01 引言
2022年初，国家发展改革委和国家能源局印发的《关于加快建设全国统一电力市场体系的指导意见》（即118号文件）要求，各地区根据实际情况“建立市场化的发电容量成本回收机制”，可选择的方式包括“容量补偿机制、容量市场、稀缺电价等”[1]。
根据睿博能源智库（RAP）此前的研究，一个包含了设计完善的稀缺电价（即随时间和地点浮动的现货市场价格）机制的现货市场，对于支持可靠的新型能源系统非常重要。国际经验和分析也表明，成功设计一个“单一电能量”的现货市场（即不包含任何容量电价的市场）来支持合理的容量成本回收[2]是可行的。
然而，鉴于选择什么方式的成本回收机制在中国的电力行业仍然是一个热点话题，本文在此探讨稀缺电价之外的两种方式：容量补偿机制和容量市场，为简单起见，我们不妨将它们一起称为容量补偿机制。
我们根据国际经验（主要是美国）来阐明若干要点。任何容量补偿机制都需要非常仔细地设计，以避免产生过高的系统成本和多余的碳排放。我们特别建议，如果选择使用容量补偿机制，这种机制应：
- 经过科学全面的资源充足性评估，坚决避免对不必要的发电资源进行补偿。
- 根据减排和新能源转型目标发出合理的信号，支持所需的资源投资和适当的资源退役。一个合理的机制不应该担保资本成本的回收。
- 让所有的资源在一个公平的环境中竞争，包括需求侧资源，如对节能的投资。
- 通过绩效评估要求资源对收到的容量电费负责，对绩效差的资源实施严格惩罚。
02 科学全面的资源充足性评估
合理的容量补偿机制需要通过资源充足性评估来判断系统所需电力容量。一个设计合理的资源充足性评估过程将根据预期需求、现有资源组合、以及为合理管控停电风险所需的额外容量，来确定总的新增容量需求[3]。如果这一规划做得不好，或者如果没有将容量补偿机制很好地纳入到规划过程中，就可能会导致过度投资、造成高成本和高排放[4]。
资源充足评估要从全面、透明的负荷预测开始。负荷预测要给出一天中的不同时间、不同的季节和不同的天气条件等各种情况下的期望负荷水平。负荷预测同时也应包含未来的各种预期负荷，包括电动汽车和电力供热，还应考虑由于气候变化带来的未来天气条件的变化对负荷的影响。参照国际上相对成熟的资源充足性评估，负荷预测往往要关注未来至少5年的情况，并且每年进行滚动更新（即，每年开展对未来5年的预测）。
由于不同的天气条件和其他因素，系统需求在不同时段和不同地点会有很大的变化。决策者需要分析每小时的需求变化，并确定所需的发电容量，以确保满足包括极端天气在内的各种情况下系统的需求。美国的电力市场通常要规划出一定的备用容量，以达到某个预先确定的可靠性标准。可靠性标准也不是一成不变的，目前美国的电力行业从业人士和学者正在探索改进在高比例可再生能源系统中衡量系统的可靠性[5]的方法。
03 为资源的投资和退役发出合理信号
假若要实施容量电费机制，则该机制需要经过仔细设计，确保为资源的退役和投资发出合理的信号。这些信号应有利于可靠性目标（如上一节所述）和政策目标（如减排目标）的实现。容量电费仅应补偿满足必要电力需求且有利于脱碳的资源，同时推动妨碍减排目标（和其他政策目标）实现的过剩产能和资源退役。必须指出的是，容量电费机制通常并非是影响各种资源投资和退役的唯一政策机制。在这种情况下，容量电费机制可以被认为是一种“微调”政策，虽不寻求补偿所有的投资成本，但这种机制可以提供额外的合理激励，以确保政策和可靠性目标得以实现。
原则上，一个设计先进、发送合理经济信号的容量补偿机制的关键在于容量电价水平的确定：
- 当容量（在规划周期内）明显过剩时，容量价格应该为零或接近于零，这有助于阻止新的产能进入市场和/或鼓励现有的发电容量退役[6]；
- 当容量刚好或出现稀缺时采用正的容量价格（从而引导新产能进入市场和/或维持现有的发电设施）。
