基于備用輔助服務(wù)需求申報的現(xiàn)貨市場機制設(shè)計

劉 碩，張夢晗，夏 清，楊知方，陳啟鑫

（1. 清華大學電機工程與應(yīng)用電子技術(shù)系，北京市 100084；2. 北京電力交易中心有限公司，北京市 100031；3. 輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室（重慶大學），重慶市 400044）

0 引言

開展電力現(xiàn)貨市場有利于發(fā)現(xiàn)稀缺資源的價值屬性、降低交易風險、保障電網(wǎng)安全運行、實現(xiàn)資源合理調(diào)度［1-3］。現(xiàn)貨市場的交易品種包括能量及備用等輔助服務(wù)。目前，中國組建了反映發(fā)電側(cè)與用戶側(cè)供需關(guān)系的能量市場，成功實現(xiàn)了發(fā)電機與電力用戶的供需匹配，并根據(jù)供需關(guān)系形成了能量稀缺價格［4］。但電力作為供需必須實時平衡的特殊商品，在能量市場的基礎(chǔ)上還須組織備用等輔助服務(wù)市場，以保障電力系統(tǒng)的供需實時平衡。隨著新能源接入比例的不斷提高，研究可有效反映供需平衡成本的備用輔助服務(wù)市場機制的重要性日漸凸顯。

在美國電力市場中，獨立系統(tǒng)運營商（independent system operator，ISO）通常采用能量-備用輔助服務(wù)聯(lián)合出清的市場機制。調(diào)度運營機構(gòu)根據(jù)負荷預測及確定的比例系數(shù)決定系統(tǒng)備用需求。當電力系統(tǒng)備用供需緊張時，備用的安全價值和稀缺性大大增加，備用價格會隨電能量價格同步飆升［5］。為了在稀缺狀態(tài)下形成合適的價格信號，美國各大調(diào)度運營機構(gòu)［6-8］根據(jù)系統(tǒng)失負荷價值設(shè)計了考慮備用需求彈性的運行備用需求曲線（operation reserve demand curve，ORDC）［9-10］。該方式旨在系統(tǒng)備用容量稀缺時通過發(fā)揮備用需求彈性來穩(wěn)定價格［11-12］。盡管該方法可在一定程度上反映市場主體的備用需求彈性，但ORDC 通常由運行機構(gòu)預測得到，并在一定周期內(nèi)保持恒定［13-14］，無法反映市場主體的實際需求特征和備用需求彈性。由于缺乏真實的供需關(guān)系，這不利于形成備用稀缺價格和引導市場主體發(fā)揮需求彈性。

歐洲組織了能量和備用分別出清的電力現(xiàn)貨市場，其備用市場的組織通常基于容量補償?shù)姆绞剑?5］，如英國基于荷蘭式拍賣來組織備用市場。其中，除政府事先確定需求與交付外，拍賣、交易等階段均由市場自行實現(xiàn)［16］。發(fā)電機出售電力和提供備用等輔助服務(wù)時，需要服從電力庫調(diào)度，備用市場僅在考慮極少數(shù)運行約束下形成價格信號并調(diào)節(jié)供需不平衡。此外，位于北歐的歐洲輸電網(wǎng)運營商網(wǎng)絡(luò)組織（ENTSO-E）正在探索組織跨國跨區(qū)平衡的備用輔助服務(wù)容量共享機制。實時平衡市場與輔助服務(wù)市場由ENTSO-E 預測的備用需求確定。ENTSO-E 通過共享平臺集中采購、出清并滿足各國備用容量的需求［17］。然而，由于歐洲各國對于輔助服務(wù)的定義、技術(shù)標準的制定等存在差異，不同輔助服務(wù)的結(jié)算方式、合同期限、調(diào)度原則、準入要求等也不盡相同。上述基于容量補償?shù)膫溆檬袌龅湫吞卣魇窍到y(tǒng)運營機構(gòu)預測備用容量需求并進行直接拍賣采購。由于預測的精度難以保證，該方式可能導致價格信號產(chǎn)生偏差，并最終導致發(fā)電機收入不足等問題［18］。

當前現(xiàn)貨市場中，尚未引導備用輔助服務(wù)需求側(cè)主動申報并參與市場，這導致了備用需求彈性不足、分攤不合理等問題。為此，本文設(shè)計了基于備用輔助服務(wù)需求申報的市場機制，在技術(shù)層面的貢獻如下：1）基于市場主體主動申報備用需求的市場框架，提出了考慮市場主體差異化備用需求與備用需求彈性的市場出清模型；2）設(shè)計了滿足“誰產(chǎn)生，誰承擔”原則的能量及備用成本結(jié)算機制，分析了備用輔助服務(wù)需求申報下的市場供需雙方支付費用。

