面向我國(guó)電力市場(chǎng)的需求響應(yīng)市場(chǎng)化交易機(jī)制設(shè)計(jì)

張高, 薛松，范孟華，張寒

(國(guó)網(wǎng)能源研究院有限公司，北京市102209)

0 引 言

隨著電力體制改革和電力市場(chǎng)建設(shè)向縱深推進(jìn)，以有序用電等行政手段為主的需求側(cè)管理(demand side management, DSM)[1]逐步演化為以市場(chǎng)機(jī)制為特征的需求響應(yīng)(demand response, DR)[2]。

從國(guó)際經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，歐美等國(guó)電力市場(chǎng)建設(shè)起步較早，目前已形成較為完善的電力市場(chǎng)體系，需求響應(yīng)商業(yè)模式和市場(chǎng)機(jī)制也蓬勃發(fā)展，市場(chǎng)主體呈現(xiàn)多元化特征，參與需求響應(yīng)意愿較為強(qiáng)烈[3]。相較之下，我國(guó)電力市場(chǎng)建設(shè)還處于起步階段，電力現(xiàn)貨市場(chǎng)試點(diǎn)穩(wěn)步推進(jìn)，需求響應(yīng)發(fā)展方興未艾，需求響應(yīng)“削峰填谷”試點(diǎn)取得顯著成效。但總體來(lái)看，仍存在市場(chǎng)化交易機(jī)制缺失、響應(yīng)規(guī)模偏小、準(zhǔn)入要求高、響應(yīng)意愿低、經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償機(jī)制不健全等問(wèn)題亟待解決。

基于此，本文全面梳理需求響應(yīng)的國(guó)際發(fā)展經(jīng)驗(yàn)與啟示，基于我國(guó)需求響應(yīng)發(fā)展現(xiàn)狀及面臨的挑戰(zhàn)，結(jié)合我國(guó)電力市場(chǎng)發(fā)展路徑，設(shè)計(jì)與我國(guó)電力市場(chǎng)發(fā)展路徑相協(xié)調(diào)的需求響應(yīng)市場(chǎng)化交易機(jī)制，為我國(guó)需求響應(yīng)發(fā)展提供可行思路。

1 需求響應(yīng)國(guó)際發(fā)展經(jīng)驗(yàn)及啟示

1.1 美國(guó)需求響應(yīng)發(fā)展經(jīng)驗(yàn)

美國(guó)自1992年起陸續(xù)出臺(tái)了一系列需求響應(yīng)發(fā)展扶持政策，如表1所示，為需求響應(yīng)參與電能批發(fā)市場(chǎng)、輔助服務(wù)市場(chǎng)、容量交易等提供了法律基礎(chǔ)和政策環(huán)境[4]。

表1 美國(guó)政府支持需求響應(yīng)發(fā)展的相關(guān)政策Table 1 Policy support by US government for DR

基于美國(guó)能源部和聯(lián)邦能源管理委員會(huì)對(duì)需求響應(yīng)的政策支持，PJM和NYISO等區(qū)域電力市場(chǎng)都因地制宜地開(kāi)展了需求響應(yīng)項(xiàng)目。

PJM開(kāi)展了緊急需求響應(yīng)和經(jīng)濟(jì)需求響應(yīng)兩類項(xiàng)目，參與需求響應(yīng)的實(shí)施主體主要為削減服務(wù)提供商(curtailment service provider，CSP)等第三方機(jī)構(gòu)[5]。緊急需求響應(yīng)項(xiàng)目在PJM電量市場(chǎng)價(jià)格達(dá)到規(guī)定的價(jià)格上限、系統(tǒng)運(yùn)行備用不足等緊急狀態(tài)下啟用，將需求響應(yīng)資源作為一種容量資源，按照調(diào)度中心指令削減負(fù)荷，參與緊急需求響應(yīng)的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償取決于用戶實(shí)際負(fù)荷削減量和邊際補(bǔ)償價(jià)格。經(jīng)濟(jì)需求響應(yīng)項(xiàng)目中，CSP作為“負(fù)瓦發(fā)電機(jī)”參與日前或?qū)崟r(shí)電力市場(chǎng)集中競(jìng)價(jià)，并在出清中標(biāo)后增加或削減相應(yīng)功率的電力負(fù)荷以獲得能量市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)收益。

NYISO開(kāi)展了3類需求響應(yīng)項(xiàng)目[6]：緊急負(fù)荷響應(yīng)項(xiàng)目指需求響應(yīng)自愿參與負(fù)荷削減，并承諾在2 h內(nèi)實(shí)現(xiàn)負(fù)荷削減；特殊資源項(xiàng)目指需求響應(yīng)參與容量市場(chǎng)交易，通過(guò)出售容量獲得固定補(bǔ)償；日前負(fù)荷響應(yīng)項(xiàng)目指需求響應(yīng)參與日前可中斷負(fù)荷的投標(biāo)競(jìng)價(jià)，通過(guò)執(zhí)行集中報(bào)價(jià)出清結(jié)果得到經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償。

總體來(lái)看，美國(guó)需求響應(yīng)的發(fā)展主要包括以下特點(diǎn)[7]：

1)通過(guò)立法和修法為需求響應(yīng)發(fā)展提供法律保障和政策環(huán)境；

2)通過(guò)激勵(lì)政策，鼓勵(lì)結(jié)合市場(chǎng)實(shí)際和系統(tǒng)運(yùn)行需要，靈活設(shè)計(jì)需求響應(yīng)交易品種；

