可再生能源超额消纳量多区双层交易机制

高志华，吴科成，刘树楷，陈荃，黄莹，谢敏，何知纯

(1.广东电网有限责任公司，广东 广州 510600；2.中国南方电网有限责任公司，广东，广州 510663；3.华南理工大学 a.电力学院；b.广东省绿色能源技术重点实验室，广东 广州 510641)

近年来可再生能源发电装机容量不断增大，其消纳需求与日俱增，为避免“重建轻用”局面，采取市场化的手段促进可再生能源电力消纳并激励可再生能源产业发展，自2017年以来相关政府部门逐步出台完善了可再生能源电力配额(消纳责任义务)和绿色电力证书认购的有关政策。2019年5月，国家发展改革委、国家能源局发布了《关于建立健全可再生能源电力消纳保障机制的通知》，决定对各省级行政区域设定可再生能源电力消纳责任权重，建立健全可再生能源电力消纳保障机制。此后，多个省、直辖市陆续发布了可再生能源消纳保障相关机制实施方案。2021年1月，北京电力交易所中心发布了全国首个《可再生能源超额消纳量交易规则(试行)》，此后广东、新疆也陆续发布了相关消纳量市场交易规则。目前，我国已在各省级行政区域推行可再生能源电力消纳责任权重机制，各承担消纳责任的市场主体须完成所在区域电网企业分配的消纳量[1-4]，消纳量的达标以实际消纳可再生能源电量为主要完成方式，以从其他主体购买超额消纳量或者通过自愿认购绿证为补充完成方式[5-6]。

目前，关于可再生能源配额消纳的研究多为对可再生能源配额制消纳责任权重下的价格机制、电力市场机制设计及经济调度的研究[7-15]。文献[9]研究了在可再生能源消纳机制下风电并网的经济调度问题。文献[11]分析了不同消纳量方案对市场电价及可再生能源装机容量的影响。文献[12]结合“双碳”目标，根据区块链技术研究促进可再生能源消纳的市场激励机制。现有研究中具体针对超额消纳量交易机制的讨论较少。2021年2月5日，全国首次可再生能源电力超额消纳量交易正式开市，共有10个省参与本次省间交易，当日超额消纳凭证转让交易高达245.5万个，相当于2 455 GWh可再生能源电量；同年4月，南方区域首次可再生能源电力消纳量交易开市，通过挂牌交易，交易双方成功达成可再生能源消纳量凭证2 716个，折合可再生能源消纳电量2.716 GWh，标志着南方区域可再生能源电力消纳量市场建设进入实质性阶段。综上，我国的超额消纳量交易前景可见一斑，对超额消纳量市场机制的完善设计研究迫在眉睫。

本文综合考虑可再生能源交易的市场化需求及超额消纳量测算及交易机制的时序安排，构建一种可再生能源超额消纳量双层交易机制。在最大化各区域消纳主体收益的基础上，解决超额消纳量交易跨区协同问题，为消除省间市场壁垒，促进可再生能源消纳提供机制参考。首先，基于潮流追踪方法预测区域内主体的超额消纳量，结合基线值获得各主体可再生能源超额消纳量受让规模。再以社会福利最大化为优化目标，考虑区域内各主体超额消纳量交易约束、网络约束、区域间联络线约束等约束条件，构建区域内-区域间双层交易优化模型，提出超额消纳量双层交易机制。最后，通过某实际电网算例对所提机制的有效性进行验证。

1 可再生能源超额消纳量双层交易机制

目前，我国超额消纳量的交易机制仍处于探索阶段[16-19]，国内多数地区的可再生能源发电量并未进入市场交易，而是由电网公司按计划消纳。同时在现有区域内-区域间双层交易环境下，部分仅在区域内参与市场的用户，特别是中东部地区用户，可再生能源交易的途径受限。现阶段消纳权重指标交易市场化不足，市场结构尚不完善，交易主体缺乏主观能动性。因此，需要尽快建立相应的交易市场，向有消纳责任的主体开放，形成电量、消纳权重指标双重交易两层市场，由市场效益激励可再生能源的市场化合理消纳。

