含大規(guī)模水電的電力現(xiàn)貨市場出清及價格機(jī)制研究

吳引航，陽 婷，戴曉娟，陳雨果

（1.廣西電力交易中心，南寧 530000；2.北京清能互聯(lián)科技有限公司，北京 100080）

0 引言

現(xiàn)階段，我國正加快電力現(xiàn)貨市場的建設(shè)進(jìn)程，電力現(xiàn)貨市場已進(jìn)入第二批試點(diǎn)階段[1-2]。發(fā)展電力現(xiàn)貨市場、擴(kuò)大市場交易空間和范圍是我國電力市場后續(xù)發(fā)展的重要方向。與此同時，在“碳達(dá)峰、碳中和”的大背景下，逐步提高水電等清潔能源的裝機(jī)容量，并保障清潔能源消納是電力市場發(fā)展的方向和約束條件[3-5]。

在市場環(huán)境下，各機(jī)組的中標(biāo)量由其市場報價、機(jī)組運(yùn)行約束、電網(wǎng)運(yùn)行約束共同決定，如何在電力市場中貫徹實(shí)施消納可再生能源的國家政策，同時保障電力市場出清的公平性和合理性，是未來將不同類型電源納入市場交易范圍亟需解決的重點(diǎn)問題。另外，在清潔能源參與的電力現(xiàn)貨市場中，電價機(jī)制除需反映電力的時空價值外，還需發(fā)揮促進(jìn)清潔能源消納、抑制部分清潔能源利用保障性消納政策進(jìn)行市場投機(jī)的作用。因此，在電力現(xiàn)貨市場和“碳達(dá)峰、碳中和”的發(fā)展目標(biāo)下，有必要對水電等清潔能源與火電在現(xiàn)貨市場同臺競價的出清機(jī)制和價格機(jī)制進(jìn)行研究，為大規(guī)模水電參與的電力現(xiàn)貨市場建設(shè)提供參考。

文獻(xiàn)[6-8]研究了促進(jìn)清潔能源消納的高比例清潔能源電力市場交易機(jī)制；文獻(xiàn)[9-10]討論了水電參與電力市場面臨的主要問題，并提出水電參與市場的建議；文獻(xiàn)[11-12]采用隨機(jī)動態(tài)規(guī)劃法、混合整數(shù)規(guī)劃法等方法求解水電參與電力市場的數(shù)學(xué)模型，并以當(dāng)?shù)厥袌鰹閷?shí)例進(jìn)行驗(yàn)證。文獻(xiàn)[13]分析水電與火電的不同，提出水電參與市場競價的基本原則和梯級水電站參與的市場競價模式。文獻(xiàn)[14]考慮市場過渡階段，提出中長期合約電量的優(yōu)化分解方法以及水電與火電運(yùn)行的多目標(biāo)發(fā)電調(diào)度模型。文獻(xiàn)[15]提出通過修改棄能機(jī)制的報價以保障可再生能源優(yōu)先消納的現(xiàn)貨市場出清機(jī)制，以及激勵相容的結(jié)算補(bǔ)償機(jī)制。文獻(xiàn)[16]提出含棄水懲罰項(xiàng)、水電的水位和庫容等復(fù)雜運(yùn)行約束的含水電的現(xiàn)貨市場出清模型，并基于云南電網(wǎng)構(gòu)建算例驗(yàn)證了模型的有效性?？傮w來看，現(xiàn)有研究對水電保障性消納的現(xiàn)貨市場出清機(jī)制和價格機(jī)制涉及得較少。

為此，本文分析了我國水資源較為豐富的西南地區(qū)電力市場建設(shè)情況，總結(jié)大規(guī)模水電電力市場需解決的幾個重點(diǎn)問題?；诂F(xiàn)貨市場兩輪出清方法，提出水電等清潔能源與火電同臺競價模式下4 種節(jié)點(diǎn)電價計算與市場結(jié)算方法，并對這4 種模式進(jìn)行對比分析，得出建議方案。構(gòu)建水電參與現(xiàn)貨市場的幾個場景，驗(yàn)證了建議方案中節(jié)點(diǎn)電價計算方法是合理、有效的，可以低價信號促進(jìn)清潔能源消納，同時抑制徑流式水電、風(fēng)光機(jī)組因保障消納政策投機(jī)報高價的行為。

