適應(yīng)新型電力系統(tǒng)的電力互替品市場(chǎng)
——（一）理念與構(gòu)想

何光宇，范 帥，李祖毅，肖居承，孟 琰，嚴(yán) 正

（1.電力傳輸與功率變換教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（上海交通大學(xué)），上海市 200240；2.上海非碳基能源轉(zhuǎn)換與利用研究院，上海市 200240；3.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，浙江省杭州市 310027）

0 引言

為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，世界各國積極建設(shè)含高比例新能源的電力系統(tǒng)［1］。中國于2021 年提出了構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的目標(biāo)，高比例新能源接入是其最重要的特征［2］，電力系統(tǒng)形態(tài)正在發(fā)生根本性變化。

全新的電力系統(tǒng)形態(tài)給電力市場(chǎng)設(shè)計(jì)帶來了新的挑戰(zhàn)，諸多文獻(xiàn)從新能源、新主體等方面開展了面向新型電力系統(tǒng)的市場(chǎng)機(jī)制研究。在促進(jìn)新能源消納方面，文獻(xiàn)［3］從中長(zhǎng)期、現(xiàn)貨、輔助服務(wù)及需求側(cè)響應(yīng)等不同市場(chǎng)角度，歸納了國內(nèi)外電力市場(chǎng)的設(shè)計(jì)現(xiàn)狀，提出了面向高比例新能源消納的電力市場(chǎng)發(fā)展建議；文獻(xiàn)［4］探討了高比例新能源背景下電力現(xiàn)貨市場(chǎng)基本原理所存在的問題，包括價(jià)格信號(hào)消失、靈活性價(jià)值難以體現(xiàn)等，提出了新能源與靈活性資源解耦的電力現(xiàn)貨市場(chǎng)構(gòu)想。在接納新興市場(chǎng)主體方面，文獻(xiàn)［5］歸納了儲(chǔ)能參與市場(chǎng)的價(jià)值分析、框架體系與交易機(jī)制，指出儲(chǔ)能參與市場(chǎng)面臨的諸多挑戰(zhàn)與困難；文獻(xiàn)［6］探討了規(guī)?；`活性資源虛擬電廠參與調(diào)峰等輔助服務(wù)市場(chǎng)的機(jī)制與問題。在具體實(shí)踐方面，中國于2015 年開始了新一輪的電力體制改革，山西、廣東、山東、浙江、四川等諸多省市探索建設(shè)電力現(xiàn)貨市場(chǎng)，并通過各種措施促進(jìn)新能源消納。

盡管諸多工作都聚焦于市場(chǎng)機(jī)制研究，新能源消納難、儲(chǔ)能等靈活性資源激勵(lì)不足、新型主體難以推廣等問題仍非常突出。僅2022 年一季度中國的棄風(fēng)電量就達(dá)到6 000 GW·h，棄光電量達(dá)到2 400 GW·h，部分地區(qū)風(fēng)光利用小時(shí)數(shù)呈下降趨勢(shì)［7］；與此同時(shí)，2022 年多地又出現(xiàn)電力緊缺、有序用電的問題，新能源消納和電力保供矛盾突出。近年來，雖有研究和實(shí)踐提出了儲(chǔ)能、虛擬電廠等新主體進(jìn)入市場(chǎng)的相關(guān)機(jī)制，但效果尚不顯著。諸多省市要求新能源配置儲(chǔ)能［8］，而“一配了之、配而不用”的情況又大量發(fā)生，新能源配儲(chǔ)等效利用系數(shù)僅為6.1%［9］；虛擬電廠主要以需求響應(yīng)的方式參與調(diào)節(jié)，未形成可持續(xù)的商業(yè)模式［10］。

造成上述困難的原因在于，現(xiàn)行電力市場(chǎng)機(jī)制所依賴的外部環(huán)境發(fā)生了根本性變化。世界各國電力現(xiàn)貨市場(chǎng)研究多建立在Schweppe 等學(xué)者提出的節(jié)點(diǎn)邊際電價(jià)理論之上［11-12］。它將市場(chǎng)主體功率曲線按等時(shí)間間隔劃分為多個(gè)時(shí)段，并將其作為商品開展“分時(shí)交易”。但是，該理論提出之時(shí)的電力系統(tǒng)中幾乎沒有新能源發(fā)電，電源的調(diào)節(jié)能力充裕，而在新型電力系統(tǒng)下，新能源占比高，電源調(diào)節(jié)能力日益匱乏。因此，有必要重新思考分時(shí)交易這一電力市場(chǎng)的基本理念還能否適應(yīng)新型電力系統(tǒng)發(fā)展。此外，分時(shí)交易還存在一個(gè)眾所周知的問題，即分時(shí)交易與電力系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行特性之間存在固有矛盾。

針對(duì)分時(shí)交易的問題，已有不少研究進(jìn)行了探索。早在中國首輪電力體制改革時(shí)期，就有學(xué)者明確指出，持續(xù)時(shí)間不同的電力段，其生產(chǎn)成本以及對(duì)電力系統(tǒng)的貢獻(xiàn)均不同，分時(shí)交易沒有體現(xiàn)電能同質(zhì)同價(jià)的公平原則，導(dǎo)致市場(chǎng)效率降低，并由此提出了分段競(jìng)價(jià)的相關(guān)理論［13-16］；文獻(xiàn)［17］進(jìn)一步提出了基于連續(xù)時(shí)間商品模型的電力市場(chǎng)定價(jià)理論。歐洲電力市場(chǎng)則提出了能量塊、平衡結(jié)算單元（balancing group）等交易機(jī)制［18-20］，一定程度上解決了分時(shí)交易機(jī)制的不足，國內(nèi)也對(duì)此類機(jī)制及其在中國的適應(yīng)性進(jìn)行了探討與分析［21-22］。此外，近幾年來對(duì)分時(shí)交易的改進(jìn)也有諸多探索。其中，文獻(xiàn)［23-24］提出了靈活能量塊交易出清模型；文獻(xiàn)［25-26］提出了擺動(dòng)合同（swing contract，SC）的市場(chǎng)機(jī)制；文獻(xiàn)［27］提出將功率曲線拆分為能量大小和能量轉(zhuǎn)移兩個(gè)產(chǎn)品的思路；文獻(xiàn)［28］提出基于互替電價(jià)的市場(chǎng)機(jī)制，本文工作正是這一思路的延續(xù)與深化。

新型電力系統(tǒng)重塑了能源生產(chǎn)消費(fèi)結(jié)構(gòu)，分時(shí)交易的市場(chǎng)機(jī)制已愈來愈難以適應(yīng)新型電力系統(tǒng)的發(fā)展?！笆酪讜r(shí)移、變法宜矣”，有必要從第一性原理出發(fā)，重新思考根本的電力市場(chǎng)機(jī)制設(shè)計(jì)問題，從源頭提出適應(yīng)新型電力系統(tǒng)的新型市場(chǎng)機(jī)制。本文大膽舍棄“分時(shí)交易”這一基本假設(shè)，提出“整體交易”，即將功率曲線作為有機(jī)整體進(jìn)行交易的市場(chǎng)理念，設(shè)計(jì)了電力互替品這一商品，構(gòu)想了其形成機(jī)制與交易方法。電力互替品市場(chǎng)的研究可從根本上解決分時(shí)交易機(jī)制存在的弊端，為提升新型電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力指明路徑，為電力市場(chǎng)研究開辟新的方向。

1 新型電力系統(tǒng)發(fā)展對(duì)電力市場(chǎng)機(jī)制的要求

新型電力系統(tǒng)中的能源生產(chǎn)消費(fèi)結(jié)構(gòu)發(fā)生了根本性變化，對(duì)市場(chǎng)機(jī)制設(shè)計(jì)提出了全新的要求。本章首先分析新型電力系統(tǒng)在運(yùn)行中存在的難點(diǎn)及其背后的主要矛盾，進(jìn)而指出新型電力系統(tǒng)下電力市場(chǎng)機(jī)制設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題、應(yīng)具備的特征和要求。

1.1 新型電力系統(tǒng)發(fā)展的主要挑戰(zhàn)

火電等傳統(tǒng)機(jī)組既提供了電能量，又同時(shí)提供了調(diào)節(jié)能力。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2010 年中國火電占比達(dá)74%，具有調(diào)節(jié)能力的水電占比約22%［29］。可以認(rèn)為，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)能力充裕，因而是廉價(jià)、可忽略的，電力市場(chǎng)機(jī)制設(shè)計(jì)中可以不將市場(chǎng)主體所作的調(diào)節(jié)貢獻(xiàn)納入考慮。需說明的是，本文所述“調(diào)節(jié)能力”泛指靈活性［30］、靈活調(diào)節(jié)能力［31］等類似的概念，用于表征消弭負(fù)荷變化的能力。

