可再生能源參與電力現(xiàn)貨市場關(guān)鍵問題的研究

　　摘要：隨著我國可再生能源持續(xù)快速發(fā)展和電力市場進一步深化改革，可再生能源參與電力現(xiàn)貨市場是必然趨勢，也是可再生能源消納的柔性靈活方式。文中梳理了我國可再生能源的發(fā)展現(xiàn)狀，從市場機制問題和電網(wǎng)運行安全問題兩方面探討分析可再生能源參與電力現(xiàn)貨市場的關(guān)鍵問題，提出在市場機制方面，可再生能源參與電力現(xiàn)貨市場的必要性可以通過公平性測試和競爭性測試來確定，在電網(wǎng)安全運行方面，可再生能源參與電力現(xiàn)貨市場的可行性可以通過電量平衡、電力平衡和系統(tǒng)調(diào)峰爬坡能力來分析。通過對某地區(qū)未來可再生能源參與電力現(xiàn)貨市場案例分析，提出應建設(shè)深度調(diào)峰輔助服務(wù)市場，通過市場來激勵火電機組參與深度調(diào)峰，提供充分靈活調(diào)節(jié)能力保障可再生能源消納和電網(wǎng)的安全運行。

　　關(guān)鍵詞：可再生能源;電力現(xiàn)貨市場;市場機制;可行性分析;必要條件

　　0 引言

　　近 20 年可再生能源快速發(fā)展，可再生能源發(fā)電技術(shù)逐步成熟、價格不斷下降、規(guī)模不斷擴大，已經(jīng)成為構(gòu)成電力資源的重要組成部分。在可再生能源發(fā)展過程中，我國陸續(xù)制定了許多相關(guān)政策，逐步從產(chǎn)業(yè)扶持向促進市場消納方向發(fā)展。根據(jù)國家能源局發(fā)布數(shù)據(jù)，截至 2019 年底，我國可再生能源發(fā)電裝機達到 7.94 億 kW，可再生能源發(fā)電裝機約占全部電力裝機的 39.5%，可再生能源發(fā)電量達 2.04 萬億 kWh,占全部發(fā)電量比重為 27.9%，可再生能源的清潔能源替代作用日益突顯 [1-2]。

　　2020 年，我國提出“二氧化碳排放力爭于 2030 年前達到峰值，努力爭取 2060 年前實現(xiàn)碳中和”目標的莊嚴承諾，降低化石能源消耗和提高可再生能源利用將成為電力發(fā)展的重要方向，可再生能源發(fā)電比重將進一步提高，可再生能源消納將成為電力市場和電網(wǎng)發(fā)展的重要課題。市場化消納可再生能源是可再生能源健康發(fā)展的必然趨勢。隨著我國可再生能源發(fā)電的快速增長，2012 年起東北、西北、華北等地出現(xiàn)嚴重“棄風”、“棄光”現(xiàn)象，可再生能源消納成為可再生能源發(fā)展需要解決的重要問題。

　　2015 年我國發(fā)布《關(guān)于進一步深化電力體制改革的若干意見》(以下簡稱“9 號文”)指出了我國新能源和可再生能源面臨發(fā)展機制不健全的問題，包括可再生能源發(fā)電保障性收購制度沒有完全落實，新能源和可再生能源發(fā)電無歧視、無障礙上網(wǎng)問題未得到有效解決等[3]。堅持市場化改革、開放可再生能源的市場化發(fā)展成為政府改善可再生能源消納的基本原則。

　　一方面，推動利用市場機制解決可再生能源消納問題，全國多個地區(qū)開展了電力輔助服務(wù)市場建設(shè)，完善電力調(diào)峰輔助服務(wù)補償機制，激勵各類資源提供調(diào)頻調(diào)峰能力。另一方面，推出綠色電力證書交易制度，推行新增項目競爭配置和無補貼平均上網(wǎng)政策，以及制定可再生能源消納權(quán)重要求，支持可再生能源柔性消納[4-7]。

