近年來，由于社會經濟發展對化石能源的過度依賴，能源資源日漸枯竭，同時大量碳排放也導致溫室效應日益加重，極端天氣的出現越來越頻繁。國際社會一致認為需要對氣候變化采取緊迫行動和強有力的國際合作。1997年12月11日結束的聯合國氣候變化框架公約締約方第三次大會上(日本京都會議)通過了《京都議定書》，并于2005年2月16日正式生效，這是人類歷史上首次以法規的形式限制溫室氣體排放。2015年12月12日在巴黎氣候變化大會上通過、2016年4月22日在紐約簽署的《巴黎協定》為2020年后全球應對氣候變化行動作出安排，并設定了本世紀后半葉實現凈零排放的目標。當前越來越多的國家正在將其轉化為國家戰略，提出了無碳未來的愿景。碳中和(Carbon Neutral或Carbon Neutrality)是指中立的(即零)總碳量釋放，通過排放多少碳就采取多少抵銷措施，來達到平衡。目前已有數十個國家和地區提出了碳中和目標。
新能源大規模接入使全世界電力市場面臨挑戰
在上世紀八九十年代，一些發達國家就已經將可再生能源發展(如無特殊說明，本文的“可再生能源”都指風、光等新能源)作為能源規劃中的一環，此后隨著各國和國際組織紛紛加大了對可再生能源的開發利用，該時期下針對可再生能源的各種政策方針也層出不窮。截至2019年底，全球共有166個國家制定了可再生能源電力發展目標，143個國家制定和實施了不同的支持政策，常見的經濟激勵政策有固定上網電價(FiT)、溢價補貼(FiP)、差價合同(CfD)、綠色證書，此外還有凈電表制(Net Metering)、稅收返還、稅收優惠、融資等政策。近年來，可再生能源發電競爭性拍賣機制為越來越多的國家采用，既包括德國、英國、丹麥等可再生能源市場成熟的國家，也包括拉美、中東、南亞等地區的可再生能源市場新興國家，競爭性拍賣對降低成本和電價的效果非常顯著。通過競爭性拍賣確定了開發項目及業主，也同時確定了拍賣電價，與之配套的電價政策有的執行FiT(將拍賣電價作為固定上網電價)，有的則配套采用FiP或CfD，有的直接按拍賣電價由拍賣中標項目與電網企業簽訂中長期協議。在可再生能源消納保障方面，美國在1990年后陸續在各州實行了可再生能源配額制，使得可再生能源裝機容量實現了快速增長。澳大利亞在2001年實行了可再生能源配額制，有效地激勵了可再生能源市場的投資意向和發電項目建設。英國于2002年實行了可再生能源義務制度，促進了可再生能源在市場上的競爭力。可再生能源配額制的有效實施需要依賴于綠色證書(Tradable Green Certificates，TGC)交易機制和完善的市場體系，綠色證書交易為市場主體完成其配額責任提供了一個有效的途徑。此外，美國等國家的可再生能源長期購電協議(PPA)、企業直購電(VPPA)等模式，對我國也有一定的參考和借鑒作用。
2006年，我國也出臺了《可再生能源法》以推動可再生能源的開發建設，隨后我國施行了固定上網電價政策以推動可再生能源的發展，但隨著可再生能源裝機容量的飛速上升，我國財政支出的“固定電價補貼”也日趨增多，由此帶來的補貼缺口進一步擴大。為改善可再生能源發展和政策現狀，早在2014年8月，國家能源局就印發了《可再生能源電力配額考核辦法(試行)》，后又在2016年2月印發了《關于建立可再生能源開發利用目標引導制度的指導意見》(國能新能〔2016〕54號)，開啟了我國可再生能源配額制及綠色證書交易模式的探索。