基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“動(dòng)態(tài)可控負(fù)荷參與電力系統(tǒng)調(diào)頻輔助服務(wù)理論與方法研究”; 南瑞集團(tuán)智能電網(wǎng)保護(hù)與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目“大規(guī)模清潔能源跨省區(qū)消納的市場(chǎng)機(jī)制”; 寧夏電力交易中心科技項(xiàng)目“電力市場(chǎng)環(huán)境下促進(jìn)新能源消納的多元化交易機(jī)制”;

文章編號(hào):1000-3673（2019）08-2711-07中圖分類號(hào):TM73

（來源：電網(wǎng)技術(shù) 作者：喻潔1, 劉云仁2, 楊家琪1, 高賜威1, 楊穎霞3, 丁恰4）

1．東南大學(xué) 電氣工程學(xué)院,江蘇省 南京市 210096

2．加州獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商CAISO,美國(guó) 加利福尼亞州 95757

3．布雷托咨詢公司,美國(guó) 華盛頓哥倫比亞特區(qū) 20036

4．南瑞集團(tuán)有限公司,江蘇省 南京市 210096

摘要

當(dāng)前我國(guó)正處于新一輪電力體制改革的關(guān)鍵時(shí)期,完善的輔助服務(wù)市場(chǎng)是電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的機(jī)制保障,解析國(guó)外電力市場(chǎng)輔助服務(wù)的發(fā)展歷程對(duì)我國(guó)電力市場(chǎng)建設(shè)具有重要的借鑒意義。首先介紹了加州輔助服務(wù)市場(chǎng)發(fā)展歷史及其輔助服務(wù)的種類,然后對(duì)比分析了兩種輔助服務(wù)的出清方法：分離順序法和協(xié)同優(yōu)化法及其各自的優(yōu)缺點(diǎn);并結(jié)合加州新能源發(fā)展,介紹了應(yīng)對(duì)新能源發(fā)電出力不確定性的新型輔助服務(wù)產(chǎn)品——靈活爬坡產(chǎn)品;最后分析了美國(guó)加州輔助服務(wù)市場(chǎng)對(duì)于中國(guó)現(xiàn)貨市場(chǎng)的可借鑒性并提出了建議。

關(guān)鍵詞 :輔助服務(wù)市場(chǎng);分離順序法;協(xié)同優(yōu)化法;靈活爬坡產(chǎn)品;

0 引言

輔助服務(wù)是保證電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的基礎(chǔ),輔助服務(wù)市場(chǎng)是完善的電力市場(chǎng)中不可缺少的功能。在新一輪電改的背景下,我國(guó)在電力市場(chǎng)改革的起步階段,也逐步開始建設(shè)輔助服務(wù)市場(chǎng)[1]。長(zhǎng)久以來我國(guó)大多數(shù)地區(qū)的調(diào)頻服務(wù)是按照計(jì)劃體制下的輔助服務(wù)“兩個(gè)細(xì)則”進(jìn)行考核,并按照規(guī)定的價(jià)格進(jìn)行補(bǔ)償而并非通過市場(chǎng)方式[2]。其中較低的補(bǔ)償價(jià)格無法提高市場(chǎng)主體提供調(diào)頻輔助服務(wù)的積極性。此外,隨著電力市場(chǎng)的進(jìn)一步完善和發(fā)展,僅依靠調(diào)頻輔助服務(wù)還是無法滿足保證電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)可靠運(yùn)行的需求,需要建設(shè)多時(shí)間尺度、多類型交易品種完善的輔助服務(wù)市場(chǎng)機(jī)制。因此,在考慮中國(guó)實(shí)際情況的前提下,輔助服務(wù)市場(chǎng)的建設(shè)非常有必要吸取國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)[3]。文獻(xiàn)[4]針對(duì)作為首個(gè)跨國(guó)區(qū)域市場(chǎng)的北歐的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)對(duì)我國(guó)資源稟賦、網(wǎng)絡(luò)阻塞和負(fù)荷分布等現(xiàn)狀提出若干建議;文獻(xiàn)[5]介紹了英國(guó)輔助服務(wù)市場(chǎng)中的短期運(yùn)行備用(short-term operation reserve,STOR)服務(wù)的運(yùn)行與補(bǔ)償機(jī)制以及對(duì)中國(guó)輔助服務(wù)市場(chǎng)的發(fā)展和建設(shè)的啟示;文獻(xiàn)[6]通過分析英國(guó)、美國(guó)德州及北歐電力市場(chǎng)的交易結(jié)算機(jī)制,對(duì)我國(guó)單一買方模式下與輔助服務(wù)有關(guān)的不平衡電量處理提出了建議。