反觀新型電力系統(tǒng)，新能源將成為電力供應(yīng)主體。截至2022 年，風(fēng)光占比已達(dá)30%［29］。由于光伏、風(fēng)電等新能源主要用于提供電能量，很難為系統(tǒng)電力平衡作出調(diào)節(jié)貢獻(xiàn)，全系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力變得匱乏。也正因如此，火電靈活性改造、抽水蓄能大規(guī)模建設(shè)、壓縮空氣儲(chǔ)能、新能源配儲(chǔ)等頻頻成為熱門話題，新型電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力需要快速提升成為共識(shí)［32］。國家能源局在2023 年發(fā)布的《新型電力系統(tǒng)發(fā)展藍(lán)皮書》中也指出，新能源大規(guī)模高比例發(fā)展要求系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力快速提升［29］。

不難看出，高比例新能源接入下，如何提升系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力已成為主要矛盾。其主要原因在于電力系統(tǒng)運(yùn)行需要保持電力電量平衡，而由于新能源發(fā)電邊際成本低，新型電力系統(tǒng)有著充足的容量和電量供應(yīng)，總體電量平衡已經(jīng)下降為次要矛盾；與此同時(shí)，新能源發(fā)電隨機(jī)性、間歇性、波動(dòng)性大，很難為新型電力系統(tǒng)電力平衡作出調(diào)節(jié)貢獻(xiàn)，導(dǎo)致電力平衡困難重重，調(diào)節(jié)能力匱乏成為新型電力系統(tǒng)安全高效運(yùn)行的關(guān)鍵。

實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)的諸多問題，也已反映出這一矛盾。例如，由于大量光伏的并入，使得在部分時(shí)段，凈負(fù)荷大小在相鄰時(shí)段出現(xiàn)巨大的變化，如中國青海省凈負(fù)荷呈現(xiàn)出“鴨子曲線”［33］。這種相鄰時(shí)段的變化要求常規(guī)發(fā)電機(jī)組具有足夠的爬坡調(diào)節(jié)能力?！傍喿忧€”最早出現(xiàn)在美國加州獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營商（CAISO），而如今在中國，不僅在青海省出現(xiàn)，山東、冀北、浙江等地也屢見不鮮，并逐步發(fā)展為常態(tài)，反映出巨大的跨時(shí)段出力增/減需求。隨著新能源占比進(jìn)一步提升，美國加州電網(wǎng)日間的凈負(fù)荷已達(dá)到零或變?yōu)樨?fù)值，呈現(xiàn)為“峽谷曲線”［34］。中國山東省在2023 年的4 月29 日—5 月3 日，因負(fù)荷 下降、新能源日間大發(fā)，產(chǎn)生了嚴(yán)重的供大于求問題，使得電力現(xiàn)貨實(shí)時(shí)交易累計(jì)出現(xiàn)46 次負(fù)電價(jià)，連續(xù)實(shí)時(shí)現(xiàn)貨出清負(fù)電價(jià)時(shí)段長(zhǎng)達(dá)22 h［35］。這一現(xiàn)象也說明，此時(shí)的新能源電量?jī)r(jià)值已小于系統(tǒng)調(diào)節(jié)成本。

綜上所述，在新型電力系統(tǒng)背景下，調(diào)節(jié)能力是稀缺而昂貴的，在電力市場(chǎng)機(jī)制中，需將調(diào)節(jié)能力作為主要商品進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.2 適應(yīng)新型電力系統(tǒng)發(fā)展的電力市場(chǎng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

既然提升調(diào)節(jié)能力是新型電力系統(tǒng)的主要矛盾，“提升系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力”也就成為市場(chǎng)機(jī)制設(shè)計(jì)的首要目標(biāo)。因?yàn)橄到y(tǒng)調(diào)節(jié)能力最終來源于各市場(chǎng)主體，新型電力系統(tǒng)下的電力市場(chǎng)機(jī)制需要具備如圖1 所示的3 個(gè)方面的特征，只有滿足其對(duì)應(yīng)的基本要求，才能發(fā)揮市場(chǎng)機(jī)制對(duì)提升系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力的作用。

圖1 新型電力系統(tǒng)下市場(chǎng)機(jī)制應(yīng)具備的特征和要求Fig.1 Characteristics and requirements of market mechanisms in new power systems

1）激發(fā)市場(chǎng)主體的調(diào)節(jié)動(dòng)力，也就要求市場(chǎng)機(jī)制能夠量化各市場(chǎng)主體的調(diào)節(jié)貢獻(xiàn)。

2）釋放市場(chǎng)主體的調(diào)節(jié)能力，也就要求機(jī)制能夠促進(jìn)各市場(chǎng)主體主動(dòng)優(yōu)化其運(yùn)行方式。

3）接納海量新型調(diào)節(jié)資源，也就要求機(jī)制具備良好的擴(kuò)展性。

下文具體介紹上述3 個(gè)方面的特征和基本要求。

1.2.1 激發(fā)調(diào)節(jié)動(dòng)力

欲提升電力系統(tǒng)整體調(diào)節(jié)能力，需首先激勵(lì)市場(chǎng)主體參與調(diào)節(jié)的內(nèi)在動(dòng)力。為此，應(yīng)首先明確各市場(chǎng)主體的調(diào)節(jié)責(zé)任，進(jìn)而表征、量化不同市場(chǎng)主體的調(diào)節(jié)貢獻(xiàn)，使得市場(chǎng)機(jī)制具備符合“誰受益、誰付費(fèi)”原則的成本疏導(dǎo)能力，可從如下3 個(gè)方面具體分析。

1）首先，需要討論誰應(yīng)當(dāng)為新能源消納承擔(dān)調(diào)節(jié)責(zé)任。目前，普遍認(rèn)為新能源不具備調(diào)節(jié)能力，調(diào)節(jié)是其他電源的事情，這一認(rèn)識(shí)混淆了“能力”與“責(zé)任”的關(guān)系。不具備調(diào)節(jié)能力并不意味著無須承擔(dān)調(diào)節(jié)責(zé)任；在系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力稀缺情況下，調(diào)節(jié)能力欠缺的市場(chǎng)主體需向調(diào)節(jié)能力富余的市場(chǎng)主體購買調(diào)節(jié)能力，如此方可促進(jìn)系統(tǒng)擁有足夠的調(diào)節(jié)能力。

在新能源發(fā)展起步階段，由于系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力相對(duì)富余，出于鼓勵(lì)新能源發(fā)展的目的，新能源不承擔(dān)調(diào)節(jié)責(zé)任是可以理解的。在新型電力系統(tǒng)下，隨著高比例新能源接入，調(diào)節(jié)能力變得匱乏且昂貴，需要所有市場(chǎng)主體同等承擔(dān)調(diào)節(jié)新能源消納責(zé)任。若延續(xù)以前思路，即新能源只管發(fā)，其他電源承擔(dān)調(diào)節(jié)責(zé)任，就會(huì)出現(xiàn)經(jīng)濟(jì)學(xué)中的“負(fù)外部效應(yīng)”。所謂“負(fù)外部效應(yīng)”，是指商品價(jià)值未能在價(jià)格中得以反映，給交易雙方之外的第三者帶來額外成本。一般認(rèn)為，出現(xiàn)“負(fù)外部效應(yīng)”是市場(chǎng)機(jī)制失靈的表現(xiàn)。近年來，中國諸多省市都提出了新能源電站強(qiáng)制配置儲(chǔ)能政策［8］，側(cè)面反映出越來越多的人已認(rèn)識(shí)到，新能源等市場(chǎng)主體也負(fù)有新能源消納的責(zé)任。

只有對(duì)所有市場(chǎng)成員“一視同仁”，認(rèn)為消納新能源是電力市場(chǎng)中包括新能源在內(nèi)每一個(gè)成員的共同責(zé)任，或者自身貢獻(xiàn)調(diào)節(jié)能力，或者為自身應(yīng)該承擔(dān)的調(diào)節(jié)責(zé)任支付費(fèi)用，才能形成統(tǒng)一的調(diào)節(jié)責(zé)任及貢獻(xiàn)表征和量化機(jī)制。

