可再生能源參與電力市場的影響與國際經(jīng)驗借鑒

蔣燕 李秀峰 吳洋 周彬彬 唐成鵬

摘 要：近年來，全球可再生能源發(fā)展迅猛，已成為能源供應(yīng)體系的重要組成部分，同時大規(guī)模的可再生能源并網(wǎng)和參與電力市場交易給電力市場運行帶來了巨大影響。鑒于此，本文主要針對可再生能源參與電力市場交易對電網(wǎng)調(diào)度運行和安全校核帶來的影響進(jìn)行了分析，然后介紹了國外成熟電力市場在安全校核中的應(yīng)對措施，最后提出了在我國電力市場初級階段及向現(xiàn)貨市場過渡階段可以借鑒的經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：可再生能源；電力市場交易；安全校核；影響

中圖分類號：TM615 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）14-0185-04

可再生能源是能源供應(yīng)體系的重要組成部分[1]。近年來，為了應(yīng)對全球環(huán)境和能源問題，可再生能源（特別是風(fēng)能和太陽能）作為清潔能源，受到全球青睞，各國紛紛出臺了鼓勵可再生能源發(fā)展的政策和措施。同時，由于技術(shù)進(jìn)步，可再生能源的發(fā)電成本也快速下降，推動了可再生能源的迅速發(fā)展。

2016年，可再生能源發(fā)電量達(dá)到全球所有發(fā)電量的24.5%，其中水電發(fā)電量占全球總發(fā)電量的約16.6%，風(fēng)電、生物質(zhì)發(fā)電、太陽能發(fā)電分別占全球總發(fā)電量的4.0%、 2.0%、1.5%[2]。我國可再生能源發(fā)展迅猛，水電、風(fēng)電和光伏裝機容量均超過世界裝機容量的1/4，居全球之首[3]。截至2016年，我國可再生能源總裝機容量為570GW，占全球可再生能源裝機容量的28.26%，占全國總發(fā)電裝機容量的35.6%[4]。可再生能源發(fā)電量也逐年攀升，2016年達(dá)到15528億kWh，占全國總發(fā)電量的25.9%，已經(jīng)成為電力供應(yīng)中不可忽視的電源[5]。

與此同時，由于可再生能源發(fā)電的間歇性、隨機性和反調(diào)峰特性，大規(guī)模的可再生能源并網(wǎng)和參與電力市場交易給電力市場運行帶來很大影響，國內(nèi)外的相關(guān)研究也比較多，很多學(xué)者對此做了比較深入的綜述[6，7]。目前，國內(nèi)外的相關(guān)研究主要集中在可再生能源電力系統(tǒng)優(yōu)化運行[8，9]，促進(jìn)可再生能源消納的政策[10-12]、技術(shù)手段[13，14]和市場機制[15，16]等方面。本文主要針對可再生能源參與電力市場交易對電網(wǎng)調(diào)度運行和安全校核帶來的影響進(jìn)行分析，然后介紹國外成熟電力市場的應(yīng)對措施，最后提出了對我國的啟發(fā)和借鑒。

1 可再生能源交易對電網(wǎng)調(diào)度運行和安全校核的影響

1.1 網(wǎng)調(diào)度運行的影響

大規(guī)模的可再生能源并網(wǎng)一定程度上改變了電網(wǎng)的調(diào)度運行方式，也增加了調(diào)度機構(gòu)的操作難度。在我國目前以中長期電量交易為主的市場環(huán)境下，調(diào)度機構(gòu)在編制和執(zhí)行發(fā)電計劃時，需要對可再生能源的發(fā)電能力進(jìn)行預(yù)測。一方面，可再生能源電廠發(fā)電能力受一次能源資源情況的影響，很難提前準(zhǔn)確預(yù)測，其發(fā)電能力與發(fā)電計劃難以達(dá)到完全匹配，同時，為了保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，需要在編制發(fā)電計劃時留出足夠的輸電裕度、備用和調(diào)頻能力；另一方面，可再生能源的發(fā)電能力在月內(nèi)各天分布不均，若在月初因輸電阻塞將部分電廠的電量計劃轉(zhuǎn)移到月末，可能出現(xiàn)月初棄能，月末發(fā)電能力不足的問題。此外，可再生能源出力的反調(diào)峰特性，會增大系統(tǒng)的凈負(fù)荷峰谷差，加劇了電網(wǎng)的調(diào)峰壓力。

