深度｜跨区域省间可再生能源增量现货市场设计与实践

 

关键词:可再生能源;弃风弃光.弃水:电力现货市场;跨省区输电

 

葛睿1，陈龙翔1，汤俊2，黎灿兵2，胡苗2

 

(1.国家电力调度控制中心,北京市100031 ;2.能源互联网智能信息分析与综合优化湖南省重点实验室(湖南大学) ,长沙市410082)

 

0引言

 

“十二五”以来,我国可再生能原发电快速发展，截至2016年底，全国可再生能源发电装机容量达5.7亿KW，占总电力装机的34.6%。可再生能源发电迅猛发展的同时，其消纳矛盾也逐步暴露。据统计，2016年全国“弃水、弃风、弃光”电量接近1100亿千瓦时。当前，我国资源禀赋特性和负荷中心总体上呈现逆向分布格局，风电、光伏装机主要集中在华北.东北.西北地区(以下简称“三北”地区)，水电装机主要集中在西南地区,这些区域常规机组装机总量大,具备相当规模的可再生能源发电能力,而负荷中心主要集中在东部地区,具有用电需求大.灵活性强的特点。现阶段我国特高压电网建设高速发展,已实现除台湾外的全国联网,跨区跨省间输电能力大为增强,为在更大范围内消纳可再生能源发电提供了客观的物理条件”2。

 

在利用市场手段促进可再生能源消纳方面,文献[3-5]引入需求侧响应机制,倡导在用户侧实现电能替代，主动响应新能源出力变化。文献[6]分析 了负荷侧的高载能企业的调控持性,提出高载能企业的“荷-网_源”协调控制,有效增加可再生能源消纳的能力。文献[7]构建了面向需求侧资源业主,电网企业和发电企业3个市场主体,涉及长期规划、短期运行和需求侧资源对于促进可再生能源并网消纳贡献度评价的"三横三纵”模式,动态调整需求侧资源在低碳电力系统规划和运行中的应用情况。文献[8]利用多代理建模技术构建了分布式可再生能源交易市场信息流和能量流的互动框架,设计了各参与主体交易信息的市场交互机制,有助于运营代理商优化报价策略,激励多方自主参与。文献[9]将风速作为市场价格的工具变量，并预测了欧洲电力交易所日前市场中需求价格弹性。文献[ 10]分析了英国可再生能源电能交易机制.指出可再生能源也是采取双边交易方式,在结算时能获得政府补贴。

 

在研究调峰辅助服务市场补偿机制方面，文献[11]研究了东北地区电力调峰辅助服务市场的规则设计与运行实践,建议采用经济杠杆和市场手段来调动火电企业调峰的积极性。文献[12]提出成本加收益的两部制调峰辅助服务经济补偿机制,引导调峰辅助服务逐步市场化,以利于调动机组调峰的积极性。文献[13]根据中国电力系统特性提出电力市场辅助服务补偿机制设计原则,保障新能源发电消纳时电力系统运行的稳定性。文献[ 14]对区域电力市场辅助服务补偿机制进行实用化研究,建立了有偿调峰弃水电量无功调节服务损失电量补偿机制的数学模型。文献[15]在市场环境下探讨了南方区域电网的辅助服务市场化交易机制,并建立了综合经济性.可靠性与排放因素的多目标备用竞价模型。文献[ 16]研究了丹麦风电调峰调频机制,指出其成功实现穿透率世界第--的关键在于具备自由竞争的电力市场机制和完善的平衡市场等因素。文献[17] 研究美英等西方国家调峰市场机制，发现市场电价以峰谷电价差的形式体现了调峰的供求关系,能充分激励发电企业参与调峰。

 

在促进清洁能源跨区跨省消纳的电价机制与新能源配额制度方面，文献[ 18-20]基于发电权交易的清洁能源跨省消纳与交易机制的研究,分析了电力外送的交易模式。文献[21-23]研究 了国际电力市场清洁能源交易规则,详细地分析电价机制,完善了惩罚机制以及竞标机制,有助于构建合理有序、公平竞争的全国统- -电力市场。

 

上述的研究探索为促进我国可再生能源消纳作出了贡献,但可再生能源消纳应更充分考虑时间尺度因素。由于可再生能源随机性较强,出力波动在长时间尺度上难以预测,不适合在较长的时间尺度上安排跨省区交易计划,只能在日前或者实时的时间尺度上组织交易。在这种短时间尺度上,交易计划不宜由多部门协调,只宜由调度机构统-组织交易和执行。针对新能源发电过程中存在的送电瓶颈,以及能源产地与用电荷载之间的逆向分布态势,考虑到我国电源、电网、负荷的客观规律,本文基于现货市场的- -般原理,利用跨区输电通道的富余输送能力发挥跨区电网资源配置能力,充分调用全网资源消纳可再生能源发电,减少“三奔”电量。针对短时间尺度组织的交易，本文设计跨区域省间可再生能源增量现货市场(以下简称跨区域现货市场)规则和技术支持体系，并已获得国家发改委、国家能源局等部委批复。