2）其次，需要研究如何為市場(chǎng)主體分?jǐn)傉{(diào)節(jié)責(zé)任。即使明確了誰需要貢獻(xiàn)調(diào)節(jié)能力，還必須劃分各主體的調(diào)節(jié)責(zé)任。目前，新能源配儲(chǔ)政策事實(shí)上就只做到了明確新能源有調(diào)節(jié)責(zé)任，但沒有回答調(diào)節(jié)需求有多少、如何分?jǐn)偅恍履茉磻?yīng)配多少儲(chǔ)能也往往采用一刀切方法，缺乏科學(xué)依據(jù)。需從系統(tǒng)運(yùn)行層面量化調(diào)節(jié)需求，進(jìn)而建立調(diào)節(jié)責(zé)任分?jǐn)倷C(jī)制。

3）最后，還需考慮如何衡量不同主體的調(diào)節(jié)貢獻(xiàn)大小。明確了調(diào)節(jié)責(zé)任后，還需研究市場(chǎng)主體調(diào)節(jié)貢獻(xiàn)的量化方法。若已經(jīng)明確了調(diào)節(jié)責(zé)任的分?jǐn)倷C(jī)制，則可以基于是否盡到調(diào)節(jié)責(zé)任來判斷任意市場(chǎng)主體是作出了調(diào)節(jié)貢獻(xiàn)，還是產(chǎn)生了調(diào)節(jié)需求；進(jìn)一步，還需提出表征、量化市場(chǎng)主體調(diào)節(jié)貢獻(xiàn)的方法。

1.2.2 釋放調(diào)節(jié)能力

如前所述，新能源為主體電力系統(tǒng)，隨著新能源占比不斷提升，其運(yùn)行曲線變化也日益劇烈。例如，隨著新能源占比提升，美國加州電網(wǎng)日間凈負(fù)荷極低，早、晚高峰又因光伏出力不足而極高，其運(yùn)行曲線已從“鴨子曲線”變?yōu)椤皪{谷曲線”。在中午低谷到晚高峰的過程中，凈負(fù)荷從5 000 MW 連續(xù)爬升5 倍達(dá)到25 000 MW［33］。風(fēng)電富集區(qū)域，也面臨功率爬坡事件等造成的出力在短時(shí)間尺度連續(xù)大幅變化［36］?？梢灶A(yù)見，在電源側(cè)新能源占比達(dá)到60%甚至更高后［37］，系統(tǒng)對(duì)調(diào)節(jié)能力需求將更為迫切。設(shè)計(jì)合理的市場(chǎng)機(jī)制，讓市場(chǎng)主體充分挖掘并釋放其調(diào)節(jié)能力已成為當(dāng)務(wù)之急。

各市場(chǎng)主體有其固有的連續(xù)運(yùn)行特性，且其運(yùn)行模型復(fù)雜多變、特性各異。例如，火電、核電等機(jī)組的啟停機(jī)過程，儲(chǔ)能的荷電狀態(tài)變化過程，虛擬電廠中不同負(fù)荷的工作流程等，均是復(fù)雜、時(shí)變、連續(xù)時(shí)間耦合的決策與控制問題。若能讓市場(chǎng)主體根據(jù)系統(tǒng)調(diào)節(jié)需求，“主動(dòng)優(yōu)化”自身運(yùn)行方式，則可充分釋放其調(diào)節(jié)能力。換言之，如何安排機(jī)組啟停、如何控制儲(chǔ)能的荷電量、如何安排電力用戶的生產(chǎn)生活計(jì)劃，市場(chǎng)主體最有責(zé)任、最有動(dòng)力，也最擅長(zhǎng)。

因此，除了激發(fā)市場(chǎng)主體調(diào)節(jié)的動(dòng)力以外，市場(chǎng)機(jī)制的設(shè)計(jì)還應(yīng)充分釋放個(gè)體調(diào)節(jié)的能力。合理的市場(chǎng)機(jī)制設(shè)計(jì)，可以將如何運(yùn)行的優(yōu)化權(quán)限交給主體自身，完成從“被動(dòng)優(yōu)化”到“主動(dòng)優(yōu)化”的本質(zhì)轉(zhuǎn)變，才能最大限度地釋放個(gè)體調(diào)節(jié)能力，進(jìn)而提升系統(tǒng)整體的調(diào)節(jié)能力。

1.2.3 接納海量新型調(diào)節(jié)資源

近年來，各種形式的儲(chǔ)能、虛擬電廠、綜合能源系統(tǒng)等都得到了快速的發(fā)展。這些新興的市場(chǎng)主體中，蘊(yùn)含了海量的調(diào)節(jié)能力［38］。若能充分加以利用，則可極大地提升新型電力系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力。

如何接納這些新型市場(chǎng)主體，對(duì)市場(chǎng)機(jī)制提出了嚴(yán)格要求:

1）適應(yīng)特性各異甚至目前尚未出現(xiàn)的新型市場(chǎng)主體。在能源轉(zhuǎn)型和數(shù)智化轉(zhuǎn)型的雙重背景下，特性各異的新型市場(chǎng)主體不斷涌現(xiàn)，如壓縮空氣儲(chǔ)能、化學(xué)儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、電容儲(chǔ)能、不同類型柔性負(fù)荷、分布式光伏、潮汐發(fā)電、波浪能發(fā)電等。如果每出現(xiàn)一種新型市場(chǎng)主體，電力市場(chǎng)規(guī)則都需要更改，電力市場(chǎng)出清模型也要修正，則會(huì)大大增加電力市場(chǎng)的復(fù)雜程度。

2）新型市場(chǎng)主體除特性各異、模型復(fù)雜等特性外，往往還有數(shù)目眾多這一特點(diǎn)。這也要求電力市場(chǎng)規(guī)則和出清模型在市場(chǎng)主體數(shù)目劇增時(shí)，其計(jì)算復(fù)雜度增加不大，如此才能滿足需求側(cè)海量新型市場(chǎng)主體參與電力市場(chǎng)的迫切需求。

2 新型電力系統(tǒng)下分時(shí)交易存在的問題

第1 章分析了電力市場(chǎng)機(jī)制應(yīng)具備的特征與要求，本章?lián)朔治霈F(xiàn)行分時(shí)交易機(jī)制存在的弊端。

分時(shí)交易是當(dāng)前世界各國電力現(xiàn)貨市場(chǎng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。Schweppe 等學(xué)者先后提出了節(jié)點(diǎn)邊際電價(jià)等理論［11-12］，成為近40 年來電力市場(chǎng)研究的核心，產(chǎn)生了豐富的研究成果。

在節(jié)點(diǎn)邊際電價(jià)理論中，隱含了一個(gè)關(guān)鍵假設(shè)——分時(shí)交易的同質(zhì)性假設(shè)，即在將電力市場(chǎng)交易劃分為多個(gè)時(shí)段后，假設(shè)在同一時(shí)段內(nèi)電力商品是同質(zhì)的，可以互相交易。

這一假設(shè)在系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力充裕、各時(shí)段之間可解耦時(shí)是成立的。但是，隨著新型電力系統(tǒng)的發(fā)展，新能源占比日益提高，系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力匱乏、各時(shí)段之間互相耦合，分時(shí)交易假設(shè)已不再成立。因此，基于這一假設(shè)的分時(shí)交易機(jī)制在系統(tǒng)調(diào)節(jié)資源配置方面力有不逮，已呈現(xiàn)出“市場(chǎng)失靈”現(xiàn)象。下文將從公平（量化市場(chǎng)主體調(diào)節(jié)貢獻(xiàn)）、合理（釋放市場(chǎng)主體調(diào)節(jié)能力）、擴(kuò)展性（接納新型市場(chǎng)主體）3 個(gè)方面，對(duì)分時(shí)交易機(jī)制導(dǎo)致的不足進(jìn)行分析。

2.1 市場(chǎng)主體調(diào)節(jié)貢獻(xiàn)量化的問題

新型電力系統(tǒng)所需要的調(diào)節(jié)能力，最終來源于各市場(chǎng)主體所作的調(diào)節(jié)貢獻(xiàn)。各市場(chǎng)主體調(diào)節(jié)貢獻(xiàn)越大，則新型電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力就越充裕；反之，新型電力系統(tǒng)所具有的調(diào)節(jié)能力就越匱乏。由此可見，新型電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力的提升，有賴于各市場(chǎng)主體提升各自的調(diào)節(jié)貢獻(xiàn)。

