目前中國電力輔助服務市場仍處于初級發(fā)展階段,產(chǎn)品分類及交易補償規(guī)則仍不健全。伴隨著電力市場改革的推進,輔助服務市場資源不斷豐富,參與主體不斷擴大,對輔助服務產(chǎn)品及交易機制的設計提出了新的要求。國外輔助服務市場發(fā)展較早,較為成熟,且不斷處于更新完善當中。因此,我國亟需總結(jié)國外先進的輔助服務市場建設經(jīng)驗,并結(jié)合實際情況對我國輔助服務市場做出設計。選取澳大利亞、美國PJM及北歐等國家和地區(qū)電力市場,分析其輔助服務市場發(fā)展歷程、輔助服務產(chǎn)品種類及交易時序等并進行對比,結(jié)合我國輔助服務市場發(fā)展現(xiàn)狀,從區(qū)域范圍劃分、頂層設計、產(chǎn)品劃分及市場發(fā)展趨勢等方面,得出了上述典型電力市場對我國輔助服務市場機制設計的啟示。

0 引言

2015年3月,中共中央、國務院正式下發(fā)《關于進一步深化電力體制改革的若干意見》,提出建立輔助服務新機制的要求,輔助服務市場建設勢在必行。很多學者對不同國家電力輔助市場及國內(nèi)電力輔助市場交易機制設計進行了研究[1-6],但關于輔助服務產(chǎn)品類型比較類文獻較少,且涉及輔助服務市場對比類文獻較早。因此,對國外先進輔助服務市場及其演變進程進行分析,研究輔助服務產(chǎn)品及交易機制成為我國輔助服務分階段建設的重要環(huán)節(jié)。本文通過研究國外輔助服務市場發(fā)展進程、監(jiān)管機構(gòu)、產(chǎn)品種類、交易機制、交易時序等內(nèi)容,總結(jié)其市場建設經(jīng)驗及對我國分階段輔助服務市場建設的有益啟示。

1 澳大利亞電力市場

澳大利亞電力市場分為國家電力市場(national electricity market,NEM)和批發(fā)電力市場(wholesale electricity market,WEM),除西澳大利亞州采用WEM外,其他州執(zhí)行NEM。其發(fā)展過程如圖1所示。NEM輔助服務分為：頻率控制輔助服務(frequency control ancillary services,FCAS)、網(wǎng)絡支持控制輔助服務(network support control ancillary services,NSCAS)以及黑啟動輔助服務(system restart ancillary services,SRAS)。

能源市場運營商(Australian Energy Market Operator,AEMO)負責能源市場的運營,統(tǒng)一購買輔助服務以保證電力系統(tǒng)安全、可靠運行。AEMO作為平臺既可以向市場參與者購買有償輔助服務,也可以向市場參與者收取其購買輔助服務的費用[7]。AEMO每年編制輔助服務報告,并提交給經(jīng)濟管理局(Economic Regulation Authority,ERA)。輔助服務市場發(fā)展歷程如圖1所示。

圖1 澳大利亞電力市場改革階段劃分

1.1 國家電力市場NEM

NEM中,FCAS在8個市場中進行招投標交易,NSCAS和SRAS均通過簽訂長期協(xié)議進行交易。由于澳大利亞NEM輔助服務市場主要運行FCAS市場,本文著重介紹FCAS市場。

1.1.1 FCAS市場

AEMO利用FCAS使系統(tǒng)頻率維持在接近50Hz的標準上,分為調(diào)節(jié)調(diào)頻(regulation)和應急調(diào)頻(contingency)。調(diào)節(jié)調(diào)頻通過響應負載或發(fā)電的微小偏差來維持發(fā)電/需求平衡;應急調(diào)頻是指對主要應急事件(如發(fā)電機組/主要工業(yè)負載的損失)或大型輸電元件引起的發(fā)電/需求偏差校正[7]。表1從調(diào)節(jié)和應急調(diào)頻兩個方面來介紹。