1 大規(guī)模水電參與電力市場的現(xiàn)狀分析

我國西南地區(qū)水電裝機(jī)容量較大，截至2020年底，云南、四川、廣西省內(nèi)水電機(jī)組裝機(jī)容量占比分別為68.9%，81%，34.8%。隨著國內(nèi)電力市場的快速發(fā)展，水電參與電力市場交易是市場發(fā)展的必然趨勢。

1.1 云南水電參與電力市場的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀

2014 年，云南在全國率先開展水火發(fā)電權(quán)交易，交易機(jī)構(gòu)每月公布火電必須置換的電量，采取水電與火電自由協(xié)商、火電掛牌、政府確定的三級發(fā)電權(quán)交易方式。2016 年，云南將火電企業(yè)和一定規(guī)模的水電企業(yè)全部納入市場化交易，取消計劃電量，水電和火電在同一平臺競爭。但水電作為清潔能源享有優(yōu)先發(fā)電權(quán)，火電企業(yè)可將市場合約電量由水電企業(yè)代發(fā)，火電獲得水電發(fā)電收入分成。2017 年之后，云南保留清潔能源的優(yōu)先發(fā)電權(quán)，但取消水火發(fā)電權(quán)交易，引入對火電的長期備用補(bǔ)貼[17]。2018 年，云南在長期備用的基礎(chǔ)上，為讓火電與發(fā)電在同一市場競價，發(fā)電機(jī)組申報調(diào)節(jié)電價，在實(shí)際調(diào)度時若需削減火電出力，則按火電申報的調(diào)節(jié)電價，由高至低削減火電合約電量。2019 年之后，云南取消調(diào)節(jié)電價機(jī)制，采取提前安排火電調(diào)節(jié)電量的方式，即清潔能源全部優(yōu)先參與市場化交易，而火電除屬于優(yōu)先發(fā)用電計劃的之外，主要作為調(diào)節(jié)電量，采取統(tǒng)一掛牌和配額制的方式分配給不同火電企業(yè)。總體來看，針對火電發(fā)電空間受水電擠壓的生存問題，云南先是采用水火發(fā)電權(quán)交易方式，促使水電為火電機(jī)組讓利，后引入火電長期備用補(bǔ)償機(jī)制，保障火電生存空間。但云南初期采用的水火發(fā)電權(quán)交易實(shí)質(zhì)上是對火電的變相補(bǔ)貼，會在一定程度上促使火電企業(yè)惡性報價，以低價競爭獲得電量后由水電代發(fā)，從而獲得一定的水電發(fā)電收入?，F(xiàn)階段的長期備用機(jī)制和為火電分配調(diào)節(jié)電量的方式在一定程度上緩和了枯水期對火電的頂峰需求和火電全年發(fā)電不足的生存問題，但本質(zhì)上火電的市場化程度不高，計劃性較強(qiáng)，在云南外送電需求日益增大的情況下，省內(nèi)供需形勢將不再是常態(tài)化供大于求，可能長期需要火電做支撐，擴(kuò)大市場交易空間需要進(jìn)一步提高火電機(jī)組的市場化程度。

1.2 四川水電參與電力市場的現(xiàn)狀

現(xiàn)階段四川已完成電力現(xiàn)貨市場的初步建設(shè)，進(jìn)入結(jié)算試運(yùn)行階段。四川水電豐枯期發(fā)電原則差異較大，枯水期各流域來水不足，調(diào)度機(jī)構(gòu)按來水量，以不棄水為原則進(jìn)行節(jié)能調(diào)度；豐水期各流域來水充足，供大于求，不可避免會發(fā)生棄水。因此，四川依據(jù)水電豐枯期劃分水電現(xiàn)貨市場和火電現(xiàn)貨市場，即在豐水期僅水電參與電力現(xiàn)貨市場競價，火電保持最小開機(jī)方式；在枯水期僅火電參與電力現(xiàn)貨市場，水電以全額消納方式運(yùn)行[18]。該市場競價機(jī)制的優(yōu)點(diǎn)在于一定程度上實(shí)現(xiàn)了市場競爭和資源優(yōu)化配置，可最大程度地保障水電的優(yōu)先消納，解決了水火同臺競價的價格公平性和補(bǔ)貼問題。但該市場競價機(jī)制以劃分水電豐枯期的方式人為割裂了市場，且人為設(shè)定的豐枯期并不一定與實(shí)際情況吻合，一定程度上影響市場效益[19]。