2.1.1 缺乏調(diào)節(jié)貢獻(xiàn)概念

根據(jù)現(xiàn)代管理學(xué)之父Drucker 提出的“沒有衡量，就不能提升”的理念，要提升市場(chǎng)主體所作的調(diào)節(jié)貢獻(xiàn)，就必須先對(duì)市場(chǎng)主體所作貢獻(xiàn)進(jìn)行量化評(píng)價(jià)?，F(xiàn)有分時(shí)交易機(jī)制中，尚缺乏調(diào)節(jié)貢獻(xiàn)這一概念。部分研究試圖通過定義新的產(chǎn)品加以彌補(bǔ)，如CAISO 提出的靈活爬坡產(chǎn)品（flexible ramping product，F(xiàn)RP）［39］。FRP 本 質(zhì) 上 是 通 過 預(yù) 留 額 外 的調(diào)節(jié)容量，來滿足系統(tǒng)由于新能源和負(fù)荷預(yù)測(cè)誤差或?qū)崟r(shí)聯(lián)絡(luò)線潮流變化帶來的額外爬坡和滑坡需求。

然而，F(xiàn)RP 等調(diào)節(jié)產(chǎn)品并不能合理表征各市場(chǎng)主體為應(yīng)對(duì)負(fù)荷波動(dòng)所作的貢獻(xiàn)。目前，所謂“靈活調(diào)節(jié)產(chǎn)品”，其本質(zhì)是“容量”，而不是市場(chǎng)主體在不同時(shí)段間的出力變化量。而負(fù)荷在時(shí)段間波動(dòng)，最終只能有賴于市場(chǎng)主體在時(shí)段間出力變化來予以平衡。FRP 及類似產(chǎn)品并不能反映這一思想。

2.1.2 無法表征市場(chǎng)主體調(diào)節(jié)貢獻(xiàn)

進(jìn)一步，如果在分時(shí)交易機(jī)制中，將市場(chǎng)主體在相鄰時(shí)段間的電量變化或其函數(shù)定義為一種產(chǎn)品，是否就可以反映市場(chǎng)主體所作的調(diào)節(jié)貢獻(xiàn)？事實(shí)上，筆者無法定義這樣的產(chǎn)品。因?yàn)槿绻x了這一產(chǎn)品，并為這一產(chǎn)品付費(fèi)，則對(duì)某一個(gè)市場(chǎng)主體，需求方既要為其在各時(shí)段的電量付費(fèi)，又要為其在時(shí)段間的電量變化付費(fèi)，如此就產(chǎn)生了所謂“重復(fù)付費(fèi)”問題［40］，導(dǎo)致產(chǎn)品價(jià)格信號(hào)扭曲，這在機(jī)制設(shè)計(jì)中是應(yīng)盡力避免的。

還應(yīng)指出的是，即使不考慮“重復(fù)付費(fèi)”，假設(shè)可以將市場(chǎng)主體在相鄰時(shí)段間的電量變化或其函數(shù)定義為產(chǎn)品，該產(chǎn)品也無法表征市場(chǎng)主體是否作出了調(diào)節(jié)貢獻(xiàn)，以及作出了多大的調(diào)節(jié)貢獻(xiàn)。下文給出反例進(jìn)行說明。

為簡(jiǎn)單起見，假設(shè)市場(chǎng)中僅有2 個(gè)市場(chǎng)主體，負(fù)荷以及2 個(gè)市場(chǎng)主體分時(shí)競(jìng)價(jià)的出清結(jié)果如圖2所示。

圖2 分時(shí)交易結(jié)果示意圖Fig.2 Schematic diagram of time-of-use trading results

圖2 中，從t時(shí)段到t+1 時(shí)段，負(fù)荷從200 MW·h下降到100 MW·h，市場(chǎng)主體1 出力變化+40 MW·h，市場(chǎng)主體2 出力變化為-140 MW·h。僅根據(jù)出力變化，可能會(huì)認(rèn)為市場(chǎng)主體1 在系統(tǒng)負(fù)荷減小時(shí)出力反而增大，作出了負(fù)調(diào)節(jié)貢獻(xiàn)；市場(chǎng)主體2 在系統(tǒng)負(fù)荷減小時(shí)出力也隨之減小，為系統(tǒng)作出了正調(diào)節(jié)貢獻(xiàn)。當(dāng)市場(chǎng)主體1 為新能源、市場(chǎng)主體2 為傳統(tǒng)機(jī)組時(shí)，很可能就是這樣的場(chǎng)景。

但實(shí)際情況也可能完全相反。從t時(shí)段到t+1時(shí)段，由于外部的氣候變化等原因，市場(chǎng)主體2 出力快速變化-140 MW·h；雖然負(fù)荷也在下降，但由于市場(chǎng)主體2 出力下降過大，市場(chǎng)主體1 不得不提高自身出力，即從出力40 MW·h 提升到80 MW·h，以維持系統(tǒng)平衡。在這一場(chǎng)景中，市場(chǎng)主體2 自身出力大幅下降且不可調(diào)，迫使市場(chǎng)主體1 不得不增加出力以保障系統(tǒng)平衡，市場(chǎng)主體1 作出了正調(diào)節(jié)貢獻(xiàn)。

從這一示例可以看出，在分時(shí)交易下，僅基于市場(chǎng)主體時(shí)段間出力變化的大小，無法直接衡量哪個(gè)市場(chǎng)主體作出了調(diào)節(jié)貢獻(xiàn)。同時(shí)，這一系列問題與市場(chǎng)主體能源屬性無關(guān)，上述市場(chǎng)主體1 和2 可能是傳統(tǒng)機(jī)組、新能源機(jī)組，也可能是多種類型電源的混合市場(chǎng)主體。

綜上所述，如果市場(chǎng)連誰作出了貢獻(xiàn)都無法衡量，就更沒有辦法設(shè)計(jì)機(jī)制激勵(lì)市場(chǎng)主體為系統(tǒng)提供更多的調(diào)節(jié)能力。

2.2 市場(chǎng)主體調(diào)節(jié)能力釋放的問題

即使有方法可以激勵(lì)市場(chǎng)主體有動(dòng)力為系統(tǒng)提供更多的調(diào)節(jié)能力，在分時(shí)交易機(jī)制下，市場(chǎng)主體也只能“被動(dòng)優(yōu)化”，沒有能力充分釋放自身調(diào)節(jié)潛力。所謂“被動(dòng)優(yōu)化”，是指在現(xiàn)有分時(shí)交易機(jī)制下，市場(chǎng)主體只能將電量-價(jià)格曲線、運(yùn)行模型等上報(bào)給交易中心，再被動(dòng)接受交易中心集中優(yōu)化出清的結(jié)果。在這一機(jī)制下，市場(chǎng)主體處于“被動(dòng)優(yōu)化”狀態(tài)，其出清結(jié)果由所有市場(chǎng)主體的出力模型、量?jī)r(jià)曲線和電網(wǎng)安全穩(wěn)定約束、系統(tǒng)出清模型及其優(yōu)化算法等共同決定。

“被動(dòng)優(yōu)化”會(huì)導(dǎo)致市場(chǎng)主體調(diào)節(jié)能力不能充分釋放的原因分析如下。

首先，從出清模型與定價(jià)方法來看，市場(chǎng)主體不能直接建立起上報(bào)模型與自身收益之間的關(guān)聯(lián)性，也就不易于激勵(lì)市場(chǎng)主體開展調(diào)節(jié)性能提升的技術(shù)改造與投資。

其次，市場(chǎng)主體所上報(bào)的運(yùn)行模型，是市場(chǎng)機(jī)制設(shè)計(jì)所要求的標(biāo)準(zhǔn)模型，對(duì)市場(chǎng)主體而言是一個(gè)“削足適履”的過程?；谶@一模型所做的優(yōu)化，與市場(chǎng)主體自主優(yōu)化相比，其結(jié)果會(huì)存在一定的差距。例如，某省電力現(xiàn)貨市場(chǎng)中，水電廠需上報(bào)的運(yùn)行模型和參數(shù)，其耗水率設(shè)置為固定值［41］，但實(shí)際運(yùn)行中水頭變化可能會(huì)較大，耗水率也會(huì)隨之變化［42］。又例如，文獻(xiàn)［43］開展了有復(fù)雜引水系統(tǒng)的大型水電廠廠內(nèi)優(yōu)化運(yùn)行工作，指出“各機(jī)組的水頭損失也受其他機(jī)組發(fā)電流量、河道流量及電廠棄水量的影響”，而這些因素，在現(xiàn)有分時(shí)交易機(jī)制所做的統(tǒng)一出清模型中，基本不做考慮。應(yīng)該指出的是，市場(chǎng)主體運(yùn)行模型越復(fù)雜，上報(bào)模型所做簡(jiǎn)化越多，其差距就越大，市場(chǎng)主體調(diào)節(jié)能力損失就越多。在一個(gè)由眾多市場(chǎng)主體參與的電力市場(chǎng)中，最終累積的調(diào)節(jié)能力損失可能是驚人的。

