電力市場(chǎng)中靈活性產(chǎn)品的設(shè)計(jì)及交易機(jī)制研究

王小?！↓R軍　姜希偉　劉譯陽(yáng)　徐飛　李偉

[摘 要]大量可再生能源的發(fā)電對(duì)于電力系統(tǒng)靈活性提出了更高的要求，為解決我國(guó)某些地區(qū)大量棄風(fēng)棄光、切負(fù)荷等現(xiàn)象，參照美國(guó)加州獨(dú)立運(yùn)行機(jī)構(gòu)提出的靈活調(diào)節(jié)產(chǎn)品（Flexible Ramping Product， FRP）設(shè)計(jì)符合我國(guó)電力市場(chǎng)特點(diǎn)的靈活調(diào)節(jié)產(chǎn)品交易機(jī)制。首先概述靈活性產(chǎn)品提出的必要性和國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，然后介紹靈活性產(chǎn)品的基本概念、與傳統(tǒng)負(fù)荷的區(qū)別;簡(jiǎn)述對(duì)靈活性產(chǎn)品的運(yùn)行機(jī)理和可提供靈活性產(chǎn)品的方式;接著根據(jù)算例對(duì)靈活性產(chǎn)品的定價(jià)過程進(jìn)行說明，并介紹了靈活性產(chǎn)品的出清價(jià)格和交易流程;最后對(duì)于靈活性產(chǎn)品仍需研究的方面進(jìn)行了總結(jié)。

[關(guān)鍵詞]電力市場(chǎng);靈活性產(chǎn)品;輔助服務(wù)

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2020.05.065

2015年，隨著國(guó)務(wù)院9號(hào)文的頒布，在習(xí)總書記提出的能源革命和電力行業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展的大背景下，新一輪電力體制改革試點(diǎn)工作在全國(guó)迅速鋪開。如何踐行9號(hào)文件的電力改革方向，實(shí)現(xiàn)更加靈活的電力系統(tǒng)調(diào)度、運(yùn)行方式，并且吸納和充分利用更多的靈活性資源，使電網(wǎng)更加靈活，從根本上保障可再生能源優(yōu)先上網(wǎng)和全額收購(gòu)，是當(dāng)前社會(huì)各界關(guān)注的焦點(diǎn)。

目前我國(guó)電力系統(tǒng)靈活性供給與需求不平衡導(dǎo)致大量清潔能源的浪費(fèi)。以棄風(fēng)為例，2017年我國(guó)棄風(fēng)電量達(dá)到419億千瓦時(shí)，其中內(nèi)蒙古地區(qū)棄風(fēng)達(dá)到95億千瓦時(shí)，2017年盡管我國(guó)棄風(fēng)率同比下降 6.7 個(gè)百分點(diǎn)，但離國(guó)家規(guī)劃的2020年棄風(fēng)率達(dá)到 5%的目標(biāo)還有很大距離，因此如何實(shí)現(xiàn)靈活性資源的充分利用和協(xié)調(diào)運(yùn)行已然成為電力企業(yè)亟須改善的問題。因此，在我國(guó)電力市場(chǎng)化改革的大背景下研究靈活性調(diào)節(jié)產(chǎn)品，不僅能夠極大地激發(fā)靈活性資源參與提升電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力的積極性，而且對(duì)于解決電網(wǎng)靈活性不足，提高電網(wǎng)安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重大現(xiàn)實(shí)意義。

由于我國(guó)新型能源的使用導(dǎo)致用電負(fù)荷變化波動(dòng)較大，傳統(tǒng)輔助服務(wù)如調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)壓以及備用等對(duì)于提高電力系統(tǒng)靈活性有著積極的影響，但新能源發(fā)電具有隨機(jī)性和不穩(wěn)定性，系統(tǒng)實(shí)際負(fù)荷與新能源出力之差，即凈負(fù)荷值波動(dòng)較大，因此本文提出了一種靈活性產(chǎn)品來應(yīng)對(duì)更高的電力系統(tǒng)靈活性要求。