3)建立以固定費(fèi)率補(bǔ)償為主，市場(chǎng)競(jìng)價(jià)機(jī)制為補(bǔ)充的需求響應(yīng)補(bǔ)貼機(jī)制，通過(guò)輔助服務(wù)電價(jià)等方式向受益市場(chǎng)主體傳導(dǎo)分?jǐn)偅?/p>

4)通過(guò)政策引導(dǎo)，鼓勵(lì)需求響應(yīng)參與市場(chǎng)化交易機(jī)制，并逐步放開(kāi)準(zhǔn)入門檻。

1.2 歐洲需求響應(yīng)發(fā)展經(jīng)驗(yàn)

2012年，歐盟發(fā)布《能源效率指令》要求歐盟各成員國(guó)取消發(fā)、輸、配、供電的準(zhǔn)入限制，為需求響應(yīng)參與平衡市場(chǎng)和輔助服務(wù)市場(chǎng)提供公平競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境。歐盟各成員國(guó)結(jié)合國(guó)情和電力供需情況開(kāi)展了各具特色的需求響應(yīng)試點(diǎn)項(xiàng)目。

1)英國(guó)：經(jīng)過(guò)電力庫(kù)和雙邊電力市場(chǎng)等多輪改革后，已允許100 kW以上的電力大用戶和負(fù)荷聚集商參與輔助服務(wù)市場(chǎng)，在交易品種上也擴(kuò)展至調(diào)頻和備用容量?jī)煞N輔助服務(wù)，在補(bǔ)償成本分?jǐn)倷C(jī)制上也由電力庫(kù)時(shí)期的發(fā)電側(cè)單邊分?jǐn)傓D(zhuǎn)變?yōu)橄蛩惺芤媸袌?chǎng)主體分?jǐn)傒o助服務(wù)成本[8]。

2)法國(guó)：建立需求響應(yīng)參與的容量市場(chǎng)，通過(guò)政府財(cái)政補(bǔ)貼促進(jìn)容量市場(chǎng)發(fā)展。2013年法國(guó)為保障系統(tǒng)容量充裕性啟動(dòng)容量市場(chǎng)建設(shè)，并允許需求響應(yīng)參與。在啟動(dòng)容量市場(chǎng)初期，法國(guó)政府從管制電費(fèi)中專門劃撥激勵(lì)資金，以財(cái)政補(bǔ)貼形式鼓勵(lì)需求響應(yīng)參與法國(guó)容量市場(chǎng)交易。同時(shí)，法國(guó)還執(zhí)行了“三色電價(jià)”機(jī)制，根據(jù)天氣、系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)及負(fù)荷狀況，把一年分為紅色22天(電價(jià)最高)、白色43天(電價(jià)次之)、藍(lán)色300天(電價(jià)最低)。法電集團(tuán)根據(jù)供需形勢(shì)在每天下午5時(shí)左右公布次日電價(jià)顏色，引導(dǎo)電力用戶自主優(yōu)化用電行為[9]。

3)德國(guó)、荷蘭、比利時(shí)等國(guó)：為適應(yīng)歐洲分散式電力交易模式，采取以售電公司代理的價(jià)格激勵(lì)型需求響應(yīng)。需求響應(yīng)的開(kāi)展主要由售電公司推進(jìn)，通過(guò)分時(shí)電價(jià)、尖峰電價(jià)、峰谷電價(jià)等多種價(jià)格套餐鼓勵(lì)電力用戶自主優(yōu)化用電行為，節(jié)約用電成本[10]。

1.3 對(duì)我國(guó)的啟示

需求響應(yīng)國(guó)際發(fā)展的成功經(jīng)驗(yàn)對(duì)我國(guó)的啟示可以總結(jié)如下：

1)立法先行，構(gòu)建支持需求響應(yīng)發(fā)展的政策法規(guī)體系，提供政策法律保障。在需求響應(yīng)發(fā)展之初通過(guò)立法手段明確需求響應(yīng)在電力供需平衡和電力市場(chǎng)交易中的合法地位，為需求響應(yīng)參與各類市場(chǎng)交易提供法律基礎(chǔ)。

2)政策引導(dǎo)，制定專項(xiàng)激勵(lì)政策，推動(dòng)需求響應(yīng)技術(shù)發(fā)展和商業(yè)模式創(chuàng)新。歐美需求響應(yīng)的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)表明，在初期通過(guò)政府補(bǔ)貼有利于保障需求響應(yīng)的平穩(wěn)起步，隨著電力市場(chǎng)建設(shè)和需求響應(yīng)機(jī)制的逐步成熟，可逐步建立市場(chǎng)化需求響應(yīng)成本分?jǐn)偤蛡鲗?dǎo)機(jī)制[11]。

3)需求響應(yīng)機(jī)制設(shè)計(jì)需與電力市場(chǎng)建設(shè)相匹配，與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、電力供需形勢(shì)相協(xié)調(diào)。需求響應(yīng)機(jī)制設(shè)計(jì)應(yīng)因地制宜開(kāi)展，結(jié)合電力供需形勢(shì)設(shè)計(jì)符合國(guó)情特點(diǎn)的需求響應(yīng)交易品種，市場(chǎng)主體和準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)可隨著電力市場(chǎng)機(jī)制的完善而逐步放開(kāi)，價(jià)格補(bǔ)償機(jī)制可采取固定價(jià)格補(bǔ)償起步并逐步探索市場(chǎng)化價(jià)格形成機(jī)制[12]。

2 我國(guó)需求響應(yīng)發(fā)展現(xiàn)狀及挑戰(zhàn)

