風電企業參與電力市場研究綜述

曾雪彤，譚建成

（廣西大學電氣工程學院國家級實驗教學示范中心，南寧 530004）

0 引言

據能源局統計，2018 年風電機組裝機容量達到1.84 億kW，發電量3 660 億kWh，棄風電量277 億kWh，其中新疆、甘肅和蒙古三省棄風率占全國棄風電量的84%[1]。 雖然風機并網容量和發電量在逐年提升，但仍存在棄風問題，尤其是風電資源富足地區。 可見，棄風消納問題嚴重制約著我國風電的發展。 風電消納已成為我國當前風電發展過程中亟需解決的問題，已有許多學者通過風電特性分析[2-3]對棄風消納產生原因進行了研究[4-5]，主要原因分為三類，從新能源發電側、輸電網及系統電源容量角度進行分析，具體如下：

（1）由于風電具有隨機性、間歇性、反調節性等特點，在電網中產生電壓波動、電壓閃變和高次諧波，以及風機啟動過程中產生的沖擊電流都會影響系統的安全穩定。

（2）電網輸送能力有限。 我國供電與需求呈逆向分布，需遠距離輸送，但網架結構簿弱，阻礙了風電向外輸送，因此不得不棄風。

（3）調節電源稀缺，導致系統調峰能力不足。風電反調峰特性增大了系統等效負荷曲線的峰谷差，容易發生爬坡事件，需對電源進行調節，但傳統的調峰機組受到機組出力約束，不能及時響應調峰指令。

因此，IEA（國際能源署）總結了風電接入可能對電力系統造成影響的理論框架[6]，結合風電評價指標覆蓋的時空尺度，得到對應各應用領域的指標體系。 各個國家紛紛出臺了激勵風電發展的各項政策[7]以及并網要求[8-9]，鼓勵相關企業對新能源上網技術加大投入，從而增加新能源的裝機數量并且改善風電質量。

目前，風電企業主要依靠補貼或固定上網電價維持其收益，文獻[10]表明風電使用固定上網相較于考慮價格-風相關性的電價，提高其市場價值。 因此，風電補貼取消已成必然趨勢，市場成為促進風電消納重要途徑[11-12]。 風電的預測精度及滲透率是影響市場的主要因素，文獻[13]基于風電與傳統發電的發電數據，利用統計學原理，得出風電在電力市場高滲透情況下會使電價降低。 文獻[14]發現在風電高滲透率、低預測精度下節點電價波動幅度會增大。 文獻[15]探索了風電對輔助費用的影響，發現風電會增加輔助費用，但與其他能源聯合會降低價格影響。 但文獻[16]發現風電經濟性主要體現在環境效益大于風電上網的附加成本。 文獻[17]探討了當風電場參與電網調頻時對風電運行價值的影響，發現風電場可以通過參與調頻提高電網綜合風電的運行價值。隨著市場機制成熟、風電技術提高，風電產業終究會進入完全競爭。

風電企業如何適應電力市場競爭改革成為亟待解決的問題。 本文從政策和市場角度進行闡述分析，對現有政策展開討論，對比各激勵政策的優劣，并給政策制定者提出相關建議。 然后，闡述集中式風電的電量交易、輔助調節及風險轉移的市場運營模式，為風電企業參與市場競爭提供參考，有利于引導風電企業采取市場決策。 同時，歸納分散式風電在市場消納的配套機制和技術支撐。 最后，總結歸納風電參與電力市場中的關鍵問題及展望。

1 國內外風電上網政策分析

風能作為一種可再生能源，蘊量巨大，分布范圍廣，其自身的環境效益和經濟效益非常顯著，能夠緩解能源供給緊張的形勢、減少發電成本、降低碳排放。 因此，越來越多國家開始重視風電在全球能源結構中所占的地位，并鼓勵開發風電能源，加快風電機組建設、消納、資源配置及技術改進，推進風電在電力市場發展，具體政策如下：

