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美國電力市場的結(jié)構(gòu)、交易與價(jià)格特征

期貨日報(bào) 發(fā)布時(shí)間:2024-05-21 12:28:01

  [電力市場的發(fā)展概況]

  從托馬斯·愛迪生的珍珠街電站到塞繆爾·因薩爾創(chuàng)立的受監(jiān)管公用事業(yè)公司,以及20世紀(jì)末的縱向一體化壟斷格局,美國電力行業(yè)在其初創(chuàng)的百年歷程中,經(jīng)歷了技術(shù)和制度翻天覆地的革新。

  歷史:從傳統(tǒng)監(jiān)管到解除管制

  在20世紀(jì)60年代,美國的電力供應(yīng)幾乎完全由垂直一體化的公用事業(yè)公司掌控,這些公司負(fù)責(zé)從發(fā)電到輸配電直至消費(fèi)者的整個(gè)流程。這種模式下,單一的公用事業(yè)公司在其服務(wù)區(qū)域內(nèi)獨(dú)占管理和運(yùn)營輸電設(shè)施的權(quán)利,形成了所謂的“傳統(tǒng)監(jiān)管”市場格局。

  自20世紀(jì)90年代起,美國多個(gè)州開始放寬對電力行業(yè)的管制。此次放松管制最主要的成效體現(xiàn)在引入競爭性的批發(fā)市場,以及在零售市場中引入競爭機(jī)制,即客戶可自行選擇零售商。

  在這個(gè)結(jié)構(gòu)下,發(fā)電站出售電力,而負(fù)載服務(wù)實(shí)體(LSE)購買電力并轉(zhuǎn)售給消費(fèi)者。區(qū)域輸電組織(RTO)/獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營商(ISO)取代公用事業(yè)公司成為電網(wǎng)運(yùn)營商,并成為電力批發(fā)市場的運(yùn)營商。運(yùn)營商通常運(yùn)行三種市場來決定這些服務(wù)的批發(fā)價(jià)格:能源市場、容量市場和輔助服務(wù)市場。

  能源市場用于協(xié)調(diào)日常電力生產(chǎn)的拍賣。在能源市場中,電力供應(yīng)商根據(jù)特定的價(jià)格出售其發(fā)電廠的電力合約,LSE競標(biāo)這些合約以滿足消費(fèi)者的需求。供應(yīng)商的出價(jià)按價(jià)格從低到高進(jìn)行排列。當(dāng)提供的電量與需求量相匹配時(shí),市場“出清”,發(fā)電廠根據(jù)每兆瓦時(shí)的市場定價(jià)收費(fèi)。RTO/ISO主要運(yùn)行兩個(gè)能源市場:日前市場和實(shí)時(shí)市場。

  輔助服務(wù)市場旨在維護(hù)電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定,并在發(fā)電機(jī)組發(fā)生故障或停機(jī)時(shí),提供必要的短期備用電源。

  容量市場用來確保電網(wǎng)在任何給定時(shí)間都有足夠的發(fā)電能力來滿足消費(fèi)者的需求,包括在高峰負(fù)荷時(shí)期。它是一個(gè)補(bǔ)充機(jī)制,專注于電力系統(tǒng)的可靠性和安全運(yùn)行,而不僅是即時(shí)的電力供應(yīng)。RTO/ISO定期組織容量拍賣,電力零售商在這些拍賣中競購必要的發(fā)電能力。

  交易結(jié)構(gòu):從遠(yuǎn)期到日前到實(shí)時(shí)

  從交易時(shí)限的角度,美國電力市場可以細(xì)分為遠(yuǎn)期(包括期貨)市場、日前市場和實(shí)時(shí)市場。遠(yuǎn)期市場涉及的交易基于雙方合同,合同期限可以根據(jù)雙方協(xié)商決定,范圍從一個(gè)月到30年不等,涵蓋全天或特定的高峰/非高峰時(shí)段。相比之下,日前市場和實(shí)時(shí)市場的交易則更為靈活,主要針對即將發(fā)生的電力需求,按小時(shí)計(jì)價(jià)和交易。為保證發(fā)電機(jī)能夠提前準(zhǔn)備運(yùn)行,實(shí)時(shí)市場僅處理市場中5%的電力需求,而其余95%的電力交易則是通過日前市場和遠(yuǎn)期市場來完成的。

