建設(shè)多層次電力市場機制
促進西北新能源高比例發(fā)展
李更豐 黃少中 王萬興 劉明明
李更豐系西安交通大學(xué)副教授
黃少中系中國能源研究會碳中和產(chǎn)業(yè)合作中心主任
王萬興系自然資源保護協(xié)會清潔電力高級顧問
劉明明系自然資源保護協(xié)會清潔電力副主任
截至2021年底，西北電網(wǎng)新能源發(fā)電出力占比最高值為43.80%，占用電負荷的最高比例為56.60%，處于全國前列。預(yù)計2022年西北新能源裝機將超火電，西北電網(wǎng)也將成全國首個新能源裝機超火電的區(qū)域電網(wǎng)。為落實“雙碳”目標，西北正迎來又一輪新能源高速發(fā)展。在確保電力供應(yīng)的前提下，探索以最低成本消納新能源的解決方案，對西北電網(wǎng)具有重要意義。
通過建立電能量市場、輔助服務(wù)市場、容量市場相互融合，市場主體之間、“全國—區(qū)域—省級”市場之間有序銜接的市場架構(gòu)，形成競爭充分、開放有序、高效運行、健康發(fā)展的市場體系，促進資源優(yōu)化配置，最大程度支撐西北新能源高比例發(fā)展。
一、西北新能源發(fā)展概況
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近年來，西北風(fēng)、光等新能源實現(xiàn)了跨越式發(fā)展，連續(xù)五年“雙升雙降”：裝機容量和發(fā)電量提升，棄風(fēng)和棄光率下降。
1、西北新能源裝機規(guī)模
近年來，西北新能源裝機快速增長。2019年以來，當(dāng)?shù)匦履茉囱b機占比保持約4%的年均增速；2021年達到 1.43億千瓦，占比42%，其中風(fēng)電7634萬千瓦、光伏6640萬千瓦，成第二三大電源類型；預(yù)計2022年新能源裝機將達1.8億千瓦，超過火電成，第一大電源。見圖1。
圖1 西北近五年新能源裝機占比變化趨勢
2021年，除裝機規(guī)模外，西北新能源發(fā)電量與峰值出力也同步提升。如圖2、圖3所示，發(fā)電量方面，全年達2276.2億千瓦時，同比增長34.5%；占總發(fā)電量的21.18%，已超過歐盟同期水平。峰值出力方面，截至2022年3月，單日發(fā)電量最大值突破10億千瓦時，達10.7億千瓦時，最大占比35.1%；最大出力6370萬千瓦，占比48.0%。
圖2 2021年西北新能源裝機及發(fā)電量占比
圖3 西北新能源最大出力及最大日發(fā)電量情況（截至2022年3月）
2、西北新能源高質(zhì)量發(fā)展成果
自2016年以來，西北電網(wǎng)多措并舉清潔轉(zhuǎn)型，助推新能源高質(zhì)量發(fā)展，取得階段性成績。具體概括為三點：
（1）系統(tǒng)新能源承載能力不斷提升。通過網(wǎng)架補強、合理調(diào)度直流及其配套電源等方式，改善系統(tǒng)交直流耦合特性；通過優(yōu)化調(diào)度手段提升電網(wǎng)平衡安全保障能力，提升同等條件下系統(tǒng)對新能源接入的安全支撐能力。
（2）系統(tǒng)安全性與穩(wěn)定性不斷提升。一方面推進新能源完成耐壓改造，推動新能源從并網(wǎng)向組網(wǎng)發(fā)展；另一方面通過加裝儲能、調(diào)相機等設(shè)備保障系統(tǒng)穩(wěn)定安全運行。
（3）系統(tǒng)新能源消納水平不斷提升。2021年新能源利用率94.6%，與上年基本持平。其中，棄風(fēng)率5.5%、棄光率5.1%，自2016年起，實現(xiàn)棄風(fēng)棄光率“五連降”、利用率“五連升”。
圖4 西北電網(wǎng)棄風(fēng)棄光率變化情況（2016~2022）
二、西北新能源發(fā)展面臨問題和挑戰(zhàn)
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1、“雙碳”目標下西北新能源的發(fā)展前景
西北風(fēng)能可開發(fā)量占全國陸上的1/3，太陽能可開發(fā)量占全國的59%，新能源可開發(fā)量高達19億千瓦。
圖5 西北新能源裝機及占比變化趨勢