1 基于備用輔助服務(wù)需求申報的市場設(shè)計思路

1.1 當前備用輔助服務(wù)市場存在的問題

目前，各國備用輔助服務(wù)市場雖然運營模式有所不同，但整體來看，均主要針對備用供給側(cè)（即發(fā)電側(cè)）組織市場，而備用需求側(cè)的特性則由系統(tǒng)運行機構(gòu)（或獨立權(quán)威機構(gòu)）代為預測。因此，現(xiàn)有機制下，由于備用需求側(cè)（包括新能源、負荷等）缺少量、價的申報渠道，個體備用需求對價格的彈性尚無法在市場中考慮。在新能源接入比例較低時，備用輔助服務(wù)主要由負荷側(cè)波動及機組隨機故障產(chǎn)生，不同市場主體對備用需求側(cè)貢獻度的差異不大，當前做法具有其合理性。然而，隨著新能源大量并網(wǎng)，應(yīng)對新能源隨機波動產(chǎn)生的備用需求大增。由于新能源可在備用成本較高時通過能量削減替代備用需求，系統(tǒng)運行中將引入更多的備用需求彈性。在這種情況下，由運行機構(gòu)代為預測的備用輔助服務(wù)市場組織方法存在局限性，有必要探索并組建供需同時參與的備用輔助服務(wù)市場。

新能源大規(guī)模并網(wǎng)下，另一尚待討論的問題是如何實現(xiàn)備用成本的合理分攤。為了便于市場管理，現(xiàn)階段國外備用成本通常由電力用戶按照負荷需求量比例直接或者間接承擔。例如，美國PJM 市場將備用成本作為強制責任由大用戶或售電公司承擔，責任主體可自行提供或通過購買履行［19］；英國市場則是通過系統(tǒng)使用費將備用成本疏導至用戶［20］。在上述分攤機制下，雖然系統(tǒng)運行機構(gòu)預測并出清了新能源的備用需求，但新能源無須承擔備用成本。由于市場機制難以反映新能源的備用需求特征，向新能源分攤備用成本尚缺乏合理依據(jù)。目前，中國備用輔助服務(wù)市場尚在起步階段，若仍延續(xù)傳統(tǒng)發(fā)電機單邊承擔系統(tǒng)輔助服務(wù)成本的方式，亦無法承載大量接入新能源引發(fā)的備用需求。因此，有必要探索反映不同市場主體對備用需求貢獻度的成本分攤方法，體現(xiàn)“誰產(chǎn)生，誰承擔”的市場組織原則。

為解決上述問題，本文設(shè)計了基于備用輔助服務(wù)需求申報的市場機制，核心是參考能量市場組織模式，將備用輔助服務(wù)的需求側(cè)申報納入市場組織范疇。本文所提出清模型應(yīng)該根據(jù)備用需求關(guān)系對不同市場主體產(chǎn)生的備用需求進行差異化出清。出清模型中不僅要反映新能源市場主體的備用需求與能量供給間的彈性替代關(guān)系，還要體現(xiàn)備用需求和不同區(qū)域傳輸能力的差異。同時，本文根據(jù)備用需求關(guān)系，提出了各市場申報主體分攤備用輔助服務(wù)費用的方法，并針對備用輔助服務(wù)對輸電通道占用產(chǎn)生的市場阻塞盈余提出了分配方法。最后，討論了新能源承擔備用成本的合理性。

1.2 備用輔助服務(wù)的需求來源分析

備用輔助服務(wù)的功能是通過市場主體預留調(diào)節(jié)能力，應(yīng)對并處理電網(wǎng)運行過程中出現(xiàn)的不確定性，保障系統(tǒng)可靠供電。在傳統(tǒng)電力市場架構(gòu)中，備用輔助服務(wù)市場的主要功能是配合能量市場，滿足實時平衡的資源調(diào)配需求。產(chǎn)生備用需求的隨機波動來源大致有3 種：一是供給側(cè)發(fā)電機脫機，該波動可根據(jù)最大單機容量預留備用進行處理；二是負荷的隨機波動，該波動可按照最大負荷特定比例設(shè)置備用進行處理；三是新能源的隨機波動。隨著新能源并網(wǎng)率逐步提高，因新能源產(chǎn)生的備用需求將大幅增加，這也是本文重點關(guān)注的備用需求來源。

當前，備用輔助服務(wù)的主要任務(wù)是維持短期預測誤差和偶發(fā)性的機組非計劃停運故障沖擊下的系統(tǒng)供電可靠性［21］。對于機組故障，由于傳統(tǒng)發(fā)電機可控性強，其影響系統(tǒng)備用需求的因素主要是裝機容量。通常將最大單機容量設(shè)置為備用的方式保證了單一機組故障下的供電可靠性。對于電力用戶，其負荷預測誤差具有聚合特性，通常備用需求可基于一定比例和歷史運行經(jīng)驗進行整體預測。針對上述2 種備用需求來源，在已運行的電力市場（如美國PJM 市場和英國電力市場）中由可靠性指標與運行經(jīng)濟性來預測備用的系統(tǒng)需求，再由電力用戶分攤系統(tǒng)需求產(chǎn)生的備用成本。

由于新能源的可控性較弱，新能源隨機波動同樣將引起電力平衡偏差。大規(guī)模新能源并網(wǎng)后，為了適應(yīng)新能源頻繁的出力變化，市場出清應(yīng)考慮不同新能源的備用使用量和不同區(qū)域備用傳輸?shù)牟町?，以確保出清足夠的備用輔助服務(wù)來應(yīng)對新能源出力的不確定性［22-23］。同時，以新能源為代表的市場主體可在備用成本較高時通過能量削減替代備用需求，具有一定的備用需求彈性，這意味著新能源可通過修正能量申報等方式提供輔助服務(wù)，如降低出力從而減小負備用需求。因此，組織備用輔助服務(wù)供需兩側(cè)均參與申報的市場，有利于引導并發(fā)揮備用需求側(cè)的彈性。

