基于配額制的自備電廠參與新能源消納日前交易模式

趙 磊， 楊永利，張新偉，賀成銘，劉友波

(1.新疆電力交易中心有限公司，新疆 烏魯木齊 830011；2.四川大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都 610065)

0 引 言

近年來(lái)，中國(guó)的風(fēng)電和光伏裝機(jī)容量迅速攀升，成為全球第一大國(guó)。國(guó)內(nèi)新疆地區(qū)的風(fēng)電和光伏等可再生能源在當(dāng)?shù)卣加休^大比重，且逐年提升；但與此同時(shí)，風(fēng)電和光伏出力的波動(dòng)性和隨機(jī)性較強(qiáng)，加之傳統(tǒng)發(fā)電型式占比的下降給電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力帶來(lái)了較大挑戰(zhàn)，嚴(yán)重影響了風(fēng)電和光伏的消納，常常出現(xiàn)棄風(fēng)棄光。因此，研究解決新疆地區(qū)等可再生能源大省的新能源消納意義重大。

中國(guó)在2018年正式逐步實(shí)施國(guó)際上通常使用的可再生能源配額制(renewable portfolio standards，RPS)，通過(guò)市場(chǎng)化、貨幣化的方式激勵(lì)可再生能源發(fā)電的發(fā)展[1]?？稍偕茉磁漕~制(簡(jiǎn)稱(chēng)配額制)實(shí)質(zhì)是要求發(fā)電方和售電公司生產(chǎn)和銷(xiāo)售的電能中，可再生能源必須占到一定比例，否則需購(gòu)買(mǎi)高價(jià)綠色證書(shū)(green certificate，GC)。但當(dāng)前僅對(duì)消納主體和需要消納的數(shù)量有較明確的規(guī)定，對(duì)配額制與不同交易市場(chǎng)的銜接沒(méi)有詳細(xì)規(guī)定，需要各地根據(jù)自身特點(diǎn)制定相應(yīng)策略，因此有很大的研究?jī)r(jià)值與空間[2-3]。

同時(shí)，新疆地區(qū)具有相當(dāng)規(guī)模的自備電廠，其整體裝機(jī)容量與新能源的裝機(jī)容量接近，但并沒(méi)有發(fā)揮出應(yīng)有的調(diào)峰作用。在電力供應(yīng)不足的時(shí)代，自備電廠發(fā)揮了減少停電的作用，但目前電力供應(yīng)充足，其不再發(fā)揮支援電網(wǎng)的作用。然而，自備電廠建設(shè)分散且單機(jī)組容量較小，其作為調(diào)峰電廠具有較明顯的成本優(yōu)勢(shì)，可以較好彌補(bǔ)新能源發(fā)電存在的“逆調(diào)峰特性”，進(jìn)而達(dá)到共贏的目的。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于配額制與自備電廠替代交易的研究主要集中在配額制頂層設(shè)計(jì)、綠證交易機(jī)制、對(duì)各類(lèi)主體影響分析等方面[1-9]。文獻(xiàn)[1]主要對(duì)中國(guó)正式實(shí)施的配額制，從頂層設(shè)計(jì)的角度進(jìn)行了分析與科學(xué)闡釋?zhuān)⒔Y(jié)合國(guó)內(nèi)實(shí)際情況給出了建議。文獻(xiàn)[4-9]主要對(duì)國(guó)內(nèi)外新能源相關(guān)交易機(jī)制進(jìn)行了分析，從頂層設(shè)計(jì)思路、分析模型、風(fēng)險(xiǎn)管理等多方面進(jìn)行了研究，而后結(jié)合中國(guó)實(shí)際情況闡述了相關(guān)啟示。文獻(xiàn)[10]針對(duì)國(guó)內(nèi)可再生能源消納的問(wèn)題，提出了一種國(guó)家與省級(jí)層面的可再生能源市場(chǎng)協(xié)調(diào)與偏差結(jié)算機(jī)制。文獻(xiàn)[11]通過(guò)建立多寡頭非合作博弈模型，提出了一種發(fā)電側(cè)的可再生能源配額制及配套綠色證書(shū)交易機(jī)制，其特點(diǎn)是可最大程度保證綠色證書(shū)供需平衡。文獻(xiàn)[12-14]通過(guò)建立相關(guān)的數(shù)學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)模型，研究了配額制對(duì)中國(guó)電源結(jié)構(gòu)以及政策均衡性的影響，提出了中國(guó)可再生能源未來(lái)發(fā)展的定位和相關(guān)建議。文獻(xiàn)[15]深入分析了可再生能源的正外部性效應(yīng)，基于綠色電力需求和配額制的因素，建立了交易主體最優(yōu)決策模型，探究了跨省區(qū)電力交易主體的最優(yōu)決策，使其利益最大化。綜上，國(guó)內(nèi)對(duì)配額制方面較少涉及到省內(nèi)實(shí)施層，特別是深入結(jié)合如新疆等本地風(fēng)電和光伏等新能源占比較大地區(qū)特點(diǎn)的配額制市場(chǎng)化交易機(jī)制。

