在美國(guó)中西部市場(chǎng)上靈活爬坡產(chǎn)品的應(yīng)用及對(duì)我國(guó)電網(wǎng)的啟示

李偉 羅楊琴

[摘 要]隨著資源日益短缺和氣候變化帶來(lái)的嚴(yán)峻考驗(yàn)，高比例清潔能源接入電網(wǎng)是一個(gè)必然的趨勢(shì)。清潔能源的接入給電網(wǎng)的安全運(yùn)行帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)，這對(duì)電網(wǎng)的靈活性有了更高的需求。因此，全球各國(guó)和地區(qū)為了應(yīng)對(duì)此問(wèn)題分別提出了一些措施，文章首先選取美國(guó)中西部獨(dú)立運(yùn)行機(jī)構(gòu)市場(chǎng)上的電網(wǎng)靈活性爬坡能力產(chǎn)品進(jìn)行討論，美國(guó)中西部獨(dú)立運(yùn)行機(jī)構(gòu)提出了靈活爬坡能力產(chǎn)品來(lái)保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。首先介紹爬坡能力產(chǎn)品的概念、對(duì)比分析了它與調(diào)頻和備用的區(qū)別，說(shuō)明引入爬坡能力產(chǎn)品的必要性和經(jīng)濟(jì)性，然后介紹MISO市場(chǎng)上RCP的市場(chǎng)交易機(jī)制設(shè)計(jì)和實(shí)施效果，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)電力市場(chǎng)的情況對(duì)RCP的交易機(jī)制研究提出建議和思考。

[關(guān)鍵詞]高比例清潔能源;爬坡能力產(chǎn)品（RCP）;交易機(jī)制設(shè)計(jì);中西部電力市場(chǎng)（MISO市場(chǎng)）

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2021.14.010

伴隨著全球氣候變化、能源日漸匱乏，發(fā)展清潔能源是一個(gè)必然的趨勢(shì)。歐洲[1]、美國(guó)[2]和中國(guó)[3]分別提出了2050年實(shí)現(xiàn)清潔能源占能源比率100%、80%、60%的目標(biāo)。2015年國(guó)際能源署發(fā)布新能源報(bào)告[4]預(yù)計(jì)：到2020年在世界范圍內(nèi)將會(huì)大力建設(shè)可再生能源機(jī)組，初步估計(jì)屆時(shí)會(huì)有大約700GW機(jī)組裝機(jī)。根據(jù)美國(guó)加州能源委員會(huì)的報(bào)告看出：美國(guó)政府計(jì)劃在2030年前，實(shí)現(xiàn)加州地區(qū)清潔能源發(fā)電量占比超過(guò)年發(fā)電總量的1/2[5]。根據(jù)我國(guó)“十三五”電力發(fā)展計(jì)劃，本國(guó)的非化石能源裝機(jī)比重、風(fēng)力發(fā)電年均增速和光伏發(fā)電年均增速，分別在2020年達(dá)到39%、9.7%和21.1%[6]。

為了應(yīng)對(duì)能源日益缺乏帶來(lái)的嚴(yán)峻考驗(yàn)，傳統(tǒng)以火電發(fā)電的電力系統(tǒng)正在向清潔能源發(fā)電轉(zhuǎn)變，風(fēng)能、光伏等清潔能源大規(guī)模利用，推動(dòng)了能源清潔化、低碳化、智能化發(fā)展，這改變了以常規(guī)火電、水電機(jī)組作為主動(dòng)調(diào)節(jié)資源的電網(wǎng)運(yùn)行方式。

雖然清潔能源無(wú)污染，但是天氣因素對(duì)它的影響很大，進(jìn)而會(huì)出現(xiàn)較為嚴(yán)重的間歇性、波動(dòng)性與無(wú)法預(yù)測(cè)性，并且用戶(hù)的用電行為轉(zhuǎn)變較大，這就使我國(guó)的電力系統(tǒng)出現(xiàn)相當(dāng)大的波動(dòng)性。因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)想要系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行，這就需要當(dāng)前的電力系統(tǒng)具備一定的響應(yīng)和應(yīng)變能力。