（1）經濟手段引導風電機組擴建。 在風電建設初期，經濟激勵作為風電裝機容量擴張最有效政治手段之一，主要有招標計劃、稅收減免、資金補貼、貸款優惠、固定電價、高價購買、電價補貼等[18]。 鼓勵風電建設，降低風電建設者投資成本，穩定風電收入，從而吸引投資者投資，增加風機裝機容量，從而推動可再生能源的初步部署。 在這些激勵政策下風電機組容量在大規模地迅速擴張，但并未考慮到現有輸送基建對風電上網的承受能力，加大棄風率，同時價格補貼影響終端電價[19]。

（2）配額制促進風電消納。 通過以配額制作為定向指標，衍生新的交易品種，增加風電消納的靈活性。 世界上多個國家和地區將可再生能源配額制作為支持可再生能源發展的一項重要的激勵政策。 美國愛荷華等多個聯邦州、英國、澳大利亞、日本和印度也先后引入該政策[20]。 為了保證風電能接入電網進行消納，國家發展改革委發布了《關于實行可再生能源電力配額制》文件[21]，配額制是對各省份消納風電量的定向指標，將責任落實到各個電力企業（電網公司、售電公司、大用戶和擁有自備電廠的企業）。 不僅明確了承擔配額義務的市場主體，還對各地區配額指標、核算方法、交易形式和考核要求進行相關闡述，將風電真正意義上納入本地能源發展規劃，從而引導電力規劃與發電計劃。 綠色證書則為配額制的衍生物，綠證為風電交易的憑證，也是配額完成量的佐證。 其交易有利于風電資源市場流動，給可再生資源稀缺地區提供風電交易渠道，對完成風電消納指標多一條途徑，同時解決風電富足企業棄風問題。 但由文獻[22]可知配額制影響發電容量的投資，抑制風電行業發展；其次，配額分配制度及標準仍未完善，以及政府監管力度也會影響配額市場的公正性；綠色證書價格波動及有效性仍需考究完善。

（3）鼓勵分布式發電，優化資源配置。 《關于印發2018 能源工作指導意見通知》提出風電從大規模集中發電管理模式向分散式發供電過渡[23]。我國風電供需呈逆向分布，依靠集中式發供電，消納易飽和且不易遠距離輸送，增大發生棄風事件發生概率；建立大型風電場，建造成本高，投資資金回收周期長，不利于市場競爭。 而分散小風電場可以實現就近消納，提高當地的風電消納率；其次，豐富市場多樣性，吸引更多市場主體，引入新的交易品種，使交易方式更具有多樣性；對輸電網而言，降低有功網損，減少網絡阻塞可能性，同時可以參與輔助市場，維護系統安全穩定。 但同時由于分布式能源的滲透影響電網潮流分布、電壓水平及短路電流[24]；通信阻塞和用戶數據隱蔽性也給調度帶來困難[25]。

（4）平價上網激勵風電企業技術改進。 傳統固定電價（溢價）加重政府的經濟負擔，缺乏市場信號，不利于市場建立及風電企業風險分攤和利益分配。 因此，各國逐漸取消補貼，實施平價上網。 英國政府不僅取消對風電企業的免稅優惠政策，還計劃從2019 年4 月開始廢止新能源發電上網電價補貼政策[26]。 同時隨著《關于積極推進風電、光伏發電無補貼平價上網有關工作的通知》頒布[27]，中國也將逐漸取消風電上網電價補貼政策。

政策加速風電企業在電力行業發展的動力因素，但以政策引導代替市場信號扶持不利于市場配置、流動、公平及公正化；制約風電企業其技術水平發展；對傳統發電企業、輸送公司運營帶來一定利益沖擊。 電力政策制定要結合電網物理架構及電力市場機制，確保政策執行效率[28]；其次，出臺相關標準，引導風電企業技術改造，文獻[29]通過發電技術改造降低補貼幅度，減輕政府財政負擔，同時降低對電價影響；最后，制定政策同時要均衡相關利益方的利益分配問題。