2.1 我國(guó)需求響應(yīng)發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)電力需求側(cè)管理起步于2004年，隨著電力供需形勢(shì)和電網(wǎng)運(yùn)行方式的不斷變化，需求響應(yīng)在浙江、上海、江蘇、重慶、天津、山東、甘肅、河南、江西等九省市開(kāi)展了初步探索，各試點(diǎn)省結(jié)合經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平和電力供需形勢(shì)開(kāi)展了各具特色的需求響應(yīng)項(xiàng)目[13]。2019年九省市累計(jì)組織實(shí)施需求響應(yīng)25次，累計(jì)削減尖峰負(fù)荷704萬(wàn)kW，轉(zhuǎn)移高峰電量8 119萬(wàn)kW·h；累計(jì)增加低谷用電負(fù)荷544萬(wàn)kW，促進(jìn)新能源消納1.33億kW·h，有效保障了電力系統(tǒng)供需平衡，在有效緩解電力系統(tǒng)建設(shè)投資的同時(shí)提升了清潔能源消納能力。具體來(lái)看，需求響應(yīng)試點(diǎn)取得以下成效：

1)政策支撐體系初步形成。支持需求響應(yīng)發(fā)展的國(guó)家-省兩級(jí)政策體系初步形成。國(guó)家層面，2017年國(guó)家發(fā)展改革委、工信部、財(cái)政部等六部委聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于深入推進(jìn)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革做好新形勢(shì)下電力需求側(cè)管理工作的通知》，對(duì)2010年《電力需求側(cè)管理辦法》進(jìn)行修訂，發(fā)布了《電力需求側(cè)管理辦法(修訂版)》。省級(jí)層面，需求響應(yīng)試點(diǎn)省份由各省政府牽頭出臺(tái)了需求響應(yīng)試點(diǎn)實(shí)施方案和年度工作方案。

2)在解決電網(wǎng)實(shí)際困難中發(fā)揮積極作用。各省圍繞電網(wǎng)運(yùn)行實(shí)際需要，開(kāi)展了差異化需求響應(yīng)試點(diǎn)。相關(guān)需求響應(yīng)試點(diǎn)情況如表2所示，天津重點(diǎn)解決春節(jié)用電低谷時(shí)期電網(wǎng)調(diào)峰困難問(wèn)題；山東、江蘇、江西等地重點(diǎn)解決迎峰度夏(冬)用電高峰期電網(wǎng)平衡問(wèn)題；浙江、河南等地重點(diǎn)解決局部電網(wǎng)受限問(wèn)題；上海、冀北通過(guò)虛擬電廠分別整合樓宇空調(diào)、分布式發(fā)電儲(chǔ)能等可調(diào)節(jié)資源；新疆、青海、甘肅等地謀求通過(guò)需求響應(yīng)調(diào)節(jié)促進(jìn)新能源消納[14]。

表2 典型省份需求響應(yīng)開(kāi)展案例Table 2 Application cases of DR in some provinces

3)約定型響應(yīng)機(jī)制初步建立。各省積極創(chuàng)新機(jī)制設(shè)計(jì)，探索通過(guò)市場(chǎng)化交易實(shí)現(xiàn)需求響應(yīng)。天津、河南、上海等試點(diǎn)省份主要以約定時(shí)間、約定容量的“削峰填谷”需求響應(yīng)方式起步，隨著電力市場(chǎng)建設(shè)逐步探索需求響應(yīng)的市場(chǎng)化交易機(jī)制；浙江、山東、甘肅等省份結(jié)合電力現(xiàn)貨市場(chǎng)建設(shè)考慮將需求響應(yīng)資源納入電力現(xiàn)貨市場(chǎng)的交易范疇；冀北則將需求響應(yīng)納入華北調(diào)峰輔助服務(wù)市場(chǎng)，為需求響應(yīng)參與區(qū)域輔助服務(wù)打下基礎(chǔ)[15]。

4)價(jià)格補(bǔ)償機(jī)制逐步完善。各省積極探索市場(chǎng)化價(jià)格形成機(jī)制，多渠道籌措補(bǔ)貼資金保障需求響應(yīng)的平穩(wěn)起步。目前各省普遍以固定補(bǔ)貼價(jià)格和動(dòng)態(tài)補(bǔ)貼系數(shù)的形式引導(dǎo)需求響應(yīng)發(fā)展，山東提出建立需求響應(yīng)的單邊市場(chǎng)競(jìng)價(jià)機(jī)制，通過(guò)邊際出清確定需求響應(yīng)的響應(yīng)量和補(bǔ)貼價(jià)格，并探索需求響應(yīng)與電力現(xiàn)貨市場(chǎng)的有機(jī)銜接。開(kāi)展需求響應(yīng)的補(bǔ)貼資金來(lái)源以政府提供為主，未來(lái)隨著電力市場(chǎng)機(jī)制的逐步完善，可參考輔助服務(wù)市場(chǎng)的成本分?jǐn)倷C(jī)制，按照“誰(shuí)提供、誰(shuí)受益，誰(shuí)使用、誰(shuí)承擔(dān)”的原則建立需求響應(yīng)的成本分?jǐn)倷C(jī)制[16]。

2.2 我國(guó)需求響應(yīng)發(fā)展的意義

1)有利于提高電網(wǎng)安全保障水平。隨著我國(guó)能源轉(zhuǎn)型，新能源裝機(jī)容量和裝機(jī)比例持續(xù)提升，火電裝機(jī)容量和裝機(jī)比例持續(xù)下降，電網(wǎng)運(yùn)行靈活性不足。夏季高溫和冬季寒潮等極端天氣對(duì)用電負(fù)荷的變化影響顯著，特別是居民負(fù)荷與工業(yè)用電疊加所導(dǎo)致的季節(jié)性尖峰負(fù)荷給電力供需平衡帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)。發(fā)展需求響應(yīng)可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)源荷之間的快速互動(dòng)響應(yīng)，有助于保障電力電量平衡，增強(qiáng)電網(wǎng)調(diào)峰能力，提升電網(wǎng)安全保障水平。