本研究针对大范围多区域超额消纳量交易构建一种可再生能源超额消纳量双层交易机制，可以保证多区域超额消纳量的交易均衡，机制优先保证在区域内实现超额消纳量的最大限度交易均衡，继而实现区域内富余及缺损的超额消纳量在区域间交易均衡。机制的详细设计框架如图1所示。

图1 可再生能源超额消纳量双层优化框架

首先在可再生能源消纳量测算的基础上，将所得测算值与分摊的基线值作差，即可得到区域内各主体可能参与市场交易的超额消纳量。采用双层撮合交易形式构建市场交易模型，采用区域内-区域间双层交易优化模型，以交易所得社会福利最大化为目标，考虑区域内各主体消纳量交易约束、区域间联络线、区域内主体网络约束等约束条件，建立超额消纳量的双层撮合交易模型，交易过程中拥有超额消纳量的区域内主体/区域作为卖方，而可再生能源消纳量不足的区域内主体/区域作为买方。

当受让规模测算模型得到的可再生能源消纳量超过国家设定的基准线，区域内各主体间交易结束时，剩余的消纳量可传递到上层模型，作为卖方参与区域交易的报量报价。当受让规模测算模型得到的可再生能源消纳量低于国家设定的基准线，区域内各主体间交易结束时，缺少的消纳量可传递到上层模型，作为买方参与区域交易的报量报价。各区域交易结束后，应均能完成国家设定的基准线指标，对于总体表现为缺额的区域，其向其他区域购买超额消纳量所需的费用由下层区域内消纳量缺额的主体按缺额比例分摊；而对于总体表现为超额的区域，其向其他区域其出售超额消纳量所需的费用由下层区域内消纳量超额的主体按超额比例分摊，从而实现超额消纳量的有效疏导。

2 可再生能源超额消纳量双层交易模型

首先，各区域根据下达指标，测算可再生能源超额消纳量。将目标年份的最低约束性消纳指标总量按照交易电量比重分配到消纳责任主体(以下简称“主体”)，并以此作为年度可再生能源电力消纳基线值。另一方面，采用潮流追踪法测算各主体可消纳的可再生能源电量。计算测算值与基线值之差，得到各区域内主体可参与市场交易的超额消纳量值。

其次，优化超额消纳量交易。建立电量交易和消纳权重指标双重交易两层市场。交易时序为优先保障区域内完成消纳目标，余额和缺额在更大范围内交易以保证全局平衡，即区域内主体交易→区域交易→跨区域交易。

2.1 可再生能源消纳量受让规模测算

2.1.1 可再生能源电力消纳权重基线值

将国家分配的可再生能源最低约束性消纳指标总量按照该区域内各主体的年售电量占总体的比例进行分摊，以各主体分摊后所得电量作为各自的可再生能源电力消纳权重基线值。

2.1.2 基于潮流追踪原理的可再生能源消纳量预测

通过测算区域内承担消纳责任的市场主体超额消纳量的规模，能够预估区域内主体间可受让消纳量的交易规模，为可再生能源超额消纳量交易市场设计提供支持，同时为市场参与主体提供交易依据，使市场主体通过超额消纳量交易的方式获取较为可靠的收益，从而增加消纳责任主体的消纳积极性。

将各个主体在电网拓扑上分别等值为网架上的若干负荷节点，基于潮流追踪原理[20-24]预测各主体的可再生能源电力消纳量。选取目标年份的系统多种典型运行方式，开展潮流追踪，计算并统计出各主体在各典型运行方式下的可再生能源消纳电量及其占比。再将全年电量总和按不同季节和时段的占比进行等值累加，可得到各主体全年预计可消纳的可再生能源电量总量，以所得电量作为各主体的可再生能源消纳测算值。

2.2 可再生能源超额消纳量交易模型

2.2.1 区域内主体的交易模型

令区域内主体间交易模型的目标函数为主体参与超额消纳量市场交易带来的社会效益最大化，即：

(1)

Coutpre=Cpre-Cstd，

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

约束条件为：

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

式中Rltotal、Plprice分别为缺额区域上层交易的总缺额消纳量和报价。

(12)

(13)