美國(guó)輔助服務(wù)市場(chǎng)是世界上最成功的電力市場(chǎng)之一,其市場(chǎng)模型、定價(jià)機(jī)制等都具有很高的借鑒意義[7-9]。此外,有的研究也關(guān)注了國(guó)外電力市場(chǎng)模式在我國(guó)的適應(yīng)性[10-11]。

在美國(guó)多個(gè)電力市場(chǎng)中,加州電力市場(chǎng)是第一個(gè)正式投入運(yùn)營(yíng)的電力市場(chǎng),經(jīng)歷了主能量與輔助服務(wù)分離以及協(xié)同優(yōu)化的發(fā)展歷程[12],與我國(guó)電力市場(chǎng)初步階段具有相似性,具有借鑒與研究?jī)r(jià)值。

本文以美國(guó)加州電力市場(chǎng)為例,介紹了加州電力輔助服務(wù)市場(chǎng)的發(fā)展歷史及其多種輔助服務(wù),并對(duì)比分析不同的輔助服務(wù)出清方法的優(yōu)缺點(diǎn),最后對(duì)中國(guó)現(xiàn)貨市場(chǎng)中的輔助服務(wù)市場(chǎng)提出建議。

1 加州輔助服務(wù)市場(chǎng)發(fā)展歷史簡(jiǎn)述

輔助服務(wù)市場(chǎng)是電力市場(chǎng)中的一部分,因此加州輔助服務(wù)市場(chǎng)是隨著電力市場(chǎng)而發(fā)展變化的。加州從1996年開始對(duì)其計(jì)劃管制下的電力系統(tǒng)進(jìn)行市場(chǎng)化改革。改革的目的是想通過引入市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)來提高發(fā)電系統(tǒng)的效率,降低電價(jià)。當(dāng)時(shí),加州的電價(jià)是全美最高的電價(jià)之一,1990—1995年其全州平均零售電價(jià)為9.55美分/(kW·h),比同期美國(guó)平均零售電價(jià)高出40%。

加州電力市場(chǎng)從1998年4月開始運(yùn)行,該年的全州平均零售電價(jià)為9.03美分/(kW·h)。運(yùn)行初期輔助服務(wù)市場(chǎng)與日前能量交易分離運(yùn)行,電力交易市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)商(California Power Exchange,CALPX)負(fù)責(zé)能量市場(chǎng)的運(yùn)行,而獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商(California Independent System Operator,CAISO)負(fù)責(zé)輔助服務(wù)市場(chǎng)的運(yùn)行。需要在輔助服務(wù)市場(chǎng)購(gòu)買的產(chǎn)品包括4種：調(diào)頻備用,旋轉(zhuǎn)備用,非旋轉(zhuǎn)備用和替代備用,出清方法為分離順序法。

2001年的加州能源危機(jī)使平均零售電價(jià)從2000年的9.47美分/(kW·h)突然增長(zhǎng)到11.22美分/ (kW·h)。之后,加州開始實(shí)行一系列改進(jìn)市場(chǎng)設(shè)計(jì)的措施MRTU工程(Market Redesign and Technology Upgrade),并于2009年4月開始運(yùn)營(yíng)。從此時(shí)開始,加州不再將日前能量市場(chǎng)和電網(wǎng)調(diào)度分開,而是將日前市場(chǎng)與輔助服務(wù)市場(chǎng)等集合成一個(gè)統(tǒng)一優(yōu)化的市場(chǎng)。

