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    美國電力市場的結構、交易與價格特征

    期貨日報 發布時間:2024-05-21 12:28:01

      [電力市場的發展概況]

      從托馬斯·愛迪生的珍珠街電站到塞繆爾·因薩爾創立的受監管公用事業公司,以及20世紀末的縱向一體化壟斷格局,美國電力行業在其初創的百年歷程中,經歷了技術和制度翻天覆地的革新。

      歷史:從傳統監管到解除管制

      在20世紀60年代,美國的電力供應幾乎完全由垂直一體化的公用事業公司掌控,這些公司負責從發電到輸配電直至消費者的整個流程。這種模式下,單一的公用事業公司在其服務區域內獨占管理和運營輸電設施的權利,形成了所謂的“傳統監管”市場格局。

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

      在這個結構下,發電站出售電力,而負載服務實體(LSE)購買電力并轉售給消費者。區域輸電組織(RTO)/獨立系統運營商(ISO)取代公用事業公司成為電網運營商,并成為電力批發市場的運營商。運營商通常運行三種市場來決定這些服務的批發價格:能源市場、容量市場和輔助服務市場。

      能源市場用于協調日常電力生產的拍賣。在能源市場中,電力供應商根據特定的價格出售其發電廠的電力合約,LSE競標這些合約以滿足消費者的需求。供應商的出價按價格從低到高進行排列。當提供的電量與需求量相匹配時,市場“出清”,發電廠根據每兆瓦時的市場定價收費。RTO/ISO主要運行兩個能源市場:日前市場和實時市場。

      輔助服務市場旨在維護電網的頻率穩定,并在發電機組發生故障或停機時,提供必要的短期備用電源。

      容量市場用來確保電網在任何給定時間都有足夠的發電能力來滿足消費者的需求,包括在高峰負荷時期。它是一個補充機制,專注于電力系統的可靠性和安全運行,而不僅是即時的電力供應。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電能力。

      交易結構:從遠期到日前到實時

      從交易時限的角度,美國電力市場可以細分為遠期(包括期貨)市場、日前市場和實時市場。遠期市場涉及的交易基于雙方合同,合同期限可以根據雙方協商決定,范圍從一個月到30年不等,涵蓋全天或特定的高峰/非高峰時段。相比之下,日前市場和實時市場的交易則更為靈活,主要針對即將發生的電力需求,按小時計價和交易。為保證發電機能夠提前準備運行,實時市場僅處理市場中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期市場來完成的。

      期貨市場

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

      日前市場和實時市場

      以賓夕法尼亞-新澤西-馬里蘭聯合系統運營商(PJM)為例,在日前市場,電力的價格是根據預測的下一日電力需求和供應以及預定的交易來提前計算的。電力參與者在日前市場進行交易,以鎖定次日的電力價格和數量,這有助于他們減輕價格波動的風險并提前規劃電力需求。

      PJM的實時市場是一個現貨市場,即采購的產品可立即交付,其中當前價格(稱為節點邊際電價)根據實際電網運行狀況每五分鐘計算一次。實時能源價格發布在PJM運營數據網頁上,買家和賣家之間的交易按小時結算。

      [發電與用電情況分析]

      供給:發電側動能切換,但化石燃料仍主導

      近十年來,美國發電量較為穩定,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,天然氣發電超越之前一直占據主導地位的燃煤發電,成為最主要的發電來源,緊隨其后的是核能、水力以及其他可再生能源發電。核能和水力發電量占比相對穩定,核能發電量占比20%左右,水力發電量占比7%左右。另外,除水力發電外的可再生能源的發電量占比增長顯著,從2001年的2%增長到2023年的16%。

      國家激勵政策助力,太陽能與風能引領增長

      2023年,美國的光伏發電量顯著增長,達到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,太陽能裝機量的年均增長率達到28%,主要得益于太陽能投資稅收抵免等強有力的聯邦政策、成本的迅速下降以及對清潔電力需求的不斷增加。目前,美國累計太陽能裝機已超過179GWdc。在2023年新增的電網容量中,光伏裝機占比53%,首次超過新增裝機容量的一半。

      風電行業的顯著發展也得益于PTC等多項激勵措施的實施,自2019年起,風電已成為美國可再生能源發電中的最大組成部分。在過去幾年中,風電在美國可再生能源發電中的占比持續增長,從2019年的41%上升至2023年的48%,顯示風電在可再生能源領域的主導地位。風電在美國總發電量中的比例也在穩步提升,近幾年穩定在8%左右。

      美國火力發電結構不斷調整,天然氣為主導能源

      在過去二十年中,由于天然氣價格低廉以及煤炭供應量顯著減少,美國的天然氣發電量大幅增長。這一趨勢得益于天然氣勘探技術的突破,產量大幅提高,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,美國天然氣發電量達到1802TWh,占全年發電總量的43%,而位居第二的核能發電量僅占比18.6%。

