朱繼忠, 葉秋子,2, 鄒 金, 謝平平, 禤培正

(1. 南方電網(wǎng)科學(xué)研究院, 廣東省廣州市 510080; 2. 華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院, 北京市 102206)

0 引言

輔助服務(wù)是為保證電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行必須提供的服務(wù)。當(dāng)電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí),可在最短時(shí)間內(nèi)保證發(fā)用電平衡,以維持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行[1]。輔助服務(wù)主要包括有功頻率控制、運(yùn)行備用、無功及電壓支持、黑啟動(dòng)等[2]。在電力市場的背景下,輔助服務(wù)不再局限于電網(wǎng)調(diào)度問題,還涉及輔助服務(wù)市場中各市場主體共同參與的經(jīng)濟(jì)問題。為了提高各市場主體參與輔助服務(wù)的積極性,需要結(jié)合中國電力市場新背景下輔助服務(wù)的特點(diǎn)與需求,參考國外較成熟的電力輔助服務(wù)機(jī)制,提出符合中國國情的電力市場輔助服務(wù)機(jī)制。

目前,多數(shù)發(fā)達(dá)國家和地區(qū)已經(jīng)建立了相對完善的電力輔助服務(wù)市場體系,例如:英國、美國、澳大利亞、北歐等國家和地區(qū)。每個(gè)國家根據(jù)其電力市場所制定的輔助服務(wù)市場各有特點(diǎn)[3-5]。由于各國電力市場架構(gòu)有所差異,電能市場的機(jī)制存在多種模式,對應(yīng)的輔助服務(wù)從服務(wù)內(nèi)容、市場定價(jià)、交易機(jī)制到市場準(zhǔn)則等均有所不同,即使同一市場環(huán)境下不同種類的輔助服務(wù)也存在不同的交易模式。通過對不同市場模式進(jìn)行總結(jié),可以得出目前國際上輔助服務(wù)的獲取方式主要有3種:統(tǒng)一型、投標(biāo)型和雙邊合同型[6]。

比較典型的國外電力市場有美國賓夕法尼亞—新澤西—馬里蘭(Pennsylvania-New Jersey-Maryland,PJM)電力市場與英國國家電力市場,其中英國國家電力市場的輔助服務(wù)與能量市場獨(dú)立運(yùn)作,調(diào)度機(jī)構(gòu)與輔助服務(wù)提供商通過雙邊交易簽訂輔助服務(wù)合同,在實(shí)時(shí)調(diào)度中按需調(diào)度,不組織輔助服務(wù)實(shí)時(shí)集中交易[7]。美國PJM電力市場的能量市場與輔助服務(wù)市場聯(lián)合出清,兩個(gè)市場高度耦合,統(tǒng)一優(yōu)化調(diào)度能量和備用,在滿足系統(tǒng)運(yùn)行約束的前提下,使市場總購買費(fèi)用最小。

長期以來,中國對于電力輔助服務(wù)實(shí)施考核與補(bǔ)償相結(jié)合的管理機(jī)制,分為基本輔助服務(wù)和有償輔助服務(wù),其核心思想是將輔助服務(wù)視為發(fā)電企業(yè)的責(zé)任,由發(fā)電企業(yè)共同承擔(dān)輔助服務(wù)成本。2006年,中華人民共和國原國家電力監(jiān)管委員會(huì)分別對電力輔助服務(wù)的考核問題以及電力輔助服務(wù)的補(bǔ)償原則、補(bǔ)償方式與費(fèi)用來源進(jìn)行了原則性規(guī)定,制定了具體的實(shí)施細(xì)則,包括《區(qū)域并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理暫行辦法實(shí)施細(xì)則》和《區(qū)域發(fā)電廠并網(wǎng)運(yùn)行管理實(shí)施細(xì)則》(以下簡稱“兩個(gè)細(xì)則”)[8-10]。2017年11月,中華人民共和國國家能源局發(fā)布《完善電力輔助服務(wù)補(bǔ)償(市場)機(jī)制工作方案》,提出全面推進(jìn)電力輔助服務(wù)補(bǔ)償工作的3個(gè)階段,其中要求在2018—2019年探索建立電力中長期交易涉及的電力用戶參與電力輔助服務(wù)分擔(dān)共享機(jī)制[11]。

雖然“兩個(gè)細(xì)則”的實(shí)施對于促進(jìn)發(fā)電側(cè)機(jī)組提供輔助服務(wù)起到了一定的積極作用,但其市場價(jià)格機(jī)制仍然缺位,輔助服務(wù)的提供者、提供方式、交易規(guī)則、費(fèi)用標(biāo)準(zhǔn)、支付與結(jié)算方式尚未完善,難以兼顧不同電廠提供輔助服務(wù)的成本差異[12]。因此,在中國輔助服務(wù)市場的建設(shè)過程中,需要學(xué)習(xí)和借用國外成熟的輔助服務(wù)機(jī)制及經(jīng)驗(yàn),還需要結(jié)合中國當(dāng)前的電力市場實(shí)際情況制定輔助服務(wù)補(bǔ)償機(jī)制。中國電力市場的日前市場、實(shí)時(shí)市場均未建成,暫時(shí)無法實(shí)現(xiàn)輔助服務(wù)市場與主能量市場的聯(lián)合出清。同時(shí),電力市場的建設(shè)過程具有一定的連續(xù)性,應(yīng)循序漸進(jìn),因此,電力市場建設(shè)初期的輔助服務(wù)市場機(jī)制應(yīng)盡量簡單、易于操作[13]。對此,國內(nèi)已經(jīng)有學(xué)者提出市場建設(shè)初期采用獨(dú)立于能量市場的輔助服務(wù)市場結(jié)算模型和報(bào)價(jià)體系[14]。