1.3 基于備用輔助服務(wù)需求申報的整體設(shè)計思路

本文在常規(guī)市場機制的基礎(chǔ)上，提出了組織市場主體申報備用需求的市場機制。類似于能量市場，本文所提市場機制的重點是要在備用輔助服務(wù)市場中體現(xiàn)備用的供需特征，即在備用市場中建立雙邊的供需關(guān)系。在現(xiàn)有市場中，傳統(tǒng)發(fā)電機已經(jīng)組織申報了自身的備用容量與備用價格，備用供給側(cè)的個體供給關(guān)系明確。為描述個體的備用需求關(guān)系，本文要求市場主體主動申報自身的備用需求。

與現(xiàn)有基于系統(tǒng)需求的機制相比，組織申報備用輔助服務(wù)的市場機制具有如下優(yōu)勢：1）便于明確備用輔助服務(wù)個體需求，為備用的差異化出清和成本分攤提供依據(jù)；2）有助于通過價格信號發(fā)揮需求側(cè)的備用彈性，減少系統(tǒng)運行機構(gòu)需要處理的不確定性。當市場主體申報備用需求后，系統(tǒng)運行機構(gòu)可根據(jù)申報的個體需求進行差異化出清并按照個體需求進行成本分攤。若市場主體預計分攤備用成本過高，可通過主動降低申報的備用需求、提高預測精度等手段發(fā)揮備用需求的彈性，以提高自身收益。因此，系統(tǒng)運行機構(gòu)可在市場中僅考慮個體申報備用需求范圍內(nèi)的不確定性并預留備用進行處理。

在獲得申報信息后，系統(tǒng)運行機構(gòu)將根據(jù)各市場成員的個體備用需求進行備用輔助服務(wù)市場出清。為了保障個體備用需求主體在量和區(qū)域傳輸上的差異，本文出清模型中設(shè)置了體現(xiàn)不同市場主體量與區(qū)域差異的備用約束。此外，由于風、光等新能源和電力用戶負荷的不確定性具有疊加平滑等聚合效應(yīng)，在備用市場出清時，不能僅關(guān)注單個負荷/新能源的備用需求并簡單地進行加減，而應(yīng)綜合考慮各類不確定性的波動特征進行系統(tǒng)整體備用需求的評估，以避免產(chǎn)生過高的備用成本。為了在出清模型中體現(xiàn)該特征，本文引入了備用折算因子。在獲得出清結(jié)果后，備用成本應(yīng)由負荷、新能源等引起備用需求的市場主體分別承擔。基于市場主體的個體備用需求與市場出清結(jié)果，本文將設(shè)計考慮新能源分攤備用成本的結(jié)算方法。

2 基于備用輔助服務(wù)需求申報的市場出清及結(jié)算

2.1 考慮備用需求申報的能量-備用出清模型

針對市場主體申報備用需求，本文分別對申報備用需求的新能源與電力用戶設(shè)置了相應(yīng)約束。具體的市場出清模型設(shè)計如下。

2.1.1 目標函數(shù)

目標函數(shù)為總運行成本最小，由傳統(tǒng)發(fā)電機和新能源的能量生產(chǎn)成本與傳統(tǒng)發(fā)電機的備用供給成本構(gòu)成。

式中：pj，t為傳統(tǒng)發(fā)電機j在t時刻的出清能量；pw，t為新 能 源 機 組w在t時 刻 的 出 清 能 量；和分別為傳統(tǒng)發(fā)電機j在t時刻出清的上、下調(diào)整備用；為 傳 統(tǒng) 發(fā) 電 機j在t時 刻 的 發(fā) 電 成 本；為傳統(tǒng)發(fā)電機j在t時刻提供向上調(diào)整備用的申報價格；為傳統(tǒng)發(fā)電機j在t時刻提供向下調(diào)整備用的申報價格；為新能源機組w在t時刻的發(fā)電成本；W為新能源機組集合；J為傳統(tǒng)發(fā)電機集合。

2.1.2 約束條件

1）系統(tǒng)能量平衡約束

式中：Pn，t為節(jié)點n在t時刻的負荷需求；N為節(jié)點集合；λt為t時刻約束式（2）的拉格朗日乘子，將由出清模型的對偶問題產(chǎn)生。

2）線路潮流約束

式 中：Γi，n為 線 路i對 于 節(jié) 點n的 轉(zhuǎn) 移 分 布 因 子；en，j和en，w分別為傳統(tǒng)發(fā)電機j和新能源機組w所在節(jié)點n的標記；和分別為t時刻線路i的傳輸容量上、下限；fi，t為t時刻線路i的傳輸線路潮流分布；和分 別 為t時 刻 線 路 潮 流 約 束 下 限 和 上 限 在線路i上產(chǎn)生的拉格朗日乘子。

