多能源市場耦合交易研究綜述及展望
肖云鵬1,2*，王錫凡1，王秀麗1，別朝紅1
（1.西安交通大學電氣工程學院；2.廣東電網(wǎng)有限責任公司電力調(diào)度控制中心）
本文發(fā)表在《全球能源互聯(lián)網(wǎng)》2020年第5期“電力市場促進可再生能源發(fā)展”專題，歡迎點擊品讀。本文得到中國博士后科學基金、中英繁榮基金資助。
文章導讀
能源系統(tǒng)的低碳化轉(zhuǎn)型與發(fā)展是國際社會應(yīng)對氣候、環(huán)境、能源問題的共同解決方案，特別是在全球范圍能源行業(yè)放松管制的現(xiàn)實背景下，能源系統(tǒng)協(xié)同運行和綜合優(yōu)化的效益得到了廣泛關(guān)注。本文立足能源市場發(fā)展實際，在分析開展多能源市場耦合交易必要性的基礎(chǔ)上，總結(jié)了近年來多能源市場間交互影響、多能源市場協(xié)調(diào)運行及聯(lián)合出清、多能源市場中的交易行為及均衡分析等方面的最新研究進展，提出了進一步研究中面臨的關(guān)鍵問題。
在當前我國電力市場實踐中，雙軌制問題是制約市場有序推進的重要因素之一。事實上，雙軌制既包含電力市場中計劃電量與市場電量并存的問題，也包含電力市場與相耦合的天然氣市場、供熱市場的市場化程度不同、交易時序銜接不暢等問題，這使得熱電聯(lián)產(chǎn)、“以氣定電”機組在出清優(yōu)化的處理、市場收益的保障、交易風險的防范等方面存在困難。因此，研究構(gòu)建協(xié)調(diào)運行的多能源市場也是在能源互聯(lián)程度加深背景下促進電力市場有序發(fā)展的可靠保證。
主要內(nèi)容
1、多能源市場耦合交易的必要性
1.1 能源間轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展帶來更多的能源聯(lián)合生產(chǎn)及消費
電轉(zhuǎn)氣技術(shù)使電力、天然氣系統(tǒng)的耦合從傳統(tǒng)的通過天然氣發(fā)電機組的單向轉(zhuǎn)換改變?yōu)殡p向；電鍋爐、電熱泵等能源轉(zhuǎn)換技術(shù)逐漸成熟，應(yīng)用于熱電聯(lián)產(chǎn)機組有助于弱化熱電耦合特性。能源間轉(zhuǎn)換設(shè)備的豐富使各能源市場的慣性、價格差異能夠?qū)崿F(xiàn)互補、流動，增強了能源市場的流動性。
1.2 消納可再生能源需在更大范圍內(nèi)配置靈活資源
提升可再生能源消納能力的關(guān)鍵是提升靈活資源的配置效率，包括增加靈活資源容量及占比、擴大靈活資源配置范圍、采用合理的調(diào)度交易機制。相較單一能源系統(tǒng)，多能源系統(tǒng)的協(xié)同運行能夠挖掘能源生產(chǎn)、消費、儲存、傳輸?shù)奶娲院突パa性，既增加了靈活資源容量，又擴大了靈活資源配置范圍。
1.3 各能源市場的價格相關(guān)性增強
天然氣發(fā)電機組通常是電力市場中的邊際機組，天然氣市場的價格直接影響天然氣發(fā)電機組報價行為，進而影響電力系統(tǒng)的機組組合及經(jīng)濟調(diào)度結(jié)果；相反，電力價格也會影響天然氣生產(chǎn)和運輸成本（P2G及壓縮機需使用電力），進而影響天然氣價格。兩市場價格的變化及相關(guān)性會進一步催生套利空間，刺激兩市場耦合交易需求。隨著能源系統(tǒng)耦合程度的加深，來自不確定性的風險將在能源系統(tǒng)中傳遞，任何一種能源系統(tǒng)發(fā)生阻塞或產(chǎn)生價格波動，都會對耦合能源系統(tǒng)帶來風險。
1.4 有助于推動能源增值服務(wù)發(fā)展
多能源市場耦合交易有助于實現(xiàn)多種能源市場價值的統(tǒng)一衡量，可通過向用戶提供電、氣、熱、冷等不同能源組合產(chǎn)品，開展個性化能源服務(wù)，滿足多元化能源需求，推動能源增值服務(wù)發(fā)展，促進競爭，增進社會福利。
2、多能源市場耦合交易研究現(xiàn)狀
2.1 多能源市場間交互影響