  期貨市場

  電力期貨是指以特定的價(jià)格進(jìn)行買賣,在將來某一特定時(shí)間開始交割并在特定時(shí)間段內(nèi)交割完畢,以期貨合約形式進(jìn)行交易的電力商品。美國電力期貨交易主要是在以下幾個(gè)交易所進(jìn)行:紐約商品交易所、納斯達(dá)克期貨交易所、Nodal交易所和ICE美國期貨交易所。

  日前市場和實(shí)時(shí)市場

  以賓夕法尼亞-新澤西-馬里蘭聯(lián)合系統(tǒng)運(yùn)營商(PJM)為例,在日前市場,電力的價(jià)格是根據(jù)預(yù)測的下一日電力需求和供應(yīng)以及預(yù)定的交易來提前計(jì)算的。電力參與者在日前市場進(jìn)行交易,以鎖定次日的電力價(jià)格和數(shù)量,這有助于他們減輕價(jià)格波動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)并提前規(guī)劃電力需求。

  PJM的實(shí)時(shí)市場是一個(gè)現(xiàn)貨市場,即采購的產(chǎn)品可立即交付,其中當(dāng)前價(jià)格(稱為節(jié)點(diǎn)邊際電價(jià))根據(jù)實(shí)際電網(wǎng)運(yùn)行狀況每五分鐘計(jì)算一次。實(shí)時(shí)能源價(jià)格發(fā)布在PJM運(yùn)營數(shù)據(jù)網(wǎng)頁上,買家和賣家之間的交易按小時(shí)結(jié)算。

  [發(fā)電與用電情況分析]

  供給:發(fā)電側(cè)動(dòng)能切換,但化石燃料仍主導(dǎo)

  近十年來,美國發(fā)電量較為穩(wěn)定,大體維持在4100TWh/年。其中,依賴化石燃料(即天然氣和煤炭)的發(fā)電占比顯著下降,從接近70%的高位減少到不足60%。2016年,天然氣發(fā)電超越之前一直占據(jù)主導(dǎo)地位的燃煤發(fā)電,成為最主要的發(fā)電來源,緊隨其后的是核能、水力以及其他可再生能源發(fā)電。核能和水力發(fā)電量占比相對穩(wěn)定,核能發(fā)電量占比20%左右,水力發(fā)電量占比7%左右。另外,除水力發(fā)電外的可再生能源的發(fā)電量占比增長顯著,從2001年的2%增長到2023年的16%。

  國家激勵(lì)政策助力,太陽能與風(fēng)能引領(lǐng)增長

  2023年,美國的光伏發(fā)電量顯著增長,達(dá)到165TWh,與2022年相比增長13%,過去十年的年均增長率保持在44%。在過去十年中,太陽能裝機(jī)量的年均增長率達(dá)到28%,主要得益于太陽能投資稅收抵免等強(qiáng)有力的聯(lián)邦政策、成本的迅速下降以及對清潔電力需求的不斷增加。目前,美國累計(jì)太陽能裝機(jī)已超過179GWdc。在2023年新增的電網(wǎng)容量中,光伏裝機(jī)占比53%,首次超過新增裝機(jī)容量的一半。

  風(fēng)電行業(yè)的顯著發(fā)展也得益于PTC等多項(xiàng)激勵(lì)措施的實(shí)施,自2019年起,風(fēng)電已成為美國可再生能源發(fā)電中的最大組成部分。在過去幾年中,風(fēng)電在美國可再生能源發(fā)電中的占比持續(xù)增長,從2019年的41%上升至2023年的48%,顯示風(fēng)電在可再生能源領(lǐng)域的主導(dǎo)地位。風(fēng)電在美國總發(fā)電量中的比例也在穩(wěn)步提升,近幾年穩(wěn)定在8%左右。

  美國火力發(fā)電結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整,天然氣為主導(dǎo)能源

  在過去二十年中,由于天然氣價(jià)格低廉以及煤炭供應(yīng)量顯著減少,美國的天然氣發(fā)電量大幅增長。這一趨勢得益于天然氣勘探技術(shù)的突破,產(chǎn)量大幅提高,這也使得美國在2023年成為全球最大的液化天然氣出口國。2023年,美國天然氣發(fā)電量達(dá)到1802TWh,占全年發(fā)電總量的43%,而位居第二的核能發(fā)電量僅占比18.6%。

