在美國中西部市場上靈活爬坡產品的應用及對我國電網的啟示

李偉 羅楊琴

[摘 要]隨著資源日益短缺和氣候變化帶來的嚴峻考驗，高比例清潔能源接入電網是一個必然的趨勢。清潔能源的接入給電網的安全運行帶來了很大的挑戰，這對電網的靈活性有了更高的需求。因此，全球各國和地區為了應對此問題分別提出了一些措施，文章首先選取美國中西部獨立運行機構市場上的電網靈活性爬坡能力產品進行討論，美國中西部獨立運行機構提出了靈活爬坡能力產品來保障電力系統的穩定運行。首先介紹爬坡能力產品的概念、對比分析了它與調頻和備用的區別，說明引入爬坡能力產品的必要性和經濟性，然后介紹MISO市場上RCP的市場交易機制設計和實施效果，在此基礎上，結合我國電力市場的情況對RCP的交易機制研究提出建議和思考。

[關鍵詞]高比例清潔能源;爬坡能力產品（RCP）;交易機制設計;中西部電力市場（MISO市場）

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2021.14.010

伴隨著全球氣候變化、能源日漸匱乏，發展清潔能源是一個必然的趨勢。歐洲[1]、美國[2]和中國[3]分別提出了2050年實現清潔能源占能源比率100%、80%、60%的目標。2015年國際能源署發布新能源報告[4]預計：到2020年在世界范圍內將會大力建設可再生能源機組，初步估計屆時會有大約700GW機組裝機。根據美國加州能源委員會的報告看出：美國政府計劃在2030年前，實現加州地區清潔能源發電量占比超過年發電總量的1/2[5]。根據我國“十三五”電力發展計劃，本國的非化石能源裝機比重、風力發電年均增速和光伏發電年均增速，分別在2020年達到39%、9.7%和21.1%[6]。

為了應對能源日益缺乏帶來的嚴峻考驗，傳統以火電發電的電力系統正在向清潔能源發電轉變，風能、光伏等清潔能源大規模利用，推動了能源清潔化、低碳化、智能化發展，這改變了以常規火電、水電機組作為主動調節資源的電網運行方式。

雖然清潔能源無污染，但是天氣因素對它的影響很大，進而會出現較為嚴重的間歇性、波動性與無法預測性，并且用戶的用電行為轉變較大，這就使我國的電力系統出現相當大的波動性。因為電力系統想要系統安全、穩定運行，這就需要當前的電力系統具備一定的響應和應變能力。

1 靈活性爬坡能力產品提出的必要性

1.1 爬坡能力產品的提出和發展歷史

美國的加州電力市場[7]（California Independent System Operator，CAISO）先是在2011年提出了靈活爬坡約束（Flexible Ramping Constraints，FRC），經過應用和整改，在2016 年 11 月1日正式啟動了靈活性爬坡產品（Flexible Ramping Product，FRP）的交易[8]。美國的紐約電力市場[9]對靈活性爬坡產品的市場模式正在進行部分考察和探討。中西部電力市場[10]（Midwest Independent System Transmission Operator，MISO）則提出了爬坡能力產品（Ramp Capability Product，RCP），對它的應用和探索還在不斷地完善之中。

英國[11]為面對一些能源短缺的緊急情況，要求打開靈活調節產品（Demand Turn Up，DTU），該國市場更在意靈活性資源參與市場之后展現的靈活性，在改善當地的電力市場中制定了DTU，當出現清潔能源出力過剩時，電力系統可以自由調整自身需求或者直接調低清潔能源出力，改善系統出現爬坡不足時的狀況。

德國[12]在2014年，在日內市場中引入15min合約拍賣，通過對目前的靈活性爬坡能力進行交易的方式，同時調整日前小時合約拍賣的成交結果，進而使系統操作員在調度前一天平衡需求難以把控的局面變得更加穩定。

目前，歐洲[13]國家也在大力發展地方電力市場，讓分布式能源在電力需求和生產方面為系統操作員提供了靈活性爬坡能力，通過調節電力市場的方式降低了電力系統遠距離輸電的壓力。

1.2 爬坡能力產品的概念

爬坡能力產品是一種通過預先儲存一定的靈活性容量，進而滿足系統中潛在的爬坡/滑坡需求的市場產品，調度運營機構可以應用RCP對下一時段可能出現的凈負荷變動進行實時調控，并且為電力系統的穩定、安全運行提供了保障。