      過去十年中,美國煤電行業經歷顯著變革,其發電量持續且迅速下降。截至2023年,美國的煤炭發電量已降至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構轉型的一個關鍵轉折點,也標志著煤炭發電量歷史上首次被核能發電量超越。

      發電能源未來展望:可再生能源主導新增裝機,燃煤發電能力預期減半

      得益于太陽能電池板、風力渦輪機和電池儲能系統成本的持續下降,加之《通脹削減法案(IRA)》等政府補貼政策的支持,可再生能源在新建發電項目中正逐漸展現出相較于傳統能源更為顯著的成本效益。這一趨勢預示著可再生能源在未來電力結構中的競爭力和市場份額將持續增長。據預測,隨著可再生能源的擴張,到2030年美國的燃煤發電能力可能將減少至當前的50%左右,約200GW。

      需求:經濟增長仍是驅動因素

      美國用電量在2007年之前呈現穩定增長的趨勢,但隨著美國實施更為嚴格的能源效率標準和建筑規范,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會出現小范圍波動。2023年,美國向消費者零售的電力達3861.3TWh,與2022年的3927.2TWh相比下降1.7%。據EIA預測,得益于美國宏觀經濟環境的持續改善,今年美國商業和工業部門的電力銷售額有望增加2%,反映出經濟活力對能源消費的積極影響。

      [市場交易機制及電價]

      不同于擁有統一的全國性電力市場的國家,美國的電力市場是區域性的,目前,美國有10個區域電力市場,這些市場覆蓋特定的地理區域。

      作為北美最大的電力市場,PJM的服務范圍覆蓋13個州及哥倫比亞特區,其經濟產出占到美國GDP的19%。作為區域輸電組織,PJM負責管理和協調PJM地區的高壓輸電線路,確保電力流動的順暢和系統的可靠性。PJM還具有促進需求側響應(Demand Response, DR)的重要功能。需求側響應是電力系統管理中的一種關鍵策略,旨在通過調節消費者的電力需求來增強電網的穩定性和效率。這種策略通過激勵或其他手段促使用戶在電力需求高峰時段減少用電,幫助平衡電網負荷,防止過載,并減少對昂貴的備用發電資源的依賴。

      以PJM為例的電力交易機制

      兩級結算機制

      在電網運行實踐中,調度機構需要提前一天制定次日的發電計劃,涵蓋負荷預測、機組的啟動與停機、發電功率安排、聯絡線使用等多個方面。這些預先規劃旨在增強電網運行的可預測性,從而減輕實時調度的負擔。在實際運行階段,調度員主要聚焦于處理因各種原因產生的發電與負荷之間的不平衡問題。PJM市場深入借鑒這些運行經驗,建立日前市場和實時市場這兩個互補的交易平臺,實行所謂的雙層結算機制。這兩個市場分別進行電力出清和財務結算。無論是日前市場還是實時市場,所使用的電價均為節點邊際電價(Locational Marginal Pricing introduction,LMP),該價格模型包括能量成本、阻塞費用和網絡損耗費用三個組成部分。

      日前和實時市場結算流程

      在日前市場中,電力交易參與者(包括發電公司、分銷商和大型用戶)會根據對次日電力需求和價格的預測提交他們的買賣報價。PJM使用這些報價來進行市場出清,確定每個節點的日前電價。參與者必須按照出清結果確定的價格和電量進行結算。

      實時市場操作發生在電力實際使用的當天,以滿足未被日前市場預測到的需求或彌補預測失誤。電力參與者可以根據實際情況調整他們的報價或直接在實時市場購買所需電量。對發電商來說,實時發電少于其日前市場計劃,減少部分將以實時LMP從市場中購買,反之將得到補償;對供電商來說,如果實時負荷超出日前市場負荷,將會以實時LMP為超出部分付費,反之將得到補償。

      區域特色和多元要素共同構建電力供應價格結構

      在美國解除管制的能源服務領域,各地區的電力供應定價結構展現出獨特的區域特色,具體取決于發電廠和燃料的可用性、當地燃料成本和定價法規。以下是構成電力價格的關鍵要素:

      能源成分代表實際供應給建筑物的電力商品的成本,這一部分構成電力價格的主要份額。

      容量成分反映維持設施運行所需的最大電力分配量。每座建筑物及電網本身均有其容量需求,以確保穩定運行。

      可再生能源組合標準(RPS)規定電力供應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的成本和比重預計將上升,其費用受各州的監管和立法環境影響。

      傳輸成分涉及輸電解決方案的相關費用。

      線路損耗成分代表在電網運輸和傳輸過程中的能量損失。

      輔助服務成分旨在支持傳輸系統的平衡,確保電力從發電點順利輸送至最終用戶。盡管輔助服務在電價中占比不大,但對電網的穩定運行,尤其是在需求高峰或緊急情況下,其作用至關重要。例如,紐約地區提供的輔助服務包括頻率調節、電壓支持和黑啟動等關鍵功能。(作者單位:招商期貨)

      文章來源:期貨日報


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