2 集中式風電參與市場交易模式

電力市場能夠有效調度系統資源配置，靈活性的市場體制是保證風電消納的重要措施。 現貨市場以價格激勵各方提供電量和輔助服務，即風電企業可在現貨市場進行電量交易，在調峰輔助服務中尋求輔助調節，保證風電上網消納，同時可在以中長期為主金融市場規避交易風險。

2.1 現貨市場

運行良好的現貨市場是抵御系統凈負荷的波動和不確定性，維持系統供需平衡最經濟有效的辦法，是解決高比例波動性可再生能源發電對系統帶來挑戰的有力工具[30]。 現貨市場作為一個短時交易市場，可以體現電力商品的市場價值，能進行實時的補充，促進市場的經濟調度。 美國、英國及北歐等電力市場已建立與其體制相適應的現貨市場[31-34]，具體市場方式如表1 所示。

表1 各國現貨市場體系比較

風電為丹麥主要的能源之一，2017 年風電機組出力為5.3 GW，占全國發電量147 億kWh 的43.6%[35]，其主要參與北歐電力市場進行風電消納，因此以北歐電力現貨市場作為借鑒，其主要分為日前市場、日內市場及實時平衡[36]，日前市場主要基于輸電容量、市場成員的交易結果制定第二天的調度計劃；日內市場其實是對日前的補充，其交易時間在日前市場結束后開始，以1 h為單位交易，在交易完成后，電網企業中輸電管理者會實時更新輸電容量信息，以明確平衡責任。

由于可再生能源發電的波動性，風電企業傾向于保守地在日前市場中出價，以避免因未能交付指定數量的能源而遭受巨額罰款[37]。 現貨市場可作為日前補充，其從時間尺度上提高風電預測精度，風電預測作為一種提高風電在電力系統有效性的重要手段，其精準性與時間尺度有關，時間尺度越短其精準性越高[38]。 風電企業可在參與日前市場前進行風電短期預測[39]，并在日前市場交易中明確平衡責任，雖然短期預測存在一定誤差，但粗略性、計劃性進行調峰，其誤差可在日內市場進行平衡調整，實現實時調峰并減輕在平衡市場中產生的不平衡量[40]。 平衡市場則保證電能質量（電壓、頻率）正常，維持系統的安全穩定性。 平衡資源的獲取方式仍通過市場交易，明確買賣雙方，并且調度中心通過買賣關系獲取優質的資源，并且獲得一定收入。

2.2 調峰輔助服務

調峰輔助服務是應對風電峰谷差采取的一種市場調節手段。 北歐、美國和英國作為早期風電發展中心，可借鑒其成功經驗。

北歐將調峰服務以實時形式參與到電力市場調峰中，通過建立平衡市場，調度中心作為購買方在平衡市場中向市場參與者能提供的上、下備用，消除電網中不平衡電量[41]；美國PJM 則將調峰義務分配到每個負荷服務企業[42]，負荷服務企業則可以通過3 種途徑獲取調峰資源：利用自身擁有發電機組提供平衡資源；通過向第三方購買；采取負荷響應，減少負荷。 英國由于其電量交易主要以雙邊交易為主，通過清算雙邊交易合同得出不平衡電量，再由平衡機制獲取相關輔助服務或者通過簽訂合同向第三方購買[43]。

我國采取建立調峰輔助市場來獲取調峰資源[44]。 主要方式有機組調整處理、啟停，負荷轉移，電量轉讓和省間相互消納。 依據調峰方式將其劃分為6 類，分別為實時深度調峰、可中斷負荷、電儲能調峰、火電停機備用調峰、火電應急啟停調峰和跨省調峰。 調峰服務補償方式與供熱期、機組類型和負荷率交易模式有關，主要有3種補償方式：雙邊交易價格、統一清出和電量價格。 具體其交易模式如表2 所示。