3）新能源/電力用戶申報備用需求約束

新能源/電力用戶申報備用需求約束將保證傳統(tǒng)發(fā)電機提供足夠的備用容量來滿足申報的備用需求。

4）備用傳輸預留線路約束

為保障市場主體申報的備用需求可獲得足夠的通道資源，備用傳輸預留線路約束將保證申報備用需求的節(jié)點可以獲得足夠的線路傳輸能力，確保不同區(qū)域可出清足夠備用供給且可完成交付。

5）傳統(tǒng)發(fā)電機/新能源機組出力約束

6）傳統(tǒng)發(fā)電機的備用供給約束

7）新能源備用需求調(diào)整約束

為了發(fā)揮新能源備用需求的彈性，備用輔助服務(wù)市場將在備用稀缺時通過新能源備用需求調(diào)整約束調(diào)整備用需求，以減小系統(tǒng)的總體運行成本。

與傳統(tǒng)的出清模型相比，該模型有如下特點：1）考慮了市場主體能量申報與備用輔助服務(wù)需求間的耦合關(guān)系；2）為了保證各申報主體能夠獲得足夠且可交付的備用容量，設(shè)計了備用傳輸通道約束用以保障不同節(jié)點備用交付上的差異。當前模型仍保留了線性形式，且約束和變量數(shù)目并未顯著增加，因此并未帶來沉重的出清求解負擔。在本文所提出清模型中，備用需求彈性將通過備用調(diào)整變量與發(fā)電機申報的期望出力相關(guān)，并通過相關(guān)約束影響在市場出清結(jié)果。

2.2 考慮申報備用需求市場分析與結(jié)算機制

在獲得出清結(jié)果后，本節(jié)設(shè)計了各市場主體分攤備用成本的結(jié)算機制。在備用結(jié)算中，傳統(tǒng)發(fā)電機的備用收益仍由出清價格和出清量決定，但備用支付則根據(jù)不同備用需求來源進行分攤。

2.2.1 能量價格與能量結(jié)算

最終的能量價格可表示為：

式中：πn，t為節(jié)點n在t時刻的節(jié)點邊際價格；λn，t為節(jié)點n在t時 刻 的 能 量 價 格；=Γn，i為 變 化 后 的 線路轉(zhuǎn)移分布因子；I為線路集合。

根據(jù)“同質(zhì)商品同價”的原則，λn，t與該時刻的價格λt相同，這是由約束式（2）確定的。由于受到網(wǎng)絡(luò)阻塞的空間傳輸限制，每個節(jié)點n還存在常規(guī)線路阻 塞 分 量和與 備 用 傳 輸 預 留 線 路 阻 塞 分 量。這些價格分量共同構(gòu)成了能量的節(jié)點邊際價格，即節(jié)點增加單位負荷所引起的全系統(tǒng)成本增量。

根據(jù)能量的節(jié)點邊際價格，各市場主體的能量結(jié)算如下：

1）傳統(tǒng)發(fā)電機：傳統(tǒng)發(fā)電機按照出清發(fā)電量和節(jié)點邊際價格的乘積獲得能量收益。

2）新能源：新能源按照出清發(fā)電量與節(jié)點邊際價格的乘積獲得能量收益。

3）電力用戶：電力用戶按照負荷量與節(jié)點邊際價格的乘積進行能量支付。

4）阻塞盈余：傳輸線路將按照阻塞盈余獲得市場收益。值得注意的是，針對市場主體申報的備用需求，出清模型中設(shè)置了備用傳輸預留線路容量以保障備用交付能力，并最終反映在能量價格中。因此，在能量結(jié)算中，電力用戶將額外支付備用傳輸預留線路產(chǎn)生的阻塞盈余。為了實現(xiàn)“誰產(chǎn)生，誰承擔”的市場原則，本文在備用結(jié)算中設(shè)計了市場申報主體對電力用戶的補償支付，旨在覆蓋因備用傳輸預留線路產(chǎn)生的額外支付。

為了進一步分析申報主體對備用傳輸預留線路的支付，線路阻塞盈余將做更加細致的劃分。

定義總阻塞盈余的費用CWCR如下：

式中：T為時間集合。

常規(guī)線路阻塞盈余CNCR由約束式（4）確定，這部分由常規(guī)線路阻塞分量計算，并最終由電力用戶承擔。預留線路阻塞盈余CPCR由約束式（7）和式（8）確定，該約束為保障申報主體的備用需求交付能力提供了足夠的傳輸容量。根據(jù)能量價格，CPCR由電力用戶能量支付覆蓋，總體費用如下：

對于不同的備用類型，CPCR將具體分為：

式 中：CPCR，up和CPCR，down分 別 為 上、下 備 用 的 預 留 線路阻塞盈余。

至此，系統(tǒng)總阻塞盈余分為了兩部分。在能量結(jié)算時，電力用戶將承擔全部總阻塞盈余。然而，未申報備用需求的電力用戶并不是備用傳輸預留線路（對應(yīng)預留線路阻塞盈余費用）的受益群體。為了實現(xiàn)“誰產(chǎn)生、誰支付”的市場原則，該費用將在備用結(jié)算中由申報備用需求的各市場主體向電力用戶補償支付。因此，在本文所提備用結(jié)算機制執(zhí)行后，未申報備用需求的電力用戶最終僅承擔常規(guī)線路阻塞盈余費用。