2)有利于促進(jìn)大規(guī)模清潔能源消納。近年來(lái)清潔能源發(fā)電裝機(jī)迅猛增長(zhǎng)，“三棄”矛盾日益突出，給電力系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)和壓力。發(fā)展需求響應(yīng)，發(fā)揮可調(diào)節(jié)負(fù)荷資源的規(guī)模效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)同互動(dòng)，可以有效應(yīng)對(duì)新能源發(fā)電隨機(jī)性、波動(dòng)性等難題，減少棄風(fēng)棄光棄水，促進(jìn)清潔能源消納。

3)有利于延緩和節(jié)約電力投資。統(tǒng)計(jì)分析表明，我國(guó)尖峰負(fù)荷的年均持續(xù)時(shí)長(zhǎng)約15 h，若通過(guò)建設(shè)調(diào)峰電廠滿足5%峰值負(fù)荷需求，相關(guān)新建電力設(shè)施投資約2 850億元。組織可調(diào)節(jié)負(fù)荷實(shí)施同等規(guī)模的需求響應(yīng)，相關(guān)軟硬件建設(shè)總資金約為新建電力設(shè)施投資的1/5，可大幅延緩、節(jié)約發(fā)電和電網(wǎng)投資，實(shí)現(xiàn)社會(huì)資源的優(yōu)化配置[17]。

4)有利于加快電力市場(chǎng)建設(shè)。目前，我國(guó)電力現(xiàn)貨市場(chǎng)試點(diǎn)以發(fā)電側(cè)參與的單邊市場(chǎng)為主，電價(jià)信號(hào)無(wú)法有效傳導(dǎo)到用戶側(cè)，從而無(wú)法發(fā)揮現(xiàn)貨市場(chǎng)價(jià)格信號(hào)對(duì)電力用戶用電習(xí)慣的引導(dǎo)作用。通過(guò)發(fā)展需求響應(yīng)技術(shù)，培育用戶側(cè)資源參與市場(chǎng)化交易，有助于構(gòu)建供需良性互動(dòng)的電力市場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)發(fā)、用電成本高效傳導(dǎo)，提高電力市場(chǎng)交易效率，發(fā)揮市場(chǎng)在資源配置中的決定性作用。

2.3 我國(guó)需求響應(yīng)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

對(duì)比需求響應(yīng)在歐美的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合我國(guó)需求響應(yīng)的發(fā)展現(xiàn)狀，我國(guó)需求響應(yīng)發(fā)展還面臨以下幾方面問(wèn)題：

1)政策支持和補(bǔ)貼資金規(guī)模存在不足。目前，國(guó)家層面僅出臺(tái)了《需求響應(yīng)管理辦法》，尚未出臺(tái)配套的鼓勵(lì)和扶持政策；省市層面，僅9省份出臺(tái)了需求響應(yīng)專項(xiàng)支持政策。同時(shí)，在《能源法》和《電力法》等法律法規(guī)中也暫未明確需求響應(yīng)的法律地位。從各省目前的開(kāi)展情況來(lái)看，試點(diǎn)過(guò)程中由于政府渠道籌集的資金規(guī)模有限，難以支撐需求響應(yīng)規(guī)模化、常態(tài)化建設(shè)發(fā)展。

2)電力市場(chǎng)建設(shè)滯后，市場(chǎng)機(jī)制和規(guī)則支撐不足。電力現(xiàn)貨市場(chǎng)和輔助服務(wù)市場(chǎng)都處于起步階段，交易品種相對(duì)單一，需求響應(yīng)普遍還未被視作與發(fā)電企業(yè)對(duì)等的市場(chǎng)主體，難以被納入各類市場(chǎng)交易的主體范圍和交易規(guī)則。

3)商業(yè)模式還有待完善。作為一項(xiàng)新興業(yè)務(wù)，需求響應(yīng)目前還處于試點(diǎn)推廣階段，沒(méi)有形成規(guī)模效應(yīng)和完備的市場(chǎng)機(jī)制，盈利能力較弱，商業(yè)模式有待開(kāi)發(fā)，可通過(guò)引入負(fù)荷聚集商、虛擬電廠等新興市場(chǎng)主體，逐漸豐富需求響應(yīng)商業(yè)模式。

3 我國(guó)需求響應(yīng)發(fā)展政策體系設(shè)計(jì)

從需求響應(yīng)在歐美的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，建立健全支持需求響應(yīng)發(fā)展的政策體系和法律保障是需求響應(yīng)快速發(fā)展的前提。目前，我國(guó)支持需求響應(yīng)發(fā)展的法律文件和政策較為薄弱，建議加快形成國(guó)-省兩級(jí)協(xié)調(diào)的需求響應(yīng)發(fā)展政策體系，如圖1所示。

圖1 國(guó)-省兩級(jí)協(xié)調(diào)的需求響應(yīng)發(fā)展政策體系Fig.1 Development policy system for demand response at state and province levels

為建立國(guó)-省兩級(jí)協(xié)調(diào)的需求響應(yīng)發(fā)展政策體系，可重點(diǎn)開(kāi)展以下4方面工作：

1)夯實(shí)需求響應(yīng)法律基礎(chǔ)。建議國(guó)家層面對(duì)《能源法》、《電力法》、《可再生能源法》等法律法規(guī)進(jìn)行修法或立法，賦予需求響應(yīng)法律地位，明確將需求響應(yīng)納入能源規(guī)劃、電力市場(chǎng)建設(shè)和電力交易準(zhǔn)入范圍，為需求響應(yīng)發(fā)展提供法律保障。