再者，即便分時(shí)交易機(jī)制中統(tǒng)一出清模型愿意且可以對(duì)市場(chǎng)主體運(yùn)行模型加以詳細(xì)考慮，獲得準(zhǔn)確的模型參數(shù)也可能較為困難。主要原因是這些模型參數(shù)本身就是時(shí)變的，如文獻(xiàn)［43］描述的水電廠，其模型中參數(shù)隨檢修方式、是否有棄水等不同而不同。

還應(yīng)強(qiáng)調(diào)的是，調(diào)節(jié)能力的損失或許還能接受，而“削足適履”的模型會(huì)使整個(gè)市場(chǎng)出清結(jié)果“面目全非”，可能就難以承受。為簡(jiǎn)單起見，假設(shè)市場(chǎng)中有且僅有一個(gè)市場(chǎng)主體模型或參數(shù)是“不準(zhǔn)確的”。當(dāng)這個(gè)市場(chǎng)主體相關(guān)約束成為“起作用約束”時(shí)，整個(gè)市場(chǎng)的出清結(jié)果就因?yàn)樵撌袌?chǎng)主體的“不準(zhǔn)確約束”而被扭曲。例如，由于這個(gè)市場(chǎng)主體爬坡速率參數(shù)的“變化”，整個(gè)系統(tǒng)機(jī)組組合結(jié)果隨之發(fā)生變化，最終導(dǎo)致市場(chǎng)出清結(jié)果被全方位調(diào)整。更糟糕的是，這個(gè)過程是一個(gè)黑箱，市場(chǎng)主體對(duì)此情況的發(fā)生幾乎毫不知情。

最后，上述問題若寄希望于建立面面俱到的集中出清模型加以解決，則建立的模型將是一個(gè)超大規(guī)模、非線性、非凸、混合整數(shù)規(guī)劃問題，很難在有限時(shí)間內(nèi)求解。由于市場(chǎng)出清過程都有時(shí)間約束，過于復(fù)雜的模型在實(shí)際運(yùn)行中是無法應(yīng)用的。

造成這一困難的本質(zhì)原因是分時(shí)交易與電力生產(chǎn)所固有的運(yùn)行連續(xù)性之間的矛盾。在分時(shí)交易機(jī)制下，各市場(chǎng)主體首先應(yīng)上報(bào)其在各時(shí)段的量?jī)r(jià)曲線。如果僅按各市場(chǎng)主體上報(bào)的量?jī)r(jià)曲線進(jìn)行出清，對(duì)單一市場(chǎng)主體而言，其所競(jìng)得的出清結(jié)果可能不能滿足其連續(xù)運(yùn)行的物理約束，出清結(jié)果有可能是不可行的。因此，既然選擇了分時(shí)交易方式，交易中心也就不得不要求各市場(chǎng)主體上報(bào)自己的運(yùn)行模型，以此保證出清結(jié)果滿足主體連續(xù)運(yùn)行的要求。某種意義上，這種模式是一種“集中”或“計(jì)劃”模式；其常用的模型，安全約束機(jī)組組合（security constrained unit commitment，SCUC）或安全約束經(jīng)濟(jì) 調(diào) 度（security constrained economic dispatch，SCED），與計(jì)劃體制下的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行調(diào)度模型基本一致。

綜上所述，分時(shí)交易的方式破壞了電力生產(chǎn)消費(fèi)的時(shí)間連續(xù)性，故不得不要求市場(chǎng)主體上報(bào)運(yùn)行模型并將其在出清程序中予以考慮，市場(chǎng)主體并不能直接參與運(yùn)行優(yōu)化，屬于“被動(dòng)優(yōu)化”的方式。因此，也產(chǎn)生了上述的諸多問題，不利于調(diào)節(jié)能力的挖掘。

2.3 接納新型市場(chǎng)主體的問題

新型電力系統(tǒng)會(huì)重塑能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，在這一過程中，會(huì)涌現(xiàn)眾多的新型市場(chǎng)主體，如虛擬電廠、壓縮空氣儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能等?，F(xiàn)有分時(shí)交易機(jī)制面對(duì)眾多新型市場(chǎng)主體，適應(yīng)性較差、擴(kuò)展困難，簡(jiǎn)述如下。

首先，分時(shí)交易機(jī)制要求為每一類新型市場(chǎng)主體構(gòu)建一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模型，這一過程本身就是較為困難的。例如，文獻(xiàn)［44］指出，虛擬電廠外特性建模是參與市場(chǎng)交易的重要前提，而虛擬電廠調(diào)度特性由大量不同類型的資源共同構(gòu)成，具有非線性、時(shí)序耦合和時(shí)變性等特點(diǎn)［45］，要構(gòu)建類似于傳統(tǒng)機(jī)組的模型并確定模型參數(shù)極其困難［46］。又例如，文獻(xiàn)［47-48］等指出，在現(xiàn)有分時(shí)交易機(jī)制中，為儲(chǔ)能設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)纳唐纺Ｐ洼^為困難，目前所建立的儲(chǔ)能模型實(shí)際是“激勵(lì)不相容”的。

其次，面對(duì)新涌現(xiàn)的市場(chǎng)主體，分時(shí)交易機(jī)制擴(kuò)展困難。每出現(xiàn)新的未在既有機(jī)制中考慮到的主體，若要在市場(chǎng)出清模型中恰當(dāng)考慮其運(yùn)行特性，出清模型就需重構(gòu)，對(duì)市場(chǎng)連續(xù)運(yùn)行與市場(chǎng)組織造成很大困難；若要求新主體按照市場(chǎng)統(tǒng)一模型上報(bào)，則很有可能無法準(zhǔn)確表征這類新主體的運(yùn)行特性，帶來如2.2 節(jié)所指出的調(diào)節(jié)能力得不到充分釋放的問題。

最后，需考慮規(guī)?；髱淼木S數(shù)災(zāi)問題。清潔低碳是新型電力系統(tǒng)的核心價(jià)值［29］，為達(dá)到這一要求，一方面，電能逐步成為終端能源消費(fèi)的主體，電動(dòng)汽車、電采暖等層出不窮；另一方面，分布式發(fā)電、戶用儲(chǔ)能等裝置不斷涌現(xiàn)。在分時(shí)交易機(jī)制下，海量的新興主體進(jìn)入電力市場(chǎng)后，必然導(dǎo)致市場(chǎng)出清模型規(guī)模呈現(xiàn)爆炸性增長(zhǎng)，最終無法求解。事實(shí)上，由于電力系統(tǒng)本身就是高維非線性的，當(dāng)前的市場(chǎng)模型就已經(jīng)足夠復(fù)雜了。例如，據(jù)文獻(xiàn)［49］測(cè)算，三峽電力市場(chǎng)的集中出清優(yōu)化模型變量高達(dá)4 萬多個(gè)，計(jì)算負(fù)擔(dān)重。另外，如果通過聚合減少市場(chǎng)主體的個(gè)數(shù)［50］，同樣會(huì)有前述的無法準(zhǔn)確表征新主體運(yùn)行特性，從而使其調(diào)節(jié)能力得不到充分釋放的問題。

3 電力互替品市場(chǎng)構(gòu)想

3.1 整體交易機(jī)制與電力互替品

3.1.1 整體交易機(jī)制

基于上文的討論和分析，現(xiàn)有電力市場(chǎng)機(jī)制在激勵(lì)調(diào)節(jié)動(dòng)力、釋放調(diào)節(jié)能力和接納調(diào)節(jié)資源等方面存在根本性不足，而造成這些弊端的原因都在于電力必須分時(shí)交易的基本假設(shè)。因此，必須舍棄分時(shí)交易這一基本假設(shè)，轉(zhuǎn)而將市場(chǎng)主體功率曲線作為一個(gè)有機(jī)整體進(jìn)行考慮。與分時(shí)交易機(jī)制相對(duì)，本文對(duì)整體交易機(jī)制進(jìn)行定義。

定義1:稱將市場(chǎng)主體功率曲線作為一個(gè)有機(jī)整體進(jìn)行交易的機(jī)制為整體交易機(jī)制（holistic trading mechanism，HTM）。

整體大于部分之和。功率曲線本身不但可表征市場(chǎng)主體的能量貢獻(xiàn)，市場(chǎng)主體所作出的調(diào)節(jié)貢獻(xiàn)也已蘊(yùn)含于其中，同時(shí)也符合市場(chǎng)主體連續(xù)運(yùn)行的特性。

