欧洲灵活备用及市场机制对中国高比例新能源电力市场的启示

王艳阳，乔 博，李建朝，任 惠，李云达，卢锦玲

(1.河北电力交易中心有限公司，石家庄 050022；2.华北电力大学(保定) 电力工程系，河北 保定 071003)

备用是电力系统运行时应对不确定性(由发电机、线路故障、负荷波动与可再生能源出力波动) 的必要手段。随着可再生能源接入容量及占比的增加，系统的不确定性增强，备用的重要性日益突出，当可再生能源发电占比大于一定比例后，系统将会面临不断增加的运行备用或者辅助服务的需求量。有必要审视国际不同电力市场备用容量的确定、调用及出清机制，从而为中国电力市场的发展提供借鉴。

2015年3月，中共中央国务院印发了《关于进一步深化电力体制改革的若干意见》特别提到需要不断完善辅助服务市场的建设。已有一些文献对国内外辅助服务市场的设计进行了比较综述。文献[1]对国外典型辅助服务市场产品进行了比较研究；文献[2]重点对比了国外典型电力平衡市场的运行与结算模式；文献[3]对不同电力市场的优化机制进行了比较。本文在前人研究基础上，着眼于高比例新能源接入情况下，能量市场和备用市场之间的相互影响对备用决策过程的影响、风力发电参与备用、跨区域备用共享等方面，介绍美国和欧洲典型电力市场的运行经验，为中国未来高比例新能源电力系统的辅助服务市场的设计提供有益的启示。

1 国际电力市场现有备用机制

美国区域电力市场和欧洲电力市场的备用分类存在区别。美国具有7大区域性电力市场，欧洲的传输网络运营商将备用统称为平衡能量[3]。表1按照响应时间进行了对比[3-5]。

表1 美国及欧洲电力市场备用分类

美国、欧洲不同国家区域的备用的决策过程不同，见表2[5]。在大多数欧洲国家，备用容量确定与其调用时刻间隔时间较长 (表2中的模型1)。只有少数国家(如意大利，表2中的模型2) 在日前出清后才进行备用的确定。前者的做法出于担心实时运行时备用不足。意大利备用的决策过程受美国在日前市场进行能量和备用联合优化的启发。但是美国是在日前直接联合优化。而模型2是在日前出清后，再进行有约束的联合优化，也就是说，日前能量出清确定的交易不能被修改。这反映了欧洲组织对日前市场的看重，即实施市场的目的是为了在技术上使得日前市场的出清结果可行。而欧洲各国资源禀赋存在较大差异，跨区域资源优化配置需求强[6]。模型3是美国采用的决策模型。美国的特点是各州电力供需就地平衡为主，跨区域资源优化配置需求不大。随着新能源接入的比例增加，新能源发电的不确定性使得市场更加不稳定，越接近于实时运行时刻进行备用确定，越有效，也能更好地诠释变化的市场信息。因此有必要了解欧洲的备用服务市场经验，为中国电力市场运行提供借鉴。

表2 3种备用决策过程

2 欧洲电力市场应对高占比新能源接入的灵活备用的经验

欧盟以日前市场联合为主要特征的统一电力市场已覆盖23个国家，取得了显著的成效[7]。本节从跨区域/跨国备用共享、备用决策过程以及风力发电参与备用3个方面介绍欧洲电力市场运行经验。

2.1 跨区域/跨国备用共享

为了提高新能源占比不断增加情况下电力市场运行的效率，欧洲电力市场已经展开了若干试点项目，在更大范围内实现备用共享。例如TERRE (Trans European Replacement Reserve Exchange),EXPLORE (European X-border Project)。TERRE是跨境替代备用试点项目。其目的是为了建立欧洲替代备用(RR)平衡能量市场，为所有市场参与者创建一个和谐的交易环境。同一时期，澳大利亚、比利时、德国和荷兰开始商讨建立一个共有的mFRR (手动频率恢复备用)和aFRR (自动频率恢复备用) 市场。尽管参与的欧洲国家在辅助服务市场、不平衡定价系统和备用获取机制等方面各不相同，这一试点研究仍然催生了2个新的项目，即MARI (人工激活用于频率恢复备用)和PICASSO (自动频率恢复过程和系统稳定运行国际协调平台 )。据评价[8]，将欧洲电力市场互联，在跨境交易层面提升日前、日内和平衡市场的效率收益翻番，约39亿欧元/年。由此可见，实现跨境能量及备用共享的重要作用。与欧盟相似，中国同样面临着资源大范围配置需求突出、清洁能源本地消纳困难、跨区跨省电网加快建设等形势。因此欧盟市场的跨境交易经验对中国电力市场建设具有重要借鉴意义。

