促进中国电力系统灵活性建设的市场机制探索_孙田.pdf

|电力需求侧管理第25卷第4期2023年7月0引言在清洁化、低碳化和智能化的能源革命背景下，传统能源生产将进一步向新能源转型。随着“十四五”时期可再生能源发展规划的落地，提出到2025年风电和太阳能发电量实现翻倍的要求，30省市风光规划新增目标874.037 GW，未来风光项目将实现大规模建设1。国际可再生能源署发布的 能源转型之电网灵活性 报告中也指出，到2050年，全球风电、光伏等可再生能源在电力系统中的比例将达到85%2。但随之而来的是可再生能源发电出力的波动性、随机性将带给电力系统更大的运行压力，因此要求电力系统具备一定的灵活调节能力与响应能力，以应对弃风、弃光、失负荷等潜在情况。与此同时，中国电力市场改革正逐步深化，强调以电力市场为推手加速能源转型，激发各类资源更大范围的资源优化配置。但中国还处于电力市场化改革初期，尚未建立完善现货市场，整体市场成熟度较低，目前仅在规划层面对灵活性资源进行布局，尚未有激励灵活性资源的市场化机制，电力系统灵活性供给与需求仍存在很大的不平衡现象，新能源消纳困难甚至影响系统安全稳定运行。如何构建适应中国现状的电力系统灵活性提升机制，推动系统灵活性建设是亟待解决的问题。目前国内外对提升灵活性的研究主要集中于灵活性产品设计36、本地灵活性市场设计78以及已有市场模式的改进910等方面，本文通过归纳总结国外提升系统灵活性的市场机制研究，分析灵活性产品特点、市场参与模式、实施现状、存在的问题与风险等，并对中国电力系统灵活性建设的现状和遇到的问题进行阐述、分析和评价，从电源侧、储能侧、需求促进中国电力系统灵活性建设的市场机制探索孙田1，闵睿1，郭倬辰2（1.北京电力交易中心有限公司，北京100031；2.清华四川能源互联网研究院，成都610213）Market mechanism explore on promoting the flexibility construction ofChina s power systemSUN Tian1,MIN Rui1,GUO Zhuochen2（1.Beijing Power Exchange Center Co.,Ltd.,Beijing 100031,China；2.Tsinghua Sichuan Energy InternetResearch Institute,Chengdu 610213,China）DOI:10.3969/j.issn.1009-1831.2023.04.005摘要：随着可再生能源在电力系统占比的提升，其发电出力的波动性、随机性、间歇性将带给电力系统更大的运行压力，因而需要具备一定的灵活调节与响应能力以应对间歇性可再生能源带来的弃风、弃光、失负荷等潜在情况，这对系统灵活性有了更高的要求。目前中国还未系统化展开针对灵活性提升的相应市场机制研究，电力系统灵活性供给与需求仍存在很大程度的不平衡现象。考虑到中国电力系统灵活性亟待提升的现状，首先通过总结并分析美国、英国关于提升系统灵活性的市场机制建设经验与研究现状，其次进一步分析中国电力系统灵活性建设进展与挑战，最后提出促进中国电力系统灵活性提升的相关建议。关键词：电力系统；灵活性；电力市场；市场机制；市场出清Abstract：With the proportion increase of renewable energyin the power system,the fluctuation,randomness and intermittencyof its power generation output will bring greater operating pressureto the power system.Hence,the power system needs to have a certain flexible adjustment and response ability to deal with the potential situations of wind,light and load loss caused by intermittent renewable energy,which has higher requirements for system flexibility.At present,China has not systematically carried out research onthe market mechanism to improve the flexibility of power system,and there is still a large degree of imbalance between the supplyand demand of power system flexibility.Considering the current situation that China s power system flexibility needs to be improved,model first summarizes and analyses the market mechanism construction experience and research status of the United States andBritish on improving power system flexibility,and then analyzesthe progress and challenges of China s power system flexibilityconstruction.Finally,putting forward relevant suggestions to promote the improvement of China s power system flexibility.Key words：power system；flexibility；power market；marketmechanism；market clearing文章编号：1009-1831（2023）04-0028-06中图分类号：TM715；F426.6文献标志码：A收稿日期：2023-03-10；修回日期：2023-05-11基金项目：国家电网有限公司科技项目（SGDJ0000SCJS2200025）28Vol.25，No.4 July，2023POWER DSM|侧以及电网侧等方面进行系统化分析，最后基于中国现状，结合国外灵活性建设经验，提出能够充分发挥各类资源主体灵活调节能力的市场机制建设建议。