最近幾年,由于可再生能源配額制政策的推動(dòng),加州風(fēng)電和光伏發(fā)電迅速增加,從2000年占總裝機(jī)量的大概5%,增加到2010年8%,到現(xiàn)在30%左右。從1998年到2009年的這10年時(shí)間內(nèi),全州平均零售電價(jià)從9.47美分/(kW·h)增長(zhǎng)到了13.24美分/(kW·h),全州的總裝機(jī)容量從46 295.6MW增長(zhǎng)到了59 188.6 MW,但全州的凈發(fā)電量(net generation)從199 415.29 GW·h減少到了190 636.87 GW·h。

加州的環(huán)境政策非常激進(jìn)[13],相比傳統(tǒng)化石能源發(fā)電技術(shù),風(fēng)電和光伏發(fā)電的不完全可控性和不能完全預(yù)測(cè)性使得系統(tǒng)凈負(fù)荷(原負(fù)荷減去風(fēng)力發(fā)電量減去太陽(yáng)能發(fā)電量)在1天內(nèi)大幅度變化。為了這一問題,2016年CAISO在實(shí)時(shí)市場(chǎng)引入了一種新的輔助服務(wù)產(chǎn)品“靈活爬坡產(chǎn)品”(flexible ramping product,FRP)[12]以應(yīng)對(duì)預(yù)期之外的不確定性的凈負(fù)荷短時(shí)間的變化。

以下各小節(jié)對(duì)加州電力市場(chǎng)輔助服務(wù)種類、可替代性以及出清方法做詳細(xì)介紹。

2 加州電力市場(chǎng)輔助服務(wù)種類

在美國(guó)加州輔助服務(wù)市場(chǎng)上主要包括調(diào)頻備用和運(yùn)行備用產(chǎn)品,以及2016年引入的靈活爬坡產(chǎn)品。

其中,調(diào)頻備用分為向上調(diào)頻(regulation up)和向下調(diào)頻(regulation down)。日前市場(chǎng)(day-ahead market)和實(shí)時(shí)市場(chǎng)(real-time market)每15min所需的向上調(diào)頻與向下調(diào)頻量由CASIO根據(jù)日前和實(shí)時(shí)市場(chǎng)的需求預(yù)測(cè)按適用比例確定。此外,CAISO根據(jù)調(diào)頻容量的需求確定任一結(jié)算周期內(nèi)的調(diào)頻里程[7](regulation mileage),以及該結(jié)算周期內(nèi)中標(biāo)的調(diào)頻容量。其中,調(diào)頻里程是指15min內(nèi),每4 s之間,提供調(diào)頻備用的資源的AGC設(shè)定點(diǎn)之差的絕對(duì)值之和,如下所示：

運(yùn)行備用是為了應(yīng)對(duì)負(fù)荷增加或供給側(cè)的資源減少輸出或停機(jī)的事件。運(yùn)行備用通常分為旋轉(zhuǎn)備用(spinning reserve)和非旋轉(zhuǎn)備用(non-spinning reserve)。其中旋轉(zhuǎn)備用又被稱為同步備用,由正在在線發(fā)電并有能力增加出力的發(fā)電機(jī)組提供;非旋轉(zhuǎn)備用又被稱為非同步備用,由沒有在線發(fā)電但能在給定時(shí)間,通常在10 min到30 min內(nèi)啟動(dòng)并提供電力的發(fā)電機(jī)組提供。