2)加強(qiáng)需求響應(yīng)頂層設(shè)計(jì)。建議國(guó)家層面和各省持續(xù)推動(dòng)將需求響應(yīng)納入國(guó)家和各省的“十四五”能源電力規(guī)劃，制定需求響應(yīng)未來(lái)發(fā)展的基本思路、發(fā)展目標(biāo)和建設(shè)原則，為需求響應(yīng)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展提供政策支持和引導(dǎo)。

3)建立需求響應(yīng)市場(chǎng)化交易機(jī)制。國(guó)家層面可推動(dòng)出臺(tái)需求響應(yīng)參與市場(chǎng)化交易的支持政策，各省可根據(jù)各省電力市場(chǎng)的建設(shè)情況，因省制宜推動(dòng)將需求響應(yīng)納入輔助服務(wù)市場(chǎng)、電力現(xiàn)貨市場(chǎng)和容量市場(chǎng)，完善需求響應(yīng)與各項(xiàng)市場(chǎng)交易的銜接機(jī)制，通過(guò)開(kāi)展需求響應(yīng)實(shí)踐和試點(diǎn)工作，逐步培育市場(chǎng)主體和市場(chǎng)意識(shí)，實(shí)現(xiàn)需求響應(yīng)的市場(chǎng)化交易。

4)完善需求響應(yīng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)家層面和各省加強(qiáng)在需求響應(yīng)平臺(tái)、終端、互操作協(xié)議方面的協(xié)同創(chuàng)新，推動(dòng)建立統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，通過(guò)規(guī)范化的通信協(xié)議、接口方式、控制模式，實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備、廠商、平臺(tái)、用戶之間的互聯(lián)互通，為需求響應(yīng)資源大范圍應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

4 我國(guó)需求響應(yīng)市場(chǎng)交易機(jī)制設(shè)計(jì)

基于需求響應(yīng)在歐美的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，電力市場(chǎng)建設(shè)是需求響應(yīng)發(fā)展的前提和基礎(chǔ)。目前，我國(guó)各省電力市場(chǎng)建設(shè)進(jìn)度存在一定差異，市場(chǎng)規(guī)則、交易機(jī)制和市場(chǎng)模式具備地方特色，為有效促進(jìn)需求響應(yīng)在我國(guó)的發(fā)展和應(yīng)用，可基于各省電力市場(chǎng)建設(shè)進(jìn)展，分4個(gè)場(chǎng)景分別設(shè)計(jì)需求響應(yīng)市場(chǎng)交易機(jī)制，如圖2所示。

圖2 我國(guó)需求響應(yīng)市場(chǎng)化交易機(jī)制設(shè)計(jì)Fig.2 Design of demand-response market-based trading mechanism of China

場(chǎng)景1：起步階段。

1)場(chǎng)景特征：適用于我國(guó)大部分省份，典型特征是正在進(jìn)行輔助服務(wù)市場(chǎng)和電力現(xiàn)貨市場(chǎng)的規(guī)則設(shè)計(jì)與方案編制。

2)市場(chǎng)交易機(jī)制設(shè)計(jì)：需求響應(yīng)在該場(chǎng)景下的電力交易方式以約定響應(yīng)方式參與“削峰填谷”為主。電力公司根據(jù)負(fù)荷預(yù)測(cè)和電力供需平衡形勢(shì)，在D-1日09:00發(fā)布D日T至T+N時(shí)的需求響應(yīng)意愿L及經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償價(jià)格p。電力大用戶i根據(jù)自身負(fù)荷情況，自主響應(yīng)電力公司發(fā)布的需求響應(yīng)需求，在D-1日12:00前向電力公司申報(bào)自身需求響應(yīng)意愿Li，D-1日16:00前，電力公司根據(jù)電力大用戶參與意愿的申報(bào)時(shí)間順序確定調(diào)用的需求響應(yīng)資源，并在D-1日17:00前與相關(guān)電力用戶i簽訂需求響應(yīng)合約。D日電力用戶在約定時(shí)段T至T+N時(shí)執(zhí)行需求響應(yīng)合約，并根據(jù)實(shí)際響應(yīng)量L′i和合約價(jià)格p獲得經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償N·L′i·p，其交易流程設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 約定型“削峰填谷”需求響應(yīng)交易機(jī)制Fig.3 Trading mechanism for demand response in participating peak shaving and valley filling

3)未來(lái)發(fā)展路徑：該場(chǎng)景下，應(yīng)加快輔助服務(wù)市場(chǎng)和電力現(xiàn)貨市場(chǎng)的規(guī)則方案編制，經(jīng)政府主管部門批準(zhǔn)后，可開(kāi)展輔助服務(wù)市場(chǎng)交易，并進(jìn)入場(chǎng)景2。

場(chǎng)景2：發(fā)展階段。

1)場(chǎng)景特征：適用于河南、重慶、冀北、上海、江蘇等已開(kāi)展需求響應(yīng)試點(diǎn)省份，該場(chǎng)景的典型特征是已經(jīng)出臺(tái)輔助服務(wù)市場(chǎng)的規(guī)則方案并啟動(dòng)試運(yùn)行，但電力現(xiàn)貨市場(chǎng)規(guī)則方案仍在編制。

