高志華，吳科成，劉樹楷，陳荃，黃瑩，謝敏，何知純

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司，廣東 廣州 510600；2.中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司，廣東，廣州 510663；3.華南理工大學(xué) a.電力學(xué)院；b.廣東省綠色能源技術(shù)重點實驗室，廣東 廣州 510641)

近年來可再生能源發(fā)電裝機容量不斷增大，其消納需求與日俱增，為避免“重建輕用”局面，采取市場化的手段促進可再生能源電力消納并激勵可再生能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展，自2017年以來相關(guān)政府部門逐步出臺完善了可再生能源電力配額(消納責(zé)任義務(wù))和綠色電力證書認購的有關(guān)政策。2019年5月，國家發(fā)展改革委、國家能源局發(fā)布了《關(guān)于建立健全可再生能源電力消納保障機制的通知》，決定對各省級行政區(qū)域設(shè)定可再生能源電力消納責(zé)任權(quán)重，建立健全可再生能源電力消納保障機制。此后，多個省、直轄市陸續(xù)發(fā)布了可再生能源消納保障相關(guān)機制實施方案。2021年1月，北京電力交易所中心發(fā)布了全國首個《可再生能源超額消納量交易規(guī)則(試行)》，此后廣東、新疆也陸續(xù)發(fā)布了相關(guān)消納量市場交易規(guī)則。目前，我國已在各省級行政區(qū)域推行可再生能源電力消納責(zé)任權(quán)重機制，各承擔(dān)消納責(zé)任的市場主體須完成所在區(qū)域電網(wǎng)企業(yè)分配的消納量[1-4]，消納量的達標(biāo)以實際消納可再生能源電量為主要完成方式，以從其他主體購買超額消納量或者通過自愿認購綠證為補充完成方式[5-6]。

目前，關(guān)于可再生能源配額消納的研究多為對可再生能源配額制消納責(zé)任權(quán)重下的價格機制、電力市場機制設(shè)計及經(jīng)濟調(diào)度的研究[7-15]。文獻[9]研究了在可再生能源消納機制下風(fēng)電并網(wǎng)的經(jīng)濟調(diào)度問題。文獻[11]分析了不同消納量方案對市場電價及可再生能源裝機容量的影響。文獻[12]結(jié)合“雙碳”目標(biāo)，根據(jù)區(qū)塊鏈技術(shù)研究促進可再生能源消納的市場激勵機制?，F(xiàn)有研究中具體針對超額消納量交易機制的討論較少。2021年2月5日，全國首次可再生能源電力超額消納量交易正式開市，共有10個省參與本次省間交易，當(dāng)日超額消納憑證轉(zhuǎn)讓交易高達245.5萬個，相當(dāng)于2 455 GWh可再生能源電量；同年4月，南方區(qū)域首次可再生能源電力消納量交易開市，通過掛牌交易，交易雙方成功達成可再生能源消納量憑證2 716個，折合可再生能源消納電量2.716 GWh，標(biāo)志著南方區(qū)域可再生能源電力消納量市場建設(shè)進入實質(zhì)性階段。綜上，我國的超額消納量交易前景可見一斑，對超額消納量市場機制的完善設(shè)計研究迫在眉睫。

本文綜合考慮可再生能源交易的市場化需求及超額消納量測算及交易機制的時序安排，構(gòu)建一種可再生能源超額消納量雙層交易機制。在最大化各區(qū)域消納主體收益的基礎(chǔ)上，解決超額消納量交易跨區(qū)協(xié)同問題，為消除省間市場壁壘，促進可再生能源消納提供機制參考。首先，基于潮流追蹤方法預(yù)測區(qū)域內(nèi)主體的超額消納量，結(jié)合基線值獲得各主體可再生能源超額消納量受讓規(guī)模。再以社會福利最大化為優(yōu)化目標(biāo)，考慮區(qū)域內(nèi)各主體超額消納量交易約束、網(wǎng)絡(luò)約束、區(qū)域間聯(lián)絡(luò)線約束等約束條件，構(gòu)建區(qū)域內(nèi)-區(qū)域間雙層交易優(yōu)化模型，提出超額消納量雙層交易機制。最后，通過某實際電網(wǎng)算例對所提機制的有效性進行驗證。