本文首先闡述了英國電力市場的運(yùn)行過程,并對英國輔助服務(wù)市場的概況與服務(wù)種類等情況進(jìn)行詳細(xì)說明。隨后,對輔助服務(wù)中占比最大的短期運(yùn)行備用(short-term operation reserve,STOR)服務(wù)的調(diào)度過程、費(fèi)用構(gòu)成、計(jì)算方法及與平衡市場電價(jià)的關(guān)系進(jìn)行了研究。對比分析美國PJM電力市場與英國電力市場的輔助服務(wù)機(jī)制,結(jié)合中國輔助服務(wù)市場的現(xiàn)狀和特點(diǎn)進(jìn)行分析后,認(rèn)為英國輔助服務(wù)市場較符合中國現(xiàn)階段需求。最后,本文結(jié)合中國輔助服務(wù)的現(xiàn)狀及英國輔助服務(wù)市場的優(yōu)點(diǎn),對中國輔助服務(wù)市場建立與機(jī)制的制定進(jìn)行了思考。

1 英國輔助服務(wù)市場概況分析

1.1 英國電力市場的運(yùn)行過程

英國電力市場由3個(gè)主要環(huán)節(jié)組成:合同市場、平衡機(jī)制和不平衡結(jié)算,如圖1所示,其中，ELEXON公司為英國電力市場的結(jié)算公司。合同市場的交易量占總量的95%～98%,種類包括中長期合同和現(xiàn)貨合同,而剩余的市場交易量則通過平衡機(jī)制解決。中長期合同允許提前幾年簽訂,主要通過雙邊自行組織完成,而短期現(xiàn)貨交易主要通過電力交易中心集中撮合完成。

圖1 英國電力市場的調(diào)度過程Fig.1 Dispatch process of the UK electricity market

電力交易所的交易活動(dòng)停止后,英國國家電網(wǎng)作為系統(tǒng)調(diào)度機(jī)構(gòu)將接受市場主體的平衡報(bào)價(jià)與發(fā)用電曲線,進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測、日前安全校驗(yàn)、電網(wǎng)檢修計(jì)劃調(diào)整、阻塞成本預(yù)估、次日機(jī)組啟停安排等。同時(shí)組織并簽訂必要的輔助服務(wù)合約,以供在平衡機(jī)制階段調(diào)用。在實(shí)際運(yùn)行1 h前,通過平衡機(jī)制獲得頻率響應(yīng)、無功和備用等服務(wù),以解決輸電約束問題,維持系統(tǒng)供需平衡。參與平衡機(jī)制的市場主體將以有償形式提供平衡服務(wù)。

在調(diào)控完成后,將按照機(jī)組的實(shí)際發(fā)電曲線來進(jìn)行不平衡結(jié)算,由此激勵(lì)市場成員盡量按簽訂的合約進(jìn)行發(fā)電,以減小不平衡量。

英國電力市場的主要市場成員分為發(fā)電商、零售商、交易商和經(jīng)紀(jì)商4類。根據(jù)其是否參與平衡機(jī)制(balancing mechanism,BM)又分為BM單元和非BM單元兩類。BM單元是能量平衡市場中能夠獨(dú)立計(jì)量結(jié)算的最小設(shè)備組合交易單位,企業(yè)可擁有多個(gè)BM單元。根據(jù)系統(tǒng)的構(gòu)成,BM單元主要分為:輸電網(wǎng)BM單元、配電網(wǎng)BM單元、聯(lián)絡(luò)線BM單元、供電商BM單元和其他BM單元[15]等。

BM單元以購售價(jià)格對的形式參與能量平衡市場,一般在運(yùn)行前1 h進(jìn)行交易;而非BM單元?jiǎng)t以平衡服務(wù)調(diào)整數(shù)據(jù)的形式參與能量市場,交易的時(shí)間不受限制,靈活性較強(qiáng),屬于平衡機(jī)制以外的平衡措施。BM單元與非BM單元除了在能量市場中的參與形式不同外,在輔助服務(wù)市場中可參與的種類及補(bǔ)償方法上也有所差異。

