考慮可再生能源參與的調(diào)峰交易機(jī)制設(shè)計(jì)

楊 萌, 張粒子, 楊巍巍

(1. 華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院, 北京市 102206; 2. 國家電網(wǎng)公司東北分部, 遼寧省沈陽市 110181)

0 引言

在中國現(xiàn)有上網(wǎng)電價(jià)形成機(jī)制下,調(diào)峰是由全體發(fā)電企業(yè)共同擔(dān)負(fù)的跟蹤負(fù)荷,實(shí)現(xiàn)發(fā)用電均衡的一項(xiàng)重要工作。隨著可再生能源滲透率的提高,調(diào)峰不僅要滿足負(fù)荷周期性的變化,還要滿足可再生能源出力的波動性變化,然而該部分調(diào)峰的增量需求所對應(yīng)的成本,目前在國內(nèi)多數(shù)地區(qū)并未得到充分的補(bǔ)償。

國外成熟電力市場依靠電能現(xiàn)貨市場,實(shí)現(xiàn)供需的匹配,確定發(fā)電機(jī)組的出力計(jì)劃,通過市場競爭形成時(shí)序電價(jià)來解決調(diào)峰的問題。在市場環(huán)境下,為了更好地迎合時(shí)序電價(jià)的變化趨勢,學(xué)界紛紛嘗試將可控性更好的水電、電儲能裝置,甚至需求側(cè)資源與可再生能源發(fā)電相結(jié)合,通過改變整體發(fā)電出力的時(shí)間分布特性,獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益。

由于國內(nèi)尚未建立完整的電力現(xiàn)貨市場體系,目前仍主要通過計(jì)劃手段,在常規(guī)電源間分?jǐn)傉{(diào)峰權(quán)責(zé),且不同于建立電力現(xiàn)貨市場的地區(qū),國內(nèi)所指的調(diào)峰更多關(guān)注的是負(fù)荷低谷時(shí)段的減發(fā)能力[1-5]。國內(nèi)目前多數(shù)地區(qū)執(zhí)行“兩個(gè)細(xì)則”的有關(guān)規(guī)定,對有償調(diào)峰予以經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償。隨著調(diào)峰矛盾的突出,為體現(xiàn)市場主體在提供調(diào)峰時(shí)意愿和效果的差異,華北和東北[6]區(qū)域做出了新的嘗試。其中,京津唐電網(wǎng)調(diào)峰2013年起采用按貢獻(xiàn)度補(bǔ)償?shù)姆绞?而東北電網(wǎng)則于2014年啟動了調(diào)峰市場,對深度調(diào)峰分段出清。截至目前,山東、山西、新疆、福建、寧夏等省份也紛紛開展了競價(jià)調(diào)峰交易。

相對于“兩個(gè)細(xì)則”中規(guī)定的其他輔助服務(wù)類型,調(diào)峰存在更為明確的責(zé)任體和受益體,且隨著發(fā)電能源類型的多元化,調(diào)峰更多地體現(xiàn)出系統(tǒng)提升靈活性的需求[4, 7-8]。目前對于調(diào)峰補(bǔ)償機(jī)制的研究主要基于成本分析統(tǒng)計(jì),以求得一個(gè)相對合理的補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn),計(jì)算依據(jù)主要是水火電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)特性[9-12]。除了基于成本的方法,還有一部分研究從調(diào)峰普遍責(zé)任出發(fā),對調(diào)峰權(quán)[13-15]交易機(jī)制進(jìn)行了討論,在一定程度上體現(xiàn)了系統(tǒng)對于調(diào)峰效果的需求。另外,基于調(diào)峰責(zé)任的分析,無償和有償調(diào)峰的邊界如何劃分[10, 16]也是一個(gè)值得關(guān)注的問題。由于發(fā)電出力的不確定性,以風(fēng)電為代表的可再生能源通常被認(rèn)為是調(diào)峰的消費(fèi)者[2-3, 17-18],在超出常規(guī)機(jī)組調(diào)峰認(rèn)定的能力時(shí),只能被動地接受棄風(fēng)、棄光的調(diào)度指令,對其運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性考慮不足。在某些情形下,可再生能源也可以成為調(diào)峰的提供者,以主動降低出力等方式,避免火電等傳統(tǒng)能源機(jī)組在短時(shí)負(fù)荷低谷強(qiáng)行壓低負(fù)荷率甚至關(guān)停,造成額外的經(jīng)濟(jì)損失和安全風(fēng)險(xiǎn)。在運(yùn)行層面,調(diào)峰問題的處理主要是基于經(jīng)濟(jì)調(diào)度理論建立優(yōu)化模型,在機(jī)組組合過程中考慮調(diào)峰的隨機(jī)性需求[19]。在論證調(diào)峰概念和權(quán)責(zé)的基礎(chǔ)上,本文對現(xiàn)有調(diào)峰補(bǔ)償機(jī)制進(jìn)行了歸納,基于調(diào)峰效果提出了一種考慮可再生能源參與的調(diào)峰交易機(jī)制,并通過算例驗(yàn)證了其有效性。

