現(xiàn)貨市場環(huán)境下新能源并網(wǎng)接入對市場出清的影響

魏利屾， 馮宇昂， 方家琨， 艾小猛， 文勁宇

(華中科技大學(xué) 強電磁與新技術(shù)國家重點實驗室， 武漢 430074)

2015年國務(wù)院發(fā)布的《關(guān)于進一步深化電力體制改革的若干意見》[1]拉開了我國新一輪電力市場改革的序幕.其中，電力現(xiàn)貨市場建設(shè)是中國當(dāng)前電力體制改革的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[2].電力現(xiàn)貨市場的建設(shè)會改變現(xiàn)有的計劃調(diào)度模式，計算得到不同時間、不同地點的電價分布情況，還原了電能的商品屬性，促進發(fā)電資源的優(yōu)化配置，同時形成了滿足電網(wǎng)安全約束、可實際物理執(zhí)行的發(fā)電調(diào)度指令.

與此同時，中國的新能源如風(fēng)電、光伏等的裝機容量在過去十年快速提升，已經(jīng)成為全世界新能源裝機最多的國家[3].據(jù)國家統(tǒng)計局的數(shù)據(jù)，2020年末全國發(fā)電裝機容量達到2.2×1012W，其中，并網(wǎng)風(fēng)電與光伏裝機容量分別為2.8×1011W、2.5×1011W[4].隨著“二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和”重大國家戰(zhàn)略的提出，電力行業(yè)作為碳排放的最主要來源，面臨更加迫切的向清潔低碳能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型的壓力[5].在可預(yù)見的未來，新能源的裝機容量還會持續(xù)提升[6]，當(dāng)前以化石能源為主體的電力系統(tǒng)也將逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橐孕履茉礊橹黧w的新型電力系統(tǒng)[7].

為了促進新能源的發(fā)展，中國政府按照不同地區(qū)的風(fēng)光資源稟賦，規(guī)定了不同地區(qū)新能源的標桿上網(wǎng)電價[8]，通過在資金、政策上的扶持，在初期新能源技術(shù)成本較高、滲透率較低時，極大地促進我國新能源產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展[9].然而，在新能源的快速發(fā)展過程中，也遇到了許多問題和挑戰(zhàn)[10].首先是隨著新能源滲透率提高帶來的棄風(fēng)、棄光問題[11]，這極大地影響了新能源發(fā)電企業(yè)的收益情況，使投資者望而卻步，不利于新能源產(chǎn)業(yè)的長期發(fā)展[12].此外，隨著新能源裝機容量的不斷升高，相關(guān)的補貼資金赤字越來越大[9]，并且缺少市場競爭環(huán)節(jié)的反饋，難以反映真實的供需關(guān)系與發(fā)電成本，長期的高收益也無法激勵新能源企業(yè)主動降低成本.因此，急需進一步完善市場化交易機制，同時分析與常規(guī)機組存在諸多差異的新能源機組對于市場出清結(jié)果的影響.

本文主要對現(xiàn)貨市場環(huán)境下新能源對市場出清結(jié)果的影響進行定量分析評估，可為新能源的發(fā)展與市場機制的設(shè)計提供參考[13].關(guān)于新能源對于現(xiàn)貨市場的影響，現(xiàn)有文獻主要是基于國內(nèi)外的電力市場的實踐經(jīng)驗定性討論高比例新能源下現(xiàn)貨市場的規(guī)則設(shè)計[1, 14-15]，而缺乏定量的分析評估結(jié)果，其分析是否適用于未來的新能源發(fā)展與市場運行也存在疑問.