　　同時，“九號文”提出加快探索建立電力現(xiàn)貨交易機制，改變計劃調(diào)度方式，發(fā)現(xiàn)電力商品價格，形成市場化的電力電量平衡機制，逐步構(gòu)建中長期交易與現(xiàn)貨交易相結(jié)合的電力市場體系，充分發(fā)揮市場在電力資源配置中的決定性作用[8-9]。在“9 號文”的指導下，2018 年政府啟動了電力現(xiàn)貨市場試點試運行工作[10-11]。

　　可再生能源參與電力現(xiàn)貨市場為實現(xiàn)市場化消納可再生能源提供依據(jù)。電力現(xiàn)貨市場的主要功能一是發(fā)現(xiàn)電力的時間和空間價值，二是保證電力實時平衡和安全輸送�？稍偕�能源發(fā)電存在強不確定性和波動性，在實時電網(wǎng)運行時需要合理調(diào)度其他資源，提供足夠的調(diào)頻調(diào)峰能力來平衡其波動。 當可再生能源參與電力現(xiàn)貨市場，一方面市場可以得到平衡可再生能源波動的電力需求，保證了可再生能源影響下的電網(wǎng)運行安全;另一方面市場為平衡可再生能源波動確定了資源調(diào)度計劃和對應的價格信號，為可再生能源市場化消納提供了電力平衡的運行和結(jié)算依據(jù)。目前國內(nèi)多個電力現(xiàn)貨市場試點地區(qū)根據(jù)裝機結(jié)構(gòu)對可再生能源的市場參與方式制定了相應的規(guī)則。

　　另外，電力輔助服務(wù)市場作為電力現(xiàn)貨市場的一部分，也是支持可再生能源柔性消納的重要機制。“九號文”提出建立基于市場化原則的新型輔助服務(wù)共享機制，完善并網(wǎng)發(fā)電企業(yè)輔助服務(wù)的評價機制和補償機制。在“九號文”的頂層設(shè)計下，各地也積極開始電力輔助服務(wù)市場化探索[12]。電力輔助服務(wù)市場的建設(shè)為可再生能源參與電力現(xiàn)貨市場交易提供了有效的支撐[13-14]。本文針對可再生能源參與電力現(xiàn)貨市場相關(guān)問題進行討論，論文主要內(nèi)容包括 3 個部分：

　　部分 1 討論了可再生能源參與電力現(xiàn)貨市場的市場機制問題;部分 2 討論可再生能源參與電力現(xiàn)貨市場的電網(wǎng)安全運行問題;部分 3 以某地區(qū)為例，實證分析可再生能源參與電力現(xiàn)貨市場必要條件和可行性。最后對可再生能源參與電力現(xiàn)貨市場關(guān)鍵問題進行總結(jié)。

　　1 可再生能源參與電力現(xiàn)貨市場的市場機制問題國內(nèi)外關(guān)于可再生能源參與電力市場已有大量研究與實踐，對應不同地區(qū)、不同電網(wǎng)，可再生能源參與電力市場問題不同。綜合起來，可再生能源參與電力市場的問題體現(xiàn)在兩個方面，即市場機制問題和電網(wǎng)安全運行問題[15]。

　　1.1 可再生能源參與電力現(xiàn)貨市場的市場機制問題概述市場機制也是利益分配機制。可再生能源參與電力市場涉及多個利益相關(guān)方，包括社會、電網(wǎng)公司、常規(guī)發(fā)電企業(yè)、可再生能源發(fā)電企業(yè)、售電商和電力用戶[16]。市場機制問題主要體現(xiàn)在4 個方面。

　　1)公平性，即市場機制是否能夠保證參與市場各方的公平競爭。比如，不同發(fā)電類型發(fā)電成本構(gòu)成不一樣，有的固定成本高邊際成本低，有的固定成本低邊際成本高，以邊際成本定價的市場結(jié)算機制是否合理?