1 靈活性爬坡能力產(chǎn)品提出的必要性

1.1 爬坡能力產(chǎn)品的提出和發(fā)展歷史

美國(guó)的加州電力市場(chǎng)[7]（California Independent System Operator，CAISO）先是在2011年提出了靈活爬坡約束（Flexible Ramping Constraints，F(xiàn)RC），經(jīng)過(guò)應(yīng)用和整改，在2016 年 11 月1日正式啟動(dòng)了靈活性爬坡產(chǎn)品（Flexible Ramping Product，F(xiàn)RP）的交易[8]。美國(guó)的紐約電力市場(chǎng)[9]對(duì)靈活性爬坡產(chǎn)品的市場(chǎng)模式正在進(jìn)行部分考察和探討。中西部電力市場(chǎng)[10]（Midwest Independent System Transmission Operator，MISO）則提出了爬坡能力產(chǎn)品（Ramp Capability Product，RCP），對(duì)它的應(yīng)用和探索還在不斷地完善之中。

英國(guó)[11]為面對(duì)一些能源短缺的緊急情況，要求打開(kāi)靈活調(diào)節(jié)產(chǎn)品（Demand Turn Up，DTU），該國(guó)市場(chǎng)更在意靈活性資源參與市場(chǎng)之后展現(xiàn)的靈活性，在改善當(dāng)?shù)氐碾娏κ袌?chǎng)中制定了DTU，當(dāng)出現(xiàn)清潔能源出力過(guò)剩時(shí)，電力系統(tǒng)可以自由調(diào)整自身需求或者直接調(diào)低清潔能源出力，改善系統(tǒng)出現(xiàn)爬坡不足時(shí)的狀況。

德國(guó)[12]在2014年，在日內(nèi)市場(chǎng)中引入15min合約拍賣(mài)，通過(guò)對(duì)目前的靈活性爬坡能力進(jìn)行交易的方式，同時(shí)調(diào)整日前小時(shí)合約拍賣(mài)的成交結(jié)果，進(jìn)而使系統(tǒng)操作員在調(diào)度前一天平衡需求難以把控的局面變得更加穩(wěn)定。

目前，歐洲[13]國(guó)家也在大力發(fā)展地方電力市場(chǎng)，讓分布式能源在電力需求和生產(chǎn)方面為系統(tǒng)操作員提供了靈活性爬坡能力，通過(guò)調(diào)節(jié)電力市場(chǎng)的方式降低了電力系統(tǒng)遠(yuǎn)距離輸電的壓力。

1.2 爬坡能力產(chǎn)品的概念

爬坡能力產(chǎn)品是一種通過(guò)預(yù)先儲(chǔ)存一定的靈活性容量，進(jìn)而滿(mǎn)足系統(tǒng)中潛在的爬坡/滑坡需求的市場(chǎng)產(chǎn)品，調(diào)度運(yùn)營(yíng)機(jī)構(gòu)可以應(yīng)用RCP對(duì)下一時(shí)段可能出現(xiàn)的凈負(fù)荷變動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)控，并且為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定、安全運(yùn)行提供了保障。

RCP能夠幫助電力系統(tǒng)消納風(fēng)能、光伏等高比例間歇性清潔能源，同時(shí)因系統(tǒng)的爬坡/滑坡能力不足，從而造成的切負(fù)荷問(wèn)題可以起到調(diào)節(jié)緩沖作用。

1.3 靈活爬坡能力與傳統(tǒng)輔助服務(wù)的區(qū)別

FRP：?jiǎn)挝粸镸W/min，擁有向上或下的調(diào)節(jié)能力，通過(guò)提前預(yù)留為應(yīng)對(duì)下一時(shí)段的凈負(fù)荷波動(dòng)和不確定性，價(jià)格較低，且所有可調(diào)度資源都能參與。

調(diào)頻：?jiǎn)挝粸镸W，也擁有向上或下的調(diào)節(jié)能力，通過(guò)AGC信號(hào)為應(yīng)對(duì)實(shí)際和預(yù)測(cè)凈負(fù)荷的偏差，價(jià)格很高，部分資源可參與。

備用：?jiǎn)挝粸镸W，只有向上調(diào)節(jié)能力，偶然事件下被激發(fā)為應(yīng)對(duì)機(jī)組或傳輸資源突然故障，價(jià)格較高，部分資源可參與。

2 靈活性爬坡能力的應(yīng)用

2.1 美國(guó)電力市場(chǎng)靈活性爬坡能力的市場(chǎng)設(shè)計(jì)

