摘要

 

為了解決電力系統實時運行的供需平衡問題并提高運行經濟性,國外典型電力市場均建立了實時平衡市場,并取得了成功的運行經驗。而我國當前正處于從中長期電量市場向中長期交易和現貨交易過渡的市場模式,目前采取的是電量交易和偏差考核結算,系統仍按照計劃調度方式運行,缺乏促進系統實時平衡的激勵機制,出現了結算考核費用不能有效覆蓋系統平衡成本等問題,亟需建設適應現貨交易的市場化平衡機制。為此,對國外典型平衡市場的運作模式及其結算方法展開研究,首先總結了平衡市場的運行框架,然后選取采用“輔助服務市場+調節電能市場+不平衡結算”模式的北歐和英國市場及“一體化交易”模式的美國PJM市場,從平衡資源獲取、平衡責任劃分和不平衡結算方法三方面對典型平衡市場進行了介紹,分析了不平衡電量結算和平衡服務容量成本分攤之間的耦合關系;隨后對兩類平衡市場模式進行了對比,分析了不同模式的特點和適應性;最后結合我國當前偏差考核結算機制存在的問題及市場化平衡機制的發展需求,對我國市場過渡期乃至現貨市場開放后的平衡市場建設提出了相應的建議。

 

作者：賀宜恒1, 周明1, 武昭原1, 龍蘇巖2, 徐駿2

 

1．新能源電力系統國家重點實驗室(華北電力大學),北京市 昌平區 102206

 

2．中國電力科學研究院(南京),江蘇省 南京市 210003

 

0 引言

 

保持發用電實時平衡是電力系統運行的基本要任。為了提高系統實時運行經濟性,反映系統實時供需情況和平衡成本,電力市場環境下有代表性的北歐、英國和美國PJM市場均引入了市場化的平衡管理機制,即基于實時調度的平衡市場,并取得了成功的運行經驗[1-2]。平衡市場是維持電力供需平衡的制度安排,通常由調度機構負責運行,調度通過調用平衡輔助服務、調節機組出力等方式,實現系統有功平衡[3-7]。盡管平衡市場的總交易電量較少,但它能為電能交易和輔助服務提供價格信號,為不平衡電量結算和系統平衡成本分攤提供依據[8],是現貨市場重要的組成。

 

目前我國電力市場以中長期電量交易為主,由交易中心提前將中長期電量分解到調度日。為保證系統運行的實時供需平衡,調度部門仍按照傳統調度模式調整機組出力。由于尚未建立現貨市場和有效的市場化平衡機制,缺乏實時價格信號,帶來了實際運行功率與長期合同分解量出現偏差時偏差電量結算難題,偏差考核缺乏依據,偏差結算缺乏公平性,且無法有效覆蓋系統運行成本等問題。隨著交易規模的增大,以及大規模波動性可再生能源跨區交易的增加,提高了系統實時平衡的難度和重要性,需要現貨市場提供短期價格信號,以充分發揮市場資源優化配置的能力,而作為現貨市場的重要組成之一的市場化平衡管理機制尤為重要[9]。

 

鑒于國外典型平衡市場的成功經驗和中國對市場化平衡機制的需求,有必要對國外典型電力平衡市場的運作和交易結算模式進行研究,為我國建立現貨市場、平衡市場提供參考。為此,本文對3個國外典型電力平衡市場的運作模式及其交易結算方法展開對比研究,首先總結了平衡市場的運行框架,然后從平衡資源獲取、平衡責任劃分和不平衡結算3個方面詳細介紹了采用“輔助服務市場+調節電能市場+不平衡結算”模式的北歐和英國市場及采用“一體化交易”模式的美國PJM市場,分析了不平衡電量結算和容量成本分攤之間的耦合關系。隨后對2類平衡市場模式進行對比,分析了不同模式的特點和適應性。最后梳理了我國當前系統平衡和偏差考核結算機制的現狀和平衡市場發展需求,進而對我國電力市場過渡期乃至現貨市場開放后的平衡市場設計提出了相應的建議。

 

 

典型電力市場通過引入市場化的平衡管理機制,有效銜接了開放分散的市場運營與系統化的集中調度,保證了市場環境下系統運行的穩定性和經濟性,同時起到發現實時價格的功能[1]。歐洲大陸將基于市場的平衡管理機制稱之為平衡市場,英國稱為平衡機制(balancing mechanism,BM),美國則稱之為實時平衡市場[7,10-11]。為方便敘述,除特別說明外,本文將其統稱為平衡市場。平衡市場由調度組織運行,調度通過調用提前獲取的平衡資源,組織實時電能交易來進行功率平衡和阻塞管理[2]。

 

