陳藝華，張 煒，張成剛，烏鵬濤

（國網(wǎng)陜西省電力公司，陜西省西安市 710048）

0 引言

近年來，以風電和光伏為主的清潔能源在中國迅速發(fā)展［1-2］。風電、光伏的裝機容量均已位列世界第一。截至2020 年底，中國新能源裝機容量為535 GW，占比已達24.31%。中國向全球承諾，二氧化碳排放量爭取于2030 年前達到峰值，努力爭取在2060 年前實現(xiàn)碳中和［3］。為達成此目標，在后續(xù)相當長一段時間內(nèi)，中國均會大力推進新能源的并網(wǎng)。到2030 年，中國非化石能源占一次能源消費比重將達到25%左右，風電、太陽能總裝機容量將達到1200 GW 以上［3］。最大化消納新能源將是電網(wǎng)運行長期面臨的一項艱巨任務(wù)，也是未來電力現(xiàn)貨市場的核心目標［4］。建立網(wǎng)源協(xié)調(diào)機制，充分挖掘潛力，優(yōu)化市場規(guī)則，提升消納能力，是適應(yīng)新能源快速發(fā)展形勢亟待解決的問題。

新能源消納不能僅局限于本省范圍，一方面是由于各省自身能力有限，另一方面，中國各區(qū)域、各省的資源分布、裝機、負荷特性存在一定的差異及互補性，互相配合，協(xié)同消納潛力巨大。在促進新能源消納方面，電能市場與輔助服務(wù)市場雖然交易標的物不同，但都是有效手段。在現(xiàn)貨市場尚未全面開展的情況下，為解決新能源消納難題，西北區(qū)域調(diào)峰輔助服務(wù)市場率先建立，自2018 年11 月28 日開始試運行。2020 年西北區(qū)域調(diào)峰輔助服務(wù)市場累計出清352 天，占全部天數(shù)的96.2%。通過省間調(diào)峰交易增發(fā)新能源5 380 GW·h，新能源利用率提升3%。在區(qū)域省間調(diào)峰輔助服務(wù)市場基礎(chǔ)上，各省也紛紛建立了省內(nèi)調(diào)峰輔助服務(wù)市場，有效利用省內(nèi)調(diào)峰資源。2020 年西北區(qū)域省間、省內(nèi)兩級調(diào)峰輔助服務(wù)市場共計增發(fā)新能源10 445 GW·h，補償費用26 億元，在新能源消納方面發(fā)揮了巨大作用。但市場建設(shè)周期短，機制在運行過程中尚有部分功能存在改進空間。此外，省間、省內(nèi)兩級市場交叉運行，由此產(chǎn)生的市場銜接及運營管理問題需要提升。

新能源消納及電力市場建設(shè)是近年來電網(wǎng)運行面臨的重大問題，許多學者針對電網(wǎng)調(diào)峰、現(xiàn)貨市場設(shè)計等方面進行了深入研究。新能源的高滲透率和冬季供熱機組的供熱約束是導致電網(wǎng)調(diào)峰問題的主要因素，文獻［5-6］對其影響進行了深入分析。文獻［7］利用網(wǎng)省兩級電網(wǎng)的負荷和電源互補性來提升調(diào)峰能力。文獻［8］提出了熱電聯(lián)產(chǎn)機組參與調(diào)峰的新模式。在調(diào)峰機制設(shè)計方面，許多學者對區(qū)域或省級電網(wǎng)的調(diào)峰需求［9］、調(diào)節(jié)模式［10-13］、調(diào)峰效果［14-15］方面進行了討論。在現(xiàn)貨市場機制建設(shè)方面，文獻［16-18］總結(jié)了國外現(xiàn)貨市場特點，并提出了中國的建設(shè)思路。文獻［19］研究了富余可再生能源跨區(qū)現(xiàn)貨交易的方式。文獻［20］對現(xiàn)貨市場的增量優(yōu)化與全電量優(yōu)化模式進行了比較。文獻［21］研究了考慮多日機組組合的日前市場出清策略。上述研究對現(xiàn)貨電能市場和省級調(diào)峰輔助服務(wù)市場建設(shè)提供了有益的參考。但針對中國區(qū)域市場現(xiàn)狀所開展的兩級現(xiàn)貨市場方面的研究還不充分。

伴隨著中國電力市場建設(shè)進程的不斷加快，已有部分省份開始試點省級現(xiàn)貨市場?，F(xiàn)貨市場在實現(xiàn)電能價格發(fā)現(xiàn)、幫助新能源消納的同時，也應(yīng)當與輔助服務(wù)市場協(xié)同建設(shè)，實現(xiàn)省間與省內(nèi)市場、電能與輔助服務(wù)市場、日前與實時市場等多維度、多層次的深度統(tǒng)籌，有效利用市場信息，提高市場運行效率。本文在分析西北區(qū)域省間調(diào)峰輔助服務(wù)市場現(xiàn)有運行機制存在問題的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了基于最大化消納新能源的省間、省內(nèi)兩級電力現(xiàn)貨市場協(xié)調(diào)運行機制。并針對西北區(qū)域電網(wǎng)實際系統(tǒng)進行算例仿真，驗證了所提機制的正確性和有效性。