1 調(diào)峰的概念與特征

根據(jù)《并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理暫行辦法》(電監(jiān)市場〔2006〕43號)規(guī)定,輔助服務(wù)是指為維護(hù)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行,保證電能質(zhì)量,除正常電能生產(chǎn)、輸送、使用外,由發(fā)電企業(yè)、電網(wǎng)經(jīng)營企業(yè)和電力用戶提供的服務(wù),包括:一次調(diào)頻、自動發(fā)電控制(AGC)、調(diào)峰、無功調(diào)節(jié)、備用和黑啟動服務(wù)等。值得注意的是,上述輔助服務(wù)定義中正常的電能生產(chǎn)、輸送和使用是通過電量計(jì)劃或者電力交易實(shí)現(xiàn)的,因此該定義可以解讀為輔助服務(wù)是排除電能量交易和計(jì)劃之外的。從這個(gè)角度來說,如果調(diào)峰過程中產(chǎn)生的電量變化會在本年度后續(xù)月份追補(bǔ),不影響年度電量計(jì)劃的執(zhí)行,則調(diào)峰可以納入輔助服務(wù)的范疇;但如果調(diào)峰電量不予追補(bǔ),則發(fā)生了發(fā)電指標(biāo)的流動,此時(shí)調(diào)峰實(shí)質(zhì)發(fā)生了電量交易的行為,不再應(yīng)作為輔助服務(wù)品種存在。

此外,“兩個(gè)細(xì)則”中對于調(diào)峰的技術(shù)要求主要體現(xiàn)在機(jī)組出力相對于可調(diào)出力的比率上,一般是設(shè)定為火電機(jī)組最大可調(diào)出力的50%左右。然而,隨著調(diào)峰壓力的增加,需要引入更多的調(diào)峰資源,包括電儲能裝置、抽蓄電站、需求側(cè)資源,甚至可再生能源等各種類型的發(fā)電機(jī)組理論上均可以參與調(diào)峰。因此,調(diào)峰不應(yīng)局限于傳統(tǒng)水火電機(jī)組出力與容量比的概念,其定義應(yīng)具備更普遍的內(nèi)涵和更廣泛的外延,即定義為:電力系統(tǒng)各類資源(包括發(fā)電資源、儲能設(shè)備和需求側(cè)資源),為保障電力電量平衡,有計(jì)劃地按照電網(wǎng)負(fù)荷變化需求,進(jìn)行自身發(fā)電出力或用電負(fù)荷調(diào)節(jié)的行為。該服務(wù)具有普遍性、多樣性、經(jīng)濟(jì)性、持續(xù)性和指向性五個(gè)顯著特征。下面將對每種特征進(jìn)行具體說明。

1)普遍性

普遍性指對于電力系統(tǒng)所有參與到電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)發(fā)用電過程中的調(diào)峰資源,均應(yīng)當(dāng)承擔(dān)相應(yīng)的調(diào)峰“責(zé)權(quán)”。調(diào)峰應(yīng)當(dāng)對所有資源做到無歧視、無偏袒。所有發(fā)電機(jī)組均有跟蹤負(fù)荷峰谷變化的責(zé)任,因此從調(diào)峰公平的角度,理想的情況是所有并網(wǎng)運(yùn)行機(jī)組均按照負(fù)荷曲線的形狀改變其出力,其出力大小取決于其瞬時(shí)可用容量占系統(tǒng)總體可調(diào)容量的比例,從而實(shí)現(xiàn)“平等”的負(fù)荷跟蹤。雖然發(fā)電機(jī)組的平均調(diào)峰曲線在現(xiàn)實(shí)中受機(jī)組最小出力、爬坡速度、啟停狀態(tài),以及網(wǎng)絡(luò)阻塞等約束的限制,是不可能實(shí)際運(yùn)行的,但并不妨礙這一理想曲線作為衡量調(diào)峰多少的參照基準(zhǔn)?？紤]上述約束后,定性而言,機(jī)組在負(fù)荷高峰時(shí)出力越高,在負(fù)荷低谷時(shí)出力越低,則對系統(tǒng)調(diào)峰的貢獻(xiàn)越大。

2)多樣性

在系統(tǒng)調(diào)度機(jī)構(gòu)調(diào)用調(diào)峰資源的過程中,一方面,從系統(tǒng)角度來看,在不同的時(shí)間尺度下,調(diào)度機(jī)構(gòu)所需要利用的調(diào)峰資源是不同的;在不同的時(shí)間段,系統(tǒng)所需要的調(diào)峰類型也存在著不同,例如,在系統(tǒng)高峰時(shí)段,往往出現(xiàn)供小于求情況,調(diào)度機(jī)構(gòu)將需要調(diào)峰資源增加出力(或減小用電),可視為“上調(diào)服務(wù)”,而在系統(tǒng)低谷時(shí)段,往往出現(xiàn)供大于求情況,調(diào)度機(jī)構(gòu)將需要調(diào)峰資源減小出力(或增加用電,可視為“下調(diào)服務(wù)”;而機(jī)組通過啟停調(diào)峰,也可以視為一種特殊的上下調(diào)節(jié)服務(wù)。

另一方面,從調(diào)峰資源角度來看,不同的調(diào)峰資源在不同時(shí)間尺度上對負(fù)荷變化的響應(yīng)能力也存在著區(qū)別。因此,在市場機(jī)制的設(shè)計(jì)過程中,應(yīng)當(dāng)充分考慮不同調(diào)峰資源間調(diào)峰能力的差異性,從而設(shè)計(jì)合適的機(jī)制以激勵各類資源參與調(diào)峰。

3)經(jīng)濟(jì)性

調(diào)度機(jī)構(gòu)調(diào)用調(diào)峰保障供需平衡的同時(shí),應(yīng)當(dāng)盡量提高系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。各類調(diào)峰資源在面對不同的工況、負(fù)荷、一次能源供應(yīng)等情況時(shí),其運(yùn)行成本和機(jī)會成本隨之變化,在參與調(diào)峰過程中會體現(xiàn)出迥異的經(jīng)濟(jì)特征。例如,當(dāng)某一電力系統(tǒng)已具備較好的應(yīng)對供應(yīng)或負(fù)荷大幅波動時(shí)的快速響應(yīng)能力時(shí),繼續(xù)投入調(diào)節(jié)性能較強(qiáng)但成本較高的設(shè)備,如燃?xì)鈾C(jī)組、儲能設(shè)施等會造成資源的浪費(fèi);同時(shí),調(diào)度機(jī)構(gòu)在利用具有相同技術(shù)性能的靈活性資源時(shí),應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮利用更具成本效益的資源。

