深度 | 面向高比例可再生能源的電力市場(chǎng)研究綜述

2018-04-02 11:19:50 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào) 　點(diǎn)擊量：評(píng)論 (0)

摘要：電力市場(chǎng)為可再生能源的充分消納和能源互聯(lián)網(wǎng)的高效運(yùn)行提供了驅(qū)動(dòng)力和平臺(tái)。近年來(lái)，隨著可再生能源參與電力市場(chǎng)比例的提高，各國(guó)電

摘要：電力市場(chǎng)為可再生能源的充分消納和能源互聯(lián)網(wǎng)的高效運(yùn)行提供了驅(qū)動(dòng)力和平臺(tái)。近年來(lái)，隨著可再生能源參與電力市場(chǎng)比例的提高，各國(guó)電力市場(chǎng)均出現(xiàn)了一些問(wèn)題。該文立足各國(guó)電力市場(chǎng)適應(yīng)可再生能源發(fā)展實(shí)際，對(duì)比了現(xiàn)有可再生能源并網(wǎng)激勵(lì)政策和交易模式，分析了可再生能源參與電力市場(chǎng)所遇到的特殊問(wèn)題，總結(jié)了各國(guó)面向高比例可再生能源電力市場(chǎng)研究的最新成果，提出了進(jìn)一步研究的問(wèn)題，特別是中國(guó)發(fā)展面向高比例可再生能源電力市場(chǎng)面臨的關(guān)鍵問(wèn)題。

0 引言發(fā)展可再生能源，是應(yīng)對(duì)化石燃料短缺、環(huán)境污染、氣候變化、能源安全等問(wèn)題的重要手段，也是實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑。近年來(lái)，在各國(guó)政府的目標(biāo)激勵(lì)和政策支持下，可再生能源得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。截止 2016 年底，全球累計(jì)可再生能源(不含水電)裝機(jī)達(dá)到 921GW，其中風(fēng)電及光伏裝機(jī)分別為 486GW 和 303GW;中國(guó)風(fēng)電及光伏裝機(jī)為 149GW 和 77.4GW，均居全球首位。

可再生能源已成為全球主要經(jīng)濟(jì)體電力供給的重要來(lái)源，如在歐盟、英國(guó)、德國(guó)、丹麥、西班牙、葡萄牙、美國(guó)、中國(guó)，2016 年的可再生能源(不含水電)分別為全社會(huì)用電量貢獻(xiàn)了 29%、22%、31%、51%、37%、53%、8.4%、6.3%。在未來(lái)，可再生能源的消費(fèi)比重還將持續(xù)高速增長(zhǎng)，并成為主要的能源供給形式，當(dāng)前以化石能源為主導(dǎo)的電力系統(tǒng)也將轉(zhuǎn)變?yōu)橐钥稍偕茉礊橹鲗?dǎo)，并最終發(fā)展成為完全使用可再生能源的電力系統(tǒng) 。可再生能源出力具有較強(qiáng)的不確定性，電力系統(tǒng)中可再生能源比例的提高，不僅需要可靈活調(diào)節(jié)的發(fā)電機(jī)組的配合，更需要電網(wǎng)及需求側(cè)的主動(dòng)參與，實(shí)現(xiàn)供需兩側(cè)能量、信息、交易的互動(dòng)，而供需互動(dòng)的充分性和合理性是決定能源互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行效率的關(guān)鍵。健全的電力市場(chǎng)，能夠優(yōu)化配置電力資源，保證市場(chǎng)主體通過(guò)公平競(jìng)爭(zhēng)獲利，從而為供需互動(dòng)的開(kāi)展，能源互聯(lián)網(wǎng)的清潔、高效運(yùn)行提供驅(qū)動(dòng)力和平臺(tái)。

隨著市場(chǎng)中可再生能源比例的提高，各國(guó)電力市場(chǎng)表現(xiàn)出了以下問(wèn)題：

1)棄風(fēng)、棄光。

由于缺乏與周邊地區(qū)電網(wǎng)的互聯(lián)和交易(如愛(ài)爾蘭、西班牙)，棄風(fēng)、棄光問(wèn)題隨著可再生能源電網(wǎng)穿透率的提高而凸顯 [8] 。中國(guó)國(guó)家電網(wǎng)通過(guò)優(yōu)化664 中國(guó) 電機(jī) 工程學(xué) 報(bào) 第 38 卷機(jī)組運(yùn)行、檢修方式、開(kāi)展水火風(fēng)光協(xié)調(diào)控制、積極推進(jìn)棄風(fēng)棄光跨區(qū)交易，可再生能源消納實(shí)現(xiàn)了“雙升雙降”，但仍需進(jìn)一步完善市場(chǎng)化交易機(jī)制，發(fā)揮市場(chǎng)配置資源的決定性作用，以從根本上解決棄風(fēng)、棄光問(wèn)題。此外，與傳統(tǒng)發(fā)電方式不同，大量可再生能源發(fā)電資源分布較為分散，市場(chǎng)缺乏有效消納分布式資源的機(jī)制。

