場中必須滿足的電力負荷也沒有按照市場出清電價付費。

2.LMP避免了受約束下調費用并減少了排放

LMP定價避免了向不需要滿足負荷需求并且在最小出力運行的火力發電機組支付受約束下調費用的這種不合理的費用，同時這種運行工況還會增加排放。LMP定價還避免了間接性可再生能源的不合理付費，即這些資源在一天或一年的發電情況會導致其潛在發電的很大一部分被棄電。

除了有記錄的美國區域市場的失敗經驗，英國和歐洲區域市場出現了令人震驚和不斷增長受約束再調度費用，由此產生了一系列對市場改革的需求。在非LMP市場設計下，用戶不僅會為高成本的電源支付高價，在單一價格機制下，即使電源不發電，用戶還需向阻塞區的發電商支付受約束下調費用。

3.LMP能夠有效反映節點價格信號

LMP在提供有效節點價格信號方面的好處，體現在其可以引導新建零排放資源和儲能資源的建設位置，并激勵現有的火電電源根據他們所處位置、發電能力和經濟性選擇繼續運行、退出還是進行升級改造。

a. 可再生能源

可再生能源發電通常被認為是零邊際成本電源，越來越多的觀點宣稱，因為其基本性質，可再生能源必然不再需要經濟調度，這樣就會導致如LMP等市場出清定價模式的失效。對這一說法稍加研究就會發現其論點根本沒有依據。

這種說法的隱含意思是，電價為零導致不足以支撐發電投資或電力需求響應。人們通常認為這是一個不言而喻的事實，因此，需要對當前電力市場的設計與結構進行變革。然而，零邊際成本電源并不總是系統的邊際電源。西部EIM市場的裝機以零排放電源為主，但實時市場的LMP通常不是零，甚至經常遠遠高于零。此外，即使在能源轉型完成后，LMP價格也一定不為零，因為存在充電和放電的成本不為零，庫容式水電的成本不為零，能夠降低用電的價格響應負荷的成本不為零，氫能發電的成本不為零。我們無法準確預見能夠實現凈零排放目標的電力資源組合是什么，但也不能臆想地認為電價會始終為零，而且沒有輸電阻塞。

隨著電力資源結構的變化，調度結果、輔助服務供應等也會隨之變化，但電力系統平衡的基本原理仍然保持不變。即使美國和西歐的電力資源結構發生了可預期的變化，各地的電價也不會總是零價。當間歇性能源發電較少時，將需要通過非零電價，甚至可能是比較高的電價來平衡凈負荷，其中一部分平衡可能是通過減少用電負荷來實現的，但在低電價時無法實現這種情況。當間歇性能源發電高時，也需要利用電價來平衡凈負荷，可以通過激勵大容量儲能，也可以借助一些分散的儲能來存儲，如電動汽車的電池，這些平衡措施都是依靠相應的節點電價實現的。市場運營機構將通過經濟性和技術需求來保證兩種情況下的可靠的經濟調度。雖然資源組合變化帶來的波動性會隨著儲能和價格響應負荷的增加而減少，但LMP價格的波動性會更強。但是這些變化不會影響LMP在經濟調度中的重要地位。LMP定價機制下的市場基本運行設計適用于所有水平的邊際成本，無論是高水平還是低水平。

LMP 鼓勵發電商選址在較少發生受約束下調的地區，特別是高電價時段。有可再生資源補貼計劃的州和公用事業公司可以基于LMP構建對在結算點的低排放資源的補貼價格體系。這些設計可以為可再生能源提供電價風險對沖，實現在結算點進行補貼的結算，而不是電源物理所在地結算，可以把發電站選址不當造成的不良后果留給發電項目自身，而不是像受約束下調費用那樣將這些成本轉移給消費者。雖然美國電力市場一般不會這樣做，但補貼合同被設計成雙向差價合約，當市場價格超過合約執行價格時，項目需要支付差價。這種類型的合約分配避免了在電價較高時可能出現的高于預期的補貼費用，但反過來，在價格低于預期時則需支付更高額的補貼。在LMP定價市場中，補貼合約結構也可以設計為：如果結算點的LMP價格為零，則補貼歸零。LMP提供了這些選擇。但是補貼合約的設計由在政府和監管機構決定，而不是電力市場運營機構。