RCP能夠幫助電力系統消納風能、光伏等高比例間歇性清潔能源，同時因系統的爬坡/滑坡能力不足，從而造成的切負荷問題可以起到調節緩沖作用。

1.3 靈活爬坡能力與傳統輔助服務的區別

FRP：單位為MW/min，擁有向上或下的調節能力，通過提前預留為應對下一時段的凈負荷波動和不確定性，價格較低，且所有可調度資源都能參與。

調頻：單位為MW，也擁有向上或下的調節能力，通過AGC信號為應對實際和預測凈負荷的偏差，價格很高，部分資源可參與。

備用：單位為MW，只有向上調節能力，偶然事件下被激發為應對機組或傳輸資源突然故障，價格較高，部分資源可參與。

2 靈活性爬坡能力的應用

2.1 美國電力市場靈活性爬坡能力的市場設計

從1990年以來，美國的用電需求猛增了1/4，獨立發電商加入電網使每年發電量增加了700億度。但是，美國電網的改造和建設速度遠遠落后于電力需求和發電容量增長的速度，對電力系統安全運營構成威脅，因此停電現象頻繁。所以，MISO提出了RCP，MISO是一個獨立的非營利組織，為美國15個州和加拿大曼尼托巴省提供安全，具有成本效益的電力。MISO運營著全球最大的能源市場之一，其年度能源市場總交易額超過290億美元。目前，MISO市場上風電日發電量約為12639MW，占總發電量的21.79%。

第一，需求的確定。在實時調度中，系統的靈活性需求由10min后的需求變化量所決定，系統需要向上、向下的爬坡、滑坡能力來滿足系統的靈活性需求。系統的需求包括預測負荷波動和不確定需求，即系統凈負荷對比當前時段在下一時段的增加量和在一定置信區間內對系統凈負荷預測估計偏差所產生的需求量。

第二，參與的資源。MISO一個相對比較保守的市場，在自動發電控制的所有市場階段開展RCP交易，來保證RCP能夠及時、充足的滿足系統的靈活性需求。MISO禁止需求響應和儲能參與市場提供RCP。

第三，時間尺度。在MISO市場上，RCP開展日前和5min實時調度時間尺度的交易。

第四，定價和出清方式。目前MISO的價格閾值為$5/（MW·h），使用單段定價的需求曲線。RCP是指為提供RCP的機會成本，RCP也可與能量、輔助同時出清，當出現電力系統爬坡資源不足的情況時，可以通過爬坡能力的需求曲線來進行定價，被調用的RCP同時得到補償費用和能力費用。

第五，成本分攤?？紤]到現在還不明確不確定性資源承擔相關輔助費用的成本分攤方式是否會導致RCP需求的相關交易減少，所以MISO仍然采用的是由負荷和外送電商承擔RCP費用的傳統的成本分攤機制。

2.2 算例分析

以兩機組為算例介紹靈活性爬坡能力引入的必要性，機組參數如下：機組A、B最大出力均為100MW;最小出力均為20MW;爬坡速率分別為1MW/min、2MW/min;報價分別為$28、$29。

假設T0時刻實際凈負荷為130 MW，T1時刻預測凈負荷為150 MW，清潔能源的不確定性為5 MW，T0到T10靈活性爬坡能力需求為25 MW（即T10凈負荷預測值、清潔能源不確定性的和減去T0凈負荷實際值）。以總成本最小，10min為時間間隔，對比考慮和不考慮T0到T1的靈活性爬坡能力需求的優化結果。不考慮RCP的優化調度見表1。

如表2所示，當考慮RCP時，在T0時刻，機組 A 出力95MW，預留向上的爬坡容量為5MW，機組B此時出力35MW，按$29進行出清，機組A和機組B在10 min 內，分別能提供的向上爬坡容量為5MW、20MW，假設T1時刻清潔能源少發5MW，此時向上爬坡能力充足，不會導致切負荷。且機組A和機組B能夠提供40MW的向下爬坡能力，不會導致棄風。

RCP的價格是由機會成本所決定的，即機組A為了提供5MW的RCP而在能量市場上損失的收益，機組A的能量報價為$28/（MW·h），而能量的出清電價為$29/（MW·h），機組A降低1MW出力就會損失$1，那么RCP的出清價格為$1/（MW·h）。

