電力市場(chǎng)化過渡時(shí)期備用市場(chǎng)模式的探究

王若谷，楊曉峰，高 欣，戴立森，孫宏麗

（1.國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司電力科學(xué)研究院，西安 710100；2.南方電網(wǎng)超高壓輸電公司，廣州 510663）

0 引言

備用是為了保證可靠供電，電力調(diào)度交易機(jī)構(gòu)指定的發(fā)電機(jī)組通過預(yù)留發(fā)電容量而提供的服務(wù)[1]，是電力系統(tǒng)中一種典型的輔助服務(wù)。電力系統(tǒng)實(shí)際上就是靠預(yù)留足夠的備用容量來應(yīng)對(duì)可預(yù)見和不可預(yù)見的負(fù)荷變化，以提高供電可靠性。

隨著我國(guó)電力體制改革的不斷深入和發(fā)展，在電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)中引入競(jìng)爭(zhēng)、增加活力，本著公平、公正、公開的原則建立電力市場(chǎng)，已成為世界各國(guó)電力工業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)[2]。完整意義上的電力市場(chǎng)不僅包括發(fā)電主市場(chǎng)，而且包括輔助服務(wù)市場(chǎng)[3]。世界各國(guó)的電力工業(yè)都在進(jìn)行市場(chǎng)化改革，旋轉(zhuǎn)備用作為一種典型的輔助服務(wù)，在國(guó)外眾多電力市場(chǎng)中都被允許參與市場(chǎng)的公開競(jìng)價(jià)[4]。在我國(guó)對(duì)備用服務(wù)先后經(jīng)歷了不補(bǔ)償、定性補(bǔ)償，再到目前的基于成本的部分定量補(bǔ)償。備用作為一種特殊的商品已經(jīng)得到各方面的廣泛認(rèn)同。

目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)備用市場(chǎng)的研究較多。文獻(xiàn)[5]重點(diǎn)研究了國(guó)外電力備用市場(chǎng)的交易模型和交易規(guī)則；文獻(xiàn)[6]針對(duì)備用市場(chǎng)與電量市場(chǎng)協(xié)調(diào)等相關(guān)問題進(jìn)行研究，總結(jié)了電量市場(chǎng)與備用市場(chǎng)的交易決策方法；文獻(xiàn)[7]對(duì)備用市場(chǎng)最優(yōu)容量需求和競(jìng)價(jià)出清模型進(jìn)行深入探討，給出了基于Pool 結(jié)構(gòu)的備用市場(chǎng)競(jìng)價(jià)模型。文獻(xiàn)[8]提出了競(jìng)爭(zhēng)電力市場(chǎng)環(huán)境下的發(fā)電計(jì)劃，該方法考慮了發(fā)電機(jī)組的可靠性約束，在使用總庫(kù)結(jié)構(gòu)的同時(shí)結(jié)合了能源和輔助服務(wù)。但這些研究都集中在基于競(jìng)價(jià)性發(fā)電主市場(chǎng)形成的基礎(chǔ)之上，不符合我國(guó)電力系統(tǒng)實(shí)際。在我國(guó)發(fā)電主市場(chǎng)形成仍需時(shí)日的實(shí)際背景下，如何建立過渡時(shí)期的備用市場(chǎng)是必須關(guān)注的問題，然而國(guó)內(nèi)鮮有針對(duì)這一問題的相關(guān)研究。

本文首先對(duì)備用服務(wù)的分類、成本和需求分別進(jìn)行了分析，并闡述了備用市場(chǎng)化的進(jìn)程；進(jìn)而針對(duì)我國(guó)電力市場(chǎng)化改革過渡階段的備用市場(chǎng)模式進(jìn)行研究，并針對(duì)過渡階段的早期和后期分別提出2 種備用市場(chǎng)模式。本文所做的研究可為我國(guó)形成電力市場(chǎng)化過渡時(shí)期的備用市場(chǎng)提相應(yīng)的思路和支持。

1 備用的概述

1.1 備用的分類

目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)備用的各種分類方法本質(zhì)上都是基于其響應(yīng)速度和響應(yīng)時(shí)間。在電力市場(chǎng)環(huán)境下，備用傾向于按照如表1 所示的分類。

