以配額制激勵(lì)可再生能源的需求與供給國(guó)家可再生能源市場(chǎng)機(jī)制設(shè)計(jì)

馬子明, 鐘海旺, 譚振飛, 夏 清, 汪 洋

(1. 清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系, 北京市 100084; 2. 電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 清華大學(xué), 北京市 100084; 3. 北京清能互聯(lián)科技有限公司, 北京市 100080)

以配額制激勵(lì)可再生能源的需求與供給國(guó)家可再生能源市場(chǎng)機(jī)制設(shè)計(jì)

馬子明1,2, 鐘海旺1,2, 譚振飛1,2, 夏 清1,2, 汪 洋3

(1. 清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系, 北京市 100084; 2. 電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 清華大學(xué), 北京市 100084; 3. 北京清能互聯(lián)科技有限公司, 北京市 100080)

針對(duì)中國(guó)可再生能源消納面臨的挑戰(zhàn),設(shè)計(jì)了基于配額制的國(guó)家可再生能源市場(chǎng)及其與省級(jí)日前市場(chǎng)的協(xié)調(diào)機(jī)制、國(guó)家綠色證書(shū)市場(chǎng)和激勵(lì)可再生能源準(zhǔn)確預(yù)測(cè)自身出力的偏差電量結(jié)算機(jī)制。在國(guó)家層面,以跨區(qū)跨省交易總剩余最大化為目標(biāo),構(gòu)建了內(nèi)嵌輸電成本的國(guó)家可再生能源市場(chǎng)出清模型;在省級(jí)層面,將國(guó)家可再生能源市場(chǎng)出清結(jié)果作為可松弛的邊界條件,構(gòu)建了多目標(biāo)的省級(jí)日前市場(chǎng)出清模型。算例分析驗(yàn)證了所述機(jī)制的有效性。提出的機(jī)制能夠?qū)崿F(xiàn)以配額制的方式激勵(lì)可再生能源的需求與供給,以市場(chǎng)的方式發(fā)現(xiàn)可再生能源的真實(shí)成本及其正外部性的貨幣價(jià)值,引導(dǎo)可再生能源和電網(wǎng)投資規(guī)劃,激勵(lì)市場(chǎng)成員提升可再生能源發(fā)電的預(yù)測(cè)水平。

可再生能源; 配額制; 綠色證書(shū); 機(jī)制設(shè)計(jì); 交易協(xié)調(diào); 全成本電價(jià)

0 引言

隨著全球氣候變化與環(huán)境問(wèn)題的日益凸顯,可再生能源受到世界各國(guó)的廣泛關(guān)注,風(fēng)電、光伏等可再生能源得到了快速發(fā)展。

可再生能源發(fā)電在滿足人們電能消費(fèi)的同時(shí),能夠減少二氧化碳、污染物的排放,具有正外部性。而可再生能源的間歇性與波動(dòng)性,給電網(wǎng)運(yùn)行帶來(lái)較大的影響。對(duì)此,國(guó)外主要電力市場(chǎng)均設(shè)計(jì)了相應(yīng)的市場(chǎng)機(jī)制。

世界各國(guó)大多采用可再生能源配額制(renewable portfolio standards,RPS)實(shí)現(xiàn)可再生能源正外部性的貨幣化。可再生能源配額制是規(guī)定各發(fā)電商(或售電公司)生產(chǎn)(或銷(xiāo)售)的電能中,可再生能源必須占到一定的比例。在這些地區(qū),大部分配套實(shí)行綠色證書(shū)制(green certificate,GC)或可再生能源證書(shū)制(renewable energy certificate,REC)。通過(guò)可再生能源和綠色證書(shū)的交易,以市場(chǎng)化的方式發(fā)現(xiàn)可再生能源正外部性的貨幣價(jià)值,摒棄了傳統(tǒng)的政府制定補(bǔ)貼價(jià)格的模式,擺脫了補(bǔ)貼模式下尋租、補(bǔ)貼價(jià)格形成機(jī)制不完善等制度性風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)前,美國(guó)[1],澳大利亞[2]、英國(guó)、意大利、荷蘭等國(guó)家[3-4]實(shí)施了可再生能源配額制。

由于可再生能源具有較強(qiáng)的波動(dòng)性,目前其參與電力市場(chǎng)主要有兩種模式。一種是可再生能源不報(bào)價(jià)的全額收購(gòu)模式,如德國(guó)[5];另一種是可再生能源和其他類型電源一樣,通過(guò)報(bào)價(jià)參與市場(chǎng)的模式,如北歐[6-7]。而美國(guó)主要電力市場(chǎng)的模式介于上述兩者之間,一般由國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)采用統(tǒng)一的預(yù)測(cè)工具進(jìn)行可再生能源出力預(yù)測(cè)。一般要求參與容量市場(chǎng)作為容量資源的可再生能源必須參與日前市場(chǎng),其他可再生能源可選擇性地參與日前市場(chǎng)。如果選擇不參與市場(chǎng),那么它們將作為價(jià)格接受者,ISO在滿足系統(tǒng)安全約束的前提下全額消納可再生能源[8-12]。