2.3 靈活爬坡能力的實施效果

在MISO市場，RCP應用之后取得的效果如下。

第一，因系統爬坡能力不足發生的尖峰電價與發生的頻率、實時電價波動差、日前實時價格、平均實時電價都有所降低，即使有時會因調用RCP導致電價呈現上升趨勢，但實時電價還是呈現總體下降的情況。

第二，年度生產成本降低，主要原因包括：一是RCP的需求曲線定價為$5/（MW·h），比備用的需求曲線價格低，由于RCP的使用減少了調用備用容量，從而減少了對備用的需求成本;二是RCP的使用不需要在缺少調節能力時啟用昂貴的機組和設備，進而減少了生產成本。

第三，95%～97%的靈活性資源參與市場提供RCP的積極性。

3 RCP的應用對我國電力市場建設的思考

3.1 時間尺度和交易市場的選擇

RCP交易的時間尺度在MISO和CAISO市場上有所不同，MISO市場包括5min實時調度和日前市場;CAISO市場包括5min和15min兩個時間尺度。根據我國電力市場的情況，以每15min為一個交易出清時段，每15min出清一次，確定下一15min時段機組計劃運行曲線，每個運行日含有96個交易出清時段。由于我國電網靈活性產品初步投入市場，對于RCP的應用機制還不完善，為了減輕市場交易機構和調度機構的運行成本和開展難度，我國電力市場開展15min時間尺度的交易時比較合理的。靈活性產品本質上是應對系統凈負荷和不確定性因素短期快速變化，向電網提供的一種輔助服務。輔助服務市場運行時間相對較長，市場機制建設較為完善和獨立。因此，靈活性產品可直接在輔助服務市場進行交易。

3.2 市場出清

根據供求平衡定理，按照能量市場的實時電價對靈活性爬坡產品的容量進行出清，在電力市場中，當靈活爬坡產品的價格高于能量市場時，市場主體會踴躍進入靈活爬坡產品市場，從而造成能量市場提供的電量不足的問題;當靈活爬坡產品的價格低于能量市場的實時電價時，市場主體沒有提供靈活調節能力，那么將不利于靈活爬坡產品的廣泛應用。所以，當能量市場和靈活爬坡產品市場出清價格相等時，市場達到均衡，市場主體可在不同市場上提供最優組合容量申報，得到自己的最優組合收益。

3.3 費用承擔者

靈活爬坡產品的費用由偏離用電計劃的電力用戶和以風電、光伏為代表的可再生清潔能源發電商承擔。因為偏離用電計劃的電力用戶會造成電力系統瞬時負荷驟增或驟減，給電力系統帶來極大的不穩定性和不安全性，電力用戶可能會面臨停電或者尖峰電價，電力用戶需要承擔停電帶來的損失和支付尖峰電價，RCP的提供和應用可以使用戶避免這部分的損失。RCP的提供和應用可以讓清潔能源發電機組通過多發電量的方式得到收益，所以由偏離用電計劃的電力用戶和以風電、光伏為代表的可再生清潔能源發電商承擔RCP的費用是合理的。

4 結論

引入RCP的好處如下：首先，提前預留RCP能夠有效降低實時運行中快速啟動機組的調用頻率，降低運行成本;其次，RCP可能會在一定程度上增加運行成本，但在系統調節能力緊缺的時段能夠削弱稀缺價格的程度和頻率，使電價保持相對穩定的狀態。并且RCP的引入和應用過程中不需要增添新的電網設備或設施，而且RCP的價格相對于調頻、備用來說較低。因此從整體上來看，引入靈活爬坡產品降低了整體的市場電價，RCP是一種比較經濟的資源。

我國大量風電和光伏等清潔能源接入電網，引入靈活爬坡產品是我國大力發展清潔能源的趨勢，我國電網推出靈活爬坡產品要實事求是，從實際出發。在借鑒國外現有的靈活爬坡產品市場化手段的過程中要結合中國現行的電力市場政策和我國電網的特點。面對靈活爬坡產品市場化帶來的挑戰，我國電力市場應該積極借鑒國外對它的應用經驗，設計適應我國國情和電力市場的靈活爬坡產品市場機制，為RCP在我國的大規模開發和應用奠定堅實的基礎。

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[作者簡介]李偉（1968—），男，陜西鳳翔人，教授，碩士研究生導師，研究方向：電力經濟評價、技術經濟評價等;通訊作者：羅楊琴（1998—），女，貴州遵義人，碩士研究生，研究方向：電價理論與電力市場靈活性。