1.2 英國輔助服務(wù)市場概述

英國國家電網(wǎng)從1990年開始在英格蘭和威爾士成立輔助服務(wù)營業(yè)部。1996年時(shí),輔助服務(wù)交易占年度交易額的不到2%,當(dāng)時(shí)輔助服務(wù)主要分為系統(tǒng)輔助服務(wù)(包括頻率響應(yīng)和無功服務(wù))和商業(yè)服務(wù)[16]。2001年在全國電力測試協(xié)會(huì)(national electrical testing association,NETA)模式下,發(fā)電公司能夠?qū)⑵潆娏慨a(chǎn)出投放到遠(yuǎn)期和期貨市場,以及短期電力交易和平衡市場等多個(gè)市場。在平衡市場中,系統(tǒng)操作員接受所有參與者的報(bào)價(jià)和投標(biāo),以實(shí)時(shí)平衡系統(tǒng)[17]。然而在英國電力市場中備用容量服務(wù)和能量市場交易是分開的,沒有進(jìn)行統(tǒng)一優(yōu)化,在操作上更為簡單。

至2017年,英國的輔助服務(wù)包括頻率響應(yīng)服務(wù)、備用服務(wù)、無功功率服務(wù)和黑啟動(dòng),其中,頻率響應(yīng)服務(wù)分為強(qiáng)制性頻率響應(yīng)和固定頻率響應(yīng)。類似的,無功服務(wù)分為義務(wù)型無功服務(wù)和增強(qiáng)型無功服務(wù)等。備用服務(wù)的種類較多,有快速備用服務(wù)、STOR服務(wù)、平衡機(jī)制啟動(dòng)服務(wù)、增強(qiáng)型可選擇性STOR服務(wù)和需求增長備用服務(wù)等。其中,增強(qiáng)型可選擇性STOR服務(wù)和需求增長備用服務(wù)均為試行的項(xiàng)目。具體各輔助服務(wù)的購買方式、費(fèi)用構(gòu)成等情況如附錄A表A1所示。

2 STOR服務(wù)機(jī)制

由于實(shí)際需求增大、需求預(yù)測不準(zhǔn)確以及新能源發(fā)電不可預(yù)測等原因,系統(tǒng)在某些時(shí)段需要增加發(fā)電量或減少用電量以保持功率平衡,保證電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。為此,英國國家電網(wǎng)進(jìn)行STOR服務(wù)投標(biāo)和交易,以滿足系統(tǒng)運(yùn)行備用的要求[18]。根據(jù)提供服務(wù)的單位和投標(biāo)時(shí)間等,STOR服務(wù)可分為中長期合約STOR服務(wù)和靈活STOR服務(wù)兩種類型[19-20]。

1)中長期合約STOR服務(wù)

中長期合約STOR服務(wù)對BM單元和非BM單元同等開放,每年一般進(jìn)行3次投標(biāo),合同可按月度、季度或年度簽訂。簽訂STOR服務(wù)合同的單元必須保證在合同中規(guī)定的時(shí)間內(nèi)所有可用性窗口期間,STOR服務(wù)均處于可用狀態(tài)。

2)靈活STOR服務(wù)

靈活STOR服務(wù)僅對非BM單元提供商開放,非BM單元按季度提交靈活STOR服務(wù)可用性意向,在服務(wù)窗口前一星期進(jìn)行投標(biāo)交易,并且服務(wù)提供商在提供靈活STOR服務(wù)的時(shí)間長度和投標(biāo)簽約的開放時(shí)間上具有較強(qiáng)的靈活性和選擇性。

由于靈活STOR服務(wù)具有較大的不確定性,為了降低在重要備用期間的投標(biāo)風(fēng)險(xiǎn),英國國家電網(wǎng)還設(shè)立了優(yōu)質(zhì)靈活STOR服務(wù)。提供靈活STOR服務(wù)的非BM單元可以進(jìn)行投標(biāo)申請,對中標(biāo)單元,英國國家電網(wǎng)保證采用其85%的可提供服務(wù)天數(shù),并且對提供優(yōu)質(zhì)靈活STOR服務(wù)的單元提供長達(dá)2年的合約機(jī)會(huì)。

由上可見,STOR服務(wù)提供商和英國國家電網(wǎng)主要通過中長期合同完成大部分STOR服務(wù)容量交易,非BM單元提供的靈活STOR服務(wù)為輔助交易手段,在星期前完成STOR服務(wù)容量交易。

2.1 STOR服務(wù)典型工作日的運(yùn)行分析

典型的STOR服務(wù)工作日如圖2所示,可用性窗口為合同規(guī)定備用的提供商提供可用備用容量的時(shí)段,日內(nèi)一般有2～3個(gè)可用性窗口,可用性窗口以外的剩余時(shí)間段為選擇性窗口[21]。

圖2 典型STOR服務(wù)工作日的窗口及費(fèi)用示意Fig.2 Schema of windows and corresponsive fee in a typical working day of STOR service