從1990年以來(lái)，美國(guó)的用電需求猛增了1/4，獨(dú)立發(fā)電商加入電網(wǎng)使每年發(fā)電量增加了700億度。但是，美國(guó)電網(wǎng)的改造和建設(shè)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于電力需求和發(fā)電容量增長(zhǎng)的速度，對(duì)電力系統(tǒng)安全運(yùn)營(yíng)構(gòu)成威脅，因此停電現(xiàn)象頻繁。所以，MISO提出了RCP，MISO是一個(gè)獨(dú)立的非營(yíng)利組織，為美國(guó)15個(gè)州和加拿大曼尼托巴省提供安全，具有成本效益的電力。MISO運(yùn)營(yíng)著全球最大的能源市場(chǎng)之一，其年度能源市場(chǎng)總交易額超過(guò)290億美元。目前，MISO市場(chǎng)上風(fēng)電日發(fā)電量約為12639MW，占總發(fā)電量的21.79%。

第一，需求的確定。在實(shí)時(shí)調(diào)度中，系統(tǒng)的靈活性需求由10min后的需求變化量所決定，系統(tǒng)需要向上、向下的爬坡、滑坡能力來(lái)滿(mǎn)足系統(tǒng)的靈活性需求。系統(tǒng)的需求包括預(yù)測(cè)負(fù)荷波動(dòng)和不確定需求，即系統(tǒng)凈負(fù)荷對(duì)比當(dāng)前時(shí)段在下一時(shí)段的增加量和在一定置信區(qū)間內(nèi)對(duì)系統(tǒng)凈負(fù)荷預(yù)測(cè)估計(jì)偏差所產(chǎn)生的需求量。

第二，參與的資源。MISO一個(gè)相對(duì)比較保守的市場(chǎng)，在自動(dòng)發(fā)電控制的所有市場(chǎng)階段開(kāi)展RCP交易，來(lái)保證RCP能夠及時(shí)、充足的滿(mǎn)足系統(tǒng)的靈活性需求。MISO禁止需求響應(yīng)和儲(chǔ)能參與市場(chǎng)提供RCP。

第三，時(shí)間尺度。在MISO市場(chǎng)上，RCP開(kāi)展日前和5min實(shí)時(shí)調(diào)度時(shí)間尺度的交易。

第四，定價(jià)和出清方式。目前MISO的價(jià)格閾值為$5/（MW·h），使用單段定價(jià)的需求曲線(xiàn)。RCP是指為提供RCP的機(jī)會(huì)成本，RCP也可與能量、輔助同時(shí)出清，當(dāng)出現(xiàn)電力系統(tǒng)爬坡資源不足的情況時(shí)，可以通過(guò)爬坡能力的需求曲線(xiàn)來(lái)進(jìn)行定價(jià)，被調(diào)用的RCP同時(shí)得到補(bǔ)償費(fèi)用和能力費(fèi)用。

第五，成本分?jǐn)??？紤]到現(xiàn)在還不明確不確定性資源承擔(dān)相關(guān)輔助費(fèi)用的成本分?jǐn)偡绞绞欠駮?huì)導(dǎo)致RCP需求的相關(guān)交易減少，所以MISO仍然采用的是由負(fù)荷和外送電商承擔(dān)RCP費(fèi)用的傳統(tǒng)的成本分?jǐn)倷C(jī)制。

2.2 算例分析

以?xún)蓹C(jī)組為算例介紹靈活性爬坡能力引入的必要性，機(jī)組參數(shù)如下：機(jī)組A、B最大出力均為100MW;最小出力均為20MW;爬坡速率分別為1MW/min、2MW/min;報(bào)價(jià)分別為$28、$29。

假設(shè)T0時(shí)刻實(shí)際凈負(fù)荷為130 MW，T1時(shí)刻預(yù)測(cè)凈負(fù)荷為150 MW，清潔能源的不確定性為5 MW，T0到T10靈活性爬坡能力需求為25 MW（即T10凈負(fù)荷預(yù)測(cè)值、清潔能源不確定性的和減去T0凈負(fù)荷實(shí)際值）。以總成本最小，10min為時(shí)間間隔，對(duì)比考慮和不考慮T0到T1的靈活性爬坡能力需求的優(yōu)化結(jié)果。不考慮RCP的優(yōu)化調(diào)度見(jiàn)表1。

