國外需求響應市場化實施模式及啟示

劉軍會，劉 鑫，李虎軍，白宏坤，李 揚

（1. 國網河南省電力有限公司 經濟技術研究院，鄭州 450000；2. 東南大學 電氣工程學院，南京 210096）

0 引言

隨著社會經濟的增長和人民生活水平的提高，空調負荷不斷增長，導致電網日負荷峰谷差持續增大，季節性用電需求差異日益凸顯［1］；同時，分布式電源大規模并網導致火電機組的調控更加復雜，電網供電的安全性和穩定性受到嚴重威脅。國內外研究表明，電力需求響應能夠起到降低峰谷差、降低電力成本、提高電力設備利用率、促進新能源消納的作用［2—3］，是維護電力系統安全與經濟運行的重要資源［4］。在需求響應實施過程中，存在補償費用定價不科學、補償資金來源不明確以及參與主體的類型和規模相對有限等問題，導致需求響應的經濟性較差，利用率較低，資源的商品特性表現不充分。隨著我國電力市場建設正在穩步推進，市場機制逐漸成熟、市場主體不斷擴大，迫切需要將需求響應資源納入電力市場交易范疇，以充分發揮供需雙方的市場主體作用，促進資源的合理分配［5—6］。

國外需求響應參與電力市場交易已經開展了十余年之久，其市場化改革和需求響應技術發展的相關經驗和做法可對我國需求響應市場化實施帶來一定的啟示［7］。美國電力市場已經發展成熟，市場機制相對完備，其中PJMINT.，L.L.C.（以下簡稱為PJM）電力市場的需求響應技術理論最為完善，項目相對齊全。歐洲各國的需求響應項目的發展更偏向于價格型需求響應［8—9］。但基于價格型的需求響應行為并不能做到穩定的負荷削減，導致歐洲各國需求響應市場化交易程度較低，需求響應技術發展相對緩慢［10］。澳大利亞需求響應市場化實施面臨一定的困境，主要在于容量電費或可靠性費用的缺失，需求響應資源難以在電力批發市場進行交易，且各大電廠間的供電刺激措施互相矛盾［11］。

國內不同地區需求響應和電力市場的建設情況存在較大的差異。在此背景下，本文介紹了國外典型地區需求響應市場化實施的研究現狀與發展動態，提出了我國需求響應發展的建議和設想，并探索了我國需求響應參與電力市場交易的整體規劃。

1 需求響應市場化實施現狀

從用戶的參與方式來看，激勵型需求響應能夠達到定量調整負荷的目的，具有相對較高的穩定性和可控性，更符合我國目前電力系統的需求和發展趨勢。因此，選取美國PJM 和澳大利亞國家電力市場（NEM）電力市場作為國外典型代表，不再對歐洲需求響應市場化實施機制做詳細介紹。從全國范圍來看，山東省是國內首個也是唯一一個開展需求響應市場化交易的省份，目前仍處于探索階段。主要對國外典型地區需求響應市場的交易機制進行對比分析，總結市場化運行機制和實施效果的差異。

1.1 美國PJM需求響應的實施模式

美國的需求響應市場化實施已經積累了大量的實際運行經驗，形成了比較完備的需求響應市場體系［12］。PJM電力市場中需求響應的項目類型包括經濟型需求響應、緊急型需求響應和價格反應型需求響應，終端用戶必須通過專業的代理機構削減服務提供商（curtailment service provider，CSP）參與市場交易，需求響應參與市場交易的結構圖如圖1所示。

1.1.1 PJM經濟型需求響應

參與經濟型需求響應的用戶通過CSP主動進行競標或由PJM發出調度指令的方式參與能量市場和輔助服務市場競價。競價成功的用戶按照出清結果進行負荷削減，負荷削減的大小按照調整過的用戶基線負荷和用戶實際負荷的差值進行計算。

（1）需求響應資源參與能量市場

在日前階段，PJM 將接受CSP 削減功率不小于0.1 MW 的需求削減投標。需求削減投標包括終端用戶不進行負荷削減情況下的日前購電報價，以及負荷停機成本和承諾的需求響應持續時間。

PJM根據不包含實時和日前價格的月度供應曲線計算得到一個月度估計值，記為凈收益測試價格（net benefits price，NBT）。NBT 是確定電力供應凈收益和削減負荷支出的平衡點，用于觸發整個區域組織對經濟性需求響應資源的支付。只有當節點邊際價格（locational marginal price，LMP）大于或者等于NBT時，經濟型需求響應才能獲得相應的負荷削減補償［13］。若CSP在日前市場中承諾的負荷削減與日前計劃存在實時偏差時，在各個結算時段需按照實時LMP對偏差部分收取懲罰費用，并收取相關的平衡運行需求響應儲備費用。

