2015年7月26日上午9點(diǎn)左右，包括洛杉磯市在內(nèi)的大部分南加州地區(qū)的居民登陸CAISO的網(wǎng)站查詢實(shí)時(shí)電價(jià)時(shí)，驚奇的發(fā)現(xiàn)此時(shí)電價(jià)竟為負(fù)值。這就意味著，此時(shí)用戶多用電反而會(huì)受到補(bǔ)償，而發(fā)電公司卻需要為自己發(fā)的電支付一定的費(fèi)用。事后的分析表明，造成這次負(fù)電價(jià)的原因是在該時(shí)段南加州地區(qū)風(fēng)電出力達(dá)到1981MW， 比CAISO的預(yù)測值高出73%，從而使得系統(tǒng)的可用發(fā)電量要大大高于當(dāng)時(shí)的負(fù)荷。從美國各區(qū)域電力市場的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來看，新能源比例高的地區(qū)出現(xiàn)負(fù)電價(jià)的頻率也會(huì)隨之增加。 那么，負(fù)電價(jià)產(chǎn)生的機(jī)理是什么?負(fù)電價(jià)跟新能源之間有沒有必然的聯(lián)系呢?負(fù)電價(jià)對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行會(huì)有什么影響?本文將對(duì)這些問題進(jìn)行深入的探討。

1、背景

從發(fā)電商的角度來講，市場出現(xiàn)負(fù)電價(jià)意味著發(fā)電商為了保持機(jī)組的運(yùn)轉(zhuǎn)而不得不付錢給用戶來使用其電力。這種情況出現(xiàn)的原因一般比較復(fù)雜，但最主要的原因有兩個(gè)：一是系統(tǒng)的局部阻塞導(dǎo)致新能源發(fā)電無法傳輸?shù)截?fù)荷中心，二是系統(tǒng)的發(fā)電能力超出了負(fù)荷需求，但由于系統(tǒng)的運(yùn)行靈活性 (flexibility) 不夠?qū)е率沟脵C(jī)組無法快速的被切除。第一個(gè)原因一般會(huì)導(dǎo)致局部負(fù)電價(jià)，而第二個(gè)原因則往往會(huì)導(dǎo)致全系統(tǒng)負(fù)電價(jià)。

從歷史數(shù)據(jù)上來看，負(fù)電價(jià)出現(xiàn)時(shí)一般會(huì)有如下的特征：1)系統(tǒng)的用電需求比較低，而陽光非常強(qiáng)烈或者風(fēng)力很充足。此時(shí)，太陽能和風(fēng)能發(fā)電量較大。2)出現(xiàn)在周末、假日、半夜、中午等時(shí)段的概率較大。因此，在夏天的一個(gè)陽光充足的周末，或者冬天刮起大風(fēng)的圣誕節(jié)清晨，出現(xiàn)負(fù)電價(jià)的概率將會(huì)大大增加。

世界上有很多地區(qū)盡管成立了電力市場，但卻不允許負(fù)電價(jià)的出現(xiàn)。在歐盟，只有歐洲電力交易協(xié)會(huì)(European Power ExchanGE， EPEX)管轄下的法國、德國、奧地利、瑞士、比利時(shí)和荷蘭等國家允許在市場中出現(xiàn)負(fù)電價(jià)。其他的歐盟國家尚不允許市場電價(jià)低于零。這是電力市場發(fā)展初期的一種保守的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)者擔(dān)心一旦允許電價(jià)小于零，則其可能降低到一個(gè)非常“負(fù)”的值。一個(gè)實(shí)際的例子發(fā)生在2013年6月中旬的一個(gè)周末，法國批發(fā)電力市場的電價(jià)竟達(dá)到負(fù)200歐元每兆瓦時(shí)。

