中國儲能網(wǎng)訊：面向高比例新能源消納的西北調(diào)峰輔助服務(wù)市場機(jī)制及實(shí)踐
薛晨1, 任景1, 馬曉偉1, 崔偉1, 劉友波2, 王瀟笛2
（1. 國家電網(wǎng)有限公司西北分部,陜西 西安 710048; 2. 四川大學(xué) 電氣工程學(xué)院,四川 成都 610065）
摘要：“源網(wǎng)荷”靈活互動是智能電網(wǎng)發(fā)展、電力市場化改革背景下能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型升級的必然發(fā)展趨勢，也是解決西北地區(qū)新能源調(diào)峰資源短缺、消納空間不足的關(guān)鍵。梳理了國內(nèi)外面向高比例新能源的“源”“荷”“網(wǎng)”及“源荷”聯(lián)動下的輔助服務(wù)市場的市場機(jī)制、交易品種等關(guān)鍵技術(shù)及建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，立足西北電網(wǎng)的調(diào)峰瓶頸及障礙，基于現(xiàn)行西北區(qū)域省間調(diào)峰輔助服務(wù)市場平臺，提出了適宜西北地區(qū)負(fù)荷特性及新能源消納需求的“源網(wǎng)荷”聯(lián)動調(diào)度模式及交易機(jī)制，以期利用市場杠桿與調(diào)度策略并行的調(diào)控手段，激發(fā)源網(wǎng)荷各主體調(diào)峰意愿，聯(lián)動多主體協(xié)同參與調(diào)峰，共同促進(jìn)西北地區(qū)新能源的全面消納。
引文信息
薛晨, 任景, 馬曉偉, 等. 面向高比例新能源消納的西北調(diào)峰輔助服務(wù)市場機(jī)制及實(shí)踐[J]. 中國電力, 2021, 54(11): 19-28.
XUE Chen, REN Jing, MA Xiaowei, et al. Mechanism of peak regulation auxiliary electricity market in the presence of high-penetration renewable energy and its practice in northwest china[J]. Electric Power, 2021, 54(11): 19-28.
引言
截至2020年年底，中國風(fēng)電、光伏累計裝機(jī)容量達(dá)5.34億kW，其中西北地區(qū)的新能源發(fā)電裝機(jī)達(dá)到1.29億kW，已成為全國風(fēng)電、光伏裝機(jī)最大的區(qū)域。西北地區(qū)新能源高占比趨于常態(tài)化，其間歇性、波動性等固有不確定性特性對新能源的實(shí)時消納帶來了巨大挑戰(zhàn)。
風(fēng)電、光伏等新能源大規(guī)模并網(wǎng)消納，需緊密依靠電力系統(tǒng)發(fā)、輸、配、變、用多環(huán)節(jié)的深度協(xié)作。為解決高比例新能源的消納難題，主要從2方面推進(jìn)：（1）推動電網(wǎng)“硬件”基礎(chǔ)網(wǎng)架建設(shè)，加強(qiáng)與新能源發(fā)展相協(xié)調(diào)的配套電源電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)及跨區(qū)特高壓輸電通道建設(shè)，全面提升系統(tǒng)外送能力及大電網(wǎng)平衡能力；（2）強(qiáng)化市場機(jī)制“軟件”支撐，通過市場競爭機(jī)制及激勵手段促使源網(wǎng)荷多方協(xié)調(diào)發(fā)展和友好互動，充分調(diào)動全系統(tǒng)可調(diào)控資源消納新能源的靈活性及積極性[1]。
西北地區(qū)新能源的全額消納需大量的輔助服務(wù)提供支撐。在“2030碳達(dá)峰，2060碳中和”承諾背景下，西北地區(qū)新能源將迎來新一輪爆發(fā)式增長，燃煤火電等常規(guī)調(diào)節(jié)電源裝機(jī)比重進(jìn)一步下降，西北地區(qū)現(xiàn)行的調(diào)峰輔助服務(wù)機(jī)制提供的調(diào)峰容量、備用容量的裕度難以完全適應(yīng)高比例新能源滿發(fā)多發(fā)的需求，亟須打破僅依靠電源側(cè)提供調(diào)峰輔助服務(wù)的傳統(tǒng)模式。智能電網(wǎng)及通信技術(shù)的發(fā)展使得負(fù)荷側(cè)靈活性資源具備接入電網(wǎng)調(diào)度體系并提供輔助服務(wù)的能力，與火電等電源側(cè)常規(guī)調(diào)節(jié)機(jī)組相比，負(fù)荷側(cè)靈活調(diào)節(jié)資源兼具響應(yīng)速度快、可調(diào)容量大、調(diào)節(jié)手段靈活等調(diào)控優(yōu)勢。將負(fù)荷側(cè)靈活性資源納入西北電網(wǎng)調(diào)峰輔助服務(wù)框架，對于打造“源網(wǎng)荷”靈活互動框架下的調(diào)峰市場體系，保障新環(huán)境下的西北電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。
本文首先對國內(nèi)外面向高比例新能源消納的調(diào)峰輔助服務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行梳理，從“源”“荷”“網(wǎng)”側(cè)及“源網(wǎng)荷”聯(lián)動參與調(diào)峰服務(wù)市場的市場模式展開探討；深入分析現(xiàn)階段西北電網(wǎng)的調(diào)峰現(xiàn)狀及面臨的問題，提出完善西北調(diào)峰輔助服務(wù)市場的必要性；依據(jù)西北電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行特性，提出西北地區(qū)調(diào)峰服務(wù)市場機(jī)制建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)并進(jìn)一步展望西北地區(qū)高比例新能源消納的調(diào)峰模式，為西北地區(qū)新能源的充分消納和“源網(wǎng)荷”資源的靈活互動提供驅(qū)動力和平臺。