表1 澳大利亞NEM調(diào)頻輔助服務市場

已向AEMO注冊的參與者必須參加每個不同的FCAS市場,通過提交適當?shù)膐ffer或bid來參與市場。澳大利亞實時電力市場技術(shù)支持系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)度機組的發(fā)電出力與各種調(diào)頻輔助服務,以實現(xiàn)最低的購電與調(diào)頻成本之和。

FCAS報價與實時電力報價基本相同,分價格和容量兩部分,報價方案有10個價位,每個價位對應可提供調(diào)頻輔助服務容量數(shù),報價從高到低排序。發(fā)電容量由調(diào)頻輔助服務梯形圖決定,梯形圖通過啟用限制(enablement limits)和斷點(breakpoints)定義[8]。如圖2所示。

圖2 通用FCAS梯形圖

澳大利亞FCAS市場同能量市場聯(lián)合出清,市場出清分為預出清和實時出清。預出清分為全日報價及滾動調(diào)整,全日報價即一次性報下個交易日的價格;滾動調(diào)整每5min更新一次未來1 h內(nèi)每5 min節(jié)點上預出清和發(fā)電安排,整點和半點更新未來1 h往后每30 min節(jié)點上預出清和發(fā)電安排。其預出清機制時序如圖3所示。

圖3 FCAS預出清機制時序圖

各個價區(qū)主輔市場電力價格在市場出清時同步公布。實時出清過程如圖4所示。

圖4 澳大利亞NEM調(diào)頻輔助服務與電力聯(lián)合出清過程

1.1.2 NSCAS和SRAS市場

NSCAS分為3個種類：電壓控制輔助服務(voltage control ancillary service,VCAS)、網(wǎng)絡負荷控制輔助服務(network loading control ancillary service,NLCAS)、暫態(tài)和振蕩穩(wěn)定性輔助服務(transient and oscillatory stability ancillary service,TOSAS)。AEMO通過VCAS將電網(wǎng)上的電壓控制在規(guī)定的公差范圍內(nèi);使用NLCAS來控制短期內(nèi)的連接器間的流量;當系統(tǒng)因短路或設備故障導致功率流中出現(xiàn)瞬態(tài)“尖峰”時,TOSAS控制和快速調(diào)節(jié)網(wǎng)絡電壓[8]。

1.2 批發(fā)電力市場WEM

國家電力規(guī)則中要求WEM輔助服務交易以高效率為目標通過市場競價決定,當競價安排不可行時,AEMO與服務提供商之間應優(yōu)先使用雙邊談判,簽訂具有競爭力的商業(yè)合同[8]。表2對澳大利亞WEM輔助服務的產(chǎn)品種類及交易方式進行介紹。

表2 澳大利亞批發(fā)電力市場輔助服務產(chǎn)品介紹

2 美國PJM

PJM電力市場是一個集中調(diào)度的競爭性電力批發(fā)市場,PJM輔助服務市場建設主要分為3個階段：電力工業(yè)重組期、輔助服務市場體系建設期、輔助服務市場體系完善期[9-10]。PJM輔助服務市場發(fā)展過程如圖5所示。

圖5 美國PJM輔助服務市場演變

現(xiàn)階段PJM RTO(Regional Transmission Organization)主要運營5大類輔助服務產(chǎn)品,市場化運營的輔助服務產(chǎn)品主要包含：調(diào)頻服務、初級備用服務、黑啟動服務3類,其中調(diào)頻與初級備用服務采用集中式市場化交易,與電力市場聯(lián)合優(yōu)化運行。PJM輔助服務分類如圖6所示。

圖6 美國PJM輔助服務產(chǎn)品圖

下面分別介紹調(diào)頻輔助服務和備用輔助服務的產(chǎn)品設計情況[6],如表3所示。

表3 美國PJM輔助服務市場產(chǎn)品介紹

參加輔助服務市場交易的機組在運行日前一天14:15之前向PJM提交投標信息,輔助服務市場在實時運行前60 min關閉,在此之前發(fā)電商修改投標信息,在此之后至實際運行前發(fā)電商可將機組狀態(tài)設為不可用,退出市場競爭[9]。