當(dāng)合同容量的交付接近可用性窗口始末兩端時(shí),備用服務(wù)提供商要在備用狀態(tài)和合同規(guī)定容量水平的使用狀態(tài)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換過渡,因此,存在2個(gè)狀態(tài)改變的階段,分別將其稱為前窗口指令期間和后窗口爬坡期間。前窗口指令期間為備用服務(wù)提供商收到英國國家電網(wǎng)發(fā)來的指令后,功率從備用水平提升到合同規(guī)定的容量水平所需的時(shí)間。后窗口爬坡時(shí)間是服務(wù)提供商按照國家電網(wǎng)指令,將功率從合同規(guī)定容量水平返回備用狀態(tài)所需的時(shí)間。

2.2 STOR服務(wù)費(fèi)用構(gòu)成及計(jì)算方法

目前,中國對備用服務(wù)的補(bǔ)償價(jià)格單一,在制定補(bǔ)償機(jī)制時(shí),還缺乏對不同類型機(jī)組特性的考慮,導(dǎo)致發(fā)電企業(yè)提供輔助服務(wù)的積極性較低,不愿進(jìn)行輔助服務(wù)投資。而英國的STOR服務(wù)補(bǔ)償費(fèi)用由備用容量成本和能量費(fèi)用2個(gè)部分組成。備用容量成本指服務(wù)提供商在合同規(guī)定中的STOR服務(wù)可用性窗口內(nèi)向英國國家電網(wǎng)提供備用容量的設(shè)備投資以及機(jī)會(huì)成本,兩者共同組成STOR服務(wù)的可用性費(fèi)用。機(jī)會(huì)成本是指由于機(jī)組需要預(yù)留容量,而犧牲部分參與電量市場獲利機(jī)會(huì),造成損失的發(fā)電利潤。當(dāng)英國國家電網(wǎng)實(shí)際使用STOR服務(wù)容量時(shí),除了備用容量成本,還需要支付提供商的電能生產(chǎn)成本,即STOR服務(wù)的能量使用費(fèi)用。綜上可得,英國STOR服務(wù)補(bǔ)償費(fèi)用的構(gòu)成明確且科學(xué),而科學(xué)的補(bǔ)償機(jī)制將提高企業(yè)參與輔助服務(wù)的積極性,給輔助服務(wù)市場帶來活力。下面將對STOR服務(wù)的補(bǔ)償機(jī)制進(jìn)行詳細(xì)說明和分析。

如2.1節(jié)所述,STOR服務(wù)工作日的窗口分為可用性窗口和選擇性窗口,兩者有各自的補(bǔ)償規(guī)則。在合約可用性窗口期間提供長期合約STOR服務(wù)和靈活性STOR服務(wù),并且容量被調(diào)用的BM單元與非BM單元,可獲得的補(bǔ)償包括STOR服務(wù)可用性費(fèi)用和STOR服務(wù)使用費(fèi)用2個(gè)部分。非BM單元在可用性窗口以外的選擇性窗口提供STOR服務(wù),此時(shí)僅獲得能量使用費(fèi)用。如上所述,BM單元與非BM單元在STOR服務(wù)中獲得的補(bǔ)償差異如表1所示,可用性費(fèi)用和使用費(fèi)用的具體計(jì)算方法將在后文中進(jìn)行詳細(xì)說明。

表1 BM單元與非BM單元STOR服務(wù)的補(bǔ)償差異Table 1 Differences of STOR service payments between BMU and non-BMU

另外,考慮到出于提供商自身原因或不可抗力等因素造成的STOR服務(wù)不可用情況,英國國家電網(wǎng)可能需要對電力系統(tǒng)備用進(jìn)行重新調(diào)度,此時(shí)STOR服務(wù)提供商應(yīng)支付相應(yīng)的調(diào)度費(fèi)用。一般按季度和年度分別對各單元進(jìn)行STOR服務(wù)考核,若單元考核不達(dá)標(biāo)則需要繳納調(diào)節(jié)費(fèi)用,具體的計(jì)算方法同樣將于下文進(jìn)行詳細(xì)說明。

2.2.1STOR服務(wù)的可用性費(fèi)用計(jì)算

STOR服務(wù)的可用性費(fèi)用按月度進(jìn)行結(jié)算,由英國國家電網(wǎng)支付給備用服務(wù)提供商[22]。由于BM單元對前、后窗口的響應(yīng)要求高于非BM單元,因此兩者的可用性費(fèi)用計(jì)算不相同。第m月內(nèi)BM單元的月度可用性費(fèi)用算法如式(1)所示,而非BM單元的月度可用性費(fèi)用算法則如式(2)和式(3)所示。

單元

(1)

(2)

(3)

式中:CA,m為第m月的可用性費(fèi)用;Wm為第m月內(nèi)的所有合約可用性窗口;W(P)為合約可用性窗口W的前后窗口指令期間;pA,j和pA,i分別為結(jié)算期間j和i的可用性價(jià)格;PC,j和PC,i分別為結(jié)算期間j和i內(nèi)合同規(guī)定的功率;δ1,j和δ1,i為指示變量，分別表示在結(jié)算期間j和i的合同可用性期間若備用不可用時(shí)取0,否則為1;δ2,j和δ2,i為指示變量，分別表示在結(jié)算期間j和i的合同可用性期間備用遇到不可抗力時(shí)取0,其余情況取1;δ3,i為指示變量，表示在結(jié)算期間i內(nèi)BM單元由于單元自身問題或不可抗力,無法滿足對于前窗口或后窗口指令期間的要求時(shí)取1,其他情況取0。