天然氣短期市場往往流動性不足，天然氣發(fā)電企業(yè)更多地通過電力市場報價行為的變化間接調(diào)整天然氣市場中的消費行為，發(fā)電廠面臨將長期天然氣合同轉(zhuǎn)化為短期電力交易的決策風險，因此天然氣短期市場的低效會影響電力市場的價格信號；反之，提升天然氣價格形成機制的靈活性能夠提升電力市場效率。單一能源系統(tǒng)中的靈活性也會影響其他耦合能源系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性，如電力需求響應(yīng)能夠減小在天然氣系統(tǒng)阻塞時電力系統(tǒng)運行的風險，減少電力系統(tǒng)對天然氣的需求并降低天然氣短期市場價格。提升熱電聯(lián)產(chǎn)機組的靈活性會減小因供熱而限制電力出力的機會成本，增加其市場力，從長期來看，還能促使更多的熱電聯(lián)產(chǎn)機組參與供熱市場。
2.2 多能源市場協(xié)調(diào)運行及聯(lián)合出清
現(xiàn)有研究通常以能源系統(tǒng)整體的經(jīng)濟性為目標，構(gòu)建協(xié)調(diào)出清模型。對于各能源系統(tǒng)運營者不同、無法實現(xiàn)多能源市場聯(lián)合優(yōu)化及出清的情況，研究中通常采用基于各能源市場出清結(jié)果交互或基于一致性的交替方向乘子等分布式算法。對于出清時序不同的能源市場，可生成較晚出清的能源市場的多個場景并納入較早出清的能源市場出清模型中考慮。很多文獻借鑒節(jié)點電價的思想，提出了節(jié)點能價的概念。與節(jié)點電價不同，由于供水系統(tǒng)和回水系統(tǒng)兩套供熱系統(tǒng)的存在，節(jié)點熱價的特性規(guī)律較復雜。配網(wǎng)層級的多能源市場和P2P交易等創(chuàng)新性機制也是研究關(guān)注的重點問題。
2.3 多能源市場中的交易行為及均衡分析
研究關(guān)注了批發(fā)、零售市場中的交易行為及策略性申報行為下的市場均衡問題。其中，電力市場中的需求響應(yīng)在多能源市場中衍生成為綜合需求響應(yīng)，除與電力需求響應(yīng)相似的包含可削減多能源負荷及可轉(zhuǎn)移多能源負荷外，綜合需求響應(yīng)還可通過可轉(zhuǎn)換負荷來實現(xiàn)，促使不具有電價彈性的負荷也能參與到需求響應(yīng)項目中。
3、進一步研究的關(guān)鍵問題
3.1 不同市場基礎(chǔ)下多能源市場的協(xié)調(diào)問題
在交易時間尺度方面。以美國中西部獨立系統(tǒng)運營商（MISO）所在區(qū)域為例，電力現(xiàn)貨市場在天然氣市場交易日到來前出清，因此電力現(xiàn)貨市場出清結(jié)果將影響同一交易日內(nèi)天然氣市場中市場主體的行為。在丹麥，熱力供應(yīng)計劃是在電力現(xiàn)貨市場出清前確定的，因而熱電聯(lián)產(chǎn)機組在參與日前電力現(xiàn)貨市場的時候只具有很有限的靈活性。低碳目標下的能源系統(tǒng)勢必會接入更多的可再生能源，也必將增加對各能源市場短期靈活交易的需求，因此需考慮當前市場基礎(chǔ)條件，深入研究不同時間尺度交易下各能源市場的協(xié)調(diào)機制。
在交易空間尺度方面。歐洲已建立了國家間電力現(xiàn)貨市場，美國也建立了西部電力平衡市場，但天然氣市場仍主要在國家或地區(qū)內(nèi)部開展。此外，由于供熱系統(tǒng)損耗較大，供熱市場的范圍較小，通常為區(qū)域供熱市場，競爭程度較低，市場力和策略性競價行為仍需深入研究。
在市場流動性方面。電力市場發(fā)展較為成熟，中長期、日前、實時平衡市場均有較強的流動性，天然氣短期市場流動性較低，供熱市場更是多以中長期合同為主開展交易，各能源市場流動性的差異可能降低市場效率。例如，中國當前已開展了電力現(xiàn)貨市場試點，以南方（以廣東起步）電力現(xiàn)貨市場為例，運營規(guī)則中提到熱電聯(lián)產(chǎn)機組如因供熱需求開機，在運行補償費用（即上抬費用）中將不考慮補償啟動成本，而由于供熱市場市場化程度較低，熱電聯(lián)產(chǎn)機組實際上很難通過供熱市場回收機組啟動成本。
3.2 不同產(chǎn)權(quán)和運營權(quán)下多能源市場的協(xié)調(diào)問題
除少數(shù)如澳大利亞、丹麥等國家由同一機構(gòu)運營電網(wǎng)和天然氣管網(wǎng)外，更多國家的不同能源系統(tǒng)產(chǎn)權(quán)和運營權(quán)屬不同企業(yè)，由此給多能源市場耦合交易的開展帶來挑戰(zhàn)，應(yīng)在研究中重點關(guān)注。一方面，不同能源系統(tǒng)由不同部門運營的特點給跨部門的信息匯總與協(xié)調(diào)優(yōu)化帶來困難，如美國PJM就已發(fā)布報告提出要加強電力及天然氣系統(tǒng)運行信息的交互；另一方面，多能源市場耦合交易下各類能源的定價將影響多能源系統(tǒng)協(xié)同運行效益在不同能源系統(tǒng)中的分配，其合理性評價方法還需深入研究，并應(yīng)以多能源系統(tǒng)協(xié)同運行效益合理分配為目標建立多能源市場耦合交易機制。