1电力系统灵活性机制的国际经验借鉴1.1美国电力市场灵活调节市场机制1.1.1灵活爬坡产品的必要性以及市场模式为解决系统灵活调节能力不足的问题，美国加州独立运营商（California independent system operator，CAISO），正式启动了灵活爬坡产品（flexible rampingproducts，FRP）的交易；美国中西部电力市场（midwestindependent system transmission operator，MISO）引入了爬坡能力产品（ramp capability product，RCP）。两者概念基本相同，都是指灵活调节资源在给定响应时间内的调节能力，是一种用于满足实时调度中两个时段之间的净负荷变动的辅助服务市场产品 3。灵活爬坡产品参与市场的交易流程如图1所示。日前阶段，系统运营商确定爬坡需求，具体确定方法在1.1.2节予以展示，具备提供灵活爬坡能力的市场主体（发电机组、负荷聚合商等）提供发电报价曲线，并确定是否参与提供爬坡服务，无需提供爬坡报价数据；在实时调度阶段，根据更新后负荷实际值及下一时段的爬坡需求进行机组的调度，并出清当前时段的电能量与价格、爬坡数量与价格；最后，结算阶段为运行日7日后，RCP/FRP与其他辅助服务产品共同结算。值得指出的是，FRP仅在实时阶段（15 min、5 min）开展，而RCP在日前、实时阶段都有开展。FRP的市场规则较为激进，其参与资源较为广泛（包含发电商、储能装置、售电商或电力用户等），而RCP相对保守，参与资源是不包含需求响应和储能之外的灵活性资源。在市场出清方面，被调用的RCP需同时支付补偿费用和能量费用，而FRP仅需支付能量费用。1.1.2灵活爬坡产品的需求确定灵活调节产品针对的是净负荷的时变特性，通过在本时段预留一定的灵活调节容量，来满足下一时刻的系统向上/向下灵活性需求，即当前时段的灵活性需求由下一时段的净负荷水平所决定4。在实际调度运行中，可能会出现在某调度区间内的灵活调节能力无法满足系统需求的情况，这时采取的措施主要为进行能量调度或者预留一定量的爬坡能力，以权衡下一时段FRP/RCP的调用策略。所以CAISO与MISO均引入了爬坡需求曲线，在当前区间爬坡能力不足时允许以相对较低的成本降低爬坡需求。需求曲线的意义在于，运营商可以在获取额外爬坡能力所需付出的额外成本以及与避免因爬坡能力不足导致的惩罚电价之间进行权衡，制定最优的调度策略。1.1.3市场联合优化出清模型以美国加州为例，FRP虽作为一个单独的市场产品，但FRP提供者不需要对其进行报价，其价格是由机会成本来确定的，即FRP提供者因提供FRP而不能提供电能量导致的损失。因此电能量与FRP的联合出清模型如下所示minCTotal=iNt=1TCstartiUi,t(1-Ui,t-1)+t=1TCGtPGi,t+t=1TCFRUtPFRUi,t+t=1TCFRDtPFRDi,t（1）式中：Cstarti为机组i的开机成本；Ui,t为机组i在t时段开停机状态的0-1变量；CGt、PGi,t分别为时段t的电能量价格及机组i的出力；CFRUt、CFRDt分别为向上向下的FRP价格；PFRUi,t、PFRDi,t分别为机组提供的向上向下的FRP容量。与FRP相关的约束条件如下iIPFRUi,tDFRUt（2）iIPFRDi,tDFRDt（3）PFRUi,tRUPittT,iN（4）PFRDi,tRDOWNittT,iN（5）式中：DFRUt、DFRDt分别为时段t系统的向上和向下爬坡需求量；RUPi、RDOWNi分别为机组i的向上、向下爬坡能力限度；t为出清时长。FRP的结算费用如式（6）所示CsettlementFRP=CD-AFRPPD-AFRP+CR-TFRP(PD-AFRP-PR-TFRP)+CR-Tenergy(PD-Aenergy-PR-Tenergy)（6）式中：CsettlementFRP为 FRP 的结算费用；CD-AFRP、CR-TFRP分别为FRP日前、实时的出清价格；PD-AFRP、PR-TFRP分别为FRP日前、实时的出清数量；CR-Tenergy为实时电价；PD-Aenergy、PR-Tenergy分别为能量市场日前、实时出清数量。该结算价格由3部分组成：第一部分为日负荷聚集商发电机组机组提供发电报价曲线机组调整发电报价曲线能量出清辅助服务出清RCP出清能量出清辅助服务出清RCP/FRP出清RCP/FRP与其他辅助服务产品共同结算电力交易中心系统运营商负荷聚确定爬坡需求更新爬坡需求日前实时运行日7日后图1灵活爬坡产品的交易流程Fig.1Transaction process of FRP/RCP29|电力需求侧管理第25卷第4期2023年7月前阶段FRP出清，按日前出清数量与价格结算；第二与第三部分分别为实时阶段的FRP与电能量出清，按日前与实时出清数量的偏差与实时价格结算。其中，FRP的调用量由实时出清电量与日前确定调度计划的偏差确定，调用价格即实时电价。1.1.4灵活爬坡运行效果分析加州电网近5年的灵活性资源服务占比变化如表1所示。表1加州电网近5年灵活性资源月均占比Table 1Average monthly flexible