其他的輔助服務(wù)類型,包括黑啟動(dòng)能力(black start capability),無功備用和電壓控制(voltage support)等一般不在市場(chǎng)上實(shí)時(shí)購(gòu)買,由ISO/RTO與提供這些服務(wù)的資源簽訂中長(zhǎng)期合同得以保證。加州的輔助服務(wù)市場(chǎng)不包括調(diào)峰產(chǎn)品,調(diào)峰問題由日前能量市場(chǎng)做出的日計(jì)劃解決。2016年開始新增加FRP。在實(shí)時(shí)市場(chǎng)中,FRP是應(yīng)對(duì)預(yù)期之外的不確定性的凈負(fù)荷短時(shí)間的變化而預(yù)留的爬坡容量,用于維持系統(tǒng)功率的平衡,以免出現(xiàn)因爬坡能力不足而導(dǎo)致系統(tǒng)失衡的現(xiàn)象。這種產(chǎn)品不參加日前市場(chǎng)和實(shí)時(shí)市場(chǎng)的投標(biāo)競(jìng)價(jià),而只在實(shí)時(shí)15 min (fifteen minute market,FMM)和實(shí)時(shí)5 min市場(chǎng)(real-time dispatch,RTD)中由系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商根據(jù)發(fā)電機(jī)組的爬坡能力以及可用容量來購(gòu)買。

3 輔助服務(wù)間的可替代性

在滿足可靠性標(biāo)準(zhǔn)的前提下,CAISO通過增加對(duì)某一種輔助服務(wù)的購(gòu)買來替代其他輔助服務(wù),以達(dá)到降低采購(gòu)輔助服務(wù)總成本的目的。本節(jié)所述輔助服務(wù)間的可替代性(substitution)只用于購(gòu)買輔助服務(wù)市場(chǎng)中參與投標(biāo)的輔助服務(wù),不包括自主提供的輔助服務(wù)。輔助服務(wù)間的替代基于以下原則：

1）調(diào)頻備用的需求只能由有資格提供調(diào)頻備用的資源進(jìn)行投標(biāo)來滿足。

2）調(diào)頻備用中向下調(diào)頻和向下靈活爬坡產(chǎn)品(flexible ramping down,FRD)都是減少出力的容量要求,而向上調(diào)頻、向上靈活爬坡產(chǎn)品(flexible ramping up,FRU)和旋轉(zhuǎn)備用、非旋轉(zhuǎn)備用一樣,都是增加出力的容量要求。額外的向上調(diào)頻容量可用于滿足旋轉(zhuǎn)備用和非旋轉(zhuǎn)備用的需求。

3）向上調(diào)頻和旋轉(zhuǎn)備用各自的需求必須由向上調(diào)頻和旋轉(zhuǎn)備用組合招標(biāo)來滿足。即只要向上調(diào)頻和旋轉(zhuǎn)備用所需容量不大于某一資源的最大爬坡速率(單位：MW/min)乘以10,則可作為單獨(dú)的備用由該資源提供。

4）額外的向上調(diào)頻和旋轉(zhuǎn)備用的容量可用于滿足非旋轉(zhuǎn)備用的需求。

5）向上調(diào)頻、旋轉(zhuǎn)備用和非旋轉(zhuǎn)備用各自的需求必須由向上調(diào)頻旋轉(zhuǎn)備用和非旋轉(zhuǎn)備用組合招標(biāo)來滿足。

6）向上調(diào)頻、旋轉(zhuǎn)備用和非旋轉(zhuǎn)備用3種輔助服務(wù)總的購(gòu)買容量不會(huì)改變。

7）調(diào)頻備用容量無論其替代的是哪一種輔助服務(wù),都將繼續(xù)被視作調(diào)頻備用容量。

8）特別地,在早期(1998.4—2009.4)加州電力市場(chǎng)中存在第4種具有可替代性的輔助服務(wù)：替代備用(replacement reserve)。替代備用是在一小時(shí)內(nèi)可以提供的在線或非在線備用服務(wù)。早期的加州電力市場(chǎng)沒有可靠的機(jī)組組合的功能,不能處理短時(shí)期的機(jī)組開停需求,所以采用替代備用這種特殊的輔助服務(wù)來應(yīng)對(duì)相鄰兩個(gè)運(yùn)行時(shí)段之間的負(fù)荷變化。