2)市場(chǎng)交易機(jī)制設(shè)計(jì)：需求響應(yīng)以參與調(diào)峰輔助服務(wù)為主，電力公司根據(jù)新能源功率預(yù)測(cè)和電網(wǎng)運(yùn)行情況在D-1日09:00發(fā)布D日T至T+N時(shí)的各時(shí)段調(diào)峰輔助服務(wù)需求Rt。D-1日12:00前電力大用戶和售電公司等需求響應(yīng)主體向市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)機(jī)構(gòu)自主申報(bào)競(jìng)價(jià)信息Li和pi，市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)機(jī)構(gòu)以調(diào)峰輔助服務(wù)成本最低為目標(biāo)進(jìn)行按照式(1)進(jìn)行集中優(yōu)化出清。

(1)

D-1日17:00市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)機(jī)構(gòu)發(fā)布出清結(jié)果，確定市場(chǎng)主體i在t時(shí)刻的需求響應(yīng)量Li,t及對(duì)應(yīng)時(shí)刻的補(bǔ)償價(jià)格pt，D日市場(chǎng)主體根據(jù)出清結(jié)果執(zhí)行需求響應(yīng)，市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)機(jī)構(gòu)監(jiān)測(cè)實(shí)際需求響應(yīng)量L′i,t并按照規(guī)則與市場(chǎng)主體進(jìn)行結(jié)算，市場(chǎng)主體i獲得經(jīng)濟(jì)收益為∑t∈TL′i,t·pt，其交易流程如圖4所示。

圖4 需求響應(yīng)參與調(diào)峰輔助服務(wù)交易機(jī)制設(shè)計(jì)Fig.4 Trading mechanism for demand response in participating peak-shaving ancillary service

3)未來(lái)發(fā)展路徑：應(yīng)積極開(kāi)展輔助服務(wù)市場(chǎng)試運(yùn)行以積累運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，適時(shí)推動(dòng)引入負(fù)荷聚集商等第三方市場(chǎng)主體參與輔助服務(wù)，并豐富拓展輔助服務(wù)品種。同時(shí)，應(yīng)積極開(kāi)展電力現(xiàn)貨市場(chǎng)的規(guī)則方案編制，獲得政府主管部門同意后開(kāi)展電力現(xiàn)貨市場(chǎng)試運(yùn)行，并進(jìn)入場(chǎng)景3。

場(chǎng)景3：完善階段。

1)場(chǎng)景特征：適用于浙江、山東、山西等開(kāi)展電力現(xiàn)貨市場(chǎng)試點(diǎn)的省份，該場(chǎng)景的典型特征是已經(jīng)制定發(fā)布了輔助服務(wù)市場(chǎng)和電力現(xiàn)貨市場(chǎng)的規(guī)則體系，并啟動(dòng)了輔助服務(wù)市場(chǎng)和電力現(xiàn)貨市場(chǎng)試運(yùn)行。

2)市場(chǎng)交易機(jī)制設(shè)計(jì)：需求響應(yīng)資源參與該場(chǎng)景下的輔助服務(wù)市場(chǎng)和電力現(xiàn)貨市場(chǎng)應(yīng)分別以調(diào)峰輔助服務(wù)和電量交易為主，在調(diào)峰輔助服務(wù)方面，主要交易方式與場(chǎng)景2保持一致，此處不再贅述。在電力現(xiàn)貨市場(chǎng)的電量交易方面，需求響應(yīng)主體具有產(chǎn)銷者的雙重特性，一方面可作為“正電源”在競(jìng)價(jià)中標(biāo)時(shí)段削減電力負(fù)荷，等效于一個(gè)發(fā)電廠增加中標(biāo)時(shí)段的電力供給；另一方面可作為“負(fù)電源”在競(jìng)價(jià)中標(biāo)時(shí)段增加電力負(fù)荷，等效于一個(gè)電力負(fù)荷增加中標(biāo)時(shí)段的電力需求。需求響應(yīng)參加電力現(xiàn)貨市場(chǎng)的交易流程設(shè)計(jì)如圖5所示，需求響應(yīng)市場(chǎng)主體應(yīng)遵循電力現(xiàn)貨市場(chǎng)相關(guān)規(guī)則流程，在D-1日12:00前向市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)機(jī)構(gòu)申報(bào)日前市場(chǎng)分段競(jìng)價(jià)曲線，市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)機(jī)構(gòu)以社會(huì)福利最大化為目標(biāo)開(kāi)展集中優(yōu)化出清，形成分時(shí)段出清結(jié)果。在D日各個(gè)運(yùn)行時(shí)段的前15 min，市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)機(jī)構(gòu)根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行實(shí)際開(kāi)展實(shí)時(shí)市場(chǎng)出清，并形成正式的調(diào)度運(yùn)行計(jì)劃并下發(fā)各市場(chǎng)主體執(zhí)行。D+5日市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)機(jī)構(gòu)根據(jù)需求響應(yīng)的實(shí)際運(yùn)行情況和分時(shí)段出清結(jié)果開(kāi)展偏差結(jié)算，確定需求響應(yīng)經(jīng)濟(jì)收益。

圖5 需求響應(yīng)參與現(xiàn)貨交易機(jī)制設(shè)計(jì)Fig.5 Trading mechanism for demand response in participating spot market

3)未來(lái)發(fā)展路徑：該場(chǎng)景下，可以逐步豐富交易品種，引入電力現(xiàn)貨市場(chǎng)的備用容量市場(chǎng)機(jī)制，鼓勵(lì)需求響應(yīng)資源和第三方代理機(jī)構(gòu)參與電力現(xiàn)貨市場(chǎng)備用容量交易，逐步實(shí)現(xiàn)電力現(xiàn)貨市場(chǎng)和輔助服務(wù)市場(chǎng)的聯(lián)合優(yōu)化出清。當(dāng)輔助服務(wù)市場(chǎng)和電力現(xiàn)貨市場(chǎng)具備較為成熟的運(yùn)行實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)后，可進(jìn)入場(chǎng)景4。