1 面向高比例新能源消納的調(diào)峰輔助服務(wù)市場機(jī)制
電力市場的改革發(fā)展促使輔助服務(wù)市場呈現(xiàn)出交易主體多元化的特征，亟須探索新的市場機(jī)制與交易模式引導(dǎo)源網(wǎng)荷靈活性資源參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)。圖1概述了國內(nèi)外基于“源網(wǎng)荷”互動下的面向高比例新能源的調(diào)峰輔助服務(wù)市場機(jī)制的關(guān)鍵技術(shù)及研究思路，分別從“源”“荷”“網(wǎng)”側(cè)及“源網(wǎng)荷”聯(lián)動消納新能能源展開探討。
圖1 面向高比例新能源消納的調(diào)峰輔助服務(wù)市場框架
Fig.1 Peak-regulation service market framework in the presence of high-penetration renewable energy
其中，“源”側(cè)主要交易品種包含發(fā)電權(quán)交易及碳交易，新能源機(jī)組與傳統(tǒng)機(jī)組可基于發(fā)電權(quán)及碳排放置換交易實(shí)現(xiàn)“源”側(cè)機(jī)組的調(diào)峰優(yōu)勢互補(bǔ)；“荷”側(cè)主要調(diào)峰參與模式包括需求側(cè)競價、需求側(cè)激勵以及需求側(cè)直接調(diào)度，可根據(jù)用戶側(cè)實(shí)際調(diào)控特性實(shí)現(xiàn)需求側(cè)調(diào)峰模式的優(yōu)選。為充分調(diào)動“源荷”雙方調(diào)峰積極性，可在區(qū)域調(diào)峰市場平臺引入靈活競價機(jī)制及多時間尺度交易品種，以雙邊撮合/集中競價的模式引導(dǎo)“源荷”聯(lián)動參與區(qū)域調(diào)峰市場，實(shí)現(xiàn)“源荷”靈活資源的一體化出清。此外，“網(wǎng)”側(cè)不僅可通過開展區(qū)域/省間調(diào)峰市場實(shí)現(xiàn)多區(qū)域的調(diào)峰互濟(jì)，且其作為實(shí)時調(diào)度與監(jiān)管機(jī)構(gòu)需對調(diào)峰市場出清結(jié)果進(jìn)行合理性校驗(yàn)及安全性校驗(yàn)，以保障電力調(diào)度及調(diào)峰市場的安全穩(wěn)定運(yùn)行。
1.1 “源”側(cè)調(diào)峰交易機(jī)制
現(xiàn)階段中國電源結(jié)構(gòu)以火電為主，常規(guī)機(jī)組是提供電力輔助服務(wù)的中堅力量。因此，為解決高比例新能源調(diào)峰難題，多數(shù)研究以“源”側(cè)常規(guī)機(jī)組（火電機(jī)組）參與調(diào)峰為著眼點(diǎn)，挖掘火電機(jī)組深度調(diào)峰潛力實(shí)現(xiàn)新能源的增發(fā)。然而，負(fù)荷低谷時的高占比新能源的并網(wǎng)使得電網(wǎng)向下調(diào)峰需求急劇增長，系統(tǒng)會安排部分靈活性改造后的火電機(jī)組以低于最小技術(shù)出力的模式運(yùn)行，深調(diào)機(jī)組的調(diào)峰成本與調(diào)峰深度呈現(xiàn)非線性遞增關(guān)系，此剛性調(diào)度模式將大幅增加系統(tǒng)的調(diào)峰運(yùn)行成本[2]。在“源”側(cè)調(diào)峰市場開展發(fā)電權(quán)交易及碳交易可作為促進(jìn)新能源消納的重要市場手段：（1）為新能源機(jī)組提供更多的上網(wǎng)容量；（2）利用經(jīng)濟(jì)激勵機(jī)制引導(dǎo)低能耗機(jī)組代替高能耗機(jī)組發(fā)電，進(jìn)一步減少調(diào)峰機(jī)組碳排放量。
發(fā)電權(quán)交易及碳交易是發(fā)電商在中長期、日前、日內(nèi)、輔助服務(wù)等多市場中獲得的發(fā)電許可份額/碳排放配額。其中，將新能源的增發(fā)電量作為新能源機(jī)組擬增加的發(fā)電權(quán)，常規(guī)機(jī)組參與電網(wǎng)調(diào)峰作為火電機(jī)組擬轉(zhuǎn)讓的發(fā)電權(quán)，基于發(fā)電權(quán)受讓方和出讓方進(jìn)行多輪報價的模式，可最終達(dá)成新能源與常規(guī)電源發(fā)電權(quán)置換交易共識。該種模式具有提升新能源并網(wǎng)容量、降低常規(guī)電源機(jī)組運(yùn)行成本、規(guī)避新能源發(fā)電風(fēng)險、提升系統(tǒng)運(yùn)行效益及減少碳排放等經(jīng)濟(jì)技術(shù)優(yōu)勢[3]。
然而，傳統(tǒng)發(fā)電權(quán)交易難以量化新能源的碳減排社會效益，協(xié)同碳排放權(quán)與發(fā)電權(quán)的市場交易有助于在調(diào)峰輔助服務(wù)市場中反映常規(guī)能源真實(shí)發(fā)電成本，并促進(jìn)新能源的進(jìn)一步消納。文獻(xiàn)[4]構(gòu)建了碳交易下的發(fā)電權(quán)置換優(yōu)化模型，指出碳交易與發(fā)電權(quán)交易的耦合競價有利于調(diào)動常規(guī)能源機(jī)組參與市場競價的積極性，提升社會整體效益。文獻(xiàn)[5]建立了發(fā)電權(quán)與碳交易市場的競價均衡模型，驗(yàn)證了所提模型在碳減排及發(fā)電資源優(yōu)化配置上的有效性。將火電機(jī)組的碳排放權(quán)交易與深度調(diào)峰有機(jī)結(jié)合，通過提升機(jī)組調(diào)峰深度以實(shí)現(xiàn)碳排放量的降低，并將額外碳排放權(quán)轉(zhuǎn)讓給其余常規(guī)機(jī)組，可在提升火電機(jī)組自身效益的同時為新能源消納提供富余空間。
