電力市場中靈活調節產品定價機制以及優化組合模型研究

李偉 劉譯陽

[摘要]為了積極響應2050年形成可再生能源為主的能源體系這一目標，緩解高比例可再生能源并網后對電力系統運行靈活性提出的更高要求。文章參照美國加州獨立運行機構提出的靈活調節產品，設計符合我國電力市場特點的靈活調節產品定價機制。首先，文章從大規模可再生能源接入后對電力系統運行產生的影響出發，介紹了靈活調節產品的定義及性質，以及產品設計的作用及必要性;其次，基于改進的節點邊際電價法對靈活調節產品進行定價并提出定價模型;接著提出了靈活調節產品與傳統輔助服務的優化組合模型，以保障系統運行成本最低;最后對靈活調節產品在未來實際應用中有待研究的問題進行總結。

[關鍵詞]靈活調節產品;節點邊際電價;輔助服務

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2021.32

目前，人類正面臨著環境污染和非再生能源日益枯竭等嚴峻考驗，低碳經濟、能源綠色化已然成為全球共同發展的目標，因此可再生能源發電得到廣泛關注。2015年4月，國家發展和改革委員會能源研究所發表的《中國2050高比例可再生能源發展情景暨途徑研究》中明確指出，到2050年形成可再生能源為主的能源體系，可再生能源在能源消費中的比例達到60%以上，完全實現能源生產和消費革命[1]。2015年，9號文的發表引領著新一輪電力體制改革的穩步向前，并且為可再生能源發電和電力系統運行靈活性奠定基礎。9號文的配套文件《關于有序放開發用電計劃的實施意見》中提出堅持以節能減排和清潔能源優先上網為主要原則，促進清潔能源多發、滿發[2]。

由于高比例可再生能源發電出力具有不確定性，針對這一不確定性，美國加州獨立運行機構和美國中部獨立運行機構率先提出了靈活調節產品，初步應用并且取得了一定的效果。類似的，英國推出需求開啟產品（Demand Turn-up，DTU）在可再生能源發電出力不確定時，為系統提供爬坡/滑坡能力。靈活調節產品在中國電力市場尚未引起重視，這與國內近年提倡清潔能源上網背道而馳，那么如何進一步推進靈活調節產品在電力市場中交易是促進可再生能源消納的首要任務。

1 靈活調節產品的背景及意義

靈活調節產品（Flexible Ramping Product， FRP）是指可控資源在給定響應時間內的調節能力，其中包括爬坡/滑坡能力，用于滿足實時調度中兩個時段之間的凈負荷變動（系統凈負荷=系統實際負荷-間歇性可再生能源發電出力）。FRP是一種用于滿足實時調度中兩個調度時段凈負荷變化的輔助服務市場產品。由于電能不可以大量儲存，因此電力系統有功功率要達到實時平衡。以往對系統靈活性的挑戰是負荷側具有波動性，針對負荷側的波動，電力市場提出了調頻、備用等輔助服務。隨著高比例可再生能源的并網，可再生能源發電出力具有不確定性，電源側也出現了波動，因此FRP應運而生。

我國部分地區棄風、棄光現象比較嚴重，無法實現可再生能源全額消納，不同地區的棄風、棄光原因各不相同，歸根結底是由于系統靈活性不足導致的，因此在電力市場中引入FRP提高系統靈活性刻不容緩。目前，國內對于電力系統靈活性的研究主要是理論方面，而FRP作為一種新型電力產品雖然在國外受到廣泛關注和應用，但是由于國內電力行業的管制程度和計劃性較強，缺乏成熟的市場條件對FRP進行交易，因此如何設計FRP定價機制，是FRP在電力市場中進行交易的基礎。在定價模型的基礎上，設計FRP與傳統輔助服務的優化組合模型，能夠進一步完善FRP在電力市場中的交易方式。本文借鑒國外FRP交易機制，基于改進的節點邊際電價法，針對國內電力市場情況設計出FRP的定價模型及其與輔助服務的優化組合模型。

2 靈活調節產品定價模型

2.1 靈活調節產品的定價方法

基于節點邊際電價（Locational Marginal Price，LMP）的現貨市場，以每個節點向用戶供電的邊際成本確定節點電價，能夠科學衡量能量價值。由經濟學基本原理可知，在完全競爭的市場環境下，使用邊際成本定價法對FRP進行定價，可以達到個體利益最大化的同時，達到社會福利的最大[3]。因此本文基于節點邊際電價法對FRP進行定價，提出FRP的定價模型。