2.2.2 備用價格和備用結(jié)算

備用結(jié)算的目標是向不同的備用需求主體收取發(fā)電機備用的供給成本并為發(fā)電機提供盈利空間。在本文機制下，各市場參與主體的真實備用需求可由申報信息明確。因此，本文將形成備用邊際價格（由供給備用的邊際機組確定）并按照申報的備用需求進行結(jié)算。各申報備用需求的主體需要支付的費用由兩部分構(gòu)成：一部分是根據(jù)申報的備用需求與出清的備用邊際價格承擔容量費用；另一部分是針對備用傳輸預留線路的補償支付費用。申報自身的輔助服務(wù)需求電力用戶（與負新能源類似）也可根據(jù)出清結(jié)果進行結(jié)算。

備用具體結(jié)算方式如下：

1）調(diào)節(jié)電源（即有意愿參與備用市場并提供備用的傳統(tǒng)發(fā)電機）：調(diào)節(jié)電源將按照出清備用供給量和備用邊際價格的乘積獲得備用收益。

2）新能源：新能源申報了個體備用需求曲線，且新能源備用的供需關(guān)系明確。在本文所提出清模型中，通過備用傳輸預留線路約束對不同空間特征的備用需求進行差異化出清，新能源將分攤不同備用成本。

根據(jù)“同質(zhì)商品同價”的基本原理，對于同樣性質(zhì)的備用容量，價格應(yīng)該一致。因此，新能源將按照自身申報備用需求量與出清的備用邊際價格支付備用容量成本，其結(jié)算支付分為上備用支付和下備用支付。

除備用容量支付外，新能源還將支付CPCR以補償電力用戶的額外支付，該費用將體現(xiàn)申報主體因空間分布差異產(chǎn)生的備用成本差異。

對于式（7）中產(chǎn)生的CPCR，up，具體補償支付的方法如下。

對于新能源機組w（所在節(jié)點n），計算t時刻對每條線路i的支付補償因子：

在能量結(jié)算中，已通過πn，t向電力用戶收取了足額 的CPCR，up。對 于 單 條 線 路i在t時 刻 的 費 用，用戶支付的費用可按照式（18）計算并確定。針對已由電力用戶支付的，為了實現(xiàn)新能源向電力用戶的補償，新能源機組w分攤的費用為：

同樣，對于式（8）產(chǎn)生的費用CPCR，down，計算下備用費用補 償支付因 子kdowni，w，t如 下：

對 于 線 路i在t時 刻 的 費 用，新 能 源 機組w分攤的費用為：

因此，對加劇備用傳輸預留線路阻塞的新能源機組將分攤產(chǎn)生的預留線路阻塞盈余CPCR。由于預留線路阻塞盈余CPCR已在能量結(jié)算中由電力用戶支付，新能源將在備用結(jié)算中向電力用戶以補償支付的形式補償該費用。

3）電力用戶：未申報備用需求的電力用戶將按照現(xiàn)有機制進行分配，通常由電力用戶按照負荷量占總負荷的比例分配系統(tǒng)預測備用產(chǎn)生的備用成本。為聚焦本文研究，本文未單獨討論系統(tǒng)預測的備用需求。申報備用需求的電力用戶將被視為負新能源并按照新能源方式進行結(jié)算。

在能量結(jié)算中，電力用戶承擔了預留線路阻塞盈余CPCR，在備用結(jié)算中，該部分將按本節(jié)的新能源方式進行補償。因此，整個系統(tǒng)的最終結(jié)算如圖1所示。在本文方法結(jié)算后，可最終實現(xiàn)能量市場和備用市場的收支平衡。

圖1 所提結(jié)算方法的現(xiàn)金流Fig.1 Cash flow of proposed settlement method

本文機制中一個重要前提是組織新能源申報符合實際的備用需求曲線。本質(zhì)上，新能源申報的備用需求是基于對自身不確定的預測，需要對自己的期望出力與實際運行偏差提前預測評估。備用需求曲線與能量曲線將形成類似于傳統(tǒng)發(fā)電機機組的上下限約束，最終形成新能源的運行邊界。參考當前電網(wǎng)運行方式，可通過對額外輔助服務(wù)需求引入懲罰因子的方式，激勵新能源盡可能申報較為準確的備用需求，本文在此不做詳盡探討［24］。

3 考慮備用需求申報的市場機制優(yōu)勢分析

3.1 通過備用成本促進新能源承擔市場責任

在現(xiàn)有市場機制下，備用需求由系統(tǒng)運行機構(gòu)預測，備用成本由電力用戶單邊承擔。隨著新能源并網(wǎng)率的提高，電力用戶單邊承擔備用成本的機制已難以為繼，需要研究新能源承擔備用成本的方法。

在本文的機制下，新能源通過申報自身的備用需求，在市場中形成明確的備用供需關(guān)系，備用成本可向新能源追溯并分攤。因此，盡管出清模型新增了備用約束，市場的總體運行成本略微提高，但電力用戶的總體支付費用將會減少。減少的支付費用將在需求側(cè)向供給側(cè)的現(xiàn)金流中內(nèi)部扣除，即新能源將取代電力用戶從能量收益中支付自身產(chǎn)生的備用費用。通過結(jié)算新能源的能量收益與備用支付，實現(xiàn)了新能源的市場收益與責任的匹配，備用市場將符合“誰產(chǎn)生，誰承擔”的市場原則。