在“廠網(wǎng)分開，競(jìng)價(jià)上網(wǎng)”環(huán)境下，備用更傾向于按照下述方法分類：

（1）旋轉(zhuǎn)備用機(jī)組，可以在短時(shí)間（10 min）內(nèi)響應(yīng)調(diào)度需要，出力滿足系統(tǒng)需要。具體包括：已并網(wǎng)發(fā)電、但未帶滿負(fù)荷的火電或水電機(jī)組；維持全速運(yùn)行、隨時(shí)可以并網(wǎng)發(fā)電的火電機(jī)組。

（2）非旋轉(zhuǎn)備用機(jī)組，處于停機(jī)狀態(tài)，但短期內(nèi)可成為可調(diào)度機(jī)組。主要由水電機(jī)組構(gòu)成，也包括部分特殊機(jī)組如燃油、燃?xì)鈾C(jī)組等。

表1 備用的分類

（3）替代備用，啟動(dòng)時(shí)間比較長(zhǎng)，主要由火電機(jī)組構(gòu)成，這些機(jī)組未投入發(fā)電，但時(shí)刻準(zhǔn)備投入運(yùn)行。

1.2 備用的成本分析

市場(chǎng)環(huán)境下，機(jī)組提供備用服務(wù)的成本主要包括容量成本和機(jī)會(huì)成本。備用的容量成本是指機(jī)組提供備用服務(wù)所發(fā)生的機(jī)組各項(xiàng)固定費(fèi)用按容量的分?jǐn)偂溆玫臋C(jī)會(huì)成本是指承擔(dān)備用的發(fā)電機(jī)組因壓低出力運(yùn)行而犧牲的參與發(fā)電主市場(chǎng)獲利所造成的利潤(rùn)損失。一般而言，機(jī)會(huì)成本是備用的主要成本，是對(duì)備用進(jìn)行定價(jià)和補(bǔ)償是的主要考慮因素。備用的機(jī)會(huì)成本Copp可以通過式（1）求得：

式中：Bi′表示沒有提供備用時(shí)機(jī)組i 的電量收益；Bi表示機(jī)組i 提供備用后的電量收益。結(jié)合機(jī)組特性，可以進(jìn)一步得到各類機(jī)組具體的機(jī)會(huì)成本計(jì)算方法。如水電機(jī)組提供備用的機(jī)會(huì)成本可以通過文獻(xiàn)[9]中所述方法求得空耗水量后再折算為利潤(rùn)損失獲得。

1.3 備用容量需求的確定

1.3.1 確定性方法

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中，備用容量一般基于確定性的方法，取系統(tǒng)最大發(fā)電負(fù)荷的一定比例，但不小于系統(tǒng)中最大一臺(tái)機(jī)組的容量。如《電力系統(tǒng)技術(shù)導(dǎo)則》規(guī)定：“事故備用容量為系統(tǒng)最大發(fā)電負(fù)荷的10%左右，但不小于系統(tǒng)最大一臺(tái)機(jī)組的容量；負(fù)荷備用容量為最大發(fā)電負(fù)荷的2%～5%，低值適用于大系統(tǒng)，高值適用于小系統(tǒng)?！?/p>

這種方法確定備用容量需求十分簡(jiǎn)單，易于應(yīng)用，但僅僅是基于技術(shù)需求的經(jīng)驗(yàn)方法。

1.3.2 成本效益分析法

在電力市場(chǎng)環(huán)境下購(gòu)買備用的主要目的是提高系統(tǒng)的可靠性，滿足負(fù)荷的隨機(jī)需求。因此，在購(gòu)買備用時(shí)就需要同時(shí)考慮費(fèi)用及其提高可靠性所創(chuàng)造的效益[10]。合理的備用容量可以通過成本效益分析法[11]確定。

若定義綜合效益B 為：

式 中：ρvalue表示單位電量的停電損失；Qeens0和Qeens1分別表示購(gòu)買備用前、后系統(tǒng)的電量不足期望值；ρr表示購(gòu)買備用的市場(chǎng)出清價(jià)；R 表示備用需求容量。

式（2）中右端第一項(xiàng)表示購(gòu)買備用產(chǎn)生的可靠性效益，第二項(xiàng)表示購(gòu)買備用的成本，備用容量的確定應(yīng)以購(gòu)買備用綜合效益最大為目標(biāo)，這是一個(gè)簡(jiǎn)單的極值問題。實(shí)際上，當(dāng)備用的邊際成本恰好等于其所能實(shí)現(xiàn)的邊際效益時(shí)，該備用容量就是系統(tǒng)的最優(yōu)備用容量。