針對(duì)新疆地區(qū)存在大量自備電廠，但風(fēng)電和光伏等可再生能源消納不理想的情況，下面從不同責(zé)任主體消納能力與成本的差異出發(fā)，結(jié)合新疆電力市場(chǎng)已有的中長(zhǎng)期交易基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一種以整體消納成本最低為目標(biāo)，基于新能源發(fā)電企業(yè)和具有自備電廠用戶(hù)電力曲線匹配度的日前交易機(jī)制。首先，通過(guò)分析新能源消納貢獻(xiàn)度的配額指標(biāo)分配模式，對(duì)匹配程度高的市場(chǎng)主體分配更多的新能源配額指標(biāo)；然后，通過(guò)市場(chǎng)化的消納量轉(zhuǎn)讓獲得超額收益，兼顧雙方利益，激勵(lì)主體主動(dòng)消納，在提升整個(gè)消納量的同時(shí)降低整體消納成本，提高社會(huì)福利；最后，通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)的日前交易機(jī)制算例分析，表明所設(shè)計(jì)的機(jī)制可以在促進(jìn)省內(nèi)可再生能源消納量的同時(shí)降低社會(huì)整體的消納成本，具有較顯著作用。

1 新疆現(xiàn)有替代交易情況

新疆地區(qū)發(fā)電側(cè)不僅有比例較大的傳統(tǒng)公用火電和水電，還有較大部分的企業(yè)自備電廠，截至2019年，其容量基本和疆內(nèi)風(fēng)電和光伏裝機(jī)總?cè)萘拷咏?，這也是疆內(nèi)發(fā)電側(cè)的特點(diǎn)。目前，新疆地區(qū)已經(jīng)開(kāi)展了新能源替代交易，但仍存在著較大的問(wèn)題。

1.1 新疆發(fā)電側(cè)基本情況

20世紀(jì)50年代電力供應(yīng)緊缺，無(wú)法滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，國(guó)家允許企業(yè)建立自備電廠以緩解用電需求[11]，特別是高耗能企業(yè)自備電廠較常見(jiàn)。截至2019年，新疆自備電廠數(shù)量超過(guò)30家，總裝機(jī)容量約15 670 MW，超過(guò)全網(wǎng)裝機(jī)容量的16%。2014—2019年，疆內(nèi)風(fēng)電和光伏總裝機(jī)容量逐步提升，截至2019年，總裝機(jī)容量約17 620 MW，約占18%，和自備電廠比例接近，整體情況如圖1所示。