3.1.2 電力互替品

整體交易機(jī)制面臨的首要理論難題是其可交易性。經(jīng)濟(jì)學(xué)中，稱具有同質(zhì)屬性、可發(fā)揮相同價(jià)值的商品為互替品，非互替品彼此之間是不能互換的。2020 年，諾貝爾經(jīng)濟(jì)學(xué)獎(jiǎng)得主Milgrom 也在其論著《價(jià)格的發(fā)現(xiàn)》中指出，若完全互替性條件得不到滿足，就會(huì)存在無法出清市場(chǎng)的情況［51］。

將市場(chǎng)主體功率曲線作為一個(gè)整體直接進(jìn)行交易則是不可行的。這是因?yàn)椴煌袌?chǎng)主體產(chǎn)生的功率曲線即便總電量相同，不同的曲線形狀對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行也會(huì)產(chǎn)生截然不同的影響，屬于非同質(zhì)性產(chǎn)品，不能直接交易。

反之，不同市場(chǎng)主體產(chǎn)生的功率曲線如果總電量相同、曲線形狀相同，則其對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行影響也是一致的，是同質(zhì)的商品，可以互替。對(duì)市場(chǎng)主體功率曲線而言，曲線形狀是“質(zhì)”，總電量是“量”；不同市場(chǎng)主體產(chǎn)生的功率曲線，如果曲線形狀相同，即便其總電量不同，也屬于同質(zhì)商品；單位同質(zhì)商品發(fā)揮的市場(chǎng)價(jià)值相同，可以作為互替品進(jìn)行交易。

顯然，互替是公平交易的基礎(chǔ)。與其他商品相比，電沒有具體形態(tài)，相對(duì)比較抽象。什么是整體交易機(jī)制中的互替品，本文做如下定義。

定義2:稱與市場(chǎng)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)形狀相符的功率曲線為電力互替品（substitute power product，SPP）。

如果將標(biāo)準(zhǔn)形狀指定為次日負(fù)荷曲線形狀，并在日前現(xiàn)貨市場(chǎng)中僅進(jìn)行電力互替品交易，則當(dāng)交易出清的總電量滿足負(fù)荷要求時(shí)，電力系統(tǒng)連續(xù)平衡也隨之得以滿足。

以電力互替品為商品進(jìn)行交易相當(dāng)于建立了新的調(diào)節(jié)責(zé)任機(jī)制，調(diào)節(jié)責(zé)任被下放給各市場(chǎng)主體。在當(dāng)前交易機(jī)制中，電力系統(tǒng)連續(xù)平衡的責(zé)任在交易中心，系統(tǒng)整體出清規(guī)則復(fù)雜煩瑣；而以電力互替品為商品進(jìn)行交易時(shí)，電力系統(tǒng)連續(xù)平衡職責(zé)實(shí)際被下放給各市場(chǎng)主體，既可充分調(diào)動(dòng)市場(chǎng)主體積極性，釋放其調(diào)節(jié)能力，系統(tǒng)整體出清過程也異常簡(jiǎn)單。

3.1.3 與現(xiàn)有電力市場(chǎng)改進(jìn)方法的對(duì)比

上文詳細(xì)分析了分時(shí)交易的不足，并據(jù)此提出了整體交易機(jī)制的設(shè)想。為促進(jìn)理解，下文將這一方法與其他針對(duì)現(xiàn)有電力現(xiàn)貨市場(chǎng)的改進(jìn)方法做一個(gè)簡(jiǎn)要對(duì)比。

1）能量塊交易

目前，針對(duì)分時(shí)交易的改進(jìn)，主要集中于分時(shí)交易與連續(xù)運(yùn)行之間的矛盾上。歐洲提出了能量塊交易的概念［18-19］，在一定程度上解決了市場(chǎng)主體連續(xù)運(yùn)行與分時(shí)交易的矛盾，但較少述及電力商品的互替性，而互替正是公平交易的基礎(chǔ)，本文方法可同時(shí)解決這兩個(gè)問題。

2）平衡結(jié)算單元

除了能量塊交易，關(guān)于平衡結(jié)算單元的研究也受到了較多關(guān)注，并在德國電力市場(chǎng)中得到成功應(yīng)用［20］。在德國電力市場(chǎng)中，結(jié)算單元指的是負(fù)責(zé)電力供應(yīng)合同經(jīng)濟(jì)結(jié)算的機(jī)制。每個(gè)結(jié)算單元由平衡負(fù) 責(zé) 方（balance responsible parties，BRPs）管 理，BRPs 必須確保在每個(gè)15 min 的交易時(shí)段內(nèi)，其結(jié)算單元的電力取用量和供應(yīng)量相平衡。如果取用量和供應(yīng)量之間存在差異，就會(huì)應(yīng)用不平衡電價(jià)（imbalance price）來對(duì)差額進(jìn)行經(jīng)濟(jì)結(jié)算。這個(gè)制度鼓勵(lì)BRPs 維持其結(jié)算單元的平衡，以確保整個(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定。

平衡結(jié)算單元的成功，主要取決于BRPs 的存在與系統(tǒng)平衡責(zé)任的下放。這一BRPs 的存在，更類似于在國家電力市場(chǎng)中，將電力平衡責(zé)任下放給省級(jí)電力市場(chǎng)。

以電力互替品為商品進(jìn)行交易，同樣具有這一特性，但有兩點(diǎn)明顯區(qū)別:（1）電力互替品交易下放的是調(diào)節(jié)責(zé)任，而非平衡責(zé)任，而系統(tǒng)平衡責(zé)任在某種意義上可被視為一種特殊的調(diào)節(jié)責(zé)任；（2）調(diào)節(jié)責(zé)任被直接下放給各市場(chǎng)主體，無須再去構(gòu)造所謂的“BRPs”。

3）功率路徑與擺動(dòng)合同

文獻(xiàn)［25］提出了功率路徑（power path）的概念，指出目前基于節(jié)點(diǎn)邊際電價(jià)理論的市場(chǎng)機(jī)制存在極大問題，核心是提供的產(chǎn)品沒有“互替性”。現(xiàn)有機(jī)制將市場(chǎng)主體提供的服務(wù)拆分為多個(gè)獨(dú)立的商品分別進(jìn)行定義和定價(jià)并不合適，因?yàn)檫@些服務(wù)均來源于主體所提供的同一條功率路徑?；诖死砟睿墨I(xiàn)［26］提出一種改進(jìn)的電力市場(chǎng)交易機(jī)制，稱為SC（swing contract）機(jī)制。

SC 機(jī)制針對(duì)市場(chǎng)主體可提供的功率路徑，提出了統(tǒng)一形式的產(chǎn)品定義、競(jìng)價(jià)方式和結(jié)算規(guī)則。在基于SC 機(jī)制的日前市場(chǎng)中，市場(chǎng)主體投標(biāo)或中標(biāo)的將是某一個(gè)出力區(qū)間（該區(qū)間反映了該主體提供的SC 中所有功率路徑的集合，包括功率區(qū)間、爬坡區(qū)間和可調(diào)用時(shí)段等），而不是固定的功率路徑；該主體的實(shí)際出力將取決于次日實(shí)際被調(diào)用的功率路徑并獲得相應(yīng)支付。通過SC 機(jī)制，市場(chǎng)主體可以獲得更高的收入，作為對(duì)提供靈活性的補(bǔ)償；這又反過來促使其在SC 市場(chǎng)提供靈活性，提高系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力。

不難看出，雖然都致力于提升系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力，SC 市場(chǎng)與電力互替品市場(chǎng)的整體交易思路有著較大差別。SC 機(jī)制本質(zhì)上是對(duì)現(xiàn)有節(jié)點(diǎn)邊際電價(jià)的市場(chǎng)報(bào)價(jià)和結(jié)算規(guī)則的改進(jìn)，其所提供的功率路徑產(chǎn)品并不具備本文意義上的互替性，也不是將市場(chǎng)主體功率曲線作為一個(gè)有機(jī)整體進(jìn)行交易，與本文方法存在質(zhì)的差別。

3.2 電力互替品市場(chǎng)簡(jiǎn)介

基于前述電力互替品理念，可以構(gòu)造電力互替品市場(chǎng)，下文對(duì)其總體構(gòu)想作簡(jiǎn)要分析與介紹。

現(xiàn)行電力現(xiàn)貨市場(chǎng)，包括日前、日內(nèi)、實(shí)時(shí)電能量交易市場(chǎng)，均是基于分時(shí)競(jìng)價(jià)進(jìn)行交易的。此外，如美國PJM 等眾多市場(chǎng)均采用電能量與輔助服務(wù)市場(chǎng)聯(lián)合出清的模式，現(xiàn)貨市場(chǎng)的價(jià)格信號(hào)也會(huì)被傳遞到其他交易品種中。舍棄“分時(shí)交易”這一基本假設(shè)，轉(zhuǎn)而基于電力互替品重構(gòu)電力市場(chǎng)，需要大量專門且深入的研究。系列論文擬邁出微小的第1步，提出電力互替品概念，并基于電力互替品，以日前現(xiàn)貨市場(chǎng)為例，做出初步研究，以期起到拋磚引玉的作用。