2、負(fù)電價(jià)產(chǎn)生的機(jī)理

我們談到的市場電價(jià)，一般是指市場批發(fā)側(cè)的節(jié)點(diǎn)邊際電價(jià) (Locational marginal pricing， LMP) 。在日前市場，獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營商ISO的調(diào)度軟件求解的是一個(gè)復(fù)雜的整數(shù)規(guī)劃問題;在實(shí)時(shí)市場，求解的則是一個(gè)線性優(yōu)化問題。這些問題一般包含以下幾個(gè)要素：

變量：主要的求解變量為系統(tǒng)中機(jī)組的有功出力和機(jī)組的關(guān)停狀態(tài)。

目標(biāo)函數(shù)：日前市場的目標(biāo)函數(shù)為最大化社會(huì)福利 (social welfare)，它等于所有負(fù)荷服務(wù)實(shí)體的買電報(bào)價(jià)減去所有發(fā)電機(jī)組的賣電報(bào)價(jià)。實(shí)時(shí)市場只有發(fā)電機(jī)組的賣電報(bào)價(jià)，沒有負(fù)荷服務(wù)實(shí)體的買電報(bào)價(jià)。取而代之的是實(shí)時(shí)的負(fù)荷預(yù)測。從經(jīng)濟(jì)學(xué)的原理可知，當(dāng)需求曲線為非彈性的時(shí)候，最大化社會(huì)福利即等于最小化成本。因此，實(shí)時(shí)市場的目標(biāo)函數(shù)為最小化機(jī)組的運(yùn)行成本。

等式約束條件：即系統(tǒng)的供需實(shí)時(shí)平衡條件。在任何時(shí)刻，所有發(fā)電機(jī)所發(fā)的電量必須等于系統(tǒng)負(fù)荷需求加上網(wǎng)絡(luò)損耗。

不等式約束條件：包括輸電線路不能超過其限值、發(fā)電機(jī)組出力的上下限等等。

含有上述要素的優(yōu)化問題稱之為原問題，可以通過專門的商業(yè)軟件來進(jìn)行求解。求解的直接結(jié)果便是機(jī)組的出力水平和關(guān)停狀態(tài)。此外，商業(yè)軟件還能給出各約束條件對(duì)應(yīng)的對(duì)偶變量的最優(yōu)值，這就是對(duì)偶問題的解。在電力市場中，LMP可以通過對(duì)偶解來獲得。由于系統(tǒng)存在輸電阻塞和損耗，各個(gè)節(jié)點(diǎn)上的價(jià)格都是不一樣的。在數(shù)學(xué)上，節(jié)點(diǎn)邊際電價(jià)可以分解為三個(gè)部分：

能量部分：等于上述優(yōu)化問題中等式約束條件所對(duì)應(yīng)的對(duì)偶變量的最優(yōu)值。

阻塞部分：如果線路沒有阻塞，則該部分的值為零。發(fā)生阻塞時(shí)，該部分的值等于線路約束條件對(duì)應(yīng)的對(duì)偶變量乘以系統(tǒng)轉(zhuǎn)移常數(shù)。

損耗部分：等于各個(gè)節(jié)點(diǎn)上的邊際損耗成本。

系統(tǒng)任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)上的LMP，都是上述三部分相加之和。舉一個(gè)實(shí)際的例子，在2015年9月21日22：15這一時(shí)刻，美國中西部獨(dú)立運(yùn)營商的某個(gè)節(jié)點(diǎn)上的LMP為$14.38/MW。其中，能量部分、阻塞部分和損耗部分分別為 $19.42/MW、$-2.49 /MW和 $-2.55/MW。同一時(shí)刻系統(tǒng)中的另外一個(gè)節(jié)點(diǎn)的LMP為 $19.56/MW，其中能量部分、阻塞部分和損耗部分分別為 $19.42/MW、$0.08 /MW和 $ 0.06/MW?？梢钥吹较到y(tǒng)能量部分的值在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)上都是一樣的。