2)負(fù)電價(jià)及電價(jià)波動(dòng)性增強(qiáng)。

由于發(fā)電邊際成本較低，大規(guī)模可再生能源參與電力市場(chǎng)會(huì)降低電價(jià)。但由于缺乏對(duì)靈活發(fā)、用電資源的調(diào)用機(jī)制、傳統(tǒng)機(jī)組啟停成本較高、可再生能源發(fā)電強(qiáng)制上網(wǎng)或存在補(bǔ)貼，電力市場(chǎng)運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)負(fù)電價(jià)，不利于電力系統(tǒng)的長(zhǎng)期發(fā)展;且電價(jià)波動(dòng)性因大規(guī)模可再生能源的參與而增強(qiáng)，市場(chǎng)中的金融風(fēng)險(xiǎn)增加。

3)價(jià)格信號(hào)低效。

可再生能源預(yù)測(cè)精度隨(交易)時(shí)間的臨近而逐漸增高，但交易窗口過(guò)于單一，日前市場(chǎng)往往在交易日來(lái)臨前數(shù)小時(shí)就已關(guān)閉，雖然一些地區(qū)(如西班牙、德國(guó)、荷蘭、北歐)開(kāi)展了日內(nèi)市場(chǎng)，但流動(dòng)性依然較低。因而市場(chǎng)缺乏激勵(lì)預(yù)測(cè)信息及時(shí)披露的機(jī)制，價(jià)格信號(hào)低效，靈活配置資源能力不足。

4)可再生能源市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力較弱。

在現(xiàn)有電力市場(chǎng)機(jī)制下，可再生能源的不確定性使其無(wú)法在市場(chǎng)中準(zhǔn)確申報(bào)電量信息，因而可能承受懲罰;而不可控性又制約了其在多時(shí)間尺度市場(chǎng)中策略性競(jìng)價(jià)的能力。

5)平衡可再生能源成本較高。

風(fēng)電的波動(dòng)性和不確定性增加了系統(tǒng)的平衡成本。文獻(xiàn)顯示，全球電力市場(chǎng)運(yùn)行中，風(fēng)電使系統(tǒng)平衡成本平均增加 2~3EUR/(MW⋅h)。此外，目前的輔助服務(wù)市場(chǎng)規(guī)則主要基于傳統(tǒng)機(jī)組制定，可再生能源參與輔助服務(wù)市場(chǎng)的限制條件較多。

中國(guó)面臨著可再生能源高速發(fā)展和電力市場(chǎng)改革穩(wěn)步推進(jìn)的雙重機(jī)遇，研究建立并完善面向高比例可再生能源的電力市場(chǎng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文立足各國(guó)電力市場(chǎng)適應(yīng)可再生能源發(fā)展實(shí)際，對(duì)比現(xiàn)有可再生能源并網(wǎng)激勵(lì)政策和交易模式，分析可再生能源參與電力市場(chǎng)遇到的特殊問(wèn)題，總結(jié)各國(guó)在面向高比例可再生能源的電力市場(chǎng)研究中包含效益、機(jī)制、策略和風(fēng)險(xiǎn)等重點(diǎn)問(wèn)題的研究成果，提出進(jìn)一步研究的問(wèn)題，特別是中國(guó)發(fā)展面向高比例可再生能源電力市場(chǎng)面臨的關(guān)鍵問(wèn)題。

1 現(xiàn)有可再生能源并網(wǎng)激勵(lì)政策及交易模式

為促進(jìn)可再生能源的發(fā)展和利用，各國(guó)政府制定了相應(yīng)的激勵(lì)政策。這些包含補(bǔ)貼及稅收機(jī)制、并網(wǎng)及交易規(guī)則等政策，直接或間接地影響了市場(chǎng)電價(jià)。以下基于各國(guó)政策實(shí)施情況，分析對(duì)比各激勵(lì)政策的優(yōu)劣，并總結(jié)現(xiàn)有可再生能源參與電力市場(chǎng)的交易模式。

1.1 可再生能源并網(wǎng)激勵(lì)政策

可再生能源并網(wǎng)激勵(lì)政策主要包括政治、金融、財(cái)政、環(huán)境、價(jià)格機(jī)制等 5 個(gè)方面。其中，價(jià)格機(jī)制是電力市場(chǎng)的核心，故著重分析。

政治方面主要指從國(guó)家或地區(qū)層面提出的可再生能源發(fā)展目標(biāo)(各國(guó)具體發(fā)展目標(biāo)見(jiàn)文獻(xiàn))，監(jiān)督市場(chǎng)規(guī)范運(yùn)行及保證能源供應(yīng)安全的政策法規(guī)。

金融方面主要包括設(shè)立支持可再生能源產(chǎn)業(yè)投資的基金及提供低息貸款，并減少對(duì)傳統(tǒng)發(fā)電形式的支持力度。金融政策激勵(lì)也對(duì)技術(shù)進(jìn)步產(chǎn)生重要作用。

財(cái)政方面主要包括環(huán)境稅的征收和可再生能源投資相關(guān)的稅收優(yōu)惠。通常，相應(yīng)的部分稅收用于支持可再生能源的發(fā)展。

環(huán)境方面主要包括碳排放市場(chǎng)和氣候基金的設(shè)立。

價(jià)格機(jī)制方面主要包括固定上網(wǎng)電價(jià)(feed-intariff)、凈電量結(jié)算(net-metering program)、溢價(jià)機(jī)制 (premium scheme) 、招標(biāo) 電價(jià) (tenderingarrangement) 、可再生能源配額制 (renewableportfolio standards)及綠色證書(shū)(green certificate)、差價(jià)合約(contract for difference) [2,16,21] 。