  過去十年中,美國煤電行業(yè)經(jīng)歷顯著變革,其發(fā)電量持續(xù)且迅速下降。截至2023年,美國的煤炭發(fā)電量已降至675.3TWh,相較于十年前的1582TWh,降幅超過一半。這一變化象征著能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的一個(gè)關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點(diǎn),也標(biāo)志著煤炭發(fā)電量歷史上首次被核能發(fā)電量超越。

  發(fā)電能源未來展望:可再生能源主導(dǎo)新增裝機(jī),燃煤發(fā)電能力預(yù)期減半

  得益于太陽能電池板、風(fēng)力渦輪機(jī)和電池儲(chǔ)能系統(tǒng)成本的持續(xù)下降,加之《通脹削減法案(IRA)》等政府補(bǔ)貼政策的支持,可再生能源在新建發(fā)電項(xiàng)目中正逐漸展現(xiàn)出相較于傳統(tǒng)能源更為顯著的成本效益。這一趨勢預(yù)示著可再生能源在未來電力結(jié)構(gòu)中的競爭力和市場份額將持續(xù)增長。據(jù)預(yù)測,隨著可再生能源的擴(kuò)張,到2030年美國的燃煤發(fā)電能力可能將減少至當(dāng)前的50%左右,約200GW。

  需求:經(jīng)濟(jì)增長仍是驅(qū)動(dòng)因素

  美國用電量在2007年之前呈現(xiàn)穩(wěn)定增長的趨勢,但隨著美國實(shí)施更為嚴(yán)格的能源效率標(biāo)準(zhǔn)和建筑規(guī)范,用電量的增長得到有效控制。之后受到極端天氣的影響用電消費(fèi)會(huì)出現(xiàn)小范圍波動(dòng)。2023年,美國向消費(fèi)者零售的電力達(dá)3861.3TWh,與2022年的3927.2TWh相比下降1.7%。據(jù)EIA預(yù)測,得益于美國宏觀經(jīng)濟(jì)環(huán)境的持續(xù)改善,今年美國商業(yè)和工業(yè)部門的電力銷售額有望增加2%,反映出經(jīng)濟(jì)活力對能源消費(fèi)的積極影響。

  [市場交易機(jī)制及電價(jià)]

  不同于擁有統(tǒng)一的全國性電力市場的國家,美國的電力市場是區(qū)域性的,目前,美國有10個(gè)區(qū)域電力市場,這些市場覆蓋特定的地理區(qū)域。

  作為北美最大的電力市場,PJM的服務(wù)范圍覆蓋13個(gè)州及哥倫比亞特區(qū),其經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出占到美國GDP的19%。作為區(qū)域輸電組織,PJM負(fù)責(zé)管理和協(xié)調(diào)PJM地區(qū)的高壓輸電線路,確保電力流動(dòng)的順暢和系統(tǒng)的可靠性。PJM還具有促進(jìn)需求側(cè)響應(yīng)(Demand Response, DR)的重要功能。需求側(cè)響應(yīng)是電力系統(tǒng)管理中的一種關(guān)鍵策略,旨在通過調(diào)節(jié)消費(fèi)者的電力需求來增強(qiáng)電網(wǎng)的穩(wěn)定性和效率。這種策略通過激勵(lì)或其他手段促使用戶在電力需求高峰時(shí)段減少用電,幫助平衡電網(wǎng)負(fù)荷,防止過載,并減少對昂貴的備用發(fā)電資源的依賴。