確定備用容量的成本效益分析方法更具有市場(chǎng)意義和理論支撐，但也存在以下缺點(diǎn)：該方法單獨(dú)存在并不能滿足系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的要求，尤其突發(fā)情況下不可能先行成本效益分析，必須與確定性方法有機(jī)結(jié)合；并且成本效益分析方法中ρvalue難以準(zhǔn)確確定。因此在我國(guó)過渡時(shí)期的備用市場(chǎng)設(shè)計(jì)中暫不推薦采用此方法，而是繼續(xù)采用簡(jiǎn)單有效的確定性方法來確定備用容量。

2 過渡時(shí)期我國(guó)的備用市場(chǎng)模式

2.1 備用市場(chǎng)化

一般而言，備用的獲取與定價(jià)一般基于以下幾種方式：無償提供、定性獎(jiǎng)懲、定量獎(jiǎng)懲、協(xié)商提供和競(jìng)爭(zhēng)獲取。其中前3 種都是在強(qiáng)制供方提供的基礎(chǔ)上采用的，而后2 種屬于市場(chǎng)的方法。

在我國(guó)電力工業(yè)改革前，由調(diào)度指定供方提供無償?shù)膫溆梅?wù)方式比較普遍，這種方法有失公平性。隨著廠網(wǎng)分開，發(fā)電企業(yè)作為獨(dú)立的企業(yè)存在，對(duì)備用的獲取先后采用了定性和定量獎(jiǎng)懲的方式，具有一定的進(jìn)步性。然而獎(jiǎng)懲的金額普遍低于提供備用成本，發(fā)電廠商的積極性不高，基本上還是建立在強(qiáng)制安排的基礎(chǔ)上；同時(shí)，由于發(fā)電企業(yè)作為獨(dú)立經(jīng)濟(jì)實(shí)體后，其發(fā)電廠的真實(shí)成本難以確認(rèn)，也給定量懲罰的實(shí)施帶來巨大的困難。

協(xié)商提供和競(jìng)爭(zhēng)提供的方式賦予發(fā)電廠商更多的自主權(quán)，使其能根據(jù)自身成本提出意愿價(jià)格。特別當(dāng)系統(tǒng)備用充裕時(shí)，建立競(jìng)爭(zhēng)的備用市場(chǎng)，通過市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制和價(jià)格杠桿激勵(lì)市場(chǎng)參與者提供備用，同時(shí)進(jìn)行全局優(yōu)化降低總的備用購(gòu)買成本，不失為一種較好的解決電力市場(chǎng)環(huán)境下的備用獲取和定價(jià)的方法。

目前，我國(guó)電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了“廠網(wǎng)分開，競(jìng)價(jià)上網(wǎng)”，但仍屬于管制性電力市場(chǎng)，電力市場(chǎng)化改革處于起步階段，競(jìng)爭(zhēng)性電力市場(chǎng)在我國(guó)形成尚需時(shí)日[12]。未來一段時(shí)期內(nèi)，我國(guó)電力市場(chǎng)將長(zhǎng)期處于管制性電力市場(chǎng)向競(jìng)爭(zhēng)性電力市場(chǎng)的過渡階段。本文針對(duì)我國(guó)電力市場(chǎng)化改革的過渡階段，提出了2 種備用市場(chǎng)模式，分別對(duì)應(yīng)于過渡階段的早期和后期。

2.2 模式一：基于上網(wǎng)電價(jià)的電能與備用聯(lián)合優(yōu)化的市場(chǎng)模式

模式一主要是針對(duì)在過渡時(shí)期的早期，即現(xiàn)階段。目前，我國(guó)競(jìng)價(jià)性的發(fā)電主市場(chǎng)還未形成，采用的是基于中長(zhǎng)期合同的上網(wǎng)電價(jià)形式[13]。這種背景下，不宜直接采用國(guó)外各類典型的競(jìng)爭(zhēng)性的備用市場(chǎng)模式。另一方面，備用市場(chǎng)與發(fā)電市場(chǎng)存在密切的耦合關(guān)系，市場(chǎng)模式下應(yīng)對(duì)其進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化[14]。