1)固定上網(wǎng)電價(jià)。在固定上網(wǎng)電價(jià)機(jī)制下，電網(wǎng)公司根據(jù)政府定價(jià)收購(gòu)可再生能源發(fā)電量，并獲得政府適當(dāng)補(bǔ)貼或被允許在消費(fèi)者中分?jǐn)偪稍偕茉措妰r(jià)高出平均電價(jià)的部分，中國(guó)、日本、芬蘭等國(guó)實(shí)施此機(jī)制，德國(guó)、意大利、葡萄牙等國(guó)通常只對(duì)容量較小的可再生能源發(fā)電機(jī)組實(shí)施。該機(jī)制規(guī)避了價(jià)格波動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，但固定價(jià)格的制定由于缺少市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)環(huán)節(jié)的反饋，難以反映真實(shí)成本及供需關(guān)系;長(zhǎng)期的固定高收益也難以促進(jìn)發(fā)電企業(yè)主動(dòng)尋求生產(chǎn)成本的降低。

2)凈電量結(jié)算。電網(wǎng)公司以一定價(jià)格從安裝可再生能源發(fā)電設(shè)備的用戶(hù)購(gòu)買(mǎi)多余的電力，或從消費(fèi)者總賬單扣除可再生能源發(fā)電量，相當(dāng)于以市場(chǎng)電價(jià)給予固定的支付。美國(guó)等國(guó)實(shí)施這一機(jī)制，但主要針對(duì)小容量機(jī)組及終端家庭用戶(hù)。

3)溢價(jià)機(jī)制。政府在市場(chǎng)波動(dòng)價(jià)格的基礎(chǔ)上向可再生能源發(fā)電企業(yè)給予固定的支付(即溢價(jià))，西班牙、德國(guó)、丹麥、荷蘭等國(guó)實(shí)施這一機(jī)制，該機(jī)制通常與固定上網(wǎng)電價(jià)機(jī)制同時(shí)存在，可再生能源發(fā)電商可在二者中自由選擇及分配電量。溢價(jià)的存在會(huì)損害市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)性，并可能導(dǎo)致負(fù)電價(jià)的產(chǎn)生。

4)招標(biāo)電價(jià)。可再生能源開(kāi)發(fā)者通過(guò)招投標(biāo)確定，并與電網(wǎng)公司按中標(biāo)價(jià)格簽訂電力交易合同。法國(guó)、荷蘭、丹麥等國(guó)針對(duì)部分海上風(fēng)電實(shí)施此機(jī)制。該機(jī)制能夠促進(jìn)電價(jià)的降低，但可能引起惡性競(jìng)爭(zhēng)、市場(chǎng)壟斷。

5)可再生能源配額制及綠色證書(shū)。政府以法規(guī)的形式規(guī)定可再生能源發(fā)電的市場(chǎng)份額，電力供應(yīng)商完成配額。可再生能源配額以綠色證書(shū)的數(shù)量評(píng)價(jià)，電力企業(yè)通過(guò)可再生能源發(fā)電獲得綠色證書(shū)，也可交易綠色證書(shū)。美國(guó)、挪威、瑞典等國(guó)實(shí)施這一機(jī)制。該機(jī)制能夠保證可再生能源的發(fā)電比重，但配額目標(biāo)的制定復(fù)雜且不同地區(qū)的綠色證書(shū)的市場(chǎng)價(jià)值存在差異，導(dǎo)致可再生能源市場(chǎng)的分割;此外，對(duì)不同發(fā)電形式的無(wú)差異配額會(huì)制約高成本可再生能源發(fā)電技術(shù)的發(fā)展。

6)差價(jià)合約。英國(guó)實(shí)施差價(jià)合約，可再生能源發(fā)電商與政府所有的公司簽訂合約，該公司向可再生能源發(fā)電商支付或收取市場(chǎng)電價(jià)低于或高于差價(jià)合約敲定價(jià)格的部分，相當(dāng)于由該公司承擔(dān)市場(chǎng)電價(jià)波動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)發(fā)電商來(lái)說(shuō)基本等同于固定上網(wǎng)電價(jià)。

1.2 可再生能源市場(chǎng)交易模式

與傳統(tǒng)能源相同，可再生能源也可通過(guò)雙邊合同與集中競(jìng)價(jià)的模式交易。

在雙邊合同交易模式下，供需雙方談判確定交易細(xì)節(jié)，合同價(jià)格往往與集中競(jìng)價(jià)出清電價(jià)相關(guān)。在美國(guó)，隨著市場(chǎng)電價(jià)的降低，風(fēng)電合同的價(jià)格也逐年降低。雙邊合同增強(qiáng)了可再生能源交易的靈活性，但因缺少直接的競(jìng)爭(zhēng)環(huán)節(jié)，難以獲得最低的購(gòu)電價(jià)格;此外，大規(guī)模的雙邊交易可能降低系統(tǒng)調(diào)度的效率，增加對(duì)輔助服務(wù)的需求。

