洞察美国电力市场：结构、交易与价格特征

期货研究报告|商品研究 专题报告 洞察美国电力市场：结构、交易与价格特征 2024年05月09日 电力市场研究专题报告 随着我国电力市场建设的稳步推进，多元、有序的交易体系已初步形成，并将继续深化。目前，电力期货已被纳入我国期货上市计划，作为战略储备品种，将在服务国家战略与实体经济方面扮演至关重要的角色。此外，电力市场建设与新能源发展亦存在千丝万缕的联系，并深刻影响工业品成本、能源转型节奏、以及实现碳中和目标等。为了深入跟踪与研究中国电力市场，为电力期货上市做好准备，我们将开展一系列专题研究。我们选择美国电力市场研究为首篇。作为全球较为成熟的电力市场之一，尤其是在可再生能源整合和电力期现货交易方面的实践，美国电力市场对我国电力市场的未来发展有一定的借鉴意义。 美国电力市场发展概览：美国电力市场经历了从垄断结构到解除管制的转型过程，形成了一个多元且分散的产业结构。市场参与者包括电力零售商、负载服务实体（LSE）、区域输电组织（RTO）、独立系统运营商（ISO）等。市场运作涵盖日前、实时市场，以及期货市场等，交易所会根据不同电力市场区域、高峰或非高峰时段以及不同的时间尺度等因素来设计电力合约。 研究员：颜正野 联系电话：075582763240 邮箱：yanzhengye@cmschina.com.cn执业资格号：Z0018271 美国发电与用电情况分析：发电方面，自19世纪末以来，美国电力产业经历了从水力发电到化石燃料发电的转变，而近年来可再生能源的占比显著增长。数据显示，尽管天然气和煤炭依旧是主要的发电来源，但得益于ITC、PTC 等激励政策和技术成本的下降，风能和太阳能的发展势头强劲。用电方面，电力消费与经济增长保持正相关关系。居民用电量显著受气候变化影响，而商业和工业部门用电量预计将随宏观经济发展而增长。 美国的电力市场是分区域性的，覆盖全国但不存在一个统一的全国市场。PJM作为最大的区域市场，积极推动需求侧响应，并加速新能源的接入效率以及优化输电规划来应对能源转型挑战。ERCOT独立运行，以风能发电为主，但在极端天气下显示出其系统的脆弱性。ISO-NE区域高度依赖天然气，六个州均实施可再生能源组合标准政策。NYISO负责纽约州的电力供应，较高的人 口密度需要完备的输电设施的配合。 美国电力市场的交易机制与电价情况：PJM市场实施日前市场和实时市场的两级结算机制，并采用节点边际电价（LMP）模型。区域性特点和政策调整 导致不同地区的电力定价结构具有显著差异，但都包括能源、容量、可再生能源组合标准（RPS）等部分。历史上，电力价格受经济、燃料成本和国际事件冲击等因素综合影响。未来电价走势或将受到极端天气及新兴因素共同影响而出现波动。 风险提示： 极端天气频发、地缘局势恶化、发电燃料成本高波动等 敬请阅读末页的重要声明 正文目录 一、美国电力市场发展概况5 （一）历史：美国电力改革的三次浪潮5 （二）参与者：多元、分散的产业主体6 （三）监管：从传统监管到解除管制7 （四）交易结构：从远期到日前到实时9 二、美国发电与用电情况分析11 （一）供给：发电侧动能切换，但化石燃料仍主导11 （二）需求：经济增长仍是驱动因素19 三、美国分区域电力市场概括21 （一）PJM：美国最大的电力市场，面临能源转型挑战21 （二）ERCOT：独立运行的电力市场，太阳能装机速度超过风能26 （三）ISO-NE：高度依赖天然气发电，增长的可再生能源投资28 （四）NYISO：大城市负荷中心，面临传输硬件条件的挑战29 四、美国电力市场交易机制及电价变化30 （一）以PJM为例的电力交易机制30 （二）区域特色和多元要素共同构建电力供应价格结构31 （三）美国电价历史回顾：能源成本波动主导33 图表目录 图1：加州太阳能发电高峰期造成的净负荷鸭子曲线（GW）6 图2：美国电网运行结构（非管制区域）7 图3：批发市场（供给侧）和零售市场（需求侧）8 