1.3 廣西水電參與電力市場的現(xiàn)狀

現(xiàn)階段廣西水電只允許與火電、核電開展發(fā)電權(quán)交易。在廣西2020 年7 月發(fā)布的《2020 年水電與火（核）電發(fā)電權(quán)交易結(jié)算原則的通知》中，將原來的給水電分配月度基數(shù)電量，超過月度基數(shù)電量的發(fā)電量需與火（核）電開展水火（核）發(fā)電權(quán)交易，并將水電按月度清算和結(jié)算的方式改為年度基數(shù)交易[20]，即為水電分配年度基數(shù)電量，按月組織水火（核）發(fā)電權(quán)交易，并開展年度清算。水電企業(yè)根據(jù)全年水情預(yù)測并靈活確定月度交易受讓電量，達(dá)成交易的電量上網(wǎng)電費(fèi)按式（1）和式（2）計算。廣西采用水火發(fā)電權(quán)交易，并以年為清算周期，在保障電網(wǎng)公司利益、優(yōu)先消納清潔能源的基礎(chǔ)上，擴(kuò)大了市場交易空間，優(yōu)化資源配置，變相給予火電機(jī)組補(bǔ)貼，但不利于后續(xù)精細(xì)化的市場管理，調(diào)度運(yùn)行難以準(zhǔn)確匹配市場交易情況。

式中：Pw，i為水電i 的交易電費(fèi)；Qi為水電i 達(dá)成交易結(jié)算電量；Ps，i為水電i 的上網(wǎng)標(biāo)桿電價；Pm為該交易批次對應(yīng)火核電市場化價格；Pcom，i為交易補(bǔ)償價格；Pf，j為火電的水火發(fā)電權(quán)交易電費(fèi)；Qj為火電j 的交易結(jié)算電量；Pcom，j為火電j 的交易補(bǔ)償價格。

1.4 大規(guī)模水電參與電力市場的問題

在含大規(guī)模水電的電力市場中，水電參與電力市場主要面臨如下問題：

1）水電的邊際成本較低，現(xiàn)貨市場邊際出清價格可能被水電拉低，火電的生存保障問題突出。如何在不擾亂電能量市場公平競價的基礎(chǔ)上，給予火電機(jī)組容量補(bǔ)貼，保障系統(tǒng)所需容量的火電機(jī)組生存，是市場必須解決的問題。

2）水電邊際成本明顯低于火電，在國家保障清潔能源優(yōu)先消納的背景下，如何將水電和火電統(tǒng)一納入市場競爭范圍，擴(kuò)大市場交易空間，同時保障水電優(yōu)先消納，且產(chǎn)生合理的市場價格信號是大規(guī)模水電電力市場需要解決的重要問題。

本文將著重分析水電與火電同臺競價方式、水電優(yōu)先消納機(jī)制、合理的市場價格機(jī)制等方面問題。

2 大規(guī)模水電在現(xiàn)貨市場的出清和定價方法

在電力現(xiàn)貨市場中，不同類型電源在同一平臺競爭是保障市場公平、提高市場在資源優(yōu)化配置方面作用的關(guān)鍵手段。但在市場發(fā)展的起步階段，市場主體的競價意識和能力較弱，需在市場實(shí)施時考慮保障清潔能源優(yōu)先消納的國家政策。因此，為保證最大限度地消納清潔能源，本文提出水電等清潔能源與火電在電力現(xiàn)貨市場同臺競價模式下的4 種市場出清和價格機(jī)制。