4)持續(xù)性

持續(xù)性指相對于輔助服務(wù)中其他有功服務(wù)類型,如一次調(diào)頻、二次調(diào)頻,調(diào)峰所跟蹤的是調(diào)度機(jī)構(gòu)的連續(xù)多分鐘的調(diào)度指令(如以15 min或5 min為一個(gè)基本時(shí)間間隔)形成的修正發(fā)電計(jì)劃,而非實(shí)時(shí)變化的秒級瞬時(shí)出力,在響應(yīng)速率上相對更慢,但作用時(shí)間更長。同時(shí),由于調(diào)峰的時(shí)間跨度相對更大,且主要關(guān)注點(diǎn)著眼放在發(fā)電出力的相對調(diào)整的時(shí)間積分,而非實(shí)時(shí)功率的變化上,故總體所涉及的電量規(guī)模較其他有功服務(wù)調(diào)用過程大得多。

5)指向性

指向性是指調(diào)峰的權(quán)責(zé)相對于其他輔助服務(wù)類型,更加明確。一方面,電力系統(tǒng)的所有調(diào)峰資源主體均承擔(dān)著一部分的調(diào)峰義務(wù),而在履行調(diào)峰義務(wù)之外,調(diào)峰資源所提供額外服務(wù),則需要獲得額外補(bǔ)償;另一方面,對于某個(gè)特定市場主體而言,由于受到自身的出力/用電特性、經(jīng)營策略、意外事故等因素的影響,其在完成自身“義務(wù)”調(diào)峰責(zé)任的過程中,若無法達(dá)到預(yù)期目標(biāo),需要其他調(diào)峰資源為其完成這部分調(diào)峰責(zé)任的差額部分,因此事實(shí)上該資源享受了其他調(diào)峰資源所提供的服務(wù),應(yīng)當(dāng)給予為其提供服務(wù)的調(diào)峰資源一定程度的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償。

2 調(diào)峰補(bǔ)償機(jī)制分析

2.1 火電調(diào)峰成本分析

火電機(jī)組參與調(diào)峰主要有深度調(diào)峰和啟停調(diào)峰兩種方式。當(dāng)不考慮投油調(diào)峰的運(yùn)行方式時(shí),火電機(jī)組深度調(diào)峰的主要成本為煤耗量增加的成本、由于機(jī)組壽命縮短而加速折舊的成本以及因機(jī)組磨損造成的維修費(fèi)用增加成本?；痣姍C(jī)組啟停機(jī)、爐時(shí)會產(chǎn)生啟停成本,機(jī)組啟停也會造成機(jī)組壽命的縮短。機(jī)組的啟停成本可以根據(jù)啟停機(jī)、鍋爐的煤耗成本等進(jìn)行測算或估算,而啟停造成的機(jī)組壽命縮短成本則由于缺乏統(tǒng)計(jì)或試驗(yàn)數(shù)據(jù)很難進(jìn)行測算或估算(燃?xì)鈾C(jī)組除外)。

2.2 風(fēng)電調(diào)峰成本分析

風(fēng)電作為清潔能源,其發(fā)電成本構(gòu)成與常規(guī)能源有較大差別,應(yīng)區(qū)別對待。風(fēng)電場初期投資較大,但由于不需要燃料,因此單位電量所含的運(yùn)行費(fèi)用遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)火電廠。風(fēng)電是通過電價(jià)的形式進(jìn)行補(bǔ)貼的,因此沒有足夠的發(fā)電量,風(fēng)電企業(yè)無法獲得足夠的效益。如果風(fēng)電企業(yè)通過支付一部分費(fèi)用,獲得火電企業(yè)更多的深度調(diào)峰支持,保障充分發(fā)電量和利用率,將有利于形成雙贏的局面。另一方面,當(dāng)面臨火電機(jī)組必須通過啟停調(diào)峰實(shí)現(xiàn)風(fēng)電消納的嚴(yán)峻情況時(shí),選擇適當(dāng)棄風(fēng)將有利于避免由于火電啟停過程帶來的超額排放和燃料消耗。因此,本著資源優(yōu)勢互補(bǔ)和市場公平的原則,應(yīng)將風(fēng)電等可再生能源納入調(diào)峰市場中來,理順利益關(guān)系,充分調(diào)動各種資源參與調(diào)峰的積極性。

2.3 調(diào)峰對電量交易的影響

根據(jù)機(jī)組參與調(diào)峰時(shí)出力的變化方向,可以將調(diào)峰區(qū)分為上調(diào)峰和下調(diào)峰。

上調(diào)峰是指在負(fù)荷需求高于預(yù)期時(shí),機(jī)組按照調(diào)度要求提高出力以滿足負(fù)荷需求的行為。通常情況下,由于機(jī)組運(yùn)行時(shí)出力通常低于其額定功率,在執(zhí)行上調(diào)峰任務(wù)時(shí),其運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性會有所提升,并能夠獲得額外發(fā)電機(jī)會,從而提高發(fā)電收益;由于目前國內(nèi)電力價(jià)格尚未完全市場化,在燃料市場價(jià)格較高時(shí),發(fā)電企業(yè)為了避免虧損,有可能不愿意參與上調(diào)峰。上調(diào)峰的主要約束在于機(jī)組的最大出力和機(jī)組接入網(wǎng)絡(luò)的輸電容量。