2.2.2STOR服務(wù)的使用費(fèi)用計(jì)算

在平衡電價(jià)計(jì)算中,若平衡措施在STOR服務(wù)可用性窗口內(nèi),則需要對有STOR服務(wù)合約的平衡措施進(jìn)行重新定價(jià),STOR服務(wù)的使用價(jià)格取使用價(jià)格和備用短缺價(jià)格(reserve scarcity price,RSP)兩者中的較大者。

備用短缺價(jià)格指在備用容量改變后,可能造成發(fā)電量無法滿足容量要求的情況,導(dǎo)致需要斷開用戶,電網(wǎng)系統(tǒng)每單位電量的經(jīng)濟(jì)損失價(jià)格。備用短缺價(jià)格反映了容量狀態(tài)是否充足,若可用電量與需求電量的差額增大,則備用短缺價(jià)格升高,反之下降。備用短缺價(jià)格按結(jié)算周期進(jìn)行計(jì)算,由失負(fù)荷率(loss of load probability,LoLP)和失負(fù)荷價(jià)格(value of lost load,VoLL)相乘得到。

ps=pLλL

(4)

式中:ps為備用短缺價(jià)格;pL為失負(fù)荷價(jià)格;λL為失負(fù)荷率。

LoLP是衡量每個(gè)結(jié)算周期的供電可靠性的評估指標(biāo),指對于給定的系統(tǒng)有功需求水平,發(fā)電供應(yīng)量不足以滿足容量要求的概率,取值范圍為(0,1)。而VoLL是緊急情況下導(dǎo)致用戶斷開連接,電網(wǎng)系統(tǒng)付出的代價(jià)成本,是基于對用電者供電安全性平均值的評估,為固定值。目前英國電網(wǎng)把VoLL定為3 000英鎊/(MW·h),在2018年后改為6 000英鎊/(MW·h)[23]。

LoLP的計(jì)算方法包括靜態(tài)法和動(dòng)態(tài)法[22],兩者計(jì)算使用的假設(shè)與參數(shù)相同。英國國家電網(wǎng)通過確定LoLP的歷史值與下降裕度(de-rated margin)之間的關(guān)系來產(chǎn)生靜態(tài)LoLP函數(shù)。為了適應(yīng)歷史數(shù)據(jù),通過使用正態(tài)密度函數(shù)來表示一個(gè)平滑的曲線,如式(5)所示。動(dòng)態(tài)LoLP函數(shù)則對每個(gè)結(jié)算周期進(jìn)行計(jì)算,如式(6)所示。

λL=1-N(Mj,μ,σ2)

(5)

λL,j=P(Mj<0)

(6)

式中:μ取0;σ2取700 MW;P(·)為概率函數(shù);Mj為結(jié)算周期j的下降裕度,其具體計(jì)算公式如式(7)—式(10)所示。

Mj=Xj+Uj-PR,j

(7)

PR,j=Dj+PE,j+RL,j-PN,j

(8)

(9)

(10)

式中:Xj為傳統(tǒng)機(jī)組在結(jié)算期間j內(nèi)的出力總和;Uj為風(fēng)電出力在結(jié)算期間j內(nèi)的預(yù)測值;PR,j為在結(jié)算期間j的容量需求;RL,j為在結(jié)算期間j內(nèi)電力系統(tǒng)承受的潛在最大網(wǎng)損備用;Dj為在結(jié)算期間j內(nèi)需求電量和廠用電量的預(yù)測總量;PE,j為在結(jié)算期間j內(nèi)聯(lián)絡(luò)線每個(gè)結(jié)算期間正有功功率的潮流總和;PN,j為在結(jié)算期間j內(nèi)非BM單元提供的STOR備用容量;Lj為在結(jié)算期間j內(nèi)電力系統(tǒng)的網(wǎng)損總和;ζ1為響應(yīng)保持因子,取0.68;ζ2為上升響應(yīng)備用因子,取0.55;nG,j為在結(jié)算期間j內(nèi)參與STOR服務(wù)的機(jī)組總數(shù)量;PG,i為傳統(tǒng)機(jī)組i的容量;ζA,i為機(jī)組i的可用性因子,不同類型燃油機(jī)組的可用性因子取值如表2所示。

表2 不同類型發(fā)電機(jī)組的可用性因子Table 2 Availability factors of different types of generators

在結(jié)算期間BM單元輸出至輸電系統(tǒng)的期望容量稱為物理通知(physical notification,PN)。BM單元可以輸出至輸電網(wǎng)的最大功率水平稱為最大輸出;已經(jīng)供電的BM單元在返回供電前,運(yùn)行在零狀態(tài)或受電狀態(tài)的最小時(shí)間稱為最小零時(shí)間。當(dāng)BM單元的PN不為0時(shí),或BM單元從零容量至所需容量的過渡時(shí)間與其備用交付用時(shí)的差小于30 min并且在最小零時(shí)間內(nèi)機(jī)組無法同步時(shí),PG,i取BM單元的最大輸出極限值,否則均取0。