1 現(xiàn)有兩級調(diào)峰輔助服務(wù)市場協(xié)調(diào)存在的問題

西北區(qū)域省間調(diào)峰輔助服務(wù)市場是由國家電網(wǎng)西北分部組織陜、甘、青、寧、新五?。▍^(qū)）電力公司共同參與，依托各省省內(nèi)調(diào)峰輔助服務(wù)市場，搭建形成的區(qū)域內(nèi)調(diào)峰資源省間交易平臺。區(qū)域省間調(diào)峰輔助服務(wù)市場可以實現(xiàn)西北五?。▍^(qū)）的調(diào)峰資源與調(diào)峰需求的區(qū)域內(nèi)優(yōu)化配置，有效提高新能源的消納能力。

省間調(diào)峰輔助服務(wù)市場的調(diào)峰資源提供方為西北調(diào)控分中心在各省的直調(diào)火電機組。調(diào)峰需求方為存在新能源消納困難的西北五?。▍^(qū)）網(wǎng)內(nèi)的新能源場站，市場初期由省級調(diào)控中心代理各新能源場站提報調(diào)峰需求。各省調(diào)預(yù)測本省有調(diào)峰需求時，首先啟動省內(nèi)調(diào)峰輔助服務(wù)市場，如果仍無法消納本省新能源，則提交跨省調(diào)峰需求至省間調(diào)峰輔助服務(wù)市場，尋求鄰省調(diào)峰資源支持，由西北分中心組織其直調(diào)火電機組完成省間調(diào)峰輔助服務(wù)市場出清。通過省內(nèi)與省間兩級調(diào)峰輔助服務(wù)市場，實現(xiàn)區(qū)域調(diào)峰資源共享及充分利用。

省間調(diào)峰輔助服務(wù)市場出清結(jié)果通過省間聯(lián)絡(luò)線曲線、機組發(fā)電曲線下達，省內(nèi)調(diào)峰輔助服務(wù)市場出清結(jié)果通過機組發(fā)電曲線下達。

在兩級市場中，西北調(diào)控分中心直調(diào)火電機組在參與省內(nèi)調(diào)峰輔助服務(wù)市場的同時也參與省間調(diào)峰輔助服務(wù)市場。為保證省內(nèi)調(diào)峰資源優(yōu)先為本省所用，避免出現(xiàn)省內(nèi)棄電的同時又在消納省外新能源的情況，落實新能源消納“先省內(nèi)、后省外”主體責任，各省調(diào)可基于預(yù)測數(shù)據(jù)在日前及日內(nèi)環(huán)節(jié)提出本省分中心直調(diào)機組的調(diào)峰容量占用，被申請占用的調(diào)峰容量將被預(yù)留來參與省內(nèi)調(diào)峰輔助服務(wù)市場而不再參與省間調(diào)峰輔助服務(wù)市場。省間調(diào)峰輔助服務(wù)市場運行流程如圖1 所示。

省間調(diào)峰輔助服務(wù)市場的占用機制保證了參與省間調(diào)峰的分中心直調(diào)機組優(yōu)先參與省內(nèi)調(diào)峰。但省調(diào)在日前或日內(nèi)環(huán)節(jié)提交的調(diào)峰容量占用可能由于新能源出力預(yù)測及負荷預(yù)測的偏差，在實時環(huán)節(jié)不再需要該調(diào)峰容量，但已被占用的這一部分調(diào)峰容量將不再參與省間調(diào)峰，無法為鄰省需求方利用，可能造成調(diào)峰資源的浪費。

圖1 省間調(diào)峰輔助服務(wù)市場運行流程Fig.1 Operation process of inter-provincial peak regulation auxiliary service market

當前機制保證了本省優(yōu)先、區(qū)域共享的調(diào)峰輔助服務(wù)市場運營原則，在優(yōu)先消納新能源方面做出了很大的貢獻。但也存在明顯的問題：①兩級市場銜接方式不夠優(yōu)化，為了保證“先省內(nèi)、后省外”的調(diào)峰資源利用次序，使用了人工干預(yù)的“調(diào)峰占用”措施。對機制的市場化運行產(chǎn)生了影響；②相應(yīng)調(diào)度機構(gòu)為最大化消納新能源，主動代理新能源，作為“調(diào)峰占用”的執(zhí)行者，未體現(xiàn)出新能源的市場主體作用；③“調(diào)峰占用”的核心目標是為了消納超出預(yù)測水平的新能源，部分情況下，由于預(yù)測偏差可能造成調(diào)峰資源的浪費，但機制中未設(shè)計新能源的擔責環(huán)節(jié)，造成責權(quán)界面不清；④當前機制可以適應(yīng)電網(wǎng)調(diào)峰缺口不大的情況，后期，隨著新能源投運規(guī)模的進一步擴大，電網(wǎng)調(diào)峰缺口將不斷增加，需要建立責權(quán)清晰的市場化規(guī)則，促進新能源企業(yè)通過市場化的方式為其預(yù)測偏差承擔責任。