對(duì)LMP的三部分進(jìn)行分析，可以得到一些有意思的結(jié)論。損耗電價(jià)部分的值一般相對(duì)較小，對(duì)系統(tǒng)的影響不大。如果系統(tǒng)出現(xiàn)了局部負(fù)電價(jià)，一般表明能量部分是一個(gè)正值，而阻塞部分一個(gè)卻是絕對(duì)值較大的負(fù)值。這說明系統(tǒng)的局部阻塞情況比較嚴(yán)重。如果出現(xiàn)了全系統(tǒng)范圍內(nèi)的負(fù)電價(jià)，則一般是由于能量部分為負(fù)值引起的 。這表明系統(tǒng)的整體電力供應(yīng)能力要大于負(fù)荷。

3、負(fù)電價(jià)跟新能源之間的關(guān)系

從理論上說，即使系統(tǒng)中沒有新能源，也可能出現(xiàn)負(fù)的電價(jià)。但是從實(shí)際電力市場的運(yùn)行情況來看，新能源與負(fù)電價(jià)之間有很強(qiáng)的相關(guān)性。從2006年到2011年， 美國風(fēng)電裝機(jī)容量從10GW增加到50GW，局部地區(qū)負(fù)電價(jià)出現(xiàn)的比例也大大增加。圖1列舉了三個(gè)電力市場中各自風(fēng)電比較充足的區(qū)域里出現(xiàn)負(fù)電價(jià)的時(shí)段的比例。 在德州西部地區(qū)，2008年全年竟然有13%的時(shí)段電價(jià)為負(fù)值。

出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因主要是由新能源的以下三個(gè)特點(diǎn)決定的。

首先，新能源在目前階段一般有政府PTC(Production tax credit)補(bǔ)貼。目前，風(fēng)電的補(bǔ)貼為2.3美分每千瓦時(shí)。只要市場負(fù)電價(jià)不低于-$23/MWh，風(fēng)電機(jī)組都可以盈利。由于補(bǔ)貼的存在，即使市場中電力供應(yīng)過于充足，風(fēng)電機(jī)組也沒有動(dòng)力來關(guān)停機(jī)組。它們寧愿向用戶支付費(fèi)用來保證機(jī)組上網(wǎng)。很多研究詬病政府對(duì)新能源的補(bǔ)貼，認(rèn)為這會(huì)損害其他沒有補(bǔ)貼的傳統(tǒng)機(jī)組的利益并導(dǎo)致價(jià)格信號(hào)的扭曲。

其次，在調(diào)度時(shí)風(fēng)能和太陽能需要提前向市場提供發(fā)電預(yù)測。由于技術(shù)的限制，預(yù)測的精度無法達(dá)到百分之百。從整體來看，目前美國新能源的預(yù)測水平尚在可接受的范圍之內(nèi)。比如，2013年MISO日前市場風(fēng)電預(yù)測平均誤差為4.87%，在實(shí)時(shí)市場誤平均差為3.80%。但在有些時(shí)候，預(yù)測誤差會(huì)比較大，比如本文開頭所舉的加州的例子。這樣就可能會(huì)導(dǎo)致可發(fā)電量大大超過預(yù)期，但由于系統(tǒng)的靈活性不夠使得傳統(tǒng)機(jī)組來不及關(guān)停，從而出現(xiàn)供大于求的情況。

第三，新能源發(fā)電機(jī)從物理上一般都遠(yuǎn)離主要的負(fù)荷中心。由于輸電投資一般都耗資巨大，并且輸電擴(kuò)容較之電源建設(shè)往往滯后，會(huì)導(dǎo)致新能源發(fā)的電沒有足夠的輸電容量傳輸?shù)截?fù)荷中心。在調(diào)度時(shí)，既有的輸電線路上往往會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的阻塞。這就增加了局部地區(qū)出現(xiàn)負(fù)電價(jià)的概率。