圖1 2014—2019年新疆自備電廠與新能源裝機(jī)情況

1.2 新疆自備電廠與新能源市場(chǎng)化現(xiàn)狀

新疆自備電廠和新能源裝機(jī)接近，是新疆開(kāi)展新能源發(fā)電與燃煤自備電廠替代交易的基礎(chǔ)。2016年，新疆下發(fā)《新疆區(qū)域新能源發(fā)電企業(yè)與燃煤自備電廠調(diào)峰替代交易實(shí)施細(xì)則(暫行)》，并開(kāi)展了第一批新能源發(fā)電企業(yè)與燃煤自備電廠所屬企業(yè)進(jìn)行電量置換交易的試點(diǎn)應(yīng)用。這屬于一種發(fā)電權(quán)交易模式，它利用新能源發(fā)電企業(yè)(renewable energy generation，REG)與自備電廠所屬企業(yè)(簡(jiǎn)稱(chēng)REG-SPP)進(jìn)行電量置換，用市場(chǎng)化交易的力量來(lái)平衡各方利益，同時(shí)調(diào)動(dòng)各參與方的積極性，挖掘燃煤自備電廠的調(diào)峰空間，增強(qiáng)電網(wǎng)的新能源消納能力[16]。

目前新疆所組織的新能源替代燃煤自備電廠交易中，分別建立了“停備交易”和“旋備交易”兩個(gè)序列，用來(lái)申報(bào)交易電量和價(jià)格。在配額制實(shí)施后，傳統(tǒng)的停備和旋備方式在調(diào)度執(zhí)行時(shí)與新能源出力受阻曲線的匹配程度無(wú)法量化。傳統(tǒng)新能源替代交易是在新能源發(fā)生棄電時(shí)實(shí)施，按照新能源裝機(jī)容量100%算作自備電廠消納量。這對(duì)疆內(nèi)其他責(zé)任主體來(lái)說(shuō)有失公平，更無(wú)法調(diào)動(dòng)各主體的積極性。屆時(shí)新能源配額缺口將更大，必然導(dǎo)致其他責(zé)任主體通過(guò)新能源配額的二級(jí)市場(chǎng)或綠證交易市場(chǎng)去購(gòu)買(mǎi)配額指標(biāo)，造成整個(gè)社會(huì)消納新能源的成本升高。同時(shí)，根據(jù)國(guó)家有關(guān)配額制的指標(biāo)，從2018年至2020年新疆的可再生能源配額指標(biāo)情況(如表1所示)來(lái)看，可以看出新疆全省新能源消納責(zé)任指標(biāo)完成缺口逐年增大，2020年缺口將達(dá)到了9135 GWh。因此，亟需通過(guò)市場(chǎng)化手段進(jìn)一步提高新能源消納能力。

表1 2018—2020年新疆可再生能源配額指標(biāo)

2 帶曲線匹配的新能源日前交易模式

目前，新疆棄風(fēng)棄光嚴(yán)重，常規(guī)的電量交易無(wú)法滿足配額制實(shí)施的要求；同時(shí)新能源消納水平無(wú)法提高，反而還增加了全社會(huì)完成配額制的成本。疆內(nèi)自備電廠年發(fā)電量占全社會(huì)用電量將近三分之一，而當(dāng)前配額制是以傳統(tǒng)電量置換為手段的電能新能源替代交易模式，未真實(shí)反映新能源消納能力，難以適應(yīng)配額制下新能源市場(chǎng)化交易，也未考慮市場(chǎng)主體消納新能源的真實(shí)能力。為解決此問(wèn)題，提出構(gòu)建一種疆內(nèi)新能源替代交易2.0模式，即考慮不同市場(chǎng)主體對(duì)新能源消納的實(shí)際貢獻(xiàn)度，建立基于新能源出力和消納方負(fù)荷曲線申報(bào)的新能源替代交易模式，通過(guò)新能源企業(yè)掛牌而具有自備電廠的用戶(hù)競(jìng)價(jià)摘牌的方式，以市場(chǎng)手段平衡多方利益，激勵(lì)低消納成本的用戶(hù)主動(dòng)消納新能源，盡可能降低社會(huì)整體消納成本。