1 可再生能源超額消納量雙層交易機制

目前，我國超額消納量的交易機制仍處于探索階段[16-19]，國內(nèi)多數(shù)地區(qū)的可再生能源發(fā)電量并未進入市場交易，而是由電網(wǎng)公司按計劃消納。同時在現(xiàn)有區(qū)域內(nèi)-區(qū)域間雙層交易環(huán)境下，部分僅在區(qū)域內(nèi)參與市場的用戶，特別是中東部地區(qū)用戶，可再生能源交易的途徑受限。現(xiàn)階段消納權(quán)重指標(biāo)交易市場化不足，市場結(jié)構(gòu)尚不完善，交易主體缺乏主觀能動性。因此，需要盡快建立相應(yīng)的交易市場，向有消納責(zé)任的主體開放，形成電量、消納權(quán)重指標(biāo)雙重交易兩層市場，由市場效益激勵可再生能源的市場化合理消納。

本研究針對大范圍多區(qū)域超額消納量交易構(gòu)建一種可再生能源超額消納量雙層交易機制，可以保證多區(qū)域超額消納量的交易均衡，機制優(yōu)先保證在區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)超額消納量的最大限度交易均衡，繼而實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)富余及缺損的超額消納量在區(qū)域間交易均衡。機制的詳細設(shè)計框架如圖1所示。

圖1 可再生能源超額消納量雙層優(yōu)化框架

首先在可再生能源消納量測算的基礎(chǔ)上，將所得測算值與分攤的基線值作差，即可得到區(qū)域內(nèi)各主體可能參與市場交易的超額消納量。采用雙層撮合交易形式構(gòu)建市場交易模型，采用區(qū)域內(nèi)-區(qū)域間雙層交易優(yōu)化模型，以交易所得社會福利最大化為目標(biāo)，考慮區(qū)域內(nèi)各主體消納量交易約束、區(qū)域間聯(lián)絡(luò)線、區(qū)域內(nèi)主體網(wǎng)絡(luò)約束等約束條件，建立超額消納量的雙層撮合交易模型，交易過程中擁有超額消納量的區(qū)域內(nèi)主體/區(qū)域作為賣方，而可再生能源消納量不足的區(qū)域內(nèi)主體/區(qū)域作為買方。

當(dāng)受讓規(guī)模測算模型得到的可再生能源消納量超過國家設(shè)定的基準(zhǔn)線，區(qū)域內(nèi)各主體間交易結(jié)束時，剩余的消納量可傳遞到上層模型，作為賣方參與區(qū)域交易的報量報價。當(dāng)受讓規(guī)模測算模型得到的可再生能源消納量低于國家設(shè)定的基準(zhǔn)線，區(qū)域內(nèi)各主體間交易結(jié)束時，缺少的消納量可傳遞到上層模型，作為買方參與區(qū)域交易的報量報價。各區(qū)域交易結(jié)束后，應(yīng)均能完成國家設(shè)定的基準(zhǔn)線指標(biāo)，對于總體表現(xiàn)為缺額的區(qū)域，其向其他區(qū)域購買超額消納量所需的費用由下層區(qū)域內(nèi)消納量缺額的主體按缺額比例分攤；而對于總體表現(xiàn)為超額的區(qū)域，其向其他區(qū)域其出售超額消納量所需的費用由下層區(qū)域內(nèi)消納量超額的主體按超額比例分攤，從而實現(xiàn)超額消納量的有效疏導(dǎo)。

2 可再生能源超額消納量雙層交易模型

首先，各區(qū)域根據(jù)下達指標(biāo)，測算可再生能源超額消納量。將目標(biāo)年份的最低約束性消納指標(biāo)總量按照交易電量比重分配到消納責(zé)任主體(以下簡稱“主體”)，并以此作為年度可再生能源電力消納基線值。另一方面，采用潮流追蹤法測算各主體可消納的可再生能源電量。計算測算值與基線值之差，得到各區(qū)域內(nèi)主體可參與市場交易的超額消納量值。

其次，優(yōu)化超額消納量交易。建立電量交易和消納權(quán)重指標(biāo)雙重交易兩層市場。交易時序為優(yōu)先保障區(qū)域內(nèi)完成消納目標(biāo)，余額和缺額在更大范圍內(nèi)交易以保證全局平衡，即區(qū)域內(nèi)主體交易→區(qū)域交易→跨區(qū)域交易。