因此，本文基于安全約束機組組合和安全約束經(jīng)濟調(diào)度模型，對電力現(xiàn)貨市場運行規(guī)則與出清流程進行建模，搭建了電力現(xiàn)貨市場仿真分析框架，實現(xiàn)電力現(xiàn)貨市場的運行模擬，以得到電力系統(tǒng)與現(xiàn)貨市場的定量運行結(jié)果.以某實際省級電網(wǎng)為例，定量分析了現(xiàn)貨市場環(huán)境下新能源對市場出清價格、系統(tǒng)運行情況和機組收益的影響，提前發(fā)現(xiàn)潛在的問題與現(xiàn)象，為未來市場機制的設(shè)計與新能源發(fā)展規(guī)劃提供參考.

1 現(xiàn)貨市場環(huán)境下新能源參與方式

2017年8月國家發(fā)改委、能源局發(fā)布了《關(guān)于開展電力現(xiàn)貨市場建設(shè)試點工作的通知》[16]，選擇了8個省級地區(qū)作為第一批電力現(xiàn)貨市場改革的試點地區(qū).以中國南方(以廣東為起步)電力現(xiàn)貨市場為例，電力現(xiàn)貨市場的組織流程主要包括邊界條件準備與公布、市場成員報價申報、市場出清計算、市場收益結(jié)算等部分.各試點地區(qū)根據(jù)自身的電力需求、網(wǎng)絡(luò)阻塞、經(jīng)濟水平等情況，在市場組織形式、機組申報方式、電價定價機制等規(guī)則設(shè)計方面存在一些差異，具體差異詳見文獻[17].

新能源如何參與現(xiàn)貨市場是未來“構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)”背景下必須要面對的一個問題，表1給出了國內(nèi)外部分區(qū)域的新能源參與現(xiàn)貨市場方式[15].目前，部分試點地區(qū)，例如廣東電力現(xiàn)貨市場，為落實“可再生能源保障性收購”的政策要求，將新能源作為現(xiàn)貨市場的邊界條件，即新能源出力不參與市場定價.與之相反，則是允許新能源電站報量報價，與常規(guī)的火電機組一道參與電力現(xiàn)貨市場，進行市場出清，如圖1所示.但新能源電站與常規(guī)火電機組在諸多方面存在不同.新能源電站的一次能源來源為風(fēng)光等自然資源，邊際發(fā)電成本極低，這與依靠化石能源發(fā)電的常規(guī)火電機組的成本特性存在極大差異.此外，在進行市場競爭的同時，還要保障新能源的消納水平，減少系統(tǒng)的碳排放.因此，新能源與常規(guī)機組進行同臺競價，會對電力市場形態(tài)造成較大改變，而如何對其影響進行量化分析，乃至針對存在的問題設(shè)計出適應(yīng)于高比例新能源下的電力現(xiàn)貨市場規(guī)則是必須要面對的問題.

表1 國內(nèi)外新能源參與現(xiàn)貨市場方式Tab.1 Participation patterns of renewable energy in spot electricity market at home and abroad

圖1 現(xiàn)貨市場環(huán)境下系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure diagram under spot market environment

2 電力現(xiàn)貨市場仿真分析框架

2.1 概述

本文基于實際某省級電網(wǎng)現(xiàn)貨市場規(guī)則，搭建了如圖2所示的現(xiàn)貨市場仿真分析框架，以實現(xiàn)現(xiàn)貨市場環(huán)境下新能源對市場出清結(jié)果的影響分析.

圖2 電力現(xiàn)貨市場仿真框架Fig.2 Simulation framework of electricity spot market

首先是形成市場出清的邊界條件，具體包括：負荷預(yù)測曲線、新能源出力曲線、聯(lián)絡(luò)線功率計劃以及電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)、機組運行特性參數(shù)和報價等，其中新能源的出力時序曲線可由歷史出力數(shù)據(jù)[18]或氣象數(shù)據(jù)[19]生成.然后，基于給出的邊界條件，由市場出清模型模擬市場出清計算，并形成最后的市場出清結(jié)果，即各機組的中標電量與市場電價情況、系統(tǒng)的新能源消納與碳排放情況等.其中，市場出清模型是電力現(xiàn)貨市場仿真的核心組件，由安全約束機組組合與安全約束經(jīng)濟調(diào)度組成.

