肖 欣，何時有，張 寧

（1.中國電建集團(tuán)海外投資有限公司，北京 100048；2.北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，北京 100044）

英國電力市場是世界上少數(shù)私有化以及自由化程度較高的市場，經(jīng)歷了20世紀(jì)90年代初電力庫（Power Pool）、2001年新電力交易制度（NETA）、2005年電力交易和輸電制度（BETTA）以及目前正在推進(jìn)的電力市場改革新方案（EMR）等4個主要模式。英國未來電力市場中，約有1／5的發(fā)電設(shè)施，特別是老舊核電站和污染嚴(yán)重的燃煤電站將被陸續(xù)關(guān)閉；同時大規(guī)模間歇性強(qiáng)的可再生能源將并網(wǎng)發(fā)電［1］。為了確保獲得可靠、清潔和經(jīng)濟(jì)的電力能源，英國新一輪電力市場改革計劃引入了容量市場和差價合同兩大主要機(jī)制，以保障供電可靠性，減少發(fā)電商面臨長期電價波動的風(fēng)險，從而促進(jìn)低碳電力的投資。

縱觀各國電力市場改革，順利進(jìn)行市場化改革的必要前提始終是維護(hù)電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，可靠性問題得不到合適的處理會直接給電力系統(tǒng)和電力市場帶來影響，最典型的例子就是美國加州電力市場的危機(jī)［2］。在市場化條件下，發(fā)電商來自不同利益體，可靠性作為給買賣雙方帶來經(jīng)濟(jì)利益的一種手段［3］，需要用市場經(jīng)濟(jì)的手段來運(yùn)營容量市場，使其既能滿足可靠性要求，又能在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)利益體最優(yōu)。而英國容量市場基于系統(tǒng)高峰用電負(fù)荷的預(yù)測來確定系統(tǒng)所需要的可靠性容量規(guī)模［4］，給予調(diào)峰機(jī)組等可靠容量以可預(yù)見的經(jīng)濟(jì)收益，從而保證電力系統(tǒng)的安全性、經(jīng)濟(jì)性和提高電能質(zhì)量［5］，降低電力供應(yīng)短缺的風(fēng)險。除英國外，許多國家已將電力容量交易從電量交易市場中分離出來，建立了與電量市場并行的容量市場［6-7］。

電力市場下的最優(yōu)容量配置決策方案在考慮可靠性因素的同時，還需兼顧系統(tǒng)中各方的經(jīng)濟(jì)利益。文獻(xiàn)［8-9］將經(jīng)濟(jì)學(xué)中的成本-效益分析方法融入到機(jī)組組合模型中，提出了系統(tǒng)最佳開機(jī)臺數(shù)的確定原則以及根據(jù)備用容量邊際機(jī)會成本確定備用電價的思想；文獻(xiàn)［10-11］提出彈性備用需求的概念，通過分析購買備用成本和系統(tǒng)可靠性效益，來確定系統(tǒng)的最優(yōu)備用容量，并在備用競價過程中確定中標(biāo)的發(fā)電廠商，形成了各種容量市場聯(lián)合調(diào)度的數(shù)學(xué)模型，這對容量市場競價模式研究工作進(jìn)行了有益開拓；文獻(xiàn)［12］基于消費(fèi)者剩余理論，提出了基于需求彈性、可靠性水平、備用成本的市場平衡點最優(yōu)電力備用需求與備用定價模型。

1 低碳電力發(fā)展對容量市場的需求

1.1 引入可再生能源的不確定性

發(fā)展低碳電力最主要的內(nèi)容就是引入可再生能源。從近20年來英國電源的發(fā)展來看，市場缺乏穩(wěn)定的價格，未能為低碳電力的投資釋放具有吸引力的價格信號，導(dǎo)致現(xiàn)行的市場機(jī)制更適宜于投資相對較低的燃煤和燃?xì)鈾C(jī)組的發(fā)展［13］。