容量电费不应保证对现有资源的固定成本回收。这样做有风险，可能会延长不经济资源的使用寿命，增加系统成本，取代其它更低成本的资源，并阻碍脱碳和空气质量目标的实现。美国在2010年代的大部分年份中，电力系统都出现了容量过剩，超出了满足可靠性目标的需要。产生这样结果的部分原因来自于2000年代天然气发电装机容量的大规模扩张，能效投资导致负荷接近零增长，以及其他政策驱动引起的可再生能源增加。最终的结果是，容量电价往往明显低于新增最低报价资源的净成本[7]，这一价格信号鼓励过剩容量逐渐退出市场。如下图所示，在这方面，美国容量市场的“自我纠正”表现符合预期。
容量电价持续走低的一个可能的影响是，经济效益差的资源面临退出电力系统的巨大财务压力，从2012年到2021年，平均每年有近10吉瓦的煤炭发电机组退役[8]。虽然这是多种因素合力作用的结果，例如日益严格的环境法规促使一些外部成本内化，但燃煤发电经济性等其他方面的因素起了主导作用。燃煤发电的固定成本高、相对不灵活，使得它越来越难以与更低成本、更灵活的资源竞争，而这些资源所需的容量电费更低。
04 让所有资源在公平的环境中竞争
合理的容量机制应该让所有的电力资源在一个公平的环境中竞争。要想找到最经济的电力资源来满足可靠性目标，这种方法是有必要的。在美国，现有的容量补偿机制正在不断地被修订，以确保更好地支持各种资源参与容量补偿机制，例如需求响应、分布式发电和能效（节能）资源等。在设计容量补偿机制时，须确保所有这些资源都能够与传统资源公平竞争，以提供“有效容量”（Effective Capacity）。例如，与投资传统的燃煤或燃气发电厂相比，通过节能投资来维持可靠性的成本往往更低[9]。
一个重要的原则是，对每种资源都应该根据它能作出的贡献和它所具有的局限性来进行评估。量化每种资源对可靠性的贡献，应在科学的建模基础上，对各个资源进行横向比较。美国普遍采纳了名为有效载荷能力（Effective Load Carrying Capability，以下简称ELCC）[10]的量化方法。在六个设有容量补偿机制的美国电力市场中，有两个应用了ELCC（CAISO[11]和MISO[12]），两个正在向ELCC过渡（PJM[13]和SPP[14]），两个正在制订ELCC的相关程序（NYISO[15]和ISO-NE[16]）。
一个新电厂ELCC的数值是指：在保证同等系统可靠性的条件下，在当前系统内新建电厂导致系统可以承载的最大载荷的增值。换句话说，ELCC可以测算出等量的“完美”容量（即随时可用的容量）。例如，在保证整个电力系统可靠性不发生变化的情况下，50%的太阳能ELCC表示假如新建一个100兆瓦光伏电站后，可以多满足50兆瓦的电力需求。计算每个资源的ELCC可以衡量各种资源之间的可替代性，这为公平竞争创造了条件。ELCC经常被用来量化可再生能源为系统提供的可靠性贡献。但现在，越来越多的人认识到计算所有资源——包括储电[17]和需求响应[18]——ELCC的重要性。
同样，计算传统火力发电[19]的ELCC也很重要，但仅按照平均事故停机率（即10%的故障率导致90%的ELCC）对标定容量降级是不充分的。最近的几起引人瞩目的事件表明，传统上“可靠”的火电资源也可能会出现连带故障。例如，2021年2月，得克萨斯州的低温导致天然气生产井口冻结，使得大约20吉瓦的天然气发电机组无法获得燃料。这种连带影响意味着，一个由许多单个机组事故停机率仅为10%的机组所组成的发电机群，其ELCC可能小于90%。对PJM[20]的历史分析显示，在低温条件下会出现火电停机率显著升高的趋势，许多观察人士认为，ISO-NE[21]市场也存在类似的风险，因为该市场最近对天然气发电的依赖程度有所增加，而燃料输送能力（管道或液化天然气）却并没有提高。
下图给出了测算ELCC时所涵盖的因素以及各资源类型的示例值。必须注意的是，这些ELCC值与资源的实际容量系数或利用小时数没有任何显著联系。事实上，那些利用率很低，但在系统需要获得可靠性时可以完全依赖的资源（如需求响应、储能或调峰机组），更可能被认为具有较高的ELCC值。