1.2 對市場交易的影響

理論上，可再生能源發(fā)電的邊際成本接近于零，可再生能源電廠之間幾乎為同質(zhì)競爭，電力批發(fā)市場上的競價結(jié)果具有很大的不確定性。如此，不僅會對調(diào)度機構(gòu)制定發(fā)電計劃造成困難，還會造成合同電量的頻繁調(diào)節(jié)。以圖 1為例，假設(shè)計劃中的供需沒有變化，只有可再生能源發(fā)電能力存在預(yù)測偏差。當(dāng)可再生能源發(fā)電能力大于預(yù)測時，系統(tǒng)需要下調(diào)節(jié)容量，報價曲線將位于原供求曲線的下方，即下調(diào)節(jié)價格低于中長期市場的出清價格；相反，上調(diào)節(jié)價格將高于中長期市場的出清價格。

1.3 對安全校核的影響

大規(guī)模的可再生能源參與電力市場交易增加了安全校核難度。（1）可再生能源發(fā)電的隨機性可能改變電網(wǎng)典型運行方式和系統(tǒng)潮流，改變電網(wǎng)阻塞情況，為無現(xiàn)貨階段中長期市場交易的安全校核和阻塞管理造成較大困難；（2）可再生能源發(fā)電單元通過電力電子設(shè)備實現(xiàn)并網(wǎng)，這就在可再生能源電站內(nèi)構(gòu)成了一個通過集電系統(tǒng)相互耦合的多并網(wǎng)變流器并聯(lián)運行系統(tǒng)[17]，電力電子設(shè)備的數(shù)學(xué)模型和傳統(tǒng)交流系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型存在較大差異，大規(guī)模的可再生能源并網(wǎng)對電力系統(tǒng)穩(wěn)定、靜態(tài)安全分析和輸電線路極限等都造成了較大影響；（3）由于可再生能源間歇性和不確定性的特點，需要建立可再生能源發(fā)電機組的隨機模型，基于此對系統(tǒng)進(jìn)行安全校核的概率分析。

2 考慮可再生能源參與的安全校核國際經(jīng)驗

根據(jù)國外成熟電力市場的經(jīng)驗，電力調(diào)度機構(gòu)一般在現(xiàn)貨（日前和實時）階段完成系統(tǒng)的分時電力平衡，因此針對各類電力交易的安全校核和阻塞管理一般也在現(xiàn)貨階段進(jìn)行。通常情況下，現(xiàn)貨市場可以分為日前市場（日內(nèi)市場）和實時市場。而由于電力批發(fā)市場模式及其價格機制的不同，現(xiàn)貨市場中安全校核模型和方法也有所不同。例如，英國目前的BETTA模式并不在日前交易所集中出清中考慮安全校核，而僅在實時平衡階段將安全校核模型納入考慮；北歐市場在日前出清中僅考慮幾個平衡區(qū)之前的斷面約束；美國RTO市場中則在日前和實時市場出清中均將安全校核模型納入出清算法中。

隨著各類可再生能源并網(wǎng)比例的不斷提升，電力調(diào)度機構(gòu)要在其現(xiàn)貨市場出清過程中充分考慮可再生能源交易中所涉及的間歇性和不確定性對電力調(diào)度運行和安全校核的影響。針對不同地區(qū)電力系統(tǒng)運行中電源結(jié)構(gòu)和可再生能源電源運行特點，不同市場在其電網(wǎng)調(diào)度運行和安全校核中針對可再生能源也有不同的應(yīng)對措施。