綜上所述,國(guó)外將可再生能源正外部性的貨幣化過(guò)程與可再生能源的物理消納完全解耦,可再生能源消納通過(guò)電力市場(chǎng)交易實(shí)現(xiàn)。兩者解耦使得可再生能源的環(huán)境價(jià)值和能量?jī)r(jià)值被區(qū)分開(kāi)來(lái),能夠促進(jìn)可再生能源消納。

中國(guó)能源資源呈逆向分布,可再生能源難以就地消納。為了促進(jìn)大范圍的可再生能源消納,中國(guó)大力發(fā)展特高壓,建設(shè)并規(guī)劃了多條特高壓輸電通道。然而,在中國(guó)現(xiàn)行以省為單位的財(cái)稅體系下,受端省參與跨區(qū)跨省消納可再生能源的積極性不高,棄風(fēng)棄光問(wèn)題仍較為嚴(yán)重。

當(dāng)前關(guān)于可再生能源消納市場(chǎng)機(jī)制設(shè)計(jì)的研究主要集中在可再生能源配額制和可再生能源發(fā)電權(quán)交易。文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[13-14]介紹了國(guó)外可再生能源配額制的實(shí)施情況,并分析了對(duì)中國(guó)的啟示。文獻(xiàn)[15-16]對(duì)在中國(guó)實(shí)施可再生能源配額制進(jìn)行了探討,提出了中國(guó)實(shí)施可再生能源配額制的方案與政策建議,但沒(méi)有考慮建立與配額制協(xié)同的國(guó)家可再生能源市場(chǎng)。文獻(xiàn)[17]提出了基于發(fā)電權(quán)交易的跨區(qū)跨省可再生能源消納機(jī)制,該機(jī)制只是在現(xiàn)有體制框架下尋求優(yōu)化空間,無(wú)法從根本上形成可再生能源的需求與供給,難以提高市場(chǎng)主體主動(dòng)消納可再生能源的積極性。文獻(xiàn)[18]提出了自備電廠與可再生能源開(kāi)展發(fā)電權(quán)交易促進(jìn)可再生能源消納的機(jī)制。

為了有效推進(jìn)中國(guó)可再生能源在更大范圍內(nèi)的消納,促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型,本文提出建立與配額制相結(jié)合的國(guó)家可再生能源市場(chǎng),以配額制激勵(lì)可再生能源的需求與供給;以市場(chǎng)的方式促進(jìn)供給方與需求方的交易,發(fā)現(xiàn)可再生能源的真實(shí)價(jià)格;提出了國(guó)家可再生能源市場(chǎng)與省級(jí)日前市場(chǎng)的協(xié)同模式、模型與方法;設(shè)計(jì)了國(guó)家可再生能源市場(chǎng)與省級(jí)市場(chǎng)的協(xié)調(diào)機(jī)制和偏差量處理機(jī)制。

1 建設(shè)國(guó)家可再生能源市場(chǎng)的必要性

當(dāng)前,業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為,造成中國(guó)可再生能源消納困難的根源“七分是體制,三分是技術(shù)”。中國(guó)實(shí)行可再生能源的補(bǔ)貼政策,在電費(fèi)中征收可再生能源電價(jià)附加,并將這部分資金用于補(bǔ)貼可再生能源發(fā)電。這一機(jī)制雖然在一定程度上體現(xiàn)了可再生能源正外部性的貨幣化,但其只解決了可再生能源廠商的財(cái)務(wù)問(wèn)題,其他市場(chǎng)成員的收益與其是否積極主動(dòng)消納新能源并無(wú)關(guān)聯(lián)。換句話說(shuō),現(xiàn)行補(bǔ)貼政策只激勵(lì)了可再生能源的供給,并未激勵(lì)可再生能源消納的需求,市場(chǎng)成員沒(méi)有動(dòng)力自覺(jué)消納可再生能源。此外,可再生能源生產(chǎn)成本存在信息不對(duì)稱、不透明,行政性補(bǔ)貼存在較大的尋租空間,這種非市場(chǎng)化的價(jià)格信號(hào)難以科學(xué)有效地引導(dǎo)可再生能源的投資建設(shè)。

因此,為促進(jìn)可再生能源在更大范圍內(nèi)消納,引導(dǎo)可再生能源科學(xué)發(fā)展,實(shí)現(xiàn)“誰(shuí)消納、誰(shuí)受益”的正向激勵(lì),中國(guó)應(yīng)盡快建立基于配額制的國(guó)家可再生能源市場(chǎng),在日前建立考慮輸電費(fèi)用的可再生能源與常規(guī)電源交易市場(chǎng),并通過(guò)配額制對(duì)常規(guī)電源進(jìn)行考核?；谂漕~制的國(guó)家可再生能源市場(chǎng)必要性分析如下。

