英國(guó)電力容量市場(chǎng)的成本效益分析與配置優(yōu)化機(jī)制研究

肖 欣，何時(shí)有，張 寧

（1.中國(guó)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(guó)電力市場(chǎng)是世界上少數(shù)私有化以及自由化程度較高的市場(chǎng)，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(chǎng)改革新方案（EMR）等4個(gè)主要模式。英國(guó)未來電力市場(chǎng)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(shí)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(guó)新一輪電力市場(chǎng)改革計(jì)劃引入了容量市場(chǎng)和差價(jià)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(zhǎng)期電價(jià)波動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)，從而促進(jìn)低碳電力的投資。

縱觀各國(guó)電力市場(chǎng)改革，順利進(jìn)行市場(chǎng)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(huì)直接給電力系統(tǒng)和電力市場(chǎng)帶來影響，最典型的例子就是美國(guó)加州電力市場(chǎng)的危機(jī)［2］。在市場(chǎng)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(chǎng)經(jīng)濟(jì)的手段來運(yùn)營(yíng)容量市場(chǎng)，使其既能滿足可靠性要求，又能在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)利益體最優(yōu)。而英國(guó)容量市場(chǎng)基于系統(tǒng)高峰用電負(fù)荷的預(yù)測(cè)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(xiǎn)。除英國(guó)外，許多國(guó)家已將電力容量交易從電量交易市場(chǎng)中分離出來，建立了與電量市場(chǎng)并行的容量市場(chǎng)［6-7］。

電力市場(chǎng)下的最優(yōu)容量配置決策方案在考慮可靠性因素的同時(shí)，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(tái)數(shù)的確定原則以及根據(jù)備用容量邊際機(jī)會(huì)成本確定備用電價(jià)的思想；文獻(xiàn)［10-11］提出彈性備用需求的概念，通過分析購(gòu)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(jìng)價(jià)過程中確定中標(biāo)的發(fā)電廠商，形成了各種容量市場(chǎng)聯(lián)合調(diào)度的數(shù)學(xué)模型，這對(duì)容量市場(chǎng)競(jìng)價(jià)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(chǎng)平衡點(diǎn)最優(yōu)電力備用需求與備用定價(jià)模型。

1 低碳電力發(fā)展對(duì)容量市場(chǎng)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(guó)電源的發(fā)展來看，市場(chǎng)缺乏穩(wěn)定的價(jià)格，未能為低碳電力的投資釋放具有吸引力的價(jià)格信號(hào)，導(dǎo)致現(xiàn)行的市場(chǎng)機(jī)制更適宜于投資相對(duì)較低的燃煤和燃?xì)鈾C(jī)組的發(fā)展［13］。

同時(shí)，英國(guó)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(dòng)的功能，其發(fā)電出力具有較強(qiáng)的隨機(jī)波動(dòng)性；可再生能源發(fā)電功率預(yù)測(cè)的精度依賴于風(fēng)速、光強(qiáng)等預(yù)測(cè)的精度，其預(yù)測(cè)的時(shí)空分辨率較低，不能滿足發(fā)電功率預(yù)測(cè)所需的高時(shí)空分辨率要求，且受到預(yù)測(cè)算法技術(shù)的限制，如目前開發(fā)出的風(fēng)電場(chǎng)出力短期預(yù)測(cè)系統(tǒng)的精度都在10%以內(nèi)，預(yù)測(cè)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(gè)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(shí)刻電力和電量的平衡。

1.2 對(duì)容量資源需求的影響因素

美國(guó)加州電力市場(chǎng)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(shí)間等技術(shù)約束；③在線運(yùn)行機(jī)組的可靠性統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)；④容量市場(chǎng)的市場(chǎng)機(jī)制與交易規(guī)則；⑤參與容量市場(chǎng)的機(jī)組的成本特性；⑥電力負(fù)荷預(yù)測(cè)的誤差及負(fù)荷的波動(dòng)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(gè)指標(biāo)計(jì)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(chǎng)的成本效益與配置機(jī)制

2.1 容量資源的成本分析

對(duì)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(xiǎn)、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(chǎng)存在競(jìng)爭(zhēng)，提供容量服務(wù)的機(jī)組需要在容量市場(chǎng)中選擇提供容量的類型及其時(shí)段、規(guī)模、報(bào)價(jià)。發(fā)電機(jī)組參加容量市場(chǎng)會(huì)減少本可以參加的電量市場(chǎng)的發(fā)電量，減少該時(shí)段在電量市場(chǎng)的收益，這部分收益為機(jī)會(huì)成本。電力市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的存在使得成本低、效率高的發(fā)電機(jī)組在電量市場(chǎng)競(jìng)價(jià)中占得優(yōu)勢(shì)，而成本高、效率低的發(fā)電機(jī)組則被留在容量市場(chǎng)中，從而造成容量?jī)r(jià)格要比電量?jī)r(jià)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(huì)3個(gè)角度進(jìn)行分析。