图4：美国PJM辅助服务市场演变8 图5：以PJM为例的能源市场、辅助服务市场和容量市场9 图6：美国电力交易机制9 图7：北美电力产品期货合约成交量（份）10 图8：美国PJM电力市场交易流程图11 图9：美国主要能源发电历史格局：从煤炭主导到多元能源并行（TWh）12 图10：1950-2023年可再生能源发电量显著增长（TWh）12 图11：美国近十年太阳能月度发电量（TWh）13 图12：美国太阳能累计安装量（GWdc）13 图13：美国每年新增装机结构13 图14：美国太阳能光伏定价趋势（右轴-$/Watt）和装机量（GWdc）14 图15：美国近十年风力月度发电量（TWh）15 图16：美国近十年天然气月度发电量（TWh）15 图17：美国亨利中心天然气2004-2024年平均价格走势（美元/MBtu）16 图18：美国天然气生产及净进口情况（Bcf）16 图19：美国天然气消费情况（Bcf）16 图20：美国近十年煤炭月度发电量（TWh）16 图21：美国煤炭生产及净出口情况（千万短吨）17 图22：美国煤炭消费情况（千万短吨）17 图23：美国近十年核能月度发电量（TWh）17 图24：可运行核电容量（Mwe）18 图25：美国近十年水力月度发电量占比18 图26：美国近十年异常干旱情况占比（%）18 图27：美国不同能源发电量预期（TWh）19 图28：美国2024新增装机容量（GW）19 图29：美国用电量历史趋势（万亿千瓦时）20 图30：美国经济同比增速和用电量同比增速（%）20 图31：美国各行业用电消费占比变化20 图32：美国近十年采暖度日数20 图33：PJM的操作权限22 图34：美国PJM需求侧响应历史23 图35：DR注册客户负荷减少方法23 图36：DR注册业务板块23 图37：PJM容量市场中承诺的需求响应容量24 图38：PJM分燃料历史容量变化（MW）25 图39：计划中的PJM容量变化（MW）25 图40：按燃料类型划分的PJM排队容量25 图41：PJM互连区域每年新增高压（345kV+）输电线路里程26 图42：2023分燃料得克萨斯州发电情况（GWh）26 图43：2021年2月7号-18号Texas电力需求、生产情况（GW）27 图44：得克萨斯州每年电力容量（GW）27 图45：得克萨斯州每年太阳能装机情况（MW）27 图46：2023新英格兰地区发电量结构28 图47：六个州的可再生能源份额制RPS（%）28 图48：纽约州新输电项目29 图49：2000-2023年纽约州发电能源历史29 图50：PJM日前电力市场交易流程图31 图51：PJM实时电力市场交易流程图31 图52：PJM互连区域的电价组成部分占比32 图53：纽约地区的电价组成部分占比32 图54：1998年至2023年美国电力平均零售价格（分/千瓦时）33 图55：2023年美国批发电价34 图56：2024美国批发电价预测34 表1：美国电力市场改革历史文件6 表2：美国电力期货合约设计10 表3：EIA与ICE选定的枢纽和每日批发现货价格名称11 表4：美国国家层面可再生能源激励政策13 表5：美国投资税抵免政策（ITC）税收抵免变化14 表6：美国对本土光伏贸易保护措施14 表7：美国电力市场分地区概览21 表8：PJM的职能与限制22 表9：PJM的运营市场和服务22 表10：DR注册所有者/公司类型24 表11：ISO-NE区域的电价组成部分占比31 一、美国电力市场发展概况 从托马斯·爱迪生的珍珠街电站到塞缪尔·因萨尔塑造的受监管公用事业公司，以及20世纪末的纵向一体化垄断格局，美国电力行业在其初创的百年历程中，经历了技术和制度翻天覆地的革新。 （一）历史：美国电力改革的三次浪潮 在20世纪60年代，美国的电力供应几乎完全由垂直一体化的公用事业公司掌控，这些公司负责从发电到输配电直至消费者的整个流程。