以下給出基于上網(wǎng)電價(jià)的電能與備用聯(lián)合優(yōu)化的市場(chǎng)模式策略：發(fā)電廠商上報(bào)其可投入的最大發(fā)電容量和其所能提供的最大備用容量，由調(diào)度按照購(gòu)買電能的總成本最小來進(jìn)行發(fā)電容量和備用容量的配置，并下發(fā)各發(fā)電廠商，各發(fā)電廠商按照調(diào)度要求進(jìn)行發(fā)電，并得到相應(yīng)的電能費(fèi)用和備用費(fèi)用。

用數(shù)學(xué)方法可表示為：

目標(biāo)函數(shù)：

約束條件：

（1）供需平衡約束

（2）備用需求約束

（3）機(jī)組容量約束

（4）機(jī)組出力約束

（5）備用能力約束

式（3）—（8）中：Pi和Ri為第i 臺(tái)機(jī)組中標(biāo)的出力容量和備用容量；ρi為第i 臺(tái)機(jī)組的上網(wǎng)電價(jià)；D 和DR分別為系統(tǒng)的發(fā)電容量需求和備用容量需求；Pimax為第i 臺(tái)機(jī)組的最大出力；Rimax為第i 臺(tái)機(jī)組所能提供的最大備用容量。

這是一個(gè)簡(jiǎn)單的線性規(guī)劃問題，常用的線性規(guī)劃軟件都可以對(duì)其求解，備用價(jià)格按照機(jī)組備用邊際成本獲得。

2.3 模式二：集中競(jìng)價(jià)市場(chǎng)上的電能與備用聯(lián)合優(yōu)化的市場(chǎng)模式

當(dāng)我國(guó)過渡時(shí)期的電力市場(chǎng)有一定發(fā)展，采用集中運(yùn)營(yíng)模式競(jìng)價(jià)上網(wǎng)（即進(jìn)入過渡階段后期）時(shí)，可采用以下策略建立聯(lián)合市場(chǎng)同時(shí)出清電能和備用。

發(fā)電廠商上報(bào)其可投入的最大發(fā)電容量和電能邊際成本，同時(shí)上報(bào)其所能提供的最大備用容量和備用邊際成本（其反映了機(jī)組部分載荷的效率損失，同時(shí)還包括提供備用服務(wù)可能要求的額外維護(hù)費(fèi)用），由調(diào)度按照電能與備用服務(wù)的總成本最小來進(jìn)行發(fā)電容量和備用容量的配置，并下發(fā)各發(fā)電廠商，各發(fā)電廠商按照調(diào)度要求進(jìn)行發(fā)電，相應(yīng)的電能和備用服務(wù)同時(shí)出清。

用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示時(shí)僅需對(duì)模式一中的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行修正，即：

式中：ρi′ 和PRi分別為第i 臺(tái)機(jī)組的電能報(bào)價(jià)和備用服務(wù)報(bào)價(jià)。

約束條件仍然采用模式一中的式（4）—（8），對(duì)其求解仍可采用線性規(guī)劃軟件進(jìn)行。

3 算例分析

3.1 按模式一進(jìn)行分析

現(xiàn)假設(shè)有一小型電力系統(tǒng)。它的電力需求量在300～720 MW 變化。為了在所有情況下都能保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定，備用需求數(shù)量為250 MW（為分析簡(jiǎn)便，假定系統(tǒng)只需要一種備用）。系統(tǒng)有4臺(tái)發(fā)電機(jī)組，對(duì)應(yīng)參數(shù)如表2 所示[15]。

表2 各機(jī)組的上網(wǎng)電價(jià)、最大出力與最大備用容量

按照式（3）—（8）建立數(shù)學(xué)優(yōu)化問題，并求解得到表3。

表3 不同負(fù)荷需求下優(yōu)化問題求解結(jié)果MW

當(dāng)負(fù)荷需求在300～420 MW 時(shí)，機(jī)組1 滿發(fā)，機(jī)組2 承擔(dān)剩余發(fā)電容量，最小備用需求的約束沒有產(chǎn)生效力，因?yàn)闄C(jī)組2、機(jī)組3 可提供的備用始終大于250 MW，故備用價(jià)格為0 元。