　　2)競爭性，即市場是否存在充分競爭。市場力是電力市場設(shè)計考慮的一個重要問題，市場可能因為市場力操縱出現(xiàn)價格畸形而產(chǎn)生不公平競爭。

　　3)完整性。電力生產(chǎn)與消費是一個跨越規(guī)劃和實時平衡的多時間尺度多決策過程，市場機制應覆蓋電力的全生產(chǎn)消費周期的所有決策過程，設(shè)計多種產(chǎn)品交易，充分體現(xiàn)可再生能源與常規(guī)發(fā)電不同價值。

　　4) 適應性。由于可再生能源不斷發(fā)展、電力消費需求不斷變化、能源政策不斷調(diào)整等各種因素，電力市場是動態(tài)變化的。市場機制也是在不斷發(fā)展來解決可能面臨的各種問題。比如一般電力市場交易只考慮穩(wěn)態(tài)約束，隨著可再生能源滲透率的增加，電網(wǎng)動態(tài)安全問題可能出現(xiàn)，需要設(shè)計市場規(guī)則或產(chǎn)品來改善電網(wǎng)動態(tài)穩(wěn)定控制能力。最終，市場機制體現(xiàn)在市場中可再生能源的電量和電價確定機制。

　　1.2 可再生能源參與電力現(xiàn)貨市場的電量和電價確定模式

　　目前可再生能源參與電力市場的方式包括中長期的容量市場和電量市場，日前、實時現(xiàn)貨市場及輔助服務(wù)市場�？稍偕�能源參與電力現(xiàn)貨市場模式通常有 3 種[17-18]，分別采用不同的電量和電價確定機制。

　　1) 計劃電量模式：是指可再生能源發(fā)電按照計劃電量接入電網(wǎng)，只有在受到輸電越限約束時才調(diào)整發(fā)電水平�？稍偕�能源發(fā)電結(jié)算價格與電力現(xiàn)貨市場價格無關(guān)。該模式下，可再生能源發(fā)電沒有參與市場競爭，其發(fā)電量由政府指定或者與售電商簽訂的長期合同決定，通常適用于可再生能源扶持發(fā)展階段，相對可再生能源發(fā)電占比較低，對供電側(cè)影響小。例如南方(以廣東起步)電力現(xiàn)貨市場中，可再生能源作為保護性發(fā)電類型，不參與市場競爭，按照計劃電量發(fā)電。

　　2) 市場電價接受者模式：是指可再生能源發(fā)電以報量不報價方式參與電力現(xiàn)貨市場，現(xiàn)貨市場出清時，除了受到輸電約束影響外可再生能源發(fā)電水平按照申報電量發(fā)電，市場出清價格作為結(jié)算依據(jù)。該模式下，可再生能源發(fā)電優(yōu)先接入，但結(jié)算價格受到電力現(xiàn)貨市場出清價格影響，通常適用可再生能源鼓勵性發(fā)展階段，政府可能通過溢價補貼形式為保證可再生能源發(fā)電商收益，比如當前德國可再生能源參與電力現(xiàn)貨市場模式。

　　3) 競價模式：是指可再生能源發(fā)電以報量報價方式參與電力現(xiàn)貨市場，市場出清結(jié)果確定了可再生能源的發(fā)電水平和結(jié)算價格，通常適用可再生能源發(fā)展成熟階段，可再生能源發(fā)電具有與其他發(fā)電平價競爭的能力，而且可再生能源發(fā)電超出了可再生能源發(fā)電配額要求[19]。

　　該模式下，可再生能源發(fā)電自主參與市場競爭。例如，在北歐，可再生能源可以參加北日前現(xiàn)貨市場、日內(nèi)小時級市場與平衡市場，可再生能源企業(yè)收益由現(xiàn)貨市場價格確定。美國電力市場大多基于日前市場和實時現(xiàn)貨市場的雙結(jié)算體系，可再生能源發(fā)電商均可以直接參與現(xiàn)貨市場交易，以實時電價結(jié)算發(fā)電量。對于特定地區(qū)，可再生能源發(fā)電以何種模式參與電力市場可以通過公平性和競爭性來測試。公平性測試是指測試在全市場周期可再生能源發(fā)電與其他類型發(fā)電是否可以通過公平競爭保證其收益。通常平均發(fā)電成本可用來測試可再生能源發(fā)電是否可以與常規(guī)發(fā)電競爭。

