国外可再生能源参与电力市场模式分析
蒋燕 李秀峰 吴洋 周彬彬 唐成鹏
摘 要：近年来，全球可再生能源发展迅猛，已成为能源供应体系的重要组成部分，同时大规模的可再生能源并网和参与电力市场交易给电力市场运行带来了巨大影响。鉴于此，本文主要针对可再生能源参与电力市场交易对电网调度运行和安全校核带来的影响进行了分析，然后介绍了国外成熟电力市场在安全校核中的应对措施，最后提出了在我国电力市场初级阶段及向现货市场过渡阶段可以借鉴的经验。
关键词：可再生能源；电力市场交易；安全校核；影响
中图分类号：TM615 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）14-0185-04
可再生能源是能源供应体系的重要组成部分[1]。近年来，为了应对全球环境和能源问题，可再生能源（特别是风能和太阳能）作为清洁能源，受到全球青睐，各国纷纷出台了鼓励可再生能源发展的政策和措施。同时，由于技术进步，可再生能源的发电成本也快速下降，推动了可再生能源的迅速发展。
2016年，可再生能源发电量达到全球所有发电量的24.5%，其中水电发电量占全球总发电量的约16.6%，风电、生物质发电、太阳能发电分别占全球总发电量的4.0%、 2.0%、1.5%[2]。我国可再生能源发展迅猛，水电、风电和光伏装机容量均超过世界装机容量的1/4，居全球之首[3]。截至2016年，我国可再生能源总装机容量为570GW，占全球可再生能源装机容量的28.26%，占全国总发电装机容量的35.6%[4]。可再生能源发电量也逐年攀升，2016年达到15528亿kWh，占全国总发电量的25.9%，已经成为电力供应中不可忽视的电源[5]。
与此同时，由于可再生能源发电的间歇性、随机性和反调峰特性，大规模的可再生能源并网和参与电力市场交易给电力市场运行带来很大影响，国内外的相关研究也比较多，很多学者对此做了比较深入的综述[6，7]。目前，国内外的相关研究主要集中在可再生能源电力系统优化运行[8，9]，促进可再生能源消纳的政策[10-12]、技术手段[13，14]和市场机制[15，16]等方面。本文主要针对可再生能源参与电力市场交易对电网调度运行和安全校核带来的影响进行分析，然后介绍国外成熟电力市场的应对措施，最后提出了对我国的启发和借鉴。
1 可再生能源交易对电网调度运行和安全校核的影响
1.1 网调度运行的影响
大规模的可再生能源并网一定程度上改变了电网的调度运行方式，也增加了调度机构的操作难度。在我国目前以中长期电量交易为主的市场环境下，调度机构在编制和执行发电计划时，需要对可再生能源的发电能力进行预测。一方面，可再生能源电厂发电能力受一次能源资源情况的影响，很难提前准确预测，其发电能力与发电计划难以达到完全匹配，同时，为了保障电力系统的安全稳定运行，需要在编制发电计划时留出足够的输电裕度、备用和调频能力；另一方面，可再生能源的发电能力在月内各天分布不均，若在月初因输电阻塞将部分电厂的电量计划转移到月末，可能出现月初弃能，月末发电能力不足的问题。此外，可再生能源出力的反调峰特性，会增大系统的净负荷峰谷差，加剧了电网的调峰压力。
1.2 对市场交易的影响
理论上，可再生能源发电的边际成本接近于零，可再生能源电厂之间几乎为同质竞争，电力批发市场上的竞价结果具有很大的不确定性。如此，不仅会对调度机构制定发电计划造成困难，还会造成合同电量的频繁调节。以图 1为例，假设计划中的供需没有变化，只有可再生能源发电能力存在预测偏差。当可再生能源发电能力大于预测时，系统需要下调节容量，报价曲线将位于原供求曲线的下方，即下调节价格低于中长期市场的出清价格；相反，上调节价格将高于中长期市场的出清价格。
1.3 对安全校核的影响