通常所指的調(diào)峰為下調(diào)峰,即機(jī)組按照調(diào)度要求降低出力以滿足負(fù)荷低谷電力平衡需求的行為。火電機(jī)組降低出力,其平均能耗將有一定幅度的增長,運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性下降,其發(fā)電量的損失將通過后期調(diào)度過程滾動補(bǔ)回,但該滾動過程僅能保證基數(shù)合同電量的完成率與其他發(fā)電企業(yè)基本一致,下調(diào)峰造成的經(jīng)濟(jì)損失則需要通過上述細(xì)則進(jìn)行補(bǔ)償。

2.4 傳統(tǒng)電力調(diào)峰補(bǔ)償機(jī)制

根據(jù)《并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理暫行辦法》(電監(jiān)市場〔2006〕43號)規(guī)定,電力調(diào)峰分為基本調(diào)峰和有償調(diào)峰,基本調(diào)峰是指發(fā)電機(jī)組在規(guī)定的出力調(diào)整范圍內(nèi),為了跟蹤負(fù)荷的峰谷變化而有計(jì)劃的、按照一定調(diào)節(jié)速度進(jìn)行的發(fā)電機(jī)組出力調(diào)整所提供的服務(wù);有償調(diào)峰是指發(fā)電機(jī)組超過規(guī)定的調(diào)峰深度進(jìn)行調(diào)峰,以及火力發(fā)電機(jī)組按電力調(diào)度交易機(jī)構(gòu)要求在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成啟停機(jī)(爐)進(jìn)行調(diào)峰所提供的服務(wù)。國內(nèi)各省區(qū)出臺執(zhí)行的輔助服務(wù)細(xì)則中,對有償調(diào)峰的邊界一般約定為火電機(jī)組的50%,部分省市根據(jù)本地實(shí)際需求和調(diào)峰能力,將基本調(diào)峰的邊界設(shè)置得更低。

當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)該機(jī)制時(shí),主要考慮傳統(tǒng)的火電和水電作為系統(tǒng)調(diào)峰資源,且應(yīng)對的主要是用電負(fù)荷的日內(nèi)周期變化,簡單的設(shè)計(jì)也在一定時(shí)期內(nèi)發(fā)揮了積極的作用。通過上述對火電和風(fēng)電調(diào)峰成本的分析,可知影響調(diào)峰成本的因素較多,難以精確估算,因此采用統(tǒng)一的補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)峰補(bǔ)償只能實(shí)現(xiàn)形式上定性的鼓勵,缺乏對不同調(diào)峰資源技術(shù)經(jīng)濟(jì)特性的適應(yīng)與激勵。隨著可再生能源的大規(guī)模并網(wǎng),以及近期負(fù)荷增長的放緩,傳統(tǒng)電力調(diào)峰補(bǔ)償機(jī)制的局限性逐漸凸顯。

2.5 按出力比分段的競價(jià)調(diào)峰交易

以東北調(diào)峰市場為代表的競價(jià)調(diào)峰交易的將機(jī)組出力相對于其最大可調(diào)出力的比例作為競價(jià)標(biāo)的,對出力比進(jìn)行分檔出清競價(jià)。目前執(zhí)行的競價(jià)調(diào)峰交易均未考慮調(diào)峰電量對于年度計(jì)劃電量的影響,不約而同地選擇通過后續(xù)滾動的方式,滿足調(diào)峰機(jī)組完成電量計(jì)劃的要求。該交易模式下,發(fā)電機(jī)組報(bào)價(jià)將只考慮由于深度調(diào)峰造成的效率損失等變動成本,而無須考慮電量損失造成的機(jī)會成本。因此,深度調(diào)峰報(bào)價(jià)在后期追補(bǔ)電量的前提下,與電能價(jià)格是完全解耦的,其邊際出清價(jià)格僅反映系統(tǒng)內(nèi)火電機(jī)組在不同出力比檔位下,降出力運(yùn)行的效率損失成本。

此外,由于該模式是以風(fēng)火系統(tǒng)為藍(lán)本設(shè)計(jì)的,將出力比作為交易標(biāo)的,默認(rèn)火電機(jī)組為調(diào)峰的提供者,當(dāng)把水電、燃?xì)狻⒊樾?甚至儲能和需求側(cè)資源引入之后,出力比將難以反映各類資源的調(diào)峰深度與系統(tǒng)貢獻(xiàn)的對應(yīng)關(guān)系,不同資源的調(diào)峰貢獻(xiàn)也隨之在數(shù)量上不可比,因此在多元調(diào)峰資源的協(xié)調(diào)上有所局限。

為克服該局限性,可不以出力比作為交易標(biāo)的,而直接將各時(shí)段的上、下調(diào)節(jié)出力作為交易標(biāo)的,對應(yīng)滿足系統(tǒng)的調(diào)峰需求。另外,若進(jìn)一步引入不追補(bǔ)電量的規(guī)則,則調(diào)峰報(bào)價(jià)將體現(xiàn)發(fā)電機(jī)會成本,出清價(jià)格將能夠在一定程度上反映系統(tǒng)在各時(shí)段實(shí)現(xiàn)電力供需平衡所需的邊際成本。

