電力市場中靈活性產品的設計及交易機制研究

王小海　齊軍　姜希偉　劉譯陽　徐飛　李偉

[摘 要]大量可再生能源的發電對于電力系統靈活性提出了更高的要求，為解決我國某些地區大量棄風棄光、切負荷等現象，參照美國加州獨立運行機構提出的靈活調節產品（Flexible Ramping Product， FRP）設計符合我國電力市場特點的靈活調節產品交易機制。首先概述靈活性產品提出的必要性和國內外研究現狀，然后介紹靈活性產品的基本概念、與傳統負荷的區別;簡述對靈活性產品的運行機理和可提供靈活性產品的方式;接著根據算例對靈活性產品的定價過程進行說明，并介紹了靈活性產品的出清價格和交易流程;最后對于靈活性產品仍需研究的方面進行了總結。

[關鍵詞]電力市場;靈活性產品;輔助服務

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2020.05.065

2015年，隨著國務院9號文的頒布，在習總書記提出的能源革命和電力行業能源互聯網快速發展的大背景下，新一輪電力體制改革試點工作在全國迅速鋪開。如何踐行9號文件的電力改革方向，實現更加靈活的電力系統調度、運行方式，并且吸納和充分利用更多的靈活性資源，使電網更加靈活，從根本上保障可再生能源優先上網和全額收購，是當前社會各界關注的焦點。

目前我國電力系統靈活性供給與需求不平衡導致大量清潔能源的浪費。以棄風為例，2017年我國棄風電量達到419億千瓦時，其中內蒙古地區棄風達到95億千瓦時，2017年盡管我國棄風率同比下降 6.7 個百分點，但離國家規劃的2020年棄風率達到 5%的目標還有很大距離，因此如何實現靈活性資源的充分利用和協調運行已然成為電力企業亟須改善的問題。因此，在我國電力市場化改革的大背景下研究靈活性調節產品，不僅能夠極大地激發靈活性資源參與提升電網調節能力的積極性，而且對于解決電網靈活性不足，提高電網安全、可靠、經濟運行具有重大現實意義。

由于我國新型能源的使用導致用電負荷變化波動較大，傳統輔助服務如調峰、調頻、調壓以及備用等對于提高電力系統靈活性有著積極的影響，但新能源發電具有隨機性和不穩定性，系統實際負荷與新能源出力之差，即凈負荷值波動較大，因此本文提出了一種靈活性產品來應對更高的電力系統靈活性要求。

目前國外對于靈活調節產品的關注較為普遍，尤其是美國。美國加州獨立運行機構已經依據當地電力市場情況提出了一種靈活性產品。我國可再生能源發電率較低，對于靈活性產品的發展仍處于探索階段。但目前我國某些地區棄風棄光等現象較為嚴重，靈活性產品對于改善此類現象提供了有效途徑，因此靈活性產品是目前需要研究的一項課題。在上述背景下，本文分析引入靈活性產品的必要性，概述其與傳統輔助服務的區別，重點研究產品的調用方式以及產品的定價和出清方式，并對有待研究的問題進行探討。

1 靈活性產品的含義

1.1 靈活性產品的含義及其發展

靈活調節產品（FRP）是一種新的市場產品，其主要用于提高實時調度中的系統運行靈活性，以減輕含間歇性可再生能源發電滲透率較高的電力系統在維持實時平衡時所面臨的壓力。靈活性產品可以提供的調節容量是指在需求響應時間內，即5～15分鐘內，為了滿足系統凈負荷的變化情況而提供的爬坡或者滑坡能力。靈活性產品可以為系統提供上行調節能力和下行調節能力，為系統提供實時調度能力，對于可再生能源出力的不確定提高較高的靈活性。當面對系統凈負荷波動時，首先可以進行短期負荷預測，其次在可再生能源發電特性的同時，確定系統所需爬坡或滑坡能力，最后向具有資質的靈活性產品供應商處購買合適的靈活性產品。

2011年，美國加州獨立系統運行機構在面對靈活調節能力問題時首次提出靈活調節產品的雛形——“靈活爬坡約束”（Flexible Ramping Constraints，FRC）。FRC的提出是為了確保實時機組在未來15分鐘內具有一定的爬坡能力，即只有上行調節能力，因此只能部分地解決靈活調節需求不足的問題。為了全面解決靈活調節需求，2016年11月1日，美國加州獨立系統運行機構正式將FRP作為一種新型交易產品進入電力市場，從此靈活性產品成為一個新的輔助服務產品。

1.2 靈活性產品與傳統輔助服務的區別

靈活性產品與傳統輔助服務都可以提高電力系統運行靈活性，但它們的目的、定義、調度過程、需求確定方式以及價格確定方式各不相同。下面傳統輔助服務以調頻和備用為例，三者之間的主要區別如表1所示。