多數(shù)國(guó)家允許可再生能源參與集中競(jìng)價(jià)。文獻(xiàn)總結(jié)了北美各電力市場(chǎng)可再生能源參與日前市場(chǎng)、實(shí)時(shí)市場(chǎng)、提供輔助服務(wù)、不平衡電量結(jié)算、預(yù)測(cè)成本分?jǐn)偟葐?wèn)題。北歐、西班牙電力市場(chǎng)分別建立了逐小時(shí)、每 4h 一次的日內(nèi)市場(chǎng)，可再生能源發(fā)電商可根據(jù)最新預(yù)測(cè)結(jié)果更新報(bào)價(jià) ;不平衡電量采用雙價(jià)格系統(tǒng)結(jié)算，其價(jià)格與系統(tǒng)不平衡情況有關(guān)。現(xiàn)貨市場(chǎng)價(jià)格波動(dòng)帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)還可通過(guò)購(gòu)買(mǎi)期貨、期權(quán)等電力金融產(chǎn)品來(lái)管控。

2 可再生能源參與電力市場(chǎng)的特殊問(wèn)題

可再生能源發(fā)電與傳統(tǒng)能源發(fā)電存在諸多不同之處，參與電力市場(chǎng)時(shí)會(huì)帶來(lái)一些特殊的問(wèn)題，在研究中應(yīng)著重考慮。這些問(wèn)題主要包括：

1)成本特性。在成本構(gòu)成中，可再生能源發(fā)電機(jī)組固定成本較高而邊際生產(chǎn)成本很低。以丹麥陸上大型風(fēng)電場(chǎng)的平均數(shù)據(jù)為例，投資建設(shè)成本為1070000EUR/MW ，固定運(yùn) 行及維護(hù) 成本為25600EUR/MW/Year，而可變成本僅為 2.8EUR/(MW⋅h) 。

2)生產(chǎn)特性。可再生能源發(fā)電的生產(chǎn)呈現(xiàn)出較強(qiáng)的間歇性、波動(dòng)性、隨機(jī)性、不可控性(可減出力但不可增出力)、利用小時(shí)數(shù)低等特征，商業(yè)應(yīng)用最為成熟的風(fēng)電還往往具有反調(diào)峰特性。

3)出力描述的概率性。可再生能源發(fā)電出力無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，通常以概率的方法描述，且隨著(交易)時(shí)間的臨近，預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度逐漸提高。因而，可再生能源發(fā)電出力的描述涉及多時(shí)空維度的信息，應(yīng)設(shè)計(jì)合理的市場(chǎng)機(jī)制促進(jìn)信息的及時(shí)披露。

4)電量風(fēng)險(xiǎn)。由于出力預(yù)測(cè)誤差的存在，可再生能源參與電力市場(chǎng)不僅面臨電價(jià)風(fēng)險(xiǎn)，還面臨較大的電量風(fēng)險(xiǎn)，而現(xiàn)有的方法和工具大多只針對(duì)管理電價(jià)風(fēng)險(xiǎn)而設(shè)計(jì)。

5)外部性。可再生能源發(fā)電與傳統(tǒng)能源發(fā)電相比，具有節(jié)能減排的正外部性，以及增加系統(tǒng)平衡和備用成本等負(fù)外部性。

6)發(fā)電主體多元化。可再生能源的發(fā)展引入了大量的分布式電源，很多傳統(tǒng)電力用戶(hù)擁有發(fā)電資源，應(yīng)建立靈活、公平的市場(chǎng)機(jī)制適應(yīng)發(fā)電主體多元化的發(fā)展趨勢(shì)。

3 面向高比例可再生能源的電力市場(chǎng)的研究現(xiàn)狀

3.1 概述可再生能源的發(fā)展使得發(fā)電主體多元化，發(fā)電主體間博弈行為復(fù)雜化，市場(chǎng)機(jī)制和交易模式多樣化。圖 1 總結(jié)了面向高比例可再生能源的電力市場(chǎng)的研究?jī)?nèi)容以及與本文章節(jié)的對(duì)應(yīng)情況。

3.2 可再生能源的參與對(duì)電力市場(chǎng)的影響

由于可再生能源發(fā)電具有很多與傳統(tǒng)能源發(fā)電不同的特點(diǎn)，可再生能源參與電力市場(chǎng)會(huì)影響市場(chǎng)均衡、電價(jià)、風(fēng)險(xiǎn)、社會(huì)效益、節(jié)能減排等方面。

表 1 對(duì)比了一些相關(guān)典型文章。

3.3 包含可再生能源的電力市場(chǎng)中市場(chǎng)主體的行為策略

由于可再生能源會(huì)對(duì)電力市場(chǎng)中收益、風(fēng)險(xiǎn)等方面產(chǎn)生影響，因而很多學(xué)者對(duì)市場(chǎng)主體在包含可再生能源的電力市場(chǎng)中的規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)、提升收益的行為策略開(kāi)展了豐富的研究。