節點邊際電價的計算在理論層面和電力市場實際交易中心都較為完善，目前在絕大多數理論研究方面以及PJM手冊關于節點邊際電價的表述都是由三方面構成的，包括系統電能價格、阻塞價格以及網損價格[3]。實際上，在FRP的定價過程中，節點邊際電價除了上述三方面的影響之外，也受到機組最大/最小出力約束、機組爬坡/滑坡約束等約束的影響。僅僅依靠傳統的節點邊際定價法無法完全表達FRP受制約的分量，因此本文引入新的節點電價分析方法來對FRP進行定價分析。

2.2 靈活調節產品的定價模型

2.2.1 ?目標函數

FRP的節點邊際電價是指在特定位置利用所有可用發電資源，考慮所有輸電約束，為供給下一個電力的而產生的最小生產費用。它是衡量在當前系統運行狀態下，某一節點此時刻的能量價值，它也被定義為影子價格，即對偶變量的節點能量平衡約束，或拉格朗日函數對于增量負荷變化的偏導數。以FRP提供爬坡能力為例，記及上述4項輸電約束后，構造的拉格朗日函數如（2-7）所示。

3 靈活調節產品與輔助服務的優化組合模型

在國際上目前運營的電力市場中，多數采用能量-輔助服務聯合出清模型，在這種模式下，系統運行機構能夠以經濟的方式保障電力供需平衡，并同時滿足輔助服務要求[5]。對于市場參與者而言，其容量和爬坡/滑坡能力可以在能量、調頻和備用之間進行合理分配[4-5]。系統購入FRP后，原有出清模型的目標函數的主要變化在于增加了購買靈活調節產品的成本，下面以系統運行成本最低為目標函數，構建靈活調節產品與輔助服務的優化組合模型：

其中， 為0-1整數變量，表示機組 在 時段的狀態，1為開機狀態，0為停運狀態; 表示機組 的開機成本; 、 分別表示 時段的能量價格及機組 提供的出力; 、 分別表示 時段的向上調頻價格及機組 提供的向上調頻容量; 、 分別表示 時段的向下調頻價格及機組 提供的向下調頻容量; 、 分別表示 時段的旋轉備用價格及機組 提供的旋轉備用容量; 、 分別表示 時段向上FRP的邊際出清機會成本和機組 提供的向上FRP的容量; 、 分別表示 時段向下FRP的邊際出清機會成本和機組 提供的向下FRP的容量。

式（13）表示機組 所能提供的所有向上調節的服務總和受到其爬坡能力的約束，其中 表示爬坡速率， 表示市場出清時長，一般為5或10分鐘。類似地，式（14）表示機組 所能提供的所有向下調節的服務總和受到其滑坡能力的約束，其中 表示滑坡速率。式（15）、（16）分別表示最大和最小有功功率約束，其中 、 分別為最大、最小有功出力約束。

4 結論與展望

FRP作為一個新型輔助服務進入市場存在一定的困難，FRP的引入在一定程度上會增加系統運行成本，但FRP可以在系統運行負荷過量時提供一定的靈活調節容量，從而可以預防尖峰電價的產生，從總體上看FRP提高了系統運行效率和市場經濟效益。由于FRP發展尚不成熟，需要對產品設計優化組合方案、相應的政策補貼從而激發FRP進行市場優化資源配置。為了實現FRP的發展和推廣，有以下方面有待研究：1）借鑒國外FRP的交易模式，設計適合國情的政策鼓勵具備靈活調節能力的機組提供FRP。2）深度挖掘不同形勢的靈活性資源，根據資源屬性和經濟效益對其進行包裝設計成FRP。3）隨著市場成熟發展，將輔助服務費用逐步分攤到用戶側，并完善FRP相關的輔助服務市場機制。

參考文獻：

國家發展和改革委員會.中國2050高比例可再生能源發展情景暨路徑研究[R].北京：國家發展和改革委員會能源研究所，2015.

新一輪電力體制改革的深度解讀[J].能源，2015（7）：82-89.

史新紅，鄭亞先，薛必克，馮樹海.機組運行約束對機組節點邊際電價的影響分析[J].電網技術，2019，43（8）：2658-2665.

胡嘉驊，文福拴，馬莉，彭生江，范孟華，徐昊亮.電力系統運行靈活性與靈活調節產品[J].電力建設，2019，40（4）：70-80.

胡嘉驊. 電力系統靈活性提升方法及靈活調節產品獲取機制[D].浙江大學，2018.

[作者簡介]李偉（1968—），男，東北電力大學經濟管理學院教授，博士，研究方向：能源政策。