以上以西北區(qū)域現(xiàn)行省間、省內(nèi)兩級調(diào)峰輔助服務(wù)市場運行實際為例，闡述了兩級市場協(xié)調(diào)運行的重要性。在一個完整的電力現(xiàn)貨市場中，省間與省內(nèi)市場、電能與輔助服務(wù)市場、日前與日內(nèi)市場的銜接協(xié)調(diào)將更為復雜，需要在市場設(shè)計環(huán)節(jié)，著眼關(guān)鍵細節(jié)，進行深入的研究和思考。

2 電力現(xiàn)貨市場協(xié)調(diào)運行機制設(shè)計

隨著中國電力市場建設(shè)進程的不斷推進，現(xiàn)貨市場將取代調(diào)度計劃成為保證電力平衡、促進新能源消納的平臺。

目前，中國電力現(xiàn)貨市場建設(shè)主要分為省間和省內(nèi)兩級市場，兩級市場均包含電能市場和輔助服務(wù)市場，按時間周期分為日前、日內(nèi)、實時市場［21］。如何實現(xiàn)電能市場與輔助服務(wù)市場的耦合搭建，省間市場與省內(nèi)市場協(xié)調(diào)配合，日前市場與日內(nèi)市場有序銜接，是電力現(xiàn)貨市場實踐中亟待解決的問題。

本文結(jié)合中國電網(wǎng)運行的實際情況以及現(xiàn)貨市場建設(shè)現(xiàn)狀，提煉出市場機制設(shè)計時應(yīng)參照的幾條原則：

1）省間市場出清結(jié)果，包括電能及輔助服務(wù)出清結(jié)果，作為省內(nèi)市場的邊界條件，按物理合同執(zhí)行，以便于省內(nèi)市場隨后得以順利出清。

2）省間市場基于本省電力電量平衡的預(yù)測結(jié)果開展，其交易結(jié)果作為省內(nèi)市場出清的邊界條件，時序上應(yīng)先于省內(nèi)市場［22］。

3）在電網(wǎng)阻塞普遍存在、新能源預(yù)測精度還需提高的現(xiàn)狀下，不具備中長期合約分解曲線作為物理合同執(zhí)行的條件，不宜采用分散式市場結(jié)構(gòu)模式。省內(nèi)現(xiàn)貨市場中電能市場采取集中式全電量競價出清模式［19］，中長期合約為金融合同并進行曲線分解，僅作為結(jié)算依據(jù)，不進行物理執(zhí)行，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)日前、日內(nèi)、實時市場出清結(jié)果，與中長期合約分解曲線進行偏差結(jié)算。

4）省內(nèi)輔助服務(wù)市場基于省內(nèi)電能市場出清結(jié)果開展，日前、日內(nèi)預(yù)出清，實時環(huán)節(jié)正式出清，根據(jù)實際執(zhí)行結(jié)果結(jié)算。

按照以上原則，確定了“先省間、后省內(nèi)”“先電能、后輔助服務(wù)”的現(xiàn)貨市場交易次序。當然，現(xiàn)貨交易的開展是基于對本省電力、電量平衡狀況的預(yù)測，在交易開展過程中，還需要根據(jù)預(yù)測多次反復迭代、精確協(xié)調(diào)統(tǒng)籌，最終達到社會價值最大化的目標。

2.1 市場運行方式

2.1.1 市場運行流程

現(xiàn)貨市場中電能市場與調(diào)峰輔助服務(wù)市場運行流程如圖2 所示，電能市場與調(diào)峰輔助服務(wù)市場、省間與省內(nèi)市場在多個環(huán)節(jié)相互耦合。

1）日前市場

圖2 電能市場與調(diào)峰輔助服務(wù)市場運行流程Fig.2 Operation process of energy market and peak regulation auxiliary service market

在市場運行流程及時序安排方面，日前環(huán)節(jié)，省間、省內(nèi)電能市場與輔助服務(wù)市場協(xié)調(diào)配合、逐步遞進，實現(xiàn)新能源最大程度消納。首先，市場參與的發(fā)電機組（火電及新能源機組）申報報價信息，新能源企業(yè)申報出力預(yù)測。新能源與火電機組同等參與市場競價出清，不設(shè)定優(yōu)先消納政策。隨后，省內(nèi)電能市場據(jù)此計算系統(tǒng)機組組合，安排次日開機方式，同時可根據(jù)計算的系統(tǒng)平衡結(jié)果判斷是否能夠?qū)崿F(xiàn)新能源的有效消納并預(yù)出清。電能市場預(yù)出清后，因系統(tǒng)下備用不足而導致的無法消納的新能源量即為系統(tǒng)調(diào)峰需求。如果存在無法消納的富余新能源，第1 步在省間電能市場提交電能交易需求，通過省間交易促進富余新能源的進一步消納。待市場出清后，第2 步根據(jù)交易結(jié)果重新核算省內(nèi)調(diào)峰需求并預(yù)出清。如無省間調(diào)峰需求，則可在預(yù)留省內(nèi)調(diào)峰需求的容量后，釋放省內(nèi)深度調(diào)峰機組的剩余調(diào)峰容量參與省間調(diào)峰市場，幫助鄰省進行新能源消納。在省間市場出清的調(diào)峰容量不會在省內(nèi)調(diào)峰輔助服務(wù)市場重復出清。如有省間調(diào)峰需求，則提交省間調(diào)峰申請，出清后，形成省間聯(lián)絡(luò)線曲線，作為省內(nèi)市場開展的邊界條件。第3 步，開展省內(nèi)電能市場。第4 步，開展省內(nèi)調(diào)峰市場。以上出清結(jié)果形成發(fā)電機組日前發(fā)電曲線。

