考慮可再生能源保障性消納的電力市場出清機制

陳啟鑫，劉 學，房曦晨，郭鴻業，林慶標

（1. 電力系統及大型發電設備安全控制和仿真國家重點實驗室，清華大學，北京市100084；2. 清華大學電機工程與應用電子技術系，北京市100084；3. 中國南方電網電力調度控制中心，廣東省廣州市510623）

0 引言

隨著全球氣候變化與環境問題的日益凸顯，以風電、光伏、水電為主的可再生能源在世界范圍內受到廣泛關注并迅速發展。截至2019 年底，風電、光伏發電裝機合計414 GW，占全國發電總裝機的20.6%，中國水電裝機容量356 GW，占比17.7%，均穩居世界第一位［1］。未來可再生能源的消費比重還將持續高速增長，逐漸成為主要的能源供給形式［2-3］。

當前，中國新一輪電力體制改革進展迅速，并以南方（以廣東起步）等8 個地區作為第一批試點，相繼組織推動電力現貨市場建設工作［4-5］。電力現貨市場是以變動成本為競爭基礎的市場，天然有利于變動成本極低的可再生能源參與競爭，有利于促進可再生能源消納。然而，由于市場報價行為具有隨機性和非理性，可能出現可再生能源提交高于其發電成本的博弈性報價，導致無法中標而棄能的現象。這種情況在國外現貨市場運行中較為普遍，但國外電力市場大多未應用可再生能源保障性消納的強制要求，沒有出臺特殊的處理辦法。文獻［6］總結了北美各電力市場可再生能源參與日前市場、實時市場、提供輔助服務、不平衡電量結算、預測成本分攤等問題。北歐電力市場建立了逐小時的日內市場，可再生能源發電商可根據最新預測結果更新報價［7-8］，不平衡電量采用雙價格系統結算［9］。

中國目前對可再生能源實行保障性收購，這就為國內電力市場運行提出了一個強制性的邊界條件。傳統的電力市場機制顯然無法同時實現市場化定價與保障性消納的功能。一方面，若在保障消納的前提下予以可再生能源充分的報價權，無疑等同于鼓勵其“有恃無恐”抬價，從而利用政策“關照”高價中標。另一方面，若取消可再生能源的報價權，將其作為完全的價格接受者參與現貨市場，則又違背了市場主體公平競價的原則，且將導致高比例可再生能源省區出現“價格信號消失”的情況，即在低谷時出清價格極低甚至為零，從而導致大面積發電側虧損，影響市場的平穩運行。因此，如何通過科學的電力現貨市場機制設計，在保持市場定價與資源優化配置功能的前提下實現可再生能源的保障性消納，將是中國電力市場機制建設中面臨的新挑戰［10］。

基于上述分析，本文將可再生能源的保障性消納納入電力市場的機制設計之中，提出了現貨市場在發生棄能時觸發的保障性消納出清機制。具體而言，在現貨市場一般性出清計算的基礎上，發生棄能時，首先對棄能機組的報價進行修正，在保持報價序列的前提下進行價區縮放，調整為優先出清的價格接受者；其次，基于修正后的投標信息進行第2 次出清計算，以實現可再生能源的保障性消納；最后，基于2 次出清的結果，提出了激勵相容的結算補償機制，在保障棄能機組獲得適度收益的基礎上，對出讓發電空間的常規機組給予合理的補償。為驗證所提市場機制的有效性，本文構建了含高比例可再生能源的現貨市場出清模型，考慮到梯級水電復雜的運行特性［11-15］，以其為代表進行融合建模，可對中國華南、西南、華中等地區含高比例水電現貨市場的運行情況進行模擬分析。

1 市場機制設計的原則與流程

1.1 機制設計的原則

結合機制設計理論［16-17］與中國可再生能源保障性消納的強制要求，本文所提出的保障可再生能源消納的市場機制設計，應滿足以下基本原則。

1）個體理性。與不參與市場相比，市場成員參與市場可獲得凈收益，以保障市場主體的參與意愿。

2）市場競爭。在未觸發保障性消納時，市場正常運行，應賦予可再生能源報價選擇權與市場定價權，通過市場機制發現反映實時供需水平的真實價格信號；觸發保障性消納時，應按照原始的報價序列，優先安排低報價棄能機組消納，獲得強制消納的棄能機組應作為價格接受者喪失定價權，以盡量避免價格扭曲與干擾。