調峰輔助服務的分攤按照“誰受益、誰承擔”的原則進行，主要有2 種模式：

（1）由購買方向調峰輔助服務提供方購買的調峰容量費用由購買方對提供方進行補償。

（2）調度中心依據電網的安全需求進行調峰資源調度，該部分費用由發電側的風電、核電和省內負荷率高于深度調峰基準的火電廠共同承擔，主要按責分攤。 責任判定依據為該電廠的上網量對電網的影響度。 在費用分攤前，會對該電廠的上網量進行修正，以修正的電量比例分攤調峰輔助費用。

風電企業可以通過調峰輔助服務購買調峰資源，降低風電波動，消除不平衡電量，降低不平衡電量懲罰，實現風電消納。 同時風電企業也可以作為調峰提供方，在傳統機組通過購買風電發電權降低其向下調峰時啟停成本[45]。 文獻[46]提出一種結合節能減排的調峰權交易模型。 文獻[47]構建考慮風電波動性及頻率與聯絡線偏差考核模式下的調峰輔助服務市場交易模型。 文獻[48]為了促進大規模風電消納，提出了雙層調峰補償機制。 文獻[49]表明通過區域間相互調峰，有利于提高風電魯棒性。

2.3 金融市場

金融市場作為虛擬交易，并不涉及物理分割，只是通過金融手段將未來交易價格波動風險進行轉移，主要以合約的形式進行交易，包括遠期合同、差價合約、期貨及期權等[50-53]，其交易發生在電力實時交易前，結算在電力完成交易后。 現有電力金融產品概況如表3 所示。

在短期內的電力交易中，電力價格與市場供需關系和參與者博弈競爭報價有關，導致價格波動較大。 隨著風電固定上網電價政策取消，風電企業在電量交易的價格無法得到保證，因此風電企業可拿出部分的電量參與金融市場交易，通過合約形式將電價固定，可保證基本成本回收，規避一定價格風險。 風電企業在對風電、電價及負荷需求預測的基礎上，與售電企業或大用戶簽訂遠期合同，既保證風電未來某時間段的消納量，又得到一個預計能接受的價格，實現風險共享；其次，可購買期貨實現套期保值[54]，彌補遠期合同可能帶來的虧損，規避價格波動風險；當由于風電間歇特性和預測偏差導致遠期合同無法按時履行時，風電企業可以以期權形式轉讓發電權利，還能獲取一筆期權費，但由于買方可依據實時電價決定其是否履行合約，導致風電企業其虧損不固定。 因此風電企業也可向其他發電企業購買期權將風險鎖在一定范圍內；當風電企業未采用遠期、期貨或是期權合同來規避風險時，可采用差價合同切斷實時電價波動，差價合同在北歐電力主要用于阻塞管理，其結算是按區域電價與系統電價之差作為參考電價[55]，而傳統差價合同電價定義是合同電價與實時電價差值，無論哪種結算形式都有利于電價穩定性。 風電企業可依據自身需求對遠期、期貨、期權及差價合同有機組合，最大化降低風險。

表2 交易產品的定義及交易模式

風力發電商作為現貨市場的參與者，其發電成本較低但需要為風力發電技術及預測的不精準承擔一定的輔助費用。 風電企業如果希望在現貨市場以較低邊際成本獲取市場發電權，則需改進其技術與預測水平，減少對調峰費用的支付，從而獲得價格上的優勢，進而獲得發電權對產生的風電進行入網消納，因而獲得電費收入，或者通過金融交易將在實時交易的風險進行轉移。