前期的研究主要包括可再生能源發(fā)電商獨(dú)立參與主能量市場(chǎng)的策略。主要思路為采用合理的數(shù)學(xué)模型描述風(fēng)電出力，如離散馬爾科夫過(guò)程(discrete markov process，DMP)、自回歸滑動(dòng)平均模型(auto-regressive moving average model，ARMA) 、核密度估計(jì)(kernal density estimation，KDE)等概率預(yù)測(cè)方法 ;針對(duì)不同的市場(chǎng)機(jī)制，如兩階段結(jié)算市場(chǎng)、包含日內(nèi)市場(chǎng)的三階段結(jié)算市場(chǎng);考慮不同的不平衡價(jià)格，如單一價(jià)格系統(tǒng)、雙價(jià)格系統(tǒng);根據(jù)可再生能源發(fā)電量的占比，認(rèn)為其為價(jià)格接受者或價(jià)格決定者;以條件風(fēng)險(xiǎn)價(jià)值描述風(fēng)險(xiǎn)，以可再生能源發(fā)電商參與市場(chǎng)的效用最大化為目標(biāo)函數(shù)，建立優(yōu)化模型，進(jìn)行求解，得到市場(chǎng)中的最優(yōu)策略。文獻(xiàn)[58]研究了風(fēng)電商通過(guò)集中競(jìng)價(jià)和雙邊合同交易組合規(guī)避交易風(fēng)險(xiǎn)、提高收益的策略。文獻(xiàn)[56]還對(duì)風(fēng)電商運(yùn)用市場(chǎng)力操縱電價(jià)的行為進(jìn)行了建模，并提出設(shè)置合理的不平衡電量懲罰價(jià)格以削弱風(fēng)電商的市場(chǎng)力。以?xún)呻A段結(jié)算市場(chǎng)機(jī)制為例，模型的一般形式為使風(fēng)電商在全交易時(shí)段售電效用最大化，各時(shí)段的日前申報(bào)電量 P t為決策變量，即：

此后一些文獻(xiàn)探討了可再生能源發(fā)電商與其他發(fā)、用電主體聯(lián)合參與主能量市場(chǎng)的策略。文獻(xiàn)提出了多個(gè)風(fēng)電商的聯(lián)合交易策略，并基于合作博弈理論分?jǐn)偸找妗Ｎ墨I(xiàn)分別探討運(yùn)用掌握相對(duì)可調(diào)的發(fā)、用電資源的火電廠、抽水蓄能電廠、儲(chǔ)能系統(tǒng)、需求響應(yīng)、售電商平抑風(fēng)電不確定性，以提升風(fēng)電商收益的模型。文獻(xiàn)研究風(fēng)電商與區(qū)域供熱機(jī)組形成虛擬電廠以提升效益的方案。

近來(lái)也有一些研究關(guān)注可再生能源發(fā)電商通過(guò)參與調(diào)頻、備用等輔助服務(wù)市場(chǎng)，擴(kuò)展自身獲利方式，管理交易風(fēng)險(xiǎn)，提升系統(tǒng)安全性和經(jīng)濟(jì)性。討論風(fēng)電供熱的交易機(jī)制，并對(duì)市場(chǎng)可行性進(jìn)行分析。

市場(chǎng)主體間的博弈行為也是研究關(guān)注的重點(diǎn)。建立風(fēng)電商和傳統(tǒng)能源發(fā)電商在主能量市場(chǎng)和雙邊備用市場(chǎng)中的博弈模型。發(fā)現(xiàn)風(fēng)電會(huì)增加對(duì)火電機(jī)組爬坡的需求，但會(huì)降低火電系統(tǒng)成本及排放。考慮線路阻塞問(wèn)題，提出水電生產(chǎn)商與風(fēng)電商的協(xié)調(diào)策略，結(jié)果表明二者的協(xié)調(diào)能夠減少棄風(fēng)并提升輸電線路利用率。對(duì)風(fēng)電消納過(guò)程中電網(wǎng)、傳統(tǒng)發(fā)電企業(yè)、社會(huì)方等利益主體經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析。

3.4 適應(yīng)高比例可再生能源電力市場(chǎng)機(jī)制的設(shè)計(jì)

由于不確定性，可再生能源參與電力市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力較弱，但也具有爬坡成本低、環(huán)境正外部性等優(yōu)勢(shì)，因此需要完善的市場(chǎng)機(jī)制，既要適應(yīng)可再生能源發(fā)電的特點(diǎn)，也要保證市場(chǎng)的公平。

探討適應(yīng)可再生能源市場(chǎng)的出清方法。提出一種計(jì)及爬坡成本競(jìng)價(jià)的兩部復(fù)合競(jìng)價(jià)機(jī)制，能夠提升可再生能源市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力并合理分?jǐn)偵鐣?huì)效益。與傳統(tǒng)的兩階段結(jié)算市場(chǎng)機(jī)制不同，提出一種隨機(jī)結(jié)算市場(chǎng)，同時(shí)出清日前和實(shí)時(shí)兩階段市場(chǎng)。為考慮可再生能源不確定性的風(fēng)險(xiǎn)約束的日前隨機(jī)市場(chǎng)提供了基于交替方向乘子算法(alternating direction methodof multipliers，ADMM)的分布式出清算法。設(shè)計(jì)了一個(gè)日內(nèi)二級(jí)市場(chǎng)，風(fēng)電商可以與備用服務(wù)提供商簽訂期權(quán)合約。針對(duì)高比例可再生能源參與市場(chǎng)導(dǎo)致的系統(tǒng)運(yùn)行方式多樣化的背景，提出一種基于潮流追蹤的等效雙邊交易的過(guò)網(wǎng)費(fèi)分?jǐn)偡椒ǎ⑴c現(xiàn)有應(yīng)用和研究中的方法進(jìn)行了對(duì)比。