2.6 基于貢獻(xiàn)度的調(diào)峰補(bǔ)償

《京津唐電網(wǎng)并網(wǎng)發(fā)電廠調(diào)峰輔助服務(wù)補(bǔ)償實(shí)施細(xì)則(征求意見稿)》改變了按基本調(diào)峰深度補(bǔ)償?shù)姆绞?引入了以調(diào)峰貢獻(xiàn)作為補(bǔ)償依據(jù)。這里將調(diào)峰貢獻(xiàn)度定義為機(jī)組峰谷時(shí)段平均出力之比與全網(wǎng)總加負(fù)荷峰谷時(shí)段平均電力之比的差值,并以此為依據(jù)進(jìn)行調(diào)峰補(bǔ)償和費(fèi)用分?jǐn)?。該?xì)則強(qiáng)調(diào)“隨行就市”,即以每天全網(wǎng)負(fù)荷曲線為基準(zhǔn),量化出各臺機(jī)組的調(diào)峰貢獻(xiàn),正貢獻(xiàn)的機(jī)組獲得調(diào)峰補(bǔ)償,負(fù)貢獻(xiàn)的機(jī)組承擔(dān)相應(yīng)補(bǔ)償費(fèi)用。

該模式雖然仍屬于計(jì)劃性質(zhì)的事后補(bǔ)償機(jī)制,但相對于現(xiàn)行輔助服務(wù)補(bǔ)償規(guī)定中比較粗略的深度調(diào)峰判定方式,已經(jīng)能夠更清晰地體現(xiàn)出系統(tǒng)的調(diào)峰需求以及市場成員個(gè)體對于整體調(diào)峰的貢獻(xiàn)程度,可以歸為按調(diào)峰效果補(bǔ)償?shù)臋C(jī)制。由于采用了系統(tǒng)調(diào)峰需求和個(gè)體調(diào)峰效果的視角,該機(jī)制更適用于多元調(diào)峰資源之間的優(yōu)化配置。該模式的難點(diǎn)在于補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)定,當(dāng)前試行規(guī)則中調(diào)峰貢獻(xiàn)度所對應(yīng)的單位補(bǔ)償價(jià)格在只考慮火電機(jī)組時(shí)可以通過熱耗率實(shí)驗(yàn)或參考國標(biāo),結(jié)合典型負(fù)荷曲線進(jìn)行估算。估算結(jié)果由于受負(fù)荷的周期性變化和不確定性影響,會存在一定偏差。機(jī)組自身能源類型、新舊程度、運(yùn)維水平、燃料質(zhì)量等因素也會影響其熱耗率[20-23],出于經(jīng)營策略考慮,這些信息往往是不透明的。如果進(jìn)一步開展競價(jià)交易,以調(diào)峰貢獻(xiàn)度為競價(jià)標(biāo)的,則市場成員在報(bào)價(jià)時(shí)也難以預(yù)料自身行為與系統(tǒng)調(diào)峰需求的準(zhǔn)確對應(yīng)關(guān)系。

2.7 現(xiàn)行調(diào)峰補(bǔ)償機(jī)制評價(jià)

綜上所述,東北區(qū)域?yàn)榇淼恼{(diào)峰市場和華北區(qū)域?yàn)榇淼恼{(diào)峰貢獻(xiàn)度補(bǔ)償機(jī)制在不同程度上體現(xiàn)了對調(diào)峰5個(gè)特征的考慮。

傳統(tǒng)調(diào)峰補(bǔ)償和調(diào)峰市場均根據(jù)一般經(jīng)驗(yàn)將火電機(jī)組為代表的傳統(tǒng)能源作為深度調(diào)峰的主力資源,而將可再生能源視為調(diào)峰的需求者,固化了其在調(diào)峰中的角色。調(diào)峰貢獻(xiàn)度的方式,則在體現(xiàn)調(diào)峰普遍性的方面有著天然的優(yōu)勢,從系統(tǒng)整體需求的角度出發(fā),對所有市場主體劃定出一個(gè)統(tǒng)一的判定標(biāo)準(zhǔn),便于在特殊條件下體現(xiàn)一般被視為調(diào)峰需求者的可再生能源和需求側(cè)對于系統(tǒng)調(diào)峰的正向貢獻(xiàn)。

傳統(tǒng)補(bǔ)償僅對負(fù)荷低谷時(shí)段的下調(diào)峰進(jìn)行補(bǔ)償,且不考慮不同時(shí)段調(diào)峰需求的變化。調(diào)峰市場雖然也僅針對下調(diào)峰進(jìn)行競價(jià),但由于分時(shí)段競價(jià),能夠在報(bào)價(jià)中體現(xiàn)出不同時(shí)段參與者調(diào)峰意愿的差異。調(diào)峰貢獻(xiàn)度能夠體現(xiàn)峰谷時(shí)段調(diào)峰需求的變化,以及不同調(diào)峰資源的參與程度,在現(xiàn)有三種調(diào)峰補(bǔ)償機(jī)制中最能體現(xiàn)調(diào)峰的多樣性。

傳統(tǒng)補(bǔ)償最初是以當(dāng)時(shí)水火電試驗(yàn)的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)測定的補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn),但隨著時(shí)間的推移,物價(jià)水平和技術(shù)手段均發(fā)生了顯著的變化,且廠網(wǎng)分開后電廠的實(shí)際調(diào)峰成本變得愈加不透明,因此經(jīng)濟(jì)性已不能良好體現(xiàn)。調(diào)峰市場雖然沒有實(shí)現(xiàn)電量計(jì)劃的改變,競價(jià)仍能體現(xiàn)出變動成本的差異,對調(diào)峰經(jīng)濟(jì)性的表現(xiàn)相對充分。調(diào)峰貢獻(xiàn)度本身是一個(gè)比較抽象的概念,其補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)定偏定性,難以準(zhǔn)確反映機(jī)組調(diào)峰成本,在經(jīng)濟(jì)性的表現(xiàn)上略次于調(diào)峰市場。