2.1 可再生能源消納量受讓規(guī)模測算

2.1.1 可再生能源電力消納權(quán)重基線值

將國家分配的可再生能源最低約束性消納指標(biāo)總量按照該區(qū)域內(nèi)各主體的年售電量占總體的比例進行分攤，以各主體分攤后所得電量作為各自的可再生能源電力消納權(quán)重基線值。

2.1.2 基于潮流追蹤原理的可再生能源消納量預(yù)測

通過測算區(qū)域內(nèi)承擔(dān)消納責(zé)任的市場主體超額消納量的規(guī)模，能夠預(yù)估區(qū)域內(nèi)主體間可受讓消納量的交易規(guī)模，為可再生能源超額消納量交易市場設(shè)計提供支持，同時為市場參與主體提供交易依據(jù)，使市場主體通過超額消納量交易的方式獲取較為可靠的收益，從而增加消納責(zé)任主體的消納積極性。

將各個主體在電網(wǎng)拓撲上分別等值為網(wǎng)架上的若干負荷節(jié)點，基于潮流追蹤原理[20-24]預(yù)測各主體的可再生能源電力消納量。選取目標(biāo)年份的系統(tǒng)多種典型運行方式，開展潮流追蹤，計算并統(tǒng)計出各主體在各典型運行方式下的可再生能源消納電量及其占比。再將全年電量總和按不同季節(jié)和時段的占比進行等值累加，可得到各主體全年預(yù)計可消納的可再生能源電量總量，以所得電量作為各主體的可再生能源消納測算值。

2.2 可再生能源超額消納量交易模型

2.2.1 區(qū)域內(nèi)主體的交易模型

令區(qū)域內(nèi)主體間交易模型的目標(biāo)函數(shù)為主體參與超額消納量市場交易帶來的社會效益最大化，即：

(1)

Coutpre=Cpre-Cstd，

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

約束條件為：

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

式中Rltotal、Plprice分別為缺額區(qū)域上層交易的總?cè)鳖~消納量和報價。

(12)

(13)

式中Rototal、Poprice分別為超額區(qū)域上層交易的總?cè)鳖~消納量和報價。

2.2.2 區(qū)域間的交易模型

區(qū)域間交易模型與區(qū)域內(nèi)主體間交易模型基本一致，目標(biāo)函數(shù)均為使超額消納量市場交易的社會福利最大化，考慮區(qū)域間消納量交易約束、區(qū)域間聯(lián)絡(luò)線約束等條件。區(qū)域間交易目標(biāo)優(yōu)先保障區(qū)域內(nèi)各主體完成消納責(zé)任權(quán)重目標(biāo)，最終其交易產(chǎn)生的收益或者支出按下層區(qū)域內(nèi)各主體超額、缺額消納量的比例進行分攤，即

(14)

2.3 多區(qū)雙層交易模型求解

可再生能源超額消納量的多區(qū)雙層交易模型求解流程如圖2所示，其中J為區(qū)域總數(shù)。依據(jù)時序安排，基于撮合模型先求解區(qū)域內(nèi)超額消納量交易，獲得區(qū)域j內(nèi)所有主體交易情況，對于交易不平衡主體則依據(jù)式(10)、(11)整理其盈余/缺損部分報價報量，所得結(jié)果為區(qū)域j參與區(qū)域間超額消納量交易的報價報量，即區(qū)域內(nèi)-區(qū)域間雙層交易交互數(shù)據(jù)、區(qū)域間撮合模型初始數(shù)據(jù)。依據(jù)撮合模型求解區(qū)域間超額消納量交易，獲得區(qū)域j交易情況，再根據(jù)區(qū)域j內(nèi)部交易不平衡情況進行利益/成本分配，輸出區(qū)域內(nèi)各主體交易結(jié)果及區(qū)域間交易結(jié)果。具體計算過程中，可再生能源超額消納量區(qū)域內(nèi)交易模型式(1)及其約束條件、區(qū)域間交易模型式(14)及其約束條件本質(zhì)上均為線性規(guī)劃模型，直接采用GAMS-CPLEX解法器進行求解。