伴隨著可再生能源配額制施行的呼聲越來越強烈，2018年3月，國家能源局先發布了《可再生能源電力配額及考核辦法(征求意見稿)》，同年該征求意見稿又陸續修改了兩版，明確了考核指標、責任實施主體、義務主體、指標測算方式及考核時間。2019年5月國家發展改革委、國家能源局印發了《關于建立健全可再生能源電力消納保障機制的通知》(發改能源〔2019〕807號)，結束了我國可再生能源配額制長久的征求意見和爭論，確立了以“可再生能源電力消納責任權重”模式為主體的建設框架。2020年5月又在各地測算的基礎上統籌提出了各省級行政區域2020年可再生能源電力消納責任權重(發改能源〔2020〕767號)，包括可再生能源電力總量消納責任權重和非水電可再生能源電力消納責任權重。2021年1月，北京電力交易中心響應國家要求，發布了《可再生能源電力超額消納量交易規則(實行)》，為可再生能源電力超額消納量交易市場的建立奠定了基礎。
可再生能源參與電力市場交易已成為必然趨勢。隨著可再生能源發電比例逐步升高、各種類型儲能的成本逐漸降低、智能電表的普及和需求響應的引入，世界各國的電力市場都面臨著重大挑戰，需要更新換代。
在美國，有關電力市場規則的爭論由來已久。早在2017年，美國能源部(Department of Energy)與各大區域電力市場運營商ISO/RTO就電力市場價格形成機制等問題發生過激烈爭論。近期，美國電力市場中各類事件接連不斷，引起各方廣泛關注。當地時間2020年8月14日，加利福尼亞州獨立系統運營商(CAISO)宣布電網進入二級緊急運行狀態。8月14日，為了防止電力系統崩潰，CAISO向全州的電力用戶發布了自2000～2001年加州電力危機以來近20年的第一次三級緊急運行狀態警告，并對居民用戶實施輪流停電。隨后，8月15日，CAISO又發布了二級和三級緊急運行狀態警告各一次并采取切負荷措施。8月17日、8月18日、9月5日、9月6日，CAISO又各發布了一次二級緊急運行狀態。從當地時間2021年2月14日開始，美國得克薩斯州在極端低溫天氣下再次發生大范圍輪流停電，數百萬家庭失去電力供應，而且現貨市場價格也已達到9000美元/兆瓦時的上限。美國總統拜登相繼批準得州進入緊急狀態和重大災難狀態。
歐盟在2016年12月公布的新電力市場設計方案中尖銳指出“當今能源市場規則是為了滿足過去的以傳統火力發電和沒有需求響應的能源系統而設計出來的”。由于光伏、風電低邊際成本的特點，把傳統火力發電在以邊際成本為基礎的現貨競價交易中擠出，使得市場出清價格降低，甚至出現負值，導致火力發電難以生存。而同時，光伏和風電的不可預測性、波動性，給電力系統的安全可靠性和靈活性帶來了挑戰。在2012年11月至2013年2月歐盟針對電力市場問題的調查中，被調查者一致認為確保市場更健康地運行和市場進一步融合對于電力安全供給十分關鍵，對現有市場設計是否能夠充分吸引投資以保障發電容量充裕度則觀點各異。相當多的觀點認為可再生能源的補貼機制、優先發電和電力平衡責任缺失扭曲了市場。
2016年9月28日，臺風和暴雨等極端天氣襲擊了新能源發電占比高達48.36%的澳大利亞南部地區電網，最終導致澳大利亞南部大停電，50小時后才全部恢復供電。這是世界上第一次由極端天氣誘發新能源大規模脫網導致的電網大停電事故。電力市場環境下報價低的風電侵占報價高的燃氣機組發電空間、大規模安裝光伏自發電系統導致用電負荷減少、天然氣市場波動及輸送管道地緣格局不利等因素導致澳大利亞南部電網燃煤機組及燃氣機組大量退出運行，系統轉動慣量逐年減少。“9·28”事故當日，澳大利亞南部電力系統慣量呈現歷史最低，頻率振蕩時間最短、切機容量最大，是導致大停電事故的重要原因。