3.5 提升可再生能源市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的電力交易產(chǎn)品

包含高比例可再生能源的電力市場(chǎng)對(duì)爬坡有大量需求，相關(guān)研究一方面集中于設(shè)計(jì)合理的爬坡產(chǎn)品，以提升系統(tǒng)靈活性及市場(chǎng)效率;另一方面集中于挖掘由可再生能源發(fā)電商提供靈活爬坡服務(wù)的潛力。

為管理可再生能源不確定性導(dǎo)致的交易風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)計(jì)了同時(shí)管理電價(jià)、電量風(fēng)險(xiǎn)的障礙期權(quán)，并提出了相應(yīng)的期權(quán)購(gòu)買(mǎi)策略。為風(fēng)電商的有效聚合設(shè)計(jì)了一種風(fēng)險(xiǎn)電力合同。探討風(fēng)電參與市場(chǎng)對(duì)金融輸電權(quán)運(yùn)行的影響，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的金融輸電權(quán)體系可能給予風(fēng)電商更大的通過(guò)線路阻塞操縱市場(chǎng)的能力。

3.6 促進(jìn)分布式可再生能源消納的機(jī)制和算法分布式可再生能源的發(fā)展使配電網(wǎng)層面出現(xiàn)了大量的發(fā)電資源。目前國(guó)內(nèi)外電力市場(chǎng)中零售側(cè)通常實(shí)行“獨(dú)買(mǎi)獨(dú)賣(mài)”，即分布式可再生能源發(fā)電商必須將電能銷(xiāo)售給配電商或售電公司，用戶(hù)也只能從配電商或售電公司購(gòu)買(mǎi)電能。但很多國(guó)家均已開(kāi)展配電網(wǎng)層面電力市場(chǎng)化交易的研究和應(yīng)用，如中國(guó)近期出臺(tái)了《關(guān)于開(kāi)展分布式發(fā)電市場(chǎng)化交易試點(diǎn)的通知》，允許分布式發(fā)電項(xiàng)目與配電網(wǎng)內(nèi)就近用戶(hù)進(jìn)行電力交易。分布式可再生能源參與配電網(wǎng)層面的電力交易，能夠?yàn)橛脩?hù)提供比常規(guī)零售電價(jià)更為低廉的電能，但需要調(diào)動(dòng)用戶(hù)側(cè)的靈活性以減弱分布式可再生能源發(fā)電的不確定性影響。需要說(shuō)明的是，由于發(fā)、用電特征相似，對(duì)負(fù)荷靈活參與市場(chǎng)的研究通常也可應(yīng)用于分布式可再生能源參與市場(chǎng)的情況。

現(xiàn)有研究為促進(jìn)分布式可再生能源的消納設(shè)計(jì)了很多新的市場(chǎng)機(jī)制，并提出了相應(yīng)的算法，如圖 2 所示。圖 2(a)中，分布式可再生能源(小型風(fēng)電、光伏)和傳統(tǒng)分布式能源及儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車(chē)、負(fù)荷等配電網(wǎng)層面發(fā)、用電資源以微網(wǎng)或虛擬電廠的形式，整體參與批發(fā)市場(chǎng)，尋求整體效益的最大化，研究問(wèn)題主要集中于微網(wǎng)或虛擬電廠內(nèi)部成員間分?jǐn)偸找娴姆椒āD 2(b)中，配電商或售電公司制定收購(gòu)分布式能源的電價(jià)，通過(guò)購(gòu)買(mǎi)分布式能源管理其在批發(fā)市場(chǎng)中的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)分布式能源在零售市場(chǎng)中獲益。圖 2(c)中，分布式能源商通過(guò)基于共識(shí)的(consensus-based)信息互動(dòng)協(xié)作參與市場(chǎng)交易，有時(shí)存在一個(gè)集中運(yùn)營(yíng)商，但只負(fù)責(zé)信息的集中和發(fā)布 [92-94] 。圖 2(d)中，分布式可再生能源直接與用戶(hù)在配電網(wǎng)層面開(kāi)展交易，文獻(xiàn)[95]提出了相應(yīng)的多領(lǐng)導(dǎo)者多跟隨者雙層 Stackelberg 模型;設(shè)計(jì)了配電網(wǎng)層面的地方性能源市場(chǎng)，并給出了相應(yīng)的迭代出清算法;給出了分布式可再生能源商參與綠色電能市場(chǎng)和常規(guī)市場(chǎng)交易的電量分配策略;總結(jié)了靈活的分布式能源間的對(duì)等交易模型(peer to peer model)。近來(lái)，國(guó)際上提出了可交易能源(transactive energy)的概念，分布式能源能夠在保護(hù)自身隱私的前提下，主動(dòng)地、獨(dú)立地參與市場(chǎng)。