2.2 市場出清數(shù)學(xué)模型

2.2.1安全約束機組組合 安全約束機組組合是在滿足相關(guān)安全運行約束的前提下，以調(diào)度范圍內(nèi)最小化購電費用為目標，計算每臺機組在每個時間步長內(nèi)(15 min或1 h)的開關(guān)機狀態(tài)與功率輸出.

(1) 目標函數(shù).

(1)

(2) 功率平衡約束.

(2)

式中：PG,i(t)、PR,j(t)分別為火電機組與新能源機組的中標電量，等于對應(yīng)的所有分段的中標電量之和；T(t)為省間聯(lián)絡(luò)的凈輸入功率；D(t)為該省在時刻t的負荷功率.該約束保證系統(tǒng)的電力供給與需求相平衡.

(3) 系統(tǒng)備用約束.

(3)

Rdn(t)

(4)

(4) 機組出力上下限約束.

(5)

(6)

對火電機組，其出力受到最大技術(shù)出力和最小技術(shù)出力的限制；而對于新能源機組，其出力受到其理論最大出力的限制(與風(fēng)速、光照條件有關(guān)).對于新能源，若市場規(guī)則規(guī)定其出力作為邊界條件參與電力現(xiàn)貨市場，則新能源出力應(yīng)固定為其理論最大出力，即式(6)應(yīng)修改為

(7)

(5) 機組爬坡能力約束.

PG,i(t)-PG,i(t-1)≤

RU,i+M[1-ui(t-1)]+M[1-ui(t)]

(8)

PG,i(t-1)-PG,i(t)≤

RD,i+M[1-ui(t-1)]+M[1-ui(t)]

(9)

(10)

(11)

式中：RU,i、RD,i分別為常規(guī)機組i的上爬坡能力與下爬坡能力(一個時間步長內(nèi))；M為一個很大的權(quán)重系數(shù).該約束反映了火電機組在連續(xù)時段的出力變化還受到其爬坡能力的限制.

(6) 最小啟停機時間約束.

(12)

(13)

TU,i(t)=min {MU,i,T-t+1}

(14)

TD,i(t)=min {MD,i,T-t+1}

(15)

式中：TU,i(t)為常規(guī)機組i在時刻t仍然需要繼續(xù)保持運行的時間；τ為時段索引號；TD,i(t)為常規(guī)機組i在時刻t仍然需要繼續(xù)保持停機的時間；MU,i為常規(guī)機組i的最小開機時間；MD,i為常規(guī)機組i的最小停機時間.因為常規(guī)機組不能頻繁啟停，一則是技術(shù)條件不允許，二則頻繁啟停會導(dǎo)致機組的壽命減少，因此設(shè)置了最小開關(guān)機時間約束，保證機組的啟動與停機都需要一定的時間.

(7) 潮流約束.

(16)

式中：Fl,max為線路(即斷面)l的最大傳輸容量；b為節(jié)點序號；l為線路序號；Gl,b為節(jié)點b對于線路l的功率傳輸分配因子；Pinj,b(t)為節(jié)點b的注入功率，由節(jié)點上的發(fā)電機出力與負荷功率值相減計算而得.實際上，線路傳輸功率應(yīng)該由交流潮流計算得到，但由于交流潮流模型是非線性模型，大大提高了問題的計算復(fù)雜度[22]，所以國內(nèi)外電力市場都采用了線性模型的直流潮流法進行建模與計算.