让各种资源在一个公平的环境下竞争，不仅要考虑资源的物理特征，还要将资源的位置纳入考虑范围之中。将电力输送到需求地点的能力是可靠性的一个关键要素。受输电约束影响而限制了供电能力的发电机组对系统可靠性的贡献相对较低，而输电能力高的发电机组对系统可靠性的贡献相对较高。美国的每个容量市场都通过发展“区域” （zonal）或“本地”容量需求（local capacity requirement）来反映这些因素。按照这种概念，ISO/RTO在每个区域内都要设置不同的最低发电量，以确保该地区的可靠性，而这往往导致有输电堵塞的地区的容量价格较高。这大概类似于在输电约束的影响下，各区节点边际电价中产生的价格差异[22]。下表展示了几个容量市场的设计。
05 资源绩效问责制
任何一种设计合理的容量机制都应确保，在系统需要可靠性资源的关键时刻，接受补偿的资源能够按照容量补偿机制设计好的方式发挥应有的作用。这对于构建兼具经济性和可靠性的电力系统都是必要的，因为如果资源不能合格地发挥作用，就意味着（1）负荷为不存在的容量付费，（2）系统没有获得实现可靠性所需的容量。
美国的几个区域输电组织最近加强了对资源的绩效评估，包括对表现不佳的资源实施严格的经济惩罚[28]。接受补偿的资源必须在系统需要保持可靠性（即系统出现容量不足）时提供容量。无法按核定容量水平提供服务的资源，将根据其相对于核定容量水平的表现予以处罚。因为处罚的存在，这套制度有利于提高资源核定容量的准确性，所有资源都不会虚报超出自身发电水平的核定容量。
好的资源绩效评估有以下几个主要特点：
- 绩效评估要针对可靠性风险最大时段
资源的绩效评估应针对系统最需要资源来保证可靠性的几个小时（即满足系统总需求和资源的单个容量核定的时段）内。不应在系统有足够的和/或过量的供应时段来对资源进行评估。
- 绩效评估应与资源自身特性保持一致
绩效评估应根据资源自身特性来确定。例如，构建随季节或时间而变化的性能要求很重要，例如，光伏的ELCC一开始就并未假设它可以在夜间使用，这样它就不会因为无法在夜间出力而受到惩罚。
- 加大经济处罚力度
对绩效不佳的资源应施加充分的经济罚款，绩效极端不佳的情况下罚款额可以超过原来支付的容量费。这种经济激励措施是必要的，因为可以确保资源（1）不虚报核定容量，（2）在投资和运营过程中确保这些资源能够在需要时发挥作用。反之，比核定值表现更好的资源也可能因此获得经济奖励（通常可以将对表现不佳资源的罚金用来奖励）。这样的奖惩金额设定通常可比典型的能源价格高出两个数量级：例如，PJM和ISO-NE的绩效罚款在3000—5000美元/MWh之间。
- 稳定一致地开展绩效评估
每年必须以稳定和一致的方式开展资源的绩效评估。如果不能保证每年开展绩效评估，资源运营商就有可能铤而走险，认为不一定会受到评估，从而虚报容量。
06 结论
若实施容量补偿机制，就要精心设计，避免释放低效和适得其反的信号。设计得不好，反而会严重加大系统成本，妨碍减排目标的实现。中国在加大电力系统和其他基础设施行业投资方面成效显著，但有时也可能出现过度投资。在本文中，我们讨论了设计容量补偿机制和容量市场都需要考虑的几个重要因素，包括完善资源规划，允许需求侧资源参与竞争，以及建立对表现不佳资源的处罚。最重要的是，必须确保容量补偿机制不承诺对发电资源的资本成本回收，否则将会使新能源转型更加困难，代价更大。
原文发表于《南方能源观察》，2023年3月23日。
（本文不代表eo立场）
注释：
[1]中国国家发展和改革委员会 国家能源局 (2022). 关于加快建设全国统一电力市场体系的指导意见. https://www.ndrc.gov.cn/xxgk/zcfb/tz/202201/t20220128_1313653.html