目前國(guó)外對(duì)于靈活調(diào)節(jié)產(chǎn)品的關(guān)注較為普遍，尤其是美國(guó)。美國(guó)加州獨(dú)立運(yùn)行機(jī)構(gòu)已經(jīng)依據(jù)當(dāng)?shù)仉娏κ袌?chǎng)情況提出了一種靈活性產(chǎn)品。我國(guó)可再生能源發(fā)電率較低，對(duì)于靈活性產(chǎn)品的發(fā)展仍處于探索階段。但目前我國(guó)某些地區(qū)棄風(fēng)棄光等現(xiàn)象較為嚴(yán)重，靈活性產(chǎn)品對(duì)于改善此類現(xiàn)象提供了有效途徑，因此靈活性產(chǎn)品是目前需要研究的一項(xiàng)課題。在上述背景下，本文分析引入靈活性產(chǎn)品的必要性，概述其與傳統(tǒng)輔助服務(wù)的區(qū)別，重點(diǎn)研究產(chǎn)品的調(diào)用方式以及產(chǎn)品的定價(jià)和出清方式，并對(duì)有待研究的問題進(jìn)行探討。

1 靈活性產(chǎn)品的含義

1.1 靈活性產(chǎn)品的含義及其發(fā)展

靈活調(diào)節(jié)產(chǎn)品（FRP）是一種新的市場(chǎng)產(chǎn)品，其主要用于提高實(shí)時(shí)調(diào)度中的系統(tǒng)運(yùn)行靈活性，以減輕含間歇性可再生能源發(fā)電滲透率較高的電力系統(tǒng)在維持實(shí)時(shí)平衡時(shí)所面臨的壓力。靈活性產(chǎn)品可以提供的調(diào)節(jié)容量是指在需求響應(yīng)時(shí)間內(nèi)，即5～15分鐘內(nèi)，為了滿足系統(tǒng)凈負(fù)荷的變化情況而提供的爬坡或者滑坡能力。靈活性產(chǎn)品可以為系統(tǒng)提供上行調(diào)節(jié)能力和下行調(diào)節(jié)能力，為系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)調(diào)度能力，對(duì)于可再生能源出力的不確定提高較高的靈活性。當(dāng)面對(duì)系統(tǒng)凈負(fù)荷波動(dòng)時(shí)，首先可以進(jìn)行短期負(fù)荷預(yù)測(cè)，其次在可再生能源發(fā)電特性的同時(shí)，確定系統(tǒng)所需爬坡或滑坡能力，最后向具有資質(zhì)的靈活性產(chǎn)品供應(yīng)商處購(gòu)買合適的靈活性產(chǎn)品。

2011年，美國(guó)加州獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)構(gòu)在面對(duì)靈活調(diào)節(jié)能力問題時(shí)首次提出靈活調(diào)節(jié)產(chǎn)品的雛形——“靈活爬坡約束”（Flexible Ramping Constraints，F(xiàn)RC）。FRC的提出是為了確保實(shí)時(shí)機(jī)組在未來15分鐘內(nèi)具有一定的爬坡能力，即只有上行調(diào)節(jié)能力，因此只能部分地解決靈活調(diào)節(jié)需求不足的問題。為了全面解決靈活調(diào)節(jié)需求，2016年11月1日，美國(guó)加州獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)構(gòu)正式將FRP作為一種新型交易產(chǎn)品進(jìn)入電力市場(chǎng)，從此靈活性產(chǎn)品成為一個(gè)新的輔助服務(wù)產(chǎn)品。

1.2 靈活性產(chǎn)品與傳統(tǒng)輔助服務(wù)的區(qū)別

靈活性產(chǎn)品與傳統(tǒng)輔助服務(wù)都可以提高電力系統(tǒng)運(yùn)行靈活性，但它們的目的、定義、調(diào)度過程、需求確定方式以及價(jià)格確定方式各不相同。下面?zhèn)鹘y(tǒng)輔助服務(wù)以調(diào)頻和備用為例，三者之間的主要區(qū)別如表1所示。

2 靈活性產(chǎn)品的設(shè)計(jì)