2.1 方案一：兩輪出清+固定罰因子

采用現(xiàn)貨市場分兩輪出清機(jī)制，兩輪出清可并行開展。兩輪出清和結(jié)算方式如表1 所示。

表1 兩輪出清和結(jié)算方法

2.2 方案二：兩輪出清+彈性棄能罰因子

市場出清分兩輪開展。第一輪仍然是不考慮棄能約束預(yù)出清；第二輪是清潔能源消納環(huán)節(jié)，對每一個棄水電廠棄水電量施加棄能罰因子，因子跟報價成一定比例關(guān)系，作用在報價上，相當(dāng)于罰因子是彈性的，產(chǎn)生的效果與報價相關(guān)，且每個水電廠都有自己的罰因子。

第一輪“無棄能約束預(yù)出清”：如方案一，出清模型的目標(biāo)函數(shù)與約束條件均不考慮棄能消納因素，基于市場成員申報信息、機(jī)組運(yùn)行約束以及運(yùn)行日的電網(wǎng)運(yùn)行邊界條件得到預(yù)出清結(jié)果，同時計算棄水的電量。

第二輪清潔能源消納出清：當(dāng)預(yù)出清有棄水電量出現(xiàn)時，進(jìn)入清潔能源消納階段。該階段將棄水電量部分的報價等比例縮小至接近于0 的極低價格再次進(jìn)行出清計算，例如降低為原報價的1%，相當(dāng)于在每個棄水電站的每個報價段都加了一個罰因子，罰因子值為報價的99%，有棄水時激活。并添加一個棄水電量約束，以保證不會由于罰因子的加入，而把棄水電量之上、本不應(yīng)中標(biāo)的電量也發(fā)出。例如，某時刻某水電站額定容量為300 MW，此時中標(biāo)100 MW，需要中標(biāo)200 MW 才不會有棄水，那么需要添加一個約束保證罰因子生效的范圍為0～200 MW，200 MW以上還是原價格進(jìn)行市場競爭。

結(jié)算方法與方案一一致。

2.3 方案三：兩輪出清+固定棄能價格結(jié)算

出清方法同方案一，兩輪出清無先后順序，可并行開展。由政府核定固定的棄能價格。

第一輪無棄能約束出清。如方案一，采用SCUC（安全約束機(jī)組組合）、SCED（安全約束經(jīng)濟(jì)調(diào)度）、LMP（節(jié)點(diǎn)邊際電價）程序計算得到機(jī)組中標(biāo)電量結(jié)果和各節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)電價，機(jī)組在該輪出清的電量按該輪計算得到節(jié)點(diǎn)電價結(jié)算。用戶側(cè)也按該輪出清得到的節(jié)點(diǎn)電價結(jié)算。

第二輪考慮清潔能源消納的出清。為保證最大程度地消納云南清潔能源，采用帶棄能罰因子的模型出清調(diào)度計劃?；谑袌龀蓡T的申報信息及運(yùn)行日的機(jī)組、電網(wǎng)邊際運(yùn)行條件，采用SCUC和SCED 計算得到調(diào)度計劃出清結(jié)果，發(fā)送至各機(jī)組執(zhí)行。該輪出清不計算節(jié)點(diǎn)電價。

對于第二輪相比第一輪出清增出力的機(jī)組，增加的電量按固定的棄能價格進(jìn)行結(jié)算。對于第二輪相比第一輪出清減出力的機(jī)組，減少的電量按（第一輪出清電價-固定的棄能價格）進(jìn)行補(bǔ)償。

2.4 方案四：兩輪出清+不帶罰因子的LMP計算

第一、二輪市場出清無先后順序，可并行計算出清。

第一輪無棄能約束出清。如方案一，得到機(jī)組中標(biāo)電量結(jié)果。該輪出清結(jié)果不作為結(jié)算依據(jù)，只用于判斷哪些機(jī)組在第二輪出清中減出力，并減少棄水。

第二輪考慮清潔能源消納的出清。為保證最大程度地消納清潔能源，采用帶固定棄能罰因子的模型出清調(diào)度計劃?；谑袌龀蓡T的申報信息及運(yùn)行日的機(jī)組、電網(wǎng)邊際運(yùn)行條件，采用SCUC和SCED 計算得到調(diào)度計劃出清結(jié)果，發(fā)送至各機(jī)組執(zhí)行，并作為現(xiàn)貨市場的結(jié)算依據(jù)。