對(duì)于新能源消納響應(yīng)能力強(qiáng)或者負(fù)荷曲線調(diào)整成本較低的自備電廠用戶(hù)，可在市場(chǎng)中多摘牌取得更多可再生能源消納量，超額完成的消納量配額指標(biāo)，通過(guò)二級(jí)市場(chǎng)轉(zhuǎn)讓可獲得超額收益。在市場(chǎng)中，每個(gè)參與者都以自身利益最大化為目標(biāo)，那么對(duì)于消納能力不強(qiáng)或者自身負(fù)荷曲線調(diào)整成本高的市場(chǎng)主體，必然參與度不夠高，但其可以向消納能力強(qiáng)的用戶(hù)直接購(gòu)買(mǎi)。為此，這就需要一個(gè)本地化的交易市場(chǎng)，采用這種消納匹配度更高的日前交易模式進(jìn)行交易，可減少能源的遠(yuǎn)距離輸送進(jìn)一步降低消納成本。讓消納可再生能源成本低的主體替代成本高的主體，后者再通過(guò)市場(chǎng)化的手段給前者一定補(bǔ)償，這種以市場(chǎng)化交易形成的替代與補(bǔ)償方式，能夠達(dá)到社會(huì)付出成本最低而可再生能源消納更高的目標(biāo)。

2.1 帶曲線匹配的新能源交易框架

電力交易機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)組織新能源日前交易，與常規(guī)日前市場(chǎng)不同，新能源企業(yè)需要申報(bào)電力曲線(日內(nèi)12 h的電量和價(jià)格)，采取摘掛牌交易的模式，交易標(biāo)的為新能源電能量和環(huán)保屬性?xún)r(jià)值，交易機(jī)構(gòu)根據(jù)摘牌用戶(hù)自身的消納匹配程度分配，為避免過(guò)度投機(jī)行為擾亂市場(chǎng)，交易雙方成交合同需要嚴(yán)格按照中標(biāo)曲線物理執(zhí)行。整體交易過(guò)程如圖2所示，主要分為4個(gè)階段：第1階段為中長(zhǎng)期交易；第2階段為新能源日前交易；第3階段為常規(guī)日前交易和實(shí)時(shí)現(xiàn)貨交易；第4階段為新能源二級(jí)消納轉(zhuǎn)讓交易。

圖2 新能源日前市場(chǎng)交易流程

在第2個(gè)交易階段，新能源企業(yè)可掛出多個(gè)價(jià)格不同的出力曲線包，供具有自備電廠的用戶(hù)摘牌，用戶(hù)側(cè)確認(rèn)后，雙方即達(dá)成了帶曲線的物理合約，其日前電能量市場(chǎng)的所有中標(biāo)曲線累加之后即為運(yùn)行日的負(fù)荷需求曲線。需要注意的是新能源需申報(bào)運(yùn)行日12 h的電量和價(jià)格，自備電廠用戶(hù)根據(jù)自身負(fù)荷調(diào)節(jié)水平進(jìn)行確認(rèn)摘牌，這樣最大限度地使用戶(hù)側(cè)與新能源企業(yè)出力曲線互補(bǔ)匹配。

2.2 帶曲線匹配的新能源日前交易模型構(gòu)建

假定疆內(nèi)有n個(gè)新能源發(fā)電企業(yè)G1，G2，…，Gn，第i個(gè)新能源企業(yè)第j個(gè)包的掛牌電量和電價(jià)序列分別為{QGij(12)，PGij(12)}，為便于敘述這里省略括號(hào)內(nèi)容，簡(jiǎn)寫(xiě)為{QGij，PGij}；同時(shí)假設(shè)疆內(nèi)有m個(gè)具有自備電廠的用戶(hù)U1，U2，…，Um參與摘牌，那么第k個(gè)用戶(hù)摘第l個(gè)包的消納電量和報(bào)價(jià)序列分別為{QUkl，PUkl}，最終成交的電量和電價(jià)序列分別為{QDijkl，PDijkl}。