同理額外的向上調(diào)頻、旋轉(zhuǎn)備用和非旋轉(zhuǎn)備用的容量可用于滿足替代備用的需求。

綜上,輔助服務(wù)市場(chǎng)中需要購(gòu)買的4種輔助服務(wù)可按調(diào)頻備用(向上調(diào)頻)、旋轉(zhuǎn)備用、非旋轉(zhuǎn)備用和替代備用的順序,從高到低進(jìn)行替代。

4 加州電力市場(chǎng)輔助服務(wù)的出清方法

如前所述,在加州電力市場(chǎng)發(fā)展過程中,經(jīng)歷了兩種類型的輔助服務(wù)出清方法：分離順序法(sequential method)和協(xié)同優(yōu)化法(co-optimization method)。本節(jié)將按照時(shí)間順序?qū)@兩種方法進(jìn)行詳細(xì)討論。

4.1 早期的分離順序法

從1998年到1999年,CAISO采用的早期的分離順序法沒有充分利用各種輔助服務(wù)之間的可替代性,使得各類型輔助服務(wù)的報(bào)價(jià)、出清和調(diào)用完全獨(dú)立,沒有達(dá)到資源利用的組合最優(yōu)化。

基于分離順序法建立的出清模型所依據(jù)的原理如下：

1）質(zhì)量次序。4種輔助服務(wù)產(chǎn)品按響應(yīng)能力的質(zhì)量次序?yàn)椋合蛏险{(diào)頻、旋轉(zhuǎn)備用、非旋轉(zhuǎn)備用和替代備用。高質(zhì)量輔助服務(wù)需求必須在低質(zhì)量輔助服務(wù)的需求之前得到滿足。向下調(diào)頻是唯一減少出力的容量要求,按照?qǐng)?bào)價(jià)價(jià)格從低到高單獨(dú)出清。

2）目標(biāo)函數(shù)。輔助服務(wù)出清模型的目標(biāo)函數(shù)按MCP(market clearing price)最小值。對(duì)于任一輔助服務(wù),從低到高最后接受的報(bào)價(jià)的價(jià)格設(shè)定為該產(chǎn)品的MCP。

3）約束條件。容量約束是一個(gè)機(jī)組可總接納容量不能超過其最大可用容量;需求約束是所有機(jī)組對(duì)某種輔助服務(wù)的中標(biāo)容量應(yīng)當(dāng)大于這種輔助服務(wù)總的需求容量;爬坡能力約束是輔助服務(wù)接受的容量必須滿足該輔助服務(wù)在的特定的爬坡時(shí)間內(nèi)爬坡能力的約束。

綜上所述,分離順序法出清模型如下。

4.2 基于合理性購(gòu)買者算法的分離順序法

Anjali Sheffrin博士提出了基于合理性購(gòu)買者算法(rational buyer’s algorithm)[14]的分離順序法,在算法上實(shí)現(xiàn)了輔助服務(wù)之間的可替代性,這種方法從1999年一直使用到2009年3月。

與簡(jiǎn)單的分離順序法的區(qū)別是,合理性購(gòu)買者算法基于可替代性對(duì)需求約束條件作出了修改：所有機(jī)組對(duì)調(diào)頻備用的中標(biāo)容量應(yīng)當(dāng)大于等于調(diào)頻備用的需求容量;對(duì)調(diào)頻備用和旋轉(zhuǎn)備用總的中標(biāo)容量應(yīng)當(dāng)大于等于兩者總的需求容量;對(duì)調(diào)頻備用、旋轉(zhuǎn)備用和非旋轉(zhuǎn)備用總的中標(biāo)容量應(yīng)當(dāng)大于等于3者總的需求容量;對(duì)調(diào)頻備用、旋轉(zhuǎn)備用、非旋轉(zhuǎn)備用和替代備用總的中標(biāo)容量應(yīng)當(dāng)大于等于這4種輔助服務(wù)總的需求容量。

此外,基于合理性購(gòu)買者算法的分離順序法是在所有滿足約束條件的機(jī)組組合中,評(píng)估出購(gòu)買成本最低的。理論上采用窮舉法來完成算法[13]。