場(chǎng)景4：成熟階段。

1)場(chǎng)景特征：場(chǎng)景3的省份具備較為成熟的運(yùn)行實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)后可以進(jìn)入場(chǎng)景4。該場(chǎng)景的典型特征是已經(jīng)建立了完善的輔助服務(wù)市場(chǎng)和電力現(xiàn)貨市場(chǎng)規(guī)則體系與運(yùn)營(yíng)方案，火電、水電、新能源、需求響應(yīng)資源和第三方代理機(jī)構(gòu)都可以公平進(jìn)入輔助服務(wù)市場(chǎng)和電力現(xiàn)貨市場(chǎng)同臺(tái)競(jìng)爭(zhēng)。

2)市場(chǎng)交易機(jī)制設(shè)計(jì)：需求響應(yīng)參與該場(chǎng)景下的輔助服務(wù)市場(chǎng)與場(chǎng)景2保持一致，參與電力現(xiàn)貨市場(chǎng)電量交易的機(jī)制設(shè)計(jì)與場(chǎng)景3保持一致。同時(shí)，可逐步推動(dòng)需求響應(yīng)參與電力現(xiàn)貨市場(chǎng)備用容量交易，根據(jù)現(xiàn)貨市場(chǎng)中電能量與備用容量的聯(lián)合優(yōu)化出清機(jī)制，市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)機(jī)構(gòu)可根據(jù)需求響應(yīng)的歷史負(fù)荷及響應(yīng)情況綜合評(píng)估確定需求響應(yīng)的有效容量，需求響應(yīng)主體可在備用容量市場(chǎng)中申報(bào)有效容量?jī)?nèi)的響應(yīng)意愿和價(jià)格，并按照市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)機(jī)構(gòu)的集中出清結(jié)果提供容量備用服務(wù)，如果備用容量被實(shí)際調(diào)用，需求響應(yīng)主體還可額外獲得基于市場(chǎng)實(shí)時(shí)價(jià)格的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償。

3)未來(lái)發(fā)展路徑：在該場(chǎng)景下，應(yīng)進(jìn)一步完善輔助服務(wù)市場(chǎng)和電力現(xiàn)貨市場(chǎng)的銜接關(guān)系。最終實(shí)現(xiàn)以電力現(xiàn)貨市場(chǎng)電量交易為核心，電力現(xiàn)貨市場(chǎng)電量交易和備用容量交易的聯(lián)合優(yōu)化出清，發(fā)揮需求響應(yīng)對(duì)電力現(xiàn)貨市場(chǎng)和輔助服務(wù)市場(chǎng)的補(bǔ)充作用。

總體而言，各省應(yīng)以社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平為基礎(chǔ)，結(jié)合各省輔助服務(wù)市場(chǎng)、電力現(xiàn)貨市場(chǎng)、容量市場(chǎng)等電力市場(chǎng)的試點(diǎn)建設(shè)情況，因地制宜地開(kāi)展需求響應(yīng)的市場(chǎng)化交易機(jī)制，循序漸進(jìn)地推動(dòng)需求響應(yīng)參與電力市場(chǎng)，并逐步完善需求響應(yīng)與電力市場(chǎng)之間的銜接。

5 算例分析

基于我國(guó)需求響應(yīng)市場(chǎng)化交易機(jī)制設(shè)計(jì)，需求響應(yīng)參與電力市場(chǎng)交易可有效提升電網(wǎng)運(yùn)行靈活性，滿足尖峰時(shí)段的供需平衡需求?；趪?guó)家發(fā)改委對(duì)需求響應(yīng)能力的規(guī)劃目標(biāo)，結(jié)合我國(guó)電力市場(chǎng)的建設(shè)路徑，本算例測(cè)算分析了不同市場(chǎng)發(fā)展階段下的需求響應(yīng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，進(jìn)一步驗(yàn)證說(shuō)明需求響應(yīng)發(fā)展的必要性。

根據(jù)我國(guó)需求響應(yīng)發(fā)展規(guī)劃，需求響應(yīng)能力與尖峰負(fù)荷應(yīng)滿足式(2)的線性關(guān)系。

P=Lmax×a

(2)

式中：P為我國(guó)需求響應(yīng)能力；Lmax為我國(guó)尖峰負(fù)荷最大值；a為不同階段需求響應(yīng)能力建設(shè)目標(biāo)。根據(jù)國(guó)家發(fā)改委要求，我國(guó)計(jì)劃在2025年實(shí)現(xiàn)需求響應(yīng)能力滿足尖峰負(fù)荷5%的建設(shè)目標(biāo)?；谠撃繕?biāo)，本算例設(shè)定需求響應(yīng)在發(fā)展階段、完善階段和成熟階段的響應(yīng)能力a分別達(dá)到尖峰負(fù)荷的1%、3%和5%。尖峰負(fù)荷Lmax取2019年我國(guó)尖峰負(fù)荷最大值約11.3 億kW測(cè)算，則各階段下我國(guó)需求響應(yīng)能力分別約1 130 萬(wàn)、3 390 萬(wàn)、5 650 萬(wàn)kW。

根據(jù)以往電力投資經(jīng)驗(yàn)，我國(guó)電力發(fā)輸配電建設(shè)投資成本應(yīng)滿足式(3)。

C=Pi×b

(3)