如表2所示，當(dāng)考慮RCP時(shí)，在T0時(shí)刻，機(jī)組 A 出力95MW，預(yù)留向上的爬坡容量為5MW，機(jī)組B此時(shí)出力35MW，按$29進(jìn)行出清，機(jī)組A和機(jī)組B在10 min 內(nèi)，分別能提供的向上爬坡容量為5MW、20MW，假設(shè)T1時(shí)刻清潔能源少發(fā)5MW，此時(shí)向上爬坡能力充足，不會(huì)導(dǎo)致切負(fù)荷。且機(jī)組A和機(jī)組B能夠提供40MW的向下爬坡能力，不會(huì)導(dǎo)致棄風(fēng)。

RCP的價(jià)格是由機(jī)會(huì)成本所決定的，即機(jī)組A為了提供5MW的RCP而在能量市場(chǎng)上損失的收益，機(jī)組A的能量報(bào)價(jià)為$28/（MW·h），而能量的出清電價(jià)為$29/（MW·h），機(jī)組A降低1MW出力就會(huì)損失$1，那么RCP的出清價(jià)格為$1/（MW·h）。

2.3 靈活爬坡能力的實(shí)施效果

在MISO市場(chǎng)，RCP應(yīng)用之后取得的效果如下。

第一，因系統(tǒng)爬坡能力不足發(fā)生的尖峰電價(jià)與發(fā)生的頻率、實(shí)時(shí)電價(jià)波動(dòng)差、日前實(shí)時(shí)價(jià)格、平均實(shí)時(shí)電價(jià)都有所降低，即使有時(shí)會(huì)因調(diào)用RCP導(dǎo)致電價(jià)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但實(shí)時(shí)電價(jià)還是呈現(xiàn)總體下降的情況。

第二，年度生產(chǎn)成本降低，主要原因包括：一是RCP的需求曲線(xiàn)定價(jià)為$5/（MW·h），比備用的需求曲線(xiàn)價(jià)格低，由于RCP的使用減少了調(diào)用備用容量，從而減少了對(duì)備用的需求成本;二是RCP的使用不需要在缺少調(diào)節(jié)能力時(shí)啟用昂貴的機(jī)組和設(shè)備，進(jìn)而減少了生產(chǎn)成本。

第三，95%～97%的靈活性資源參與市場(chǎng)提供RCP的積極性。

3 RCP的應(yīng)用對(duì)我國(guó)電力市場(chǎng)建設(shè)的思考

3.1 時(shí)間尺度和交易市場(chǎng)的選擇

RCP交易的時(shí)間尺度在MISO和CAISO市場(chǎng)上有所不同，MISO市場(chǎng)包括5min實(shí)時(shí)調(diào)度和日前市場(chǎng);CAISO市場(chǎng)包括5min和15min兩個(gè)時(shí)間尺度。根據(jù)我國(guó)電力市場(chǎng)的情況，以每15min為一個(gè)交易出清時(shí)段，每15min出清一次，確定下一15min時(shí)段機(jī)組計(jì)劃運(yùn)行曲線(xiàn)，每個(gè)運(yùn)行日含有96個(gè)交易出清時(shí)段。由于我國(guó)電網(wǎng)靈活性產(chǎn)品初步投入市場(chǎng)，對(duì)于RCP的應(yīng)用機(jī)制還不完善，為了減輕市場(chǎng)交易機(jī)構(gòu)和調(diào)度機(jī)構(gòu)的運(yùn)行成本和開(kāi)展難度，我國(guó)電力市場(chǎng)開(kāi)展15min時(shí)間尺度的交易時(shí)比較合理的。靈活性產(chǎn)品本質(zhì)上是應(yīng)對(duì)系統(tǒng)凈負(fù)荷和不確定性因素短期快速變化，向電網(wǎng)提供的一種輔助服務(wù)。輔助服務(wù)市場(chǎng)運(yùn)行時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，市場(chǎng)機(jī)制建設(shè)較為完善和獨(dú)立。因此，靈活性產(chǎn)品可直接在輔助服務(wù)市場(chǎng)進(jìn)行交易。