圖2 模型求解流程

3 算例仿真與分析

算例設(shè)置3個仿真區(qū)域S1—S3：S1電網(wǎng)由3 098個節(jié)點、3 355條支路、255臺發(fā)電機和769個負荷節(jié)點構(gòu)成，該區(qū)域內(nèi)共有21個主體參與交易；S2電網(wǎng)由2 132個節(jié)點、2 341條支路、198臺發(fā)電機和523個負荷節(jié)點構(gòu)成，共有13個主體參加交易；S3電網(wǎng)由2 571個節(jié)點、2 982條支路、231臺發(fā)電機和635個負荷節(jié)點構(gòu)成，共有15個主體參與交易。將各主體等值為負荷節(jié)點。區(qū)域內(nèi)目標(biāo)年份的最低約束性可再生能源消納總量分別為2 252.62 GWh、1 986.57 GWh、2 132.33 GWh。同時，將國家下達給各區(qū)域的最低約束性可再生能源消納責(zé)任總量占比的目標(biāo)值設(shè)定為27.8%。

3.1 可再生能源超額消納量受讓規(guī)模計算結(jié)果

首先將國家分配的消納權(quán)重值按照該區(qū)域?qū)嶋H電網(wǎng)各區(qū)域內(nèi)主體的年售電量占比進行分攤，以各主體分攤后的權(quán)重值作為消納權(quán)重基線值；然后選取系統(tǒng)的典型運行方式(夏大、夏小、冬大、冬小等)開展潮流追蹤，計算各主體的可再生能源消納電量及其占比，將全年電量總和按不同季節(jié)和時段的比值進行等值累加，得到各主體全年實際所消納的可再生能源電量；基線值與實際值之差即為各區(qū)域內(nèi)主體參與區(qū)域內(nèi)市場交易的超額消納量規(guī)模。以S2為例，所得結(jié)果見表1。3個仿真區(qū)域內(nèi)各主體(編號ZHi)的可再生能源超/缺額消納情況如圖3所示。

圖3 3個仿真區(qū)域內(nèi)各主體的超額消納量規(guī)模

表1 S2內(nèi)各主體的超額消納量規(guī)模計算結(jié)果

S2可再生能源總電量對外呈現(xiàn)缺額特征，缺額消納量規(guī)模為39.58 GWh，該區(qū)域后續(xù)可以作為缺額者參與區(qū)域間上層交易。S1和S3對外均體現(xiàn)為超額特征，超額消納量分別為14.68 GWh、10.67 GWh。而3個區(qū)域的區(qū)域內(nèi)各主體同樣存在超額及缺額2種角色。各區(qū)域通過區(qū)域內(nèi)主體交易可以完成國家下達的權(quán)重目標(biāo)值指標(biāo)，同時可以在區(qū)域內(nèi)交易結(jié)束后整合交易結(jié)果繼續(xù)進行區(qū)域間上層交易，以獲得更大的利益。

3.2 可再生能源超額消納量雙層交易模擬結(jié)果

3.2.1 區(qū)域內(nèi)主體交易模擬結(jié)果

3個仿真區(qū)域內(nèi)各主體的報量及報價見表2至表4。

表2 S1內(nèi)各主體申報的超額消納量及價格

表3 S2內(nèi)各主體申報的超額消納量及價格

表4 S3內(nèi)各主體申報的超額消納量及價格

3個區(qū)域電網(wǎng)各市場參與主體的報量及報價結(jié)果呈現(xiàn)一定的市場規(guī)律性：對于買家，報量越高的主體報價越高，其購買意愿更強；作為賣家，報量越高的主體報價越低，其售賣意愿更強。買家與賣家超額消納量交易規(guī)模見表5。

由表5可以看出，撮合過程使交易量達到市場均衡時所能成交的最大量，且每單位消納量都盡可能分配給效用最大的交易雙方。當(dāng)交易對象報價及交易量均呈順序遞減關(guān)系時，如果減少某一對交易對象間的交易量，這部分交易量不能轉(zhuǎn)移給報價差比其大的交易對象，因為撮合過程保證了報價差大的交易對已經(jīng)獲得了盡可能大的交易量；如果這部分交易量轉(zhuǎn)移給報價差比其小的交易對象，并不能使總交易量增加，而減少報價差大的交易量來增加報價差小的交易量將使得總效用減少。

表5 買家與賣家超額消納量交易規(guī)模

各區(qū)域主體交易結(jié)束時，參與區(qū)域內(nèi)超額消納量市場交易的主體效益最大可達109.448 3億元，各主體的可再生能源消納量均能達到國家設(shè)定指標(biāo)，各區(qū)域傳遞至上層的總超額消納量和報價信息見表6。