預(yù)計至2025年，西北新能源裝機將超2億千瓦，占比將超50%，電力系統(tǒng)將先于社會面實現(xiàn)碳達峰；2030年新能源裝機將超3.5億千瓦。根據(jù)現(xiàn)有增速推測，預(yù)計到2025年新能源發(fā)電量占比超過1/4，到2030年超過1/3，并于2045年達到1/2，實現(xiàn)占比“三步走”。
2、“雙碳”目標下西北新能源發(fā)展的新挑戰(zhàn)
隨著新能源占比不斷提高，西北電力系統(tǒng)面臨一系列新挑戰(zhàn)，主要包括五點：
（1）系統(tǒng)同時面臨上平衡與下調(diào)峰問題。從中長期角度看，冬夏新能源出力小、負荷大，春秋新能源出力大、負荷小。從日內(nèi)角度看，腰荷時分光伏出力大，超過負荷與直流調(diào)峰之和，系統(tǒng)向下備用不足，棄電問題嚴重；早晚高峰光伏出力不足，向上備用不足問題凸顯。
（2）新能源發(fā)電不確定性增加。當(dāng)新能源規(guī)模達到千萬千瓦級乃至億千瓦級時，其出力波動就會達到百萬千瓦至千萬千瓦，且波動速率快，往往在數(shù)分鐘乃至分鐘級內(nèi)出現(xiàn)10%左右的出力波動，對系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行帶來巨大挑戰(zhàn)。
（3）市場結(jié)構(gòu)與市場機制不完善。西北基本采用無法精確分割的物理電量交易，針對中長期交易的安全校核機制有待完善與提高，導(dǎo)致合同執(zhí)行與安全運行矛盾突顯，急需完善和優(yōu)化交易機制，充分發(fā)揮電力市場的靈活性。
（4）交易主體性質(zhì)復(fù)雜、互有包含。西北擁有較多的市場主體，既有以新能源、火電為代表的傳統(tǒng)市場主體，又有諸如需求側(cè)響應(yīng)、儲能、自備電廠等新型主體，多元復(fù)雜，為電力市場建設(shè)帶來巨大挑戰(zhàn)。
（5）外送交易進展緩慢。從在運通道運行情況看，跨區(qū)通道的運營效率效益有待提高。2021年，西北直流外送2815億千瓦時，而外送能力為7071萬千瓦，通道利用小時數(shù)僅為3981.05。
三、促進西北新能源發(fā)展的市場機制設(shè)計
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實踐證明，市場機制是降低新能源大規(guī)模開發(fā)成本的有效方案。需要根據(jù)西北的地域特點，對現(xiàn)有市場機制進行升級與優(yōu)化，構(gòu)造一套面向新能源高比例發(fā)展的市場機制。通過“現(xiàn)貨+輔助服務(wù)+容量”的系統(tǒng)性市場結(jié)構(gòu)，形成以現(xiàn)貨市場為基礎(chǔ)、輔助服務(wù)市場為支撐、容量市場為保障的市場合力，通過市場化手段解決新能源高比例接入難題。
1、現(xiàn)貨市場機制設(shè)計
區(qū)域現(xiàn)貨市場有利于促進電量交易充分競爭，實現(xiàn)在更大范圍的資源互補與優(yōu)化配置。西北在跨區(qū)、跨省及省內(nèi)交易等方面積累有一定的經(jīng)驗。然而，西北市場仍處于初級階段，其中甘肅作為國內(nèi)首批電力現(xiàn)貨市場建設(shè)試點之一，在起步階段建立了考慮新能源參與的發(fā)電側(cè)單邊現(xiàn)貨市場機制。由于該模式下價格無法傳導(dǎo)至用戶側(cè)，一定程度上制約了新能源消納。本文針對西北現(xiàn)貨市場存在的問題，提出“分段建設(shè)、有序發(fā)展、促進消納、規(guī)范監(jiān)管”的總體建設(shè)思路。
為避免出現(xiàn)價格波動、電網(wǎng)安全運行和用戶安全用電風(fēng)險，建議在確保供需平衡和電網(wǎng)安全的基礎(chǔ)上，分兩個階段開展現(xiàn)貨市場建設(shè)。
圖6 西北現(xiàn)貨市場組織模式及階段路線圖
第一階段：部分電量競價的分散式市場。在中長期交易市場中，以雙邊協(xié)商、掛牌、集中競價的形式開展交易，簽訂物理合約，偏差電量通過現(xiàn)貨市場的日前、日內(nèi)和實時交易進行調(diào)節(jié)。初步開展分區(qū)電價機制，建立與現(xiàn)貨市場相協(xié)調(diào)的中長期交易機制、調(diào)峰輔助服務(wù)市場機制，實現(xiàn)與全國統(tǒng)一電力市場的有效銜接。建立區(qū)域調(diào)度與交易機構(gòu)的協(xié)調(diào)運作機制，完善監(jiān)管和配套機制。