3.2 市場(chǎng)出清

根據(jù)供求平衡定理，按照能量市場(chǎng)的實(shí)時(shí)電價(jià)對(duì)靈活性爬坡產(chǎn)品的容量進(jìn)行出清，在電力市場(chǎng)中，當(dāng)靈活爬坡產(chǎn)品的價(jià)格高于能量市場(chǎng)時(shí)，市場(chǎng)主體會(huì)踴躍進(jìn)入靈活爬坡產(chǎn)品市場(chǎng)，從而造成能量市場(chǎng)提供的電量不足的問(wèn)題;當(dāng)靈活爬坡產(chǎn)品的價(jià)格低于能量市場(chǎng)的實(shí)時(shí)電價(jià)時(shí)，市場(chǎng)主體沒(méi)有提供靈活調(diào)節(jié)能力，那么將不利于靈活爬坡產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用。所以，當(dāng)能量市場(chǎng)和靈活爬坡產(chǎn)品市場(chǎng)出清價(jià)格相等時(shí)，市場(chǎng)達(dá)到均衡，市場(chǎng)主體可在不同市場(chǎng)上提供最優(yōu)組合容量申報(bào)，得到自己的最優(yōu)組合收益。

3.3 費(fèi)用承擔(dān)者

靈活爬坡產(chǎn)品的費(fèi)用由偏離用電計(jì)劃的電力用戶(hù)和以風(fēng)電、光伏為代表的可再生清潔能源發(fā)電商承擔(dān)。因?yàn)槠x用電計(jì)劃的電力用戶(hù)會(huì)造成電力系統(tǒng)瞬時(shí)負(fù)荷驟增或驟減，給電力系統(tǒng)帶來(lái)極大的不穩(wěn)定性和不安全性，電力用戶(hù)可能會(huì)面臨停電或者尖峰電價(jià)，電力用戶(hù)需要承擔(dān)停電帶來(lái)的損失和支付尖峰電價(jià)，RCP的提供和應(yīng)用可以使用戶(hù)避免這部分的損失。RCP的提供和應(yīng)用可以讓清潔能源發(fā)電機(jī)組通過(guò)多發(fā)電量的方式得到收益，所以由偏離用電計(jì)劃的電力用戶(hù)和以風(fēng)電、光伏為代表的可再生清潔能源發(fā)電商承擔(dān)RCP的費(fèi)用是合理的。

4 結(jié)論

引入RCP的好處如下：首先，提前預(yù)留RCP能夠有效降低實(shí)時(shí)運(yùn)行中快速啟動(dòng)機(jī)組的調(diào)用頻率，降低運(yùn)行成本;其次，RCP可能會(huì)在一定程度上增加運(yùn)行成本，但在系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力緊缺的時(shí)段能夠削弱稀缺價(jià)格的程度和頻率，使電價(jià)保持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。并且RCP的引入和應(yīng)用過(guò)程中不需要增添新的電網(wǎng)設(shè)備或設(shè)施，而且RCP的價(jià)格相對(duì)于調(diào)頻、備用來(lái)說(shuō)較低。因此從整體上來(lái)看，引入靈活爬坡產(chǎn)品降低了整體的市場(chǎng)電價(jià)，RCP是一種比較經(jīng)濟(jì)的資源。

我國(guó)大量風(fēng)電和光伏等清潔能源接入電網(wǎng)，引入靈活爬坡產(chǎn)品是我國(guó)大力發(fā)展清潔能源的趨勢(shì)，我國(guó)電網(wǎng)推出靈活爬坡產(chǎn)品要實(shí)事求是，從實(shí)際出發(fā)。在借鑒國(guó)外現(xiàn)有的靈活爬坡產(chǎn)品市場(chǎng)化手段的過(guò)程中要結(jié)合中國(guó)現(xiàn)行的電力市場(chǎng)政策和我國(guó)電網(wǎng)的特點(diǎn)。面對(duì)靈活爬坡產(chǎn)品市場(chǎng)化帶來(lái)的挑戰(zhàn)，我國(guó)電力市場(chǎng)應(yīng)該積極借鑒國(guó)外對(duì)它的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)適應(yīng)我國(guó)國(guó)情和電力市場(chǎng)的靈活爬坡產(chǎn)品市場(chǎng)機(jī)制，為RCP在我國(guó)的大規(guī)模開(kāi)發(fā)和應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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[作者簡(jiǎn)介]李偉（1968—），男，陜西鳳翔人，教授，碩士研究生導(dǎo)師，研究方向：電力經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)、技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)等;通訊作者：羅楊琴（1998—），女，貴州遵義人，碩士研究生，研究方向：電價(jià)理論與電力市場(chǎng)靈活性。