PJM在小時前將調(diào)頻市場和同步備用市場,分3個步驟與實時電能聯(lián)合優(yōu)化,包括輔助服務優(yōu)化 程序(ancillary service optimizer,ASO)、滾動安全約束的經(jīng)濟調(diào)度程序SCED (intermediate securityconstrained economic dispatch,IT SCED)、實時安全約束的經(jīng)濟調(diào)度程序SCED (real-time security constrained economic dispatch,RT SCED),以及節(jié)點價格計算程序(locational pricing calculator,LPC),詳見圖7[11]。

圖7 PJM輔助服務市場運行時序

實時運行過程中每5min將輔助服務市場與電能量市場聯(lián)合出清一次,聯(lián)合出清的目標為電能和輔助服務購買總成本最小化。PJM將按照不同區(qū)域的具體情況統(tǒng)一安排無功補償和黑啟動輔助服務,使?jié)M足要求的供應者提供相應的服務,而沒有自供應能力的服務需求者則向PJM統(tǒng)一購買[9]。

3 北歐輔助服務市場

北歐輔助服務市場發(fā)展過程如圖8,2009年7月1日,NORDEL(Nordic Electricity Union)結(jié)束由UCTE(Union for the Co-Ordination of Transmission of Electricity)運行的時期,由ENTSO-E(European Network of Transmission System Operators for Electricity)管理。NORDEL的輔助服務產(chǎn)品及ENTSO-E下的北歐平衡市場產(chǎn)品如圖8所示。

圖8 北歐電力市場及輔助服務市場發(fā)展進程

北歐輔助服務市場包括平衡服務產(chǎn)品及輔助服務其他產(chǎn)品。ENTSO-E期望通過統(tǒng)計各國平衡輔助服務市場數(shù)據(jù),分析并設計歐洲統(tǒng)一的平衡機制[12]。市場化的平衡服務產(chǎn)品及作用時間如圖9所示[13],其介紹詳見表4。輔助服務其他產(chǎn)品包括電壓控制、黑啟動等。

圖9 北歐平衡服務產(chǎn)品

表4 北歐輔助服務產(chǎn)品介紹

北歐輔助服務TSO(transmission system operator)根據(jù)提供給運營商的信息來平衡系統(tǒng)。每個TSO都有自己的實時監(jiān)控系統(tǒng)(SCADA)和規(guī)劃系統(tǒng)。平衡過程中的重要部分是比較計劃數(shù)據(jù)與實時測量數(shù)據(jù),為平衡操作提供有價值且即時的信息。北歐運營平衡過程可以視為長期過程,從多年前開始與備用供應商簽訂長期容量合同,其次是長期到短期停電計劃,互連能力規(guī)劃,最終達到電力預測平衡和動態(tài)穩(wěn)定性[12-14]。本文著重于介紹前后幾周的平衡過程,其運行時序如圖10所示。

圖10 ENTSO-E下北歐平衡市場運行過程

4 美國德州

美國德州電力可靠性委員會(Electric Reliability Council of Texas,ERCOT)負責德州電力市場的管理,其為德州的獨立系統(tǒng)調(diào)度機構(gòu)(independent system operator,ISO),管理競爭性電力批發(fā)市場并負責其范圍內(nèi)電網(wǎng)運行。圖11為ERCOT輔助服務產(chǎn)品演變過程[15]。

圖11 ERCOT輔助服務產(chǎn)品演變

目前德州輔助服務產(chǎn)品主要包括上調(diào)頻(regulation up,Reg-Up)、下調(diào)頻(regulation down,Reg-Down)、響應備用(responsive reserve service,RRS)、非旋轉(zhuǎn)備用(non-spin reserve,Non-Spin)、電壓支持(voltage support service,VSS)、黑啟動(black start service,BSS)和可靠性保障運行服務(reliability must run service,RMRS)。德州輔助服務市場包括：上調(diào)頻、下調(diào)頻、響應備用和非旋轉(zhuǎn)備用市場,其余3種產(chǎn)品不參與輔助服務市場,通過長期合同獲得,產(chǎn)品介紹見表5。