除備用容量支付外，申報備用需求的新能源還將支付備用傳輸預留線路的阻塞盈余，這是為保障備用需求交付能力產(chǎn)生的成本。由于不同的新能源區(qū)域位置不同，對線路阻塞的貢獻度不同，各新能源的分攤費用也不同。因此，不同新能源將按照不同的貢獻度分攤備用傳輸預留線路的阻塞盈余。該費用體現(xiàn)了不同新能源間的區(qū)域位置差異對備用需求貢獻度的影響。

值得一提的是，假設(shè)所有市場主體申報備用需求曲線均為0，則本文機制的出清結(jié)果將與傳統(tǒng)方法完全一致。當然，不申報備用需求的主體一旦出現(xiàn)了運行偏差，可能將在運行中付出高昂的懲罰成本。因此，不申報備用需求并不意味著市場主體無備用需求，而是意味著市場主體選擇不通過市場購買備用資源處理潛在偏差。

3.2 通過備用需求申報彈性保障系統(tǒng)響應(yīng)能力

根據(jù)本文所提機制，新能源將申報備用需求并分攤相應(yīng)的備用成本。同時，新能源備用需求將通過調(diào)節(jié)電源出清備用容量與備用傳輸預留線路得到供應(yīng)保障。對整個系統(tǒng)來說，新能源在備用需求范圍內(nèi)的運行偏差可獲得足夠資源進行快速處理。

除此之外，由于新能源參與市場的收益與申報的備用需求相關(guān)，在申報時新能源可考慮自行減少發(fā)電量（棄風、棄光）來減少對市場備用的需求。因此，各新能源可評估自身的棄電成本和備用成本，并最終通過減少期望出力的申報策略實現(xiàn)最大盈利。當新能源考慮自身的棄電量時，等同于新能源選擇提前通過減少出力來自主提供備用服務(wù)，而非從市場中購買備用。由于新能源將進行策略性申報，部分新能源波動將自行處理，系統(tǒng)需要處理的隨機波動可減少。

若新能源申報的備用需求無法滿足實際運行，由于存在懲罰價格，新能源將因越限導致付出大量的懲罰成本。高額的懲罰成本將激勵新能源預測并申報更加準確的備用需求。因此，新能源有動力提高對自身運行波動的預測精度。同時，高額的懲罰成本亦可為實時的平衡費用提供資金來源。

此外，在出清模型中，由于存在備用需求調(diào)整約束，當新能源的備用需求產(chǎn)生的成本高于系統(tǒng)的能量成本時，系統(tǒng)將在出清模型中降低新能源的期望出力與調(diào)整其備用需求，通過發(fā)揮備用的需求彈性緩解因備用稀缺導致的運行不確定性。

4 算例驗證

基于IEEE 30 節(jié)點的測試系統(tǒng)驗證所提市場機制。出清模型和結(jié)算方式采用前文所提的能量-備用聯(lián)合出清模型進行集中出清并結(jié)算。為聚焦于新能源對備用輔助服務(wù)需求的影響，本文算例部分暫不考慮用戶對備用輔助服務(wù)需求的申報。

4.1 新能源并網(wǎng)率為8% 時所提機制的有效性驗證

4.1.1 新能源并網(wǎng)率為8%時的市場結(jié)果分析

為了驗證新能源并網(wǎng)率為8%時所提機制的有效性，在修改IEEE 30 節(jié)點算例的基礎(chǔ)上，在節(jié)點22處增加了1 臺容量為20 MW 的新能源機組，同時在節(jié)點27 處增加了1 臺容量為10 MW 的新能源機組。系統(tǒng)傳統(tǒng)發(fā)電機的總裝機容量為335 MW，基準功率為100 MW。

采用本文方法的市場運行結(jié)果如表1 所示。其中，傳統(tǒng)發(fā)電機的總收益由3 個部分構(gòu)成：能量收益、上備用收益和下備用收益。由于新能源申報了備用需求曲線，新能源將承擔因申報產(chǎn)生的備用費用。本算例中并未組織電力用戶申報備用需求，因此相關(guān)費用均為0 元。

表1 新能源并網(wǎng)率為8%時的市場運行結(jié)果Table 1 Results of market operation when renewable energy grid connection rate is 8%

按照本文機制，傳輸線路在能量市場中的預留線路阻塞盈余原本在能量市場中由電力用戶負擔，但在備用市場結(jié)算后，預留線路補償支付將實現(xiàn)新能源向電力用戶的成本補償。

由于新能源的能量邊際成本低，且此時備用供給較充足，如圖2 所示，2 臺新能源申報的期望出力均實現(xiàn)了完全消納。在本文機制下，盡管新能源根據(jù)申報的備用需求分攤了備用費用，但仍能在市場中獲得收益。

圖2 新能源并網(wǎng)率為8%時的出清結(jié)果Fig.2 Clearing results when renewable energy grid connection rate is 8%