1.1 發(fā)現(xiàn)可再生能源發(fā)電的真實(shí)價(jià)格

常規(guī)電源通過(guò)對(duì)比從國(guó)家可再生能源市場(chǎng)購(gòu)買(mǎi)可再生能源發(fā)電、從國(guó)家綠色證書(shū)市場(chǎng)購(gòu)買(mǎi)綠色證書(shū)以及在本地自行建設(shè)可再生能源發(fā)電的成本,決策其完成可再生能源配額的策略,從而發(fā)現(xiàn)可再生能源的真實(shí)成本。同時(shí),可再生能源的消納需要多種能源的配合,實(shí)行發(fā)電側(cè)可再生能源配額制,能夠充分調(diào)動(dòng)火電大省的調(diào)峰潛力,使其主動(dòng)承擔(dān)更多的調(diào)峰,促進(jìn)可再生能源消納?；谂漕~制的國(guó)家可再生能源市場(chǎng)能夠削弱信息不對(duì)稱,通過(guò)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)發(fā)現(xiàn)可再生能源的真實(shí)價(jià)格,激發(fā)常規(guī)電源與可再生能源協(xié)同的潛力,促進(jìn)可再生能源在更大范圍內(nèi)消納。

1.2 發(fā)現(xiàn)可再生能源正外部性的貨幣價(jià)值

在國(guó)家可再生能源市場(chǎng)及國(guó)家綠色證書(shū)市場(chǎng),由供需雙方競(jìng)爭(zhēng)形成可再生能源發(fā)電價(jià)格和綠色證書(shū)價(jià)格,改變了傳統(tǒng)的基于行政性補(bǔ)貼的正外部性補(bǔ)償,通過(guò)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)發(fā)現(xiàn)可再生能源正外部性的貨幣價(jià)值,使可再生能源價(jià)格真實(shí)反映市場(chǎng)的供求關(guān)系,真實(shí)反映需求方對(duì)可再生能源正外部性的貨幣評(píng)價(jià)。

1.3 引導(dǎo)可再生能源投資規(guī)劃,激勵(lì)集中式與分布式發(fā)電均衡發(fā)展

如果可再生能源疊加上跨區(qū)跨省輸電費(fèi)用后的價(jià)格高于受端分布式可再生能源的價(jià)格,則受端市場(chǎng)成員將選擇在本地自行投資建設(shè)分布式可再生能源。市場(chǎng)成員可根據(jù)國(guó)家可再生能源市場(chǎng)的價(jià)格,在充分考慮地理位置、輸電費(fèi)用、設(shè)備利用率、市場(chǎng)價(jià)格、市場(chǎng)結(jié)構(gòu)、供求關(guān)系等條件下,合理開(kāi)展可再生能源的投資與規(guī)劃。

1.4 引導(dǎo)電網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃

國(guó)家可再生能源市場(chǎng)屬于跨區(qū)跨省交易,必須考慮交易對(duì)電網(wǎng)資源的真實(shí)利用程度[19],形成綜合考慮發(fā)電、輸電全成本的市場(chǎng)交易機(jī)制。若線路投資太高導(dǎo)致輸電費(fèi)用過(guò)高,可能出現(xiàn)交易無(wú)法達(dá)成、線路利用率低的情況?；谂漕~制的可再生能源跨區(qū)跨省交易能夠?yàn)殡娋W(wǎng)投資提供供求關(guān)系、價(jià)格等信號(hào),結(jié)合電網(wǎng)建設(shè)成本,科學(xué)評(píng)估電網(wǎng)投資的收益,合理引導(dǎo)電網(wǎng)投資。

1.5 實(shí)現(xiàn)激勵(lì)相容的制度安排

基于配額制的國(guó)家可再生能源市場(chǎng)將可再生能源消納的義務(wù)平等地分?jǐn)偨o所有發(fā)電企業(yè),實(shí)現(xiàn)“誰(shuí)消納誰(shuí)受益,誰(shuí)不消納誰(shuí)受罰”的制度安排,激勵(lì)可再生能源的需求與供給。由于中國(guó)能源生產(chǎn)與消費(fèi)在空間上呈逆向分布的特點(diǎn),僅僅依靠省級(jí)、區(qū)域級(jí)電力市場(chǎng)難以實(shí)現(xiàn)可再生能源需求與供給的充分匹配,為了促進(jìn)可再生能源的大范圍消納,必須以配額制激勵(lì)跨區(qū)跨省交易,建立國(guó)家可再生能源市場(chǎng)。

2 國(guó)家可再生能源市場(chǎng)的機(jī)制設(shè)計(jì)

本節(jié)提出基于發(fā)電側(cè)配額制的國(guó)家可再生能源市場(chǎng)機(jī)制設(shè)計(jì)。

2.1 市場(chǎng)總體架構(gòu)