電力互替品市場(chǎng)機(jī)制如圖3 所示。圖中:Pn表示各市場(chǎng)主體提供的功率曲線，En則表示其形成電力互替品后的功率曲線；D表示全網(wǎng)負(fù)荷功率曲線。以電力互替品為基礎(chǔ)完成交易，可分為電力互替品形成和電力互替品交易兩階段。第1 個(gè)階段中，各市場(chǎng)主體形成電力互替品，保證其功率曲線形狀相同，具有同質(zhì)性，才可以進(jìn)入電力市場(chǎng)進(jìn)行交易；第2 個(gè)階段中，各市場(chǎng)主體將電力互替品作為商品報(bào)量報(bào)價(jià)，在電力互替品市場(chǎng)中進(jìn)行交易，最終達(dá)到電力電量平衡。

圖3 電力互替品市場(chǎng)機(jī)制示意圖Fig.3 Schematic diagram of substitute power product market mechanism

下文簡(jiǎn)要介紹電力互替品形成和電力互替品交易的主要思想。后續(xù)將通過系列論文，以日前現(xiàn)貨市場(chǎng)為例，詳細(xì)說明這一過程。

3.2.1 電力互替品形成

不同類型市場(chǎng)主體有著不同特性，不同市場(chǎng)主體如何形成電力互替品是電力互替品市場(chǎng)第1 個(gè)階段要解決的問題。

依據(jù)電力互替品定義，電力互替品形成首先需要給定“標(biāo)準(zhǔn)形狀”，本質(zhì)上就是給各市場(chǎng)主體設(shè)定統(tǒng)一的運(yùn)行目標(biāo)，或者說本質(zhì)上是明確各市場(chǎng)主體共同的調(diào)節(jié)責(zé)任。這一責(zé)任的劃分應(yīng)是客觀的，與市場(chǎng)成員生產(chǎn)或消費(fèi)電能的具體特性無關(guān)。

調(diào)節(jié)責(zé)任的明確與劃分，是與現(xiàn)行分時(shí)交易體制顯著不同的地方。以新能源消納為例，在現(xiàn)有電力市場(chǎng)機(jī)制下，新能源消納是交易中心或電網(wǎng)的責(zé)任；與此同時(shí)，各地又紛紛出臺(tái)了各種新能源配儲(chǔ)的機(jī)制［8］，相當(dāng)于間接認(rèn)為新能源自身也對(duì)其消納具有一定的責(zé)任。但這個(gè)責(zé)任如何劃分？新能源配儲(chǔ)配多少是合理的？這些在理論研究上仍是空白。而在電力互替品機(jī)制下，新能源市場(chǎng)主體應(yīng)通過配儲(chǔ)或其他措施，自發(fā)形成電力互替品，并通過這一形式明確新能源消納責(zé)任。在這一機(jī)制下，新能源如何配儲(chǔ)成為市場(chǎng)主體自身的問題；市場(chǎng)主體完全可以通過配置各種不同特性的新能源，輔之以特性各異的儲(chǔ)能，乃至一些需求側(cè)調(diào)控措施，來滿足電力互替品形成需要，其主動(dòng)性得到充分發(fā)揮，且資源也得到了最優(yōu)配置。這一思想，與國家能源局在《新型電力系統(tǒng)發(fā)展藍(lán)皮書》中“總體架構(gòu)與重點(diǎn)任務(wù)”一章中指出的“打造新能源+模式，加快提升新能源可靠替代能力”是一致的［29］。

還應(yīng)指出的是，當(dāng)電力互替品市場(chǎng)給出了“標(biāo)準(zhǔn)形狀”后，一方面，各市場(chǎng)主體可如前所述自主調(diào)節(jié)，通過主動(dòng)優(yōu)化運(yùn)行方式的方法來滿足要求；另一方面，也可以與其他市場(chǎng)主體合作來滿足要求。合作這一過程可由市場(chǎng)組織完成，也可由主體之間自由聚合或交易完成。

3.2.2 電力互替品交易

市場(chǎng)主體形成電力互替品后，還需要在電力互替品市場(chǎng)中競(jìng)價(jià)，完成交易。

在這一市場(chǎng)中，以電力互替品為產(chǎn)品，各市場(chǎng)主體上報(bào)量?jī)r(jià)曲線到交易中心。由于市場(chǎng)主體的自身約束已由各主體考慮，交易中心僅需考慮網(wǎng)絡(luò)安全約束、各市場(chǎng)主體的量?jī)r(jià)曲線，以總體購電費(fèi)用最小為目標(biāo)完成出清。與分時(shí)交易機(jī)制下的出清模型相比，電力互替品市場(chǎng)中出清模型簡(jiǎn)單、透明、輕量。本文稱這一市場(chǎng)為“互替電量市場(chǎng)”。

除此之外，若形成互替品的過程也希望由市場(chǎng)統(tǒng)一組織，則可在互替品交易市場(chǎng)之下，再建設(shè)互替品形成的子市場(chǎng)，本文稱之為“調(diào)節(jié)電量市場(chǎng)”。

系列論文中，將以互替電量市場(chǎng)和調(diào)節(jié)電量市場(chǎng)這兩個(gè)市場(chǎng)來組織電力互替品交易。其中，互替電量市場(chǎng)旨在發(fā)現(xiàn)單位互替電量的市場(chǎng)價(jià)值，即互替電量?jī)r(jià)格，以及系統(tǒng)全天總電量供給與需求的關(guān)系；調(diào)節(jié)電量市場(chǎng)旨在通過調(diào)節(jié)電量?jī)r(jià)格，反映系統(tǒng)調(diào)節(jié)供給與調(diào)節(jié)需求之間的平衡關(guān)系，以及單位調(diào)節(jié)電量的市場(chǎng)價(jià)值。

3.3 電力互替品市場(chǎng)機(jī)制的優(yōu)勢(shì)

前文指出，提升系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力是新型電力系統(tǒng)下市場(chǎng)機(jī)制設(shè)計(jì)的首要目標(biāo)。電力互替品市場(chǎng)以功率曲線作為有機(jī)整體進(jìn)行交易，為適應(yīng)新型電力系統(tǒng)發(fā)展需求，可從激發(fā)動(dòng)力、賦予能力、適應(yīng)新型市場(chǎng)主體3 個(gè)方面根本性地解決調(diào)節(jié)能力提升問題，分析如下。

3.3.1 公平表征市場(chǎng)主體調(diào)節(jié)貢獻(xiàn)

電力互替品將保留連續(xù)時(shí)間變化特征的功率曲線整體作為商品進(jìn)行定義，采用時(shí)間序列向量的形式進(jìn)行建模，可表征蘊(yùn)藏在曲線形狀中的調(diào)節(jié)價(jià)值，完整地反映出不同市場(chǎng)主體作出的調(diào)節(jié)貢獻(xiàn)。下文仍以2.1 節(jié)圖2 為例，說明電力互替品機(jī)制可解決量化市場(chǎng)主體調(diào)節(jié)貢獻(xiàn)這一難題。

下文按照電力互替品市場(chǎng)構(gòu)想，從左到右分4 個(gè)階段來描述電力互替品的形成過程，如圖4 所示。

圖4 基于電力互替品市場(chǎng)機(jī)制的交易過程實(shí)例Fig.4 Example of trading process based on substitute power product market mechanism

在初始階段，市場(chǎng)根據(jù)負(fù)荷變化趨勢(shì)，給出電力互替品的形狀，即左側(cè)紫色塊所示?？梢钥闯?，滿足電力互替品要求的功率曲線，其第1 時(shí)段出力大小與第2 時(shí)段出力大小的比例為2∶1。

在第1 階段，兩個(gè)市場(chǎng)主體各自考慮自身運(yùn)行特性，按功率曲線整體報(bào)量報(bào)價(jià)。總負(fù)荷為300 MW·h，市場(chǎng)主體1 競(jìng)得互替電量120 MW·h，市場(chǎng)主體2 競(jìng)得互替電量180 MW·h。但是，市場(chǎng)主體1 缺乏調(diào)節(jié)能力，兩時(shí)段電量分別為40 MW·h、80 MW·h，不滿足電力互替品的要求；市場(chǎng)主體2 本身具有良好的調(diào)節(jié)能力，可按標(biāo)準(zhǔn)形狀進(jìn)行調(diào)節(jié)，兩時(shí)段電量分別為120 MW·h、60 MW·h，滿足電力互替品要求。