2）日內(nèi)及實時市場

日內(nèi)、實時市場在時間尺度上更加貼近實際運行時刻Tr，時間窗口短，涉及環(huán)節(jié)多，緊密銜接才能實現(xiàn)電能、調(diào)峰資源的優(yōu)化配置。首先，在Tr?120時刻，更新新能源超短期預(yù)測、負荷預(yù)測，基于日前市場出清結(jié)果，計算Tr時刻的平衡情況，并進行省內(nèi)預(yù)出清。如存在無法消納的富余新能源，第1 步在省間電能市場提交交易需求。待市場出清后，第2 步在Tr?90 時刻再次測算本省調(diào)峰電力平衡，如有省間調(diào)峰需求，提交省間調(diào)峰申請，如有富余調(diào)峰資源，則釋放其參加跨省調(diào)峰輔助服務(wù)市場，幫助鄰省實施調(diào)峰。省間調(diào)峰市場出清后，形成省間聯(lián)絡(luò)線曲線，作為省內(nèi)現(xiàn)貨市場開展的邊界條件。第3步，Tr?60 時刻，對省內(nèi)電能市場進行出清。第4步，Tr?30 時刻，在以上各類出清的基礎(chǔ)上，對省內(nèi)調(diào)峰輔助服務(wù)進行出清，形成發(fā)電曲線下達機組執(zhí)行，完成日內(nèi)市場結(jié)果下達。第5 步，在實時環(huán)節(jié)，15 min 以內(nèi)，擇期開展1 次或2 次新能源應(yīng)急交易。市場具體運行流程如圖3 所示。

圖3 日內(nèi)及實時市場運行流程Fig.3 Operation process of intra-day and real-time markets

以上給出了電力現(xiàn)貨市場中省間電能交易、省間調(diào)峰交易、省內(nèi)電能交易、省內(nèi)調(diào)峰交易、實時應(yīng)急交易這5 個步驟的運行流程及節(jié)點任務(wù)。在不同節(jié)點，分別提供了不同的途徑來促進新能源最大化消納，通過對兩級市場的時序、交易類型進行耦合優(yōu)化，形成了清晰、有序的市場運行流程。

要全方位實現(xiàn)新能源的最大化消納，還需要建立相應(yīng)的配套規(guī)則，在配套規(guī)則的設(shè)計方面，需要考慮在各個步驟均能促進新能源消納。同時，還應(yīng)考慮新能源預(yù)測偏差的應(yīng)對機制，在電網(wǎng)消納空間允許的情況下，為不同周期超預(yù)測的新能源報價出清提供可能性，做到新能源消納度電必爭。配套規(guī)則中，應(yīng)特別做好新能源電價體系的設(shè)計，引導新能源企業(yè)不斷強化預(yù)測水平，提高新能源可控性，降低其隨機性、波動性對系統(tǒng)運行的影響。

2.1.2 市場交易品種協(xié)調(diào)配合

現(xiàn)貨市場中電能市場與調(diào)峰、調(diào)頻2 種輔助服務(wù)市場可能產(chǎn)生聯(lián)系，必須明確劃分不同交易品種的界線，以確保各類交易能夠清晰區(qū)分結(jié)算。同時，考慮到火電機組要承擔電網(wǎng)運行的轉(zhuǎn)動慣量，保證基礎(chǔ)出力，且在后續(xù)發(fā)展中，會長期利用小時偏低，為保證其長周期的安全可靠運行，設(shè)計市場機制時應(yīng)考慮保留調(diào)峰輔助服務(wù)市場，通過市場由新能源和負荷率較高的火電機組向參與深度調(diào)峰的火電進行一定補償，以滿足其良性發(fā)展需要。電能市場與調(diào)峰輔助服務(wù)市場區(qū)分以基準出力為線，根據(jù)系統(tǒng)運行需要劃定基礎(chǔ)調(diào)峰率，確定基準出力，高于基準出力的在電能市場出清，低于基準出力的，在輔助服務(wù)市場出清。調(diào)頻市場僅在實時環(huán)節(jié)出清，實時市場中三者出清先后順序為電能市場、調(diào)峰輔助服務(wù)市場、調(diào)頻市場，通過出清順序?qū)崿F(xiàn)3 種交易的精準區(qū)分，同時應(yīng)建立相應(yīng)的偏差處理規(guī)則，合理解決實際執(zhí)行結(jié)果與出清結(jié)果的偏差。

2.2 市場主體職責

省間、省內(nèi)兩級電力市場的設(shè)計、運行、管理、參與等不同環(huán)節(jié)涉及多方主體［21］，其中市場的總體建設(shè)目標與交易機制設(shè)計由政府部門確定，電網(wǎng)公司調(diào)控中心負責市場的組織與管理，發(fā)電企業(yè)按照市場規(guī)則參與交易，提供申報信息，服從調(diào)度機構(gòu)統(tǒng)一調(diào)度。