大规模的可再生能源参与电力市场交易增加了安全校核难度。（1）可再生能源发电的随机性可能改变电网典型运行方式和系统潮流，改变电网阻塞情况，为无现货阶段中长期市场交易的安全校核和阻塞管理造成较大困难；（2）可再生能源发电单元通过电力电子设备实现并网，这就在可再生能源电站内构成了一个通过集电系统相互耦合的多并网变流器并聯运行系统[17]，电力电子设备的数学模型和传统交流系统的数学模型存在较大差异，大规模的可再生能源并网对电力系统稳定、静态安全分析和输电线路极限等都造成了较大影响；（3）由于可再生能源间歇性和不确定性的特点，需要建立可再生能源发电机组的随机模型，基于此对系统进行安全校核的概率分析。
2 考虑可再生能源参与的安全校核国际经验
根据国外成熟电力市场的经验，电力调度机构一般在现货（日前和实时）阶段完成系统的分时电力平衡，因此针对各类电力交易的安全校核和阻塞管理一般也在现货阶段进行。通常情况下，现货市场可以分为日前市场（日内市场）和实时市场。而由于电力批发市场模式及其价格机制的不同，现货市场中安全校核模型和方法也有所不同。例如，英国目前的BETTA模式并不在日前交易所集中出清中考虑安全校核，而仅在实时平衡阶段将安全校核模型纳入考虑；北欧市场在日前出清中仅考虑几个平衡区之前的断面约束；美国RTO市场中则在日前和实时市场出清中均将安全校核模型纳入出清算法中。
随着各类可再生能源并网比例的不断提升，电力调度机构要在其现货市场出清过程中充分考虑可再生能源交易中所涉及的间歇性和不确定性对电力调度运行和安全校核的影响。针对不同地区电力系统运行中电源结构和可再生能源电源运行特点，不同市场在其电网调度运行和安全校核中针对可再生能源也有不同的应对措施。
2.1 北欧电力市场
为应对大规模风电并网，北欧电力市场除日前市场外，还开展了日内市场。系统可用输电容量不断滚动计算和更新，市场参与者可以根据先到先得、价格优先的原则，免费使用输电容量。日内市场是对日前市场的补充，确保了电力市场中供需电量的平衡。在日内市场中，市场参与者可以进行每1小时、0.5小时、15分钟等的持续滚动交易。日内市场给可再生能源电厂提供了一个持续交易的平台，极大地降低了出力预测偏差造成的影响。
2.2 ERCOT电力市场
在美国ERCOT电力市场，风电装机容量占系统总装机的20%，2016年风电渗透率最高达到48.28%。在此场景下，ERCOT电力调度运行面临着很大的不确定性和隨机性。为了应对这些不确定性，ERCOT在其日前市场出清和可靠性机组组合（RUC）中引入了概率风电出力预测（如图2所示），即，通过预测给出风电某时段的出力水平和对应的发生概率，在此基础上，计算各出力水平下的超出概率，也就是风电实际出力超过该值的概率，并依此形成可靠性机组组合（RUC）。
具体来说，在ERCOT日前市场交易中，风电机组可以申报的最大运行极限不能超过其短期风力发电预测值（STWPF，即实际风机出力超过该值的概率为50%）。在日前市场出清之后，ERCOT需要运行可靠性机组组合（RUC）来确保第二天的安全可靠运行，在这一过程中也将STWPF作为风电场的运行上限纳入考虑。
在实时运行阶段，风电场全容量参与市场，ERCOT以实时输出功率作为风电场最大运行极限，以尽可能消纳风电。同时对风电场上下爬坡速率有严格的规定：在响应ERCOT的调度信号时，最大爬坡速率为20%额定功率/分钟；在任何时候，最大爬坡速率低于25%额定功率/分钟，从而确定风电场最大调度极限（如图3所示）。
2.3 PJM电力市场
美国RTO电力市场已经对安全校核模型进行了优化，可以对包含可再生能源的系统进行准确的安全校核。一般而言，日前市场安全校核模型通常基于电网基础模型的动态稳定限值和热稳限值提前确定，而实时市场的安全校核模型则根据系统实时运行情况、通过能量管理系统实时更新。在确定输电线路容量方面，美国PJM不仅实时监视环境温度，还为所有被监视的输电线路设立了正常、紧急和负荷削减限额3种热稳极限，设立了电压上限、正常电压下限、紧急电压下限和负荷削减下限4种电压极限，规定了在预想事故仿真后，如果出现线路潮流或电压越限时可采取的措施及采取措施的时间，为设备超极限运行提供了更精细的技术依据，从而能够在保证系统安全的情况下提高系统设备利用率。