3）激勵相容。觸發保障性消納時，可再生能源應以高于變動成本、低于正常出清水平的較低價格結算消納棄能；有調節能力的常規電源在2 次出清時為可再生能源讓出了消納空間，應得到合理補償。

4）收益中性。市場運營機構作為中立的非盈利方，應保障其收支平衡。

5）政策約束。在滿足系統運行條件的基礎上，保障可再生能源優先消納。

1.2 市場機制的流程

以日前市場為例描述現貨市場的組織流程，該流程可同理應用于日內或實時的市場組織，不再贅述。常規電源和可再生能源均申報多段量價曲線參與交易，市場運營機構在收集市場成員投標信息之后，基于電網運行模型與市場邊界條件，通過運行安全約束機組組合（SCUC）程序得到日前市場出清結果，包括機組的開停機安排與發電曲線，并計算節點邊際電價［18］。

當市場出現可再生能源棄能時，觸發保障性消納出清機制，主要包括3 個流程。

1）價格修正

修正棄能機組的投標價格。在保持機組原報價序列的前提下，引入一個較低的修正系數，將有棄能的可再生能源機組報價等比例調減至較低水平。一般來說，該修正系數應保證修正后的報價水平高于可再生能源機組的變動成本，考慮到風、光、水的運行特性，該比例系數可取一個較大值（如90%），具體數值由政府部門或市場管理委員會制定，從而生成了調整后的“棄能消納報價”投標。

修正后的棄能消納報價極低，因此在后續2 次出清環節中，棄能電量得以優先出清，實現了可再生能源保障性消納。除此之外，由于采用了報價區間縮放，維持棄能機組的報價排序不變，如圖1 所示。圖中，P0和Q0分別為第1 次市場出清中標價格和電量；P1和Q1分別為觸發保障性消納機制后市場出清中標價格和電量。

圖1 第1 次市場出清及觸發可再生能源保障性消納機制后市場出清情況Fig.1 Primary market clearing situation and market clearing situation with guaranteed accommodation mechanism of renewable energy

因此，當系統所有調節資源用盡仍有棄能時，原始報價低的棄能機組將被優先安排消納。需要說明的是，與所有可再生能源機組按零價參與出清的情況相比，保持棄能機組的經濟序列盡管可能最終消納量略低于理論最大值，但卻充分體現了價格選擇的市場屬性，有助于維護市場公平，促使可再生能源理性報價。

考慮到市場建設初期，部分現貨試點省份設有市場最低限價，因此修正后的棄能消納報價應大于零且小于市場最低限價（或該省火電最低燃料成本），以最大程度調動火電的調節能力，達到較好的實施效果。

2）2 次出清

維持其他機組原有報價，有棄能的機組按修正后的棄能消納報價參與市場2 次出清；若2 次出清過程中出現在第1 次出清中已經消納的可再生能源機組產生新的棄能，則這些機組的原始報價也將被修正縮放，得到更優先的消納；通過以上的迭代修正計算，在實現可再生能源保障性消納的前提下，也確保了原始報價序列確定的消納順序。2 次出清的最終結果將作為運行日的實際調度計劃下發執行。

3）結算補償

第1 次出清的價格由市場成員的原始申報信息確定，沒有受到保障性消納政策的影響，體現了市場供需決定價格的功能。因此，所形成的電價與電量將作為全體用戶以及未在2 次出清中受到影響的機組的結算依據。

由于第2 次出清考慮了保障性消納政策，部分棄能機組將獲得額外的發電量，而有一些常規機組則將出讓部分發電量，本質上等同于產生了棄能機組與常規機組之間的發電權轉讓。由于第2 次出清縮放了棄能機組原始的高報價信息，市場出清價格將出現一定程度的下降。對于棄能機組產生的增量消納電量，按2 次出清的節點電價結算；對于常規機組出讓的發電量，則按2 次出清的節點電價差獲得補償。此結算方法符合激勵相容原理，首先，對于棄能機組的增發電量，其結算價格通常低于1 次出清產生的價格，可有效抑制其博弈高價的沖動；其次，常規機組出讓的發電量則可獲得一定的價差補償，以激勵其出讓發電空間，保障性消納對1 次出清的影響越大，價格的變化也越大，機組可獲得的補償也越多；反之亦然，如圖1 所示。