2.2.2安全約束經(jīng)濟調(diào)度 安全約束經(jīng)濟調(diào)度是指在發(fā)電機啟停狀態(tài)已知的情況下，在滿足系統(tǒng)運行的相關(guān)安全約束的前提下，對發(fā)電機組的出力進行優(yōu)化從而實現(xiàn)系統(tǒng)的購電費用最小化.安全約束經(jīng)濟調(diào)度的目標函數(shù)為

(17)

由于機組的啟停計劃是由安全約束機組組合所確定，所以目標函數(shù)(17)相較于目標函數(shù)(1)減少了機組的啟停費用項，其余項不變.對于約束條件，由于機組的啟停計劃已經(jīng)確定，經(jīng)濟調(diào)度模型中不再考慮啟停爬坡約束與最小開關(guān)機時間約束(式(10)～(15))，其余約束不變.

通過安全約束機組組合后，得到了機組在調(diào)度時段內(nèi)的啟停狀態(tài)，然后基于得到的機組啟停計劃，經(jīng)過安全約束經(jīng)濟調(diào)度，就能得到機組的功率輸出情況、全網(wǎng)的新能源消納情況與全系統(tǒng)的發(fā)電費用、碳排放量等信息.

2.2.3電價計算 根據(jù)邊際價格理論，在t時刻，電價m(t)由下式進行計算：

(18)

在t時刻，增加單位負荷，系統(tǒng)的總購電費用的增量，為系統(tǒng)的邊際價格.在網(wǎng)絡(luò)沒有阻塞時，出清電價即為式(2)的拉格朗日乘子；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生阻塞時則是式(2)、(16)的拉格朗日乘子的線性組合[23].所建立的安全約束機組組合、安全約束經(jīng)濟調(diào)度以及電價計算均是在Anaconda環(huán)境下使用Python 3.7調(diào)用CPLEX求解器進行求解.

3 案例介紹

本文選擇某實際省級電網(wǎng)的電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)為研究對象，基于本文搭建的現(xiàn)貨市場仿真分析框架，定量分析現(xiàn)貨市場環(huán)境下新能源對市場出清結(jié)果的影響.當(dāng)前，該省級電網(wǎng)具有燃煤、燃氣機組共200余臺，新能源滲透率達19.52%.預(yù)計到2025年，該省電網(wǎng)將規(guī)劃建設(shè)較多的風(fēng)電機組，此時新能源滲透率將達到25.68%.

本文分別從春、夏、秋、冬四季選擇典型周進行相關(guān)分析，代替全年的市場運行結(jié)果[24]，其負荷曲線形狀如圖3所示，圖中D*為電力負荷標幺值.目前，電力現(xiàn)貨市場的市場化機組主要是由燃煤、燃氣機組組成，核電機組、抽水蓄能機組、省間聯(lián)絡(luò)線等均是按照各自的發(fā)電/輸電計劃作為市場出清的邊界條件.對于新能源電站，考慮兩種參與方式：① 新能源電站出力作為邊界條件參與市場出清；② 新能源電站報量報價參與現(xiàn)貨市場.

圖3 四季典型周電力負荷曲線Fig.3 Representative weekly demand profiles of different seasons

燃煤、燃氣機組的分段報價通過機組的成本特性曲線進行生成，而燃煤、燃氣、新能源機組的年化投資成本則使用凈現(xiàn)值法進行計算[19]：

(19)

式中：Q為工程單位容量固定投資費用；x為貼現(xiàn)率，一般為7%；y為機組使用年限.

對于新能源機組，由于其邊際發(fā)電成本極低，趨近于0，而在邊際定價機制下，市場成員會傾向于按照邊際成本進行報價[14]，所以假設(shè)新能源機組在現(xiàn)貨市場中報價為0[25].

4 案例分析

4.1 對市場出清電價與系統(tǒng)運行情況的影響

為分析新能源對現(xiàn)貨市場出清價格與系統(tǒng)運行情況的影響，本文對不同新能源滲透率下，考慮上述兩種新能源參與方式，得到全年的市場出清結(jié)果，分別如表2所示.