3.3 與多能源系統(tǒng)協(xié)同運行安全性的協(xié)調(diào)問題
多能源系統(tǒng)協(xié)同運行下，能源種類的多樣性、網(wǎng)絡(luò)的復雜性和運行中的不確定性，放大了單一能源系統(tǒng)的異常運行給其他能源系統(tǒng)帶來的安全風險。以美國東北地區(qū)為例，天然氣發(fā)電所需的天然氣使用優(yōu)先級低于居民及商業(yè)用氣，在冬季供熱需求較大時，用于發(fā)電的天然氣供應(yīng)量減少、天然氣價格出現(xiàn)尖峰，影響電力系統(tǒng)運行、增加電力市場風險。同時，天然氣發(fā)電企業(yè)為獲得較低的天然氣價格，通常會簽訂可中斷天然氣供應(yīng)合同，當天然氣系統(tǒng)出現(xiàn)阻塞等導致供給短缺時，天然氣發(fā)電機組也會因燃料短缺而停機，影響電力市場供需關(guān)系和電價。此外，在用戶供熱需求高峰時，熱電聯(lián)產(chǎn)機組電力出力也會較大，可能導致局部電壓升高，給電網(wǎng)調(diào)度運行及新能源消納帶來困難。因此，多能源市場耦合交易應(yīng)能考慮能源系統(tǒng)間運行安全性的交互影響，建立合理的價格機制反映能源系統(tǒng)安全風險。此外，當遇到系統(tǒng)供應(yīng)可靠性問題時，不同能源系統(tǒng)運營者如何協(xié)調(diào)應(yīng)對也是研究中需要重點關(guān)注的問題。
3.4 開發(fā)新的市場機制、出清算法及分析手段，應(yīng)對計算復雜性、隱私性及不確定性
多能源市場機制設(shè)計應(yīng)能夠挖掘多種能源生產(chǎn)、消費、儲存、傳輸?shù)撵`活性，激勵高效的能源轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)可再生能源和靈活資源的廣泛接入，有效保護私有信息，實現(xiàn)能源的公平交易和綜合利用。電力、天然氣、供熱系統(tǒng)中包含大量的非線性約束，多能源系統(tǒng)協(xié)同運行將增加優(yōu)化模型復雜度。此外，大量的報價信息還會進一步增加計算復雜性，在多能源市場機制設(shè)計和出清算法研究中應(yīng)做好出清速度和模型精度的權(quán)衡。多能源形式發(fā)用電資源在系統(tǒng)同一節(jié)點的行為耦合和多能源系統(tǒng)運行的不確定性，也將給市場效應(yīng)評估、市場主體行為分析、市場風險管理提出新的挑戰(zhàn)。
本文引文信息
肖云鵬，王錫凡，王秀麗，等. 多能源市場耦合交易研究綜述及展望[J]. 全球能源互聯(lián)網(wǎng)，2020，3(5)：487-496．
XIAO Yunpeng, WANG Xifan, WANG Xiuli, et al. Review and prospects of coupled transactions in multi-carrier energy systems[J]. Journal of Global Energy Interconnection, 2020, 3(5): 487-496(in Chinese).
研究團隊
西安交通大學是教育部直屬重點高校，國家“985工程”、“211工程”首批重點建設(shè)院校。電氣工程為國家一級重點學科，電力系統(tǒng)及其自動化為國家重點二級學科，形成了許多獨具特色，在國內(nèi)外有較大影響的科研成果。
王錫凡、王秀麗教授課題組致力于包括電力系統(tǒng)規(guī)劃、可靠性、電力市場、新型輸電方式等領(lǐng)域的研究。近5年來發(fā)表期刊論文100余篇，其中SCI收錄30篇，ESI收錄2篇。
作者簡介
肖云鵬博士
主要研究方向為電力能源市場及新能源電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度。通信作者
E-mail：xiaoyunpengee@163.com
王錫凡 中國科學院院士，教授，博士生導師
主要研究方向為電力系統(tǒng)分析與規(guī)劃、電力系統(tǒng)可靠性分析、電力市場、新型輸電方式等。
王秀麗 教授，博士生導師
主要研究方向為電力系統(tǒng)分析與規(guī)劃、電力市場、電力系統(tǒng)可靠性分析、新型輸電方式。