在美國得克薩斯州，2013年以前負(fù)電價(jià)出現(xiàn)的頻率比較高，這從圖1可以看出來。這可能是由于德州的電網(wǎng)是一個(gè)相對(duì)較為獨(dú)立的電網(wǎng)，與東部和西部的大電網(wǎng)互聯(lián)較弱，沒有外部系統(tǒng)來進(jìn)行能源的消抵。2013年以前，負(fù)電價(jià)主要集中在風(fēng)能資源豐富的德州西部地區(qū)。在2013年，一條投資約70億美元的高壓輸電線建成，將德州西部地區(qū)與電力需求較大的東部經(jīng)濟(jì)中心(如休斯敦、達(dá)拉斯)連接起來。之后，負(fù)電價(jià)出現(xiàn)的頻率大大減少。直到最近，德州的負(fù)電價(jià)又引起了人們的關(guān)注。而且與之前的負(fù)電價(jià)只是出現(xiàn)在局部地區(qū)不同，最近的負(fù)電價(jià)是全網(wǎng)范圍內(nèi)的。其原因，主要是因?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電所占的比例太高。在2015年2月19日當(dāng)晚，德州可靠性委員會(huì)ERCOT觀測到系統(tǒng)有41%的電力是由風(fēng)電提供的，這創(chuàng)下了一個(gè)新的紀(jì)錄。

4、負(fù)電價(jià)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響

負(fù)電價(jià)是現(xiàn)行電力市場機(jī)制下一種正常的現(xiàn)象。它表明要么系統(tǒng)局部有嚴(yán)重的阻塞，要么系統(tǒng)供大于求。由新能源導(dǎo)致的負(fù)電價(jià)會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生短期的和長期的影響。短期的影響主要集中在系統(tǒng)運(yùn)行上。它可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)短期運(yùn)行成本的上升，并對(duì)系統(tǒng)的可靠性產(chǎn)生一定的影響。 以傳統(tǒng)能源機(jī)組為例，它們在市場中運(yùn)行需要一定的條件。有的一旦啟動(dòng)，必須至少運(yùn)行4到24個(gè)小時(shí);有的一旦關(guān)停，需要等待數(shù)個(gè)小時(shí)才能啟動(dòng)。而且大部分傳統(tǒng)機(jī)組都有最小出力水平的約束。比如，一個(gè)500MW的燃煤機(jī)組一旦啟動(dòng)，最小的出力水平可能在100MW以上。即使在負(fù)荷需求較低的時(shí)候，系統(tǒng)仍需要保持一定量的傳統(tǒng)機(jī)組運(yùn)行在最低出力水平，從而保證系統(tǒng)有快速的響應(yīng)能力來抵消未來負(fù)荷和風(fēng)電的變動(dòng)。如果系統(tǒng)出現(xiàn)了負(fù)電價(jià)，調(diào)度軟件會(huì)給出讓這些機(jī)組關(guān)停的指令。這就讓調(diào)度員面臨一個(gè)兩難的選擇：要么關(guān)停這些機(jī)組，但是同時(shí)會(huì)降低系統(tǒng)的可靠性;要么強(qiáng)制讓這些機(jī)組運(yùn)行在最小出力以維持系統(tǒng)的可靠性，但是會(huì)造成額外的成本。在負(fù)電價(jià)時(shí)，這個(gè)成本尤其的高，因?yàn)椴粌H有實(shí)際的運(yùn)行成本，還有負(fù)電價(jià)導(dǎo)致的額外支付成本。但是，負(fù)電價(jià)所帶來的這些影響，會(huì)隨著市場機(jī)制的完善和新技術(shù)的使用而降到最低。比如，通過觀察美國風(fēng)力發(fā)電比例比較高的兩個(gè)地區(qū)，即德州和科羅拉多州Xcel Energy所管轄地區(qū)的實(shí)際運(yùn)行情況來看， 高比例的風(fēng)電并未對(duì)系統(tǒng)的可靠性產(chǎn)生嚴(yán)重的威脅。反而從整體上降低了區(qū)域內(nèi)的電價(jià)水平。這些地區(qū)采取的市場和技術(shù)措施包括增加需求側(cè)響應(yīng)，儲(chǔ)能的應(yīng)用，為風(fēng)電安裝AGC控制裝置，等等。長期的影響主要反映在發(fā)電和輸電投資上。從美國的經(jīng)驗(yàn)來看，負(fù)電價(jià)頻率過高會(huì)降低投資者對(duì)傳統(tǒng)機(jī)組未來收入的期望值，尤其會(huì)影響未來核電、水電、煤電和天然氣發(fā)電機(jī)組的建設(shè)。在2014年美國的新增裝機(jī)容量中，可再生能源占了一半。