2.1 靈活性產(chǎn)品的價(jià)值形成機(jī)理

為了提高電力系統(tǒng)的靈活性，F(xiàn)RP首先預(yù)留一部分靈活性容量，對(duì)實(shí)時(shí)調(diào)度時(shí)下一時(shí)段可能出現(xiàn)的凈負(fù)荷變動(dòng)進(jìn)行應(yīng)對(duì)，滿足變動(dòng)引起的系統(tǒng)爬坡或者滑坡需求，即靈活調(diào)節(jié)產(chǎn)品的上行和下行。當(dāng)靈活調(diào)節(jié)產(chǎn)品預(yù)留出足夠的上行和下行靈活調(diào)節(jié)容量后，通過發(fā)電再調(diào)度發(fā)揮可控發(fā)電資源跟蹤凈負(fù)荷變動(dòng)的能力，提升具有高滲透率間歇性可再生能源發(fā)電的能力，從而提高電力系統(tǒng)的運(yùn)行靈活性，有效緩解因爬坡或滑坡能力不足而造成的棄風(fēng)、棄光以及切負(fù)荷問題。

2.2 靈活產(chǎn)品的供給

目前的電力系統(tǒng)調(diào)度中，靈活調(diào)節(jié)容量主要由傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組提供，也有少部分風(fēng)電、電動(dòng)汽車以及電暖器等提供靈活調(diào)節(jié)產(chǎn)品。可再生能源中，如風(fēng)能可以為靈活調(diào)節(jié)產(chǎn)品提供下行靈活調(diào)節(jié)能力，即滑坡能力;需求側(cè)可以通過降低負(fù)荷從而提供上行靈活調(diào)節(jié)能;長(zhǎng)期儲(chǔ)能資源由于其本身特性，既可以作為電源產(chǎn)生負(fù)荷，也可以作為消耗電能，因此可以提供上行或下行靈活調(diào)節(jié)能力;短期儲(chǔ)能資源不能長(zhǎng)期儲(chǔ)存能量，因此不適合提供靈活調(diào)節(jié)能力?？梢蕴峁╈`活調(diào)節(jié)容量的資源如表2所示。

2.3 靈活性產(chǎn)品的需求

靈活性產(chǎn)品主要是由下一時(shí)段系統(tǒng)凈需求確定的。一是系統(tǒng)下一個(gè)時(shí)段的凈負(fù)荷相較當(dāng)前時(shí)段變化量，即預(yù)測(cè)負(fù)荷波動(dòng);二是為了滿足系統(tǒng)凈負(fù)荷預(yù)測(cè)一定置信區(qū)間（如95%）內(nèi)的偏差而產(chǎn)生的需求量。靈活性產(chǎn)品的組成公式如下：

3 靈活產(chǎn)品的出清價(jià)格及交易機(jī)制

3.1 靈活調(diào)節(jié)產(chǎn)品的出清價(jià)格及形成過程

在靈活調(diào)節(jié)產(chǎn)品供需服務(wù)相關(guān)費(fèi)用的市場(chǎng)主體之間，并不存在明顯的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。需要市場(chǎng)主體對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行不確定性貢獻(xiàn)程度進(jìn)行費(fèi)用分配。因此其價(jià)格由機(jī)會(huì)成本決定，這里的機(jī)會(huì)成本指參與者由于提供靈活調(diào)節(jié)容量而不能提供能量所損失的收益。即機(jī)會(huì)成本就是該時(shí)段能量市場(chǎng)上邊際出清價(jià)格。當(dāng)某一靈活性資源被調(diào)用時(shí)，無論FRUs和FRDs出清價(jià)格都是該時(shí)段實(shí)時(shí)電價(jià)。因此，靈活性產(chǎn)品交易中不需要提前報(bào)價(jià)，只要提供其調(diào)節(jié)容量。