这种模式下，单一的公用事业公司在其服务区域内独占管理和运营输电设施的权利，形成了所谓的“传统监管”市场格局。 1.第一次改革浪潮：打破垄断、引入竞争 1978年，《公用事业监管政策法案》（PURPA）的颁布标志着美国电力行业首次向竞争机制转型。许多司法管辖区以两种形式引入竞争： 一是通过监管定价，促进了独立发电商之间的竞争，允许公用事业公司无需自行投资昂贵的发电设施，便能获取所需电力； 二是在多个州进行了行业重组，将发电、输电和配电业务分离，以激发市场竞争，使消费者能够通过市场途径获得成本更低的电力。 这一时期，市场逐步摒弃传统的垂直垄断模式，转而鼓励电力公司在更加自由化的环境中提供多样化的产品和服务，以降低成本。 2.第二次改革浪潮：追求经济效率、持续改进市场 2001年加州电力危机之后，市场设计者认识到电力市场设计是一个持续的过程，而非一次性的任务。随着计算能力的增强，以及对市场运作和需求的深入理解，市场设计者实施了一系列渐进式的改进措施。其中一个逐步改进的领域是市场的地理扩张，即利用邻近地区的互补燃料组合、负荷的短期多样性，以及日益增长的可再生能源输出。 以加州市场为例，加州午间时段的净负荷鸭子曲线凸显太阳能发电过剩现象，这导致电价下降，甚至出现负电价。邻近州可以优惠价格吸纳加州的过剩电力。这种市场现象促进加州ISO市场快速增长，其影响范围最终覆盖美国八个州及加拿大的不列颠哥伦比亚省，构筑起一个广泛的区域电力合作网络。 图1：加州太阳能发电高峰期造成的净负荷鸭子曲线（GW） 资料来源：EIA、招商期货 3.第三次改革浪潮：整合需求侧、可再生能源和分布式资源 美国在经历了前两次以电力基础设施拆分与私有化为核心的改革后，目前正处于第三次改革的关键时期，该改革不仅聚焦于实现环境目标，特别是通过发电过程的脱碳来应对全球变暖问题，而且还涵盖能源供应、存储和智能控制技术方面的突破性创新问题。 年份重要法案和命令 表1：美国电力市场改革历史文件 1978年《公用事业监管政策法案》(PURPA)：鼓励热电联产、整合可再生资源、增加发电竞争 1977年《能源部组织法》：联邦能源监管委员会(FERC)是一个独立机构，监管输电和批发电价 1992年《能源政策法案》：赋予FERC允许开放输电接入的权力 1996年888号命令：推广独立系统运营商(ISO)概念，为批发市场参与者建立竞争 2005年《能源政策法》：加强竞争性批发市场的框架 1999年2000号命令：明确鼓励公用事业公司加入区域输电组织(RTO) 2007年890号命令：改革了开放输电接入规则 2008年719号命令：改善运营储备短缺期间的需求响应 2011年745号命令：确保需求响应资源作为发电资源的替代方案，并按照能源市场的LMP向其支付费用 2011年1000号命令：监管委员会为大型输电项目提供新框架，重点关注可再生能源 2020年841号命令：消除分布式和用户侧储能参与电力市场的障碍 2020年2222号命令：更好地使分布式能源（DER）参与电力市场 2022年《通胀削减法案》：鼓励资本和私人企业开发和部署清洁能源技术 资料来源：公开资料整理、招商期货 （二）参与者：多元、分散的产业主体 美国电力供应涉及多个关键参与者，以发电、输电和配售电公司之间的市场份额较分散为特征。以下是对这些市场参与者角色和职责的简要梳理： 电力零售商：在电力市场放松管制的地区，电力零售商通过购买批发电力并向消费者销售来运营，通常不拥有配电基础设施。电力传输和配电通常仍由当地的垂直一 体化公用事业公司或配电公司负责，这些公司按照公共事业委员会（PUC）或类似 机构设定的价格向所有消费者提供服务，而电力零售商则提供供电合同。 负载服务实体（LSE）/当地配电公司：在特定地理区域内向最终用户销售和分发电力的公司。它们可能是垂直一体化电力公司的一部分，也可能是独立运营的实体，专注于配电和零售环节。 区域输电组织（RTO）和独立系统运营商（ISO）：