國(guó)家根據(jù)當(dāng)前棄風(fēng)棄光比例、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、碳減排目標(biāo)、各省發(fā)用電情況制定可再生能源配額,要求各省在一定時(shí)期內(nèi)上網(wǎng)的電能中,必須包含一定比例的可再生能源發(fā)電;依據(jù)可再生能源實(shí)際上網(wǎng)電量,授予對(duì)應(yīng)數(shù)量的綠色證書(shū),綠色證書(shū)可在國(guó)家綠色證書(shū)市場(chǎng)交易。國(guó)家可再生能源市場(chǎng)為可再生能源與需求方提供一個(gè)日前交易的平臺(tái),以社會(huì)總剩余最大化為目標(biāo),實(shí)行考慮輸電成本和網(wǎng)絡(luò)約束的撮合交易出清機(jī)制。

可再生能源可以選擇參與國(guó)家可再生能源市場(chǎng),將自己獲得的綠色證書(shū)賣(mài)給證書(shū)需求方;也可以選擇直接參與省級(jí)日前市場(chǎng),并將獲得的綠色證書(shū)在國(guó)家綠色證書(shū)市場(chǎng)上交易?？稍偕茉葱枨蠓郊瓤梢赃x擇參與國(guó)家可再生能源市場(chǎng)獲得綠色證書(shū),也可以從國(guó)家綠色證書(shū)市場(chǎng)直接購(gòu)買(mǎi)綠色證書(shū)。

國(guó)家可再生能源市場(chǎng)的交易結(jié)果需作為省級(jí)日前市場(chǎng)的邊界條件,以可松弛約束的方式納入省級(jí)日前市場(chǎng)出清過(guò)程(一般為安全約束機(jī)組組合(security constrained unit commitment,SCUC))中,得到可物理執(zhí)行的消納量和可再生能源發(fā)電量。市場(chǎng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 市場(chǎng)總體架構(gòu)Fig.1 Structure of overall market

2.2 國(guó)家可再生能源市場(chǎng)

可再生能源市場(chǎng)在國(guó)家層面組織,交易時(shí)間為各省日前市場(chǎng)開(kāi)市之前。各省可再生能源自行預(yù)測(cè)自身出力后,在國(guó)家可再生能源市場(chǎng)上申報(bào)交割日各時(shí)段的出力和報(bào)價(jià);各省常規(guī)電源企業(yè)(以下簡(jiǎn)稱常規(guī)電源)根據(jù)自身考核期內(nèi)可再生能源配額完成情況,申報(bào)交割日各時(shí)段的可再生能源需求量和報(bào)價(jià)。送出省電力調(diào)度機(jī)構(gòu)需預(yù)評(píng)估本省各送端節(jié)點(diǎn)各時(shí)段可再生能源最大送出能力,受端省電力調(diào)度機(jī)構(gòu)需預(yù)評(píng)估本省各受端節(jié)點(diǎn)各時(shí)段可再生能源最大接受能力,并作為國(guó)家可再生能源市場(chǎng)交易出清的邊界條件。

國(guó)家可再生能源市場(chǎng)組織者根據(jù)市場(chǎng)成員的報(bào)價(jià),采用撮合交易規(guī)則,以社會(huì)總剩余最大化為目標(biāo),對(duì)交易執(zhí)行分時(shí)出清。各省之間的可再生能源與各省常規(guī)電源兩兩高低匹配,定義交易匹配對(duì)的單位剩余為兩者交易單位電量產(chǎn)生的社會(huì)福利減去兩者之間的輸電費(fèi)用(交易成本),交易出清以全國(guó)交易的總剩余最大為目標(biāo),充分考慮全國(guó)主要跨區(qū)跨省聯(lián)絡(luò)線的功率傳輸上限、各送端節(jié)點(diǎn)各時(shí)段可再生能源最大送出能力以及各受端節(jié)點(diǎn)各時(shí)段可再生能源最大接受能力等約束。

記送端省為省A,受端省為省B,省A與省B之間聯(lián)絡(luò)線的單位輸電費(fèi)率為ρAB,省A的可再生能源1報(bào)價(jià)為C1,省B的常規(guī)電源1的報(bào)價(jià)為B1,則可再生能源1與常規(guī)電源1之間交易產(chǎn)生的單位剩余為:

R12=B1-C1-ρAB

(1)

國(guó)家可再生能源市場(chǎng)采用撮合交易規(guī)則出清,交易對(duì)產(chǎn)生的剩余由交易雙方共享。在國(guó)家可再生能源市場(chǎng)成交的交易對(duì),成交電量對(duì)應(yīng)的綠色證書(shū)歸受端省常規(guī)電源。

對(duì)于沒(méi)有聯(lián)絡(luò)線與可再生能源生產(chǎn)基地直接相連的省份,若其周邊省份有可再生能源跨區(qū)輸送落點(diǎn),則可將該省與周邊省的跨省聯(lián)絡(luò)線納入國(guó)家可再生能源市場(chǎng),該省份與各可再生能源生產(chǎn)基地之間的交易按照固定的合同路徑交易,調(diào)度時(shí)應(yīng)按照跨省聯(lián)絡(luò)線交易結(jié)果執(zhí)行。