式中：C為建設(shè)投資總成本；Pi為發(fā)輸配電建設(shè)總?cè)萘浚籦為單位容量建設(shè)投資系數(shù)。若不開(kāi)展需求響應(yīng)，為滿足尖峰負(fù)荷須投資新建與需求響應(yīng)能力P同等容量的電力發(fā)輸配電設(shè)備Pi。以2019年全國(guó)電力設(shè)備容量投資系數(shù)平均值b為8 645 元/kW測(cè)算，為滿足尖峰負(fù)荷1%、3%、5%的電力設(shè)備投資C分別達(dá)到976.9 億、2 930.7 億、4 884.4 億元。由此可見(jiàn)，開(kāi)展需求響應(yīng)能力建設(shè)，不僅極大增強(qiáng)了電力系統(tǒng)運(yùn)行靈活性，更有效提高電力投資效率，避免了尖峰機(jī)組、調(diào)峰機(jī)組等低利用率設(shè)備的重復(fù)投資，實(shí)現(xiàn)了社會(huì)資本的優(yōu)化配置。

除社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益外，需求響應(yīng)在促進(jìn)清潔能源消納和節(jié)能減排方面也有顯著作用。清潔能源運(yùn)行具有反調(diào)峰特性，往往在負(fù)荷低谷時(shí)大發(fā)，而在負(fù)荷高峰時(shí)出力不足。發(fā)揮需求響應(yīng)的“削峰填谷”作用可有效促進(jìn)清潔能源消納。需求響應(yīng)促進(jìn)清潔能源消納電量可按式(4)估算。

Q=P×h

(4)

式中：Q為需求響應(yīng)促進(jìn)清潔能源消納電量；h為需求響應(yīng)參與調(diào)峰的平均利用小時(shí)數(shù)。以需求響應(yīng)參與調(diào)峰的年度平均利用小時(shí)數(shù)h約20 h測(cè)算，需求響應(yīng)以“削峰填谷”形式每年促進(jìn)清潔能源消納電量分別為2.26億、6.78億和11.3 億kW·h。

在節(jié)能減排方面，需求響應(yīng)的節(jié)能減排效應(yīng)體現(xiàn)在兩方面，一是直接促進(jìn)清潔能源消納產(chǎn)生的節(jié)能減排效應(yīng)，如式(5)和式(6)所示；二是通過(guò)節(jié)約電力投資間接實(shí)現(xiàn)的節(jié)能減排成效，如式(7)所示。

EC=Q×IC

(5)

ES=Q×IS

(6)

EI=C×II

(7)

式中：EC和ES分別為促進(jìn)清潔能源消納電量等效的CO2、SO2減排量；EI為所節(jié)約電力投資的等效碳排放減排量；IC和IS分別為單位清潔能源電量的等效CO2、SO2減排系數(shù)；II為單位GDP碳排放強(qiáng)度。

取IC和IS分別為335.7、8.03 g/(kW·h)測(cè)算[18]，則各場(chǎng)景下CO2年度減排量達(dá)7.59 萬(wàn)、22.76 萬(wàn)、37.93 萬(wàn)t，SO20.18萬(wàn)、0.53 萬(wàn)、0.90 萬(wàn)t。除此之外，所開(kāi)展需求響應(yīng)所節(jié)約的電力投資等效節(jié)能減排量以單位GDP碳排放強(qiáng)度II為1.32 t/萬(wàn)元測(cè)算19]，各場(chǎng)景下節(jié)約電力投資的年度節(jié)能減排量可達(dá)1 289.5 萬(wàn)、3 868.5 萬(wàn)、6 447.4萬(wàn)t。

綜上所述，加快需求響應(yīng)的市場(chǎng)化交易機(jī)制，增強(qiáng)需求響應(yīng)的“削峰填谷”能力不僅有助于提升電力系統(tǒng)運(yùn)行靈活性，更有助于實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益和節(jié)能減排效益的最大化，助力社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和能源轉(zhuǎn)型。

6 結(jié)論及建議

當(dāng)前，我國(guó)需求響應(yīng)的發(fā)展方興未艾，各地對(duì)需求響應(yīng)的探索和實(shí)踐正在如火如荼開(kāi)展，隨著我國(guó)電力供需形勢(shì)變化、可再生能源大規(guī)模并網(wǎng)、電力電子器件顯著增多的影響，發(fā)展需求響應(yīng)，提升電力系統(tǒng)運(yùn)行靈活性和安全性是大勢(shì)所趨。建議通過(guò)社會(huì)各界的積極參與和協(xié)作共贏，逐步培育形成“政府引導(dǎo)、電網(wǎng)配合、社會(huì)參與、用戶響應(yīng)”的需求響應(yīng)新格局，構(gòu)建起網(wǎng)-源-荷-儲(chǔ)協(xié)調(diào)互動(dòng)的能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展新模式。

電力市場(chǎng)的發(fā)展是需求響應(yīng)發(fā)展的基石，建立完善的電力市場(chǎng)交易機(jī)制和規(guī)則體系是需求響應(yīng)市場(chǎng)交易機(jī)制的前提。隨著我國(guó)社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)體制的逐步完善，以電力市場(chǎng)為核心的資源配置體系將在電力系統(tǒng)運(yùn)行中發(fā)揮更加重要的作用，需求響應(yīng)可借助電力市場(chǎng)建設(shè)契機(jī)，加快與電力市場(chǎng)的銜接和融合，從而構(gòu)建起與我國(guó)電力市場(chǎng)相適應(yīng)的需求響應(yīng)市場(chǎng)化交易機(jī)制。