4.1.2 與傳統(tǒng)方法結(jié)果的對比分析

在本算例中，新能源在傳統(tǒng)方法和本文方法中均可實現(xiàn)完全消納，與圖2 所示一致。由于本文方法將對所有市場主體的出清及結(jié)算產(chǎn)生影響，為更好地體現(xiàn)本文方法的優(yōu)勢，本節(jié)分析了應(yīng)用傳統(tǒng)方法和本文方法結(jié)算后的各項費用。為了便于對比，假設(shè)傳統(tǒng)方法中預測的系統(tǒng)需求與新能源申報的總量保持一致，但由于缺乏新能源個體需求信息，產(chǎn)生的備用成本仍沿用現(xiàn)有市場機制向電力用戶分攤。

從圖3 的結(jié)算結(jié)果可以看出，本文方法下傳統(tǒng)發(fā)電機組的運行費用和總體收益增加，這是由備用約束增加、出清結(jié)果的運行可行域減小導致的。同時，新能源將在發(fā)揮能量邊際成本的優(yōu)勢下，承擔相應(yīng)的市場義務(wù)（即備用成本）并進行結(jié)算分攤，這是本文方法與傳統(tǒng)方法最大的不同。因此，新能源參與市場的總收益將減少。對于電力用戶而言，因為部分備用成本將由新能源承擔，本文所提方法中的電力用戶總支付較傳統(tǒng)方法也會減少。另外，因為預留線路容量的存在，常規(guī)線路達界情況將會減少，這將減少電力用戶承擔的常規(guī)阻塞盈余費用。

圖3 新能源并網(wǎng)率為8%時2 種結(jié)算方法下的結(jié)果對比Fig.3 Comparison of results with two settlement methods when renewable energy grid connection rate is 8%

值得一提的是，市場中所有結(jié)算的支付來源是電力用戶的總支付。在傳統(tǒng)方法中，電力用戶因額外承擔了新能源的備用成本，總支付增加，造成了市場效率損失。采用本文方法后，由于市場結(jié)算符合“誰產(chǎn)生，誰承擔”的市場原則，因備用成本錯配造成的額外成本將得到減小。

4.2 新能源并網(wǎng)率為20%時所提機制的有效性驗證

4.2.1 新能源并網(wǎng)率為20%時的市場結(jié)果分析

在4.1 節(jié)的基礎(chǔ)上，本節(jié)在節(jié)點12 和節(jié)點30 處均額外接入25 MW 的新能源機組。系統(tǒng)傳統(tǒng)發(fā)電機的總裝機容量保持335 MW。因此，本算例新能源的并網(wǎng)率將提升至20%。同時，凈負荷曲線與4.1 節(jié)相同。

類似于圖3，圖4 對比了本文方法與傳統(tǒng)方法下的結(jié)算結(jié)果。比較圖3 和圖4 可以看出，隨著新能源并網(wǎng)率提高，不僅傳統(tǒng)發(fā)電機的能量市場收益有所減少，電力用戶的整體支出也減少。這意味著新能源并網(wǎng)率的提高可減少電力系統(tǒng)整體運行成本。具體來說，傳統(tǒng)發(fā)電機能量邊際成本高于新能源，因此在能量市場中的競爭力小于新能源。更多的新能源并網(wǎng)可進一步降低能量邊際價格，這將減少傳統(tǒng)發(fā)電機的能量收益與電力用戶的能量支付。

圖4 新能源并網(wǎng)率為20%時2 種結(jié)算方法下的結(jié)果對比Fig.4 Comparison of results with two settlement methods when renewable energy grid connection rate is 20%

在能量市場中，由于新能源邊際成本低，相較傳統(tǒng)發(fā)電機具有競爭優(yōu)勢。然而，由于調(diào)節(jié)電源的備用容量與備用傳輸預留線路容量逐漸稀缺，消納新能源產(chǎn)生的備用成本逐漸升高。在傳統(tǒng)方法下，該部分成本將由電力用戶額外承擔，這不僅不符合“誰產(chǎn)生，誰承擔”的市場原則，而且放大了新能源的競爭優(yōu)勢。出于對能量邊際成本考慮，市場將盡量實現(xiàn)新能源期望出力曲線完全消納，電力用戶的總支出將隨之大幅增加。

4.2.2 考慮新能源備用需求彈性的市場結(jié)果分析

在傳統(tǒng)方法下，由于新能源具有能量成本的競爭優(yōu)勢且不承擔備用成本，市場將實現(xiàn)新能源期望出力曲線的完全消納。然而，隨著新能源增多，備用的稀缺性逐步體現(xiàn)，能量邊際成本低的優(yōu)勢將削弱。一旦考慮備用容量和備用傳輸預留線路容量的稀缺性，新能源的完全消納將造成額外的運行成本。在本文方法下，新能源申報的備用需求將影響新能源的出清結(jié)果，進而在運行成本較高時造成新能源無法完全消納。

圖5（a）給出了本文方法下4 臺新能源機組的出清結(jié)果（傳統(tǒng)方法可完全消納4 臺新能源機組期望出力）。其中，新能源機組4 的出力全額消納帶來的運行效益將不足以補償備用成本支出。為此，新能源機組4 將通過備用調(diào)整變量降低出力與備用需求，發(fā)揮備用需求的彈性替代。

圖5 新能源并網(wǎng)率為20%時的出清結(jié)果Fig.5 Clearing results when renewable energy grid connection rate is 20%