2.3 國(guó)家可再生能源市場(chǎng)與省級(jí)日前市場(chǎng)的協(xié)調(diào)

國(guó)家可再生能源市場(chǎng)出清后,將出清結(jié)果下發(fā)給各省。各省在開(kāi)展日前市場(chǎng)交易時(shí),應(yīng)優(yōu)先滿足國(guó)家可再生能源市場(chǎng)的出清結(jié)果。雖然在國(guó)家可再生能源市場(chǎng)中已經(jīng)考慮了送端省可再生能源最大送出能力和受端省可再生能源最大消納能力,但由于省內(nèi)網(wǎng)絡(luò)約束復(fù)雜,在實(shí)際調(diào)度運(yùn)行中可能出現(xiàn)省內(nèi)網(wǎng)絡(luò)阻塞、調(diào)峰困難等問(wèn)題,導(dǎo)致送端省可再生能源無(wú)法全部發(fā)出或受端省無(wú)法全部消納的情況。

只有當(dāng)省級(jí)市場(chǎng)出清結(jié)果無(wú)法執(zhí)行時(shí),才考慮削減國(guó)家可再生能源市場(chǎng)的交易結(jié)果,此時(shí),以社會(huì)總剩余最大為原則,根據(jù)中標(biāo)結(jié)果產(chǎn)生的剩余由小到大有序削減。經(jīng)過(guò)削減后的交易結(jié)果應(yīng)在實(shí)時(shí)調(diào)度中保證執(zhí)行。

2.4 國(guó)家綠色證書(shū)市場(chǎng)

中國(guó)應(yīng)建立國(guó)家綠色證書(shū)市場(chǎng),為綠色證書(shū)持有者和需求方提供二級(jí)交易的平臺(tái),提高綠色證書(shū)交易的流動(dòng)性,以市場(chǎng)的方式發(fā)現(xiàn)可再生能源正外部性的貨幣價(jià)值。

市場(chǎng)成員可以根據(jù)國(guó)家可再生能源市場(chǎng)及綠色證書(shū)市場(chǎng)的供求關(guān)系,優(yōu)化不同綠色證書(shū)渠道的獲取和出售比例。

2.5 國(guó)家可再生能源市場(chǎng)偏差電量處理機(jī)制

國(guó)家可再生能源市場(chǎng)偏差量主要為日前市場(chǎng)與實(shí)時(shí)市場(chǎng)的偏差,其產(chǎn)生原因?yàn)榭稍偕茉慈涨吧陥?bào)的預(yù)測(cè)出力不準(zhǔn)確,無(wú)法實(shí)時(shí)發(fā)出相應(yīng)的電量。本文按照“誰(shuí)產(chǎn)生的成本誰(shuí)承擔(dān)”的理念設(shè)計(jì)偏差電量結(jié)算機(jī)制,以激勵(lì)相容的原則激勵(lì)可再生能源提升出力預(yù)測(cè)水平。

若可再生能源預(yù)測(cè)偏差導(dǎo)致其在實(shí)時(shí)市場(chǎng)無(wú)法發(fā)出相應(yīng)電量,其責(zé)任在可再生能源企業(yè)。其結(jié)算關(guān)系如圖2所示。圖中：可再生能源實(shí)時(shí)未發(fā)出國(guó)家可再生能源市場(chǎng)成交量為Q1；可再生能源實(shí)時(shí)發(fā)電量為Q2；A機(jī)組省內(nèi)物理中標(biāo)出力為Q3。

圖2 可再生能源無(wú)法實(shí)時(shí)發(fā)出日前預(yù)測(cè)電量時(shí)的結(jié)算關(guān)系Fig.2 Settlement relation when renewable energy output is lower than day-ahead prediction in real time

假設(shè)國(guó)家可再生能源市場(chǎng)上,送端省可再生能源和受端省常規(guī)電源A成交量為Q1,于是,常規(guī)電源A將Q1電量對(duì)應(yīng)的購(gòu)電費(fèi)用交給受端省電網(wǎng)公司,進(jìn)而支付給送端省可再生能源,可再生能源需要在考核期內(nèi)按合同約定向常規(guī)電源A提供Q1電量對(duì)應(yīng)的綠色證書(shū)。

將f(x)的具體表達(dá)式代入φ2,并利用φ和φ′在x=-b(或x=b)處的連續(xù)性,確定各個(gè)參數(shù),并得到最終φ(x,z)的解,由ψ(x,z)=(z-φ(x,z))U,可求出受地形影響后大氣運(yùn)動(dòng)流函數(shù)的值并繪出流線。在下節(jié)將給出一個(gè)具體的例子。