上述結算方法同時實現了收益中性，等效于在棄能機組與常規機組之間進行了收益轉移結算，市場運營機構不會由于保障性消納帶來新的不平衡資金，可執行性強。

2 保障性消納的現貨市場出清模型

本章將對考慮可再生能源參與競價的現貨市場出清模型進行數學建模。考慮到水電較之風光電源具有更特殊復雜的運行約束，因此將重點對梯級水電的運行特性進行考慮，并結合可再生能源保障性消納機制，對現貨市場的出清模型進行修正重構。

2.1 考慮梯級水電競價的現貨市場出清模型

1）目標函數

此環節為一般性出清，不考慮可再生能源的棄能因素，出清模型目標函數為:

2）系統負荷平衡約束

3）線路潮流約束

式中:Pmaxl為線路l 的潮流傳輸極限；Gl，n為火電機組n 所在節點對線路l 的發電機輸出功率轉移分布因子；Gl，m為 可 再 生 能 源m 所 在 節 點 對 線 路l 的 發 電 機輸出功率轉移分布因子；Gl，i為節點i 對線路l 的轉移 分 布 因 子；Di，t為 節 點i 在 時 段t 的 母 線 負 荷 值。

4）火電機組約束

式（4）為火電機組出力約束，式（5）和式（6）為火電機組爬坡約束，式（7）和式（8）為火電機組最小連續開停時間約束，式（9）和式（10）為機組最大啟停次數約束。

5）風電、光伏、徑流式水電發電約束

6）流域梯級水電站約束

依據中長期水位控制要求，綜合考慮來水情況、水利樞紐安全等因素，精確考慮各時段內棄水風險和梯級上下游配合要求，確定運行日各時段（96 個時段）水位控制區間，同時將水位控制要求進行線性化處理，嵌入日前市場出清模型之中［19］。

水電站水位控制要求上下限約束為:

式（13）為水電站i 的水庫動態平衡方程，設在日前邊界條件下，某一個水位范圍內水庫水面面積不變。

式 中:Zi，t，start為 水 電 站i 在 時 段t 的 初 始 水 位；Qi，t為水電站i 在時段t 的發電流量；Q為水電站i 在時段t 的 棄 水 流 量；Q為 水 電 站i 在 時 段t 的 來 水 流 量；Si為水電站i 的水庫水面面積。

式（14）為水電站i 的來水流量表達式。根據日前邊界條件預判的下泄流量規模，確定各水電站之間的滯時，設其為一固定值。

式（15）為水電站i 的水量-電量轉換關系。設在日前出清的時段內，水電站的耗水率不變且忽略水頭因素。

式 中:Pi，t為 水 電 站i 在 時 段t 的 出 力；hi為 水 電 站i 的耗水率。

綜合式（12）至式（15），水位控制約束為:

式 中:Zi，0為 水 電 站i 的 初 始 水 位；T 為 出 清 時 段；Pup，t-τ()i為水電站i 的上游水電站在時段t-τ(i)的出力；hup為水電站i 的上游水電站的耗水率。

式（17）為棄水電量判定約束，棄水電量的計算方法為，取“棄水流量理論棄水電量”和“可用容量理論棄水電量”較小值，即式中:PWi，t為水電機組i 在時段t 的棄水電量；Δt 為統計時長；Pi，max為水電i 在該時段水電機組的最大可調出力（應扣除機組檢修等）；M'為一極大正數。αi，t為0-1 變 量，當Pi，max-Pi，t＞Q/hi時，αi，t=1；當Pi，max-Pi，t＜Q/hi時，αi，t=0。