2.2 备用决策过程对运行效率的影响

文献[5]对表2列出的3种不同的备用决策过程进行对比，研究不同的备用决策过程对高占比新能源电力系统运行的影响。仿真以 IEEE 24-节点可靠性测试系统 (RTS) 作为测试系统，分别采用表2中列出的美国、意大利以及欧洲中、西部采用的3种不同的决策过程，模拟欧洲电力市场的运行。通过对系统运行费用、弃风弃光功率、各种发电技术机组的收益进行了比较。结果显示，模型1机制的市场效率低于另外两种机制，该决策过程下，TSO会计划比实际系统所需要的高得多的备用。当区域间备用共享时，模型2机制与模型3机制同样高效。如果不考虑区域间备用的协调共享，模型2有效性下降，主要原因是受日前跨境交易限制影响。模型3最为高效。可见，当不具备统一电力市场情况下，能量市场与备用市场之间相互影响[9]。备用决策过程是影响市场运行效率的另外一个因素。因此，中国可以在建设全国统一电力市场过程中，优先采取能量与备用联合优化，提高市场运行效率。

2.3 风力发电机组作为备用

传统发电容量的退役使得挖掘新的备用源的问题日益重要。随着预测技术的提高以及市场机制的变化(更接近实时市场的决策)，间歇性能源参与备用的可能性逐步提高。英国和西班牙已经尝试将风力发电容量纳入频率响应和备用市场。风电在两个电力市场中参与的备用品种[1,10]见表3。

由表3可知，风电能够参与的备用品种主要是合约签订时间接近交付时间的备用品种，例如高频MFR、RR，备用品种合约签订时间距支付时间在 1 h 内。主要原因是受长时间尺度风电预测精度不足限制。在西班牙电力市场的日前市场，风电虽然能够作为FRR备用参与运行，却由于6～30 h预测精度不达标而导致参与的比例很低 (仅占接入容量1%)[10]。

表3 风电在英国及西班牙电力市场参与备用的品种一览

因此，限制风力发电无法更多地参与备用市场的主要原因如下：

1)受预测精度限制。风电的不确定性和波动性是其本质特征，因此，必然存在一定的预测误差。然而，可以利用风力发电在不同位置的互补特性以及与不同技术的互补特性，通过允许位于同一个调节区域不同位置的多个风电场或者风电场与其他技术 (例如储能) 基于出力曲线参与备用市场，降低预测误差，拓宽风力发电参与备用的可能性。

2)受市场灵活性制约。西班牙电力市场中，风电于2016年4月1日开始参与RR备用，至2018年，风电提供4.2%的上备用和14%的下备用[8]。西班牙市场对RR备用的投标规则很灵活；投标后，如果标的因为参与其他ID市场发生变化，可在交付前60 min内进行更新。当实现跨境平衡的3次备用失效，可在交付前25 min进行更新。同时由于西班牙允许上备用和下备用分别确定。这一灵活的政策，给风电参与备用创造了条件，提高了风电参与备用积极性与参与度。

3)受经济性制约。风力发电一般不会参与上备用RR，因为备用价格一般低于批发电价+发电补贴。然而随着补贴政策的逐渐失效，这一现象将会发生变化。届时，风机参与上备用的积极性及竞争性将会提高。

3 结论

随着可再生能源接入与传统发电技术容量的退役，未来电力系统将会是一个高占比新能源电力系统。从欧洲及美国电力市场运行经验，可得到下述启示，有利于提高中国高占比新能源电力系统的运行安全性和经济性。

1)建立电能市场和备用市场联合出清，能够实现资源的优化配置，提高系统的运行经济性。

2)跨区域备用共享，提高整个电力市场的运行经济性。

3)提高能量和辅助服务市场的灵活性，以适应快速变化的发电负荷。备用容量合约签订应该尽量接近交付时刻，且增加投标规则的灵活性，有利于间歇性能源参与备用市场运行，也同时能够提高间歇性能源的运行经济性。