　　以光伏發(fā)電為例，2019 年，全國光伏的年均利用小時數(shù)為 1169 h，光伏電站建設(shè)成本 4.5 元/W，此時發(fā)電成本為0.44 元/kW·h。根據(jù)目前降本趨勢，預計 2020 年底光伏電站建設(shè)成本平均約為 3.5 元/W，此時發(fā)電成本為 0.36 元/kW·h。全國脫硫燃煤電價平均值為：0.3624 元/kW·h[20]�？梢�，在電量市場，光伏發(fā)電已具有與煤電公平競爭的能力。競爭性測試是指用戶對于可再生能源發(fā)電是否具有選擇性。

　　當可再生能源發(fā)電需求大于可再生能源發(fā)電時，則形成可再生能源發(fā)電稀缺，可再生能源發(fā)電必須全電量接入，對可再生能源發(fā)電不需要通過市場競爭進行分配，那么用戶對于可再生能源不具有選擇性。2019 年，政府決定對各省級行政區(qū)域設(shè)定可再生能源電力消納責任權(quán)重，建立健全可再生能源電力消納保障機制[21]�？稍偕�能源消納權(quán)重要求在電力消費中可再生能源發(fā)電達到一定的占比。如果某地區(qū)的可再生能源發(fā)電低于可再生能源發(fā)電占比要求，則所有可再生能源發(fā)電必須全電量消納，不存在市場競爭，那么可再生能源參與電力現(xiàn)貨市場不能采用競爭模式。

　　2 可再生能源參與電力現(xiàn)貨市場的電網(wǎng)安全運行問題

　　電網(wǎng)安全運行是可再生能源參與電力市場需要考慮的一個重要問題�？稍偕�能源具有強不確定性、可控性低、容量利用率低等特性，對電網(wǎng)安全運行都會有嚴重影響[22]。綜合來看，可再生能源接入對電網(wǎng)安全運行的影響表現(xiàn)在兩個方面，在穩(wěn)態(tài)運行方面主要表現(xiàn)為可再生能源發(fā)電不確定性對電網(wǎng)電力平衡及輸電安全帶來挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)為：

　　一是預測偏差大直接影響日前計劃安排，在日前計劃中安全校核所針對的運行方式與實時運行潮流偏差大而沒有起到作用[23];二是高比例可再生能源發(fā)電壓抑了常規(guī)火電機組出力，尤其是高比例太陽能發(fā)電減少了常規(guī)機組白天發(fā)電需求，而在傍晚因為光照消失需要非可再生能源發(fā)電來彌補電力損失;三是可再生能源發(fā)電的不確定性增加了系統(tǒng)備用需求。

　　由于風電、光伏出力具有強隨機性，難以準確預測，因此為保證實時功率平衡，系統(tǒng)需要準備足夠的運行備用，應對可再生能源發(fā)電的突然波動;四是可再生能源分布范圍廣，可能遠離負荷中心，遠距離輸電需求增加，而且潮流具有突變的可能性。由于可再生能源多點接入，可能整體發(fā)電變化不大，但單個風電、光伏發(fā)電場出力波動，引起潮流大幅變化。在動態(tài)控制方面的影響表現(xiàn)為系統(tǒng)穩(wěn)定安全控制更加復雜。