該模型將流域梯級上下游水電站的水位、流量、出力等非線性耦合關系置于出清模型之外予以考慮，并將優化結果通過線性化水位控制約束條件的方式嵌入現貨市場出清模型之中，從而保證求解精度和求解效率。在出清結果中，如果水電站在時段內沒有到達水位限制，則水電站擁有定價權，報價參與節點價格計算；若水電站在某時段內水位到達水位限制，其情況類似于火電達到最小技術出力，報價不參與節點電價計算，成為價格接受者。

2.2 可再生能源保障性消納出清修正模型

當上述一般性出清模型的出清結果存在可再生能源棄能電量時，觸發可再生能源保障性機制，其出清模型將進行如下修正。

1）目標函數修正

考慮可再生能源保障性消納的電力市場出清修正模型目標函數為:

式中:Mm，k為可再生能源m 第k 段報價棄能懲罰因子，值 為 可 再 生 能 源 報 價λ的 一 定 百 分 比；Wm，t，k為可再生能源m 在時段t 的第k 段報價產生的棄能電量。如果第1 次出清中系統沒有產生可再生能源棄能，則懲罰因子M 不會發生作用；若系統存在可再生能源棄能，此時M 被激活，通過M 的作用降低棄能電量價格，實現可再生能源的保障性消納。

2）約束條件修正

系統負荷平衡約束、線路潮流約束、火電機組約束、可再生能源發電約束同2.1 節，另外還需要增加棄能電量約束。約束（21）是依據庫容水電特性而確定懲罰因子起作用的范圍，保證懲罰因子僅作用于消納棄水電量，而不會把棄水電量之上、本不應中標的電量也發出。

式中:Wm，k為可再生能源m 的第k 段報價產生的棄能出力；Wm，max為棄能全部消納時的對應出力；Pm，k，min和Pm，k，max分 別 為 可 再 生 能 源m 第k 段 申 報 出力的最小值與最大值；Pm，k為可再生能源m 第k 段中標出力。

2.3 激勵相容的結算機制

1）發電側結算

本文所提機制包含2 次出清計算，相應地發電側也按2 步分別結算，發電側收益情況如下:

2）用戶側結算

在第1 次出清計算中，市場運營商根據市場的供需及報價，完成發電商與用戶之間的市場出清。可再生能源保障性消納機制，是市場運營商為保證可再生能源保障性消納而進行的電源側發電權轉讓。因此，用戶只需按第1 次出清價格進行結算:

3 算例分析

1）基本數據

本文采用改進的IEEE 30 節點系統驗證本文所提機制和模型的有效性，如圖2 所示。

圖2 改進的IEEE 30 節點測試系統Fig.2 Improved IEEE 30-bus test system

改進的IEEE 30 節點測試系統基本信息如表1和表2 所示。為更好地體現模型效果，算例模擬高比例可再生能源系統，共設置3 臺火電機組、2 個風電廠、2 個光伏電站、3 座流域梯級水電站以及1 座徑流式水電站。總裝機容量為4 920 MW，其中火電裝機容量為2 000 MW，占比40.7%；風電裝機容量為900 MW，占比18.3%；光伏發電裝機容量為500 MW，占比10.2%；水電裝機容量為1 520 MW，占比30.9%。

表1 機組運行參數Table 1 Operation parameters of units

表2 梯級水電站運行參數Table 2 Operation parameters of cascaded hydropower stations

為驗證所提機制的有效性，設立2 個對照方案，本文所提市場機制為方案3。方案1 為可再生能源全額消納場景，可再生能源以最低價參與市場出清；方案2 不考慮棄能全額消納的要求，可再生能源正常報價競爭。可再生能源按130～450 元/（MW·h）分段報價，火電機組按200～560 元/（MW·h）分段報價［20］。

2）可再生能源消納情況

3 種方案的市場出清結果如表3 與圖3 所示。

表3 可再生能源消納情況對比Table 3 Comparison of renewable energy accommodation situations

圖3 市場出清結果中節點邊際電價對比Fig.3 Comparison of locational marginal prices of market clearing results