傳統(tǒng)補(bǔ)償約定在低于一定出力比后,均認(rèn)定為有償調(diào)峰,并將持續(xù)積分電量作為調(diào)峰電量,以此為補(bǔ)償依據(jù),體現(xiàn)了調(diào)峰在時(shí)間上持續(xù)性的特點(diǎn)。調(diào)峰市場的每一個(gè)競價(jià)時(shí)段內(nèi),也是按積分電量進(jìn)行結(jié)算的,也體現(xiàn)了調(diào)峰的持續(xù)性。調(diào)峰貢獻(xiàn)度也是在考慮持續(xù)性的基礎(chǔ)上設(shè)出來的計(jì)算指標(biāo),但由于其補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)的物理含義比較模糊,沒有前兩者體現(xiàn)得直接充分。

傳統(tǒng)補(bǔ)償將調(diào)峰補(bǔ)償費(fèi)用分?jǐn)偘措娏炕螂娰M(fèi)比例給發(fā)電企業(yè),分?jǐn)傔^程沒有再考慮各個(gè)主體調(diào)峰的多寡,指向性不明顯。調(diào)峰市場根據(jù)一般經(jīng)驗(yàn),人為地將火電等傳統(tǒng)能源機(jī)組指定為提供者,而將可再生能源指定為需求者,雖然有所指向,但與現(xiàn)實(shí)不盡相符。調(diào)峰貢獻(xiàn)度不僅能夠反映發(fā)電企業(yè)之間調(diào)峰參與的程度區(qū)別,更可以進(jìn)一步將電力用戶納入其中,因此指向性最為明確清晰。

3 調(diào)峰市場機(jī)制設(shè)計(jì)

為了引入更廣泛的調(diào)峰資源,將各類調(diào)峰放在統(tǒng)一的平臺上進(jìn)行優(yōu)化配置,首先需要確定一個(gè)用于判定調(diào)峰量的參照基準(zhǔn),再基于此基準(zhǔn)進(jìn)行競價(jià)調(diào)峰交易機(jī)制設(shè)計(jì)。

1)以平均調(diào)峰曲線作為調(diào)峰量化的基準(zhǔn)

如前文所述,調(diào)峰的普遍性要求所有發(fā)電企業(yè)平均的分?jǐn)傉{(diào)峰責(zé)任。因此,調(diào)度機(jī)構(gòu)可根據(jù)各類電源各時(shí)段置信容量占比在日前將次日負(fù)荷預(yù)測曲線進(jìn)行分配,各類型電源根據(jù)裝機(jī)容量將負(fù)荷曲線分配到每個(gè)主體(機(jī)組或電廠),得到每臺機(jī)組的平均調(diào)峰曲線。其中,火電置信容量為考慮系統(tǒng)備用的系統(tǒng)火電機(jī)組開機(jī)容量,水電和可再生能源各時(shí)段的置信容量為考慮一定置信度的日前出力預(yù)測。

受一次能源供給、機(jī)組出力技術(shù)要求、市場成員報(bào)價(jià)策略等因素影響,最終形成的日前發(fā)電計(jì)劃會相對上述平均調(diào)峰曲線發(fā)生比較大的調(diào)整。這一調(diào)整過程可以視為發(fā)電側(cè)調(diào)峰責(zé)任的再次分配,在負(fù)荷總需求不變的前提下。各調(diào)度時(shí)段每臺并網(wǎng)運(yùn)行機(jī)組的出力計(jì)劃相對于平均調(diào)峰曲線的變化反映了市場主體相互之間的發(fā)電機(jī)會的交換,而該變化相對于負(fù)荷變化趨勢的方向,則體現(xiàn)了其調(diào)峰貢獻(xiàn)的正負(fù)?？蓪⑵骄{(diào)峰曲線作為調(diào)峰是否有貢獻(xiàn)的參考基準(zhǔn),對偏離該曲線的正負(fù)向調(diào)節(jié)進(jìn)行量化,從而得到每個(gè)市場成員的累計(jì)調(diào)峰量。

2)基于增減出力的價(jià)格優(yōu)先次序出清

日前發(fā)電計(jì)劃的制定和實(shí)時(shí)運(yùn)行的調(diào)整均基于競價(jià)調(diào)峰交易的報(bào)價(jià)按低價(jià)優(yōu)先的次序?qū)崿F(xiàn)出清。競價(jià)調(diào)峰交易可以使電網(wǎng)調(diào)度員能夠按照收到的增減出力(負(fù)荷)報(bào)價(jià),調(diào)整發(fā)電出力或用戶負(fù)荷,從而更經(jīng)濟(jì)地維持系統(tǒng)的能量平衡和安全運(yùn)行。發(fā)電企業(yè)根據(jù)機(jī)組的發(fā)電出力情況、已簽訂的發(fā)電合同以及各自的報(bào)價(jià)策略自主決定是否參與調(diào)峰交易。如果參與調(diào)峰交易,可以根據(jù)市場規(guī)則提前數(shù)小時(shí)或提前數(shù)個(gè)交易時(shí)段向相應(yīng)的調(diào)度機(jī)構(gòu)申報(bào)相對于平均調(diào)峰曲線的可用上調(diào)出力范圍及上調(diào)價(jià)格和可用下調(diào)出力范圍及下調(diào)價(jià)格(也可以將機(jī)組在日前市場中的報(bào)價(jià)數(shù)據(jù)作為實(shí)時(shí)平衡交易市場的報(bào)價(jià)數(shù)據(jù)),實(shí)時(shí)調(diào)度交易計(jì)劃的制定,也將基于日前報(bào)價(jià)進(jìn)行調(diào)用。另外,從需求側(cè)的角度,用電方減少負(fù)荷報(bào)價(jià)相當(dāng)于發(fā)電企業(yè)增加出力報(bào)價(jià),用電方增加負(fù)荷報(bào)價(jià)相當(dāng)于發(fā)電企業(yè)減少出力報(bào)價(jià)。