表6 各仿真區(qū)域在上層交易時申報的超額消納量及價格

各區(qū)域的報量情況與區(qū)內(nèi)消納盈余總量求和結(jié)果相符，實現(xiàn)了區(qū)域內(nèi)交易最大程度均衡。同時S1、S3以出售超額消納量的角色，S2以購買超額消納量的角色進入上層交易。

3.2.2 區(qū)域間交易模擬結(jié)果

與仿真區(qū)域電網(wǎng)進行區(qū)域間交易的其他區(qū)域(E1—E3)主體的超額/缺額消納量及價格申報設(shè)置見表7，即各區(qū)域只需向交易中心提交報價報量信息，以保證各區(qū)域電網(wǎng)的內(nèi)部信息私密性。區(qū)域間交易層的交易結(jié)果見表8。

表7 區(qū)域間交易各主體申報超額消納量及價格

表8 各區(qū)域超額消納量交易規(guī)模

由表7可以看出，各區(qū)域通過參加區(qū)域間交易，可以更大程度地獲得國家分配的超額消納量平衡，而且在區(qū)域間交易結(jié)束時還可獲得額外效益，實現(xiàn)了社會整體效益最大化。各區(qū)域的可再生能源消納量均能最大限度地接近國家設(shè)定指標(biāo)。對仿真區(qū)域而言，3個區(qū)域通過參與上層交易獲得的總超額消納量收益為4.796億元，其中仿真區(qū)域S2最終收購的超額消納量未能滿足自身需求，這是因為市場整體所能提供的超額消納量不足，市場具備缺額屬性，但本機制保證了市場全局收益最優(yōu)。

將本文分層求解結(jié)果與直接求解結(jié)果進行比較：直接求解時，區(qū)域內(nèi)僅交易10筆，區(qū)域間交易38筆；分層求解時，區(qū)域內(nèi)交易46筆，區(qū)域間交易僅5筆。采用雙層交易機制，大幅降低了區(qū)域間交易帶來的阻塞風(fēng)險，避免了主體之間直接進行區(qū)域間交易帶來大量的認證工作，同時可以最大程度保證各區(qū)域完成國家下發(fā)的消納指標(biāo)。由此可見，本文設(shè)計的區(qū)域內(nèi)-區(qū)域間雙層交易優(yōu)化模型有利于區(qū)域內(nèi)、區(qū)域間各主體完成國家設(shè)定的消納責(zé)任權(quán)重目標(biāo)，是通過市場機制落實和保障新能源消納的重要舉措，該市場機制是有效可行的。

4 結(jié)論

構(gòu)建超額消納量交易體系是保障可再生能源消納責(zé)任權(quán)重實施的重要舉措，對進一步推進電力市場建設(shè)，促進能源資源大范圍優(yōu)化配置和可再生能源高水平、大范圍消納具有重要作用。本文針對超額消納量市場機制設(shè)計展開研究，得到以下結(jié)論：

a)本文所提基于潮流追蹤理論的超額消納量受讓規(guī)模測算模型，能夠為各區(qū)域主體參與市場提供數(shù)據(jù)支撐，為市場提供交易量預(yù)測方法。

b)本文所提區(qū)域內(nèi)-區(qū)域間雙層交易機制，能夠在優(yōu)先保障區(qū)域內(nèi)消納量均衡的基礎(chǔ)上，消除區(qū)域間交易壁壘，保證消納量在更大范圍內(nèi)實現(xiàn)交易均衡。除此之外，該交易模式分為上下2層，在各層交易中各市場主體進行交易時只需提供自身報量保價，可以保證博弈各方信息的獨立性。

c)本文應(yīng)用撮合模型匹配買方賣方，使得交易量達到市場均衡時所能成交的最大量，從而使參與超額消納量市場交易的主體效益最大化。撮合模型能夠有效適應(yīng)本文所提市場機制，發(fā)揮市場效力。

d)本文通過對所建市場機制結(jié)合模型進行算例仿真，證實了該機制能為可再生能源超額消納量交易市場設(shè)計提供支持，也能夠使市場超額主體通過超額消納量交易的方式獲取收益，從而增加消納責(zé)任主體的消納積極性，同時市場缺額主體可通過交易最大程度獲取消納量，以幫助自身完成消納責(zé)任。

綜上，本研究所提市場機制在解決超額消納量跨區(qū)協(xié)同的基礎(chǔ)上，保證了各方參與市場的合理性收益，具有實踐指導(dǎo)意義，能夠有效保障可再生能源消納責(zé)任機制的實施。