圖1 PJM中需求響應參與市場交易結構圖Fig.1 Structure chart of demand response participating in PJM

在實時能量市場階段，CSP 參與實時電力市場需要提交PJM日前調度的出清結果。削減負荷的補償費用是基于實際提供的電量超過日前承諾的削減部分加上損失調整得到的。經濟型需求響應參與實時能量市場每5 min 進行一次結算。PJM 根據市場參與者的實時負荷和實時對外輸出，按比例從市場參與者中收回需求響應成本。

（2）需求響應資源參與輔助服務市場

需求響應資源參與日前備用市場和同步備用市場，中標容量以相應市場出清價格結算。日前運行備用需求響應的結算，向用戶報價大于或等于NBT 的日前運行備用需求響應參與者支付的總費用，不能低于負荷削減投標總價。需求響應參與同步備用服務的價格為

式中:CSR為同步備用服務總價格；CSRDR為同步備用報價；CSRCP為市場出清價格；Ccut為減載固定成本。

同步備用輔助服務的費用由市場參與者共同承擔，PJM 將根據市場成員日前計劃與實時出力的偏差，按比例向其收取備用輔助服務費用。需求響應資源參與調頻輔助服務須具備在5 min 內響應增減出力指令和實時數據遙測與通信的能力。在部分區域需求響應資源出清容量不得超過調頻輔助服務需求容量的33%。需求響應資源在調頻服務市場中的中標容量以調頻市場的實時出清價格進行結算，調頻服務市場出清價格的計算公式為

式中:CRMCP為調頻市場出清價格，即為滿足調頻需求最后需求響應資源的簽約價格；CRMPCP為調頻表現出清價格；CRMCCP為調頻容量出清價格；CLOP為機會成本，PJM規定需求響應資源的機會成本為0。

1.1.2 PJM緊急型需求響應

緊急型需求響應是指PJM發生系統運行備用不足、系統的穩定性受到威脅、節點電價超過規定上限等緊急事件時，需求響應資源按照調度中心指令削減負荷的行為［14］。CSP可以參與能量市場和容量市場競價，在發生緊急事件時，PJM強制其進行負荷削減，補償費用包含兩部分費用［15］，為

式中:Clmdr為緊急型需求響應價格；Ccap為容量市場價格，即基于可靠性定價模型（reliability pricing model，RPM）的容量結算價格；Cemcdr為能量市場價格；Cpen為違約金，即事件發生期間的功率缺額與違約費率的乘積。若用戶僅參與能量市場交易，則僅獲得能量市場補償。

1.1.3 PJM價格反應型需求響應

價格反應型需求響應是指通過調整電力批發市場或零售市場的電價改變可預測的用戶端負荷需求變化，用戶沒有直接的容量或能源市場收益。當LMP 達到或高于價格反應型需求響應計劃中規定的價格閾值時，簽約用戶通過響應來履行其義務。由于用戶調整負荷的行為具有一定的隨機性，擬通過建立高精度的預測模型用以描述用戶因各時段電價不同調整其用電需求的行為。

1.2 澳大利亞NEM需求響應的實施模式

2013年11月澳大利亞NEM就已提出了需求響應市場化交易機制，設計了需求響應市場化實施的整體結構［16］。但是需求響應資源只能參與零售市場交易，導致NEM需求響應市場的活躍程度很低。2020年3 月澳大利亞能源市場運營商（Australian energy market operator，AEMO）出臺了需求響應參與電力批發市場的相關政策，發布了電力批發需求響應市場的設計框架，預計2021年10月正式開始實施［17］。

NEM 需求響應市場的主要參與者包括配電網運營商、終端用戶和需求響應服務提供商（demand response service provider，DRSP）。DRSP的結構圖如圖2 所示，在NEM 電力批發需求響應市場中，一個區域內需求響應敏感性負荷和可控負荷被視為合格負荷，合格負荷可以以電力批發需求響應單元（wholesale demand response unit，WDRU）的形式被DRSP 進行調度。WDRU 具有最大響應組件數量的限制，該組件通過市場競標和優化調度進行負荷削減。DRSP 可以對與其簽約的需求響應負荷進行自調度，并按照實時市場價格獲得收益。同時，DRSP可以通過簽約負荷向系統運營商提供輔助服務，該輔助服務負荷則由系統進行安排控制。

圖2 DRSP結構圖Fig.2 Structure chart of DRSP

在系統電價較高時，由DRSP主動申請發起需求響應事件，DRSP以高于其響應的成本價格進行投標，競標容量為內部的需求響應資源的部分或全部容量。當市場價格高于DRSP競標價格時，達成出清協議。為了確保零售商的利益不會因負荷削減受到損害，零售商將在需求響應事件后獲得相應的補償，由AEMO設置了批發需求響應區域補償價格（wholesale demand regional reimbursement rate，WDRRR），根據DRSP 的需求響應電量向DRSP收取相應的費用，并補償給零售商。電力批發市場需求響應資金流如圖3所示。