市場環境下,調度職能歸屬系統運營商(system operator,SO)。除SO外,參與平衡市場運行和結算的市場成員包括平衡資源提供方(balance service provider,BSP)、平衡責任方(balance responsibility party,BRP)和結算機構等。其中,BSP是提供平衡資源的市場成員,在實際運行中根據系統頻率變化或調度指令改變自身出力或負荷,以幫助系統恢復平衡。BRP是承擔平衡責任并參與不平衡結算的市場成員或其代理,它既可以是某個市場成員的一部分,如一個發電廠的某一個機組,又可以是多個市場成員的組合。結算機構負責平衡資源補償和不平衡電能結算。

 

平衡市場的運行框架如圖1所示。在實時運行前,SO需通過市場機制獲取平衡資源。平衡資源包括平衡輔助服務(簡稱平衡服務)和平衡電能兩類,前者指維持系統有功和頻率穩定的輔助服務,通常包括頻率響應、調頻和備用3類。SO作為單一買方,負責組織輔助服務市場,并按照系統運行準則購買一定容量的平衡服務。平衡服務按“容量可用性”為標的進行交易,報價被出清的BSP需要在實時運行中保留相應的容量供SO調度,即使不被調用也可獲得報酬,被調用后產生的電量也可在電能市場結算,因此可以說平衡服務具有容量和電量2個屬性[3,12-13]。而平衡電能又稱為調節電能或上下調電能,由SO作為單一買方在調節電能市場中購買,通常在日前市場結束后開啟交易,至實時運行前結束。平衡電能以電量為交易標的,按運行中實際被調用的電量進行結算,不進行容量補償,類似于無容量支付的備用,僅具有電量屬性。

 

 

圖1 平衡市場的運行框架圖

 

在實時運行期間,SO通過頻率響應、調頻等進行快速平衡,維持頻率穩定,當通過超短期負荷預測發現潛在的能量不平衡時,SO則會主動調整上下調電能報價或是備用機組的出力。市場成員實際發用電量與交易計劃有差異的部分,被視為與SO間的實時電能交易,在事后進行不平衡電量結算。

 

在運行結束后,結算機構從交易機構獲取交易信息,從SO獲取計量信息和平衡資源的調用信息,對產生不平衡的BRP開展不平衡結算,并向提供平衡服務和上下調電能的BSP進行支付。

 

 

2.1 北歐平衡市場的運行和結算模式

 

北歐電力市場依據歐洲輸電系統運營商聯盟ENTSO-E的標準,將平衡資源分為頻率控制備用(frequency containment reserve,FCR)、頻率恢復備用(frequency restoration reserve,FRR)兩大類,后者又分為自動FRR(automatic FRR,aFRR)和手動FRR(manual FRR,mFRR)[14]。FCR屬于一次調頻,能保證系統頻率穩定在額定頻率的±0.1 Hz內,能在1 min內響應;aFRR主要通過AGC實現,可在5 min內響應;mFRR是可在15 min內響應的備用服務。SO可在輔助服務市場中與BSP簽訂合約獲取上述資源,合約以容量為標的物,交易模式以日前自愿投標為主[3,15-17]。

 

mFRR作為北歐地區最主要的平衡資源,為保證其充分有效供應,除了通過輔助服務市場鎖定一定的容量外,還需要調節電能市場(regulating power market,RPM)作為支撐。RPM在日前市場結束后開啟,在實時運行前關閉,具有額外調節能力的市場成員可以提交上下調能量報價,該報價可視為無容量補償的mFRR。此外,已經簽訂中長期mFRR服務合同的市場成員可以參與RPM的能量報價。當系統備用容量不足時,SO還會開設額外的備用市場,如峰荷備用市場等,簽訂了備用合約的BSP被強制要求能量報價[18]。為了消除中小用戶面臨的提供平衡服務的屏障,北歐在現有平衡市場的基礎上,建立了試點性的Ecogrid EU市場,該市場是一個無報價的實時市場,小容量分布式電源和終端用戶可根據接收到的實時電價做出提供平衡資源的響應[19]。此外,北歐地區的平衡資源的跨國交易也取得了成功的運行經驗[13]。

 

在平衡資源的調用策略上,北歐SO按平行調用法調用aFRR,按排隊法依次調用mFRR。當價區之間出現阻塞時,啟動特殊調節機制,并由2個價區的SO共同決定是否將原有的報價隊列分開。

 

 

 

 

表1 北歐平衡服務的容量補償結算方式

 

eSett作為專門結算機構負責瑞典、挪威和芬蘭的不平衡結算,而在丹麥仍由Energine.dk負責。北歐平衡市場的運行時段長度為1h,出清的上下調電價為該時段被調用的邊際mFRR能量報價。不平衡電量根據上下調電價和日前電價對不平衡電量進行結算,其中,發電不平衡量采用兩價法結算,用電不平衡量采用一價法結算,文獻[20]對該結算方法進行了整理。eSett還根據BRP的實際發用電量收取結算手續費,以支付部分平衡容量成本[22]。