在市場運行中，調(diào)控中心保障系統(tǒng)供需平衡和電網(wǎng)安全，組織各市場成員按照市場規(guī)則有序參與市場交易，披露和發(fā)布規(guī)定的市場信息，校核電網(wǎng)安全邊際，監(jiān)測并執(zhí)行交易結(jié)果。省間電力市場由國調(diào)中心（區(qū)域分中心）負責組織和管理，省內(nèi)電力市場由省級電網(wǎng)公司調(diào)控中心負責組織和管理，各發(fā)電企業(yè)作為市場參與者直接在不同市場中申報交易需求。省間、省內(nèi)兩級市場耦合運行時，省級調(diào)控中心既作為省內(nèi)市場的管理者組織省內(nèi)發(fā)電企業(yè)參與交易，維護電網(wǎng)穩(wěn)定運行，同時負責統(tǒng)籌省內(nèi)發(fā)用電平衡情況，根據(jù)實際需求組織發(fā)電企業(yè)參與省間市場，通過省間交易進一步促進新能源的有效消納。

在兩級市場信息交互方面，國調(diào)中心（區(qū)域分中心）和省級調(diào)控中心具有不同的主體責任，需要相互協(xié)調(diào)配合完成市場銜接。省際聯(lián)絡(luò)線是省間交易在省級電網(wǎng)落地的傳遞媒介，省間交易將會改變聯(lián)絡(luò)線曲線，省際聯(lián)絡(luò)線曲線作為省內(nèi)電能市場的邊界條件，必須先確定，之后才能完成省內(nèi)現(xiàn)貨市場出清，所以在市場時序安排上，省間市場必須先于省內(nèi)市場出清。為了保證市場各環(huán)節(jié)的有序銜接，國調(diào)中心（區(qū)域分中心）應(yīng)考慮市場組織的時間、系統(tǒng)出清時間，在省間電能現(xiàn)貨交易及省間調(diào)峰輔助服務(wù)交易確認后及時下發(fā)聯(lián)絡(luò)線曲線?？紤]到多級聯(lián)動協(xié)調(diào)信息量大，省間交易出清結(jié)果可于D?2 日下達（其中D表示現(xiàn)貨市場運行日）。

參與市場交易的發(fā)電企業(yè)包含火電企業(yè)和新能源企業(yè)。2 類企業(yè)根據(jù)各自機組特性按照要求申報電能市場的報價信息，其中新能源企業(yè)還需申報出力預(yù)測作為其機組出力上限。為促進新能源健康有序發(fā)展，培養(yǎng)市場參與意識，賦予2 類企業(yè)相同的市場權(quán)利和職責，在市場報價和出清時不對新能源機組制定優(yōu)先消納政策。

2.3 新能源預(yù)測偏差處理

新能源出力的不確定性是電力現(xiàn)貨市場中的重要變量之一，一套最利于新能源消納的完整市場機制，必須包含新能源預(yù)測偏差處理規(guī)則，對新能源預(yù)測的準確率進行有效的管理，理清責權(quán)界面，為市場的有序開展打好基礎(chǔ)。

以日內(nèi)市場為例，Tr?120 和Tr?90 時刻分別提供了通過省間電能市場和省間調(diào)峰輔助服務(wù)市場消納本省富余新能源的途徑，出清結(jié)果通過省間聯(lián)絡(luò)線曲線下達；Tr?60 和Tr?30 時刻分別提供了通過省內(nèi)電能市場消納新能源的途徑，出清結(jié)果通過發(fā)電機組出力曲線下達。

上述每一個時刻點均需要更新新能源預(yù)測值，但各時刻點的交易組織不會重復，而是按序遞進。主要考慮到新能源特別是風電的短期波動性，市場運行的有序性及反復迭代影響系統(tǒng)效率，各環(huán)節(jié)無法消納的新能源僅考慮在本環(huán)節(jié)及之后的環(huán)節(jié)消納，預(yù)測偏差集中到實時應(yīng)急交易環(huán)節(jié)統(tǒng)一處理。

在理想的現(xiàn)貨市場中，新能源預(yù)測準確率較高，省間、省內(nèi)市場有足夠的消納能力，則通過以上4 個環(huán)節(jié)完全可以消納本省的新能源。但實際情況是新能源預(yù)測準確率還有待提高，偏差處理環(huán)節(jié)非常必要。如果4 個環(huán)節(jié)交易完成后，仍存在無法消納的新能源，在15 min 內(nèi)增加應(yīng)急交易，一方面實現(xiàn)最大化消納，另一方面對其預(yù)測偏差予以管理。按照省內(nèi)電能市場、省內(nèi)輔助服務(wù)市場、省間電能市場、省間輔助服務(wù)市場的次序出清，此時應(yīng)考慮以較低的電價開展交易，盡力促成交易達成，如果其交易不積極，應(yīng)采取強制出清方式，先行消納，事后低價結(jié)算。如果4 個環(huán)節(jié)交易完成后，新能源出力未達到預(yù)測值，造成電力供應(yīng)缺口，規(guī)則設(shè)計中應(yīng)考慮新能源以較高價格購電以補充其出力缺口，如果其不主動購電，則采取事后強制方式，令其強迫高價購電。