圖3 電力批發市場需求響應資金流Fig.3 Wholesale demand response financial flows

1.3 實施現狀對比分析

通過對國外典型地區需求響應市場化實施的模式進行研究發現，盡管各個地區需求響應參與電力市場的交易方式和項目類型具有相似之處，但實際情況仍具有較大區別，尤其是歐洲地區目前尚未形成規模的需求響應商業模式。表1 從政策背景、啟動條件、市場類型、優化機制、響應類型以及需求響應資金來源等方面對3個地區需求響應市場化實施的差異進行了總結。

表1 需求響應市場化實施規則差異對比Table 1 Demand response differences of the marketization implementation rules

對PJM和我國某省份（簡稱A省）2019年的需求響應數據進行對比，分析開展市場化交易與未開展市場化交易地區需求響應實施效果的差異。兩個典型地區需求響應實施情況如表2所示。首先在需求響應簽約容量方面，PJM中可調度的需求響應資源占總負荷的比例比A省高出70%。其次PJM中提供需求響應服務的產業結構更加多樣化，制造加工業、公共服務業、居民用戶和商業用戶均有涉及［18］；A省制造加工產業提供需求響應資源的比例最大，其他行業的占比極小。最后在需求響應執行情況方面，PJM中需求響應除了在能量市場和容量市場獲得收益外，在輔助服務市場中提供備用輔助服務923 991 MWh，補償費用平均為3.05美元/MWh，提供調頻服務128 071 MWh，補償費用平均為18.64美元/MWh［21］。

表2 2019年美國PJM與A省需求響應實施情況Table 2 Demand response implementation of the PJM in the United States and province A in 2019

對PJM和A省的裝機容量、峰值負荷、供電面積等方面進行對比，PJM的電網規模約為A省電網的3倍左右，但二者需求響應實施水平的差距明顯要超過電網自身規模之間的差距。通過分析上述數據發現，需求響應市場化實施相比于非市場化實施能夠在容量上聚合更多的資參與系統調度，資源的負荷特性更為豐富，提高了需求響應的調節能力。同時，在市場機制完善的地區，需求響應資源能夠參與多類市場交易，需求響應的實施更為頻繁，負荷削減總量更大，需求響應代理商和終端用戶能夠獲得穩定的收益，充分發揮了需求響應資源的利用價值。在市場環境下實施需求響應，補償標準由其提供的服務類型和市場競標結果共同決定，市場化競爭充分，相比于由管理機構制定補償價格的方式更為科學合理，提高了需求響應的經濟性。

2 對我國需求響應發展的啟示

國內外相關機構均建立了不同程度的需求響應市場化交易機制，通過對上述典型市場中需求響應機制進行分析，我國在開展和推廣需求響應市場化交易進程中應注意以下問題:

（1）成熟的電力市場機制和需求響應機制是需求響應資源得以利用的重要保障。市場機制的健全程度決定了需求響應資源在電力市場中的參與程度，完善的電力市場交易機制能夠為需求響應提供良好的、廣闊的交易平臺，需求響應的市場價值能夠在多個方面得以利用。同時需求響應機制的發展程度決定了電力市場對需求響應資源的接納程度，需求響應的技術發展越成熟，其利用價值就越大，能夠更好的參與電力市場交易。

（2）積極鼓勵需求響應服務提供商（demand response provider，DRP）聚合用戶側資源參與電力市場交易，由于我國現在電力市場的參與主體大多為大工業用戶、售電公司，其根本盈利模式與需求響應的程度關聯不大，導致其開展需求響應的動機不足。采用DRP參與市場交易的形式，能夠更好的聚合需求響應資源進行統一調度，DRP 的業務能力熟練，能夠使終端用戶獲得穩定受益。同時需要通過市場化交易的方式確定需求響應費的承擔者，以解決補償資金的來源問題，有利于促進需求響應市場化交易常態發展。

（3）需求響應項目參與電力市場交易離不開配套設備的建設和相關技術手段的支持。需求響應資源不同于其他市場參與者，其市場交易電量和容量的計量手段、計算方法更為復雜，對終端用戶的智能化程度也具有較高要求。因此需要積極開展需求響應相關技術的研發工作，在協調控制、信息通訊、智能計量等方面提供技術基礎。同時還需要在考核方式和結算機制等方面對需求響應的實施效果進行精準反映，以確保需求響應市場的公正性。