2.1 北歐電力市場

為應(yīng)對大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)，北歐電力市場除日前市場外，還開展了日內(nèi)市場。系統(tǒng)可用輸電容量不斷滾動計算和更新，市場參與者可以根據(jù)先到先得、價格優(yōu)先的原則，免費使用輸電容量。日內(nèi)市場是對日前市場的補充，確保了電力市場中供需電量的平衡。在日內(nèi)市場中，市場參與者可以進(jìn)行每1小時、0.5小時、15分鐘等的持續(xù)滾動交易。日內(nèi)市場給可再生能源電廠提供了一個持續(xù)交易的平臺，極大地降低了出力預(yù)測偏差造成的影響。

2.2 ERCOT電力市場

在美國ERCOT電力市場，風(fēng)電裝機容量占系統(tǒng)總裝機的20%，2016年風(fēng)電滲透率最高達(dá)到48.28%。在此場景下，ERCOT電力調(diào)度運行面臨著很大的不確定性和隨機性。為了應(yīng)對這些不確定性，ERCOT在其日前市場出清和可靠性機組組合（RUC）中引入了概率風(fēng)電出力預(yù)測（如圖2所示），即，通過預(yù)測給出風(fēng)電某時段的出力水平和對應(yīng)的發(fā)生概率，在此基礎(chǔ)上，計算各出力水平下的超出概率，也就是風(fēng)電實際出力超過該值的概率，并依此形成可靠性機組組合（RUC）。

具體來說，在ERCOT日前市場交易中，風(fēng)電機組可以申報的最大運行極限不能超過其短期風(fēng)力發(fā)電預(yù)測值（STWPF，即實際風(fēng)機出力超過該值的概率為50%）。在日前市場出清之后，ERCOT需要運行可靠性機組組合（RUC）來確保第二天的安全可靠運行，在這一過程中也將STWPF作為風(fēng)電場的運行上限納入考慮。

在實時運行階段，風(fēng)電場全容量參與市場，ERCOT以實時輸出功率作為風(fēng)電場最大運行極限，以盡可能消納風(fēng)電。同時對風(fēng)電場上下爬坡速率有嚴(yán)格的規(guī)定：在響應(yīng)ERCOT的調(diào)度信號時，最大爬坡速率為20%額定功率/分鐘；在任何時候，最大爬坡速率低于25%額定功率/分鐘，從而確定風(fēng)電場最大調(diào)度極限（如圖3所示）。

2.3 PJM電力市場

美國RTO電力市場已經(jīng)對安全校核模型進(jìn)行了優(yōu)化，可以對包含可再生能源的系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確的安全校核。一般而言，日前市場安全校核模型通常基于電網(wǎng)基礎(chǔ)模型的動態(tài)穩(wěn)定限值和熱穩(wěn)限值提前確定，而實時市場的安全校核模型則根據(jù)系統(tǒng)實時運行情況、通過能量管理系統(tǒng)實時更新。在確定輸電線路容量方面，美國PJM不僅實時監(jiān)視環(huán)境溫度，還為所有被監(jiān)視的輸電線路設(shè)立了正常、緊急和負(fù)荷削減限額3種熱穩(wěn)極限，設(shè)立了電壓上限、正常電壓下限、緊急電壓下限和負(fù)荷削減下限4種電壓極限，規(guī)定了在預(yù)想事故仿真后，如果出現(xiàn)線路潮流或電壓越限時可采取的措施及采取措施的時間，為設(shè)備超極限運行提供了更精細(xì)的技術(shù)依據(jù)，從而能夠在保證系統(tǒng)安全的情況下提高系統(tǒng)設(shè)備利用率。

2.4 安大略電力市場

加拿大是世界第二大的水電生產(chǎn)國，年水力發(fā)電量約為350TW·h，接近全國總發(fā)電量的60%，超過世界水電總發(fā)電量的十分之一。在安大略電力市場中，有很多梯級水電站，且大部份都屬于安大略發(fā)電公司（OPG）所有。在批發(fā)市場中，各家公司須向加拿大獨立電力系統(tǒng)運營商（IESO）匯報來水預(yù)測數(shù)據(jù)。并且安大略電力市場中發(fā)電機組的產(chǎn)值是實時公開的，下游電站可以及時看到上游電站的產(chǎn)值，從而能夠預(yù)估來水量并合理地向電力市場報價，從而盡量避免發(fā)生棄水。