在第2 階段，市場(chǎng)主體1 為形成電力互替品，可向市場(chǎng)主體2 購買額外調(diào)節(jié)能力。由于市場(chǎng)主體1的兩時(shí)段總電量為120 MW·h，按統(tǒng)一形狀進(jìn)行調(diào)整，則調(diào)整后市場(chǎng)主體1 在兩時(shí)段電量分別為80 MW·h、40 MW·h，需向市場(chǎng)主體2 在兩時(shí)段分別購買40 MW·h、-40 MW·h 電量。換言之，市場(chǎng)主體2 發(fā)揮了類似儲(chǔ)能的效果，幫助市場(chǎng)主體1 在時(shí)間維度轉(zhuǎn)移了電能量，使其滿足電力互替品的要求。由此可見，市場(chǎng)主體1 產(chǎn)生了調(diào)節(jié)需求，而市場(chǎng)主體2 作出了調(diào)節(jié)貢獻(xiàn)。

在第3 階段，兩個(gè)市場(chǎng)主體確認(rèn)實(shí)際出力的功率曲線。依據(jù)第2 階段結(jié)果，市場(chǎng)主體1 最終出力為40 MW·h、80 MW·h，與初始階段相比并無變化，這是因?yàn)樗鼜氖袌?chǎng)主體2 處獲得了調(diào)節(jié)能力；市場(chǎng)主 體2 最 終 出 力 為160 MW·h、20 MW·h。不 難 發(fā)現(xiàn)，第3 階段中兩個(gè)主體真實(shí)功率曲線與圖2 完全一致。此時(shí)，因?yàn)橛须娏ヌ嫫方灰椎囊螅攀沟谜l產(chǎn)生調(diào)節(jié)需求、誰作出調(diào)節(jié)貢獻(xiàn)可以被表征、量化。

在第4 階段，從交易中心角度看，兩市場(chǎng)主體提供的產(chǎn)品均是互替品；兩者相加，正好滿足總負(fù)荷需求，同時(shí)保證電力電量平衡。

綜上可以看出，電力互替品的形成過程正是調(diào)節(jié)責(zé)任劃分形成與量化市場(chǎng)主體調(diào)節(jié)貢獻(xiàn)的過程。

3.3.2 促進(jìn)市場(chǎng)主體自發(fā)提升調(diào)節(jié)能力

在電力互替品市場(chǎng)中，功率曲線被作為有機(jī)整體進(jìn)行考慮，各市場(chǎng)主體自身約束在電力互替品的形成過程中，由各市場(chǎng)主體自主進(jìn)行考慮。這一設(shè)計(jì)不僅帶來了簡(jiǎn)單、透明、輕量的交易機(jī)制，而且可極大地促進(jìn)市場(chǎng)主體采用各種措施，提升自身調(diào)節(jié)能力。

首先，在電力互替品的形成過程中，各市場(chǎng)主體可以清晰地看出自身調(diào)節(jié)能力的優(yōu)勢(shì)和不足。為了獲得長(zhǎng)期的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，各市場(chǎng)主體有動(dòng)力采取各種措施有針對(duì)性地提升自身的調(diào)節(jié)能力，包括但不限于自發(fā)配置各種形式的廣義儲(chǔ)能、市場(chǎng)主體之間自發(fā)聚合等。換言之，電力互替品市場(chǎng)機(jī)制有著良好的正外部性和激勵(lì)相容特性，在促進(jìn)各市場(chǎng)主體提升其自身運(yùn)行調(diào)節(jié)能力的同時(shí)，提升了電力系統(tǒng)整體運(yùn)行的調(diào)節(jié)能力。

其次，由于電力互替品的形成是市場(chǎng)主體的自身責(zé)任，這一機(jī)制可激勵(lì)市場(chǎng)主體將做好自身優(yōu)化運(yùn)行工作作為獲取經(jīng)濟(jì)效益的最重要一項(xiàng)工作。在電力互替品的形成過程中，各市場(chǎng)主體“主動(dòng)優(yōu)化”，其建模將更加精細(xì)、參數(shù)將更加可信、優(yōu)化也將更加徹底，這也使得其調(diào)節(jié)能力得以充分釋放。

3.3.3 易于擴(kuò)展接納新型市場(chǎng)主體

在電力互替品市場(chǎng)機(jī)制下，由于只需要考慮網(wǎng)絡(luò)約束，再根據(jù)市場(chǎng)主體量?jī)r(jià)曲線即可完成出清，使得整體出清模型與市場(chǎng)主體特定的運(yùn)行約束得以解耦。

這一解耦不但不會(huì)出現(xiàn)因市場(chǎng)機(jī)制特定要求而簡(jiǎn)化模型的問題，模型參數(shù)變化等還能直接反映到出力結(jié)果中，市場(chǎng)主體的隱私也能得到很好保護(hù)。更重要的優(yōu)勢(shì)在于，其使得市場(chǎng)機(jī)制具有很好的擴(kuò)展性，易于接納各種新型市場(chǎng)主體。

由于擴(kuò)展性強(qiáng)，電力市場(chǎng)機(jī)制可以接納各種新興市場(chǎng)主體，即使這一主體在本文寫作時(shí)其運(yùn)行特性尚不明確。由于新型電力系統(tǒng)重塑了能源產(chǎn)消結(jié)構(gòu)，勢(shì)必導(dǎo)致各種各樣的新型主體層出不窮，這一特性對(duì)新型電力系統(tǒng)市場(chǎng)機(jī)制而言，顯得尤為重要。

還應(yīng)指出的是，與分時(shí)交易機(jī)制相比，電力互替品市場(chǎng)機(jī)制是一種極“輕”的市場(chǎng)機(jī)制，這也使得交易模型中考慮的市場(chǎng)主體數(shù)目可以大大提升，使得數(shù)萬乃至數(shù)百萬個(gè)市場(chǎng)主體在同一市場(chǎng)中進(jìn)行交易成為可能。

4 結(jié)語

2023 年“五一”假期期間，中國山東省連續(xù)22 h出現(xiàn)負(fù)電價(jià)［35］，引發(fā)了熱議。而實(shí)際運(yùn)行中，新能源棄電、新能源配儲(chǔ)利用率不高、新主體商業(yè)模式不能持續(xù)、電價(jià)飆升與持續(xù)負(fù)電價(jià)、鴨子曲線與峽谷曲線等一系列問題在國內(nèi)外也頻頻出現(xiàn)，反映出當(dāng)前市場(chǎng)機(jī)制對(duì)于高比例新能源電力系統(tǒng)存在種種不適應(yīng)之處。國家能源局也在《新型電力系統(tǒng)發(fā)展藍(lán)皮書》中指出，需要“建立適應(yīng)新型電力系統(tǒng)的電力市場(chǎng)體系”［29］。

為此，本文首先從市場(chǎng)機(jī)制的基礎(chǔ)入手，分析指出當(dāng)前基于分時(shí)交易的市場(chǎng)機(jī)制打破了電能生產(chǎn)消費(fèi)連續(xù)性，在激發(fā)調(diào)節(jié)動(dòng)力、釋放調(diào)節(jié)能力、接納調(diào)節(jié)資源等方面存在種種弊端。進(jìn)而，提出將功率曲線作為有機(jī)整體，在其基礎(chǔ)上形成電力互替品并進(jìn)行交易的理念與構(gòu)想，在表征調(diào)節(jié)貢獻(xiàn)、促進(jìn)個(gè)體主動(dòng)優(yōu)化、接納新型市場(chǎng)主體等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。

本文是系列論文的首篇，后續(xù)論文將從整體交易中商品形態(tài)及形成機(jī)理、電力互替品交易機(jī)制、電力互替品交易機(jī)制與分時(shí)交易機(jī)制關(guān)系等方面逐一展開。需特別指出的是，目前，分時(shí)交易機(jī)制在世界各國仍被廣泛采用，舍棄分時(shí)交易這一基本假設(shè)，轉(zhuǎn)而基于電力互替品重構(gòu)電力市場(chǎng)，需要大量、專門、深入的研究。系列論文僅在此領(lǐng)域邁出微小的一步，電力互替品市場(chǎng)機(jī)制尚有諸多問題需要深入探討，需要廣大學(xué)者共同努力。

本文在撰寫過程中得到張思遠(yuǎn)、楊再敏、王彬、孫思揚(yáng)、石智豪、李莉、黃任可、孟宇航、張沛超、蔣傳文、馮冬涵、陳思捷、劉充許等的幫助，以及陳雪青老師的指導(dǎo)，特此感謝！