第二階段：全電量競價的集中式市場。中長期以金融合同（差價合約）為基礎(chǔ)，現(xiàn)貨市場實現(xiàn)全電量競價；健全中長期交易、輔助服務(wù)交易等市場機制，逐步探索開展金融輸電權(quán)、電力期貨和衍生品等交易；完善輔助服務(wù)交易品種，開展有償調(diào)峰、有償調(diào)頻、黑啟動、有償無功補償?shù)?，適時開展容量市場建設(shè)。進一步完善分區(qū)電價機制和阻塞管理機制，推動形成完善市場監(jiān)管配套機制。
考慮西北地區(qū)發(fā)電側(cè)產(chǎn)業(yè)集中度較高，并且市場意識較差，因此還需要配套建立西北區(qū)域電力現(xiàn)貨市場監(jiān)管機制，對市場主體、電網(wǎng)企業(yè)和運營機構(gòu)進行監(jiān)督管理。在組織體系方面，需要建立分級分層監(jiān)管的組織體系，包括國家、區(qū)域、省級、省以下四個監(jiān)管機構(gòu)層次，明確各自職能，加強合作，避免職能交叉和缺失。在監(jiān)管機制方面，需要建立包括市場力管理機制、信用管理機制以及信息披露機制在內(nèi)的完整市場化行為監(jiān)管機制。此外，還需要開展常規(guī)監(jiān)管，包括電能質(zhì)量監(jiān)管、調(diào)度交易監(jiān)管、安全監(jiān)管以及針對市場干預(yù)和應(yīng)急處理的監(jiān)管與協(xié)助工作。
2、輔助服務(wù)市場機制設(shè)計
輔助服務(wù)包括調(diào)峰、備用、黑啟動等多種服務(wù)品種。西北地區(qū)是典型的送端電網(wǎng)，調(diào)峰輔助服務(wù)是主要輔助服務(wù)品種，主要用以平抑新能源的波動性，挖掘傳統(tǒng)機組的下調(diào)空間。目前，西北已建成一個區(qū)域和五個省級調(diào)峰市場，輔助服務(wù)市場體系初步形成。但是仍存在市場體系建設(shè)不完善、市場活力有待進一步激發(fā)等諸多問題。本文針對西北輔助服務(wù)市場現(xiàn)存問題，提出“分段建設(shè)、合理分攤、協(xié)調(diào)發(fā)展、全面評價”的總體建設(shè)思路。
考慮到輔助服務(wù)市場與現(xiàn)貨市場極強的相關(guān)性；西北電力輔助服務(wù)市場在充分考慮現(xiàn)有市場體系的情況下，采取與現(xiàn)貨市場建設(shè)相適應(yīng)的建設(shè)模式，分兩階段開展輔助服務(wù)市場建設(shè)。
圖7 西北電力輔助服務(wù)市場建設(shè)階段圖
（1）初級階段：以調(diào)峰輔助服務(wù)為核心，釋放新能源消納空間
考慮到目前西北市場仍不成熟，只有部分電量參與現(xiàn)貨市場，在市場初期優(yōu)先推進調(diào)峰輔助服務(wù)市場建設(shè)，激活火電靈活性改造的動力，促進區(qū)域內(nèi)調(diào)峰資源的優(yōu)化配置，實現(xiàn)新能源的“減棄增發(fā)”。調(diào)峰輔助服務(wù)市場與現(xiàn)貨市場同步開展，并與電能量聯(lián)合出清，調(diào)頻輔助服務(wù)根據(jù)后期需要可在日前機組組合確定后開展，備用、無功調(diào)節(jié)、黑啟動等輔助服務(wù)優(yōu)先在中長期市場開展。
（2）成熟階段：促進調(diào)峰與現(xiàn)貨市場融合，優(yōu)化交易品種
隨著現(xiàn)貨市場逐步成熟（現(xiàn)貨市場建設(shè)進入第二階段），火電機組靈活性改造全面完成時，推動區(qū)域調(diào)峰輔助服務(wù)市場與區(qū)域現(xiàn)貨市場融合，調(diào)峰輔助服務(wù)逐漸退出，利用實時電能量價格引導(dǎo)機組參與深度調(diào)峰。并將需求側(cè)資源逐步納入輔助服務(wù)市場，激勵用戶側(cè)優(yōu)化負荷曲線。同時，隨著輔助服務(wù)市場的逐步成熟，對各類輔助服務(wù)資源性能差異實施分等級管理，凸顯優(yōu)質(zhì)資源的稀缺性。