 

1市场整体设计

 

由于可再生能源发电出力的可预测性较低，会出现实际发电能力超出预测值的情况。此时,省内调控机构将组织调整调度计划,尽量消纳超出预测值的发电量,但受限于本地的消纳空间,本省可能无法完全消纳。增量即指本省无法消纳的可再生能源发电量。在这种背景下,组织跨省跨区增量现货交易,减少弃风弃水弃光量。

 

跨区域现货市场定位于将送端省份富余可再生能源通过跨区通道外送消纳,交易结构如图1所示。送端省调负责组织省内可再生能源发电企业申报，并在汇总申报信息后向国家电力调度控制中心(简称国调中心)进行售电申报;受端省级电网公司.售电公司、大用户等向国调中心进行购电申报,由国调中心统组织市场出清,并向相关送、受端发布信息。

 

在跨省区增量现货交易市场中,送省可以减少弃风弃水和弃光量;因增量现货交易的成交价格- -般低F标杆电价.受端省可获得更优惠的电力电量供应。

 

1.1市场组织方式

 

现有各电力市场均由电力交易机构组织,本文设计的现货市场交易也建议由调度机构组织。主要原因是在跨省区可再生能源交易市场中,弃风弃水弃光量设定、交易计划编制、安全校核、生产实施4个环节中,除了交易计划编制可以由交易机构组织外,其他3个环节必须由调度机构组织。并且,若由交易机构编制交易计划,须在交易机构和调度机构之间开展复杂.紧密的协作。考虑到可再生能源出力的不确定性,避免弃风、弃水.弃光的措施须在较短时间内完成(几分钟至几小时)。若在这么短的时间尺度上安排交易中心和调度中心协调,难免出现市场组织效率下降的情况，影响可再生能源的消纳。

 

在本文设计的市场中,国调中心负责跨省区现货市场的统-组织;送端省调度机构负责省内发电企业报价的接收、汇总和上报,以及按照市场规则将交易结果进一步出清至电厂;受端省调度部门负责省内购电的申报。

 

1.2市场交易品种

 

为充分保障可再生能源发电企业利益.跨区域现货市场的交易电量定位为送端省份可再生能源发电的富余部分，即考虑各类中长期外送计划和交易后，若送电省发电侧.负荷侧调节资源已经全部用尽,而可再生能源仍有富余发电能力时,组织开展跨区域现货市场交易。

 

1.3 市场主体

 

卖方市场主体为水电、风电和光伏等可再生能源发电企业;买方主体为省级电网企业(省级调度部门负责根据政府主管部门明确的购电报价策略参与市场报价,或代理省内用户参与市场报价),逐步引人大用户、售电公司等参与;输电主体为国家电网公司(包括总部.分部)和各省级电网企业;市场组织机构为调度机构。

 

从市场组织方式、市场主体.交易类型以及各种交易方式的主要特点等方面将本文设计的电力期货市场交易结算机制与国外交易机制进行详细的对比。

 

由表1可以发现从市场组织方式来看,英国和北欧交易市场均由电力交易机构组织;德州和本文设计的交易市场由独立系统调度机构组织,采用这种统一的组织方式,避免了调度机构、交易机构等多个机构之间的复杂协调，能够有效保证市场交易和生产运行的有效衔接。从交易类型来看,本文主要针对的是可再生能源的增量市场,由于其波动性和不稳定性，不适合远期或者长期的交易方式，因此本文主要采用日前交易与实时交易，且考虑时间尺度的自适应性，以获取最大的社会效益和经济效益。

 

2竞价模型

 

2.1目标西数

 

跨区域现货市场的目标函数是社会福利最大函数f:

 

(1)输配电价。

 

跨区域现货市场所经通道各环节输电价格及线损率参照国家批复水平执行,计人交易成本。

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(2)电能价格。

 

电能价格采用边际出清价格方式确定。针对2. 1节所述的模型,采用高低匹配的方式出清。假设存在买方A.B.C、D和卖方甲、乙、丙、丁、戊。买方申报电价时考虑输电电价和线损后折算到送端交易计量关口。买方报价按照从高到低的顺序排序.卖方报价按照从低到高的顺序排序,报价最高的买方与报价最低的卖方优先成交,按照价差递减的原则依次出清,直至申报电力全部成交,或买方报价低于卖方报价,交易结束。最后一笔成交电力双方报价的平均值为系统边际电价。