1.2 “荷”側(cè)靈活調(diào)峰市場機(jī)制
常規(guī)電源的調(diào)節(jié)能力和傳統(tǒng)電網(wǎng)調(diào)度模式難以滿足大規(guī)模新能源消納需求。國內(nèi)外就“荷”端具有可響應(yīng)能力的負(fù)荷參與電網(wǎng)輔助服務(wù)市場展開了大量的研究。通過建立空調(diào)、熱水器、電動汽車等柔性負(fù)荷精細(xì)化模型[6]，利用模型預(yù)測算法、機(jī)會約束等優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)考慮新能源不確定性下的需求側(cè)優(yōu)化調(diào)度。然而，傳統(tǒng)電力市場正逐步向用戶側(cè)靈活資源開放，成熟的市場建設(shè)體系和完善的激勵政策對挖掘“荷”側(cè)靈活資源響應(yīng)潛力至關(guān)重要，其中包括：用戶側(cè)與發(fā)電側(cè)博弈互動策略、用戶側(cè)輔助服務(wù)機(jī)制設(shè)計、需求側(cè)響應(yīng)定價模式等，如何將“荷”側(cè)可調(diào)節(jié)資源作為一種中長短期靈活交易產(chǎn)品促進(jìn)用戶廣泛參與輔助服務(wù)市場是研究關(guān)鍵及熱點(diǎn)。
需求側(cè)競價是指用戶側(cè)主動參與市場競爭的機(jī)制，用戶可通過改變自身已有用電模式以獲取市場利潤。一方面，用戶可基于基準(zhǔn)用電曲線利用其靈活可調(diào)節(jié)量參與市場競爭，如輔助服務(wù)市場競價[7]、電能量市場與備用市場聯(lián)合出清[8]等；另一方面，用戶可利用其全部電力需求參與市場競爭，在集中市場提供類似發(fā)電商競價曲線的需求側(cè)競價曲線等。文獻(xiàn)[9]將需求側(cè)資源當(dāng)作一種公共的商品，構(gòu)建了基于電力庫的“多買方-多賣方”的需求響應(yīng)資源交易（DR exchange）模型并實(shí)現(xiàn)“多對多”出清。此外，除了通過市場競爭推動用戶主動參與市場外，基于合理的激勵機(jī)制將用戶側(cè)響應(yīng)資源納入電網(wǎng)調(diào)峰輔助服務(wù)也是研究熱點(diǎn)?，F(xiàn)階段理論研究主要基于用戶側(cè)需求響應(yīng)數(shù)學(xué)模型，利用息票策略[10]、博弈論[11]等理論方法實(shí)現(xiàn)需求側(cè)激勵模式的優(yōu)選，從而達(dá)到系統(tǒng)降本增效、最大化消納新能源等目的。
荷側(cè)靈活資源在電力輔助服務(wù)市場中的成熟應(yīng)用，需要克服一系列技術(shù)、制度和機(jī)制上的難題。在不同階段的電力市場環(huán)境下，荷側(cè)電力靈活資源的調(diào)用對象、響應(yīng)模式和市場機(jī)制皆不相同。在用戶側(cè)調(diào)峰輔助服務(wù)市場開始初期，可先逐步開放大工業(yè)用戶，再進(jìn)一步挖掘中小用戶的靈活資源調(diào)動潛力。
1.3 “網(wǎng)”側(cè)跨省調(diào)峰資源實(shí)時平衡
在省級電網(wǎng)調(diào)峰層面，現(xiàn)階段的理論研究主要聚焦于調(diào)峰調(diào)度機(jī)制、調(diào)峰交易機(jī)制及調(diào)峰域度測評等方面。風(fēng)電可與水電、儲能、火電等可調(diào)節(jié)設(shè)備構(gòu)成互補(bǔ)系統(tǒng)聯(lián)合優(yōu)化[12]，緩解系統(tǒng)調(diào)峰壓力。
從省間電網(wǎng)調(diào)峰層面來看，不同區(qū)域存在較大的調(diào)峰能力差異，充分利用區(qū)域間網(wǎng)絡(luò)聯(lián)絡(luò)通道實(shí)現(xiàn)區(qū)域間調(diào)峰互濟(jì)，是解決系統(tǒng)低谷調(diào)峰困難，提升體系靈活性的一個有效途徑[13-15]。從調(diào)度層面來看，文獻(xiàn)[14]建立了考慮風(fēng)電外送的省間調(diào)度及區(qū)間調(diào)峰互濟(jì)模型，綜合考慮調(diào)峰約束和電網(wǎng)輸送能力。文獻(xiàn)[15]介紹了華東市場與其余區(qū)域市場的電力調(diào)峰銜接機(jī)制，以實(shí)現(xiàn)各個省級電網(wǎng)電源及負(fù)荷的互補(bǔ)特性。
此外，如何協(xié)調(diào)跨區(qū)互聯(lián)線路送受端供需關(guān)系實(shí)現(xiàn)高效調(diào)峰是關(guān)鍵問題，文獻(xiàn)[16]深入剖析了直流聯(lián)絡(luò)線運(yùn)行特性，提出了跨區(qū)互聯(lián)電網(wǎng)日前源網(wǎng)協(xié)調(diào)調(diào)度方式。對于實(shí)際跨區(qū)調(diào)峰市場的建設(shè)，需要因地制宜，考慮實(shí)際區(qū)域電網(wǎng)新能源出力特性、跨省調(diào)峰資源的差異性、區(qū)域間調(diào)峰資源的供需特性、區(qū)域間互聯(lián)線路約束等多維度問題，建立更符合電網(wǎng)實(shí)際調(diào)峰需求的跨省調(diào)峰機(jī)制。
1.4 源網(wǎng)荷協(xié)同調(diào)峰機(jī)制