　　電力系統(tǒng)是復雜系統(tǒng)，系統(tǒng)動態(tài)變化模式復雜[24]，可再生能源接入引入大量電力電子設(shè)備，系統(tǒng)動態(tài)變化更加難以分析清楚，很多基于小擾動分析的方法、工具及控制策略可能不再有效。另外，可再生能源的接入，減少了常規(guī)發(fā)電機組的接入，造成系統(tǒng)慣性降低，對擾動的阻尼效果減弱，降低了系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性。可再生能源參與電力現(xiàn)貨市場主要與電網(wǎng)調(diào)度運行相關(guān)，體現(xiàn)在發(fā)電計劃、調(diào)頻調(diào)峰等穩(wěn)態(tài)運行問題[25]，動態(tài)運行問題主要通過電網(wǎng)運行安全約束，現(xiàn)貨市場出清時體現(xiàn)在輸電約束產(chǎn)生的發(fā)電計劃調(diào)整和額外調(diào)頻調(diào)峰備用的獲取。

　　因此，可再生能源參與電力現(xiàn)貨市場的可行性可以從 3個方面進行分析：一是電量平衡，即在考慮可再生能源發(fā)電參與下，在給定時間段，系統(tǒng)發(fā)電資源是否能夠滿足系統(tǒng)用電量需求;二是電力平衡，即在可再生能源發(fā)電與負荷波動影響下，發(fā)電是否能夠滿足負荷需求;三是系統(tǒng)調(diào)峰爬坡能力，即在可再生能源發(fā)電與負荷波動影響下，系統(tǒng)是否具有足夠爬坡能力滿足功率變化需求。

　　3 案例分析

　　本文以某地區(qū)未來可再生能源參與電力現(xiàn)貨市場為例，舉例分析可再生能源發(fā)電參與電力現(xiàn)貨市場的可行性。

　　3.1 市場公平性如前文部分 1 所述，可再生能源參與電力現(xiàn)貨市場的市場可行性問題可以用公平性測試和競爭性測試來分析。以平均發(fā)電成本為準進行公平性測試，某地區(qū)光伏發(fā)電的估算平均成本 在0.3706~0.5013 元/kW·h 之間 [8]，煤電上網(wǎng)電價為0.3844 元/kW·h，光伏發(fā)電達到了與煤電平價競爭的水平。風力發(fā)電幾年前已經(jīng)達到與煤電平價競爭水平。

　　3.2 市場競爭性競爭性測試可以通過比較某地區(qū)可再生能源發(fā)電規(guī)劃和可再生能源發(fā)電消納權(quán)重要求分析。

　　本文對地區(qū)可再生能源消納可能出現(xiàn)的兩種場景進行分析：一是保守場景，即在 2025 年該地區(qū)可再生能源消納與當前國家可再生能源消納權(quán)重要求一致，該地區(qū)最低可再生能源消納總量為 510 億 kW·h，非水可再生能源消納 425 億 kW·h，其中規(guī)劃可再生能源發(fā)電總量474 億 kW·h，非水可再生能源發(fā)電 446 億 kW·h，跨區(qū)受入水電 40 億 kW·h，新能源(風電、太陽能發(fā)電)76 億 kW·h，該地區(qū)規(guī)劃的 2025 年可再生能源發(fā)電超出了可再生能源消納權(quán)重要求，允許可再生能源發(fā)電進入電力市場，與常規(guī)發(fā)電競爭入網(wǎng)。在保守場景，如果新能源受入只是按照跨區(qū)直流輸入約 90 億 kW·h 新能源來規(guī)劃，全網(wǎng)可再生能源消納需要通過市場消化大約 100 億 kW·h。

　　根據(jù)預估的 2025 年日負荷曲線，發(fā)現(xiàn)爬坡需求最大的是 7 月 29 日。在 0% 光伏時，峰谷差 1879 萬 kW，最大小時爬坡達到 743 萬 kW，在 100% 光伏時，峰谷差達到 2314 萬 kW，最大小時爬坡仍然是 743 萬 kW。最大小時爬坡沒有發(fā)生變化的主要原因是負荷晚高峰大約出現(xiàn)在晚上 21:00，20:00—21:00 負荷爬坡快。光伏已經(jīng)不再發(fā)電。