2.4 安大略电力市场
加拿大是世界第二大的水电生产国，年水力发电量约为350TW·h，接近全国总发电量的60%，超过世界水电总发电量的十分之一。在安大略电力市场中，有很多梯级水电站，且大部份都属于安大略发电公司（OPG）所有。在批发市场中，各家公司须向加拿大独立电力系统运营商（IESO）汇报来水预测数据。并且安大略电力市场中发电机组的产值是实时公开的，下游电站可以及时看到上游电站的产值，从而能够预估来水量并合理地向电力市场报价，从而尽量避免发生弃水。
为减少来水不确定性的影响，安大略电力市场还针对水电运行特性设置了一些规则：（1）日最大发电能力（Daily Energy Limit），即次日可调度的最大发电量，IESO要求所有水电站必须每日上报日最大发电能力，作为日前市场调度的边界条件；（2）电站组合，针对梯级电站的复杂性，IESO允许对相互关联的电站进行分组组合，并灵活地调度以满足“总发电”的调度指令；（3）日前再报价，IESO允许水电在日前市场运行期间调整报价，有利于水电站管理来水不确定性风险。
3 我国借鉴
我国作为可再生能源大国，每年新增的可再生能源装机也位于世界前列，在不断深化电力体制改革的进程中，需要重点考虑大规模可再生能源并网对电力市场运行的影响，做好电力市场平稳运行与可再生能源消纳之间的平衡。
当前，我国还未建立电力现货市场，电力市场交易以中长期的年度和月度交易为主，并且没有约定交易曲线。在此场景下，学习和借鉴国外成熟电力市场应对可再生能源参与市场的经验十分必要，不仅可以缓解当前电力市场交易和安全校核的压力，还有助于向现货市场进行过渡，保持电力市场建设的连续性。通过对国际经验的分析，以下几点值得我国学习和借鉴：
（1）提高可再生能源发电能力的预测水平。在无现货阶段，对可再生能源发电能力的预测，不仅要尽可能准确地预测月度总发电量及其在月内的分布情况，还需要进行分区域的发电能力预测。因此，我国需加强对各可再生能源电厂的数据采集，包括历史出力数据、一次能源资源数据等，在此基础上，不断对预测算法进行修改完善，进而开发相关的技术支持系统。调度机构基于发电能力的概率预测进行安全校核和编制发电计划。
（2）优化安全校核模型。研究可再生能源机组的数学模型，更新传统交流系统的安全校核模型，以适应大规模可再生能源并网情况下的电力系统稳定、静态安全分析和输电线路极限计算。
（3）给予可再生能源充分的交易机会。由于越接近实时运行，可再生能源电厂的出力预测准确性越高，为了便于可再生能源电厂对富裕的发电能力进行交易，或对超过发电能力的合同电量进行转让，中长期市场的交易品种可开展多次交易，或者开展周交易等更接近实时运行的交易品种。
（4）提高市场透明度。应建立完善的信息披露与保密制度，做好市场信息的滚动更新和公布。对于多主体梯级水电站参与市场交易的方式，可以研究上下游电站的中标信息公开或者建立梯调中心统一参与市场等方式的可行性。
此外，在大规模可再生能源并网的电力市场中，为了保障长期的电力供应安全，保障电力系统长期备用容量的充裕性和经济性，还需探索建立火电机组长期备用市场机制等。
4 结语
大规模的可再生能源参与市场会对电力市场的安全稳定运行造成影响，国外成熟电力市场中，北欧电力市场开展日内市场交易，给可再生能源电厂提供了一个持续交易的平台；ERCOT引入了概率风电出力预测，并依此形成可靠性机组组合；PJM对安全校核模型和输电线路容量计算方法进行了优化；安大略电力市场透明度较高，还针对水电运行特性设置了一些规则，减少了来水不确定性的影响。
与国外可再生能源参与电力市场的研究与实践相比，国内的相关工作还处于起步阶段。在我国目前的电力市场初级阶段和向现货市场过渡阶段，需要学习和借鉴国外成熟电力市场的经验，尽量减少可再生能源带来的影响，促进电力市场的安全稳定运行。
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