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引言
新型電力系統(tǒng)建設(shè)背景下，新能源發(fā)電出力具有波動(dòng)性高、不確定性高的特征，其通過電力電子裝置并網(wǎng)也將導(dǎo)致電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量減少，這些都對新型電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、可靠性提出了挑戰(zhàn)。國家能源局于2021年底印發(fā)《電力輔助服務(wù)管理辦法》，提出了爬坡、快速頻率響應(yīng)、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等新型輔助服務(wù)，以應(yīng)對新能源出力波動(dòng)、風(fēng)光等弱慣量系統(tǒng)對電網(wǎng)運(yùn)行造成的影響。在國外成熟電力市場中，隨著新能源占比逐步提高，新型輔助服務(wù)交易品種也逐步被納入電力市場體系，以體現(xiàn)系統(tǒng)靈活性資源的調(diào)節(jié)價(jià)值。
本系列文章將結(jié)合國外新型輔助服務(wù)市場建設(shè)情況，闡述交易基本原理，并提出我國新型輔助服務(wù)市場的建設(shè)建議。
1.爬坡輔助服務(wù)產(chǎn)品概述
根據(jù)國家能源局《電力輔助服務(wù)管理辦法》，爬坡是指為應(yīng)對可再生能源發(fā)電波動(dòng)等不確定因素帶來的系統(tǒng)凈負(fù)荷短時(shí)大幅變化，具備較強(qiáng)負(fù)荷調(diào)節(jié)速率的并網(wǎng)主體根據(jù)調(diào)度指令調(diào)整出力，以維持系統(tǒng)功率平衡所提供的服務(wù)。當(dāng)系統(tǒng)上爬坡能力不足，系統(tǒng)存在供應(yīng)不足限電風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)系統(tǒng)下爬坡能力不足，系統(tǒng)存在供應(yīng)過剩棄電風(fēng)險(xiǎn)。因此，在現(xiàn)貨市場出清（或發(fā)電計(jì)劃安排）過程中，需要在各時(shí)段預(yù)留足夠的爬坡能力。
目前美國中西部電力市場（MISO）、加州電力市場（CAISO）和英國國家電力市場已通過市場化方式進(jìn)行爬坡產(chǎn)品采購。
2.國外電力市場中爬坡輔助服務(wù)
交易機(jī)制
2.1
美國MISO/CAISO
2016年，MISO和CAISO的可再生能源裝機(jī)占比分別達(dá)到了11.6%和40.5%，發(fā)電占比分別為6.9%和20.9%。同年，兩個(gè)市場運(yùn)營機(jī)構(gòu)均建立了爬坡市場。功能上，爬坡產(chǎn)品隸屬于運(yùn)行備用范疇，與其他輔助服務(wù)的關(guān)系如圖1所示。事故備用通常在出現(xiàn)概率低但影響重大的突發(fā)情況下被調(diào)用，而調(diào)頻和爬坡在正常運(yùn)行狀態(tài)下被連續(xù)的調(diào)用。調(diào)頻資源通過AGC跟蹤響應(yīng)實(shí)時(shí)偏差，而爬坡資源在5-15min內(nèi)根據(jù)調(diào)度指令進(jìn)行出力，兩者在響應(yīng)時(shí)間、作用方式上存在不同。
▲圖1 MISO/CAISO運(yùn)行備用分類
爬坡產(chǎn)品的市場組織流程如圖2所示。由于爬坡產(chǎn)品的成本是爬坡資源為了預(yù)留爬坡容量而在電能量市場中損失的機(jī)會(huì)成本，且MISO/CAISO的電能量市場和輔助服務(wù)市場是聯(lián)合出清的，因此爬坡資源無須單獨(dú)報(bào)價(jià)，根據(jù)電能量市場中的機(jī)會(huì)成本定價(jià)即可。
▲圖2 爬坡產(chǎn)品市場組織流程
（1）各時(shí)段系統(tǒng)爬坡需求計(jì)算
系統(tǒng)爬坡需求的計(jì)算方法如圖3所示，根據(jù)凈負(fù)荷在相鄰兩個(gè)時(shí)段預(yù)測的變化量（t1-t2對應(yīng)的黑色曲線變動(dòng)）和預(yù)測的不確定性（t2時(shí)刻對應(yīng)的藍(lán)色區(qū)域上下限），可以確定每一時(shí)段的系統(tǒng)上爬坡和下爬坡需求量。
▲圖3系統(tǒng)爬坡需求計(jì)算示意圖
（2）爬坡效益曲線
理論上，機(jī)組預(yù)留的爬坡容量越多，越有利于應(yīng)對凈負(fù)荷波動(dòng)的不確定性。然而從經(jīng)濟(jì)效益上考慮，預(yù)留爬坡容量過多可能會(huì)導(dǎo)致能量報(bào)價(jià)低的機(jī)組發(fā)電容量被預(yù)留，需要調(diào)用報(bào)價(jià)高的機(jī)組來滿足負(fù)荷平衡，使得整體購電成本增大。