[2]见睿博能源智库(2020). “能源革命”与电力行业改革: 从国际对比视角看中国南方电网面临的挑战. https://www.raponline.org/knowledge-center/energy-revolution-power-sector-%20reform-insights-%20challenges-china-southern-grid-region-from-comparative-international-%20perspective_cn/ ; 也可参见睿博能源智库 (2022). 国际视野：对创建“全国统一电力市场”的下一步工作建议. https://www.raponline.org/knowledge-center/next-steps-for-a-national-unified-electricity-market-system-cn/
[3]对本节论题的更多讨论，请见睿博能源智库(2021). 电力现货市场风险管理–资源充足性规划. https://www.raponline.org/knowledge-center/rap-resource-adequacy-planning-memo/ ;以及睿博能源智库(2021).电力资源充足性规划：国际经验和对中国的建议. https://www.raponline.org/knowledge-center/rap-resource-adequacy-planning/ .
[4]规划框架设计得不好也可能会造成投资不足及可靠性问题。
[5]举例可见Stenclik, D. (2021). Redefining Resource Adequacy for Modern Power Systems. The Energy Systems Integration Group. https://www.esig.energy/wp-content/uploads/2021/08/ESIG-Redefining-Resource-Adequacy-2021.pdf
[6]进一步说明这一逻辑，一种变通的办法是设计一种机制，对不符合政策目标的某些类型的过剩产能支付负补偿。
[7]新增最低报价资源的净成本在这里是指报价最低的新增资源的总成本减去未来预期的收入（包括电能量市场和辅助服务市场的收入）
[8]U.S.Energy Information Administration.(2022). Nearly A Quarter of the Operating U.S. Coal-fired Fleet Scheduled to Retire by 2029. https://www.eia.gov/todayinenergy/detail.php?id=54559#:~:text=Between%202012%20and%202021%2C%20an,to%20us%20proceed%20as%20scheduled.
[9]K. Spees et al. (2021). The Benefits of Energy Efficiency Participation in Capacity Markets. https://www.americanefficient.com/wp-content/uploads/2022/07/The-Benefits-of-Energy-Efficiency-Participation-in-Capacity-Markets1.pdf 以及 睿博能源智库 (2014). Energy Efficiency Participation in Electricity Capacity Markets-The US Experience.https://www.raponline.org/wp-content/uploads/2016/05/rap-nemecowart-eeparticipationinelectricitycapacitymarkets-2014-sept-12.pdf
[10]有关中国ELCC及相关问题的讨论，见睿博能源智库2021年的2篇文章, 上面已有引用.