同時，英國電網(wǎng)中風(fēng)電已占有相當(dāng)?shù)谋壤?4］。大部分的可再生能源發(fā)電功率隨機(jī)性較大，不能像火電等一樣可以通過調(diào)節(jié)汽輪機(jī)主汽門來控制出力，目前，大多數(shù)風(fēng)電機(jī)組還不具備抑制功率波動的功能，其發(fā)電出力具有較強(qiáng)的隨機(jī)波動性；可再生能源發(fā)電功率預(yù)測的精度依賴于風(fēng)速、光強(qiáng)等預(yù)測的精度，其預(yù)測的時空分辨率較低，不能滿足發(fā)電功率預(yù)測所需的高時空分辨率要求，且受到預(yù)測算法技術(shù)的限制，如目前開發(fā)出的風(fēng)電場出力短期預(yù)測系統(tǒng)的精度都在10%以內(nèi)，預(yù)測精度較低。如果新增可再生能源發(fā)電機(jī)組，為保障系統(tǒng)穩(wěn)定，必須增加一個輔助并具有連續(xù)穩(wěn)定出力特性的容量機(jī)組與它聯(lián)合運(yùn)行，才能保持任何時刻電力和電量的平衡。

1.2 對容量資源需求的影響因素

美國加州電力市場危機(jī)之后，業(yè)界普遍認(rèn)為危機(jī)產(chǎn)生的主要因素之一是未能保證系統(tǒng)發(fā)電容量的可靠性和充裕度。電力容量資源需求的影響因素主要有①系統(tǒng)可靠性和安全性的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；②在線運(yùn)行機(jī)組的最大、最小出力和爬坡速率、啟停時間等技術(shù)約束；③在線運(yùn)行機(jī)組的可靠性統(tǒng)計數(shù)據(jù)；④容量市場的市場機(jī)制與交易規(guī)則；⑤參與容量市場的機(jī)組的成本特性；⑥電力負(fù)荷預(yù)測的誤差及負(fù)荷的波動性；⑦用戶的可靠性需求等。

系統(tǒng)內(nèi)備用容量越大，可靠性就越高，但是相應(yīng)的容量成本也越高，所以，應(yīng)該在可靠性水平和容量成本之間通過定量分析求取最優(yōu)容量。目前，一般采用的方法是通過電量不足期望值（EENS）和單位停電損失（VOLL）這2個指標(biāo)計算出備用的可靠性效益，將可靠性指標(biāo)轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。利用隨機(jī)生產(chǎn)模擬技術(shù)可以得到系統(tǒng)的EENS。

2 容量市場的成本效益與配置機(jī)制

2.1 容量資源的成本分析

對于電廠而言，容量成本分為固定和可變部分，固定部分包括固定資產(chǎn)折舊、固定修理費(fèi)、工資、福利、勞保、住房基金、保險、材料等費(fèi)用；容量成本可變部分以可變修理費(fèi)為主。電量成本主要包括燃料、水和灰渣處理費(fèi)用。

容量市場存在競爭，提供容量服務(wù)的機(jī)組需要在容量市場中選擇提供容量的類型及其時段、規(guī)模、報價。發(fā)電機(jī)組參加容量市場會減少本可以參加的電量市場的發(fā)電量，減少該時段在電量市場的收益，這部分收益為機(jī)會成本。電力市場競爭的存在使得成本低、效率高的發(fā)電機(jī)組在電量市場競價中占得優(yōu)勢，而成本高、效率低的發(fā)電機(jī)組則被留在容量市場中，從而造成容量價格要比電量價格高。

2.2 容量資源的效益分析

容量資源的效益可以從發(fā)電公司、電網(wǎng)公司和全社會3個角度進(jìn)行分析。

從發(fā)電公司角度看，作為一個獨(dú)立盈利部門的發(fā)電商，如果在容量市場中以合理的價格拍賣中標(biāo)，則其提供容量就能得到收益。

從電網(wǎng)公司角度看，當(dāng)發(fā)生供電不足或停電事故時，系統(tǒng)調(diào)度進(jìn)行應(yīng)急處理，啟用成本較高的備用容量資源，而付出相比于電量資源更多的成本。一些對用電可靠度要求高的電力用戶會向電網(wǎng)公司支付高可靠性電費(fèi)，但如果供電不足而被迫中斷這部分用戶的供電，則電網(wǎng)公司需要支付賠償。

