火電企業(yè)在現(xiàn)貨市場的利潤最大化策略

　　自2019年5月以來，首批8個電力現(xiàn)貨交易試點(diǎn)省份均先后開展了現(xiàn)貨按日、按周試結(jié)算工作，我國電力市場已開啟現(xiàn)貨紀(jì)元。2020年新春伊始，雖有疫情影響，廣東、浙江等省份已在籌劃下一階段的電力現(xiàn)貨市場建設(shè)工作，“按月試結(jié)算”、“不間斷結(jié)算”等現(xiàn)貨試運(yùn)行模式，將成為今年現(xiàn)貨試點(diǎn)省份的建設(shè)目標(biāo)。隨著電力現(xiàn)貨試點(diǎn)的推進(jìn)，電力市場化程度將大大加深，這要求發(fā)電企業(yè)轉(zhuǎn)變在“三公調(diào)度”模式下的發(fā)電生產(chǎn)、營銷思路，對市場價(jià)格和激勵信號做出更快、更正確的反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)電力現(xiàn)貨交易模式下的利潤最大化。

　　本文將以經(jīng)濟(jì)學(xué)原理為基礎(chǔ)，結(jié)合中國電力市場特色，剖析發(fā)電企業(yè)在現(xiàn)貨交易模式下以利潤最大化為目的的理性交易策略。

　　在任何以市場為基礎(chǔ)資源配置手段的產(chǎn)品交易中，交易價(jià)格由市場均衡決定。所謂市場均衡就是供需雙方在不同價(jià)格信號下，不斷調(diào)整自己的生產(chǎn)或消費(fèi)行為，達(dá)到的生產(chǎn)量與消費(fèi)量大致相等的均衡狀態(tài)，這一狀態(tài)下的價(jià)格被稱為“均衡價(jià)格”。生產(chǎn)者的生產(chǎn)成本在均衡價(jià)格之下的部分稱為“生產(chǎn)者剩余”，消費(fèi)者的支付意愿在均衡價(jià)格之上的部分稱為“消費(fèi)者剩余”。

　　所謂利潤最大化對與生產(chǎn)者而言，是使自己獲得的“生產(chǎn)者剩余”達(dá)到最多，具體到電力現(xiàn)貨市場，就是指發(fā)電企業(yè)通過在日前市場的報(bào)價(jià)，使自己的電能量銷售利潤(節(jié)點(diǎn)電價(jià)*中標(biāo)電量-發(fā)電成本)達(dá)到最大。而節(jié)點(diǎn)電價(jià)就是某時刻該節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的交易地點(diǎn)的均衡價(jià)格。(見下圖)

　　

 

　　那么發(fā)電企業(yè)如何報(bào)價(jià)才能達(dá)到利潤最大化呢?我們首先考慮市場處于完全競爭狀態(tài)的情況，即所有發(fā)電企業(yè)都是價(jià)格接受者，無法通過持留發(fā)電能力或提高報(bào)價(jià)影響節(jié)點(diǎn)電價(jià)，也就是沒有市場力。

　　若想使發(fā)電利潤最大化，我們首先需要搞清邊際成本與邊際收益之間的關(guān)系。邊際成本指的是每一單位新增生產(chǎn)的產(chǎn)品帶來的總成本的增量，它通常是一條先下降再上升的U型曲線，這是因?yàn)檫呺H產(chǎn)量(增加一單位生產(chǎn)要素所增加的產(chǎn)量)是先上升后下降的。以煤電機(jī)組為例，隨著我們投煤量的上升，鍋爐溫度和效率也隨之提升，此時度電煤耗在持續(xù)下降——即每多投入一克煤可以(比之前)產(chǎn)生更多的電能量;但這種邊際產(chǎn)量上升的趨勢并不會一直持續(xù)下去，當(dāng)鍋爐效率到達(dá)極限后，邊際產(chǎn)量將開始下降。

　　在這里需要注意的是，由于我國的電力現(xiàn)貨市場采用了美國PJM市場的三部制報(bào)價(jià)，即報(bào)價(jià)被分為三個部分：①啟動成本②空載成本③微增成本。啟動成本是指火電機(jī)組的開機(jī)成本;空載成本是指使火電機(jī)組的汽輪機(jī)維持在一定轉(zhuǎn)速所需的成本;微增成本是指火電機(jī)組隨著出力上升而上升的成本。由于交易中心會按政府事先核定的固定價(jià)格補(bǔ)償啟動成本和空載成本，所以發(fā)電企業(yè)在日前市場報(bào)價(jià)時僅需要考慮邊際成本中的微增成本，這是一條單調(diào)上升的曲線。

