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1、 第 32卷第 11期 2 13年 11月 技术经济 Technology Economics Vol. 32, No. 11 Nov. , 2013 调峰权交易机制对风电并网发电的激励作用 赵晓丽，杨睿 i 2 (1华北电力大学经济与管理学院，北京 l 2206;2.华北电力大学低碳经济与贸易研究所，北京 102206) 摘要：在 不考虑发电量变化和考虑发电量变化两种情形下，分别研究了调峰权交易机制对具有高调峰能 力的火电机组主动完成深度调峰任务的激励作用。通过经济学理论分析及实例计算得到如下结论：设计 调峰权交易机制可激励具有高调峰能力的火电机组主动完成深度调峰任务，从而有利于提高风电利用
2、率、 减少弃风。 关键词 ：风电发展；调峰权交易；风电并网发电 中图分类号： F426 文献标识码： A 文章编号： 1002 980X(2013)n 0093 06 1 研 究 背 景 中国的一次能源消费结构中，化石能源消费占 总能源消费的 90%以上。 2009年中国 C02排放量 占世界 C02排放总量的三分之一，中国成为世界上 最大的 C02排放国 1。粉尘、 302等污染物排放量 的迅速增长，已严重威胁人们的生存和健康。电力 行业是化石能源的消费大户，在电力行业内部调整 电源结构，是实现中国低碳减排目标的主要手段之 一 2。风电发展具有重要的环保价值和经济价值。 近年来中国风电快速发
3、展 3，并网装机容量从 2005 年的 126万 kW增长到 2012年的 6200万 kW。 2012年中国风电并网装机容量约占全部装机容量 的 5.64%。为了进一步促进风电发展，中国政府设 定了风电发展的目标： 2015年风电装机容量达到 9000万 kW， 风电年发电量达到 1800亿 kW h(占 总发电量的 3%) ;2020年风电装机容量达到 1. 2亿 kW， 年发电量达到 3000亿 kWh(占总发电量的 4%)w。是否真正实现风电发展规划目标主要看是 否实现发电量目标5。根据中国电力企业联合会发 布的 2013年全国电力供需形势分析预测报告， 2012年中国并网风电发电比例
4、仅为 2.02% 这 与预定目标还有较大差距。 提高风电发电比例的途径之 一是减少弃风比 例、提高风电机组利用率。截至 2008年，中国的风 电机组利用率 (风电机组的实际发电量 /最大可能发 电量 )仅为 23%，而其他风电大国的风电机组利用 率均约为 30%6。已有文献对如何提高风电的利 用效率进行了分析 713，其中提高电网的调峰辅助 服务能力是解决风电利用率低的主要措施之 一 1_ 13。风电的出力特性使大规模风电并网对系统 调峰能力的要求更高，即系统的调峰能力是决定电 网可接纳风电规模的最主要因素之一 14。本文重 点探讨的命题是 :是否能够通过设计调峰权交易机 制来激励调峰能力强的
5、火电机组更充分地发挥其调 峰潜力，从而让出更多空间促进风电并网发电。本 文在理论分析的基础上，结合辽宁省的数据进行实 例计算，以证明调峰权交易对促进风电并网发电的 激励作用。 2调峰及其与风电并网发电 的关系 2.1调峰的概念和种类 由于电力不能以较低成本储存，而电力负荷又 处于不断变化中，因此，为了保持电力供给与需求的 时时平衡，电力系统中需要机组提供调峰辅助，即根 据负荷的变化增大出力或减少出力。由于目前中国 火力发电量约占全部发电量的 80%，因此目前中国 的调峰服务主要由火电机组承担。 按照增大出力或减少出力的不同，调峰可以分 为向上调峰和向下调峰。向上调峰又称为备用服 收稿日期 ：
6、2013 08 21 基金项目 ：国家自然科学基金项目 “ 低碳经济转型对企业行为影响经济分析动态模型 ” （ 71073053)、美国能源基金 “ 促进东 北电网风电大规模利用综合管理措施研究 ” （ 01106-14305)资助 作者简介： 赵晓丽 （ 1970 )， 女，黑龙江双城人，华北电力大学经济与管理学院教授，低碳经济与贸易研究所所长，博士 ，研 究方向：能源经济与可持续发展、电力经济管理；杨睿 （ 1989 )，女，辽宁抚顺人，华北电力大学经济与管理学院 硕士研究生 ，研 究方向：能源经济与可持续发展。 93 技术经济 第 32卷第 11期 机组所有权人拥有的对机组发电量的支配权