應(yīng)急交易規(guī)則的設(shè)計，主要還是考慮最大化利用市場空間增加消納量，同時對于新能源預(yù)測偏差通過電價規(guī)則進行一定懲罰。

2.4 機制設(shè)計特點

基于前文所述，本文建立的省間、省內(nèi)兩級電力現(xiàn)貨市場協(xié)調(diào)運行機制，包含日前、日內(nèi)及實時這3 個時間尺度，涉及電能和調(diào)峰輔助服務(wù)這2 類交易品種。對比現(xiàn)行方式，該機制在結(jié)合西北地區(qū)電網(wǎng)運行特點的基礎(chǔ)上，以電網(wǎng)電力平衡為基礎(chǔ)，以市場交易為手段，通過各環(huán)節(jié)間優(yōu)化配置，有序銜接，不僅可以很好地解決本文第1 章所述當前機制存在的4 點問題，還能夠促進新能源的最大化消納。與現(xiàn)行機制對比如下：

1）本文所提機制構(gòu)建了包含省間、省內(nèi)，日前、日內(nèi)、實時，電能市場與輔助服務(wù)市場的完整電力現(xiàn)貨市場的銜接協(xié)調(diào)運行機制，現(xiàn)行的市場僅有調(diào)峰輔助服務(wù)市場而未包含電能市場。

2）本文所提機制所有環(huán)節(jié)均通過市場方式運行，避免了人工主觀干預(yù)形式的“調(diào)峰占用”。

3）各新能源企業(yè)負責各自的市場報價，主動參與市場交易，體現(xiàn)其市場主體的權(quán)利。

4）本文所提機制設(shè)計了新能源的預(yù)測偏差處理方法，明晰了新能源作為市場參與者所應(yīng)承擔的權(quán)責。

5）本文所提機制預(yù)測偏差處理方案通過合理的獎懲機制可以促進新能源預(yù)測精度的提升。

3 現(xiàn)貨市場出清模型

以包含電能市場和調(diào)峰輔助服務(wù)市場的現(xiàn)貨市場為例給出市場出清模型。電能市場中，參與現(xiàn)貨市場的發(fā)電機組申報電能報價，市場以購電成本最小為目標，考慮斷面約束以及機組性能約束，構(gòu)建統(tǒng)一出清模型。調(diào)峰輔助服務(wù)市場中，具備調(diào)節(jié)能力的火電機組申報調(diào)峰報價，市場根據(jù)系統(tǒng)調(diào)峰需求，考慮斷面約束以及機組性能約束，構(gòu)建統(tǒng)一出清模型。

3.1 電能市場模型

3.1.1 電能市場模型目標函數(shù)

1）日前市場

單邊市場環(huán)境下，社會總價值最大即通過購電成本最小體現(xiàn)。本文以市場總購電成本最小為目標函數(shù)，因日前市場需要考慮機組開機情況，目標函數(shù)中考慮機組啟停成本，報價低的機組應(yīng)當優(yōu)先中標，具體數(shù)學模型如下：

式中：N為參與現(xiàn)貨市場的發(fā)電機組數(shù)量；M為機組報價總段數(shù)；T為總時段數(shù)；Pi，s，t為機組i在時段t的分段s的中標電力；Ci，s為機組i申報的分段s對應(yīng)的價格；為火電機組i的啟停成本；Ii，t為火電機組i在時段t的運行狀態(tài)（0-1 變量）。

2）日內(nèi)及實時市場

以市場總購電成本最小為目標函數(shù)，報價低的機組應(yīng)當優(yōu)先中標［23］，具體數(shù)學模型如下：

3.1.2 電能市場模型約束條件

1）負荷平衡約束

每個交易時段，應(yīng)保證系統(tǒng)負荷供需平衡：

式中：Dt為時段t的系統(tǒng)負荷需求。

2）機組運行約束

發(fā)電機組出力滿足其最大、最小技術(shù)出力：

式中：Pi，min和Pi，max分別為機組i的最小、最大技術(shù)出力。

3）火電機組爬坡率約束

火電機組在一個時段內(nèi)的出力增減量需要滿足機組的技術(shù)爬坡速率技術(shù)約束：

4）系統(tǒng)備用容量約束

各個時段的開機機組出力必須根據(jù)一定的備用比例滿足系統(tǒng)的正負備用約束：

5）傳輸斷面約束

對于時段t，在斷面f上流過的有功潮流應(yīng)不大于該斷面穩(wěn)定限額的上限值，不小于斷面穩(wěn)定限額的下限值：

3.1.3 電能市場模型應(yīng)用場景

根據(jù)第2 章所建立的兩級市場運行機制，在日前、日內(nèi)及實時市場環(huán)節(jié)中均需要進行省間、省內(nèi)的電能市場出清。省間與省內(nèi)市場所采用的出清模型相同，僅參與的機組信息及斷面邊界條件數(shù)據(jù)存在差異。日前環(huán)節(jié)電能市場需要確定機組開機情況，因此目標函數(shù)中需考慮機組啟停成本。模型目標函數(shù)為式（1），約束條件為式（3）—式（11）。日內(nèi)及實時市場，機組開機情況已確定，模型目標函數(shù)為式（2），約束條件為式（3）—式（9）。

3.2 調(diào)峰輔助服務(wù)市場模型

3.2.1 調(diào)峰輔助服務(wù)市場模型目標函數(shù)

