电力市场中灵活性产品的设计及交易机制研究

王小海　齐军　姜希伟　刘译阳　徐飞　李伟

[摘 要]大量可再生能源的发电对于电力系统灵活性提出了更高的要求，为解决我国某些地区大量弃风弃光、切负荷等现象，参照美国加州独立运行机构提出的灵活调节产品（Flexible Ramping Product， FRP）设计符合我国电力市场特点的灵活调节产品交易机制。首先概述灵活性产品提出的必要性和国内外研究现状，然后介绍灵活性产品的基本概念、与传统负荷的区别;简述对灵活性产品的运行机理和可提供灵活性产品的方式;接着根据算例对灵活性产品的定价过程进行说明，并介绍了灵活性产品的出清价格和交易流程;最后对于灵活性产品仍需研究的方面进行了总结。

[关键词]电力市场;灵活性产品;辅助服务

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2020.05.065

2015年，随着国务院9号文的颁布，在习总书记提出的能源革命和电力行业能源互联网快速发展的大背景下，新一轮电力体制改革试点工作在全国迅速铺开。如何践行9号文件的电力改革方向，实现更加灵活的电力系统调度、运行方式，并且吸纳和充分利用更多的灵活性资源，使电网更加灵活，从根本上保障可再生能源优先上网和全额收购，是当前社会各界关注的焦点。

目前我国电力系统灵活性供给与需求不平衡导致大量清洁能源的浪费。以弃风为例，2017年我国弃风电量达到419亿千瓦时，其中内蒙古地区弃风达到95亿千瓦时，2017年尽管我国弃风率同比下降 6.7 個百分点，但离国家规划的2020年弃风率达到 5%的目标还有很大距离，因此如何实现灵活性资源的充分利用和协调运行已然成为电力企业亟须改善的问题。因此，在我国电力市场化改革的大背景下研究灵活性调节产品，不仅能够极大地激发灵活性资源参与提升电网调节能力的积极性，而且对于解决电网灵活性不足，提高电网安全、可靠、经济运行具有重大现实意义。

由于我国新型能源的使用导致用电负荷变化波动较大，传统辅助服务如调峰、调频、调压以及备用等对于提高电力系统灵活性有着积极的影响，但新能源发电具有随机性和不稳定性，系统实际负荷与新能源出力之差，即净负荷值波动较大，因此本文提出了一种灵活性产品来应对更高的电力系统灵活性要求。

目前国外对于灵活调节产品的关注较为普遍，尤其是美国。美国加州独立运行机构已经依据当地电力市场情况提出了一种灵活性产品。我国可再生能源发电率较低，对于灵活性产品的发展仍处于探索阶段。但目前我国某些地区弃风弃光等现象较为严重，灵活性产品对于改善此类现象提供了有效途径，因此灵活性产品是目前需要研究的一项课题。在上述背景下，本文分析引入灵活性产品的必要性，概述其与传统辅助服务的区别，重点研究产品的调用方式以及产品的定价和出清方式，并对有待研究的问题进行探讨。

1 灵活性产品的含义

1.1 灵活性产品的含义及其发展

灵活调节产品（FRP）是一种新的市场产品，其主要用于提高实时调度中的系统运行灵活性，以减轻含间歇性可再生能源发电渗透率较高的电力系统在维持实时平衡时所面临的压力。灵活性产品可以提供的调节容量是指在需求响应时间内，即5～15分钟内，为了满足系统净负荷的变化情况而提供的爬坡或者滑坡能力。灵活性产品可以为系统提供上行调节能力和下行调节能力，为系统提供实时调度能力，对于可再生能源出力的不确定提高较高的灵活性。当面对系统净负荷波动时，首先可以进行短期负荷预测，其次在可再生能源发电特性的同时，确定系统所需爬坡或滑坡能力，最后向具有资质的灵活性产品供应商处购买合适的灵活性产品。

2011年，美国加州独立系统运行机构在面对灵活调节能力问题时首次提出灵活调节产品的雏形——“灵活爬坡约束”（Flexible Ramping Constraints，FRC）。FRC的提出是为了确保实时机组在未来15分钟内具有一定的爬坡能力，即只有上行调节能力，因此只能部分地解决灵活调节需求不足的问题。为了全面解决灵活调节需求，2016年11月1日，美国加州独立系统运行机构正式将FRP作为一种新型交易产品进入电力市场，从此灵活性产品成为一个新的辅助服务产品。

1.2 灵活性产品与传统辅助服务的区别

灵活性产品与传统辅助服务都可以提高电力系统运行灵活性，但它们的目的、定义、调度过程、需求确定方式以及价格确定方式各不相同。下面传统辅助服务以调频和备用为例，三者之间的主要区别如表1所示。