從全社會效益這個宏觀角度來看，配置容量資源后，系統(tǒng)的可靠性水平會得到提高，滿足系統(tǒng)最高負(fù)荷的能力增強(qiáng)，電量不足期望值EENS降低，從而使全社會用戶停電的總成本降低；但如果系統(tǒng)購買的容量過多，不但會使容量閑置，還增加了不必要的支出，不經(jīng)濟(jì)。因此，在確定最優(yōu)容量時，需要同時考慮容量的購買費(fèi)用及其所創(chuàng)造的效益。

2.3 最優(yōu)容量的配置機(jī)制

英國容量市場是在現(xiàn)有的電量市場外單獨(dú)設(shè)置的，發(fā)電商可同時在這2個市場操作，提供容量和電量都可收費(fèi)［15］。容量市場的供應(yīng)方包括準(zhǔn)備投資發(fā)電項目的投資者、市場現(xiàn)有發(fā)電商以及其他形式的容量資源提供者。市場型容量機(jī)制由政府指定機(jī)構(gòu)或售電商作為購買方，交易方式為集中競價或雙邊交易，并可采用物理交易或金融性的容量期貨權(quán)交易。

電量市場目標(biāo)值是滿足最大負(fù)荷預(yù)測值，而容量市場目標(biāo)值，應(yīng)是滿足系統(tǒng)可靠性和經(jīng)濟(jì)性平衡的最優(yōu)容量?？煽啃詷?biāo)準(zhǔn)反映了系統(tǒng)的供電安全性水平，是每次容量拍賣中構(gòu)建電力需求曲線的基準(zhǔn)。基于成本-效益分析，最優(yōu)容量的配置機(jī)制如圖1所示。

圖1 最優(yōu)容量配置示意Figure 1 Schematic diagram of optimal capacity

購買費(fèi)用隨著容量增加是一個增函數(shù)，而系統(tǒng)停電損失隨著容量增加是一個減函數(shù)。開始購買時，系統(tǒng)停電損失減少量ΔEENSR1通常大于購買容量費(fèi)用增量ΔCR1；隨著購買過程的進(jìn)行，二者之間的差距越來越??；在某容量點（圖1中R3），社會停電損失減少量ΔEENSR3約等于購買費(fèi)用增量ΔCR3，此時的R3即為最優(yōu)容量R＊。

3 容量市場的社會效益模型

3.1 目標(biāo)函數(shù)

市場型容量機(jī)制中，以購買容量的凈社會效益最大為目標(biāo)函數(shù)，通過這個指標(biāo)可以有效地確定備用容量問題。

1）備用容量的社會效益。

式中 Bj，t為t時段系統(tǒng)狀態(tài)j下購買容量的社會效益；VOLL為供電范圍內(nèi)單位停電損失；，EENSj，t分別為t時段系統(tǒng)狀態(tài)j下配置備用容量前、后的電量不足期望值。

2）備用容量的購買成本。

式中 Cr，t為t時段的容量購買成本；γi，t為t時段機(jī)組i的容量出清價格；Ri，t為t時段機(jī)組i的備用容量；M為參與容量市場交易的機(jī)組集合。

3）備用容量的凈社會效益，即目標(biāo)函數(shù)為

3.2 約束條件

1）單機(jī)備用容量約束。

式中 Ri，min，Ri，max分別為機(jī)組i能提供的最小、最大備用容量。

2）爬坡速率約束。

式中 ramp＿upi為機(jī)組i的最大爬坡出力。

4 案例分析

10臺機(jī)組在電量市場的調(diào)用順序和容量市場的出清結(jié)果［16］如表1所示，年最大負(fù)荷為3 200MW，負(fù)荷預(yù)測某日的最大負(fù)荷為2 600MW（假定每次只有1臺機(jī)組故障，不考慮多個機(jī)組同時故障狀態(tài)）。