為減少來水不確定性的影響，安大略電力市場還針對水電運行特性設(shè)置了一些規(guī)則：（1）日最大發(fā)電能力（Daily Energy Limit），即次日可調(diào)度的最大發(fā)電量，IESO要求所有水電站必須每日上報日最大發(fā)電能力，作為日前市場調(diào)度的邊界條件；（2）電站組合，針對梯級電站的復(fù)雜性，IESO允許對相互關(guān)聯(lián)的電站進(jìn)行分組組合，并靈活地調(diào)度以滿足“總發(fā)電”的調(diào)度指令；（3）日前再報價，IESO允許水電在日前市場運行期間調(diào)整報價，有利于水電站管理來水不確定性風(fēng)險。

3 我國借鑒

我國作為可再生能源大國，每年新增的可再生能源裝機也位于世界前列，在不斷深化電力體制改革的進(jìn)程中，需要重點考慮大規(guī)?？稍偕茉床⒕W(wǎng)對電力市場運行的影響，做好電力市場平穩(wěn)運行與可再生能源消納之間的平衡。

當(dāng)前，我國還未建立電力現(xiàn)貨市場，電力市場交易以中長期的年度和月度交易為主，并且沒有約定交易曲線。在此場景下，學(xué)習(xí)和借鑒國外成熟電力市場應(yīng)對可再生能源參與市場的經(jīng)驗十分必要，不僅可以緩解當(dāng)前電力市場交易和安全校核的壓力，還有助于向現(xiàn)貨市場進(jìn)行過渡，保持電力市場建設(shè)的連續(xù)性。通過對國際經(jīng)驗的分析，以下幾點值得我國學(xué)習(xí)和借鑒：

（1）提高可再生能源發(fā)電能力的預(yù)測水平。在無現(xiàn)貨階段，對可再生能源發(fā)電能力的預(yù)測，不僅要盡可能準(zhǔn)確地預(yù)測月度總發(fā)電量及其在月內(nèi)的分布情況，還需要進(jìn)行分區(qū)域的發(fā)電能力預(yù)測。因此，我國需加強對各可再生能源電廠的數(shù)據(jù)采集，包括歷史出力數(shù)據(jù)、一次能源資源數(shù)據(jù)等，在此基礎(chǔ)上，不斷對預(yù)測算法進(jìn)行修改完善，進(jìn)而開發(fā)相關(guān)的技術(shù)支持系統(tǒng)。調(diào)度機構(gòu)基于發(fā)電能力的概率預(yù)測進(jìn)行安全校核和編制發(fā)電計劃。

（2）優(yōu)化安全校核模型。研究可再生能源機組的數(shù)學(xué)模型，更新傳統(tǒng)交流系統(tǒng)的安全校核模型，以適應(yīng)大規(guī)?？稍偕茉床⒕W(wǎng)情況下的電力系統(tǒng)穩(wěn)定、靜態(tài)安全分析和輸電線路極限計算。

（3）給予可再生能源充分的交易機會。由于越接近實時運行，可再生能源電廠的出力預(yù)測準(zhǔn)確性越高，為了便于可再生能源電廠對富裕的發(fā)電能力進(jìn)行交易，或?qū)Τ^發(fā)電能力的合同電量進(jìn)行轉(zhuǎn)讓，中長期市場的交易品種可開展多次交易，或者開展周交易等更接近實時運行的交易品種。

（4）提高市場透明度。應(yīng)建立完善的信息披露與保密制度，做好市場信息的滾動更新和公布。對于多主體梯級水電站參與市場交易的方式，可以研究上下游電站的中標(biāo)信息公開或者建立梯調(diào)中心統(tǒng)一參與市場等方式的可行性。

此外，在大規(guī)模可再生能源并網(wǎng)的電力市場中，為了保障長期的電力供應(yīng)安全，保障電力系統(tǒng)長期備用容量的充裕性和經(jīng)濟性，還需探索建立火電機組長期備用市場機制等。