從發(fā)電公司角度看，作為一個(gè)獨(dú)立盈利部門的發(fā)電商，如果在容量市場(chǎng)中以合理的價(jià)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(shí)，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(duì)用電可靠度要求高的電力用戶會(huì)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(huì)效益這個(gè)宏觀角度來看，配置容量資源后，系統(tǒng)的可靠性水平會(huì)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(huì)用戶停電的總成本降低；但如果系統(tǒng)購(gòu)買的容量過多，不但會(huì)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(shí)，需要同時(shí)考慮容量的購(gòu)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(guó)容量市場(chǎng)是在現(xiàn)有的電量市場(chǎng)外單獨(dú)設(shè)置的，發(fā)電商可同時(shí)在這2個(gè)市場(chǎng)操作，提供容量和電量都可收費(fèi)［15］。容量市場(chǎng)的供應(yīng)方包括準(zhǔn)備投資發(fā)電項(xiàng)目的投資者、市場(chǎng)現(xiàn)有發(fā)電商以及其他形式的容量資源提供者。市場(chǎng)型容量機(jī)制由政府指定機(jī)構(gòu)或售電商作為購(gòu)買方，交易方式為集中競(jìng)價(jià)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(chǎng)目標(biāo)值是滿足最大負(fù)荷預(yù)測(cè)值，而容量市場(chǎng)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。可靠性標(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)?；诔杀?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(gòu)買費(fèi)用隨著容量增加是一個(gè)增函數(shù)，而系統(tǒng)停電損失隨著容量增加是一個(gè)減函數(shù)。開始購(gòu)買時(shí)，系統(tǒng)停電損失減少量ΔEENSR1通常大于購(gòu)買容量費(fèi)用增量ΔCR1；隨著購(gòu)買過程的進(jìn)行，二者之間的差距越來越小；在某容量點(diǎn)（圖1中R3），社會(huì)停電損失減少量ΔEENSR3約等于購(gòu)買費(fèi)用增量ΔCR3，此時(shí)的R3即為最優(yōu)容量R＊。

3 容量市場(chǎng)的社會(huì)效益模型

3.1 目標(biāo)函數(shù)

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

1）備用容量的社會(huì)效益。

式中 Bj，t為t時(shí)段系統(tǒng)狀態(tài)j下購(gòu)買容量的社會(huì)效益；VOLL為供電范圍內(nèi)單位停電損失；，EENSj，t分別為t時(shí)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(gòu)買成本。

式中 Cr，t為t時(shí)段的容量購(gòu)買成本；γi，t為t時(shí)段機(jī)組i的容量出清價(jià)格；Ri，t為t時(shí)段機(jī)組i的備用容量；M為參與容量市場(chǎng)交易的機(jī)組集合。

3）備用容量的凈社會(huì)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(tái)機(jī)組在電量市場(chǎng)的調(diào)用順序和容量市場(chǎng)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(cè)某日的最大負(fù)荷為2 600MW（假定每次只有1臺(tái)機(jī)組故障，不考慮多個(gè)機(jī)組同時(shí)故障狀態(tài)）。

表1 10臺(tái)機(jī)組在電量市場(chǎng)調(diào)用順序和容量市場(chǎng)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(huì)效益B、購(gòu)買成本C、凈社會(huì)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(huì)效益越高，容量成本也越高，凈社會(huì)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(dòng)態(tài)平衡，最終實(shí)現(xiàn)協(xié)同最優(yōu)。由式（3）可知，當(dāng)容量市場(chǎng)的配置目標(biāo)值R=340時(shí)，系統(tǒng)凈社會(huì)效益W=62.48萬元，取值最大。

圖2 備用容量與社會(huì)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(jiǎn)單，易于應(yīng)用，但沒有考慮備用的成本價(jià)格與用戶的需求。該算例通過不同方法計(jì)算備用容量，比較情況如表2所示，該算例系統(tǒng)以凈社會(huì)效益最大化方法計(jì)算最經(jīng)濟(jì)，以最大單機(jī)容量方法計(jì)算的系統(tǒng)可靠性最高。因此，以凈社會(huì)效益最大化方法確定備用容量，可以實(shí)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(guó)基于對(duì)本國(guó)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(chǎng)機(jī)制，而容量市場(chǎng)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(huì)效益最大的方式確定容量市場(chǎng)的最優(yōu)容量。

2）隨著中國(guó)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(chǎng)機(jī)制來吸引、激勵(lì)容量資源的投資、建設(shè)和運(yùn)營(yíng)，并使容量資源得到高效利用。

3）英國(guó)提出的容量市場(chǎng)釋放了長(zhǎng)期穩(wěn)定的價(jià)格信號(hào)，以吸引國(guó)內(nèi)外的投資。面對(duì)中國(guó)國(guó)內(nèi)日趨穩(wěn)定的電力增長(zhǎng)，投資人可將目光投放至境外電力市場(chǎng)中，在把握市場(chǎng)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)。

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