假設(shè)市場(chǎng)上有六位參與者可提供上行靈活調(diào)節(jié)能力，其能量報(bào)價(jià)和機(jī)會(huì)成本如表3所示。假設(shè)參與者1為能量市場(chǎng)的邊際出清單元，其能量統(tǒng)一出清價(jià)格為3$/MWh，機(jī)會(huì)成本等于能量報(bào)價(jià)與能量統(tǒng)一出清價(jià)格之差。由于參與者2至參與者6為了提供靈活調(diào)節(jié)能力而預(yù)留部分靈活調(diào)節(jié)容量，且參與者2至參與者6的能量報(bào)價(jià)比參與者1的低，因此應(yīng)該給這五位參與者提供一定的補(bǔ)償，保證他們不會(huì)因?yàn)樘峁╈`活調(diào)節(jié)產(chǎn)品而損失利益。

以上述六位參與者為例，靈活調(diào)節(jié)產(chǎn)品的定價(jià)過程如圖1所示，當(dāng)系統(tǒng)所需爬坡能力小于等于20MW時(shí)，參與者1即可提供足夠的上行靈活調(diào)節(jié)能力，因此靈活調(diào)節(jié)產(chǎn)品價(jià)格為0。當(dāng)系統(tǒng)所需爬坡能力大于20MW小于等于30MW時(shí)，參與者2為邊際單元，產(chǎn)品價(jià)格為2.5$/MWh。參與者3至參與者5的情況以此類推。價(jià)格閾值為10$/MWh，即當(dāng)系統(tǒng)所需爬坡能力超過60MW時(shí)，由于參與者6的機(jī)會(huì)成本高于10$/MWh，假設(shè)系統(tǒng)仍需爬坡能力，參與者6也不會(huì)提供靈活調(diào)節(jié)產(chǎn)品。

圖1 靈活調(diào)節(jié)產(chǎn)品的需求曲線

3.2 靈活調(diào)節(jié)產(chǎn)品的交易機(jī)制流程

首先由電力交易機(jī)構(gòu)公布靈活性需求，靈活性產(chǎn)品主體以在能量市場(chǎng)、調(diào)頻市場(chǎng)及靈活調(diào)節(jié)產(chǎn)品最優(yōu)決策上報(bào)15min靈活調(diào)節(jié)產(chǎn)品申報(bào)容量。電力調(diào)度機(jī)構(gòu)按各靈活調(diào)節(jié)產(chǎn)品需求，能量市場(chǎng)出清價(jià)格對(duì)靈活性資源調(diào)用容量聯(lián)合出清，并向各參與主體公開發(fā)布。電力調(diào)度機(jī)構(gòu)按照參與靈活性產(chǎn)品容量交易的主體被調(diào)用的靈活調(diào)節(jié)容量進(jìn)行調(diào)度，計(jì)算調(diào)用費(fèi)用及分?jǐn)偨Y(jié)果。交易機(jī)構(gòu)按照當(dāng)日單位統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)實(shí)際發(fā)生補(bǔ)償金額進(jìn)行結(jié)算。財(cái)務(wù)部門依據(jù)靈活調(diào)節(jié)產(chǎn)品補(bǔ)償辦法兌現(xiàn)當(dāng)月補(bǔ)償金。

4 結(jié)論

本文從當(dāng)前電力市場(chǎng)清潔能源消納的問題出發(fā)，為提高電力系統(tǒng)靈活性，使清潔能源得到充分利用，定義了靈活調(diào)節(jié)產(chǎn)品，介紹了其與傳統(tǒng)輔助服務(wù)的區(qū)別，總結(jié)了靈活調(diào)節(jié)產(chǎn)品的運(yùn)行機(jī)理、可提供靈活調(diào)節(jié)的產(chǎn)品、定價(jià)過程、出清價(jià)格、交易機(jī)制等多個(gè)方面。目前我國(guó)靈活調(diào)節(jié)產(chǎn)品的應(yīng)用仍處于初期，現(xiàn)有研究也處于理論階段。未來仍需研究如何在市場(chǎng)中引入靈活調(diào)節(jié)產(chǎn)品，并且根據(jù)不同地區(qū)的市場(chǎng)特征設(shè)計(jì)合理的交易機(jī)制和補(bǔ)償價(jià)格，并且對(duì)靈活調(diào)節(jié)產(chǎn)品的成本及報(bào)價(jià)策略進(jìn)行深入探討。

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[作者簡(jiǎn)介]王小海（1968—）， 男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：電力系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行;齊軍（1979—）， 男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。