3)根據(jù)實(shí)際調(diào)用情況結(jié)算調(diào)峰費(fèi)用

中標(biāo)成員的實(shí)際發(fā)電計(jì)劃相對于平均調(diào)峰曲線的變化量,將作為調(diào)峰電量參與結(jié)算,即將每個(gè)時(shí)段按照中標(biāo)成員實(shí)際增減出力與其中標(biāo)價(jià)格的乘積,按時(shí)間進(jìn)行積分,得到的全天的累計(jì)總額作為該成員的調(diào)峰補(bǔ)償總額。費(fèi)用來源則可以根據(jù)調(diào)峰時(shí)段對應(yīng)的電量或者電費(fèi)比例,由所有市場參與者分?jǐn)?并逐步過渡到直接由用戶側(cè)根據(jù)用電比例分?jǐn)偂?/p>

將文中提出的調(diào)峰市場機(jī)制與第2節(jié)所述國內(nèi)現(xiàn)有三種主要的調(diào)峰補(bǔ)償機(jī)制進(jìn)行對比可知:①由于以增減出力為競價(jià)標(biāo)的,各類調(diào)峰資源均可以參與其中,普遍性得到了充分體現(xiàn);②調(diào)峰資源基于平均調(diào)峰曲線報(bào)上下調(diào)整出力及其價(jià)格,能夠?qū)?yīng)到不同報(bào)價(jià)對應(yīng)的工況,從而體現(xiàn)出不同時(shí)段、不同動作、不同狀態(tài)的多樣性特征;③隨著現(xiàn)貨市場的開展和發(fā)用電計(jì)劃的放開,傳統(tǒng)計(jì)劃模式下分配的年度電量將難以完全執(zhí)行,以發(fā)電機(jī)組為代表的調(diào)峰資源將不得不面對由于參與調(diào)峰造成的發(fā)電機(jī)會損失,其報(bào)價(jià)將主要考慮變動成本和機(jī)會成本兩部分,競價(jià)過程能夠反映出資源優(yōu)化配置的經(jīng)濟(jì)性;④持續(xù)性在結(jié)算過程中通過積分的方式得以實(shí)現(xiàn);⑤中標(biāo)成員所得調(diào)峰補(bǔ)償費(fèi)用反映了其每個(gè)時(shí)段根據(jù)系統(tǒng)調(diào)峰需求完成出力調(diào)節(jié)的貢獻(xiàn),具有明確的指向性。四種調(diào)峰補(bǔ)償機(jī)制的對比如圖1所示。

圖1 四種調(diào)峰補(bǔ)償機(jī)制的對比Fig.1 Comparison of four peak shaving compensation mechanisms

4 算例驗(yàn)證

在當(dāng)前國內(nèi)電力供大于求的大環(huán)境下,上調(diào)出力的調(diào)峰缺口可以忽略,下調(diào)出力需求的實(shí)現(xiàn)是關(guān)注點(diǎn)。結(jié)合當(dāng)前輔助服務(wù)管理細(xì)則中有償和無償調(diào)峰的規(guī)定,機(jī)組在滿足一定調(diào)峰深度的范圍內(nèi),仍屬于無償調(diào)峰的范疇。由此,上述競價(jià)調(diào)峰的參照標(biāo)準(zhǔn),可以由平均調(diào)峰曲線替換為基本深度調(diào)峰的出力下限(如目前采用的50%負(fù)荷率),將參照標(biāo)準(zhǔn)簡化為一條直線。

以一個(gè)風(fēng)火系統(tǒng)為例,系統(tǒng)可調(diào)火電裝機(jī)容量18 000 MW,風(fēng)電裝機(jī)容量10 000 MW。某日負(fù)荷和風(fēng)電出力情況如圖2所示,假設(shè)當(dāng)日內(nèi)火電開機(jī)容量保持不變,且在滿足系統(tǒng)安全要求的前提下,盡可能消納風(fēng)電。

安全約束主要體現(xiàn)在滿足功率平衡的要求,主要通過基本調(diào)峰和競價(jià)調(diào)峰交易實(shí)現(xiàn)?；痣姲?0%出力作為基礎(chǔ)調(diào)峰要求時(shí),在00:00—06:00,16:00—18:00和19:00—23:00這3個(gè)時(shí)段存在調(diào)峰缺口,競價(jià)調(diào)峰需求如圖3中黑色折線所示;火電機(jī)組出力如果能降低到最大出力的40%,則00:00—03:00,05:00—06:00和19:00—23:00這3個(gè)時(shí)段仍會出現(xiàn)調(diào)峰缺口,此時(shí)將面臨關(guān)?；痣姍C(jī)組或棄風(fēng)的抉擇,傳統(tǒng)的調(diào)度方式會要求風(fēng)電在火電出力均降低到一定程度時(shí),進(jìn)行強(qiáng)制棄風(fēng),而競價(jià)調(diào)峰則為風(fēng)電與火電之間的抉擇提供了具有經(jīng)濟(jì)性的可能。

圖2 某地區(qū)24 h調(diào)峰需求Fig.2 Peak shaving demands of a region in 24 h

圖3 某地區(qū)24 h競價(jià)調(diào)峰需求及出清價(jià)格Fig.3 Peak shaving demands and clearing price of a region in 24 h