2 靈活性產品的設計

2.1 靈活性產品的價值形成機理

為了提高電力系統的靈活性，FRP首先預留一部分靈活性容量，對實時調度時下一時段可能出現的凈負荷變動進行應對，滿足變動引起的系統爬坡或者滑坡需求，即靈活調節產品的上行和下行。當靈活調節產品預留出足夠的上行和下行靈活調節容量后，通過發電再調度發揮可控發電資源跟蹤凈負荷變動的能力，提升具有高滲透率間歇性可再生能源發電的能力，從而提高電力系統的運行靈活性，有效緩解因爬坡或滑坡能力不足而造成的棄風、棄光以及切負荷問題。

2.2 靈活產品的供給

目前的電力系統調度中，靈活調節容量主要由傳統發電機組提供，也有少部分風電、電動汽車以及電暖器等提供靈活調節產品。可再生能源中，如風能可以為靈活調節產品提供下行靈活調節能力，即滑坡能力;需求側可以通過降低負荷從而提供上行靈活調節能;長期儲能資源由于其本身特性，既可以作為電源產生負荷，也可以作為消耗電能，因此可以提供上行或下行靈活調節能力;短期儲能資源不能長期儲存能量，因此不適合提供靈活調節能力。可以提供靈活調節容量的資源如表2所示。

2.3 靈活性產品的需求

靈活性產品主要是由下一時段系統凈需求確定的。一是系統下一個時段的凈負荷相較當前時段變化量，即預測負荷波動;二是為了滿足系統凈負荷預測一定置信區間（如95%）內的偏差而產生的需求量。靈活性產品的組成公式如下：

3 靈活產品的出清價格及交易機制

3.1 靈活調節產品的出清價格及形成過程

在靈活調節產品供需服務相關費用的市場主體之間，并不存在明顯的一一對應關系。需要市場主體對系統運行不確定性貢獻程度進行費用分配。因此其價格由機會成本決定，這里的機會成本指參與者由于提供靈活調節容量而不能提供能量所損失的收益。即機會成本就是該時段能量市場上邊際出清價格。當某一靈活性資源被調用時，無論FRUs和FRDs出清價格都是該時段實時電價。因此，靈活性產品交易中不需要提前報價，只要提供其調節容量。

假設市場上有六位參與者可提供上行靈活調節能力，其能量報價和機會成本如表3所示。假設參與者1為能量市場的邊際出清單元，其能量統一出清價格為3$/MWh，機會成本等于能量報價與能量統一出清價格之差。由于參與者2至參與者6為了提供靈活調節能力而預留部分靈活調節容量，且參與者2至參與者6的能量報價比參與者1的低，因此應該給這五位參與者提供一定的補償，保證他們不會因為提供靈活調節產品而損失利益。

以上述六位參與者為例，靈活調節產品的定價過程如圖1所示，當系統所需爬坡能力小于等于20MW時，參與者1即可提供足夠的上行靈活調節能力，因此靈活調節產品價格為0。當系統所需爬坡能力大于20MW小于等于30MW時，參與者2為邊際單元，產品價格為2.5$/MWh。參與者3至參與者5的情況以此類推。價格閾值為10$/MWh，即當系統所需爬坡能力超過60MW時，由于參與者6的機會成本高于10$/MWh，假設系統仍需爬坡能力，參與者6也不會提供靈活調節產品。

圖1 靈活調節產品的需求曲線

3.2 靈活調節產品的交易機制流程

首先由電力交易機構公布靈活性需求，靈活性產品主體以在能量市場、調頻市場及靈活調節產品最優決策上報15min靈活調節產品申報容量。電力調度機構按各靈活調節產品需求，能量市場出清價格對靈活性資源調用容量聯合出清，并向各參與主體公開發布。電力調度機構按照參與靈活性產品容量交易的主體被調用的靈活調節容量進行調度，計算調用費用及分攤結果。交易機構按照當日單位統計周期內實際發生補償金額進行結算。財務部門依據靈活調節產品補償辦法兌現當月補償金。

4 結論

本文從當前電力市場清潔能源消納的問題出發，為提高電力系統靈活性，使清潔能源得到充分利用，定義了靈活調節產品，介紹了其與傳統輔助服務的區別，總結了靈活調節產品的運行機理、可提供靈活調節的產品、定價過程、出清價格、交易機制等多個方面。目前我國靈活調節產品的應用仍處于初期，現有研究也處于理論階段。未來仍需研究如何在市場中引入靈活調節產品，并且根據不同地區的市場特征設計合理的交易機制和補償價格，并且對靈活調節產品的成本及報價策略進行深入探討。

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[基金項目]內蒙古電力公司2018年科技項目“電力系統靈活性成本量化與協調優化調度研究”（項目編號：2018-14）;吉林省社會科學基金項目“吉林省新能源扶貧項目可持續發展及對策建議研究——以光伏扶貧項目為例”（項目編號2017B45） ; 吉林省教育廳“十三五”社會科學項目“能源革命背景下吉林省新能源發展戰略研究”（項目編號： JJKH20170116SK）。

[作者簡介]王小海（1968—）， 男，碩士，高級工程師，研究方向：電力系統調度運行;齊軍（1979—）， 男，碩士，高級工程師，研究方向：電力系統安全穩定運行。