美、歐、澳的電力市場問題有一些共同點：一是電力系統的安全穩定運行需要保持多樣化的發電機組類型(電源結構)，當前電力市場設計雖然對新能源有利，但對傳統電源沖擊過大，無法確保電力系統的長期可靠性與彈性;二是電力市場需要對靈活性資源合理定價，才能保障可再生能源的消納，當前電力市場設計無法對靈活性資源提供合理的經濟激勵。因此，歐美在二十多年的電力市場運營經驗基礎上，進行了各種各樣的更新和嘗試。由于我國棄風、棄光問題嚴重，建立有利于新能源消納的電力市場機制也已成為當前的緊迫任務。
“雙碳”目標下的電力市場體制機制創新
隨著“雙碳”目標的提出，“構建以新能源為主體的新型電力系統”的舉措將使電源結構和電網特性出現重大變化，在為我國電力行業的發展帶來重大機遇的同時，也存在一定的風險和挑戰。建立有利于新能源消納的電力市場體制機制已成為當前的緊迫任務，國外能源轉型的經驗值得借鑒。
價格機制是市場機制的核心，市場決定價格是市場在資源配置中起決定性作用的關鍵。由于電價問題的復雜性、電力工業在國民經濟中的基礎性地位以及電力產品的公共性，電價問題牽一發而動全身，并且與其他能源價格緊密相關，還曾經作為國家宏觀調控的手段，甚至牽涉到社會穩定問題(可稱之為“電價的社會性”)。當前的電價結構和電價水平(尤其是折舊和財務費用)是我國長期以來各種電價政策歷史沉淀的產物，由于電廠的建設和運行壽命周期跨度可長達幾十年，不同歷史階段的電價政策和投融資政策對當前成本和價格的構成有重大影響(可稱之為“電價的歷史性”)。電價問題又可分為“價值問題”(即電能價值分析)和“價格問題”(即電價形成機制)兩個方面。“價值問題”具有理想性(即回答“最理想的價格應該是什么”)，而“價格問題”具有現實性(各利益主體將基于價格進行真金白銀的結算)。價格是價值的表現，并且不能偏離價值太遠。在計劃經濟模式下，最理想的電價水平應等于電能的真實價值;在市場經濟模式下，市場電價應圍繞電能真實價值上下波動。在可再生能源大規模接入的背景下，電能除了容量價值、電量價值，還具有靈活性、安全性和彈性價值等多種不同的價值，使得問題更加復雜，其分析和研究需要建立在對新型電力系統運行特性深入認識的基礎上并緊密結合相關經濟學理論。
類似于德國電力市場設計，電力市場交易過程可用不同的(橫向的或縱向的)“能量塊”填充負荷曲線下的面積，實現電力電量平衡，建立如圖所示的中長期與現貨(日前、日內、實時)交易相協調、電量與電力型交易相結合的電力市場目標模式，這也符合我國當前電力市場建設所采用的“中長期交易+現貨市場”的基本框架。不同“能量塊”的組合將形成不同的短期運行發電組合(即運行方式)和內涵不同的價格。主能量交易可采用分段競價(或水平拍賣)或合同交易機制，實時平衡與輔助服務交易采用分時競價(或垂直拍賣)機制。對于基荷、腰荷機組(負荷)，即圖中的橫向“能量塊”，可按負荷持續時間定價，進行集中競價或開展合同交易。對于峰荷機組(或需求響應資源)，可基于實時電價，針對圖中的綠色和褐色縱向“能量塊”進行集中競價。此外，借鑒德國電力市場平衡結算單元的設計思路，可再生能源應以就地消納為主要形式，并減少大電網平衡的負擔。