假設(shè)常規(guī)電源A在省內(nèi)日前市場(chǎng)中標(biāo)量為Q3。由于常規(guī)電源A與送端省可再生能源企業(yè)達(dá)成了電量交易,本質(zhì)上相當(dāng)于發(fā)電權(quán)轉(zhuǎn)讓。常規(guī)電源A向可再生能源企業(yè)支付了相應(yīng)的購(gòu)電費(fèi)用,在省內(nèi)日前市場(chǎng)中,認(rèn)為Q1對(duì)應(yīng)的電量也是由常規(guī)電源A承擔(dān),電網(wǎng)企業(yè)按照省內(nèi)日前市場(chǎng)價(jià)格與常規(guī)電源A結(jié)算Q1電量對(duì)應(yīng)的費(fèi)用。那么常規(guī)電源A在省內(nèi)日前市場(chǎng)的總收入RAd為:

RAd=(Q1+Q3)pd

(2)

式中:pd為受端省日前市場(chǎng)價(jià)格。

但是可再生能源實(shí)時(shí)發(fā)電量只有Q2(Q2

RAr=(Q1-Q2)pr

(3)

式中:pr為受端省實(shí)時(shí)市場(chǎng)價(jià)格。

此部分相當(dāng)于常規(guī)電源A支付了受端省其他機(jī)組代替可再生能源發(fā)電的費(fèi)用。由于此部分費(fèi)用是由可再生能源預(yù)測(cè)偏差導(dǎo)致的,因此,可再生能源企業(yè)需要將此部分費(fèi)用經(jīng)由送受端電網(wǎng)企業(yè)返還給常規(guī)電源A。

本文設(shè)計(jì)的偏差電量結(jié)算機(jī)制中,可再生能源企業(yè)需支付偏差電量部分對(duì)應(yīng)的受端省替代發(fā)電的費(fèi)用和受端省配額制需求方的綠色證書(shū),需要承擔(dān)市場(chǎng)波動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn),實(shí)現(xiàn)了誰(shuí)產(chǎn)生的成本誰(shuí)承擔(dān),激勵(lì)可再生能源提升出力預(yù)測(cè)水平。

3 國(guó)家可再生能源市場(chǎng)出清及其協(xié)調(diào)機(jī)制

3.1 國(guó)家可再生能源市場(chǎng)交易出清模型

國(guó)家可再生能源市場(chǎng)的交易出清模型的目標(biāo)函數(shù)為最大化總剩余:

(4)

該目標(biāo)函數(shù)無(wú)法得到確切的交易出清匹配對(duì),只能得到各省可再生能源廠商與常規(guī)電源的中標(biāo)量[20],若潛在交易省份的輸電費(fèi)用相同,則無(wú)法得到成交的常規(guī)電源所在的確切省份。若交易申報(bào)為:送端省A申報(bào)100 MW,報(bào)價(jià)600元/(MW·h),送端省B申報(bào)100 MW,報(bào)價(jià)700元/(MW·h),受端省C申報(bào)100 MW,報(bào)價(jià)900元/(MW·h),受端省D申報(bào)100 MW,報(bào)價(jià)1 000元/(MW·h)。省A、省B與省C、省D之間均有聯(lián)絡(luò)線相連,輸電費(fèi)用均為80元/(MW·h)。

交易結(jié)果1為:PAC=100,PAD=0,PBC=0,PBD=100。交易結(jié)果2為:PAC=0,PAD=100,PBC=100,PBD=0。

交易結(jié)果1和交易結(jié)果2的總剩余均為44萬(wàn)元,目標(biāo)函數(shù)相同,但只有結(jié)果2才是符合撮合交易高低匹配原則的最優(yōu)解。

為此,本文提出目標(biāo)函數(shù)的修正策略,為每個(gè)交易匹配對(duì)的剩余加上一定的權(quán)重系數(shù),交易匹配對(duì)的剩余越大,其權(quán)重系數(shù)越大,這樣就可以保證交易結(jié)果符合撮合交易高低匹配的原則。目標(biāo)函數(shù)的具體修正方法如下:

(5)

交易出清模型的約束條件包括以下幾項(xiàng)。

1)i省與j省間聯(lián)絡(luò)線有功傳輸功率上限約束

?t

(6)

2)j省送往i省的i省受端節(jié)點(diǎn)可再生能源最大消納能力約束

?t

(7)

式中:Pi-ij,max,t為j省送往i省的i省受端節(jié)點(diǎn)在時(shí)段t的可再生能源最大消納能力。

3)j省送往i省的j省送端節(jié)點(diǎn)可再生能源最大送出能力約束

?t

(8)

式中:Pj-ij,max,t為j省送往i省的j省送端節(jié)點(diǎn)在時(shí)段t的可再生能源最大送出能力。

4)i省常規(guī)電源m與j省可再生能源k的交易量非負(fù)約束

?t

(9)

5)i省常規(guī)電源m與j省可再生能源k交易的報(bào)價(jià)段申報(bào)量約束

?t

(10)

6)i省常規(guī)電源m與j省可再生能源k交易的可再生能源申報(bào)出力約束

?t

(11)