根據(jù)申報(bào)和摘牌結(jié)果，交易機(jī)構(gòu)依次對(duì)新能源企業(yè)每個(gè)包的摘牌情況進(jìn)行統(tǒng)一出清，交易機(jī)構(gòu)對(duì)包j按照競(jìng)價(jià)申報(bào)的價(jià)格由高到低進(jìn)行排序，Sort{PU1j，PU2j，…，PUmj}，根據(jù)排序結(jié)果，形成自備電廠用戶(hù)和新能源企業(yè)之間的價(jià)差對(duì)PCijkl為

PCijkl=PUkl-PGij

(1)

由于采用競(jìng)價(jià)的方式，價(jià)差對(duì)PCijkl必然大于等于0且也是按照價(jià)差的大到小的順序排列，交易機(jī)構(gòu)優(yōu)先撮合價(jià)差對(duì)大的用戶(hù)成交，成交量為用戶(hù)申報(bào)的電量，且成交價(jià)為

PDijkl=(PUkl-PGij)/2

(2)

類(lèi)似的，價(jià)差最大的用戶(hù)成交之后，若還有剩余電量，那么對(duì)價(jià)差第二大的用戶(hù)進(jìn)行撮和成交，直至該包全部成交完畢。產(chǎn)生的社會(huì)福利為

BGijUkl=∑[(PUkl-PDijkl)QUkl+(PDijkl-PGij)QUkl]

(3)

在社會(huì)福利最大化的同時(shí)，新能源消納成本低的自備電廠用戶(hù)，可以承受更高的競(jìng)價(jià)價(jià)格，進(jìn)而購(gòu)買(mǎi)到更多的消納電量，既提升了新能源消納量，也達(dá)到了以市場(chǎng)交易手段降低社會(huì)整體消納成本的目的。通過(guò)市場(chǎng)化引導(dǎo)，將激勵(lì)新能源消納成本更低的自備電廠用戶(hù)更多地參與消納，故所設(shè)計(jì)交易的目標(biāo)函數(shù)為

(4)

同時(shí)，實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)函數(shù)的約束條件如下：

1)新能源發(fā)電企業(yè)可以拆出不同出力組合的包，同時(shí)自備電廠用戶(hù)也可競(jìng)價(jià)摘牌多個(gè)新能源包，但是，新能源發(fā)電企業(yè)掛牌的包不能大于其最大出力限制，自備電廠用戶(hù)也不能超過(guò)其自身最大消納能力，即：

(5)

(6)

2)新能源發(fā)電企業(yè)和自備電廠用戶(hù)的掛牌價(jià)格和摘牌競(jìng)價(jià)的價(jià)格，均不能超過(guò)交易中心規(guī)定的限價(jià)，即

(7)

3 算例分析

目前，新疆棄風(fēng)棄光嚴(yán)重，常規(guī)的電量交易無(wú)法滿足配額制實(shí)施的要求，同時(shí)新能源消納水平無(wú)法提高，反而增加了全社會(huì)完成配額制的成本。為更清晰說(shuō)明所提交易模式，現(xiàn)假設(shè)有一個(gè)新能源企業(yè)按其自身的發(fā)電特性將整個(gè)發(fā)電能力掛包出來(lái)(如表2所示)，3個(gè)具有不同負(fù)荷特性的自備電廠用戶(hù)參與到新能源日前交易市場(chǎng)，其各自特點(diǎn)如表3、表4所示。

表2 新能源企業(yè)掛牌信息

表3 自備電廠用戶(hù)申報(bào)信息

自備電廠用戶(hù)A、B、C擁有各自的負(fù)荷消納特性，他們采用競(jìng)價(jià)摘牌的方式對(duì)新能源企業(yè)的掛牌的包進(jìn)行競(jìng)價(jià)，其申購(gòu)的電量和電價(jià)如表3所示。按照競(jìng)價(jià)摘牌的規(guī)則，在同一時(shí)間點(diǎn)競(jìng)價(jià)最高的用戶(hù)優(yōu)先匹配申報(bào)的電量，由此可得到市場(chǎng)模擬出清結(jié)果如表4所示。

