未来能源研究所-是时候进行市场升级了吗？未来电力批发市场设计综述

Chiara Lo Prete，Karen Palmer和Molly Robertson 关于作者 Chiara Lo Prete是约翰和威利的能源经济学副教授 宾夕法尼亚州能源和矿物工程部的Leone家族州立大学。她的研究中心是能源市场的经济学，专注于电力市场的竞争和设计领域，天然气市场设计，以提高电网可靠性、地缘政治和能源安全，以及环境法规对发电的影响。最近的工作已经以数学模型的发展和实证应用为中心研究资源充足性和风能的电力市场结构的方法一体化、相互依存的天然气和电力系统、武器化电力贸易、排放泄漏和跨产品操纵。 卡伦·帕尔默是未来资源(RFF)的高级研究员，电力计划，以及环境，气候和经济方面的专家电力部门的公共事业监管。她的工作旨在改善行业环境和技术法规的设计和发展新机构，以帮助指导电力部门的持续过渡。到为此，她探讨了气候政策设计，分析了促进气候变化的有效方法使用可再生能源和其他清洁能源，并调查新市场设计、电价新方法和监管改革铺平道路用于电力供应的长期脱碳和能源的电气化经济。 莫莉·罗伯逊是RFF的高级研究助理，致力于相关主题电力部门，包括电网脱碳、电气化和电力市场设计。她还为RFF在公平方面日益增长的工作做出了贡献社区转型和环境正义。她拥有公共政策硕士学位密歇根大学福特学院。 Acknowledgements Karen Palmer和Molly Robertson希望感谢RFF Electric的资助Power Program. Chiara Lo Prete would like to acknowledge fundings from the National科学基金会（Grant 1943992）。我们感谢Peter Cramton，Steven Corneli，NataliaFabra, Eric Gimon, Malcolm Keay, David Nelson, Brendan Pierpont, Kathleen Spees,Leigh Tesfatsion, and Frank Wolak for helpful feedback. We also thank participants in无碳社会的电力创新(EPICS)推进3研讨会有用的评论。 关于RFF 未来资源（RFF）是一个独立的，非营利性研究机构它的使命是改善环境、能源和自然资源通过公正的经济研究和政策参与做出决定。RFF是致力于成为最广泛信任的研究见解和政策来源解决方案导致健康的环境和繁荣的经济。 这里表达的观点是个别作者的观点，可能与这些观点不同其他RFF专家、其审计人员或其董事。 分享我们的工作 我们的工作可以在归因下分享和改编- Noncommercial - NoDerivatives 4.0 International (CC BY - NC - ND 4.0)许可证。您可以以任何媒介或格式复制和重新分配我们的材料；您必须提供适当的信用，提供许可证的链接，并指出是否进行了更改，并且您可以不应用其他限制。您可以在任何合理的情况下这样做方式，但不以任何方式暗示许可方认可您或您的使用。您不得将材料用于商业目的。如果您重新混合、转换或在材料上构建，您可以不分发修改后的材料。有关更多信息信息,访问https: / / creativecommons. org / licenses / by - nc - nd / 4.0 /. Abstract 现有的批发电力市场设计不太适合应对挑战与不断发展的资源组合相关联。例如，最近的稀缺性事件美国表明，可再生能源和天然气主导的可靠性挑战电力系统不是由于缺乏发电能力来服务高峰而产生的客户需求，但从缺乏可用提供必要的能力需要时的能源。我们审查了11项拟议的电力市场设计清洁能源转型，并根据10个标准进行比较。增强可靠性具有大量可变可再生能源的电力系统需要在投资和运营方面激励资源灵活性。电力市场结构应允许可靠性所需的资源赚取足够的收入收入来恢复他们的可变和固定成本。良好的市场设计也使低成本融资，以支持对资本密集型资源的投资有助于实现脱碳目标。良好的附加属性-设计的市场正在通过减少激励来促进短期效率市场力量和支持有效的可再生削减成果。此外实现可靠性、长期效能和短期效能，在我们的审查寻求实现能源和主权目标，并与清洁一体化能源目标。我们的评估突出了几个悬而未决的问题和方向未来研究：负荷服务强制购买义务的确定实体和相关的执行机制；长期实时需求参与的对冲要求和激励措施；以及长期合同设计与短期有效运营之间的兼容性能源市场。 Contents 1. Introduction 2.传统的资源充足性和收入效率方法5 2.1.稀缺性定价5 66677892.2.能力薪酬机制2.2. 1. Capacity Payments2.2. 2.容量要求2.2. 3.容量市场2.2. 4.可靠性选项2.2. 5战略储备2.2. 6.激励能力性能 10113.1. Flexible Capacity Requirements3.2. Seasonal Forward Capacity Markets3.3.基本发电服务12 4.1.综合清洁能力市场14 4.2.标准化固定价格远期合约16 4.3.带流量交易的远期能源市场18 4.4.能源的两部分市场21 224.5.长期能源合约市场 4.7.基于市场的综合资源规划26 4.8.有组织的长期市场28 4.9.双重短期市场设计29 4.10. Swing合同32 5. Discussion36 6. Conclusions41 参考文献 43 1. Introduction 独立系统运营商(ISO)、区域传输组织(RTO)、作为平衡机构的电力公司必须确保有足够的效率资源，随时满足终端客户的电力需求，会计对于系统元素的计划和合理预期的非计划中断，以及受负载损失的标准行业目标的限制，例如“十年中的一天”预期负荷损失。