式中:Pjk,max,t為j省的可再生能源k在時(shí)段t申報(bào)的出力。

3.2 省級(jí)日前市場(chǎng)出清模型

國(guó)家可再生能源市場(chǎng)出清結(jié)果反饋給省級(jí)市場(chǎng)后,省級(jí)市場(chǎng)需將國(guó)家可再生能源市場(chǎng)出清結(jié)果內(nèi)嵌到SCUC程序中,優(yōu)先執(zhí)行國(guó)家可再生能源市場(chǎng)出清結(jié)果。本文采用目標(biāo)約束的方式,在文獻(xiàn)[21]的基礎(chǔ)上對(duì)省內(nèi)SCUC模型進(jìn)行了修正,增加了以下約束,以開(kāi)展省內(nèi)日前市場(chǎng)。

1)該省可再生能源k的第n個(gè)撮合交易成交對(duì)發(fā)電約束

(12)

2)該省常規(guī)電源m與外省可再生能源第s個(gè)撮合交易成交對(duì)的外省注入約束

(13)

3)送往外省i的功率約束

?t

(14)

式中:Pi,t為時(shí)段t該省送往i省的聯(lián)絡(luò)線潮流;Pkn,t,i為日前市場(chǎng)出清后時(shí)段t該省可再生能源k送往i省的第n個(gè)撮合交易成交對(duì)在日前市場(chǎng)通過(guò)的可成交功率;Pi,t′為跨區(qū)跨省交易已經(jīng)形成的該省送往i省的聯(lián)絡(luò)線潮流。

SCUC的目標(biāo)函數(shù)修正為:

(15)

該目標(biāo)函數(shù)為多目標(biāo)規(guī)劃,優(yōu)先級(jí)最高的目標(biāo)為盡可能滿足可再生能源市場(chǎng)的出清結(jié)果,當(dāng)出清結(jié)果無(wú)法滿足時(shí),根據(jù)交易創(chuàng)造的剩余有序削減成交結(jié)果。在最大化滿足可再生能源市場(chǎng)交易結(jié)果的前提下,以總費(fèi)用最小的原則進(jìn)行機(jī)組組合,就能夠得到日前市場(chǎng)出清后國(guó)家可再生能源市場(chǎng)交易結(jié)果執(zhí)行情況。

對(duì)于尚未建立現(xiàn)貨市場(chǎng)的省份,制定日前計(jì)劃時(shí)應(yīng)將國(guó)家可再生能源市場(chǎng)交易結(jié)果作為固定約束。如果此時(shí)日前計(jì)劃不可行,則優(yōu)先削減剩余小的交易對(duì),直至滿足日前計(jì)劃編制要求。

4 算例分析

本文將中國(guó)特高壓跨區(qū)互聯(lián)電網(wǎng)進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理,抽象成6個(gè)地區(qū)的系統(tǒng)進(jìn)行算例分析,6個(gè)地區(qū)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 6個(gè)地區(qū)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 System structure diagram of six regions

本算例采用某一天風(fēng)電、光伏的實(shí)際出力作為風(fēng)電、光伏在可再生能源市場(chǎng)上申報(bào)的96個(gè)時(shí)段出力曲線,并生成了風(fēng)電、光伏和常規(guī)電源在可再生能源市場(chǎng)上的報(bào)價(jià)。各地區(qū)之間聯(lián)絡(luò)線的輸電費(fèi)用如圖3所示。各地區(qū)內(nèi)風(fēng)電匯總申報(bào)出力曲線、光伏匯總申報(bào)出力曲線、系統(tǒng)負(fù)荷曲線如附錄A圖A1所示。

在實(shí)際交易過(guò)程中,各常規(guī)電源將根據(jù)自身可再生能源配額完成情況自行決策可再生能源需求,本算例為了計(jì)算方便,假定各常規(guī)電源申報(bào)的可再生能源總需求為當(dāng)日負(fù)荷需求的7%,本假設(shè)并不影響算例的驗(yàn)證效果。

在可再生能源市場(chǎng)中,各地區(qū)的可再生能源有相當(dāng)一部分被本地的負(fù)荷消納了,可再生能源富余的地區(qū)會(huì)通過(guò)聯(lián)絡(luò)線將可再生能源外送。國(guó)家可再生能源市場(chǎng)交易結(jié)果形成的聯(lián)絡(luò)線外送的各時(shí)段可再生能源功率如附錄A圖A2所示。各地區(qū)日前市場(chǎng)運(yùn)行后,各地區(qū)之間的交易削減情況如表1所示。交易成功消納的可再生能源占6個(gè)地區(qū)當(dāng)日總用電負(fù)荷的4.87%。