7、和收益 权，以及进而产生的对减少发电量（即调峰权）的支 配权和收益权 17。通过调峰权交易，调峰能力高的 火电机组通过出售调峰权来获取收益，而调峰能力 低的火电机组以低于自身进行调峰的成本向调峰能 力高的火电机组购买调峰权来履行自己的调峰责 任。调峰权交易分为不同电源类型机组之间的调峰 权交易和相同电源类型机组之间的调峰权交易，本 文中的 “ 调峰权交易 ” 是指火电机组之间的调峰权交 易。 3.2调峰权交易的前提 调峰权交易的前提包括清晰的产权界定、机组 之间调峰能力的差异性（即边际调峰成本存在差异 ) 以及调度中心向机组分配的需要完成的调峰容量额 度。为了完成调峰容量额度，火电机组有两种选
8、择 : 一是自己进行调峰 ;二是向其他机组购买调峰容量。 由于机组的边际调峰成本存在差异，因此边际调峰 成本高的火电机组通过购买调峰容量，可以减少为 完成其调峰任务所产生的调峰成本；而边际调峰成 本低的火电机组通过出售调峰容量，可以获得利润， 从而激励火电企业积极参与调峰。实际中，不同容 量的火电机组的调峰能力存在较大差异，如图 1所 示。辽宁省各火电机组的调峰能力具有显著差异 性，这使得调峰权交易具有可行性。 图 1辽宁省部分火电机组调峰能力 数据来源：原国家电力监管委员会东北监管局 提供的数据 (2011年 8月）。 3.3调峰权研究现状分析 国外将调峰问题看作辅助服务的一部分，很少 对调
9、峰问题进行单独研究。国内学者对调峰问题的 研究相对较多，但主要集中于调峰辅助服务补偿机 制问题，而对调峰权及其交易问题的研究相对较少。 现有文献主要集中于 3个领域的研究。第一，高志 华等 16首次提出调峰权概念，在此基础上研究了调 峰容量交易市场的相关问题，并将调峰容量交易市 场看作一个新的风险交易市场。但是，其调峰权的 务，因此有时调峰特指机组向下压低出力。本文中 的调峰是指为满足电力系统平衡运行，火电机组向 下压低出力或停机的情况。 向下调峰（本文中的调峰概念 ） 又可以进一步分 为基本调峰和深度调峰。基本调峰是指机组必须提 供的、具有强制性义务的调峰，政府对这部分调峰不 给予经济补偿。
10、在基本调峰范围之外，机组进一步 压低出力，称为深度调峰。政府对深度调峰给予一 定的经济补偿 机组出力越低，单位运行成本越 高，效率越低，而且这一变化具有非线性特征。不同 地区对基本调峰和深度调峰 的界限规定不一样，东 北电网基本调峰和深度调峰的界限为 40%(即火电 机组向下压低出力 40%以上部分被视为深度调 峰），而华中地区和华北地区的该界限为 50%。 2.2调峰与风电并网发电的关系 在风电等可再生能源快速发展以前，调峰的主 要目的是为了在负荷降低时保持电力系统的稳定运 行。随着可再生能源的快速发展，调峰还面临着另 外一项主要任务：通过压低机组的出力或停机，让出 更多空间促进可再生能源并
11、网发电，即电力系统调 峰量越大，越有利于减少风电弃风。 相对于电力装机的快速增长，近年来用电负荷 增长比较有限（尤 其是在东北和西北地区），这导致 用电低谷期电力系统的调峰压力增大，即需要更多 机组进行深度调峰以减少风电弃风。但是，虽然深 度调峰可以获得经济补偿，但在目前的电力调度制 度下，火电机组更看重发电量，没有主动进行深度调 峰的积极性 15，常常 寻找各种理由拒绝完成深度调 峰任务。与强制性安排机组进行基本调峰不同，如 果强制性安排机组进行深度调峰，则电力系统将面 临较大风险 -一 -即使同一规模、同一类型的机组，受 煤质、使用年限等的影响，其深度调峰能力也存在差 异，调度部门难以准确
12、判断各机组深度调峰的安全 警戒线 。因此，激励机组自愿完成深度调峰任务，是 促进风电并网发电的关键。 本文在下文将重点阐述为何设计调峰权交易机 制有利于激励机组自愿进行深度调峰，从而促进风 电并网发电。 3调峰权概念及研究现状分析 3. 1调峰权及调峰权交易 现有关于调峰权的定义主要有两类。一类是基 于期权的概念，即将调峰权看作一种期权，期权购买 者（调峰权购买者）通过支付一定的期权购买费获得 执行期权合同或放弃执行期权合同的权利 16。另 一类是基于产权的调峰能力的交易概念。产权是指 94 概念建立在期权的理论基础上，期权交易属于一种 远期交易方式，在一定程度上限制了调峰权交易的 适用范围。
13、第二，刘扬洋等 17研究了需求侧管理下 如何根据实际电网负荷开展调峰权交易。该研究运 用社会效益最优模型，基于电网实际用电需求对发 电侧机组调峰能力的要求，提出了考虑需求侧管理 的调峰权交易方法。该文献将调峰权交易的概念解 释为基于产权的调峰能力交易，从而为调峰权交易 的研究及推广奠定了有利基础。第三，耿静等 18以 减少环境成本为目标，研究了调峰权交易模型，并以 上海电网为背景，在引人自备电厂及外来电的基础 上构建了调峰权交易市场，以改变平均分配的传统 调峰方式。 目前学者们认为，调峰权的作用机制是采用市 场手段鼓励机组参与调峰，从而提高机组 参与调峰 的积极性，并为具有不同调峰性能的机组提