3 需求響應市場化實施建設方案

3.1 不同地區需求響應市場化建設重點

我國正處于電力市場初步建設階段，僅部分省份建立現貨市場和輔助服務市場交易機制，各個地區電力市場發展程度和需求響應的技術水平存在較大差異。因此，需求響應市場化實施不能照搬國外成熟市場環境下的需求響應方案。

針對尚未開展現貨市場和需求響應技術處于起步階段的地區，應促進電力市場建設和需求響應技術的同步發展，盡快落實現貨市場發展的方針政策，擴大需求響應的實施范圍，提高用戶的積極性。

針對尚未開展現貨市場和需求響應技術成熟的地區，應以電力市場建設作為主要工作，成熟的市場機制和良好的市場氛圍是需求響應參與市場交易的基礎。完善需求響應補償機制，進一步提升需求響應技術。

針對已開展現貨市場和需求響應技術處于起步階段的地區，深度挖掘需求響應潛力，提高需求響應的響應能力和執行效果，降低市場準入門檻，將需求響應納入市場交易范疇，初步建立電力市場和需求響應的耦合關系。

針對已開展現貨市場和需求響應技術成熟的地區，完善市場交易機制，解決資金來源問題，進一步擴大需求響應參與市場交易的范圍。促進需求響應資源整合，推動需求響應交易常態化、響應策略智能化發展。充分發揮市場競爭作用和需求響應的利用價值。

3.2 河南省需求響應市場化建設方案

河南省電力輔助服務市場和現貨市場正處于籌備階段，出臺了相關政策保障，可以正常開展約定和實時需求響應。選取河南電網作為需求響應市場化實施的建設規劃對象，具有較高的普適性、復現性以及一定的推廣價值。因此，結合典型地區的相關經驗以及河南地區實際情況，分別從3 個角度提出了河南省需求響應市場化實施的建設方案。

截止到2019 年，河南可控機組裝機容量占比81.12%，發電具有較高的充裕性。考慮到其他地區需求響應參與容量市場的費用支出較高，實際效果較小，因此在市場機制不成熟的現狀下，暫不考慮開展容量市場建設，僅考慮將需求響應資源納入輔助服務市場和現貨能量市場交易。河南新能源發電量逐年攀升，最高可占全網總發電量的39%，面臨著新能源消納和火電機組晝夜功率波動較大的問題，因此需要開展包含填谷作用的需求響應市場化交易項目。同時需求響應補償標準不合理、補償資金不充裕也是導致其無法常態化實施的關鍵原因。

在電力市場方面:加快電力市場建設，明確需求響應資源能夠作為“發電資源”參與市場交易，并對需求響應資源的響應容量、響應速度等提出入市的基本要求；逐步建立需求響應參與電力輔助服務市場、能量市場和容量市場的交易機制，探索含需求響應的能量市場和輔助服務市場聯合優化出清模型；明確電力市場參與主體的責任與義務，根據“誰造成，誰承擔；誰受益，誰承擔”的原則，合理分攤需求響應費用；建立市場監管系統，打造有序開放、充分競爭、科學發展的市場體系。

在需求響應方面:做好需求響應的宣傳工作，通過大數據技術對用戶的相關數據進行分析，挖掘潛在的需求響應資源，保證需求響應資源的充裕性；從響應時間、次數、時長等多個維度對柔性負荷進行分析，建立需求響應資源調節庫，提高需求響應的靈活性和可靠性；將需求響應技術與智慧能源相結合，支持工業園區進行“源網荷儲”、能源互聯網技術改造，采用人工智能技術優化需求響應的協調控制系統；分析需求響應資源的填谷能力，探索需求響應在降低發電成本、促進新能源消納、提高能源清潔程度等方面更為廣泛的作用。

在需求響應市場化運行方面:成立獨立的DRP代理用戶進行市場交易，管理需求響應行為，提高需求響應參與者的經濟收益；從需求響應的速度、效果、影響及成本等方面進行評估，建立精細化、多維度的需求響應補償定價標準；采用合理的方式對需求響應交易進行預測、出清、評估和結算，提高用戶的需求響應滿意度和社會整體經濟效益；需求響應的運行控制面向智能化發展，將需求響應與虛擬電廠技術進行融合，進一步滿足電力市場交易以及電力系統調度的多樣化需求。

4 結束語

隨著我國電力市場機制的不斷完善，將需求響應資源納入市場交易具有深遠的發展前景。首先，本文從市場主體、項目類型、出清條件等多個方面系統性的介紹了典型地區的需求響應市場化交易情況，對比分析了實施模式和實施效果的差異。其次，提出了國外需求響應市場化交易的相關經驗對我國需求響應發展的啟示。最后，根據電力市場和需求響應發展程度的不同，提出了不同階段下需求響應市場化實施的建設重點，并以河南電網作為建設對象，從多個角度提出具體的實施方案，為我國開展需求響應市場化交易提供思路。