LMP還鼓勵開發商在輸電系統已經或即將有新建規劃時建設發電項目，以保證電能供應，因為如果沒有足夠的輸電能力將發電資源交付到市場，發電資源就不會產生收入。然而，基于受約束下調費用的非LMP定價系統，在有足夠的輸電能力向負荷輸送電能之前的數年，就鼓勵發電商開始建設發電廠，因為發電商會能夠因為建設的發電機組無法調度而獲得受約束下調費用，而消費者卻為這些無法被調度發電去滿足負荷或減少排放的資源買單。

b.儲能

除了將電力生產從低價時期轉移到高價時期外，儲能的另一個重要作用是具有出色的爬坡能力，可以平衡間歇性資源出力帶來的電價變化。單一價格市場大大低估了爬坡平衡的價值，因為單一價格市場保持著這樣的假象：系統中所有爬坡能力都用來平衡每個地方的凈負荷。如果是這樣的話，就不需要儲能資源優秀的爬坡能力，但這顯然是不可能的，單一價格市場大大低估了儲能和機組爬坡能力對系統各節點真正的價值。在單一價格市場中，需要額外的補貼去糾正儲能和爬坡的錯誤的價格定位。除了施行LMP機制，由于沒有直接的方法來糾正這種錯誤定價，為補償對爬坡能力估值過低而做出的補貼結構，可能會給市場帶來其它的價格扭曲。

LMP價格反映了輸電網約束的影響，這可能會大大影響電力爬坡的價值。在單一價格市場中，爬坡能力的價值通常很低，因為整個地區或國家的電網有足夠的爬坡能力去調整凈負荷的變化。然而，這種爬坡能力由于受到輸電約束的影響，實際上并不能用來平衡凈負荷。由于動態LMP價格對每個節點和每隔5分鐘的電力進行定價，因此它們可以準確地對每個調度時間間隔內電網上每個節點的爬坡能力定價。這一點十分重要，因為在日內特定節點的價格模式下，可以激勵儲能資源去定位在哪里能獲得最高價值。儲能資源能夠根據受約束上調或受約束下調的情況擇優選址。LMP定價激勵儲能運營商根據節點和該節點日內的價格模式來優化其資源特性。

c.存量火電電源提供平衡服務

LMP 價格信號將激勵電源保持運營狀態以為負荷平衡提供最大價值的服務，因為在需要發電能力的時間段，這些位置的價格會更高，同時促使那些不再需要運行的火電退役。非LMP定價設計的情況并非如此，在非LMP定價設計中，約束下調費用可能會促使那些對滿足負荷需求或保持電力平衡沒有價值的電源持續運營。

4.LMP支持具有經濟責任且運行可行的日前市場

隨著美國、加拿大、澳大利亞、英國和歐盟發電資源組合的發展，電力系統將面臨更大的運行壓力，非LMP設計會越發不適應這種趨勢，且必然會產生不可行的日前計劃。即使在可預期的系統狀況下，這些運行上不可行的日前計劃也不能作為實時平衡負荷和發電量的依據。此外，當系統狀況與預期發生變化時，依賴不可行的日前計劃將加大系統運行的挑戰。

在上世紀90年代和21世紀初，調度機構必須應對發電和輸電出現的強迫停運帶來的后果，這種故障可能在短時間內很大程度上改變系統的運行狀態。系統運行中發生的這些故障是通過事故約束經濟調度和運行備用來處理的，這使得系統能夠在發生這些事故后保證運行可靠性。

系統運營商仍然需要管理輸電系統運行并且保證充足的備用，以便在系統發生輸電和發電故障后保證運行可靠性。但隨著資源組合的不斷變化，系統運營商管理凈負荷加劇波動的難度將進一步增加。典型的例子是，2020年8月15日，CAISO在僅僅12分鐘內就經歷了從具備足夠的備用，到宣布第二階段緊急狀態，再到不得不切斷負荷的狀況。未來電力系統運行環境將更加多變，即使在沒有意外事件的情況下，如果在每一個運行日都是以一個不可行的日前計劃開始的，那么我們不會有任何市場設計的空間，而且將使系統運營商置于十分困難的境地。我們得出的結論是，對于系統運營商來說，依靠產生與預期市場狀況不一致的日前計劃的市場設計已經不再可行。

如上所述，為實現具有運行上可行和具有財務責任的日前市場，不僅是CAISO實施LMP市場的一個重要益處，這也是 IESO在21世紀20年代及以后決定施行日前市場的一個重要考慮因素。20世紀90年代和21世紀初促使日前市場運行的一個重要驅動力是需要在日前實現啟動那些慢速啟動能力的天然氣發電機組，以便它們在實時市場隨時可用。盡管這一需求在21世紀20年代和21世紀30年代的重要性可能要小得多，但可行的日前市場也為價格響應負荷的用電計劃提供了財務依據，因為這些負荷需要在實時市場前做出一些決策;表后局部電網需要在實時市場前做運行計劃;對于其他電源，如梯級水電站，則需要在日前執行高成本發電計劃;對于儲能，則需要考慮運行日的利潤決定運行計劃。具有財務責任以及在運行上可行的日前市場發電計劃，也為系統運營商提供了預期的運行計劃，并鼓勵發電商在供電時能夠按照其日前計劃運行，并根據實時LMP價格增減出力。

5. LMP在適應不斷變化的調度機制中已經體現其靈活性

在過去的20年中，LMP已經適應了調度體系設計的一系列變化，在LMP市場體系中，這些變化都得到了很好的執行。這些創新包括：

●爬坡調度(CAISO、 Western EIM和 MISO)