從圖4 可以看出，對于傳統(tǒng)發(fā)電機而言，雖然備用收益基本持平，但新能源機組4 出清備用需求隨出清的出力結(jié)果減小，這意味著隨著備用的稀缺，備用容量的價格有所提高，傳統(tǒng)發(fā)電機可通過價格信號獲得市場收益，市場收益也將激勵傳統(tǒng)發(fā)電機提供更高質(zhì)量的備用。對于電力用戶而言，本文所提方法下的總支付較傳統(tǒng)方法也將大幅減少。具體來說，在傳統(tǒng)方法中，由于新能源的備用成本由用戶單邊承擔，用戶總支付費用遠大于本文方法。該部分即責任錯配（備用成本分攤不符合“誰產(chǎn)生、誰承擔”）造成的市場效益損失。在本文方法下，用戶減少總支付費用主要由兩方面構(gòu)成：一方面，電力用戶不用負擔因新能源并網(wǎng)增加的備用成本；另一方面，因為預留線路容量增多，常規(guī)線路達界情況也將進一步減少。值得一提的是，盡管電力用戶的總體支付費用減少，但市場結(jié)算仍可實現(xiàn)全部成本的覆蓋。

由于本文方法中新能源將進行備用支付，新能源總體收益將減少，但仍然可以獲得收益。為了進一步說明本文所提方法對新能源出清與結(jié)算的影響，不同方法下的新能源機組4 出清結(jié)果如圖5（b）所示。在傳統(tǒng)方法中，由于備用需求是基于整體的系統(tǒng)需求進行出清的，缺乏針對個體備用需求的考慮，從系統(tǒng)整體運行角度而言備用供給充足。系統(tǒng)的整體運行費用僅與能量邊際價格相關(guān)，新能源機組4 可完全消納。然而，本文方法下的新能源機組4的個體備用需求關(guān)系通過備用通道傳輸約束影響系統(tǒng)的潮流分布與運行成本，并通過備用調(diào)整變量影響新能源出力，這是導致本文方法無法完全消納新能源的根本原因。

選擇圖5（b）中第4 h 來具體分析運行成本變化。假設(shè)此時新能源機組4 增加一個單位有功出力，其能量供應(yīng)成本遠低于此時能量邊際價格22 元/MW（本文新能源的能量邊際成本均為0.01 元/MW），可產(chǎn)生21.99 元的市場效益。按照傳統(tǒng)方法，此時系統(tǒng)備用的總體供給充足，因此完全消納新能源進一步減少系統(tǒng)的運行成本。然而，在本文方法下，與新能源機組4 所在節(jié)點的連接線路將因備用傳輸預留線路約束需要出清特定的調(diào)節(jié)電源供應(yīng)備用容量，這是由新能源機組4 的區(qū)域特征造成的。如果完全消納新能源機組4 的出力，則需要特定的發(fā)電機調(diào)整出力與備用。滿足新能源機組4的個體備用需求將會產(chǎn)生全網(wǎng)38.96 元的調(diào)整成本。因此，即使考慮能量收益，系統(tǒng)成本仍增加了16.97 元。為了實現(xiàn)最小運行成本，新能源機組4 將無法完全消納申報備用需求量。此時，本文出清模型通過備用需求申報形成的供需關(guān)系，自發(fā)在備用稀缺時形成備用彈性，實現(xiàn)了最小的運行成本。

5 結(jié)語

隨著新能源的接入比例持續(xù)提升，作為一種維持系統(tǒng)穩(wěn)定運行的調(diào)度資源，備用的稀缺性正在逐步凸顯。如何組織高比例新能源并網(wǎng)后的備用市場仍是一個困擾現(xiàn)貨市場的難題。即使是在較為成熟的歐美等電力市場，備用輔助服務(wù)的市場組織及成本分攤方法仍存在可改進的空間。為了發(fā)揮電力市場稀缺資源定價功能與資源調(diào)度功能，需要設(shè)計適應(yīng)高比例新能源接入下的備用市場機制。

本文分析了高比例新能源接入電力系統(tǒng)后的備用市場的供求特性變化，設(shè)計了一種基于備用輔助服務(wù)申報的市場機制。通過組織新能源申報備用需求，在備用市場中建立了供給側(cè)與需求側(cè)的雙邊供需關(guān)系，并針對新能源的備用需求設(shè)計了出清模型與結(jié)算機制，避免出現(xiàn)高比例新能源情境下的備用責任錯配問題，最終形成“誰產(chǎn)生，誰支付”的市場機制。算例結(jié)果表明所提機制有效引導了新能源負擔部分備用成本，實現(xiàn)了能量與備用成本的合理分攤。

本文方法仍有諸多技術(shù)問題值得深入研究。例如，由于個體申報量與系統(tǒng)整體的需求量并非是簡單的疊加關(guān)系，本文直接將各申報主體的備用需求疊加是一種簡化考慮的方法。后續(xù)研究將著眼于考慮多個主體同時申報備用需求后的折算方法，合理考慮不同隨機波動性之間的耦合效應(yīng)。此外，由于本文并未深入討論單個新能源的策略性申報方式，組織新能源申報備用需求曲線后，其自調(diào)度的激勵作用與策略性申報的行為是另一個亟待探索的問題。