3.7 包含可再生能源的電力市場(chǎng)環(huán)境下的規(guī)劃

文獻(xiàn)[99-101]探討了電力市場(chǎng)環(huán)境下可再生能源發(fā)電規(guī)劃。文獻(xiàn)[99]考慮其他發(fā)電商的規(guī)劃、市場(chǎng)競(jìng)價(jià)和負(fù)荷增長(zhǎng)，提出了可再生能源發(fā)電規(guī)劃的雙層模型，上層為效益最大化的規(guī)劃和市場(chǎng)競(jìng)價(jià)決策，下層為各場(chǎng)景下的市場(chǎng)出清。考慮分布式可再生能源快速響應(yīng)特性，提出了一種考慮輸電費(fèi)用分?jǐn)偟囊?guī)劃方法。建立分布式電源規(guī)劃的多階段隨機(jī)混合整數(shù)線性規(guī)劃模型。

研究包含可再生能源電力市場(chǎng)環(huán)境下傳統(tǒng)能源的發(fā)電規(guī)劃。考慮規(guī)劃決策與未來(lái)不確定性間的相互影響，提出了大規(guī)模風(fēng)電環(huán)境下決策依賴(lài)的多階段電源規(guī)劃模型。在電源規(guī)劃模型中同時(shí)考慮風(fēng)電的不確定性和系統(tǒng)可靠性。考慮長(zhǎng)期需求增長(zhǎng)和可用發(fā)電容量、以及短期負(fù)荷和風(fēng)電出力的不確定性，提出促進(jìn)風(fēng)電消納的輸電和儲(chǔ)能系統(tǒng)聯(lián)合規(guī)劃模型。討論可再生能源發(fā)電目標(biāo)對(duì)規(guī)劃和運(yùn)行可能產(chǎn)生的影響。

3.8 多能源市場(chǎng)的交互

傳統(tǒng)能源分析和市場(chǎng)交易局限于電、氣、熱(冷)等單一能源形式自身，而應(yīng)用和研究證明多能源系統(tǒng)的協(xié)調(diào)有助于促進(jìn)可再生能源的消納，提高能源利用效率。分別考慮電力和氫能、電力和天然氣系統(tǒng)的耦合，提出了參與各能源市場(chǎng)的策略。

4 進(jìn)一步研究的關(guān)鍵問(wèn)題

發(fā)展面向高比例可再生能源的電力市場(chǎng)，以?xún)?yōu)化配置電力資源，對(duì)促進(jìn)可再生能源的充分消納，構(gòu)建高效供需互動(dòng)的能源互聯(lián)網(wǎng)具有重要意義。進(jìn)一步的研究，特別是中國(guó)發(fā)展面向高比例可再生能源電力市場(chǎng)應(yīng)重點(diǎn)解決以下問(wèn)題：

1)提升可再生能源資源評(píng)估和預(yù)測(cè)技術(shù)。科學(xué)的資源評(píng)估和精確的預(yù)測(cè)既有助于準(zhǔn)確衡量可再生能源對(duì)電力市場(chǎng)的影響，以對(duì)市場(chǎng)機(jī)制做出合理化改進(jìn);又有助于可再生能源發(fā)電商管理市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)，增加收益。此外，考慮電力供需實(shí)時(shí)平衡的要求和供需雙方均存在不確定性的特點(diǎn)，還應(yīng)發(fā)展供需雙方多市場(chǎng)主體的聯(lián)合評(píng)估和預(yù)測(cè)技術(shù)。中國(guó)目前市場(chǎng)中欠缺真實(shí)反映電能價(jià)值及供需關(guān)系的價(jià)格信號(hào)，應(yīng)通過(guò)建立公平競(jìng)爭(zhēng)的電力市場(chǎng)交易機(jī)制合理分?jǐn)偪稍偕茉床⒕W(wǎng)產(chǎn)生的成本，促使可再生能源發(fā)電商主動(dòng)提升資源評(píng)估和預(yù)測(cè)能力。

2)深入挖掘供需兩側(cè)的靈活性。利用靈活的價(jià)格機(jī)制和信息互動(dòng)技術(shù)，深入挖掘供需兩側(cè)的用能靈活性、儲(chǔ)能靈活性、多能轉(zhuǎn)化靈活性、多能源網(wǎng)絡(luò)耦合靈活性。目前中國(guó)電力市場(chǎng)價(jià)格機(jī)制和交易模式過(guò)于單一，難以深入挖掘供需兩側(cè)的靈活性，應(yīng)一方面通過(guò)靈活的市場(chǎng)機(jī)制合理分?jǐn)傁到y(tǒng)成本，提升靈活發(fā)電資源的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，提高電源調(diào)節(jié)能力;另一方面根據(jù)實(shí)際用能情況，針對(duì)重點(diǎn)行業(yè)推進(jìn)電能替代、清潔替代，挖掘需求側(cè)靈活性。

3)設(shè)計(jì)適應(yīng)可再生能源發(fā)電特點(diǎn)的市場(chǎng)機(jī)制和交易產(chǎn)品。合理利用可再生能源發(fā)電的爬坡成本低、分段價(jià)值不同 [32] 等資源特點(diǎn)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的市場(chǎng)機(jī)制和交易產(chǎn)品，促進(jìn)可再生能源的市場(chǎng)化消納。中國(guó)還存在著可再生能源資源地區(qū)間分布不均及與負(fù)荷分布不平衡的特點(diǎn)。一方面，應(yīng)建立靈活的零售電價(jià)機(jī)制，調(diào)動(dòng)需求側(cè)多能協(xié)調(diào)下的儲(chǔ)能、用能靈活性，促進(jìn)可再生能源就地消納;另一方面，應(yīng)提高電網(wǎng)互聯(lián)互通水平，建立合理的跨區(qū)跨省交易機(jī)制。