多類型電源及多類型負(fù)荷具有不同時空分布特性，由此形成源網(wǎng)荷協(xié)同優(yōu)化的靈活互動模式，以提高系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的效率，促進(jìn)新能源消納。文獻(xiàn)[17-18]提出了日前、日內(nèi)、實(shí)時等多時間尺度調(diào)度模型，結(jié)合不同類型的荷側(cè)調(diào)節(jié)資源，對源側(cè)常規(guī)可控機(jī)組進(jìn)行多時間尺度滾動協(xié)調(diào)優(yōu)化以提升電網(wǎng)靈活資源的調(diào)峰調(diào)控能力，但上述研究聚焦于源荷側(cè)的集中調(diào)度以應(yīng)對新能源出力的間歇性問題。
傳統(tǒng)剛性調(diào)度模式難以調(diào)動市場主體參與市場積極性，引入靈活競價機(jī)制及交易品種，可賦予“源荷”側(cè)市場主體充分的自主選擇權(quán)，促使調(diào)峰供需資源高效匹配。就競價機(jī)制而言，文獻(xiàn)[19]分析了不同競價結(jié)算機(jī)制（如雙向拍賣機(jī)制、統(tǒng)一出清機(jī)制）對多買方-多賣方的市場參與積極性、市場公平性、市場供需狀態(tài)等方面的影響。就市場品種而言，北歐日前現(xiàn)貨市場通過引入基于靈活塊交易的交易品種[20]，市場主體根據(jù)實(shí)時能源需求，選擇符合自身利益需求的靈活塊交易種類（小時交易、塊交易、鏈交易等）；美國加州獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營商[21]與美國中部電力系統(tǒng)運(yùn)營商[22]基于其市場運(yùn)營需求，設(shè)計了基于機(jī)會成本靈活交易品種—靈活調(diào)節(jié)服務(wù)（flexible ramping products，F(xiàn)RP），以保障系統(tǒng)實(shí)時平衡及激勵價格的公平公正性。
然而，在“源荷”靈活互動過程中，電網(wǎng)潮流時空分布特性更為復(fù)雜、電網(wǎng)功率動態(tài)平衡特性更為多變，這對電網(wǎng)的安全運(yùn)行帶來極大挑戰(zhàn)。文獻(xiàn)[23]結(jié)合直流配電網(wǎng)靈活互聯(lián)、安全可控的特征，提出源網(wǎng)荷儲互動下的直流配電網(wǎng)多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度方法；文獻(xiàn)[24]構(gòu)建了含源側(cè)機(jī)組組合及荷側(cè)經(jīng)濟(jì)調(diào)度的雙層優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，以實(shí)現(xiàn)計及網(wǎng)絡(luò)約束下的安全調(diào)度。但是現(xiàn)有協(xié)調(diào)控制策略的研究大多從配網(wǎng)或微網(wǎng)的角度展開，側(cè)重點(diǎn)在于如何實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò)的功率平衡與運(yùn)行安全，鮮少從大電網(wǎng)層面展開研究。
隨著源荷聯(lián)動下的調(diào)峰市場參與主體數(shù)量的增加、調(diào)峰品種的增多及調(diào)峰交易實(shí)時性需求的提升，電網(wǎng)的運(yùn)行模式將更為復(fù)雜，電網(wǎng)安全穩(wěn)定評估控制方法及市場統(tǒng)一出清模式尚需提升與改善。依靠傳統(tǒng)人工校核模式計算計及多不確定性下的電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)和潮流分布無法完全保障電網(wǎng)安全和系統(tǒng)穩(wěn)定，需要進(jìn)一步研究考慮靈活交易的“源網(wǎng)荷”互動環(huán)境下不確定性對電網(wǎng)運(yùn)行安全、斷面?zhèn)鬏敇O限、經(jīng)濟(jì)調(diào)度、市場出清等多方面影響。
2 西北電網(wǎng)調(diào)峰現(xiàn)狀與存在的問題
近十年來西北地區(qū)能源裝機(jī)容量增長超30倍，其裝機(jī)容量、裝機(jī)占比、新能源滲透率連續(xù)多年在全國各區(qū)域排名第一，如圖2所示。隨著西北電網(wǎng)新能源爆發(fā)性增長，電網(wǎng)等效負(fù)荷曲線向“鴨型”轉(zhuǎn)變，調(diào)峰需求發(fā)生深刻變化，電網(wǎng)調(diào)峰能力建設(shè)作為新能源發(fā)展的基礎(chǔ)性工作，現(xiàn)階段西北電網(wǎng)調(diào)峰面臨著較大挑戰(zhàn)。
圖2 2010—2020年西北地區(qū)的新能源裝機(jī)情況
Fig.2 The renewable energy generation capacity in Northwest China in recent decade
2.1 “源”側(cè)調(diào)峰遭遇瓶頸
西北區(qū)域傳統(tǒng)“源”側(cè)火電機(jī)組調(diào)峰受多重限制：（1）火電機(jī)組靈活性改造成本較高，以35萬kW裝機(jī)的熱電廠為例，考慮到靈活性改造技術(shù)差異性，增加10%~20%額定容量調(diào)峰空間投資成本為1000萬~5000萬元不等；（2）西北網(wǎng)內(nèi)火電機(jī)組平均調(diào)峰深度已達(dá)40%額定負(fù)荷，60萬kW裝機(jī)以上的平均深調(diào)能力已達(dá)30%額定負(fù)荷，可再挖掘的電源側(cè)調(diào)峰空間極為有限；（3）現(xiàn)有源側(cè)調(diào)峰市場的新能源增發(fā)成本較高，例如甘肅、寧夏省內(nèi)市場新能源增發(fā)成本高達(dá)0.595元/（kW·h）、0.495元/（kW·h），新能源企業(yè)承受壓力大。
2.2 “網(wǎng)”側(cè)外送通道與新能源發(fā)展規(guī)模較不匹配