電力市場及輔助服務(wù)市場的運行效果及市場規(guī)則制定的有效性，需要一套科學(xué)、合理的定量和定性相結(jié)合的市場評價體系來分析。
首先，需要根據(jù)現(xiàn)階段市場建設(shè)情況和進一步建設(shè)目標，確立評價主題。依據(jù)西北輔助服務(wù)市場的現(xiàn)階段建設(shè)情況，確立評價主題為：西北輔助服務(wù)市場顯著提升新能源利用水平；可以在更大范圍內(nèi)實現(xiàn)資源優(yōu)化配置，有利于降低調(diào)峰成本。
其次，需要依據(jù)科學(xué)原則建立評價指標體系。選一級指標設(shè)置為市場結(jié)構(gòu)、市場供需、市場表現(xiàn)、市場行為、市場發(fā)展和市場風(fēng)險六個方面；再依據(jù)西北輔助服務(wù)市場的發(fā)展情況，設(shè)置特色指標以體現(xiàn)跨省資源配置、細化供需關(guān)系等評價主題?，F(xiàn)階段指標體系如下圖。
圖8 西北調(diào)峰市場評價指標體系
最后，依據(jù)指標體系特點和評價對象特點確立綜合評價方法。將層次分析法與模糊綜合評價相結(jié)合，構(gòu)建多層次模糊綜合評價模型對市場進行綜合評價。通過層次分析法確定頂層市場對象評分。其中，部分具有模糊性或定性的指標通過模糊綜合評價方法進行綜合評價。
3、容量市場機制設(shè)計
容量市場包括可靠性容量市場與靈活性容量市場。其中，可靠性容量市場可以在中長期時段內(nèi)保障電力市場資源充裕度；而靈活性容量市場則可以激勵傳統(tǒng)機組的靈活性改造以及靈活性資源的投資建設(shè)。目前西北市場體系尚未完全建立，暫未開啟容量市場的相關(guān)建設(shè)。本文針對西北容量市場，提出“分段建設(shè)、雙軌發(fā)展、合理規(guī)劃、拓展主體”的總體建設(shè)思路。
考慮到西北市場的現(xiàn)有建設(shè)基礎(chǔ)，應(yīng)當(dāng)分階段完善具有西北特色的“可靠性+靈活性”雙軌運行制容量市場。
在容量市場建設(shè)的初級階段，應(yīng)當(dāng)對高可靠性機組和高靈活性機組提供固定容量補貼，初步建立容量市場制度，激勵高可靠性機組和高靈活性機組的投資。
在容量市場建設(shè)的成熟階段，針對電力系統(tǒng)的不同需求，同時設(shè)立可靠性容量市場與靈活性容量市場，具體市場機制如下：
（1）可靠性容量市場：市場組織者根據(jù)未來西北區(qū)域可靠性要求構(gòu)建可靠性需求曲線，曲線形狀如圖9中紅線所示；根據(jù)各機組上報容量與價格，形成可靠性容量報價曲線，如圖中藍線所示。市場組織者組織容量市場統(tǒng)一拍賣，集中出清，以報價曲線與可靠性容量需求曲線的交點為可靠性容量市場均衡點，并以此為邊際價格進行結(jié)算。
圖9 可靠性需求曲線與可靠性容量報價曲線
（2）靈活性容量市場：靈活性容量市場中的“容量”指的是發(fā)電資源的調(diào)節(jié)能力。針對相應(yīng)機組從上爬坡能力、下爬坡能力、調(diào)節(jié)速率等多個維度核定靈活性調(diào)節(jié)能力占比，確定報價主體的靈活性容量。由于系統(tǒng)的靈活性容量需求變化較快，靈活性容量市場以1年的短周期開展，以統(tǒng)一出清的方式進行市場出清與結(jié)算。
圖10 靈活性調(diào)節(jié)資源接受市場組織者調(diào)度時潛在的機會成本損失
四、建設(shè)多層次電力市場，促進新能源發(fā)展
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為實現(xiàn)新能源高質(zhì)量發(fā)展，需注重各市場之間的聯(lián)系，充分把握政策合力，建設(shè)“縱向貫通，橫向融合”的全方位、多層次電力市場。其中，“縱向貫通”指全國、區(qū)域與省級市場應(yīng)相互配合，做好銜接，既發(fā)揮上層市場的統(tǒng)一調(diào)控作用，又發(fā)揮下層市場因地制宜的特點?！皺M向融合”既指同級市場之間要相互融合，挖掘電能不同價值，又指由源側(cè)市場主體向“源荷儲充”等多種市場主體的融合。
1、加快完善“全國-區(qū)域-省級”電力市場銜接方式