表4 交易機(jī)構(gòu)模擬出清結(jié)果

從圖3的模擬出清曲線可看出來(lái)，自備電廠用戶(hù)A和B的電量出清結(jié)果與新能源出力掛包的電量曲線匹配度較高，這反映出其本身的負(fù)荷消納特性與新能源電廠的出力特性更為匹配；同時(shí)由于其消納新能源的成本更低，因此可以在交易市場(chǎng)中申報(bào)更高的價(jià)格，整體來(lái)看A和B的新能源中標(biāo)消納電量更多。對(duì)自備電廠用戶(hù)C而言，其中標(biāo)的新能源消納電量更少，這反映的是其自身負(fù)荷特性與此新能源包的特性匹配度更差一些，對(duì)此新能源消納能力較弱。

圖3 自備電廠用戶(hù)模擬出清電量結(jié)果

通過(guò)新能源日前交易市場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)了新能源消納能力強(qiáng)以及消納成本更低的自備電廠用戶(hù)，提升了新能源消納量。對(duì)于自備電廠用戶(hù)A和B而言，他們獲得了額外的新能源消納量，超額完成配額指標(biāo)，也可通過(guò)新能源消納量二級(jí)市場(chǎng)轉(zhuǎn)讓超額消納量，以市場(chǎng)的方式將其對(duì)消納新能源所做的貢獻(xiàn)折現(xiàn)，也極大地調(diào)動(dòng)了其新能源消納積極性，從而提升新疆地區(qū)完成可再生能源配額制目標(biāo)的程度。

根據(jù)前述交易福利產(chǎn)生的計(jì)算方法，可以得到本次新能源日前交易總成交電量為319 MWh，總成交額為22 517元，產(chǎn)生的社會(huì)福利為771元，產(chǎn)生的福利比率約為3.4%。起到了促進(jìn)新能源消納的效果，并且通過(guò)市場(chǎng)交易釋放了一定的社會(huì)福利，反映的是新能源消納成本更低的用戶(hù)更多地參與到了消納環(huán)節(jié)，進(jìn)而可以使整個(gè)新疆地區(qū)的新能源消納量得到提升，還降低了整體消納成本，達(dá)到了設(shè)計(jì)此市場(chǎng)的初衷。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)新疆地區(qū)新能源發(fā)電充沛，但目前存在較嚴(yán)重棄風(fēng)棄光又無(wú)法完成地區(qū)新能源配額制目標(biāo)的問(wèn)題，提出一種基于競(jìng)價(jià)摘牌的新能源日前交易模式。通過(guò)市場(chǎng)化手段提升自備電廠用戶(hù)的新能源消納意愿，從市場(chǎng)角度發(fā)掘消納成本更低的用戶(hù)，達(dá)到降低社會(huì)整體消納成本，提升新疆地區(qū)新能源消納量的目的。得到結(jié)論如下：

1)新疆地區(qū)新能源本地消納能力受限，但疆內(nèi)自備電廠與新能源裝機(jī)容量大體相當(dāng)，從整體上看，具備調(diào)動(dòng)自備電廠承擔(dān)調(diào)峰的巨大潛力。

2)新能源日前交易模式是通過(guò)市場(chǎng)化的手段，激勵(lì)與新能源出力特性互補(bǔ)、消納成本更低的用戶(hù)更多地去參與消納。

3)競(jìng)價(jià)摘牌的模式可以較好地使消納成本更低的自備電廠用戶(hù)獲得更多的新能源消納占比，為新疆地區(qū)完成配額制指標(biāo)提供一種新思路。

所提的交易機(jī)制并不適用于新能源消納不受限的地區(qū)，其重點(diǎn)是對(duì)在新疆這種棄風(fēng)棄光率較高且自備電廠容量相當(dāng)?shù)牡貐^(qū)具有較大意義。未來(lái)，隨著儲(chǔ)能的快速發(fā)展，可研究探索儲(chǔ)能服務(wù)在新能源消納市場(chǎng)的新模式。