西北地區(qū)高比例新能源的并網(wǎng)及大規(guī)模發(fā)展，給電網(wǎng)輸電通道的規(guī)劃帶來較大挑戰(zhàn)?，F(xiàn)階段新能源的發(fā)展與輸電通道和靈活電源的發(fā)展規(guī)劃不完全協(xié)調(diào)，西北電網(wǎng)跨區(qū)輸電工程基建成本高、建設(shè)周期長，預(yù)計未來兩三年，直流外送規(guī)模增長約為2800萬kW，遠(yuǎn)低于新能源的預(yù)期增幅（4715萬kW），最終造成并網(wǎng)難和外送難的局面，阻礙新能源的消納。此外，隨著新能源發(fā)電比例在電網(wǎng)中的不斷增加，不同種類能源間的發(fā)電并網(wǎng)競爭日益凸顯，電網(wǎng)與電源之間不協(xié)同發(fā)展已成為新能源并網(wǎng)的巨大障礙。
2.3 “荷”端輔助服務(wù)機(jī)制有待健全
通信系統(tǒng)和智能電網(wǎng)的建設(shè)，使用戶側(cè)靈活可調(diào)控資源具備了快速響應(yīng)能力，但現(xiàn)階段尚缺乏成熟的激勵用戶主動消納新能源的調(diào)峰輔助服務(wù)機(jī)制。目前西北地區(qū)出臺的用戶側(cè)峰谷電價、調(diào)峰補(bǔ)貼價格機(jī)制有利于促進(jìn)低谷新能源消納，但尚處于試點(diǎn)階段，用戶側(cè)激勵模式較為單一且無配套的考核監(jiān)管機(jī)制?？偟膩碚f，用戶側(cè)激勵閾值難以獲取、用戶響應(yīng)模式難以準(zhǔn)確把控、分布式用戶調(diào)度模式與電網(wǎng)現(xiàn)有調(diào)度計劃方式難以兼容等種種經(jīng)濟(jì)、機(jī)制、技術(shù)瓶頸阻礙了現(xiàn)行用戶側(cè)響應(yīng)在西北范圍內(nèi)的推廣及規(guī)模化應(yīng)用。
2.4 短期省間調(diào)峰交易尚未與中長期市場有效銜接
現(xiàn)階段西北電網(wǎng)缺乏靈活的省間短期交易機(jī)制和完善的中長期市場銜接機(jī)制，西北電網(wǎng)新能源比重高、波動性強(qiáng)，同時省間錯峰效益明顯，聯(lián)絡(luò)通道也具有較強(qiáng)的省間支援能力，因此西北電網(wǎng)省間潮流交換頻繁、交易需求旺盛。但目前的市場交易機(jī)制受省間壁壘限制，一方面，缺乏靈活的省間短期交易機(jī)制，省間調(diào)峰資源無法得到充分的利用，使得大量的短期交易需求無法迅速撮合，不能滿足新能源資源時效性配置要求；另一方面，由于缺乏完善的中長期市場銜接機(jī)制，中長期雙邊交易又需要剛性執(zhí)行，在面對網(wǎng)架約束、機(jī)組故障、新能源預(yù)測偏差較大等情況時，應(yīng)急響應(yīng)能力不足，不利于新能源的最大化消納。
3 西北區(qū)域省間調(diào)峰輔助服務(wù)市場
現(xiàn)階段西北區(qū)域調(diào)峰輔助服務(wù)市場主要調(diào)峰種類為有償調(diào)峰、啟停調(diào)峰、虛擬儲能及用戶側(cè)調(diào)峰，其電力輔助服務(wù)市場交易流程運(yùn)行框架如圖3所示。與東北、華北、華東等區(qū)域調(diào)峰市場相比，西北電網(wǎng)調(diào)峰市場存在以下優(yōu)勢及區(qū)域特色：（1）支持水電雙向參與調(diào)峰市場；（2）建立虛擬儲能調(diào)峰模式；（3）創(chuàng)新提出直流配套電源單獨(dú)控制區(qū)調(diào)峰模式；（4）積極開拓用戶側(cè)調(diào)峰輔助市場。
圖3 西北區(qū)域調(diào)峰輔助服務(wù)市場調(diào)用流程
Fig.3 The implementation steps of peak-regulation auxiliary service market in Northwest China
西北地區(qū)輔助服務(wù)市場體系建立了日前、日內(nèi)雙時間維度調(diào)峰市場組織模式及省間省內(nèi)兩級調(diào)峰市場協(xié)同機(jī)制，通過日前固定時段、日內(nèi)按需組織的方式，以先省內(nèi)后省間為原則，提出調(diào)峰輔助服務(wù)市場多時空維度交易組織流程，實(shí)現(xiàn)調(diào)峰資源的優(yōu)化配置。在日前市場，火電機(jī)組申報次日96點(diǎn)跨省有償調(diào)峰電力曲線、電價信息及啟停調(diào)峰電價；虛擬儲能服務(wù)提供商申報次日96點(diǎn)儲能能力；用戶申報次日可調(diào)節(jié)負(fù)荷量、可調(diào)節(jié)時長；西北五?。▍^(qū)）申報次日水電有償調(diào)峰電價；在日內(nèi)市場，日內(nèi)省間調(diào)峰輔助服務(wù)市場允許接受服務(wù)方隨時申報調(diào)峰需求，調(diào)度機(jī)構(gòu)視情況安排調(diào)峰服務(wù)。截至2019年年底，西北區(qū)域省間調(diào)峰輔助服務(wù)市場試?yán)塾嬚{(diào)峰6254筆，調(diào)峰電量為40.81億kW·h，調(diào)峰費(fèi)用為5.10億元，為提升西北新能源利用率貢獻(xiàn)了2.39個百分點(diǎn)，如圖4所示。
圖4 2019年西北區(qū)域調(diào)峰輔助服務(wù)市場運(yùn)營情況
Fig.4 The operation situation of peak-regulation service market in Northwest China in 2019
3.1 水火電調(diào)峰