2 灵活性产品的设计

2.1 灵活性产品的价值形成机理

为了提高电力系统的灵活性，FRP首先预留一部分灵活性容量，对实时调度时下一时段可能出现的净负荷变动进行应对，满足变动引起的系统爬坡或者滑坡需求，即灵活调节产品的上行和下行。当灵活调节产品预留出足够的上行和下行灵活调节容量后，通过发电再调度发挥可控发电资源跟踪净负荷变动的能力，提升具有高渗透率间歇性可再生能源发电的能力，从而提高电力系统的运行灵活性，有效缓解因爬坡或滑坡能力不足而造成的弃风、弃光以及切负荷问题。

2.2 灵活产品的供给

目前的电力系统调度中，灵活调节容量主要由传统发电机组提供，也有少部分风电、电动汽车以及电暖器等提供灵活调节产品。可再生能源中，如风能可以为灵活调节产品提供下行灵活调节能力，即滑坡能力;需求侧可以通过降低负荷从而提供上行灵活调节能;长期储能资源由于其本身特性，既可以作为电源产生负荷，也可以作为消耗电能，因此可以提供上行或下行灵活调节能力;短期储能资源不能长期储存能量，因此不适合提供灵活调节能力。可以提供灵活调节容量的资源如表2所示。

2.3 灵活性产品的需求

灵活性产品主要是由下一时段系统净需求确定的。一是系统下一个时段的净负荷相较当前时段变化量，即预测负荷波动;二是为了满足系统净负荷预测一定置信区间（如95%）内的偏差而产生的需求量。灵活性产品的组成公式如下：

3 灵活产品的出清价格及交易机制

3.1 灵活调节产品的出清价格及形成过程

在灵活调节产品供需服务相关费用的市场主体之间，并不存在明显的一一对应关系。需要市场主体对系统运行不确定性贡献程度进行费用分配。因此其价格由机会成本决定，这里的机会成本指参与者由于提供灵活调节容量而不能提供能量所损失的收益。即机会成本就是该时段能量市场上边际出清价格。当某一灵活性资源被调用时，无论FRUs和FRDs出清价格都是该时段实时电价。因此，灵活性产品交易中不需要提前报价，只要提供其调节容量。

假设市场上有六位参与者可提供上行灵活调节能力，其能量报价和机会成本如表3所示。假设参与者1为能量市场的边际出清单元，其能量统一出清价格为3$/MWh，机会成本等于能量报价与能量统一出清价格之差。由于参与者2至参与者6为了提供灵活调节能力而预留部分灵活调节容量，且参与者2至参与者6的能量报价比参与者1的低，因此应该给这五位参与者提供一定的补偿，保证他们不会因为提供灵活调节产品而损失利益。

以上述六位参与者为例，灵活调节产品的定价过程如图1所示，当系统所需爬坡能力小于等于20MW时，参与者1即可提供足够的上行灵活调节能力，因此灵活调节产品价格为0。当系统所需爬坡能力大于20MW小于等于30MW时，参与者2为边际单元，产品价格为2.5$/MWh。参与者3至参与者5的情况以此类推。價格阈值为10$/MWh，即当系统所需爬坡能力超过60MW时，由于参与者6的机会成本高于10$/MWh，假设系统仍需爬坡能力，参与者6也不会提供灵活调节产品。

图1 灵活调节产品的需求曲线

3.2 灵活调节产品的交易机制流程

首先由电力交易机构公布灵活性需求，灵活性产品主体以在能量市场、调频市场及灵活调节产品最优决策上报15min灵活调节产品申报容量。电力调度机构按各灵活调节产品需求，能量市场出清价格对灵活性资源调用容量联合出清，并向各参与主体公开发布。电力调度机构按照参与灵活性产品容量交易的主体被调用的灵活调节容量进行调度，计算调用费用及分摊结果。交易机构按照当日单位统计周期内实际发生补偿金额进行结算。财务部门依据灵活调节产品补偿办法兑现当月补偿金。

4 结论

本文从当前电力市场清洁能源消纳的问题出发，为提高电力系统灵活性，使清洁能源得到充分利用，定义了灵活调节产品，介绍了其与传统辅助服务的区别，总结了灵活调节产品的运行机理、可提供灵活调节的产品、定价过程、出清价格、交易机制等多个方面。目前我国灵活调节产品的应用仍处于初期，现有研究也处于理论阶段。未来仍需研究如何在市场中引入灵活调节产品，并且根据不同地区的市场特征设计合理的交易机制和补偿价格，并且对灵活调节产品的成本及报价策略进行深入探讨。

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[基金项目]内蒙古电力公司2018年科技项目“电力系统灵活性成本量化与协调优化调度研究”（项目编号：2018-14）;吉林省社会科学基金项目“吉林省新能源扶贫项目可持续发展及对策建议研究——以光伏扶贫项目为例”（项目编号2017B45） ; 吉林省教育厅“十三五”社会科学项目“能源革命背景下吉林省新能源发展战略研究”（项目编号： JJKH20170116SK）。

[作者简介]王小海（1968—）， 男，硕士，高级工程师，研究方向：电力系统调度运行;齐军（1979—）， 男，硕士，高级工程师，研究方向：电力系统安全稳定运行。