隨著市場結(jié)構(gòu)的變化，擴大電力資源配置將成為西北電網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵。要實現(xiàn)全國—區(qū)域—省級市場的銜接，不僅需要完善的基礎(chǔ)市場設(shè)計，還要兼顧不同行政區(qū)域之間的體制機制，做好政策銜接，進而推進全國統(tǒng)一電力市場的設(shè)計。
在區(qū)域與省內(nèi)電力市場的銜接方面，要堅持區(qū)域市場和省級市場并重；區(qū)域市場與各省級市場進行協(xié)調(diào)，重點開展跨省份市場化交易，促進省間壁壘的打破。在區(qū)域間市場的銜接方面，要加強西北市場與其他區(qū)域市場的相互耦合和有序銜接，研究探索適應(yīng)跨省跨區(qū)大范圍市場運作的輸電價格機制，以市場價格為導(dǎo)向逐步擴大統(tǒng)一市場交易范圍。推動探索組建電力交易中心聯(lián)營體。在區(qū)域與全國電力市場的銜接方面，西北地區(qū)富余的電能資源通過全國統(tǒng)一市場進行跨區(qū)交易或區(qū)對省的交易。要規(guī)范統(tǒng)一市場基本交易規(guī)則和技術(shù)標準，建立依法規(guī)范、權(quán)責(zé)分明的管理體系和運營機制，加強信息共享，確保電力運行過程安全可控。
2、推動現(xiàn)貨電能量市場與輔助服務(wù)市場聯(lián)合出清
考慮到電能量和調(diào)峰、調(diào)頻等輔助服務(wù)存在耦合關(guān)系，為了充分還原輔助服務(wù)的價值屬性，應(yīng)加快發(fā)展電能量與輔助服務(wù)市場聯(lián)合出清。
目前，制約西北新能源大規(guī)模消納的重要因素之一為系統(tǒng)靈活性不足，煤電并未全面完成靈活性改造，壓出力能力有限。在現(xiàn)有獨立運行的調(diào)峰輔助服務(wù)市場下，煤電成本得不到相應(yīng)補償，靈活性改造動力不足?？紤]到煤電仍需承擔(dān)“壓艙石”作用，火電機組的靈活性改造仍將作為現(xiàn)期提升新能源消納水平的主要方式。應(yīng)以現(xiàn)階段較為緊缺的調(diào)峰資源入手，開展電能量與調(diào)峰輔助服務(wù)聯(lián)合出清，最大化挖掘系統(tǒng)的靈活調(diào)節(jié)能力。后續(xù)隨著傳統(tǒng)火電機組靈活性改造基本完成及新型市場主體大規(guī)模參與后，調(diào)峰輔助服務(wù)與現(xiàn)貨電能量市場融合，調(diào)頻、備用輔助服務(wù)在現(xiàn)貨市場中與電能量聯(lián)合出清。
3、豐富市場主體的多樣性
隨著“雙碳”目標下新能源裝機的快速增長，電力系統(tǒng)將逐步過渡為以新能源為核心，多種新型主體并存的新型結(jié)構(gòu)。為適應(yīng)高比例清潔能源并網(wǎng)運行的需求，需要豐富電力市場主體的多樣性，充分挖掘不同市場主體參與市場的方式機制，發(fā)揮市場在挖掘各類調(diào)節(jié)資源中的重要作用。
在源側(cè)，要鼓勵以聚合商代理形式參與市場。通過推動設(shè)立分布式能源代理商的新型市場角色，代理多個分布式發(fā)電資源參與市場交易，通過有效的市場手段提升消納水平。在網(wǎng)側(cè)，要探索組建電力交易中心聯(lián)營體，努力建立并完善送受端協(xié)同運行機制。通過構(gòu)建適應(yīng)外送的市場規(guī)則，合理限制外送過程中的市場力，形成送受端“共贏”的市場格局。在荷側(cè)，要給予自備電廠需求響應(yīng)主體地位，鼓勵自備電廠積極參與主網(wǎng)調(diào)峰，達成主體收益與系統(tǒng)新能源消納的雙贏局面。針對系統(tǒng)中的其他需求響應(yīng)資源，要以獨立市場主體地位參與市場，納入到交易主體范圍和交易規(guī)則中。在儲側(cè)，要大力發(fā)展儲能設(shè)施，促進儲能大規(guī)模接入電網(wǎng)。明確儲能電站參與電力市場的獨立主體地位，提升儲能在電能量、輔助服務(wù)與容量市場中的參與能力。促進儲能電站的多場景應(yīng)用，有序促進儲能與新能源協(xié)同發(fā)展。
本文刊載于《中國電業(yè)與能源》雜志。