式中Rototal、Poprice分别为超额区域上层交易的总缺额消纳量和报价。

2.2.2 区域间的交易模型

区域间交易模型与区域内主体间交易模型基本一致，目标函数均为使超额消纳量市场交易的社会福利最大化，考虑区域间消纳量交易约束、区域间联络线约束等条件。区域间交易目标优先保障区域内各主体完成消纳责任权重目标，最终其交易产生的收益或者支出按下层区域内各主体超额、缺额消纳量的比例进行分摊，即

(14)

2.3 多区双层交易模型求解

可再生能源超额消纳量的多区双层交易模型求解流程如图2所示，其中J为区域总数。依据时序安排，基于撮合模型先求解区域内超额消纳量交易，获得区域j内所有主体交易情况，对于交易不平衡主体则依据式(10)、(11)整理其盈余/缺损部分报价报量，所得结果为区域j参与区域间超额消纳量交易的报价报量，即区域内-区域间双层交易交互数据、区域间撮合模型初始数据。依据撮合模型求解区域间超额消纳量交易，获得区域j交易情况，再根据区域j内部交易不平衡情况进行利益/成本分配，输出区域内各主体交易结果及区域间交易结果。具体计算过程中，可再生能源超额消纳量区域内交易模型式(1)及其约束条件、区域间交易模型式(14)及其约束条件本质上均为线性规划模型，直接采用GAMS-CPLEX解法器进行求解。

图2 模型求解流程

3 算例仿真与分析

算例设置3个仿真区域S1—S3：S1电网由3 098个节点、3 355条支路、255台发电机和769个负荷节点构成，该区域内共有21个主体参与交易；S2电网由2 132个节点、2 341条支路、198台发电机和523个负荷节点构成，共有13个主体参加交易；S3电网由2 571个节点、2 982条支路、231台发电机和635个负荷节点构成，共有15个主体参与交易。将各主体等值为负荷节点。区域内目标年份的最低约束性可再生能源消纳总量分别为2 252.62 GWh、1 986.57 GWh、2 132.33 GWh。同时，将国家下达给各区域的最低约束性可再生能源消纳责任总量占比的目标值设定为27.8%。

3.1 可再生能源超额消纳量受让规模计算结果

首先将国家分配的消纳权重值按照该区域实际电网各区域内主体的年售电量占比进行分摊，以各主体分摊后的权重值作为消纳权重基线值；然后选取系统的典型运行方式(夏大、夏小、冬大、冬小等)开展潮流追踪，计算各主体的可再生能源消纳电量及其占比，将全年电量总和按不同季节和时段的比值进行等值累加，得到各主体全年实际所消纳的可再生能源电量；基线值与实际值之差即为各区域内主体参与区域内市场交易的超额消纳量规模。以S2为例，所得结果见表1。3个仿真区域内各主体(编号ZHi)的可再生能源超/缺额消纳情况如图3所示。

图3 3个仿真区域内各主体的超额消纳量规模

表1 S2内各主体的超额消纳量规模计算结果

S2可再生能源总电量对外呈现缺额特征，缺额消纳量规模为39.58 GWh，该区域后续可以作为缺额者参与区域间上层交易。S1和S3对外均体现为超额特征，超额消纳量分别为14.68 GWh、10.67 GWh。而3个区域的区域内各主体同样存在超额及缺额2种角色。各区域通过区域内主体交易可以完成国家下达的权重目标值指标，同时可以在区域内交易结束后整合交易结果继续进行区域间上层交易，以获得更大的利益。

3.2 可再生能源超额消纳量双层交易模拟结果

3.2.1 区域内主体交易模拟结果

3个仿真区域内各主体的报量及报价见表2至表4。

表2 S1内各主体申报的超额消纳量及价格

表3 S2内各主体申报的超额消纳量及价格

表4 S3内各主体申报的超额消纳量及价格

3个区域电网各市场参与主体的报量及报价结果呈现一定的市场规律性：对于买家，报量越高的主体报价越高，其购买意愿更强；作为卖家，报量越高的主体报价越低，其售卖意愿更强。买家与卖家超额消纳量交易规模见表5。