表1 10臺機(jī)組在電量市場調(diào)用順序和容量市場出清結(jié)果Table 1 10Generator units calling sequence in energy market and clearing results in capacity market

1）備用容量尋優(yōu)。

根據(jù)數(shù)據(jù)，可以模擬得到社會效益B、購買成本C、凈社會效益W與備用容量R的關(guān)系，如圖2所示，備用容量越高，社會效益越高，容量成本也越高，凈社會效益受到了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性因素和可靠性因素的雙重牽制，二者動態(tài)平衡，最終實現(xiàn)協(xié)同最優(yōu)。由式（3）可知，當(dāng)容量市場的配置目標(biāo)值R=340時，系統(tǒng)凈社會效益W=62.48萬元，取值最大。

圖2 備用容量與社會效益關(guān)系Figure 2 Relationship diagram of reserve capacity and its social benefits

2）尋優(yōu)方法比較。

傳統(tǒng)的備用容量確定方法基于單一故障安全準(zhǔn)則（“N-1”原則），采用最大負(fù)荷的一定比例以及最大單機(jī)容量等方法確定備用容量，這類方法簡單，易于應(yīng)用，但沒有考慮備用的成本價格與用戶的需求。該算例通過不同方法計算備用容量，比較情況如表2所示，該算例系統(tǒng)以凈社會效益最大化方法計算最經(jīng)濟(jì)，以最大單機(jī)容量方法計算的系統(tǒng)可靠性最高。因此，以凈社會效益最大化方法確定備用容量，可以實現(xiàn)可靠性和經(jīng)濟(jì)性的協(xié)同最優(yōu)。

表2 備用容量尋優(yōu)結(jié)果比較Table 2 Comparison of optimization results of reserve capacity

5 結(jié)語

1）英國基于對本國未來電力發(fā)展的研判，提出了促進(jìn)低碳電力和吸引投資的容量市場機(jī)制，而容量市場的最優(yōu)容量的配置需要以系統(tǒng)可靠性和經(jīng)濟(jì)性綜合協(xié)同考慮，以社會效益最大的方式確定容量市場的最優(yōu)容量。

2）隨著中國可再生發(fā)電并網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，電力系統(tǒng)需要更多的備用容量來緩釋可再生能源引入帶來的不確定性，并引入市場機(jī)制來吸引、激勵容量資源的投資、建設(shè)和運(yùn)營，并使容量資源得到高效利用。

3）英國提出的容量市場釋放了長期穩(wěn)定的價格信號，以吸引國內(nèi)外的投資。面對中國國內(nèi)日趨穩(wěn)定的電力增長，投資人可將目光投放至境外電力市場中，在把握市場機(jī)制的基礎(chǔ)上，穩(wěn)妥進(jìn)行海外電力投資，以改善傳統(tǒng)電力企業(yè)的盈利結(jié)構(gòu)。

［1］冷媛，陳政，歐鵬，等.英國最新電力市場改革法案解讀及對中國的啟示［J］.中國能源，2014，36（4）：12-15.LENG Yuan，CHEN Zheng，OU Peng，et al.Study on the new electric power market reform Act of UK and its enlightenment［J］.Energy of China，2014，36（4）：12-15.

［2］文福拴，David A K.加州電力市場失敗的教訓(xùn)［J］.電力系統(tǒng)自動化，2001，25（5）：1-5.WEN Fu-shuan，David A K.Lessons from electricity market failure in California［J］.Automation of Electric Power Systems，2001，25（5）：1-5.

［3］丁明，安玲，齊先軍.電力市場環(huán)境下考慮系統(tǒng)可靠性的備用調(diào)度［J］.繼電器，2007，35（15）：14-17.DING Ming，AN Ling，QI Xian-jun.Reserve dispatch considering system reliability in electricity market environment［J］.Relay，2007，35（15）：14-17.