在基本調(diào)峰不能滿足系統(tǒng)需求時(shí),系統(tǒng)中參與競價(jià)調(diào)峰的37臺火電機(jī)組裝機(jī)容量分別為1 000 MW機(jī)組3臺、600 MW機(jī)組16臺、300 MW機(jī)組18臺,以及并網(wǎng)發(fā)電的風(fēng)電可調(diào)容量?？紤]到機(jī)組在不同出力水平下的煤耗差異,并假設(shè)相同容量等級火電機(jī)組調(diào)峰報(bào)價(jià)一致,參考國標(biāo)煤耗隨出力水平的變化規(guī)律,則調(diào)峰報(bào)價(jià)如圖4所示。風(fēng)電的保障性收購價(jià)格按500元/(MW·h)計(jì)算,相應(yīng)的棄風(fēng)報(bào)價(jià)也采用此數(shù)值。

圖4 不同容量機(jī)組調(diào)峰報(bào)價(jià)Fig.4 Peak shaving bidding of generation units with different capacities

根據(jù)上述報(bào)價(jià),在基本調(diào)峰不能滿足系統(tǒng)需求的時(shí)段內(nèi),各小時(shí)的競價(jià)調(diào)峰最終出清結(jié)果如表1所示。

表1 案例競價(jià)調(diào)峰出清結(jié)果Table 1 Clearing results of peak shaving bidding in test case

按傳統(tǒng)調(diào)度方式,調(diào)度機(jī)構(gòu)選擇強(qiáng)制棄風(fēng)時(shí),風(fēng)電得不到任何補(bǔ)償;極端情況下,如果風(fēng)電全部停發(fā)仍不能滿足負(fù)荷低谷運(yùn)行的電力平衡,火電機(jī)組將進(jìn)一步面臨啟停調(diào)峰的指令。按上述報(bào)價(jià)方式,則可以在主動棄風(fēng)、火電深度調(diào)峰和火電啟停調(diào)峰之間進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性決策,在確保系統(tǒng)安全的前提下,更高效地利用調(diào)峰資源。可以看到有四個(gè)時(shí)段邊際調(diào)峰機(jī)組為風(fēng)電,相應(yīng)的調(diào)峰價(jià)格取500元/(MW·h),如果強(qiáng)制要求不允許風(fēng)電參與調(diào)峰,則需要調(diào)用圖4中高于綠色橫線的高價(jià)啟停調(diào)峰。這說明在個(gè)別低谷時(shí)段,允許風(fēng)電以主動棄風(fēng)的方式參與調(diào)峰將實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)更經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行。另外,競價(jià)調(diào)峰費(fèi)用的結(jié)算方式可以按報(bào)價(jià)結(jié)算,也可以按邊際出清價(jià)格結(jié)算。假設(shè)市場成員均理想地按照實(shí)際成本進(jìn)行報(bào)價(jià),則按報(bào)價(jià)結(jié)算相對更經(jīng)濟(jì),但考慮到競價(jià)策略的影響,為了激勵市場成員的報(bào)價(jià)能夠盡量接近真實(shí)成本,推薦采用邊際價(jià)格結(jié)算的方式。

5 結(jié)語

調(diào)峰競價(jià)交易能夠激勵市場成員參與調(diào)峰的積極性,有助于可再生能源的經(jīng)濟(jì)消納。其中,發(fā)揮各類調(diào)峰資源的技術(shù)特征和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢,是實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化配置,經(jīng)濟(jì)安全的破解當(dāng)前調(diào)峰困難局面的關(guān)鍵。本文通過對國內(nèi)現(xiàn)有調(diào)峰補(bǔ)償機(jī)制的分析,總結(jié)出調(diào)峰普遍性、多樣性、經(jīng)濟(jì)性、持續(xù)性和指向性的5個(gè)特點(diǎn),在此基礎(chǔ)上提出的基于平均調(diào)峰曲線偏差調(diào)整的調(diào)峰交易模式,將多元調(diào)峰資源進(jìn)行了整合,在當(dāng)前中國電能量現(xiàn)貨市場尚未建立的過渡期,能夠在一定程度上解決系統(tǒng)調(diào)峰與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行之間的矛盾,且能提供短期系統(tǒng)調(diào)峰邊際成本的價(jià)格信號,能夠在現(xiàn)貨價(jià)格形成之前,為電力投資和經(jīng)營策略提供參考依據(jù)。此外,文中提出的競價(jià)調(diào)峰交易機(jī)制對負(fù)荷預(yù)測和可再生能源出力預(yù)測,以及市場技術(shù)支持系統(tǒng)均有較高要求,但這與國內(nèi)本次電力改革建立電能量現(xiàn)貨市場的目標(biāo)和方向是一致的,在過渡期建立該調(diào)峰交易機(jī)制將是對未來建立更加規(guī)范的現(xiàn)貨市場的有益嘗試。

本文所提出的調(diào)峰交易機(jī)制僅是針對現(xiàn)貨市場建立之前的過渡階段解決調(diào)峰問題的階段性解決方案,受限于電量計(jì)劃的執(zhí)行,并不能實(shí)現(xiàn)發(fā)電經(jīng)濟(jì)性的全局優(yōu)化,適用于在形成全電量競價(jià)的市場之前的計(jì)劃電量的處理。隨著電能量現(xiàn)貨市場的建立,分時(shí)電價(jià)信號將引導(dǎo)包括可再生能源在內(nèi)的發(fā)電企業(yè)主動跟蹤負(fù)荷上下波動,本文所提出的調(diào)峰交易機(jī)制將逐漸轉(zhuǎn)化為市場化電力平衡機(jī)制?？紤]到計(jì)劃電量將以優(yōu)先發(fā)用電計(jì)劃的形式逐漸縮減,甚至長期存在,隨后的研究中如何運(yùn)用市場化手段處理好計(jì)劃與市場的銜接,是值得繼續(xù)深入研究的問題。

(編輯蔡靜雯 施冬敏)