14、供一个 公平的竞争环境。本文旨在通过调峰权交易激励火 电机组发挥调峰潜力、促进风电并网发电。具体而 言 :在现有研究基础上，考虑发电量变化和不变化两 种情形，探讨调峰权交易的经济效率；以东北电网为 例，对调峰权交易的经济效率进行实证检验。 4调峰权交易激励火电机组深度调峰的 理论分析 4.1不考虑发电置变化的调峰权交易对火电机组 收益的影响 在不考虑发电量变化的情况下 ，边际调峰成 本存在差异的两个火电机组通过调峰权交易均可以 获利。这一原理如图 2所示。 调峰权交易（不考虑发电置变化 ） 图 2中横坐标的标目为某一时段需要两机组提 供的总调峰容量，左右纵坐标的标目分别为边际调 峰成本和调峰权
15、价格。由于两机组的调峰能力存在 赵晓丽等：调峰权交易机制对风电并网发电的激励作 用 差异，因此其边际成本也不同。 M(为调峰能力较 强机组（大机组）的边际调峰成本 ;MCS为调峰能力 较弱机组 (小机组）的边际调峰成本 ; i_Q和 5分 别为初始分配给调峰能力强和调峰能力弱机组的调 峰容量，即大小机组所应提供的调峰容量配额。由 于大机组的调峰能力高于小机组，因此在初始调峰 容 量 分 配时大于 sQ。 大机组的边际调峰成 本为 Pu小机组的边际调峰成本为 Ps， h 0 (vs 0 由此，可得调峰权交易的价格范围须满足下列 条件： f S+T MCsiOdO PE - PT PE - MCL
16、(Q)dO 丁 (3) 如果使得式 （ 3)成立，那么出售调峰权的机组因 出售调峰容量而减少发电量的发电总成本变化 P MCJCOdO要大于购买调峰权的机组因购买 J ()L T 调 峰 容 量 而 多 发 电 量 的 发 电 总 成 本 变 化 r s+T MCs(0)dO , 即 J os L MCLiO)dO J o,_T MCs(0)dO. s (4) 因此，当调峰权交易价格满足式 （ 3)且两个机组 的发电总成本变动满足式 (4)时，调峰权交易具有可 行性。 表 1不同调峰能力机组在调峰权交易前后的收益变化 大机组 无调峰权交易 收益 1 =发电收入 发电成本 =X x_ X A X
17、 A 有调峰权交易 收益发电收入一发电成本 +调峰权交易收人 =X (OL 了） X以 一 CL(OL 了） X At + P r X T X A t 有调峰权交易与无调峰权交易 对比 收益 1 收益 X ( L T) X Ar CL(OL 了 ） X Ar + PT X TX & X OL X Ai CL(Ol) X At = _Pr X TX A + CL( L) CZ.(OL T) X Ai Pf: X TX 厶 小机组 无调峰权交易 收益 2 =发电收人一发电成本 =PL () X A? Cs( s) X以 有调峰权交易 收益 2=发电收人一发电成本一调峰权父鉍成本 =PE X(Os
18、+ T) X Ar Cs(Os + T) X M -P t XTX M 有调峰权交易与无调峰权交易 对比 收益 2 一 收益 2= V.s = X (Os 十 了） X AZ Cs(Os + 了） X Ai X 了 X Af P X Os X Ar Cs(Os) X Az = FE X TX AT Cs(Os + T) Cs(Os) X A卜 _P- X 丁 X 5调峰权交易激励火电机组深度调峰的 算例分析 本次调研共收集辽宁省 15个火电机组的数据， 其中 600MW机组 5个、 300MW的机组 6个。并不 是任意一个 600MW的机组和一个 300MW机组均 可以进行调峰权交易，交易的前
19、提条件是 600MW 的机组在完成自身调峰容量任务后继续调峰的边际 成本仍然低于 300MW机组自身进行调峰的边际成 本。即使是装机容量相同的机组，受煤质不同、使用 年限不等的影响，其调峰能力及边际调峰成本也存 在差异。本文从 15个机组中选取 2个机组作为调 峰权交易主体，分别是 600MW机组中调峰边际成 本最低的机组 （ A机组）和 300MW机组中调峰边际 成本最高的机组 （ B机组）。根据这两个机组边际调 峰成本的实际情况，研究发现调峰权交易可以使双 方获利。 图 3显示的是机组 A和机组 B的边际发电成 本和单位发电成本曲线。其中，边际发电成本曲线 能够反映出边际调峰成本曲线的形状