LMP 計算模型的目標(biāo)函數(shù)與第一輪出清的SCED 模型的目標(biāo)函數(shù)一致，即不帶棄能罰因子。對于水電和風(fēng)光電廠，若考慮棄能約束影響的出清電量大于不考慮棄能約束的電量，且清潔能源電廠棄電量減少，則在計算節(jié)點(diǎn)電價時，將該清潔能源電廠的報價設(shè)置為地板價，即市場允許的最低申報價格。

3 不同市場出清和定價方法的對比分析

前述4 種方案均采用兩輪出清方法，且都以目標(biāo)函數(shù)帶罰因子的那輪出清結(jié)果作為發(fā)電調(diào)度計劃，但每輪出清方式、節(jié)點(diǎn)電價的計算和結(jié)算方式有所區(qū)別，對比如表2 所示。

表2 4 種方案對比

方案一中，出清模型中加入固定棄能罰因子能夠在一定程度上抑制清潔能源棄電現(xiàn)象，但兩輪出清得到兩套節(jié)點(diǎn)電價，在發(fā)揮節(jié)點(diǎn)電價的時空價值引導(dǎo)信號時易給市場主體造成困惑。另外，棄能罰因子取值大小對水電廠利益的影響很大。固定棄能罰因子取值過小，無法達(dá)到消納棄水的效果；取值過大，第一輪出清有棄水的相關(guān)節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)電價可能被罰至市場出清價格的上、下限，極大地放大了棄能罰因子對節(jié)點(diǎn)電價的影響。

以三節(jié)點(diǎn)出清為例，如圖1 所示，水電機(jī)組G1和G3 的報價分別為100 元/MWh 和300 元/MWh，最大發(fā)電容量均為100 MW，最小技術(shù)出力均為0，G1 為徑流式水電機(jī)組，G3 為大庫存機(jī)組，不會產(chǎn)生棄水，支路L12 的最大傳輸容量為50 MW，其他支路的傳輸容量不受限，負(fù)荷需求為120 MW。在方案一模式下，不考慮棄能和考慮棄能的兩輪出清結(jié)果如表3 所示。

圖1 三節(jié)點(diǎn)出清示意圖

從表3 可以看出：方案一模式下，罰因子值一般為一個較大的常數(shù)，考慮棄能影響的節(jié)點(diǎn)出清價格受棄能罰因子影響較大，且只要出現(xiàn)棄水，某些關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)的電價就可能直接被壓至市場下限值或被抬至市場上限值。

表3 方案一模式下兩輪出清結(jié)果（不考慮市場限價）

方案二模式可根據(jù)不同電廠單獨(dú)設(shè)置彈性的棄能罰因子，在必須棄水時電廠原始報價還能影響棄水的先后順序，體現(xiàn)市場的競爭性和公平性。相比方案一，降低了棄能罰因子對節(jié)點(diǎn)電價的極端影響。但該方法需人為設(shè)定不同電廠的罰因子，同樣存在棄能罰因子設(shè)置得過低難以保障清潔能源優(yōu)先消納，而設(shè)置得過高又對節(jié)點(diǎn)電價影響較大，直接將節(jié)點(diǎn)電價壓至市場限價上的問題，若由政府機(jī)構(gòu)統(tǒng)一設(shè)置既公平又合理的棄能罰因子，實(shí)施難度較大。

方案三依據(jù)政府核定的較低固定棄水價格對第二輪出清機(jī)組的增出力進(jìn)行結(jié)算，并對為促進(jìn)水電消納而騰讓發(fā)電空間的機(jī)組給予補(bǔ)償，對市場主體來說相對公平一些。但該方式需人為設(shè)置統(tǒng)一的棄水固定結(jié)算價格，實(shí)施上有一定的難度。且第一輪未考慮棄能影響出清的節(jié)點(diǎn)電價不能精細(xì)反映對水電消納貢獻(xiàn)的價值，難以引導(dǎo)用戶在水電消納困難的節(jié)點(diǎn)多用電，促進(jìn)水電等清潔能源的消納。

