李偉 劉譯陽

[摘要]為了積極響應(yīng)2050年形成可再生能源為主的能源體系這一目標(biāo)，緩解高比例可再生能源并網(wǎng)后對電力系統(tǒng)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(gòu)提出的靈活調(diào)節(jié)產(chǎn)品，設(shè)計符合我國電力市場特點的靈活調(diào)節(jié)產(chǎn)品定價機制。首先，文章從大規(guī)模可再生能源接入后對電力系統(tǒng)運行產(chǎn)生的影響出發(fā)，介紹了靈活調(diào)節(jié)產(chǎn)品的定義及性質(zhì)，以及產(chǎn)品設(shè)計的作用及必要性;其次，基于改進(jìn)的節(jié)點邊際電價法對靈活調(diào)節(jié)產(chǎn)品進(jìn)行定價并提出定價模型;接著提出了靈活調(diào)節(jié)產(chǎn)品與傳統(tǒng)輔助服務(wù)的優(yōu)化組合模型，以保障系統(tǒng)運行成本最低;最后對靈活調(diào)節(jié)產(chǎn)品在未來實際應(yīng)用中有待研究的問題進(jìn)行總結(jié)。

[關(guān)鍵詞]靈活調(diào)節(jié)產(chǎn)品;節(jié)點邊際電價;輔助服務(wù)

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

目前，人類正面臨著環(huán)境污染和非再生能源日益枯竭等嚴(yán)峻考驗，低碳經(jīng)濟(jì)、能源綠色化已然成為全球共同發(fā)展的目標(biāo)，因此可再生能源發(fā)電得到廣泛關(guān)注。2015年4月，國家發(fā)展和改革委員會能源研究所發(fā)表的《中國2050高比例可再生能源發(fā)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(dá)到60%以上，完全實現(xiàn)能源生產(chǎn)和消費革命[1]。2015年，9號文的發(fā)表引領(lǐng)著新一輪電力體制改革的穩(wěn)步向前，并且為可再生能源發(fā)電和電力系統(tǒng)運行靈活性奠定基礎(chǔ)。9號文的配套文件《關(guān)于有序放開發(fā)用電計劃的實施意見》中提出堅持以節(jié)能減排和清潔能源優(yōu)先上網(wǎng)為主要原則，促進(jìn)清潔能源多發(fā)、滿發(fā)[2]。

由于高比例可再生能源發(fā)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(gòu)和美國中部獨立運行機構(gòu)率先提出了靈活調(diào)節(jié)產(chǎn)品，初步應(yīng)用并且取得了一定的效果。類似的，英國推出需求開啟產(chǎn)品（Demand Turn-up，DTU）在可再生能源發(fā)電出力不確定時，為系統(tǒng)提供爬坡/滑坡能力。靈活調(diào)節(jié)產(chǎn)品在中國電力市場尚未引起重視，這與國內(nèi)近年提倡清潔能源上網(wǎng)背道而馳，那么如何進(jìn)一步推進(jìn)靈活調(diào)節(jié)產(chǎn)品在電力市場中交易是促進(jìn)可再生能源消納的首要任務(wù)。

1 靈活調(diào)節(jié)產(chǎn)品的背景及意義

靈活調(diào)節(jié)產(chǎn)品（Flexible Ramping Product， FRP）是指可控資源在給定響應(yīng)時間內(nèi)的調(diào)節(jié)能力，其中包括爬坡/滑坡能力，用于滿足實時調(diào)度中兩個時段之間的凈負(fù)荷變動（系統(tǒng)凈負(fù)荷=系統(tǒng)實際負(fù)荷-間歇性可再生能源發(fā)電出力）。FRP是一種用于滿足實時調(diào)度中兩個調(diào)度時段凈負(fù)荷變化的輔助服務(wù)市場產(chǎn)品。由于電能不可以大量儲存，因此電力系統(tǒng)有功功率要達(dá)到實時平衡。以往對系統(tǒng)靈活性的挑戰(zhàn)是負(fù)荷側(cè)具有波動性，針對負(fù)荷側(cè)的波動，電力市場提出了調(diào)頻、備用等輔助服務(wù)。隨著高比例可再生能源的并網(wǎng)，可再生能源發(fā)電出力具有不確定性，電源側(cè)也出現(xiàn)了波動，因此FRP應(yīng)運而生。