這兩種分離順序法共同的優(yōu)點(diǎn)為：市場(chǎng)規(guī)則比較簡(jiǎn)單清晰,易于市場(chǎng)參與者發(fā)現(xiàn)問題,易于市場(chǎng)管理者查找、解釋和解決問題。該出清模型能使每種輔助服務(wù)的付費(fèi)成本最低。共同的缺點(diǎn)為：所有輔助服務(wù)的總付費(fèi)成本并不一定為最小值,并且分離順序法不可能考慮網(wǎng)絡(luò)阻塞的問題,還可能會(huì)產(chǎn)生價(jià)格倒置,即低質(zhì)量的輔助服務(wù)的價(jià)格高于高質(zhì)量的輔助服務(wù)的價(jià)格。

4.3 基于SCUC的協(xié)同優(yōu)化法

2009年4月,MRTU工程投入運(yùn)行,有了可靠性機(jī)組組合的功能,能夠處理短時(shí)期的機(jī)組開停需求,所以不再需要考慮替代備用這種輔助服務(wù)。但是,輔助服務(wù)之間仍具有可替代性,這個(gè)階段使用協(xié)同優(yōu)化法。

與分離順序法不同的是,因?yàn)椴煌o助服務(wù)的爬坡時(shí)間不同,也就是響應(yīng)速度不同,在與主能量協(xié)同出清時(shí),需要考慮時(shí)間尺度的問題;出清模型的目標(biāo)函數(shù)改為總報(bào)價(jià)成本的最小值;約束條件中還需要考慮每臺(tái)機(jī)組提供的主能量與各種輔助服務(wù)容量的總和不能超過它的最大容量。特別地,雖然目標(biāo)函數(shù)中也包括向下調(diào)頻的報(bào)價(jià)成本,但由于向下調(diào)頻不具有類似向上調(diào)頻的可替代性,它與主能量一樣,在約束條件中它的中標(biāo)容量只需滿足自身的需求量,而與其他能量產(chǎn)品的需求量無關(guān)。

基于協(xié)同優(yōu)化法建立的某一特定時(shí)刻tt的出清模型如下所示：

該優(yōu)化模型的本質(zhì)為混合整數(shù)線性規(guī)劃,求解過程較為復(fù)雜。目前北美洲各電力市場(chǎng)普遍采用安全約束下的機(jī)組組合(security constrained unit commitment,SCUC)作為市場(chǎng)管理系統(tǒng)的主要工具,其中實(shí)行協(xié)同優(yōu)化的核心就是混合整數(shù)(mixed integer programming,MIP)問題。

SCUC優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)不僅包括購(gòu)買能量和輔助服務(wù)的報(bào)價(jià)成本,還包括在1天或幾天內(nèi)機(jī)組的最小負(fù)荷成本,開機(jī)和停機(jī)的成本。雖然出清結(jié)果的能量和輔助服務(wù)計(jì)劃仍然是以小時(shí)為單位,但目標(biāo)函數(shù)是最小化1天或幾天內(nèi)總的成本。約束條件還要考慮機(jī)組的啟動(dòng)時(shí)間,最小開機(jī)時(shí)間,最小停機(jī)時(shí)間,機(jī)組在1天或幾天內(nèi)能夠提供的最大能量,機(jī)組在1天或幾天內(nèi)允許的開停機(jī)次數(shù)等等約束。還有某些機(jī)組不能運(yùn)行在某些特定的出力范圍,稱為禁止運(yùn)行區(qū)間(forbidden operating region),優(yōu)化時(shí)必須避開這些區(qū)間。

與分離順序法相比,協(xié)同優(yōu)化法的市場(chǎng)規(guī)則比較復(fù)雜,開發(fā)時(shí)間更長(zhǎng),所需經(jīng)費(fèi)更多。但是協(xié)同優(yōu)化法能保證主能量和所有輔助服務(wù)的總購(gòu)買費(fèi)用為最小值,并且能夠處理網(wǎng)絡(luò)阻塞的問題和防止產(chǎn)生價(jià)格倒置。