［4］曾鳴，向紅偉，劉曉立，等.英國電力容量機(jī)制改革思路及其啟示［J］.華東電力，2013，41（9）：1 937-1 940.ZENG Ming，XIANG Hong-wei，LIU Xiao-li，et al.Electricity capacity mechanism reform in the UK and its implications to China［J］.East China Electric Power，2013，41（9）：1 937-1 940.

［5］周渝慧.中國電力工業(yè)管理體制改革成就與方向［J］.中國能源，2011，33（11）：6-11.ZHOU Yu-hui.Achievement and orientation of China electric power industry management system reform［J］.Energy of China，2011，33（11）：6-11.

［6］Alvey T，Goodwin D，Ma X W，et al.A security-constrained bid-clearing system for the New Zealand wholesale electricity market［J］.IEEE Transactions on Power Systems，1998，13（2）：340-346.

［7］Danai B，Kim J，Cohen A I，et al.Scheduling energy and ancillary service in the new Ontario electricity market［C］.22nd IEEE Power Engineering Society International Conference on Power Industry Computer Applications，Sydney，NSW，Australia，2001.

［8］O rtega-Vazquez M A，Kirschen D S.Optimizing the spinning reserve requirements using a cost／benefit analysis［J］.IEEE Transactions on Power Systems，2007，22（1）：24-33.

［9］張國全，王秀麗，王錫凡.電力市場中旋轉(zhuǎn)備用的效益和成本分 析［J］.電力系統(tǒng)自 動 化，2000，24（10）：14-18.ZHANG Guo-quan，WANG Xiu-li，WANG Xi-fan.Study on benefits and costs of spinning reserve capacity in power market［J］.Automation of Electric Power Systems，2000，24（10）：14-18.

［10］Arroyo J M，Conejo A J.Optimal response of a power generator to energy，AGC，and reserve pool-based markets［J］.IEEE Transactions on Power Systems，2002，17（2）：404-410.

［11］王建學(xué)，王錫凡，張顯，等.電力容量市場的競價模型［J］.電力系統(tǒng)自動化，2003，27（2）：7-11.WANG Jian-xue，WANG Xi-fan，ZHANG Xian，et al.Bidding model of reserve capacity in electricity market［J］.Automation of Electric Power Systems，2003，27（2）：7-11.

［12］何永秀，黃文杰，譚忠富，等.電力容量市場化運(yùn)營需求研究［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2004，24（3）：46-50.HE Yong-xiu，HUANG Wen-jie，TAN Zhong-fu，et al.A study on demand of electricity reserve market in marketing operation［J］.Proceedings of CSEE，2004，24（3）：46-50.

［13］郭磊.英國新一輪電力市場化改革分析與啟示［J］.管理觀察，2013（28）：33-34.GUO Lei.Analysis and orientation of the new UK's electric power market reform［J］.Management Observer，2013（28）：33-34.

［14］馬志博，劉友波.英國風(fēng)電發(fā)展及其調(diào)度概述［J］.電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報，2011，26（1）：53-59.MA Zhi-bo，LIU You-bo.Review of wind power development and dispatching experience in the UK［J］.Journal of Electric Power Science And Technology，2011，26（1）：53-59.

［15］王秀麗，劉春陽.英國低碳化電力市場改革方案初析［J］.電力系統(tǒng)自動化，2014，38（13）：10-17.WANG Xiu-li，LIU Chun-yang.Preliminary analysis of UK low carbon electricity market reform［J］.Automation of Electric Power Systems，2014，38（13）：10-17.

［16］劉觀起，李倩影，呂琦.基于社會效益的備用容量優(yōu)化分配［J］.電力科學(xué)與工程，2010，26（10）：12-16.LIU Guan-qi，LI Qian-ying，LV Qi.Reserve capacity optimal allocation based on social benefit［J］.Electric Power Science and Engineering，2010，26（10）：12-16.