我國部分地區(qū)棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象比較嚴(yán)重，無法實現(xiàn)可再生能源全額消納，不同地區(qū)的棄風(fēng)、棄光原因各不相同，歸根結(jié)底是由于系統(tǒng)靈活性不足導(dǎo)致的，因此在電力市場中引入FRP提高系統(tǒng)靈活性刻不容緩。目前，國內(nèi)對于電力系統(tǒng)靈活性的研究主要是理論方面，而FRP作為一種新型電力產(chǎn)品雖然在國外受到廣泛關(guān)注和應(yīng)用，但是由于國內(nèi)電力行業(yè)的管制程度和計劃性較強，缺乏成熟的市場條件對FRP進(jìn)行交易，因此如何設(shè)計FRP定價機制，是FRP在電力市場中進(jìn)行交易的基礎(chǔ)。在定價模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計FRP與傳統(tǒng)輔助服務(wù)的優(yōu)化組合模型，能夠進(jìn)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(jìn)的節(jié)點邊際電價法，針對國內(nèi)電力市場情況設(shè)計出FRP的定價模型及其與輔助服務(wù)的優(yōu)化組合模型。

2 靈活調(diào)節(jié)產(chǎn)品定價模型

2.1 靈活調(diào)節(jié)產(chǎn)品的定價方法

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

節(jié)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(shù)理論研究方面以及PJM手冊關(guān)于節(jié)點邊際電價的表述都是由三方面構(gòu)成的，包括系統(tǒng)電能價格、阻塞價格以及網(wǎng)損價格[3]。實際上，在FRP的定價過程中，節(jié)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(tǒng)的節(jié)點邊際定價法無法完全表達(dá)FRP受制約的分量，因此本文引入新的節(jié)點電價分析方法來對FRP進(jìn)行定價分析。

2.2 靈活調(diào)節(jié)產(chǎn)品的定價模型

2.2.1 ?目標(biāo)函數(shù)

FRP的節(jié)點邊際電價是指在特定位置利用所有可用發(fā)電資源，考慮所有輸電約束，為供給下一個電力的而產(chǎn)生的最小生產(chǎn)費用。它是衡量在當(dāng)前系統(tǒng)運行狀態(tài)下，某一節(jié)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(jié)點能量平衡約束，或拉格朗日函數(shù)對于增量負(fù)荷變化的偏導(dǎo)數(shù)。以FRP提供爬坡能力為例，記及上述4項輸電約束后，構(gòu)造的拉格朗日函數(shù)如（2-7）所示。

3 靈活調(diào)節(jié)產(chǎn)品與輔助服務(wù)的優(yōu)化組合模型

在國際上目前運營的電力市場中，多數(shù)采用能量-輔助服務(wù)聯(lián)合出清模型，在這種模式下，系統(tǒng)運行機構(gòu)能夠以經(jīng)濟(jì)的方式保障電力供需平衡，并同時滿足輔助服務(wù)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(diào)頻和備用之間進(jìn)行合理分配[4-5]。系統(tǒng)購入FRP后，原有出清模型的目標(biāo)函數(shù)的主要變化在于增加了購買靈活調(diào)節(jié)產(chǎn)品的成本，下面以系統(tǒng)運行成本最低為目標(biāo)函數(shù)，構(gòu)建靈活調(diào)節(jié)產(chǎn)品與輔助服務(wù)的優(yōu)化組合模型：

其中， 為0-1整數(shù)變量，表示機組 在 時段的狀態(tài)，1為開機狀態(tài)，0為停運狀態(tài); 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(diào)頻價格及機組 提供的向上調(diào)頻容量; 、 分別表示 時段的向下調(diào)頻價格及機組 提供的向下調(diào)頻容量; 、 分別表示 時段的旋轉(zhuǎn)備用價格及機組 提供的旋轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)的服務(wù)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(diào)節(jié)的服務(wù)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(jié)論與展望

FRP作為一個新型輔助服務(wù)進(jìn)入市場存在一定的困難，F(xiàn)RP的引入在一定程度上會增加系統(tǒng)運行成本，但FRP可以在系統(tǒng)運行負(fù)荷過量時提供一定的靈活調(diào)節(jié)容量，從而可以預(yù)防尖峰電價的產(chǎn)生，從總體上看FRP提高了系統(tǒng)運行效率和市場經(jīng)濟(jì)效益。由于FRP發(fā)展尚不成熟，需要對產(chǎn)品設(shè)計優(yōu)化組合方案、相應(yīng)的政策補貼從而激發(fā)FRP進(jìn)行市場優(yōu)化資源配置。為了實現(xiàn)FRP的發(fā)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(shè)計適合國情的政策鼓勵具備靈活調(diào)節(jié)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(jù)資源屬性和經(jīng)濟(jì)效益對其進(jìn)行包裝設(shè)計成FRP。3）隨著市場成熟發(fā)展，將輔助服務(wù)費用逐步分?jǐn)偟接脩魝?cè)，并完善FRP相關(guān)的輔助服務(wù)市場機制。

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[作者簡介]李偉（1968—），男，東北電力大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院教授，博士，研究方向：能源政策。