一般情況下，對于光伏、風電等可再生能源機組，由于功率曲線難控，電能商品品質低，但因環保效益顯著，可全額消納，或根據電力系統安全穩定約束在一定功率波動范圍內消納，并以比市場最低價更低的價格結算電量。在這種情況下，系統總負荷扣除可再生能源機組出力后，可能形成功率缺口，例如美國加州電力系統著名的“鴨子曲線”，將顯著增加電力系統的靈活性需求和調峰困難。如果可再生能源搭配儲能或購買調峰容量、提高其電能品質后，也可以參與圖中橫向能量塊的交易;在加裝自動發電控制系統(AGC)后，響應電網調度指令下調功率，參與分時交易的輔助服務市場。
智利是世界上第一個進行電改的國家，為鼓勵可再生能源消納并增加競爭，2014年引入了時間跨度長達20年的帶時標的能量塊(time block)交易，允許發電機組在一天中針對特定的時段進行投標，而不是限定必須24小時供應電力。智利的帶時標能量塊交易取得了預期的效果，增強了競爭，促進了可再生能源消納，電價大幅下跌，受到了各方面的稱贊。2021年3月31日，美國政府公布了一項2萬億美元的就業計劃，該計劃力爭讓美國在2035年之前實現100%零碳電力。值得注意的一個細節是，該計劃規定聯邦市政設施應從所在區域電網采購“7?24”全時段清潔電力，并與其小時級負荷曲線相匹配，這恰恰是我們所提的“能量塊”交易的概念。在“能量塊”交易的初級階段，可采用比較簡單的分時段交易。2020年11月25日，國家發展改革委、國家能源局發布的《2021年電力中長期合同簽訂工作的通知》(發改運行〔2020〕1784號)中，為拉大峰谷差價，明確提出“交易雙方簽訂分時段合同”(即國家發展改革委電力中長期合同“六簽”要求之“分時段簽”)，目前江西等省份正在進行試點。
在世界范圍，風電和光伏發電的快速增長對電力系統的靈活性提出了前所未有的要求。2018年11月13日，國際能源署發布的世界能源展望提出“靈活性是電力系統的新口號”。對于發電機組，靈活性的提升主要體現在：深度調峰(降低最小技術出力)、快速啟停、增強爬坡能力(即提高加減負荷速度)。對于熱電機組，熱電解耦也是增強靈活性的方式。在美國加州電力市場(CAISO)和中部大陸電力市場(MISO)，建立了靈活爬坡產品交易，取得了良好的效果。我國在實踐中總結出來的深度調峰交易值得肯定，該交易方式首先在東北電力輔助服務市場建立，并且在全國推廣。作為國家電力體制改革專項試點，自2017年1月在東北地區啟動以來成效顯著，深入挖掘了電網調峰潛力，促進了風電、核電等清潔能源消納，顯著提高了電網安全運行水平和供熱可靠性。
在以新能源為主體的新型電力系統中，傳統電力系統單一的“源隨荷動”(即根據負荷變動情況調節發電功率)模式將轉變為“源隨荷動、荷隨網動”的友好互動模式，柔性負荷、虛擬電廠等新技術和商業模式也受到廣泛關注。柔性負荷是指在一定時間段內靈活可變的負荷，包含具備需求彈性的可調節負荷或可轉移負荷、具備雙向調節能力的電動汽車、儲能、蓄能以及分布式電源、微電網等，其用電行為可對價格信號作出靈活響應，是電力系統靈活性的重要來源。在供電無法滿足用電需求增長的大城市，柔性負荷的削峰填谷作用還可對保障電網的安全運行起到關鍵作用。我國目前處于市場發展的初級階段，還缺乏完整的市場運營規則和電價形成機制，尚不能通過經濟手段及時有效地調節市場供需，負荷調度更多表現為以分時電價和有序用電為代表的需求側管理。在電力市場環境下，引入柔性負荷參與交易，有利于提升電網的安全穩定水平及靈活性，并帶來巨大的社會效益和經濟效益。隨著市場建設的推進，柔性負荷參與現貨市場和輔助服務市場的條件逐步具備，并已在廣東等省區投入實際運行。(陳皓勇 廖宇)