4 結(jié)語

大規(guī)模的可再生能源參與市場會對電力市場的安全穩(wěn)定運行造成影響，國外成熟電力市場中，北歐電力市場開展日內(nèi)市場交易，給可再生能源電廠提供了一個持續(xù)交易的平臺；ERCOT引入了概率風(fēng)電出力預(yù)測，并依此形成可靠性機組組合；PJM對安全校核模型和輸電線路容量計算方法進(jìn)行了優(yōu)化；安大略電力市場透明度較高，還針對水電運行特性設(shè)置了一些規(guī)則，減少了來水不確定性的影響。

與國外可再生能源參與電力市場的研究與實踐相比，國內(nèi)的相關(guān)工作還處于起步階段。在我國目前的電力市場初級階段和向現(xiàn)貨市場過渡階段，需要學(xué)習(xí)和借鑒國外成熟電力市場的經(jīng)驗，盡量減少可再生能源帶來的影響，促進(jìn)電力市場的安全穩(wěn)定運行。

參考文獻(xiàn)

[1]國家發(fā)展改革委.可再生能源發(fā)展"十三五"規(guī)劃（發(fā)改能源[2016]2619號）[EB/OL]. [2016-12-10].

[2]國家可再生能源中心.國際可再生能源發(fā)展報告（2017）[M].中國環(huán)境出版社，2017.

[3]Renewable Energy Policy Network for the 21st Century. Annual report 2017[R]. 2017.

[4]中國電力企業(yè)聯(lián)合會.中國電力行業(yè)年度發(fā)展報告（2017）[M].中國市場出版社，2017.

[5]中國電力企業(yè)聯(lián)合會規(guī)劃發(fā)展部.全國電力工業(yè)統(tǒng)計快報（2016年）[R].2017.

[6]肖云鵬，王錫凡，王秀麗，等.面向高比例可再生能源的電力市場研究綜述[J].中國電機工程學(xué)報，2018，（3）663-674.

[7]康重慶，杜爾順，張寧，等.可再生能源參與電力市場：綜述與展望[J].南方電網(wǎng)技術(shù)，2016，（03）：16-23.

[8]Bhandari B， Lee K T， Lee G Y，et al. Optimization of hybrid renewable energy power systems：Areview[J].International Journal of Precision Engineering and Manufacturing-Green Technology，2015，2（1）：99-112.

[9]Jentsch M， Trost T， Sterner M. Optimal Use of Power-to-Gas Energy Storage Systems in an 85% Renewable Energy Scenario ☆[J]. Energy Procedia， 2014， 46：254-261.

[10]任東明.中國可再生能源配額制和實施對策探討[J].電力系統(tǒng)自動化，2011，35（22）：25-28.

[11]曹新.完善我國可再生能源電價補貼政策[J].中國國情國力，2014，（11）：18-20.

[12]Zhao X， Liu X， Liu P，et al. The mechanism and policy on the electricity price of renewable energy in China[J]. RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS，2011， 15（9）：4302-4309.

[13]納春寧.促進(jìn)可再生能源消納的燃煤機組靈活性改造評價研究[D].華北電力大學(xué)（北京），2017.

[14]李巖，易越，李巍巍，等.直流配電系統(tǒng)對可再生能源的消納能力分析[J].南方電網(wǎng)技術(shù)，2017，11（3）：46-52.

[15]武俊芳，關(guān)蕾.可再生能源電能消納市場模式研究[J].生產(chǎn)力研究，2009，（24）：87-89.

[16]薛松，屠俊明，楊素，等.我國需求側(cè)資源促進(jìn)大規(guī)模間歇可再生能源并網(wǎng)消納模式[J].技術(shù)經(jīng)濟與管理研究，2015，（7）：82-86.

[17]嚴(yán)亞兵，苗淼，袁小明.新能源電站集電饋線對多變流器并網(wǎng)運行穩(wěn)定性的影響[J].電力系統(tǒng)自動化，2016，40（15）：86-92.