20、，两个曲线斜 率基本一致 （ 在不考虑深度调峰需要注油的情况 下），只是倾斜方向相反，边际发电成本曲线向下倾 96 斜，而边际调峰成本曲线则向上倾斜。这是因为随 着发电量的上升，机组边际发电成本呈下降趋势（火 电机组出力在达到其额定装机容量时，效率最高）， 而随着调峰量的增加（即火电机组出力的减少），边 际调峰成本则呈现出上升趋势。图 3还显示 A机 组的边际发电成本曲线的斜率小于 B机组的边际 发电成本曲线斜率，这说明 A机组的边际调峰成本 小于 B机组的边际调峰成本，从而为两个机组的调 峰权交易提供了可能。 0 60 120 180 240 300 360 420 4S0 540 600
21、发电出力 /MW - 300MW机组边际成本趋势线； -600MW机组边际成本趋势线 300MW觀 单 鉢 趋 贼 ; 6 0 0 MW機单鉢趋贼 图 3不同出力情况下 A机组 (600MW)和 B机组 (300MW) 的边际成本和单位成本变化趋势 数据来源：基于辽宁省火电机组数据调研整理得到。 赵晓丽等 :调峰权交易机制对风电并网发电的激励作用 0 083元 /kW . h到 0 141元 /kW h之间，本文选 取的交易价格为 112元 /kW h(取 0. 083元 /kW h和 0. 141元 /kW.h的平均值）。根据式 （ 1)和 式 （ 2)可以计算得到调峰权交易后 A机组和 B
22、机组 的获益情况。其中， A机组在出力为 235MW和 190MW时，其发电成本分别为 0. 31801元和 0.31834元（图 3)。同样，可以得到 B机组在出力 为 120MW和 165MW时 的 发 电 成 本 分 别 为 0. 281464元和0 2754655元。 A机组和 B机组的 收益情况如下所示： VA = 0. 112 X 45000 X 1 + (0. 31801 X 235000 -0. 31834X190000)X1 -0. 4X45000X 1 = 0. 112 X 45000 X 1 + 14247. 75 X 1 - 0. 4 X 45000 X 1 = 128
23、7. 75 元； = 0. 4 X 45000 X 1 - (0. 2754655 X 165000 -0. 281464 X 120000) X 1 - 0. 112 X 45000 X 1 = 0. 4 X 45000 X 1 - 11676. 13 X 1-0. 112 X 45000 X 1 = 1283. 87 元。 表 2显示，调峰权交易有利于激励火电机组主 动进行深度调峰，从而增加电力系统调峰容量，为风 电等可再生能源并网发电创造有利条件。 表 2调峰权交易前后调峰容置及收益变化 最小运行方式核定的主要目的是在满足冬季电力供热需求的情况下确定火电机组的相应出力状态，以防止火电机组
24、以满足供热需求 为名而多发电。 算例分析中假定 Ai为 1小时，火电上网电价参 照2010年辽宁省火电机组平均上网电价，约为 0. 40元 /kW h。 按照东北电网火电机组最小运行 方式的规定 ， 600MW和 ： ;00MW的火电机组最小 出力分别为280MW和 165MW(最小运行方式），即 其可调峰范围分别为 53. 3%和 0 45%。若只 存在上述两台机组，在最小运行方式条件下，系统可 提供的最大调峰容量为 455MW(600MW + 300MW 280MW 165MW)。 但是，机组的实际调峰能力 往往高于最小运行方式下的调峰容量，不过部门无 法掌握各机组真实的调峰能力调度。现在
25、假设系统 需要的调峰容量为 545MW， 该值超出最小运行方 式下的调峰容量 90MW， 多出部分按照等比例分配 给 A机组和 B机组，即 A机组和 B机组将分别多 承担 45MW的调峰量。此时，初始分配给 A机组 和 B机组的调峰容量分别为 365MW(320MW + 45MW)和 180MWC135MW + 45MW)。 根据 A 机 组和 B机组的边际调峰成本情况， B机组需要多承 担的 45MW的调峰量应向 A机组购买，此时，根据 式 （ 3)可以计算得到调峰权价格范围区间应在 6结论 中国现行调峰辅助服务机制以强制性调峰为主 导，由于信息不对称，因此调度中心不能充分掌握各 火电机组的