　　

 

　　邊際收益是指增加一單位產(chǎn)品的銷售所增加的收益，即最后一單位產(chǎn)品的售出所取得的收益。由于在一個完全競爭的市場中，生產(chǎn)者增加或降低產(chǎn)量均不會引起均衡價(jià)格的變化，此時每兆瓦電力的邊際收益是固定的，但由于邊際成本隨著發(fā)電量不斷上升，所以邊際效益(邊際收益-邊際成本)是遞減的。(見下圖)

　　

 

　　由上圖我們可清晰地看出，邊際成本曲線和邊際收益線相交處的邊際效益為零，此時如生產(chǎn)者繼續(xù)擴(kuò)大產(chǎn)量將產(chǎn)生負(fù)的邊際效益。也就是說當(dāng)邊際效益為正時，擴(kuò)大產(chǎn)量可增加利潤;邊際效益為負(fù)時，減少產(chǎn)量可增加利潤。邊際成本曲線和邊際收益線相交處對應(yīng)的產(chǎn)量是利潤最大化的最佳產(chǎn)量。具體到電力現(xiàn)貨市場，發(fā)電企業(yè)的邊際收益就是節(jié)點(diǎn)電價(jià)，產(chǎn)量就是機(jī)組的出力水平，機(jī)組的最佳出力點(diǎn)正是邊際成本曲線與節(jié)點(diǎn)電價(jià)相交處對應(yīng)的出力。

　　

 

　　但在電力現(xiàn)貨市場中，市場主體在日前市場報(bào)價(jià)時并不知道均衡價(jià)格(節(jié)點(diǎn)電價(jià))會到什么水平，這時又如何制定報(bào)價(jià)策略使機(jī)組中標(biāo)電量恰好達(dá)到能夠使發(fā)電利潤最大化的最佳出力點(diǎn)呢?

　　這個分析將更加復(fù)雜一些，我們先考慮在完全競爭的電力市場各電力企業(yè)所面臨的狀況：

　　首先，這個市場上有足夠多的發(fā)電機(jī)組，發(fā)電總?cè)萘吭诮^大部分時刻遠(yuǎn)大于用戶負(fù)荷。

　　其次，任意一臺機(jī)組啟停均不會影響節(jié)點(diǎn)電價(jià)的水平。

　　最后，根據(jù)現(xiàn)貨交易規(guī)則，所有可用機(jī)組必須在日前市場通過分段報(bào)價(jià)，將自己全部發(fā)電能力報(bào)入電力現(xiàn)貨市場，電網(wǎng)調(diào)度通過運(yùn)行安全約束機(jī)組組合(SCUC)和安全約束經(jīng)濟(jì)調(diào)度(SCED)算法，在考慮機(jī)組和電網(wǎng)的物理約束和安全的前提下，優(yōu)先調(diào)用最便宜的機(jī)組開機(jī)并使其在相對高的出力水平上運(yùn)行，直至滿足電力用戶的負(fù)荷需求。

　　

 

　　發(fā)電機(jī)組并不是在所有節(jié)點(diǎn)電價(jià)水平下開機(jī)都是有利可圖的，如果售電總收益(TR)不足以彌補(bǔ)發(fā)電變動成本(VC)時，從利潤最大化的角度考慮，停機(jī)對于發(fā)電企業(yè)更為合意。即，TR

　　在這里需要特別指出的是，部分省份的現(xiàn)貨試結(jié)算并未對空載成本進(jìn)行合理補(bǔ)償，這將導(dǎo)致成本較高的機(jī)組，尤其是邊際機(jī)組的售電收益可能無法補(bǔ)償所有的發(fā)電燃料成本。

　　根據(jù)現(xiàn)貨交易規(guī)則，發(fā)電企業(yè)并不能隨心所欲地決定機(jī)組是否開機(jī)，它是由電網(wǎng)調(diào)度根據(jù)安全約束機(jī)組組合(SCUC)算法決定的，發(fā)電企業(yè)能夠控制的只有自己的報(bào)價(jià)。我們假設(shè)機(jī)組的報(bào)價(jià)如果高于節(jié)點(diǎn)電價(jià)就不會中標(biāo)，如果機(jī)組最小技術(shù)出力都沒有中標(biāo)，就不會被列入機(jī)組組合(在不考慮安全約束的情況下確實(shí)如此)。