3 分布式風電參與電力市場研究

風電以分散的形式接入配電網中可以減少其對電網的沖擊，提高當地新能源消納率。 近年，國家對分布式風電出臺一系列推進政策，促進其建設發展。 但其所需的公共服務和電力市場交易還不完善，未能發揮分布式發電在電力資源優化中的優勢[56]。分布式風電是指電力自用，多余上網，在配電系統平衡調節的風電用戶[57]，現有研究為促進分布式能源交易設計許多市場機制，對分布式風電參與電力市場有一定借鑒性。

目前針對分布式參與市場模型主要有集中交易和點對點交易。 集中交易將以某個范圍為單位內分布式能源（儲蓄電源，發電用戶，提供需求側響應用戶等）集合參與市場交易，具體形式有分布式能源以微網或虛擬電廠的形式參與批發市場交易；分布式能源以個體為單位參與配電網側的電力交易中心，以上2 種交易模式都需要在電力市場交易中心進行申請、報價、交易（簽訂合同）、電力校驗和市場結算。 這種集中交易模式一般采用合約市場競價機制，以雙邊協商和競價機制2種方式進行電力交易[58]。 點對點交易，即不需要在交易中心參與市場競爭，用戶與用戶之間通過信息交互，選擇合適買家和賣家進行直接電力交易，點對點交易機制賦予分布式能源和消費者在電力交易中的選擇交易權，降低電能交易門檻，提供交易靈活性，在該交易機制中，已有不少研究將區塊鏈技術應用于點對點市場交易。 區塊鏈去中心化、去信任化、公開透明、不可篡改和自動執行的特點，在開展分布式能源交易及交易主體信用管理上具有先天優勢[59]。

分布式能源交易主體多，信息繁雜，依靠第三方交易，交易流程多、效率低、時間長[60]，不利于分布式能源消納，挫傷分布式市場主體參與市場交易積極性。 因此，設計一種分布式電源自由交易系統通過多邊交易保證交易時效性及公平性[58]。 文獻[61]將利潤與風險作為目標函數，得出最優買賣計劃。 文獻[62]提出一種基于連續雙向拍賣機制完成交易配額，在對拍賣價格與時間雙重排序下進行交易匹配，保證電價經濟性和交易公平性，但其報價以參與者主觀判斷決定，不能體現電力商品真正價值。 文獻[63]提出一種利用市場信息修正用戶報價，體現市場價值，實現價格優化。 從社會效益分析，代理商可以以自身利用最大化作為報價系數，調度中心以社會效益最大化進行出清[64]。

表3 電力金融產品概況

4 風電參與電力市場關鍵問題及展望

4.1 挖掘靈活調節產品

靈活調節產品增加系統運行靈活性，保證供電可靠性的輔助服務，源-荷兩側均可提供靈活性調節產品。 電源側以蓄電池和飛輪機組等儲能裝置為代表的快速爬坡資源引入調峰輔助服務，這種類型的爬坡資源能夠提供快速、靈敏、高效的輔助服務[65]。 其特性能夠經濟有效平衡電網波動，保證電網安全可靠。 由于其技術與造價問題，以及現有輔助服務補償機制下局限了靈活性產品產業的發展。 負荷側可通過需求側進行調節，研究表明需求側與風電聯合調度有效降低系統運行成本，提高系統調度的經濟性，并且彈性價格有效緩解了固定需求引起的需求波動[66]。 目前靈活性負荷主要以電動汽車[67]、蓄冷蓄熱空調系統[68]、電熱器[69]等用電時間不敏感型電量負荷需求為主。 電力負荷的靈活調節已成為電力需求側管理技術發展的重要趨勢。 因此，從政策制定者、生產者、調控中心以及風電企業等方面給出如下建議：

（1）政策制定者可借鑒風電初期建設發展的政策手段，以電價政策、激勵機制、政府補貼為導向，引導投資商對靈活性產品的產業投資與建設；完善輔助服務補償機制，不應只局限在價格優勢，應結合輔助產品性能，調節效果以及市場價格信息準確反映提供商成本，吸引靈活性產品參與輔助服務。