得到最終使用價(jià)格后,STOR服務(wù)的使用費(fèi)用按月度結(jié)算,具體STOR服務(wù)的月度使用費(fèi)用計(jì)算公式如式(11)所示。

(11)

式中:CU,m為第m月度的使用費(fèi)用;Rj為單元在結(jié)算期間j內(nèi)交付的備用容量;pU,j為單元在結(jié)算期間j的使用價(jià)格。

2.2.3STOR服務(wù)的調(diào)節(jié)費(fèi)用計(jì)算

在可用性窗口內(nèi),STOR服務(wù)提供商可能因?yàn)榘踩?、技術(shù)原因或正處于備用恢復(fù)期間而無法提供可用性服務(wù),影響STOR服務(wù)質(zhì)量。因此英國國家電網(wǎng)在每個(gè)季度和每個(gè)年度都將對各提供商的備用服務(wù)容量交付率進(jìn)行考核,若低于標(biāo)準(zhǔn),則需要交付相應(yīng)的季度性容量調(diào)節(jié)費(fèi)用或年度可用性調(diào)節(jié)費(fèi)用,季度交付率需達(dá)到95%,年度交付率需達(dá)到85%。

1)季度性調(diào)節(jié)費(fèi)用

英國國家電網(wǎng)考慮了不同季度的長度,對STOR服務(wù)使用次數(shù)設(shè)定了對應(yīng)季節(jié)的下限值。季度性調(diào)節(jié)費(fèi)用由各單元的季度服務(wù)次數(shù)、容量交付率和季度的可用性費(fèi)用共同決定,具體如式(12)所示。

(12)

式中:FS,n為第n季度的調(diào)節(jié)性費(fèi)用;Sn為第n季度內(nèi)的所有月份;Nn為BM或非BM單位在第n季度內(nèi)的合約可用性窗口中提供備用服務(wù)的次數(shù);λn為第n季度的容量交付率；M為調(diào)節(jié)因子；Kn為第n季度內(nèi)提供服務(wù)次數(shù)的參考值,對于不同的季度長度,其取值如表3所示。

表3 不同長度季度對應(yīng)的K值Table 3 K of seasons with different time length

若λn≥0.95,則M=0,服務(wù)提供商的容量交付率達(dá)標(biāo),不需要交付調(diào)節(jié)費(fèi)用;若λn<0.95,則M=1,服務(wù)提供商的容量交付率不達(dá)標(biāo),需要交付調(diào)節(jié)費(fèi)用。

(13)

式中:Bn為第n季度內(nèi)的合約可用性窗口或靈活性窗口;B(F)n為第n季度內(nèi)無法響應(yīng)的窗口;PM,j為結(jié)算期間j內(nèi)實(shí)際交付的可用性容量;PE,j為結(jié)算期間j內(nèi)需要交付的可用性容量;PR,j為結(jié)算期間j內(nèi)無法響應(yīng)指令的可用性容量。

2)年度可用性調(diào)節(jié)付款

對于年度服務(wù)考核,英國國家電網(wǎng)規(guī)定各單元可用性窗口的實(shí)際備用交付率應(yīng)高于85%,交付率不達(dá)標(biāo)的單元?jiǎng)t需要繳納調(diào)節(jié)費(fèi)。此時(shí),年度可用性調(diào)節(jié)費(fèi)用為可用性費(fèi)用扣除年內(nèi)所有季度性可用性調(diào)節(jié)付款后相應(yīng)比例的費(fèi)用,具體如式(14)所示。

(14)

式中:FA,y為第y年度可用性調(diào)節(jié)費(fèi)用;Y為STOR服務(wù)合約的有效年份集合;Wy為第y年度內(nèi)所有可用性窗口;Ay為第y年度內(nèi)所有合約可用性窗口與靈活性窗口;δ4,j為指示變量，表示在合約可用性窗口中備用服務(wù)不可用時(shí)取0,反之取1;δ5,j為指示變量，表示在合約可用性窗口或靈活性窗口中備用服務(wù)不可用則取0,反之取1。

2.3 STOR服務(wù)對平衡市場電價(jià)的影響

在電力系統(tǒng)運(yùn)行中不可避免地會(huì)存在需求預(yù)測偏差和線路故障等情況,從而導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生不平衡電量。對此,英國的日內(nèi)平衡電量市場將進(jìn)行電量交易,對電力系統(tǒng)進(jìn)行平衡調(diào)節(jié)。平衡電量市場按30 min進(jìn)行結(jié)算,在結(jié)算前1 h停止提交交易意向。