  以PJM為例的電力交易機(jī)制

  兩級(jí)結(jié)算機(jī)制

  在電網(wǎng)運(yùn)行實(shí)踐中,調(diào)度機(jī)構(gòu)需要提前一天制定次日的發(fā)電計(jì)劃,涵蓋負(fù)荷預(yù)測、機(jī)組的啟動(dòng)與停機(jī)、發(fā)電功率安排、聯(lián)絡(luò)線使用等多個(gè)方面。這些預(yù)先規(guī)劃旨在增強(qiáng)電網(wǎng)運(yùn)行的可預(yù)測性,從而減輕實(shí)時(shí)調(diào)度的負(fù)擔(dān)。在實(shí)際運(yùn)行階段,調(diào)度員主要聚焦于處理因各種原因產(chǎn)生的發(fā)電與負(fù)荷之間的不平衡問題。PJM市場深入借鑒這些運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),建立日前市場和實(shí)時(shí)市場這兩個(gè)互補(bǔ)的交易平臺(tái),實(shí)行所謂的雙層結(jié)算機(jī)制。這兩個(gè)市場分別進(jìn)行電力出清和財(cái)務(wù)結(jié)算。無論是日前市場還是實(shí)時(shí)市場,所使用的電價(jià)均為節(jié)點(diǎn)邊際電價(jià)(Locational Marginal Pricing introduction,LMP),該價(jià)格模型包括能量成本、阻塞費(fèi)用和網(wǎng)絡(luò)損耗費(fèi)用三個(gè)組成部分。

  日前和實(shí)時(shí)市場結(jié)算流程

  在日前市場中,電力交易參與者(包括發(fā)電公司、分銷商和大型用戶)會(huì)根據(jù)對次日電力需求和價(jià)格的預(yù)測提交他們的買賣報(bào)價(jià)。PJM使用這些報(bào)價(jià)來進(jìn)行市場出清,確定每個(gè)節(jié)點(diǎn)的日前電價(jià)。參與者必須按照出清結(jié)果確定的價(jià)格和電量進(jìn)行結(jié)算。

  實(shí)時(shí)市場操作發(fā)生在電力實(shí)際使用的當(dāng)天,以滿足未被日前市場預(yù)測到的需求或彌補(bǔ)預(yù)測失誤。電力參與者可以根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整他們的報(bào)價(jià)或直接在實(shí)時(shí)市場購買所需電量。對發(fā)電商來說,實(shí)時(shí)發(fā)電少于其日前市場計(jì)劃,減少部分將以實(shí)時(shí)LMP從市場中購買,反之將得到補(bǔ)償;對供電商來說,如果實(shí)時(shí)負(fù)荷超出日前市場負(fù)荷,將會(huì)以實(shí)時(shí)LMP為超出部分付費(fèi),反之將得到補(bǔ)償。

  區(qū)域特色和多元要素共同構(gòu)建電力供應(yīng)價(jià)格結(jié)構(gòu)

  在美國解除管制的能源服務(wù)領(lǐng)域,各地區(qū)的電力供應(yīng)定價(jià)結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出獨(dú)特的區(qū)域特色,具體取決于發(fā)電廠和燃料的可用性、當(dāng)?shù)厝剂铣杀竞投▋r(jià)法規(guī)。以下是構(gòu)成電力價(jià)格的關(guān)鍵要素:

  能源成分代表實(shí)際供應(yīng)給建筑物的電力商品的成本,這一部分構(gòu)成電力價(jià)格的主要份額。

  容量成分反映維持設(shè)施運(yùn)行所需的最大電力分配量。每座建筑物及電網(wǎng)本身均有其容量需求,以確保穩(wěn)定運(yùn)行。

  可再生能源組合標(biāo)準(zhǔn)(RPS)規(guī)定電力供應(yīng)中必須來自可再生能源的比例。隨著美國對可再生能源使用的增加,RPS的成本和比重預(yù)計(jì)將上升,其費(fèi)用受各州的監(jiān)管和立法環(huán)境影響。

  傳輸成分涉及輸電解決方案的相關(guān)費(fèi)用。

  線路損耗成分代表在電網(wǎng)運(yùn)輸和傳輸過程中的能量損失。

  輔助服務(wù)成分旨在支持傳輸系統(tǒng)的平衡,確保電力從發(fā)電點(diǎn)順利輸送至最終用戶。盡管輔助服務(wù)在電價(jià)中占比不大,但對電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行,尤其是在需求高峰或緊急情況下,其作用至關(guān)重要。例如,紐約地區(qū)提供的輔助服務(wù)包括頻率調(diào)節(jié)、電壓支持和黑啟動(dòng)等關(guān)鍵功能。(作者單位:招商期貨)

  文章來源:期貨日報(bào)


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