方案四可避免節(jié)點(diǎn)電價受棄能罰因子的極端影響，只需出清一套節(jié)點(diǎn)電價，可激勵用戶在水電消納困難的節(jié)點(diǎn)多用電，價格信號清晰準(zhǔn)確。

對比上述4 種方案發(fā)現(xiàn)，方案四的可行性和實(shí)用性相對高一些，是最優(yōu)方案。

4 算例驗(yàn)證

針對方案四中節(jié)點(diǎn)電價計算方法的合理性，設(shè)置以下兩個場景進(jìn)行驗(yàn)證。

4.1 場景1：徑流式水電報高價，且受線路約束

如圖1 所示，水電機(jī)組G1 和G3 的報價分別為300 元/MWh 和200 元/MWh。G1 在考慮棄能約束后，出清電量增加，棄水減少，計算節(jié)點(diǎn)電價時，將其報價設(shè)置為地板價（假設(shè)為50 元/MWh）。

場景1 出清結(jié)果如表4 所示，可以看出：

表4 場景1 出清結(jié)果

1）在節(jié)點(diǎn)1 增加用電可減少棄水，節(jié)點(diǎn)電價低（地板價），可激勵用戶多在該節(jié)點(diǎn)用電；節(jié)點(diǎn)1 棄水電廠也愿意以較低的價格增加發(fā)電量，減少棄水。

2）節(jié)點(diǎn)2 由邊際機(jī)組G3 定價，節(jié)點(diǎn)電價為G3 報價。

3）節(jié)點(diǎn)3 用電受線路L12 約束，增加用電將加重L12 阻塞，因此節(jié)點(diǎn)電價比不考慮棄能影響時更高，也可激勵該節(jié)點(diǎn)用電往低價節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)移。

4.2 場景2：徑流式水電報高價，不受線路約束

如圖1 所示，水電機(jī)組G1 和G3 的報價分別為100 元/MWh 和200 元/MWh。G3 在考慮棄能約束后，出清電量增加，棄水減少，計算節(jié)點(diǎn)電價時，將其報價置為地板價（假設(shè)為50 元/MWh）。

場景2 出清結(jié)果如表5 所示，可以看出：

表5 場景2 出清結(jié)果

1）L12 未達(dá)界，節(jié)點(diǎn)1、節(jié)點(diǎn)2、節(jié)點(diǎn)3 增加用電均需由邊際機(jī)組G1 出力滿足，因此節(jié)點(diǎn)1、節(jié)點(diǎn)2、節(jié)點(diǎn)3 的電價均為G1 報價。

2）在不考慮棄能影響時，節(jié)點(diǎn)2 和節(jié)點(diǎn)3 的價格受G3 報價的影響；考慮棄能影響后，節(jié)點(diǎn)2和節(jié)點(diǎn)3 的電價不受G3 報價影響，相比不考慮棄能時有所下降。

3）該節(jié)點(diǎn)電價機(jī)制可防止徑流式水電、風(fēng)光機(jī)組因保障消納政策而報高價博弈，杜絕拉高節(jié)點(diǎn)電價的行為。

從上述兩個場景的分析可看出，方案四中的節(jié)點(diǎn)定價機(jī)制是合理、有效的，可以低價信號促進(jìn)清潔能源消納，同時抑制徑流式水電、風(fēng)光機(jī)組因保障消納政策而投機(jī)報高價。

5 結(jié)語

為穩(wěn)步推進(jìn)電力現(xiàn)貨市場建設(shè)，貫徹落實(shí)水電等清潔能源優(yōu)先消納的國家政策，推動“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，進(jìn)一步擴(kuò)大市場交易范圍，在電力現(xiàn)貨市場中保障水電等清潔能源優(yōu)先消納，且保障市場價格的合理性和有效性是含大規(guī)模水電電力市場需解決的重點(diǎn)問題。本文針對我國西南地區(qū)水電電力市場發(fā)展的實(shí)際問題，基于電力現(xiàn)貨市場兩輪出清方法，提出水電等清潔能源與火電同臺競價模式下4 種節(jié)點(diǎn)電價和市場結(jié)算方法，并通過對比分析和構(gòu)建場景算例方式，驗(yàn)證了建議方案機(jī)制的合理性和有效性。