●快速啟動/固定區塊(fixed block)/擴展 LMP定價(NYISO, MISO, PJM, ISO New England, SPP)

●實時市場中電能量和輔助服務的聯合優化出清(NYISO, MISO, SPP, ISO-NE, PJM)

●日前市場中電能量和輔助服務的聯合優化出清(all U.S. ISOs)

●備用短缺定價 NYISO, MISO, PJM, ISO NE, PJM, SPP 和 ERCOT

●多時段優化(CAISO、 Western EIM和 NYISO)

●15分鐘和5分鐘的定價和結算(CAISO、 Western EIM)

●輸電過載定價 (NYISO, CAISO, MISO, SPP, and ERCOT)。

雖然我們在本文中重點討論了經濟調度和LMP定價，但同時金融輸電權的拍賣設計也發生著演變和創新，以滿足市場參與者不斷變化的需求。應對這些變化的應用：

●高峰時段和非高峰時段金融輸電權(FTR)

●分時段平衡拍賣(Balance of period auctions)(PJM、 MISO、 NYISO和 ISO New England)

●未來年度拍賣(PJM、 ERCOT和 NYISO)

●輸電網故障性能績效激勵(NYISO)

此外，還有很多其他創新點也可以在LMP市場內實施：

●儲能荷電狀態報價和調度(CAISO)

●具有經濟責任、操作可行的日內市場

在按報價結算的平衡市場中，當要求市場成員競價投標以獲得與邊際機組相同的市場價格的情況下，目前尚不清楚的基于荷電狀態的報價是否可行。這是按報價結算的平衡機制只適用于過去的另一個例子。按報價結算的市場設計低效且不公平，它們特別不適合管理不斷變化的電源組合的發電功率，以及可能嚴重依賴分布式能源進行平衡的輸電網。

同樣，在沒有LMP的情況下，也不可能引入運行上可行、財務上有約束力的日內市場，該原因與運行上可行的日前市場在單一出清價格市場中不可行的原因大致相同。

最后，我們在上文指出，公用事業部門和各州在低排放或零排放資源的補貼合同結構的設計中使用了LMP定價，通過將補貼構建為結算參考點或分區價格的差價合約結算，來激勵有效的選點和運行決策。

結論

與單一定價或分區定價相比，LMP 定價使美國市場能夠更好地適應間歇性資源發電比重的上升。此外，評論人士對LMP市場的一個潛在擔憂是電能量價格高時對可再生能源的支付水平。正如我們上面所指出的，對這些可再生能源的支付水平是州和聯邦政策的結果，而不是市場運營機構定價設計的結果。此外，當由于燃料成本高導致市場出清價格很高時，LMP市場無需采用受約束下調費用以進行輸電阻塞管理的能力尤為重要，就像當今在美國和世界大部分地區的情況一樣，這些“不用于發出電能的支出”也會增加。

在保證以往系統可靠性水平的同時還要適應間歇性新能源發電比重提高的現狀，這存在巨大的運行和市場挑戰，但LMP定價有助于實現這一目標。如果基于調度指令、受約束再調度費用和按報價結算的平衡機制的市場設計，不可避免會對電力系統可靠性造成一定影響，也會阻礙這些目標的實現。LMP 定價市場設計在資源組合變化時仍能保持系統可靠性的關鍵運行優勢包括：

●為表后發電電源、價格響應負荷、表后局部電網和儲能提供了一個高效、透明的價格信號，使這些資源能夠在系統緊張的情況下保證電網的可靠性，而不是破壞可靠性;

●運行可行且具有經濟責任的日前市場計劃，使系統能夠滿足預期的運行狀態要求，提前計劃好在發生隨機故障時平衡凈負荷所需的資源，并激勵發電資源能夠在實時市場滿足日前計劃的發電需求;

●激勵新建機組選址在合適的節點，不僅降低用戶購電成本，同時也激勵了儲能資源和爬坡能力的建設，保證了電力系統可靠性;

●提供高效的位置信號激勵，不僅降低用戶成本，而且通過提供位置信號激勵儲能和發電機組快速爬坡提供容量，從而有效保障系統可靠性;

●有效避免了單一系統電價或分區電價機制中由受約束下調費用所產生的用戶購電成本;

●通過對反映輸電阻塞的節點價格進行遠期對沖，又可以通過提供銷售交易所遠期合約實現平衡能力，以支持高效的、有競爭力的新市場成員進入市場;

●能夠適應調度機制和環境政策的不斷調整和變化，包括當市場上升時的補貼退坡設計等;

●能夠有效緩解市場力。LMP定價設計能夠適應市場力緩解制度的設計。市場力緩解制度關注的是有能力行使節點市場力的賣方，而不是采用按報價結算激勵制度去消除市場力。

原文鏈接

https://scholar.harvard.edu/files/whogan/files/locational_marginal_prices_and_electricity_markets_hogan_and_harvey_paper_101722.pdf

名詞解釋

LMP: Locational Marginal Price，節點邊際電價