已簽有STOR服務(wù)合同的單元,也可以參與日內(nèi)能量市場的平衡電量交易,參與方式與其他單元相同,但在平衡電價(jià)的計(jì)算過程中,需要對其可用性進(jìn)行評估,并對價(jià)格進(jìn)行修改。英國國家電網(wǎng)首先對有STOR服務(wù)合同企業(yè)的使用價(jià)格進(jìn)行確定,其次對所有提供商的價(jià)格進(jìn)行安全校核和套利審核后,按價(jià)格進(jìn)行排序,選取最高的平衡措施計(jì)算加權(quán)平均價(jià)格,作為能量市場平衡電價(jià)。具體流程如圖3所示。

圖3 能量市場平衡電價(jià)的確定流程Fig.3 Flow chart for determing energy balance market price

在結(jié)算周期中,英國國家電網(wǎng)首先對有STOR服務(wù)的平衡措施進(jìn)行標(biāo)記,由于已簽訂STOR合同的電廠參與平衡市場時(shí),可能會(huì)接受國家電網(wǎng)的STOR服務(wù)調(diào)用,由此會(huì)對平衡電價(jià)造成影響。因此在平衡電價(jià)計(jì)算中,若平衡措施在STOR服務(wù)可用性窗口內(nèi),則需要對有STOR服務(wù)合約的平衡措施進(jìn)行重新定價(jià),最終價(jià)格取使用價(jià)格和RSP兩者中的較大者[24],具體備用短缺價(jià)格的計(jì)算方法見2.2.2節(jié)。STOR服務(wù)使用價(jià)格的確定流程如圖4所示。

圖4 STOR服務(wù)使用價(jià)格的確定流程Fig.4 Flow chart for determing STOR service utilization price

3 英國短期備用市場的啟示

3.1 與美國PJM電力市場的比較

美國PJM電力市場與英國電力市場在輔助服務(wù)補(bǔ)償費(fèi)用構(gòu)成方面,備用價(jià)格均由容量價(jià)格與機(jī)會(huì)成本組成,兩者構(gòu)成基本相同。然而在職能分配、出清方式、調(diào)度運(yùn)行等方面,兩者有著較大差異。具體來說,英國電力市場模式將交易職能和調(diào)度職能剝離,英國國家電網(wǎng)主要負(fù)責(zé)進(jìn)行電網(wǎng)系統(tǒng)的調(diào)度,電能交易中心負(fù)責(zé)提供交易平臺(tái)和合約管理。美國PJM電力市場的運(yùn)營商同時(shí)履行交易和調(diào)度兩方面職能。即PJM模式下,交易結(jié)果直接決定了調(diào)度運(yùn)行過程,所以交易結(jié)果必須符合電力系統(tǒng)運(yùn)行要求,同時(shí)對調(diào)度過程的安全校核、阻塞分析等也提出了更高的要求。

美國PJM電力市場與英國電力市場相比,最大的運(yùn)行特點(diǎn)在于能量市場與輔助服務(wù)市場同時(shí)出清,基本原理為統(tǒng)一優(yōu)化調(diào)度能量和備用,在滿足系統(tǒng)運(yùn)行約束的前提下,使得生產(chǎn)成本最小[25]。美國PJM電力市場在其日前市場中,電能市場與計(jì)劃備用市場同時(shí)出清,采用安全約束機(jī)組組合程序在日前聯(lián)合優(yōu)化電能和計(jì)劃備用,確定出下一日每小時(shí)的節(jié)點(diǎn)邊際電價(jià)和計(jì)劃備用的出清價(jià)格,日前運(yùn)行備用的出清價(jià)格為全網(wǎng)邊際價(jià)格。在交易前1 h,調(diào)頻市場和同步備用市場同時(shí)出清,美國PJM電力市場在運(yùn)行前1 h、前30 min和前15 min分別采用輔助服務(wù)優(yōu)化程序、滾動(dòng)式和實(shí)時(shí)式的安全約束下的經(jīng)濟(jì)調(diào)度程序與實(shí)時(shí)電能進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化,并且每5 min執(zhí)行一次邊際價(jià)格計(jì)算程序,以確定實(shí)時(shí)節(jié)點(diǎn)邊際電價(jià)和輔助服務(wù)的出清價(jià)格。相較之下,英國電力市場在平衡機(jī)制階段不需要集中出清,由英國國家電網(wǎng)自行按需決定其維持平衡的中標(biāo)情況,并且按報(bào)價(jià)支付費(fèi)用。

綜上所述,美國PJM電力市場在機(jī)制上較英國輔助服務(wù)市場更為復(fù)雜,安全校核與通信技術(shù)要求更高[26]。且若要推行美國PJM電力市場的輔助服務(wù)補(bǔ)償與出清機(jī)制,首先需要實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)邊際電價(jià)機(jī)制。這對于中國仍在發(fā)展探索中的電力市場來說將是較大的挑戰(zhàn),因此中國電力市場建設(shè)初期的輔助服務(wù)市場機(jī)制應(yīng)循序漸進(jìn),先以較為簡單、易于操作的機(jī)制建成基本的電力市場體系后,再對輔助服務(wù)市場與電能市場進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化,這樣可保證電力市場的健康發(fā)展和電網(wǎng)的可靠、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