　　機(jī)組的第一段報(bào)價(jià)如果不低于該報(bào)價(jià)對應(yīng)出力水平的平均變動成本，我們就不用擔(dān)心在節(jié)點(diǎn)電價(jià)不足以彌補(bǔ)發(fā)電變動成本時開機(jī)，從而避免開機(jī)虧損。由于必開機(jī)組和以熱定電機(jī)組會被調(diào)度強(qiáng)制開機(jī)，因此報(bào)價(jià)時無須考慮此問題，當(dāng)其電能量收益不足以彌補(bǔ)變動成本時，交易中心會進(jìn)行成本補(bǔ)償。

　　在解決了機(jī)組如何通過報(bào)價(jià)決定是否開機(jī)后，我們繼續(xù)分析機(jī)組的整體報(bào)價(jià)應(yīng)該處于什么水平才有利于實(shí)現(xiàn)利潤最大化。由于市場處于完全競爭的水平，所有以實(shí)現(xiàn)利潤最大化為目的的理性發(fā)電企業(yè)，在P>AVC時會開機(jī);所有開機(jī)機(jī)組只要節(jié)點(diǎn)電價(jià)在其邊際成本之上(邊際效益大于零)，就有動機(jī)提升出力水平以增加利潤，直至邊際成本等于節(jié)點(diǎn)電價(jià)(邊際效益為零)或達(dá)到最大發(fā)電能力。換言之，邊際成本(MC)在平均變動曲線(AVC)之上的部分就是短期電力供應(yīng)曲線(如下圖所示)。當(dāng)電力負(fù)荷需求確定時，節(jié)點(diǎn)電價(jià)會基本等于邊際機(jī)組的邊際成本。

　　

 

　　與機(jī)組開機(jī)同理，根據(jù)現(xiàn)貨交易規(guī)則，發(fā)電企業(yè)并不能隨心所欲地決定機(jī)組的出力水平，它是由電網(wǎng)調(diào)度根據(jù)安全約束經(jīng)濟(jì)調(diào)度(SCED)算法決定的，發(fā)電企業(yè)能夠控制的只有自己的報(bào)價(jià)，且在日前市場報(bào)價(jià)時，我們既不知道機(jī)組所在節(jié)點(diǎn)的電力負(fù)荷需求，也不知道節(jié)點(diǎn)電價(jià)水平。這時我們最佳的報(bào)價(jià)策略應(yīng)假設(shè)自己可能成為邊際機(jī)組(實(shí)際上即使是發(fā)電成本處于較低水平的機(jī)組，在電力負(fù)荷需求較低時，一樣可能成為邊際機(jī)組)。

　　根據(jù)前文所述，機(jī)組的最佳出力點(diǎn)正是邊際成本曲線與節(jié)點(diǎn)電價(jià)相交處對應(yīng)的出力，而邊際機(jī)組的邊際成本曲線一定會和節(jié)點(diǎn)電價(jià)相交。假設(shè)機(jī)組的報(bào)價(jià)如果高于節(jié)點(diǎn)電價(jià)就不會中標(biāo)(在不考慮安全約束的情況下確實(shí)如此)，我們只需將機(jī)組邊際成本曲線進(jìn)行線性轉(zhuǎn)化，形成報(bào)價(jià)波段，就可基本實(shí)現(xiàn)在最佳出力點(diǎn)中標(biāo)(如下圖所示)。這是因?yàn)榘催呺H報(bào)價(jià)后，邊際成本高于節(jié)點(diǎn)電價(jià)的對應(yīng)出力不會中標(biāo)，而低于的部分將會全部中標(biāo)。

　　

 

　　如果機(jī)組的邊際成本遠(yuǎn)低于節(jié)點(diǎn)電價(jià)，換言之，其不是邊際機(jī)組，此時按邊際成本報(bào)價(jià)也不會損失利潤，因?yàn)樗袡C(jī)組在現(xiàn)貨市場進(jìn)行電費(fèi)結(jié)算時是統(tǒng)一按照均衡價(jià)格——節(jié)點(diǎn)電價(jià)進(jìn)行結(jié)算，而不是按照其報(bào)價(jià)結(jié)算。必開機(jī)組和以熱定電機(jī)組被強(qiáng)制中標(biāo)的出力所對應(yīng)的報(bào)價(jià)，并不參與價(jià)格優(yōu)化。

　　總而言之，發(fā)電企業(yè)按照機(jī)組邊際報(bào)價(jià)成本報(bào)價(jià)，是實(shí)現(xiàn)完全競爭市場中利潤最大化的最佳策略;這一策略同樣適用于非完全競爭市場中沒有市場力的發(fā)電企業(yè)。由于現(xiàn)貨市場的價(jià)格不確定性，發(fā)電企業(yè)如果希望提前鎖定收益，就需要在中長期市場進(jìn)行差價(jià)合約交易。

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