交易中，電網(wǎng)作為調(diào)峰需求方不申報價格，市場價格即調(diào)峰機組提供調(diào)峰容量獲得的補償價格，因此以總調(diào)峰成本最小為目標［10］。報價低的機組應(yīng)當優(yōu)先中標，具體數(shù)學模型如下：

3.2.2 調(diào)峰輔助服務(wù)市場模型約束條件

1）調(diào)峰需求平衡約束

每個交易時段，應(yīng)保證市場總中標調(diào)峰容量與系統(tǒng)調(diào)峰需求平衡：

式中：Ut為時段t的系統(tǒng)調(diào)峰需求。

2）機組運行約束

根據(jù)各火電機組調(diào)峰能力，可得到其中標調(diào)峰容量應(yīng)不大于其最大深度調(diào)峰能力：

3）機組爬坡率約束

式（5）和式（6）所示機組爬坡率約束同樣適用于調(diào)峰輔助服務(wù)市場。

4）傳輸斷面約束

式（9）所示傳輸斷面約束同樣適用于調(diào)峰輔助服務(wù)市場。

3.2.3 調(diào)峰輔助服務(wù)市場模型應(yīng)用場景

根據(jù)第2 章所建立的兩級市場運行機制，在日前、日內(nèi)及實時市場環(huán)節(jié)中均需要進行省間、省內(nèi)的調(diào)峰輔助服務(wù)市場出清。其中，日前、日內(nèi)及實時市場所采用的出清模型及數(shù)據(jù)形式均相同；省間與省內(nèi)市場所采用的出清模型相同，僅參與的機組信息及斷面邊界條件數(shù)據(jù)存在差異。

4 算例分析

本文以陜西省2020 年6 月夏季典型日的電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)為研究對象，基于本文建立的兩級電力市場機制，分析省間與省內(nèi)市場、電能與調(diào)峰輔助服務(wù)市場如何相互協(xié)調(diào)配合實現(xiàn)新能源最大化消納。

省級現(xiàn)貨市場參與的火電機組容量為18 000 MW，風電機組最大出力為1 500 MW，光伏電站最大出力為3 000 MW。系統(tǒng)96 點負荷曲線如圖4 所示。省內(nèi)火電機組可提供的深度調(diào)峰容量為650 MW。由于日前市場與日內(nèi)市場運行流程相似，本算例以日內(nèi)市場為例進行仿真計算驗證。

圖4 負荷曲線Fig.4 Load curve

1）模式1：兩級市場協(xié)調(diào)配合

根據(jù)市場運行流程，首先在Tr?120 時刻進行系統(tǒng)電力平衡計算，由平衡結(jié)果可得到系統(tǒng)Tr時刻無法消納的新能源富余電力（對24 h 市場運行結(jié)果進行分析），如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)富余新能源Fig.5 Surplus renewable energy of system

由圖5 可見，凌晨02：15—05：30、中午11：00—16：00 系統(tǒng)下備用不足，存在無法消納的富余新能源。按照市場交易流程，針對上述時段申請省間電能現(xiàn)貨交易。交易結(jié)果如表1 所示。

表1 省間電能現(xiàn)貨交易Table 1 Inter-provincial energy spot trading

開展省間電能現(xiàn)貨交易之后，省內(nèi)仍有部分時段的新能源無法消納，按照市場交易流程應(yīng)當隨后開展省間調(diào)峰輔助。申請調(diào)峰需求前，應(yīng)當根據(jù)省間電能市場交易結(jié)果以及省內(nèi)機組深度調(diào)峰能力核算調(diào)峰容量缺額，據(jù)此在Tr?90 時刻前申請省間調(diào)峰輔助服務(wù)。其中省內(nèi)機組最大調(diào)峰容量為650 MW。根據(jù)核算，在03：30—4：30、12：15—14：00 等新能源大發(fā)時段，系統(tǒng)仍存在省間調(diào)峰需求。根據(jù)兩級市場交易流程，申請跨省調(diào)峰支援。通過省間調(diào)峰輔助服務(wù)市場交易，鄰省可提供的調(diào)峰容量最大為290 MW，省內(nèi)剩余的富余新能源得到有效消納。同時，對于除03：30—04：30、12：15—14：00 之外的其他時段，省內(nèi)調(diào)峰容量在滿足本省需求外仍存在調(diào)峰空間，有調(diào)峰裕度的深度調(diào)峰機組可以參與省間調(diào)峰輔助服務(wù)市場，為鄰省新能源消納提供支撐。

省間調(diào)峰輔助服務(wù)市場出清后，分中心下發(fā)省際聯(lián)絡(luò)線，作為省內(nèi)電能市場出清的邊界條件。隨后，在Tr?60 時刻省內(nèi)電能市場出清，確定機組出力。由省內(nèi)電能市場計算的電力平衡結(jié)果可以確定無法消納的富余新能源電量，根據(jù)這一結(jié)果在Tr?30 時刻啟動省內(nèi)調(diào)峰輔助服務(wù)市場，進行深度調(diào)峰，市場出清結(jié)果見附錄A 圖A1。