水、火電調(diào)峰是指調(diào)峰資源富余的火電機(jī)組或水電機(jī)組以“群”模式主動參與日前市場及日內(nèi)市場，向調(diào)峰資源不足省區(qū)提供的調(diào)峰服務(wù)。其中，西北區(qū)域調(diào)峰市場設(shè)計了“水電豐枯雙向參與”方式，在豐、枯期根據(jù)水電發(fā)電差異性，靈活轉(zhuǎn)換水電機(jī)組的市場角色。在汛期，水電機(jī)組作為調(diào)峰資源接受服務(wù)方參與調(diào)峰市場，申報各時段調(diào)峰需求，避免棄水損失；在其余水期，水電基于其優(yōu)質(zhì)調(diào)峰性能，作為調(diào)峰提供服務(wù)方參與調(diào)峰市場。
火、水電機(jī)組通過參與調(diào)峰市場獲得輔助服務(wù)補(bǔ)償費(fèi)用。截至2019年年底，西北地區(qū)火電調(diào)峰電量為30.02億kW·h，均價僅為0.164元/（kW·h），調(diào)峰收益為49244.9萬元；水電有償調(diào)峰電量為10.15億kW·h，出清均價僅為0.006元/（kW·h），調(diào)峰收益為656.05萬元。西北開放的調(diào)峰輔助服務(wù)市場有利于充分調(diào)動發(fā)電企業(yè)的市場參與積極性，促使水、火電企業(yè)降本增效，在消納新能源的同時獲得額外的收益。
與此同時，從全國范圍內(nèi)看，全國火電調(diào)峰下線至20%，最高費(fèi)用可達(dá)1元/（kW·h），而西北地區(qū)的水火雙向調(diào)峰的價格相對較低，有利于調(diào)動新能源企業(yè)增發(fā)積極性，促進(jìn)西北地區(qū)新能源的健康發(fā)展。
3.2 自備電廠“虛擬儲能”模式
西北電網(wǎng)提出自備電廠的“虛擬儲能（virtual storage system, VSS）”模式，其中虛擬儲能模式是指在不新增儲能設(shè)施的情況下，將網(wǎng)內(nèi)自備電廠為虛擬儲能提供商，在新能源大發(fā)且面臨限電時，通過減少機(jī)組發(fā)電出力“儲存”新能源電量；在新能源小發(fā)且系統(tǒng)有消納空間時，增加機(jī)組發(fā)電出力“釋放”新能源電量?，F(xiàn)階段虛擬儲能服務(wù)提供商主要為西北電網(wǎng)內(nèi)的大型自備企業(yè)，在日前市場虛擬儲能服務(wù)提供商上報次日96點(diǎn)儲能能力。虛擬儲能模式中，新能源企業(yè)基于存取電量按照0.05元/（kW·h）的固定價格向自備電廠企業(yè)支付虛擬儲能調(diào)峰費(fèi)用。經(jīng)測算，自備電廠的調(diào)峰成本低于0.01元/（kW·h），效益明顯。在市場開展初期，原則上虛擬儲能服務(wù)提供商在虛擬儲能過程中產(chǎn)生的調(diào)峰電量不影響其月度電量計劃。按照“全面開展、試點(diǎn)先行、盡快推廣”原則，選定甘肅、寧夏自備企業(yè)開展虛擬儲能試點(diǎn)，2019年共參與調(diào)峰8筆，調(diào)峰電量0.023億kW·h，獲取調(diào)峰補(bǔ)償11.49萬元。隨著調(diào)峰市場的全面開放，由于其調(diào)峰成本優(yōu)勢，市場競爭力強(qiáng)，其調(diào)峰規(guī)模將會逐漸擴(kuò)大。
現(xiàn)階段西北電網(wǎng)虛擬儲能調(diào)峰暫采取電網(wǎng)定價模式，待市場成熟后，虛擬儲能調(diào)峰價格機(jī)制可逐步過渡至競價模式。
3.3 直流配套電源有償調(diào)峰
西北電網(wǎng)的跨區(qū)直流配套電源裝機(jī)規(guī)模已達(dá)2394萬kW，且均為66萬kW及以上大容量機(jī)組，調(diào)節(jié)性能優(yōu)越，但由于受制于政策、機(jī)制等原因，配套電源的調(diào)節(jié)優(yōu)勢未充分發(fā)揮。為充分發(fā)揮配套電源調(diào)峰優(yōu)勢，西北電網(wǎng)提出直流配套電源以單獨(dú)控制區(qū)模式（同一直流配套電源形成一個獨(dú)立控制區(qū)）參與區(qū)域調(diào)峰輔助服務(wù)市場的模式。配套電源調(diào)峰順序?yàn)椋簝?yōu)先為同一控制區(qū)內(nèi)新能源企業(yè)提供調(diào)峰服務(wù)，第一檔為無償調(diào)峰服務(wù)，第二、三檔調(diào)峰參照所在?。▍^(qū)）內(nèi)調(diào)峰輔助服務(wù)市場規(guī)則執(zhí)行。
截至2019年年底，特高壓直流配套電源通過區(qū)域調(diào)峰輔助服務(wù)市場提供調(diào)峰服務(wù)，累計增發(fā)新能源電量達(dá)4.49億kW·h，配套電源獲取的調(diào)峰補(bǔ)償8490.39萬元。
3.4 用戶側(cè)調(diào)峰輔助服務(wù)市場
西北電網(wǎng)開展了用戶側(cè)靈活峰谷電價、用戶側(cè)調(diào)峰輔助服務(wù)市場機(jī)制研究，挖掘用戶側(cè)調(diào)峰潛力，并在青海地區(qū)展開應(yīng)用示范試點(diǎn)。
（1）靈活峰谷電價。傳統(tǒng)電網(wǎng)“峰”“谷”時段的劃分及其價格機(jī)制已與高占比新能源電網(wǎng)的負(fù)荷特性嚴(yán)重不匹配。西北電網(wǎng)對新能源高占比下的電網(wǎng)峰谷時段進(jìn)行重新定義及調(diào)整，重新定義后的電網(wǎng)峰谷時段可更好地契合新能源發(fā)電特性及電網(wǎng)的調(diào)峰需求。青海部分行業(yè)已展開靈活峰谷電價試點(diǎn)，對鐵合金行業(yè)的峰平谷時段調(diào)整為：谷段09:00—17:00；峰段17:00—01:00；其余為平段（原谷段00:00—8:00；峰段09:00—12:00, 18:00—23:00；其余為平段）。圖5展示了青海某用戶參與靈活峰谷電價機(jī)制后，其用能模式的變化情況，峰谷時段調(diào)整前的用戶生產(chǎn)呈現(xiàn)出反調(diào)峰特性（光伏大發(fā)時段避峰生產(chǎn)），峰谷時段調(diào)整后的用戶在光伏大發(fā)時段增量生產(chǎn)（09:00—12:00），可有效提升新能源消納空間。
圖5 某用戶參與靈活峰谷電價前后的生產(chǎn)曲線