[11]California Public Utilities Commission. (2021). Incremental ELCC Study for Mid-Term Reliability Procurement. https://www.cpuc.ca.gov/-/media/cpuc-website/divisions/energy-division/documents/integrated-resource-plan-and-long-term-procurement-plan-irp-ltpp/20210831_irp_e3_astrape_incremental_elcc_study.pdf
[12]Midcontinent Independent System Operator.(2022.) Planning Year 2022-2023 Wind and Solar Capacity Credit. https://cdn.misoenergy.org/2022%20Wind%20and%20Solar%20Capacity%20Credit%20Report618340.pdf
[13]PJM. (2021). Effective Load Carrying Capability (ELCC) Report. https://www.pjm.com/-/media/planning/res-adeq/elcc/elcc-report-december-2021.ashx
[14]Southwest Power Pool, Inc.(2021). 2020 ELCC Wind and Solar Study Report. https://www.spp.org/documents/65169/2020%20elcc%20wind%20and%20solar%20study%20report.pdf
[15]E3. (2021). ELCC Concepts and Considerations for Implementation. https://www.nyiso.com/documents/20142/24172725/NYISO%20ELCC_210820_August%2030%20Presentation.pdf
[16]ISO New England.(2021).Technical Information Session: Resource Capacity Contributions to Resource Adequacy. https://www.iso-ne.com/static-assets/documents/2021/08/20210820-tech-info-session.pdf
[17]PJM. (2022). Effective Load Carrying Capability Measures Capacity Contribution of Renewables, Storage. https://www.pjm.com/-/media/about-pjm/newsroom/fact-sheets/elcc-measures-capacity-contribution-of-renewable-and-storage-resources.ashx
[18]California ISO. (2021). Effective Load Carrying Capability Study Results for Demand Respond Resources.http://www.caiso.com/Documents/Presentation-ELCCStudyResults-DemandResponseResources-Jun24-2021.pdf
[19]Advanced Energy Economy. (2022). Accrediting Resource Adequacy Value to Thermal Gerneration.https://www.astrape.com/wp-content/uploads/2022/10/Accrediting-Resource-Adequacy-Value-to-Thermal-Generation-1.pdf
[20]PJM. (2022). Responses to RASTF Data Analysis Requests submitted by AEE and Roy Shanker. https://www.pjm.com/-/media/committees-groups/task-forces/rastf/2022/20220922/item-02—rastf-data-analysis—september-2022.ashx
[21]ISO-NE.(2018).Operational Fuel Security Analysis.https://www.iso-ne.com/static-assets/documents/2018/01/20180117_operational_fuel-security_analysis.pdf 第37-42页. ISO-NE.(2021).Assessment of the ISO New England Electricity Markets. Potomac Economics. https://www.iso-ne.com/static-assets/documents/2022/06/iso-ne-2021-som-report-full-report-final.pdf
[22]实际中一个重要区别是，节点边际电价通常比区划定价更能给出一个详细的信号。
[23]ISO-NE (2022) FCA #16 in 2022 for CCP 2025/2026. https://www.iso-ne.com/about/key-stats/markets#fcaresults
[24]PJM (2022)Capacity Auction Results for 2023/2024 Delivery Year, https://www.pjm.com/-/media/about-pjm/newsroom/2022-releases/20220621-pjm-capacity-auction-secures-electricity-supplies-at-competitive-prices.ashx
[25]CPUC (2022) 2020 Resource Adequacy Report. https://www.cpuc.ca.gov/-/media/cpuc-website/divisions/energy-division/documents/resource-adequacy-homepage/2020_ra_report-revised.pdf
[26]NYISO (2022) Spot Capacity Market Results, http://icap.nyiso.com/ucap/public/auc_view_spot_detail.do
[27]MISO (2022) 2022/2023 PRA Results, https://cdn.misoenergy.org/2022%20PRA%20Results624053.pdf
[28]例如，ERCOT “Performance Credit Mechanism” program https://www.utilitydive.com/news/texas-regulators-adopt-performance-credit-in-market-overhaul-proceeding-te/640823/ 以及PJM “Capacity Performance” program https://www.pjm.com/-/media/library/reports-notices/capacity-performance/20150720-capacity-performance-at-a-glance.ashx?la=en#:~:text=Capacity%20Performance%20is%20a%20requirement,to%20meet%20power%20system%20emergencies.