當(dāng)負(fù)荷需求在420～470 MW 時(shí)，機(jī)組1 滿發(fā)，機(jī)組2 承擔(dān)其需要承擔(dān)備用的最小值60 MW，剩余170 MW 生產(chǎn)電能，機(jī)組3 承擔(dān)剩余發(fā)電容量并提供190 MW 備用容量，以滿足系統(tǒng)備用需求約束。為得出備用服務(wù)的價(jià)格，需知道最后單位兆瓦備用來自哪臺(tái)機(jī)組。為此機(jī)組2 增加單位兆瓦備用，則其出力下降單位兆瓦，需由機(jī)組3 進(jìn)行補(bǔ)發(fā)，增加單位兆瓦備用的成本為ρ3-ρ2=3 元/MWh，這就是備用的市場(chǎng)價(jià)格。

當(dāng)負(fù)荷需求在470～720 MW 時(shí)，機(jī)組1 滿發(fā)，機(jī)組2 承擔(dān)170 MW 發(fā)電容量和60 MW 備用容量，機(jī)組3 承擔(dān)50 MW 發(fā)電容量和190 MW備用容量，機(jī)組4 提供剩余發(fā)電容量。此時(shí)增加單位兆瓦備用的成本為ρ4-ρ2=11 元/MWh，這就是備用的市場(chǎng)價(jià)格。

需要注意的是電能生產(chǎn)價(jià)格為各機(jī)組通過相關(guān)規(guī)定或合同約定的上網(wǎng)電價(jià)，在以上分析中并不變化。

以上分析結(jié)果如圖1 所示。

圖1 不同負(fù)荷需求下電能與備用價(jià)格關(guān)系

該模式中電能價(jià)格即為上網(wǎng)電價(jià)，各發(fā)電廠商無需上報(bào)電能電價(jià)和備用報(bào)價(jià)，這與現(xiàn)階段我國(guó)備用調(diào)用模式中發(fā)電廠商不需要報(bào)送電能和備用價(jià)格的策略相一致。通過目標(biāo)函數(shù)的計(jì)算得出的備用補(bǔ)償有一定合理性，各發(fā)電廠商受到公平對(duì)待，較積分考核獎(jiǎng)懲的辦法[16]有很大提高。

3.2 按模式二進(jìn)行分析

同樣以3.1 節(jié)的小型電力系統(tǒng)為例，只對(duì)其4 臺(tái)發(fā)電機(jī)組對(duì)應(yīng)參數(shù)作表4 所示的修改。

對(duì)其進(jìn)行類似模式一的分析可得結(jié)果如表5、表6 和圖2 所示。

表4 各機(jī)組的電能邊際成本、備用邊際成本、最大出力與最大備用容量

在該模式下，發(fā)電廠商除了上報(bào)最大發(fā)電容量和可提供的最大備用容量外，還需上報(bào)電能邊際成本和備用邊際成本，二者同時(shí)在聯(lián)合市場(chǎng)上出清。

與模式一不同的是，此時(shí)，電能價(jià)格不再是上網(wǎng)電價(jià)，而是在聯(lián)合市場(chǎng)上通過競(jìng)價(jià)出清；備用的邊際成本被考慮進(jìn)來，這樣對(duì)備用的補(bǔ)償更加合理，對(duì)各發(fā)電廠商更加公平、公正，市場(chǎng)化更加明顯。顯然該模式較模式一更具有市場(chǎng)化，同時(shí)用于備用補(bǔ)償?shù)馁M(fèi)用增加也是較為明顯的。同時(shí)，由于發(fā)電機(jī)功率和備用之和等于發(fā)電機(jī)容量，備用和電能量互為機(jī)會(huì)成本，相較于模式一以電能量為主導(dǎo)，模式二較模式一統(tǒng)籌考慮電能量和備用，相對(duì)更能反映備用的機(jī)會(huì)成本。

表5 不同負(fù)荷需求下優(yōu)化問題求解結(jié)果MW

表6 不同負(fù)荷需求下電能與備用價(jià)格

圖2 不同負(fù)荷需求下電能與備用價(jià)格關(guān)系

4 結(jié)語

本文在對(duì)備用成本、需求分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步介紹了國(guó)外備用市場(chǎng)，并結(jié)合我國(guó)電力市場(chǎng)化的實(shí)際進(jìn)程，針對(duì)我國(guó)競(jìng)爭(zhēng)性電力市場(chǎng)尚未成熟之前的過渡時(shí)期，提出了適用于不同階段的2種備用市場(chǎng)模式，能夠充分調(diào)動(dòng)發(fā)電廠商參與輔助服務(wù)的積極性，并能進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)輔助服務(wù)市場(chǎng)的建設(shè)。