5、結(jié)語

本文分析了電力市場中負(fù)電價(jià)產(chǎn)生的原理，討論了負(fù)電價(jià)和新能源之間的相關(guān)性，并分析了負(fù)電價(jià)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響。市場的負(fù)電價(jià)和新能源的負(fù)報(bào)價(jià)是兩種獨(dú)立的市場現(xiàn)象，但兩者之間又有著一定的聯(lián)系。當(dāng)系統(tǒng)中的新能源的比例增加時(shí)，負(fù)電價(jià)出現(xiàn)的頻率也更頻繁。

負(fù)電價(jià)和負(fù)報(bào)價(jià)都是電力市場批發(fā)側(cè)出現(xiàn)的現(xiàn)象。從目前的美國電力工業(yè)發(fā)展情況來看，終端用戶還無法直接參與批發(fā)市場。零售商作為溝通批發(fā)市場和終端用戶之間的橋梁，則可以利用市場中的負(fù)電價(jià)來獲取更多的利潤。例如，它一旦檢測到批發(fā)市場出現(xiàn)了負(fù)電價(jià)，就可以鼓勵(lì)響應(yīng)的用戶增加用電從而從批發(fā)市場獲得額外的補(bǔ)償。從電力工業(yè)未來的發(fā)展趨勢來看，隨著智能電表等新設(shè)備的大規(guī)模使用，用戶在家里可以實(shí)時(shí)監(jiān)測批發(fā)市場的價(jià)格波動(dòng)，從而調(diào)整家庭的電力使用情況。這就為用戶直接參與市場利用負(fù)電價(jià)提供了機(jī)會(huì)。

在售電側(cè)，用戶一般是按月向電力公司(utility)交納電費(fèi)，因此用戶帳單上一般不會(huì)出現(xiàn)負(fù)電價(jià)。大部分電力公司都有分時(shí)電價(jià)政策，在每天的用電高峰時(shí)刻電價(jià)較高，而在低谷時(shí)段電價(jià)較低。在德州有一些售電公司(如TXU Energy)，甚至推出晚上9點(diǎn)到第二天早上6點(diǎn)零電價(jià)的服務(wù)(free overnight plan)，但相應(yīng)地卻提高白天時(shí)段的電價(jià)水平。這是一種典型的用價(jià)格來調(diào)節(jié)用電量的需求側(cè)管理策略。

在世界上其他一些國家的電力市場，為了防止極端情況對(duì)電力市場規(guī)則的破壞，同時(shí)也為了保護(hù)發(fā)電公司和用戶的利益，會(huì)對(duì)電力市場的批發(fā)價(jià)格作最高價(jià)和最低價(jià)的限定。這樣，就避免了負(fù)電價(jià)的出現(xiàn)。然而，這種行政手段違背經(jīng)濟(jì)學(xué)最優(yōu)原理，會(huì)使得市場的運(yùn)行效率降低。隨著近幾年可再生能源的快速發(fā)展，市場局部產(chǎn)生供大于求的狀況越來越普遍，以致負(fù)電價(jià)出現(xiàn)的情況大大增加。從歐洲電力市場的發(fā)展來看，德國、法國、奧地利和瑞士等國家的日前市場于2007至2012年之間先后引入了負(fù)電價(jià)制度。

在我國未來電力改革和市場設(shè)計(jì)的的過程中，也應(yīng)該充分考慮新能源所起的作用，把促進(jìn)電力系統(tǒng)的運(yùn)行靈活性、適應(yīng)高比例可再生能源的特點(diǎn)作為改革和市場設(shè)計(jì)的重要目標(biāo)。