為了在出清模型中綜合考慮爬坡產(chǎn)品帶來的效益和系統(tǒng)發(fā)電成本，CAISO根據(jù)凈負(fù)荷波動(dòng)的概率和失負(fù)荷價(jià)值提出了分段爬坡效益曲線，如圖4所示。系統(tǒng)出現(xiàn)0-R1的凈負(fù)荷較小幅度波動(dòng)的可能性較大，因此預(yù)留的爬坡容量效益也較高。隨著系統(tǒng)預(yù)留的爬坡容量增大，其可以應(yīng)對的凈負(fù)荷大幅波動(dòng)概率也降低，因此產(chǎn)生的效益逐漸減小。
▲圖4 CAISO分段爬坡效益曲線示意圖
（3）電力現(xiàn)貨市場出清
電力現(xiàn)貨市場出清的目標(biāo)函數(shù)中考慮爬坡產(chǎn)品的效益，即：
Min（系統(tǒng)發(fā)電成本-系統(tǒng)爬坡效益）
其中，系統(tǒng)爬坡效益是圖4中的爬坡效益曲線對系統(tǒng)預(yù)留爬坡能力的積分，系統(tǒng)預(yù)留的爬坡能力即所有機(jī)組預(yù)留的爬坡容量之和。
同時(shí)，出清約束中應(yīng)添加系統(tǒng)上/下爬坡需求約束，即：
所有機(jī)組上/下爬坡預(yù)留容量之和>=系統(tǒng)上/下爬坡需求量
系統(tǒng)的上/下爬坡需求約束所對應(yīng)的影子價(jià)格分別為上/下爬坡產(chǎn)品的出清價(jià)格。
（4）爬坡費(fèi)用結(jié)算和分?jǐn)?
爬坡產(chǎn)品結(jié)算按照日前和實(shí)時(shí)進(jìn)行兩部制偏差結(jié)算：日前按（機(jī)組日前出清的爬坡容量*日前爬坡產(chǎn)品價(jià)格）結(jié)算；實(shí)時(shí)按（機(jī)組實(shí)時(shí)和日前出清爬坡容量的偏差*實(shí)時(shí)爬坡產(chǎn)品出清價(jià)格）結(jié)算。MISO根據(jù)“誰受益，誰承擔(dān)”原則將爬坡費(fèi)用在負(fù)荷和外送電之間分?jǐn)偅c事故備用費(fèi)用的分?jǐn)偡椒ㄒ恢?。CAISO將爬坡費(fèi)用在發(fā)用電兩側(cè)共同分?jǐn)偂?
2.2
英國電力市場
英國國家電網(wǎng)（NatioanalGrid ESO, NGESO）通過提供平衡服務(wù)來保障電網(wǎng)的實(shí)時(shí)供需平衡。平衡服務(wù)包括了頻率響應(yīng)、備用、無功調(diào)節(jié)等?？焖賯溆?FastReserve,FR)作為備用的一種，其發(fā)揮的作用與MISO/CAISO中爬坡輔助服務(wù)的作用類似，采用月度競價(jià)的方式進(jìn)行采購，中標(biāo)資源在全天任一時(shí)段均可能被調(diào)用，且必須在接收調(diào)度指令后2min內(nèi)提供爬坡速率大于25MW/min的響應(yīng)能力。
（1）FR投標(biāo)
并網(wǎng)機(jī)組、儲(chǔ)能和需求響應(yīng)資源均可以在通過資格審核并簽署服務(wù)協(xié)議后成為FR資源。NGESO在競價(jià)月的前一個(gè)月發(fā)布FR需求，F(xiàn)R資源必須在競價(jià)月的第一個(gè)工作日投標(biāo)，以參與后續(xù)一個(gè)月的FR服務(wù)。FR資源的投標(biāo)需求包括以下信息：
可調(diào)用容量（MW）：可被調(diào)用的最大FR容量
可提供FR的運(yùn)行日和時(shí)間：每個(gè)月分為工作日、周六、周日和節(jié)假日，每天有兩個(gè)時(shí)間窗口可以選擇。
可用價(jià)格（￡/hour）：可提供FR的時(shí)間所對應(yīng)的價(jià)格
調(diào)用價(jià)格（￡/hour）：FR被調(diào)用時(shí)對應(yīng)的價(jià)格
（2）FR中標(biāo)
NGESO會(huì)計(jì)算每個(gè)投標(biāo)的成交量加權(quán)可用價(jià)格（VWAP,￡/MWh）：
VWAP=FR投標(biāo)的可用價(jià)格/可調(diào)用容量
然后，根據(jù)可以增加或減少投標(biāo)效益的因素對VWAP進(jìn)行調(diào)整，以產(chǎn)生最終可用價(jià)格（AAP，￡/MWh）。其中，考慮的效益因素包括：投標(biāo)FR資源所在位置是否有約束限制，是否存在通過FR投標(biāo)過度持留容量的投機(jī)行為等。
最后，所有投標(biāo)資源將按照AAP從最低到最高進(jìn)行排序，直至滿足FR需求量。如果NGESO認(rèn)為滿足系統(tǒng)全部FR需求量的成本過高，可能會(huì)拒絕AAP價(jià)格與滿足系統(tǒng)全部FR需求的平均價(jià)格有明顯差異的投標(biāo)，以保障市場能反映真實(shí)成本。