3.2 對中國備用輔助服務(wù)市場的思考

在中國電力體制改革后,輔助服務(wù)不再僅僅是運(yùn)行調(diào)度問題,行政和經(jīng)濟(jì)隸屬關(guān)系的變化、利益主體的多元化等因素都將增加輔助服務(wù)問題的復(fù)雜性。發(fā)電廠和電網(wǎng)經(jīng)營企業(yè)已成為相對獨(dú)立的市場主體,各個(gè)市場主體最關(guān)心的是企業(yè)的成本和效益。雖然電力生產(chǎn)的特點(diǎn)與電力經(jīng)濟(jì)的特性,使發(fā)、輸、配、售共處一網(wǎng),密不可分,相互依存,但是市場化的經(jīng)濟(jì)規(guī)律已經(jīng)切斷了發(fā)電和輸電之間的資產(chǎn)紐帶關(guān)系,作為獨(dú)立的市場主體提供了輔助服務(wù),理應(yīng)得到相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償,否則會(huì)影響市場主體提供輔助服務(wù)的積極性,減少電力系統(tǒng)輔助服務(wù)的充裕性,進(jìn)而危及電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

另外,由于不同的電力市場具有不同的歷史背景、電源結(jié)構(gòu)、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、負(fù)荷分布和負(fù)荷特性,所需要的輔助服務(wù)種類和數(shù)量也不相同,所以,沒有一種標(biāo)準(zhǔn)的輔助服務(wù)市場可以適用于所有的電力市場。甚至在同一個(gè)電力市場的不同時(shí)期中,所需要的輔助服務(wù)也會(huì)隨著市場的變化而變化,這種變化包括上述電源和電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的變化、電力供需形勢的變化,還包括市場運(yùn)營規(guī)則的變化、監(jiān)控技術(shù)的改進(jìn)和市場運(yùn)作過程中吸取經(jīng)驗(yàn)的增加等。因此,針對中國輔助服務(wù)市場建設(shè),仍然要因地制宜、因時(shí)制宜,不能生搬硬套國外經(jīng)驗(yàn),各地區(qū)需要充分考慮本區(qū)域當(dāng)前階段的實(shí)際情況,以“穩(wěn)妥有序、統(tǒng)籌推進(jìn)”的原則推進(jìn)輔助服務(wù)市場建設(shè)。

目前,中國電力市場建設(shè)仍處于起步階段,市場架構(gòu)尚未完善,難以直接建設(shè)與能量市場聯(lián)合出清的輔助服務(wù)市場。因此在現(xiàn)階段,易于操作的英國輔助服務(wù)市場模式可作為中國輔助服務(wù)市場建設(shè)初級(jí)階段的參考模式。例如:在輔助服務(wù)的補(bǔ)償機(jī)制問題上,英國國家電網(wǎng)把STOR服務(wù)的補(bǔ)償費(fèi)用分成備用容量成本和能量費(fèi)用,這樣的組成與補(bǔ)償機(jī)制比中國目前的單一補(bǔ)償制度更合理,可促進(jìn)市場主體參與輔助服務(wù)市場。

需要注意的是,由于英國電力市場的能量市場與輔助服務(wù)市場之間的耦合度不高,可能導(dǎo)致市場投機(jī)行為的發(fā)生,相關(guān)市場監(jiān)管部門需要注意制定同步的市場監(jiān)管制度,使性能表現(xiàn)良好的機(jī)組得到與其相匹配的市場收益。在能量市場體制完善、電力市場運(yùn)營模式成熟后,輔助服務(wù)市場可逐漸向美國PJM輔助服務(wù)市場轉(zhuǎn)型,實(shí)行能量市場與輔助服務(wù)市場的聯(lián)合優(yōu)化出清,增強(qiáng)兩個(gè)市場之間的耦合度,有利于保證電網(wǎng)穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,促進(jìn)電力市場公平。

4 結(jié)語

本文分析了中國輔助服務(wù)市場的現(xiàn)狀,通過對美國PJM電力市場和英國電力市場的輔助服務(wù)市場機(jī)制的分析和比較,認(rèn)為英國獨(dú)立于能量市場的輔助服務(wù)市場機(jī)制較符合中國當(dāng)前的電力市場情況。隨后,對英國電力輔助服務(wù)市場的運(yùn)行機(jī)制、服務(wù)種類等進(jìn)行了深入分析,并以英國輔助服務(wù)市場的STOR服務(wù)作為研究重點(diǎn),對STOR服務(wù)的典型工作日、費(fèi)用種類、費(fèi)用計(jì)算及對平衡市場電價(jià)的影響進(jìn)行了詳細(xì)研究,為中國今后輔助服務(wù)市場的建設(shè)和發(fā)展提供了思路與參考。電力市場運(yùn)行模式成熟后的調(diào)度及補(bǔ)貼機(jī)制同樣需要借鑒國外先進(jìn)電力市場的經(jīng)驗(yàn),因此在后續(xù)研究中將對美國PJM電力市場模式下的電量市場與輔助市場耦合問題進(jìn)行更深入的探討。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

(編輯楊松迎)