Fig.5 The energy consumption pattern of a user before and after participating in flexible peak-valley electricity price
（2）用戶側(cè)調(diào)峰輔助服務(wù)市場。利用一定的輔助服務(wù)機(jī)制鼓勵用戶在網(wǎng)內(nèi)新能源大發(fā)時刻增產(chǎn)，提升新能源消納空間。西北地區(qū)高載能用戶具有響應(yīng)容量大、自動化水平高、生產(chǎn)流程穩(wěn)定、價格敏感性高等調(diào)控優(yōu)勢，因此，前期西北地區(qū)用戶側(cè)調(diào)峰輔助服務(wù)市場試點(diǎn)范圍為西北高載能大工業(yè)用戶，待市場成熟后可逐步推廣至工商業(yè)用戶及居民用戶。
市場初期，用戶側(cè)調(diào)峰費(fèi)用暫采取定價模式，根據(jù)當(dāng)前用戶的用電習(xí)慣，初定補(bǔ)償規(guī)則為：用戶在電價峰段參與市場，輔助服務(wù)費(fèi)用依照所在?。▍^(qū)）峰-平電價差額進(jìn)行補(bǔ)償；若用戶在電價平段參與市場，輔助服務(wù)費(fèi)用依照所在?。▍^(qū)）平-谷電價差額進(jìn)行補(bǔ)償，并在大工業(yè)用戶處試點(diǎn)應(yīng)用。若用戶在谷段參與市場，輔助服務(wù)價格為0.1元/（kW·h）。
4 西北新能源消納調(diào)峰模式展望及關(guān)鍵技術(shù)
為保障西北地區(qū)新能源的消納，從交易品種、出清機(jī)制、調(diào)度手段等方面出發(fā)，設(shè)計適合西北地區(qū)高比例新能源特色的調(diào)峰輔助市場，有利于合理調(diào)動“源網(wǎng)荷”多方調(diào)峰積極性，在計及西北電網(wǎng)運(yùn)行安全的前提下促進(jìn)西北地區(qū)新能源的市場化消納。
4.1 “源”側(cè)系統(tǒng)聯(lián)合柔性調(diào)度
新能源波動性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性差，其單獨(dú)遠(yuǎn)距離傳輸不利于電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。在“源”側(cè)采取市場機(jī)制與計劃手段并行的模式，充分調(diào)動水、火、風(fēng)電調(diào)峰積極性，促進(jìn)西北新能源充分消納。一是開展靈活的新能源與火電、自備電廠的發(fā)電權(quán)及碳交易短期交易市場，可通過雙邊協(xié)商交易或由交易中心基于響應(yīng)的撮合規(guī)則集中撮合（競價），促使省間調(diào)峰資源得以充分利用，滿足新能源資源時效性配置要求。二是采用風(fēng)電、光伏、火電捆綁外送協(xié)同調(diào)度模式，根據(jù)送受端的負(fù)荷水平、風(fēng)光預(yù)測、火電機(jī)組投運(yùn)情況等信息，針對送端源網(wǎng)側(cè)靈活性調(diào)峰資源進(jìn)行調(diào)度計劃的制定，并對外送功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，保障電網(wǎng)安全性。三是開創(chuàng)新能源強(qiáng)制替代機(jī)制，當(dāng)新能源面臨棄電風(fēng)險時，由新能源發(fā)電強(qiáng)制替代捆綁外送的火電并通過發(fā)電權(quán)交易方式給予一定補(bǔ)償。
4.2 “荷”端調(diào)峰資源互動機(jī)制
目前西北地區(qū)用戶側(cè)調(diào)峰市場調(diào)峰響應(yīng)項目尚處于試點(diǎn)階段。建立符合西北地區(qū)實(shí)際調(diào)峰需求的用戶側(cè)調(diào)峰價格機(jī)制及調(diào)度模式，對聚合西北地區(qū)中小用戶側(cè)參與調(diào)峰市場具有重要意義。
首先，基于西北地區(qū)用戶類型（大工業(yè)、商業(yè)、居民），統(tǒng)計可調(diào)峰用戶可控靈活性資源的響應(yīng)容量、響應(yīng)模式、響應(yīng)成本及預(yù)期響應(yīng)價格等，并基于不同用戶調(diào)峰特征對不同屬性用戶進(jìn)行分類測算及調(diào)峰運(yùn)行建模，量化不同類型用戶調(diào)峰運(yùn)行模式與響應(yīng)邊界，分析不同用戶調(diào)峰價格彈性及響應(yīng)可靠性，實(shí)現(xiàn)對用戶側(cè)負(fù)荷調(diào)峰能力與控制特征的精準(zhǔn)把握。進(jìn)一步表征負(fù)荷側(cè)調(diào)峰資源聚合調(diào)節(jié)效應(yīng)，明確不同區(qū)域用戶群體調(diào)峰響應(yīng)特性的動態(tài)邊界條件，分析多時間尺度多運(yùn)行場景下西北地區(qū)用戶側(cè)聚合響應(yīng)能力。其次，基于各類負(fù)荷側(cè)調(diào)峰資源響應(yīng)模型，在政策引導(dǎo)下，有步驟、分重點(diǎn)建立用戶側(cè)調(diào)峰響應(yīng)市場，制定適應(yīng)用戶側(cè)柔性調(diào)度的激勵價格機(jī)制，電價與激勵要突出需求側(cè)靈活響應(yīng)資源的時間、地點(diǎn)與類型價值?；跉v史用能數(shù)據(jù)核實(shí)用戶的負(fù)荷基線后，根據(jù)用戶響應(yīng)的準(zhǔn)確性、實(shí)時性、有效性等響應(yīng)指標(biāo)給予用戶合理的補(bǔ)償，以價格杠桿實(shí)現(xiàn)對區(qū)域用戶柔性調(diào)度與協(xié)同控制，引導(dǎo)“負(fù)荷動態(tài)追蹤新能源發(fā)電”。
4.3 “網(wǎng)”側(cè)市場化跨省調(diào)峰機(jī)制