表5 德州輔助服務產(chǎn)品介紹

ERCOT日前市場是在日前集中出清的金融性市場,主要目的是為下一個運行日安排電能和輔助服務,QSE(Qualified Scheduling Entities)是授權(quán)計劃實體,日前運行時序如圖12所示。

圖12 德州日前輔助服務市場運行時序圖

5 中國輔助服務市場現(xiàn)狀及存在的問題

我國的現(xiàn)行輔助服務產(chǎn)品劃分依據(jù)主要為2006年頒布的《發(fā)電廠并網(wǎng)運行管理規(guī)定》和《并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務管理暫行辦法》(以下稱為“兩個細則”)。根據(jù)“兩個細則”的規(guī)定,輔助服務分為基本輔助服務和有償輔助服務。

在新一輪電力體制改革之后,各省改革的現(xiàn)狀如表6所示。交易模式上,山西、新疆、福建、甘肅四省及東北區(qū)域在不同的輔助服務產(chǎn)上采取集中競價和雙邊交易這兩種交易模式,廣東、山東兩省只采用了集中競價這一種交易模式。

表6 2017年各省區(qū)輔助服務市場產(chǎn)品種類

出清方式上,不同產(chǎn)品類型的輔助服務產(chǎn)品出清方式不同,對于調(diào)峰輔助服務產(chǎn)品而言主要采取按需按報價順序進行調(diào)用,對于調(diào)頻輔助服務產(chǎn)品而言,主要采用按需按性能調(diào)整后的報價進行調(diào)用。

對比國外典型電力輔助市場機制,不難發(fā)現(xiàn)當前我國輔助服務市場建設主要存在以下問題：

1)當前進入輔助服務市場交易的產(chǎn)品比較具有中國特色,以調(diào)峰輔助服務居多,在國外成熟電力市場體系中均未設置調(diào)峰輔助服務;

2)電力輔助服務產(chǎn)品設計較為單一,備用這一重要的電力輔助服務產(chǎn)品未進入市場設計中;

3)電力輔助服務產(chǎn)品設計未考慮主能量市場的因素;

4)輔助服務市場的設計仍以省為主體,缺乏國家層或區(qū)域?qū)用娴捻攲釉O計,不利于優(yōu)化各地區(qū)之間資源差異。

6 對比及啟示

通過上述對PJM、德州、澳大利亞及北歐等輔助服務市場的研究,對市場運行及監(jiān)管機構(gòu)、輔助服務產(chǎn)品、輔助服務市場及交易機制進行對比,如表7、8所示。

表7 典型國家輔助服務市場比較

表8 典型國家調(diào)頻及備用輔助服務交易機制對比

通過表7和表8的對比,結(jié)合我國的電力輔助服務改革現(xiàn)狀,得出以下結(jié)論及啟示：

1)頂層設計方面,在滿足電網(wǎng)運行安全及相關技術(shù)的前提下,設計輔助服務市場應逐步豐富輔助服務資源類型,使市場競爭更充分。美國調(diào)頻輔助服務資源比較靈活,PJM和德州可以參加調(diào)頻服務輔助服務的為滿足一定性能要求的發(fā)電機組、儲能和需求響應資源,英國與澳大利亞機組均為發(fā)電機組。我國輔助服務市場前期設計時,為了系統(tǒng)運行安全,應只引入發(fā)電機組資源提供輔助服務;后續(xù)結(jié)合電網(wǎng)調(diào)度控制技術(shù)、儲能技術(shù)、需求響應技術(shù)和市場運行情況,在市場發(fā)展中期逐步引入儲能和需求響應調(diào)頻資源,在滿足系統(tǒng)運行要求的前提下逐步擴大資源占比至最優(yōu)狀態(tài)。