經(jīng)過上述兩級市場各項交易流程，省內(nèi)全部富余新能源在日內(nèi)市場環(huán)節(jié)成功被消納，具體消納結(jié)果見附錄A 圖A2?？梢姼鶕?jù)本文構(gòu)建的省間、省內(nèi)兩級市場相互協(xié)調(diào)配合，通過多個市場在時序上的有效銜接，逐步實現(xiàn)了新能源的最大化消納。

日內(nèi)市場結(jié)束后，Tr?15 時刻再次更新新能源超短期預(yù)測出力，根據(jù)各市場出清結(jié)果再次校核系統(tǒng)電力平衡，如果新能源超短期預(yù)測出力較之前預(yù)測結(jié)果發(fā)生調(diào)整，偏差量將影響系統(tǒng)平衡和新能源消納。如果新能源出力較前期預(yù)測增加，將開啟應(yīng)急交易促進新能源消納。新能源超短期預(yù)測出力偏差及應(yīng)急交易結(jié)果見附錄A 圖A3。從圖中可以看出，03：45—04：30 及13：00—14：15 這2 個時段因為系統(tǒng)調(diào)峰手段用盡，已無法進一步消納新能源，將產(chǎn)生棄電。

2）模式2：兩級市場時序錯配

考慮兩級市場間按照非最優(yōu)的方式進行銜接的情況，第1 步開展省內(nèi)調(diào)峰輔助服務(wù)交易，第2 步開展省內(nèi)電能現(xiàn)貨交易，第3 步開展省間調(diào)峰輔助服務(wù)交易，第4 步開展省間電能現(xiàn)貨交易。

首先，進行省內(nèi)調(diào)峰輔助服務(wù)交易，交易結(jié)果見附錄A 圖A4。與模式1 中省內(nèi)調(diào)峰輔助服務(wù)市場交易結(jié)果（附錄A 圖A1）對比可見，市場出清電量在部分時段有所增加，因為在該場景中省內(nèi)調(diào)峰輔助服務(wù)為最先采用的手段。

下一步進行省內(nèi)電能現(xiàn)貨交易市場出清，確定各機組出力。隨后開展省間調(diào)峰輔助服務(wù)交易，出清結(jié)果見附錄A 圖A5，與模式1 的省間調(diào)峰輔助服務(wù)市場交易結(jié)果基本相同。此時，通過省內(nèi)調(diào)峰輔助服務(wù)市場與省間調(diào)峰輔助服務(wù)市場交易已完成全部富余新能源的消納，無需開展省間電能現(xiàn)貨交易。

經(jīng)過兩級多市場的遞次交易，富余新能源的消納結(jié)果見附錄A 圖A6。從圖中可見，由于首先開展省內(nèi)調(diào)峰輔助服務(wù)市場交易，當富余新能源小于省內(nèi)最大調(diào)峰容量（650 MW）時，可通過省內(nèi)機組調(diào)峰完成富余新能源的消納。其余時段無法消納的部分再進一步通過省間調(diào)峰輔助服務(wù)市場和省間電能現(xiàn)貨交易市場予以解決。對比2 種不同市場運行模式下的消納結(jié)果，可見模式2 將模式1 中的省間電能現(xiàn)貨交易量通過省內(nèi)調(diào)峰輔助服務(wù)予以消納。但深度調(diào)峰會提高火電機組運行費用，使得市場總體成本增加，社會福利減少，產(chǎn)生了能源資源的浪費。此外，模式2 中首先進行省內(nèi)交易再進行省間交易，省間交易完成后只是對省際聯(lián)絡(luò)線進行了修改，并未直接對應(yīng)到各機組出力，需要重新迭代省內(nèi)電能市場，增加市場銜接流程。

通過上述對不同兩級多市場不同時序方式下市場運行結(jié)果的模擬對比分析可見，不同的市場安排方式對電網(wǎng)運行會產(chǎn)生很大影響。本文建立的省間、省內(nèi)兩級電力市場協(xié)調(diào)運行機制可以實現(xiàn)各市場間的時序優(yōu)化銜接以及調(diào)峰資源的有效利用，實現(xiàn)新能源的最大化消納。

5 結(jié)語

本文基于中國新能源消納任務(wù)艱巨的發(fā)展趨勢，在分析西北區(qū)域現(xiàn)行兩級調(diào)峰輔助服務(wù)市場運行機制存在問題的基礎(chǔ)上，提出了未來區(qū)域電網(wǎng)省間、省內(nèi)兩級電力市場協(xié)調(diào)運行中的關(guān)鍵問題及解決措施，建立了以最大化消納新能源為目標的市場間優(yōu)化協(xié)調(diào)機制。通過某省級電力市場實際運行數(shù)據(jù)，對本文提出的兩級市場協(xié)調(diào)機制進行了模擬計算和對比分析，驗證了設(shè)計機制的有效性。對中國以新能源最大化消納為目標的電力現(xiàn)貨市場機制設(shè)計有參考和指導意義。

本文結(jié)合中國當前電力市場發(fā)展情況，對電能市場與輔助服務(wù)市場按照解耦出清考慮。在此基礎(chǔ)上，兩市場耦合出清并且引入用戶側(cè)參與市場是進一步的研究方向。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版（http：//www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx），掃英文摘要后二維碼可以閱讀網(wǎng)絡(luò)全文。