表1 各地區(qū)間交易削減情況Table 1 Transaction curtailment between regions

本文提出的機(jī)制充分考慮了包括輸電費(fèi)用在內(nèi)的電力交易全成本,圖4為在交易出清中考慮與不考慮輸電費(fèi)用下線路1-5和線路1-6之間國(guó)家可再生能源市場(chǎng)交易結(jié)果的變化,該結(jié)果僅為國(guó)家可再生能源市場(chǎng)交易結(jié)果,不是聯(lián)絡(luò)線的實(shí)際潮流,聯(lián)絡(luò)線實(shí)際潮流可能還包括跨區(qū)跨省中長(zhǎng)期交易、常規(guī)電源打捆外送、為維持聯(lián)絡(luò)線潮流相對(duì)穩(wěn)定采取的其他調(diào)度措施等。可以看出,由于線路1-6之間輸電費(fèi)用為120元/(MW·h),遠(yuǎn)高于其他輸電線,因此該線路功率較低,兩地區(qū)之間交易量較少,線路1-5承擔(dān)了地區(qū)1可再生能源的主要外送容量;但是若在交易出清中不考慮輸電費(fèi)用,線路1-6的傳輸功率顯著升高。

圖4 線路1-5和線路1-6考慮輸電費(fèi)前后變化的曲線Fig.4 Power curves of line 1-5 and line 1-6 with and without considering transmission cost

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)中國(guó)可再生能源消納的困局,分析了建設(shè)國(guó)家可再生能源市場(chǎng)的必要性,設(shè)計(jì)了國(guó)家可再生能源市場(chǎng)及其與省級(jí)日前市場(chǎng)的協(xié)調(diào)機(jī)制、國(guó)家綠色證書(shū)市場(chǎng),構(gòu)建了國(guó)家可再生能源市場(chǎng)出清模型和省級(jí)日前市場(chǎng)出清模型,能夠?qū)崿F(xiàn)以配額制的方式激勵(lì)可再生能源的需求與供給,發(fā)現(xiàn)可再生能源的真實(shí)成本及其正外部性的貨幣價(jià)值,引導(dǎo)可再生能源投資規(guī)劃和電網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃。設(shè)計(jì)了可再生能源提升出力預(yù)測(cè)水平的偏差電量結(jié)算機(jī)制,為解決可再生能源消納難題提供了新思路。算例分析驗(yàn)證了本文所提機(jī)制的有效性。期待本文能夠?yàn)橹袊?guó)可再生能源發(fā)展和電力體制改革提供有益的參考。

然而,由于篇幅所限,本文并未對(duì)可再生能源送端省最大送出能力和受端省最大接納能力的測(cè)算方法做深入研究,并未深入研究確定受端省配額制的方法,這些將作為下一步的重點(diǎn)研究方向。

附錄見(jiàn)本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

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IncentingDemandandSupplyofRenewableEnergywithRenewablePortfolioStandard:MechanismDesignofNationalRenewableEnergyMarket

MAZiming1,2,ZHONGHaiwang1,2,TANZhenfei1,2,XIAQing1,2,WANGYang3

(1. Department of Electrical Engineering, Tsinghua University, Beijing100084, China;2. State Key Laboratory of Control and Simulation of Power System and Generation Equipments, Tsinghua University, Beijing100084, China;3. Beijing Tsintergy Technology Co. Ltd., Beijing100080, China)

In response to the challenge of renewable energy accommodation in China, the mechanism design of national renewable energy market (NREM) is proposed. The coordinating mechanism between the NREM and provincial day-ahead market is designed. The national green certificate market is proposed. A settlement mechanism for electricity quantity deviation is proposed to incent renewable energy farms to improve their forecast accuracy. On the national level, the NREM clearing model is constructed. The objective is to maximize the total surplus and to incorporate the transmission cost. On the provincial level, a multi-objective day-ahead market clearing model is established. The NREM clearing results are taken as relaxed boundaries. The case study verifies the effectiveness of the proposed mechanism. The proposed mechanism can incent the demand and supply of renewable energy with renewable portfolio standard, help discover the true cost of renewable energy and the positive externalities of the renewable energy, guide renewable energy and power grid planning, and encourage market participants to improve their forecast accuracy.

This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No.51537005) and State Grid Corporation of China.

renewable energy; renewable portfolio; green certificate; mechanism design; coordination of transactions; price with overall cost

2017-04-09;

2017-10-20。

上網(wǎng)日期: 2017-11-06。

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51537005);國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目“跨區(qū)省間富余可再生能源現(xiàn)貨市場(chǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究和應(yīng)用”。

馬子明(1992—),男,博士研究生,主要研究方向:電力市場(chǎng)、能源互聯(lián)網(wǎng)。E-mail: mzm_thu@foxmail.com

鐘海旺(1986—),男,博士,助理教授,主要研究方向:智能電網(wǎng)、需求側(cè)響應(yīng)、電力市場(chǎng)。E-mail: zhonghw@tsinghua.edu.cn

譚振飛(1994—),男,博士研究生,主要研究方向:電力市場(chǎng),電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。E-mail: zftan@outlook.com

夏 清(1957—),男,通信作者,教授,主要研究方向:電力市場(chǎng)、電力規(guī)劃、電網(wǎng)運(yùn)行、負(fù)荷預(yù)測(cè)。E-mail： qingxia@tsinghua.edu.cn

(編輯孔麗蓓)