（2）儲能制造商應提高儲能技術降低儲能成本，開拓靈活性產品服務市場研究，鼓勵其積極參與輔助服務獲得補償，與傳統機組聯合調節，從而提高傳統機組爬坡性能、降低儲能設備成本，實現資源優化配置，與風電企業進行長期交易合作，利用儲能實現風電并網容量優化，從而降低風電波動率并且降低儲能充電時的電量成本。

（3）調度中心應加大對含儲能裝置的分布式能源系統的配網潮流研究及源-荷相互調節靈活性的經濟調度。 調度中心可采用用電激勵[70]、可中斷負荷[71]、電價響應[72]等用電調度方式，在保證用戶舒適度的情況下，對其可提供的靈活性可調節負荷進行有序的調度，最大化地消除自身和風力發電引起的系統功率不平衡。 在降低用戶用電成本同時又能促進當地可再生能源的消納。

（4）風電企業通過自身性能，向電網提供輔助。 文獻[72]表明風電場具有良好的有功控制能力，可以提供較快的頻率支撐，同時文獻[73]指出風電廠能夠提供靈活性爬坡服務，這給風電企業帶來一個潛在選擇。 因此，風電企業應該提高其通信技術、測量技術以及控制技術，從而改變在輔助服務中單一購買者身份，并且在輔助服務中獲得額外的補償。

4.2 對配電網側進行改造建設

配電網作為直接與負荷（用戶）直接相連的網端系統，其運作的安全穩定性直接影響負荷端安全穩定。 由于分布式能源（風電、光伏、儲能及靈活性調度負荷）推廣以及電力市場逐步開放化使配電網逐漸向自動化及市場化推進。 因此，需對配電網進行規劃、改造及體制改革。

（1）建設智能化配電網，提高信息互動效率。智能配電網成為分布式發電互聯，需求側響應信息互動的關鍵技術。 依靠人為信息采集已經不適應短時交易市場體制，因此，依靠智能端口采集信息成為未來配電網終端發展趨勢。 信息及時采集有利于及時反映系統能量動態；為消費者提供價格信息，促進市場交易；便于調度中心系統管理和阻塞校驗。

（2）設計與分布式發電相適應的市場機制。對市場主體響應潛力建模，對參與者市場行為進行分析，建立信用評估庫，將信用度納入交易參考標準；設計市場信息互交機制，有利于信息流在市場上流通；在市場運營模式上應加快對零售市場建立，多邊交易市場機制，提高市場靈活性，給參與者提供更多選擇。

4.3 完善跨區消納風電的基本措施和市場機制

集中式風電企業可通過跨區交易進行風電消納，降低風電棄風率。 但由于受到電網輸送能力的制約和跨區域交易制度尚未完善，阻礙風電向外輸送。 因此，應加快輸電網柔直輸電建設，有利于風電直接與電網相接，解決風電入網問題，又節約接入成本；建立跨省跨區交易機制，明確輸配電價及分攤機制，通過價格信號讓風電企業了解供求關系和系統阻塞程度，以便做出最優決策，促進風電市場交易量。

5 結語

隨著風電政策的推行，風電裝機容量大規模增長，補貼政策也隨之取消，風電企業如何在市場改革中獲得利益成為亟待解決的問題。 本文從政策和市場角度進行闡述分析。 現有政策主要針對風電建設、消納以及未來發展展開，引導風電企業進行市場行為。 闡述國內外集中式風電市場運營模式，以實時電量交易的現貨市場主要以經濟調度為主，有利于風電消納及資源合理配置，針對風電特性建立調峰輔助服務提供靈活調節產品，同時風電企業可在金融市場進行交易，轉移部分風險。 與此同時，歸納分布式風電在市場消納的市場運營模式，總結報價、出清及技術支撐的研究成果。 最后，總結歸納風電參與電力市場中的關鍵問題及展望。