根據(jù)中標(biāo)情況，調(diào)度員在實(shí)時(shí)運(yùn)行過程中根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際需求下達(dá)FR調(diào)用指令，F(xiàn)R中標(biāo)資源在接受指令后2min內(nèi)進(jìn)行響應(yīng)。
（3）FR結(jié)算
FR資源的結(jié)算包括三種費(fèi)用：可用費(fèi)用（￡/hour）、調(diào)用費(fèi)用（￡/hour）和能量費(fèi)用（￡/MWh）。其中，可用費(fèi)用補(bǔ)償FR資源投標(biāo)時(shí)可提供FR的時(shí)長，調(diào)用費(fèi)用補(bǔ)償FR資源被調(diào)用的時(shí)長，能量費(fèi)用補(bǔ)償FR資源被調(diào)用后提供的電能量。英國國家電網(wǎng)作為平衡服務(wù)的購買方，支付FR費(fèi)用給相關(guān)資源，并根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況從發(fā)電機(jī)組和負(fù)荷收取按日收取平衡費(fèi)用。
3. 對我國建設(shè)爬坡市場的建議
從國外爬坡市場運(yùn)行效果來看，一方面，市場釋放的價(jià)格信號能充分體現(xiàn)靈活性資源價(jià)值，為靈活性資源的投資發(fā)展提供激勵(lì)；另一方面，爬坡容量的預(yù)留雖然會(huì)導(dǎo)致電能量市場部分時(shí)段電價(jià)有所升高，但卻有效降低了電能量市場中價(jià)格尖峰出現(xiàn)的頻率，整體來看爬坡市場的開展能有效降低電能量價(jià)格大幅度波動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。開展爬坡市場交易，能充分調(diào)動(dòng)各類資源的靈活性，符合我國加快構(gòu)建功能更強(qiáng)大、運(yùn)行更靈活、更具有韌性的“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”互動(dòng)的新型電力系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)。
我國各省電力市場改革進(jìn)展不同，在非現(xiàn)貨試點(diǎn)或起步階段的現(xiàn)貨省份可參考英國中長期合約的機(jī)制，通過獨(dú)立運(yùn)行的爬坡市場購買爬坡資源，在實(shí)時(shí)調(diào)用后按照合約價(jià)格進(jìn)行補(bǔ)償。在已具備一定運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的現(xiàn)貨省份可以參考MISO/CAISO電力市場，采用現(xiàn)貨市場中電能量-爬坡產(chǎn)品聯(lián)合出清的方式，發(fā)現(xiàn)爬坡能力的真實(shí)成本及價(jià)值。
在電能量-爬坡聯(lián)合出清的現(xiàn)貨市場中，爬坡效益曲線不僅影響到爬坡市場出清的量價(jià)，還直接影響到現(xiàn)貨電能量市場出清的價(jià)格及市場主體需承擔(dān)的成本。初期為簡單起步，可在出清模型目標(biāo)函數(shù)中不考慮爬坡效益，僅在約束條件中增加系統(tǒng)爬坡需求約束，并按照該約束的影子價(jià)格補(bǔ)償爬坡資源的機(jī)會(huì)成本。市場運(yùn)行成熟后，可以根據(jù)系統(tǒng)凈負(fù)荷的不確定性以及失負(fù)荷成本/棄電成本的測算結(jié)果，合理制定爬坡效益曲線并用于出清。
爬坡服務(wù)本質(zhì)上屬于運(yùn)行備用的范疇，解決的是分鐘級別的凈負(fù)荷波動(dòng)問題，功能上應(yīng)歸屬于負(fù)荷備用。在爬坡市場設(shè)計(jì)過程中，一是建議進(jìn)一步細(xì)化運(yùn)行備用管理，根據(jù)機(jī)組調(diào)節(jié)速率、網(wǎng)絡(luò)阻塞等情況精細(xì)化考慮機(jī)組能提供的有效備用容量；二是建議避免輔助服務(wù)市場功能重疊，爬坡市場運(yùn)行后，備用市場應(yīng)側(cè)重于事故備用交易；三是建議逐步擴(kuò)大爬坡市場參與主體范圍，除傳統(tǒng)機(jī)組外，逐步引入獨(dú)立儲(chǔ)能、靈活性負(fù)荷等參與爬坡市場交易；四是建議建立合理的費(fèi)用分?jǐn)倷C(jī)制，根據(jù)不同類型電源出力、不同用戶負(fù)荷造成的波動(dòng)性，對爬坡市場費(fèi)用進(jìn)行精細(xì)化分?jǐn)偂?