在新能源高占比接入背景下，不同區(qū)域、不同省份電網(wǎng)管轄范圍內(nèi)的新能源資源、調(diào)峰資源具備一定程度的互補(bǔ)性。傳統(tǒng)電網(wǎng)各區(qū)域調(diào)度獨(dú)立留取各省備用，未考慮不同省份的新能源資源互補(bǔ)特性及跨區(qū)直流對電網(wǎng)側(cè)的調(diào)節(jié)能力，建立合理的跨區(qū)跨省調(diào)峰交易機(jī)制有助于提高電網(wǎng)互聯(lián)互通水平，實(shí)現(xiàn)資源的合理分配。
2019年西北電網(wǎng)能源結(jié)構(gòu)分布如圖6所示，各省間不同類型新能源分布不均，且西北電網(wǎng)省間錯峰效應(yīng)明顯?？紤]到西北各省間通道均由4~6回750 kV線路組成，具備較強(qiáng)的省間支援能力，可按照一定的補(bǔ)償和分?jǐn)倷C(jī)制實(shí)現(xiàn)西北調(diào)度下統(tǒng)一的跨省調(diào)峰資源共享。
圖6 西北全網(wǎng)能源分布概況
Fig.6 The distribution situation of energy in Northwest China grid
此外，基于新能源資源及發(fā)電分布特性，西北電網(wǎng)可將區(qū)域內(nèi)調(diào)峰資源備用共享機(jī)制推展到跨區(qū)層面?；谳^成熟的區(qū)域調(diào)峰輔助市場平臺，在省間通道存在空間的條件下，與其余區(qū)域電網(wǎng)（如華南、華北、東北區(qū)域電網(wǎng)）開展跨省跨區(qū)日內(nèi)調(diào)峰交易。借助現(xiàn)階段區(qū)域調(diào)峰交易平臺，利用市場競價或雙邊協(xié)商的模式，引導(dǎo)西北地區(qū)新能源在電力富余時段利用較低的電價達(dá)成外送交易，實(shí)現(xiàn)區(qū)域電網(wǎng)之間的優(yōu)勢互補(bǔ)，達(dá)到提高互聯(lián)電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性及新能源消納能力、降低系統(tǒng)峰谷差的調(diào)度目標(biāo)。
4.4 “源網(wǎng)荷”聯(lián)動的統(tǒng)一調(diào)峰市場出清及電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)調(diào)度
源、荷兩側(cè)調(diào)峰資源具有時變性、隨機(jī)性且響應(yīng)不確定性，且區(qū)域調(diào)峰市場的成功推進(jìn)發(fā)展促使“源荷”聯(lián)動調(diào)峰機(jī)制呈現(xiàn)出主體多元化、交易品種多樣化、決策分散化、調(diào)峰交易即時化的特征，傳統(tǒng)調(diào)度模型與計算方式難以保證源荷分布式資源的協(xié)同優(yōu)化、強(qiáng)不確定性環(huán)境下電網(wǎng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。
建立考慮源荷聯(lián)動的雙邊撮合、集中競價調(diào)峰交易平臺，設(shè)計并校驗(yàn)考慮電網(wǎng)安全運(yùn)行的源荷側(cè)聯(lián)動調(diào)峰集中式統(tǒng)一出清模型，計算并分析包括聯(lián)動調(diào)峰開放規(guī)模、新能源預(yù)測準(zhǔn)確度、源荷兩側(cè)參與主體報價方式、電網(wǎng)安全運(yùn)行約束等因素對聯(lián)動調(diào)峰機(jī)制的影響。計算源荷側(cè)聯(lián)動調(diào)峰機(jī)制下電網(wǎng)的動態(tài)邊際成本，計算整體調(diào)峰需求下源荷側(cè)不同聯(lián)動調(diào)峰方案的經(jīng)濟(jì)性、安全性及其優(yōu)化調(diào)整空間，實(shí)現(xiàn)“源側(cè)調(diào)峰需求-荷側(cè)響應(yīng)資源-網(wǎng)側(cè)經(jīng)濟(jì)安全運(yùn)行”的最優(yōu)協(xié)同。
5 結(jié)語
西北地區(qū)電力調(diào)峰輔助服務(wù)市場正在探索階段，未來高比例新能源接入對完善的電網(wǎng)輔助服務(wù)機(jī)制、多元化的交易品種、靈活的交易模式提出了更迫切的需求。完善的調(diào)峰輔助服務(wù)機(jī)制是西北電力市場建設(shè)與電網(wǎng)柔性調(diào)度工作中的重要環(huán)節(jié)，本文歸納并總結(jié)了現(xiàn)階段國內(nèi)外面向高比例可再生能源“源網(wǎng)荷”靈活互動的市場框架，針對西北地區(qū)現(xiàn)階段調(diào)峰市場的不足與障礙，提出了適宜西北地區(qū)負(fù)荷特性及新能源消納需求的“源網(wǎng)荷”聯(lián)動柔性調(diào)度模式及交易機(jī)制，為源荷多市場主體提供多元化的市場選擇與空間，充分調(diào)動靈活性調(diào)峰資源的潛力，保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行、資源的統(tǒng)籌配置并提升新能源的消納能力。
此外，調(diào)峰輔助服務(wù)不僅僅是市場建設(shè)及電網(wǎng)運(yùn)行調(diào)度問題，還與網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、外送能力等硬件基礎(chǔ)設(shè)施緊密相關(guān)。隨著西北區(qū)域內(nèi)新能源的規(guī)模發(fā)展，如何構(gòu)建與西北新能源消納相匹配的堅強(qiáng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)也是關(guān)鍵一環(huán)，亟待后續(xù)研究探索。