4)完善促進(jìn)信息互動(dòng)機(jī)制。隨著掌握靈活發(fā)、用電資源的市場(chǎng)主體的增多，能夠決定市場(chǎng)均衡和市場(chǎng)主體行為策略等有價(jià)值的信息量大幅增加，信息互動(dòng)效率對(duì)市場(chǎng)運(yùn)行和市場(chǎng)主體獲利產(chǎn)生影響。應(yīng)運(yùn)用市場(chǎng)機(jī)制促進(jìn)信息及時(shí)披露，通過(guò)市場(chǎng)信號(hào)引導(dǎo)市場(chǎng)主體間的信息互動(dòng)，或開(kāi)展信息交易，以降低電能交易成本，提升市場(chǎng)主體效益。

能源流動(dòng)必然伴隨著信息互動(dòng)，中國(guó)電力市場(chǎng)機(jī)制的不完善導(dǎo)致信息互動(dòng)的激勵(lì)不足。應(yīng)一方面從技術(shù)方面建立通用的通信標(biāo)準(zhǔn)、提升通信可靠性及安全性;另一方面在電力市場(chǎng)的設(shè)計(jì)中關(guān)注信息有效性問(wèn)題，降低信息成本。

5)開(kāi)發(fā)分布式算法，應(yīng)對(duì)大規(guī)模系統(tǒng)計(jì)算復(fù)雜性和市場(chǎng)主體隱私性問(wèn)題。市場(chǎng)主體的多元化使市場(chǎng)出清、行為決策等問(wèn)題的計(jì)算復(fù)雜性增加;大規(guī)模市場(chǎng)中的信息流動(dòng)可能會(huì)侵犯市場(chǎng)主體的隱私性，導(dǎo)致市場(chǎng)主體退出市場(chǎng)，影響市場(chǎng)規(guī)模的提升。因此，應(yīng)開(kāi)發(fā)分布式算法，提升市場(chǎng)效率，吸引各方參與。

6)建立電網(wǎng)的高效運(yùn)營(yíng)模式。供需兩側(cè)的不確定性隨著可再生能源的發(fā)展而迅速增加，電網(wǎng)阻塞和利用率低的問(wèn)題并存，電網(wǎng)作為獨(dú)立的市場(chǎng)主體，應(yīng)通過(guò)合理的輸配電價(jià)成本計(jì)算和分?jǐn)倷C(jī)制，引導(dǎo)供需互動(dòng)，提升運(yùn)營(yíng)效率。電力市場(chǎng)的發(fā)展會(huì)改變現(xiàn)有電網(wǎng)調(diào)度模式，因而還應(yīng)重視電網(wǎng)調(diào)度能力和電力市場(chǎng)的協(xié)調(diào)發(fā)展，開(kāi)發(fā)新的調(diào)度軟件。

7)改進(jìn)不確定性下的多能源市場(chǎng)交互機(jī)制。一方面，供需兩側(cè)及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展均會(huì)為能源市場(chǎng)引入不確定性，應(yīng)從多能源市場(chǎng)交互角度全面分析不確定性來(lái)源，建立恰當(dāng)?shù)牟淮_定性分析模型;另一方面，應(yīng)探索多能源市場(chǎng)協(xié)調(diào)運(yùn)行模式，以提升市場(chǎng)穩(wěn)定性，為市場(chǎng)主體提供全面的獲利方式和風(fēng)險(xiǎn)管理手段。

5 結(jié)語(yǔ)

健全完善的電力市場(chǎng)為可再生能源的充分消納和能源互聯(lián)網(wǎng)的高效運(yùn)行提供了驅(qū)動(dòng)力和平臺(tái)。

隨著可再生能源參與電力市場(chǎng)比例的提高，各國(guó)電力市場(chǎng)表現(xiàn)出了如棄風(fēng)、棄光、負(fù)電價(jià)及電價(jià)波動(dòng)性增強(qiáng)、價(jià)格信號(hào)低效、可再生能源市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力較弱、平衡可再生能源成本較高等問(wèn)題，本文立足各國(guó)電力市場(chǎng)適應(yīng)可再生能源發(fā)展實(shí)際，對(duì)比了現(xiàn)有可再生能源并網(wǎng)激勵(lì)政策和交易模式，分析了可再生能源參與電力市場(chǎng)遇到的特殊問(wèn)題，如成本、生產(chǎn)特性與傳統(tǒng)能源不同、出力描述的概率性、電量風(fēng)險(xiǎn)、外部性、發(fā)電主體多元化等，總結(jié)了各國(guó)在面向高比例可再生能源電力市場(chǎng)中包含效益、機(jī)制、策略和風(fēng)險(xiǎn)等重點(diǎn)問(wèn)題的最新研究成果，提出了進(jìn)一步研究的問(wèn)題，特別是中國(guó)發(fā)展面向高比例可再生能源電力市場(chǎng)面臨的關(guān)鍵問(wèn)題。

責(zé)任編輯：李鑫

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