26、实际调峰能力。为保证机组和电力系统 安全运行，调度人员难以要求火电机组完成风险较 大故深度调峰任务，这种机制不利于发挥高调峰能 力火电机组的调峰潜力。调峰权交易机制的提出是 为了弥补现有调峰辅助服务机制的不足。本文认 为，调峰权交易机制具有以下优势： 1) 在调峰权交易机制条件下，调度中心可在降 低运行风险的情况下强制火电机组进行深度调峰。 这是因为：根据不同规模火电机组调峰能力的（即边 际调峰成本 )差异，通过进行 火电机组之间的调峰权 交易，低调峰能力的火电机组可以通过购买调峰权 机组容量 600MW 300MW 初始分配调峰容量 365MW 180MW (比例 ） (60.8%) (60
27、%) 实际调峰容量 410MW 135MW (比例 ） (68. 3%) (45%) 交易金额 + 5040 元 一 5040 元 收益变化 + 1287. 75 元 + 1283. 87 元 97 技术经济 第 32卷第 11期 完成调峰任务，从而降低成本并避免运行风险，这也 有利于激励高调峰能力的火电机组主动承担更多调 峰任务，充分发挥其调峰潜力。 2) 调峰权交易有利于激励火电机组提高技术进 步水平、降低调峰成本。在调峰权交易机制下，无论 是调峰能力高的火电机组还是调峰能力低的火电机 组，在其技术进步水平提升之后，均可以在调峰权交 易过程中获得相对更多的收益（调峰能力低的机组 可以支付更
28、少的调峰权购买成本）。 3) 调峰权交易建立在市场机制的基础上，从而 更有利于实现资源的优化配置。按照 叮吐 19提 出的知识传播理论，市场机制的作用体现为对大量 信息的处理功能，即通过高度分散化使信息得以快 速传递，从而能够对变化的环境迅速做出反馈。与 此相对应的是行政管制机制下必须将所有的知识 (信息 ） 转移到中央或地方政府，然后再进行决策，从 而在一定程度上影响决策效率。因此，市场机制更 有利于促进资源的优化配置。 4) 理论分析和算例分析均显示，调峰权交易机 制可以使交易双方的收益均有所增加，从而增加总 体的社会福利，并有利于实现帕累托最优。 总之，调峰权交易机制可以保证强制性调峰任
29、 务的实现，并可以激励调峰能力高的火电机组充分 发挥调峰潜力，为电力负荷低谷时期更多风电并网 发电提供充足空间，缓解中国日益严重的弃风问题， 具有重要的应用价值。 参考文献 1 ZHAO X L, YIN H. T. Industrial relocation and energy consumption： evidence from China J. Energy Policy, 2011， 39(5):2944-2956. 2 柳瑞禹，叶子菀 .我国高耗能行业电力消费中长期发展潜 力预测J.技术经济， 2 12,31(2):93-98. 3 邱洪华 .中国风电技术专利信息分析 J.技术经济
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35、nd Management,North China Electric Power University,Beijing 102206,China； 2. Institute for Low Carbon Economy and Trade,North China Electric Power University,Beijing 102206China) Abstract ； This paper studies the incentive effect of peak regulation right transaction mechanism on the active implement
36、 of deep peak regulation of therinai power units cm the two conditions that power generation changes and not. Based on the economic theoretical analysis and the case cai- culation,it draws the conclusion that peak regulation right transaction system is in favor of improving wind power utilization and reducing the proportion of wind power curtailment. Key words： wind power development； peak regulation right transaction； wind power deployment 98