方案1 實現了理論上的最大程度可再生能源消納，總棄能共計2 002.2 MW·h。然而，高比例新能源作為價格接受者參與市場將嚴重拉低各個節點的電價，如圖3 所示，部分時段甚至出現了“價格信號消失”的現象。方案2 中，可再生能源中標電量完全由報價決定，不考慮可再生能源保障性消納。因此，在部分時段將產生較多的棄能電量，高達3 427.2 MW·h，較方案1 增長了71.2%，未能實現可再生能源優先消納。方案3 等效于在方案2 的基礎上考慮了本文所提出的可再生能源保障性消納機制，當觸發棄能時，通過報價修正與2 次出清進行了發電計劃的重新計算，充分調動了常規能源參與調節，總棄能減少到了2 066.5 MW·h，非常接近于方案1 的消納理論最大值，取得了良好的效果。其中，棄風電量由1 012.5 MW·h 減少至0，棄水電量由2 414.7 MW·h 減少至2 066.5 MW·h。風電較水電棄能減少更多的原因在于:風電報價比水電低，在2次出清中將優先選擇消納申報價格較低的棄能電量。

3）電價與結算情況

與方案2（等效于方案3 的第1 次出清）相比，方案3 在2 次出清之后，部分時段的節點電價有所下降，如圖3 所示。這是由于2 次出清計算時，對棄能機組的價格縮放，使得一次出清中中標的邊際機組被“擠出”，改變了節點電價。與方案2 相比，方案3中風電機組G4 增發了1 012.5 MW 出力，其棄能被完全消納，增發部分電量的結算價格為194.2 元/（MW·h），與第1 次出清計 算時的 節點電 價 相 比，下 降 了131.9 元/（MW·h），降 幅40.4%；同樣，水電機組G8 增發的棄水電量，價格為255.7 元/（MW·h），與第1 次出清計算時的節點電價相比，下降了37.2 元/（MW·h），降幅12.7%。

相應地，出讓發電量的常規機組將獲得補償，如表4 所示。相比發出下調電量，火電機組G1、G2、G3 可獲得更多補償收益，補償價格分別為4.5、7.1、1.8 元/（MW·h），而水電機組G9、G10 獲得的補償價格為66.7、77.5 元/（MW·h），遠高于火電。其原因在于在棄能的低負荷時段，火電一直維持最小出力，只有在16:00—18:00 高峰負荷時，才有出讓電量的空間，此時兩輪電價差很小，得到的補償也相應較低。對比來看，水電具有倒庫蓄水功能，因此會最大程度調節庫容，在00:00—07:00、12:00—13:00、21:00—24:00 等系統負荷低谷時段也能夠盡可能出讓電量消納棄能，因此獲得的補償較多。基于以上分析，可以看出常規機組得到的補償與實際的棄能消納程度緊密相關，棄能消納越多，保障性消納出清環節的節點價格就越低，得到的價差補償就越多。因此能夠有效激勵具有調節能力的電廠出讓電量消納棄能。

計算效率方面，所提修正模型會額外引入整數變量判定棄水，但維度上整數變量并沒有增加。相同的條件下，考慮梯級水電競價的現貨市場出清模型計算耗時653 s，相應出清修正模型耗時728 s，因此在促進可再生能源消納的同時并不會過度影響計算效率。

表4 IEEE 30 節點測試系統結算結果(方案3)Table 4 Settlement results for IEEE 30-bus test system (case 3)

4 結語

本文將可再生能源消納與市場出清機制協同融合，設計了考慮可再生能源保障性消納的電力市場出清機制，構建了考慮梯級水電的市場出清模型以及可再生能源保障性消納出清修正模型。所提機制能夠在一定程度上通過市場化的手段深度挖掘系統的調節潛力，保障并促進可再生能源消納，進而通過激勵相容的結算方法降低了政策約束對市場主體收益的影響。算例驗證了本文所提機制的有效性，達到了良好的效果。值得指出的是，從目前各試點省份試運行情況來看，通常情況下可再生能源均能夠充分消納，僅小概率會發生可再生能源博弈性報價而導致棄能的現象，因此本文所提機制不會頻繁觸發而對市場產生較大影響。本文的目的在于，在全電量競價的市場模式下提出一種有效的現貨機制來解決中國可再生能源保障性消納問題，如何消除棄能懲罰因子對節點電價的影響以及分析市場運行均衡狀態，是未來進一步的研究方向。希望本文提出的機制能夠為中國電力現貨市場建設和可再生能源發展提供有益的借鑒。