表2 不同水平年下的市場出清結(jié)果對比Tab.2 Comparison of the market-clearing results in different years

從系統(tǒng)運行情況來看，首先，新能源消納率上，當(dāng)新能源作為市場化機組報量報價參與現(xiàn)貨市場后，相較于直接作為邊界條件，新能源消納率有一定幅度的下降，且隨著新能源滲透率的提高，該現(xiàn)象更加明顯(下降幅度從0.08%增加到1.23%).這是因為當(dāng)新能源作為邊界條件進行出清時，是將新能源電站作為優(yōu)先發(fā)電機組，然后在進行其余市場化機組的購電費用最小化，這樣是最大化利用了電力系統(tǒng)的新能源消納能力.然而當(dāng)新能源以報量報價的形式參與市場后，新能源電站會與常規(guī)機組一道在市場里進行同臺競爭，雖然新能源機組由于在市場競價中具有較大優(yōu)勢，但由于新能源的波動性、間歇性等負外部性，優(yōu)先消納新能源反而會導(dǎo)致系統(tǒng)總的運行成本提高.即在現(xiàn)貨市場環(huán)境下，市場決策會通過一定數(shù)量的棄風(fēng)棄光來降低系統(tǒng)總的運行成本.

從市場出清電價上看，新能源參與現(xiàn)貨市場會較大幅度地降低系統(tǒng)的出清電價，同樣隨著新能源滲透率的提高，該現(xiàn)象會更加明顯(下降幅度從3.44 元/(MW·h)增加到18.82 元/(MW·h)).以2025年冬季典型周為例解釋該現(xiàn)象出現(xiàn)的原因，其電力電量平衡圖如圖4所示，圖中P*為功率標幺值，市場平均出清價格如圖5所示，圖中λ為出清電價.可以看到，當(dāng)允許新能源機組報價后，在部分時刻會出現(xiàn)零電價的情況.這是因為市場的出清電價是由邊際機組決定，而新能源參與市場后，如果出現(xiàn)棄風(fēng)棄光，則新能源機組將成為邊際機組(即新增 1 MW 負荷將優(yōu)先調(diào)用被削減的新能源發(fā)電資源)，市場出清價格將由新能源機組的報價所決定，即出現(xiàn)了零電價.而如果將新能源發(fā)電作為邊界條件，系統(tǒng)則會盡可能消納新能源，即使由于系統(tǒng)的物理消納極限受限制而導(dǎo)致出現(xiàn)了少量的棄風(fēng)棄光現(xiàn)象，也因為其不能成為邊際機組而不會出現(xiàn)零電價的現(xiàn)象.并且，隨著新能源滲透率的提高，將新能源作為邊界條件出清對于靈活性的需求會越來越高，這導(dǎo)致燃料成本更高的氣電機組在更多時刻成為邊際機組.因此，當(dāng)新能源滲透率提高時，雖然平均發(fā)電成本下降了8.25 元/(MW·h)，但出清電價反而增加了8.37 元/(MW·h).

圖4 冬季典型周電力電量平衡結(jié)果Fig.4 Power balancing results of a representative week in the winter

圖5 冬季典型周出清電價Fig.5 Clearing prices of a representative week in the winter

4.2 對市場化機組的收益影響

在現(xiàn)貨市場環(huán)境下，新能源不但會對市場出清電價造成影響，還會擠占常規(guī)機組的發(fā)電空間，這些因素勢必會對機組的盈利情況造成巨大影響.在新能源電力系統(tǒng)中，機組參與現(xiàn)貨市場是否有充足的收入覆蓋機組的燃料成本與投資成本，并存在合理的利潤空間，對于現(xiàn)貨市場乃至電力行業(yè)的健康發(fā)展具有重要意義.

圖6所示為2個水平年下，燃煤機組與燃氣機組的年度收益情況，圖中φ為利潤.對于煤電機組，隨著新能源裝機比例的不斷提高，在新能源參與現(xiàn)貨市場后，其收益均能覆蓋其燃料成本與投資成本，并保證一定收益，這是因為煤電機組的燃料費用較低，在現(xiàn)貨市場中發(fā)電順序較高(僅次于新能源機組).