　　一般來說，燃煤發(fā)電機組爬坡率在 2%~5%/分鐘，按照 5667 萬 kW 開機，每小時 60 min 爬坡，超過 743 萬 kW 的爬坡需求。按照煤電發(fā)電計劃，在 100% 光伏時，峰谷差 2314 萬 kW 也可以在 60min 內(nèi)爬坡完成。因此，光伏影響下系統(tǒng)上調(diào)峰能力是足夠的。綜合電量平衡、電力平衡及調(diào)峰能力三方面來分析，2025 年該地區(qū)電網(wǎng)運行在電量平衡方面可以滿足社會用電需求，由于新建特高壓的投運，區(qū)內(nèi)火電機組平均發(fā)電小時數(shù)將降至 4000 h(3887 h)以下，相對來說偏低，不利于火電機組投資成本回收。

　　電力平衡分析通過極端負荷日發(fā)電計劃分析，在低負荷日煤電機組發(fā)電率低，在光伏出力高時，系統(tǒng)需要煤電進行深度調(diào)峰。當新建特高壓輸電投運后，可能深度調(diào)峰都不能滿足電力平衡要求，需要日內(nèi)進行煤電機組起停。而在高負荷日，由于高峰負荷大約出現(xiàn)在 21:00，光伏發(fā)電不能減少尖峰負荷需求，電網(wǎng)出現(xiàn)發(fā)電容量不足，尤其是只有跨區(qū)直流運行時，系統(tǒng)面臨缺電風險。按照預估的 2025 年日負荷曲線，電網(wǎng)上調(diào)峰爬坡能力充足。

　　可再生能源發(fā)電在低負荷日增加下調(diào)峰需求。因此，從電網(wǎng)運行要求來看，該地區(qū)可再生能源參與電力現(xiàn)貨市場約束在于：一是系統(tǒng)容量充裕性，可再生能源發(fā)電能夠提供有效電量，但不能提供有效容量。容量充裕性問題需要在電網(wǎng)與電源規(guī)劃時進行考慮，非電力現(xiàn)貨市場可以解決的問題。二是系統(tǒng)深度調(diào)峰能力，可再生能源發(fā)電可能壓抑火電機組出力，減少了火電機組向下調(diào)峰能力。該地區(qū)可以在電力現(xiàn)貨市場建立輔助服務(wù)市場，通過市場激勵火電機組進行深度調(diào)峰改造。

　　4 結(jié)論

　　可再生能源參與電力現(xiàn)貨市場是可再生能源一種柔性消納方式�？稍偕�能源參與電力現(xiàn)貨市場的關(guān)鍵問題主要表現(xiàn)在市場機制問題和電網(wǎng)運行安全問題兩個方面。本文認為在市場機制方面，可再生能源參與電力現(xiàn)貨市場的必要性可以通過公平性測試和競爭性測試確定，電網(wǎng)安全運行方面，可再生能源參與電力現(xiàn)貨市場的可行性可以通過電量平衡、電力平衡和系統(tǒng)調(diào)峰爬坡能力分析。通過模擬地區(qū) 2025 年可再生能源參與電力現(xiàn)貨市場案例，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)可再生能源參與電力現(xiàn)貨市場是市場發(fā)展的必然趨勢。

　　該地區(qū)可再生能源發(fā)電將降低煤電機組運行率，煤電機組需要通過系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力，建設(shè)深度調(diào)峰輔助服務(wù)市場，通過市場激勵火電機組參與深度調(diào)峰，提高系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)能力，保障電網(wǎng)安全運行。通過案例分析，本文系統(tǒng)地闡述了評估可再生能源參與電力現(xiàn)貨市場的方法�？稍偕�能源參與電力現(xiàn)貨市場的影響是多方面的，研究建立全面合理的量化評估體系可為電力現(xiàn)貨市場設(shè)計和規(guī)則制定提供依據(jù)，為可再生能源市場化消納政策制定提供支撐。

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　　作者：任曦駿1，朱劉柱1，謝道清2，葉斌1，許中平3，張沛4，朱駐軍4

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