1这一概念被称为资源充足性(NARUC，2023年；NERC，2013年）。 为了实现资源充足，既有传统的监管，也有竞争力的批发电力市场采用了框架来解决两个众所周知的问题:资金缺失问题和市场缺失问题(Newbery，2016；Wolak，2022)。缺钱问题的出现是因为来自能源和辅助服务市场并不擅长鼓励在新一代产能(Cramton和Ockenfels，2012)。例如，在稀缺期间在条件下，短期能源价格不太可能升至政治上令人不快的水平反映客户愿意支付的估计金额，以避免电力中断（Roques and Finon，2017）。另一方面，缺失的市场问题源于零售商将购电推迟到短期能源市场。这是因为两个原因。首先，价格上限在短期能源市场限制了未能获得足够能源来满足的成本交货前的预期需求。第二，在稀缺条件下，零售商随机削减，而不考虑远期市场上采购的能源数量，在远期市场中创造对采购不足的预期需求的激励(Wolak，2022年）。长期合同到期日之间的差距（一般不会延长 超过几年；Keppler等人，2022)和投资发电的时间框架产能增加了资本成本，并使能源结构向资本较少的方向扭曲-密集和风险较低的发电技术(Neuhoo和De Vries，2004)。2 资源充足性框架试图以各种方式解决这些问题。在传统监管市场中运营的垂直集成公用事业采用集中采购框架。在分散的采购区域，如加州独立系统运营商(CAISO)和西南电力池(SPP)负载服务实体(LSE)有义务单独采购容量他们需要满足客户的需求。义务受指导和由中央当局设定的标准，但没有中央招标程序。德克萨斯州电力可靠性委员会（ERCOT）改革了其能源市场，以达到顶峰价格更好地反映了产能的稀缺性，而其他地区如ISO新英格兰（ISO - NE），中部大陆独立系统运营商（MISO），纽约独立系统运营商(NYISO)和PJM创建的机制提供通过集中转发在能源销售之上的额外产能报酬容量市场。 尽管这些方法存在许多差异，但所有传统的资源充足性机制侧重于采购有效的发电能力以服务高峰需求加上储备保证金。3虽然这样的方法在在热发电主导的系统中保持资源充足大多数突发事件，它们不太适合应对与不断演变的资源组合。例如，来自美国最近稀缺事件的证据各国表明，可再生能源和天然气主导的电力面临可靠性挑战系统不是由于缺乏满足高峰客户需求的发电能力而产生的，但从缺乏可用在需要时提供必要能量的能力。换句话说，由于供应不足，供应短缺发生的风险更高。能源在净需求高峰期间为需求服务，而不是因为需求不足满足系统需求高峰的发电能力(NERC，2020年；ESIG，2021年)。 可再生能源的高渗透率也加剧了长期存在的缺少资金问题，因为可变能源资源(VER)的进入增加在边际成本接近零的情况下，清除的热发电量减少从优序堆栈中提取，并为热发电机诱导较低的容量因子。此外，能源价格(平均)往往较低，因此波动性更大。增加水资源参与率(Mallapragada等人，2023年)。在2014年至2020年之间， 美国某些地区的发电资源正在减少 投资成本的回收(图1)。4这种趋势是有问题的，因为容量市场没有提供必要的激励措施来投资足够的金额和混合灵活的发电，以满足不断发展的系统需求(PJM互连，2017b)。此外，价格波动给可变资源带来更大的收入不确定性，这反过来又提高了资本密集型发电机（如可再生能源）的融资成本（Pierpont和Nelson，2017）。 一些研究人员和分析师认为，电力系统的深度脱碳将需要从教科书中的电力市场设计转变，在这种设计中，长期投资决策是由短期能源价格驱动的。例如，Roques和Finon (2017)提出了市场设计向混合制度的演变，其中通过长期合同支持投资的“市场竞争”将其次是短期调度和平衡的“市场竞争”目前的运营。混合市场的一个例子结合了LSE的任务与可再生能源签订长期双边购电协议(PPAs)发电机和存储(通常通过竞争来调解采购计划；Joskow，2022)和短期能源市场。开普勒等人(2022)进一步阐述了混合市场。 本文对支持清洁电力市场的电力市场设计进行了综述。能源转型。满足与增加相关的系统可靠性挑战可再生能源发电水平需要激励资源灵活性，无论是在投资和运营。电力市场结构应设计为允许可靠性所需的资源来赚取有效的收入来恢复其固定和可变成本。良好的市场设计也应该使低成本融资能够支持对资本密集型资源的投资，这些资源有助于满足脱碳目标。精心设计的市场的另一个属性是通过减少行使市场力量和支持有效的可再生削减成果。除了可靠性，长期电力市场可能会寻求实现公平目标(例如，较低的可再生能源发电成本必须通过零售客户)，在某些情况下可能会与清洁能源目标相结合。 我们的工作建立在最近对电力市场设计的三项审查的基础上。Bhagwat，De Vries等人(2016)对美国产能市场专家进行了调查，目的是为欧盟吸取教训，并得出结论，美国产能市场已经取得了以经济上有效的方式实现可靠性目标，因为它们往往会导致到过剩的发电能力。因此，消费者没有从从降低总体成本的角度来看，实施产能市场。Bublitz等人。(2019)讨论全球产能薪酬机制，并审查与他们的经验。他们指出，“作为适当的设计取决于多种现有的产能组合和需求特征等因素，没有一般性可以确定单一(能力报酬)机制的优势到目前为止。...尽管如此，可以得出结论，基于市场的机制，例如远期容量市场，与干预主义者相比通常是有利的能力支付等机制“(2019，1074)。Duggan (2020)回顾了评估各种能力机制相对性能的文献，包括“纯能源”市场方法。他讨论了不同的RTO市场，他得出的结论共同表明，实验关于资源充足性支持的能力薪酬是一个持续的过程。我们通过扩大重点以包括提议的电力来为这些文献做出贡献市场设计，并通过提供对这些设计的全面审查和比较基于关键指标的选项。 The rest of the paper proceeds as follows. The next sectio