圖6 常規(guī)機組收益情況Fig.6 Revenue of conventional units

對于氣電機組，由于新能源的裝機比例提高，為應(yīng)對新能源發(fā)電的波動性與間歇性，更為靈活、成本較高的氣電機組越來越多地承擔(dān)調(diào)峰任務(wù)，導(dǎo)致其出力被擠壓在最小技術(shù)出力處或停機，更多時刻成為非邊際機組，其報價沒有參與市場定價，出清電價反而由成本更低的煤電機組與新能源機組報價決定，進而導(dǎo)致氣電機組的虧損.

此外，在新能源作為邊界條件出清的前提下，隨著新能源裝機的增加，出現(xiàn)了機組利潤略微增加的現(xiàn)象，這是由于新能源滲透率增加后，由于靈活性緊張，氣電機組成為邊際機組的時刻增加.而與之相反地，在新能源報量報價情況下，由于其對出清電價的下降作用與擠占傳統(tǒng)電源的發(fā)電空間等原因，常規(guī)機組利潤有不同程度的下降.

對于新能源機組，當(dāng)作為邊界條件出清時，按照政府規(guī)定的上網(wǎng)電價進行支付，其中已經(jīng)考慮了其運行成本與投資成本.但當(dāng)新能源報量報價參與市場時，新能源的收益就由市場定價所決定.新能源機組的收益情況如圖7所示，雖然新能源機組的邊際發(fā)電成本很低，不考慮投資成本時機組收益很高(發(fā)電順序高于燃煤機組)，但由于目前新能源機組，特別是海上風(fēng)電機組的技術(shù)成熟度相對常規(guī)機組較低，而投資成本較高，這將導(dǎo)致新能源機組參與現(xiàn)貨市場可能存在虧損的現(xiàn)象.對于陸上風(fēng)電，僅需要0.03元/(kW·h)左右的補貼，就能在現(xiàn)貨市場中實現(xiàn)收支相抵，且考慮到風(fēng)電成本的持續(xù)下降[26]，補貼力度可以進一步退坡.但對于海上風(fēng)電，還至少需要0.4～0.5元/(kW·h)的補貼方能在現(xiàn)貨市場實現(xiàn)收支平衡.

圖7 新能源機組收益情況Fig.7 Revenue of renewable energy units

5 結(jié)論

在電力市場化改革的背景下，要構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，盡快實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”目標，就需要定量分析現(xiàn)貨市場環(huán)境下新能源對于市場出清結(jié)果的影響.在此背景下，本文基于搭建的現(xiàn)貨市場仿真分析框架，得到如下結(jié)論，以期對未來市場機制設(shè)計與新能源發(fā)展規(guī)劃起到指導(dǎo)作用.

(1) 相較于直接作為邊界條件，新能源報量報價參與現(xiàn)貨市場后，市場會通過一定量的棄風(fēng)棄光，降低系統(tǒng)總的發(fā)電成本，但新能源報量報價參與市場的情況下，不能最大化發(fā)揮系統(tǒng)的新能源消納作用.

(2) 新能源報量報價參與現(xiàn)貨市場后，電價波動性更加劇烈，平均電價降低甚至?xí)诓糠謺r刻現(xiàn)貨市場出現(xiàn)零電價的現(xiàn)象.而作為邊界條件出清時，隨著新能源滲透率的提高，會有更多時刻氣電機組成為邊際機組，反而可能導(dǎo)致出清電價略有增加.

(3) 在現(xiàn)貨市場環(huán)境下，新能源會造成部分市場化機組成本難以回收的問題，尤其是氣電機組，囿于高額的燃料成本，短期運行成本都無法完全覆蓋；而對于新能源機組，特別是海上風(fēng)電機組，仍需要依賴于高額的補貼方能實現(xiàn)在現(xiàn)貨市場的收支相抵.