2)在穩(wěn)步銜接我國AGC類調(diào)頻產(chǎn)品參與市場的模式下,區(qū)分性能成本特性逐步引入一次調(diào)頻產(chǎn)品參與市場。美國PJM市場中調(diào)頻輔助服務根據(jù)資源響應信號快慢程度的技術(shù)特性分為爬坡受限和能量受限兩類產(chǎn)品;美國德州則是根據(jù)系統(tǒng)頻率偏移情況分為上調(diào)頻和下調(diào)頻;澳大利亞NEM市場調(diào)頻包括調(diào)節(jié)和應急兩類,在嚴格意義上僅應包括調(diào)節(jié)一類。

我國在調(diào)頻輔助服務市場建設中,首先提供AGC類產(chǎn)品進行交易,一次調(diào)頻產(chǎn)品應在考慮各類機組的性能特性和成本后,根據(jù)各地區(qū)的機組資源情況逐漸引入市場中,在市場發(fā)展后期可在區(qū)分各類資源技術(shù)特性和對系統(tǒng)安全運行的貢獻程度的背景下,進行類似于PJM的不同技術(shù)特性區(qū)分的調(diào)頻產(chǎn)品設置。明確不同輔助服務產(chǎn)品的作用對象,調(diào)節(jié)頻率范圍及響應、持續(xù)時間,從而使輔助服務提供者與接受者更加明確,成本產(chǎn)生路徑及分攤更加清晰,有效促進輔助服務成本的合理回收。

3)在電力輔助服務市場建設過程中需要考慮與電力市場相結(jié)合。目前國際上的電力市場主要可分為“集中式”和“分散式”。對于全電量競爭的集中式電力市場(如美國PJM和美國德州)而言,主輔市場以社會福利最大化為目標聯(lián)合出清;對于以雙邊交易為主的“分散式”電力市場(如北歐)而言,電力輔助服務交易通常在電力平衡市場中進行,出清目標為再調(diào)度成本最小,及輔助服務成本最小。在北歐平衡市場中,響應備用還可以用于管理系統(tǒng)阻塞。同時,國外輔助服務市場在市場交易機制中,通常會發(fā)布各類產(chǎn)品的(最低)需求量,作為市場出清的依據(jù),而在我國傳統(tǒng)的“三公調(diào)度”并不公開透明,現(xiàn)階段的市場機制設計中也未涉及發(fā)布市場需求量相關信息。由此,在進行電力輔助服務市場機制設計時,應充分考慮該區(qū)域電力市場模式,對輔助服務品種及出清模式做相應設計,完善市場信息發(fā)布機制,使市場公開透明運行。

4)輔助服務市場發(fā)展過程中,我國可結(jié)合實際情況,在省級市場中精細化輔助服務產(chǎn)品,區(qū)域市場中對輔助服務產(chǎn)品作出統(tǒng)一定義與要求,著重解決跨省交易問題。不同國家輔助服務產(chǎn)品及交易機制在發(fā)展中不斷得到豐富及優(yōu)化,PJM輔助服務市場中,產(chǎn)品種類不斷細化;但在以北歐為主的歐洲市場中,由于歐洲建設統(tǒng)一電力市場的要求,對輔助服務產(chǎn)品種類進行統(tǒng)一的定義與要求。結(jié)合我國國情與輔助服務實際運行情況,可將省級市場作為二級市場,根據(jù)不同省份資源類型及電網(wǎng)特性,不斷細化輔助服務產(chǎn)品種類;將區(qū)域市場作為一級市場,對輔助服務產(chǎn)品進行統(tǒng)一定義與要求,并著重于解決省間壁壘及阻塞等跨省交易中出現(xiàn)的問題,構(gòu)建促進能源有效利用的統(tǒng)一輔助服務市場。

何永秀1, 陳倩1, 費云志1, 付成然1, 常彥1, 龐越俠1, 鄒麗芳2, 柯曄2

1.華北電力大學 經(jīng)濟與管理學院,北京市 昌平區(qū) 102206

2.國網(wǎng)福建省電力有限公司 經(jīng)濟技術(shù)研究院,福建省 福州市 350012

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