由表5可以看出，撮合过程使交易量达到市场均衡时所能成交的最大量，且每单位消纳量都尽可能分配给效用最大的交易双方。当交易对象报价及交易量均呈顺序递减关系时，如果减少某一对交易对象间的交易量，这部分交易量不能转移给报价差比其大的交易对象，因为撮合过程保证了报价差大的交易对已经获得了尽可能大的交易量；如果这部分交易量转移给报价差比其小的交易对象，并不能使总交易量增加，而减少报价差大的交易量来增加报价差小的交易量将使得总效用减少。

表5 买家与卖家超额消纳量交易规模

各区域主体交易结束时，参与区域内超额消纳量市场交易的主体效益最大可达109.448 3亿元，各主体的可再生能源消纳量均能达到国家设定指标，各区域传递至上层的总超额消纳量和报价信息见表6。

表6 各仿真区域在上层交易时申报的超额消纳量及价格

各区域的报量情况与区内消纳盈余总量求和结果相符，实现了区域内交易最大程度均衡。同时S1、S3以出售超额消纳量的角色，S2以购买超额消纳量的角色进入上层交易。

3.2.2 区域间交易模拟结果

与仿真区域电网进行区域间交易的其他区域(E1—E3)主体的超额/缺额消纳量及价格申报设置见表7，即各区域只需向交易中心提交报价报量信息，以保证各区域电网的内部信息私密性。区域间交易层的交易结果见表8。

表7 区域间交易各主体申报超额消纳量及价格

表8 各区域超额消纳量交易规模

由表7可以看出，各区域通过参加区域间交易，可以更大程度地获得国家分配的超额消纳量平衡，而且在区域间交易结束时还可获得额外效益，实现了社会整体效益最大化。各区域的可再生能源消纳量均能最大限度地接近国家设定指标。对仿真区域而言，3个区域通过参与上层交易获得的总超额消纳量收益为4.796亿元，其中仿真区域S2最终收购的超额消纳量未能满足自身需求，这是因为市场整体所能提供的超额消纳量不足，市场具备缺额属性，但本机制保证了市场全局收益最优。

将本文分层求解结果与直接求解结果进行比较：直接求解时，区域内仅交易10笔，区域间交易38笔；分层求解时，区域内交易46笔，区域间交易仅5笔。采用双层交易机制，大幅降低了区域间交易带来的阻塞风险，避免了主体之间直接进行区域间交易带来大量的认证工作，同时可以最大程度保证各区域完成国家下发的消纳指标。由此可见，本文设计的区域内-区域间双层交易优化模型有利于区域内、区域间各主体完成国家设定的消纳责任权重目标，是通过市场机制落实和保障新能源消纳的重要举措，该市场机制是有效可行的。

4 结论

构建超额消纳量交易体系是保障可再生能源消纳责任权重实施的重要举措，对进一步推进电力市场建设，促进能源资源大范围优化配置和可再生能源高水平、大范围消纳具有重要作用。本文针对超额消纳量市场机制设计展开研究，得到以下结论：

a)本文所提基于潮流追踪理论的超额消纳量受让规模测算模型，能够为各区域主体参与市场提供数据支撑，为市场提供交易量预测方法。

b)本文所提区域内-区域间双层交易机制，能够在优先保障区域内消纳量均衡的基础上，消除区域间交易壁垒，保证消纳量在更大范围内实现交易均衡。除此之外，该交易模式分为上下2层，在各层交易中各市场主体进行交易时只需提供自身报量保价，可以保证博弈各方信息的独立性。

c)本文应用撮合模型匹配买方卖方，使得交易量达到市场均衡时所能成交的最大量，从而使参与超额消纳量市场交易的主体效益最大化。撮合模型能够有效适应本文所提市场机制，发挥市场效力。

d)本文通过对所建市场机制结合模型进行算例仿真，证实了该机制能为可再生能源超额消纳量交易市场设计提供支持，也能够使市场超额主体通过超额消纳量交易的方式获取收益，从而增加消纳责任主体的消纳积极性，同时市场缺额主体可通过交易最大程度获取消纳量，以帮助自身完成消纳责任。

综上，本研究所提市场机制在解决超额消纳量跨区协同的基础上，保证了各方参与市场的合理性收益，具有实践指导意义，能够有效保障可再生能源消纳责任机制的实施。