4.4 考慮靈活爬坡產(chǎn)品的協(xié)同優(yōu)化法

FRP的需求依據(jù)相隔5 min的兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)之間的凈負(fù)荷變化而定。CAISO通過歷史數(shù)據(jù)估算在一定的FRP數(shù)量下的電力失衡概率,將其乘以負(fù)荷損失的價(jià)值從而得到FRP的彈性需求曲線,以此決定購(gòu)買靈活爬坡產(chǎn)品的容量[15]。在市場(chǎng)交易過程中,FRP不需要報(bào)價(jià),購(gòu)買時(shí)需要支付FRP與主能量和其他輔助服務(wù)協(xié)同出清時(shí)的機(jī)會(huì)成本。考慮靈活爬坡產(chǎn)品的協(xié)同優(yōu)化將FRP需求曲線和其他輔助服務(wù)產(chǎn)品的需求以及發(fā)電廠的競(jìng)標(biāo)所形成的供應(yīng)曲線一同進(jìn)行優(yōu)化,尋找到成本最低的優(yōu)化解,從而確定每個(gè)產(chǎn)品的市場(chǎng)價(jià)格和數(shù)量[16]。

當(dāng)考慮具有可替代性的調(diào)頻備用、旋轉(zhuǎn)備用和非旋轉(zhuǎn)備用3種輔助服務(wù),并且有多臺(tái)機(jī)組參與競(jìng)價(jià)時(shí),協(xié)同優(yōu)化的過程會(huì)變得更為復(fù)雜。因此,在建立FRP與主能量和其他輔助服務(wù)產(chǎn)品協(xié)同優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型時(shí),以15 min為該模型的一次計(jì)算周期。在時(shí)刻t以總的報(bào)價(jià)成本的最小值為目標(biāo)函數(shù)建立的簡(jiǎn)化的數(shù)學(xué)模型如下所示：

5 對(duì)中國(guó)電力市場(chǎng)建設(shè)的啟示

建設(shè)現(xiàn)貨市場(chǎng)的目的為實(shí)現(xiàn)電力交易的公開、公平、公正,保障市場(chǎng)成員合法權(quán)益,促進(jìn)電力市場(chǎng)的穩(wěn)定、健康、有序、協(xié)調(diào)發(fā)展[18]。在現(xiàn)貨市場(chǎng)發(fā)展的初級(jí)階段,為了遵循“積極穩(wěn)妥,平穩(wěn)起步”的原則,需要借鑒國(guó)外電力市場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)。CAISO作為北美洲現(xiàn)有的9個(gè)相對(duì)獨(dú)立的電力市場(chǎng)之一,對(duì)我國(guó)的啟示與可借鑒性表現(xiàn)為如下幾個(gè)方面：

1）分階段合理全面地考慮輔助服務(wù)產(chǎn)品類型。加州的實(shí)踐表明輔助服務(wù)市場(chǎng)和實(shí)時(shí)市場(chǎng)可以獨(dú)立于日前市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)。我國(guó)各省市在建設(shè)電力市場(chǎng)的過程中,也可以考慮各地電網(wǎng)運(yùn)行實(shí)際情況和市場(chǎng)成熟度、技術(shù)可行性等,按照實(shí)際需求分階段建立合適的輔助服務(wù)市場(chǎng)規(guī)則。輔助服務(wù)與主能量交易可以先分離再耦合。目前國(guó)內(nèi)現(xiàn)貨市場(chǎng)中只考慮了調(diào)頻輔助服務(wù),隨著市場(chǎng)的發(fā)展與成熟,還應(yīng)豐富其它輔助服務(wù)品種。在現(xiàn)貨市場(chǎng)發(fā)展的初級(jí)階段,這些輔助服務(wù)可以先不在市場(chǎng)上購(gòu)買,而是與提供這些服務(wù)的資源簽訂中長(zhǎng)期合同得以保證。

2）高效經(jīng)濟(jì)地求解輔助服務(wù)出清優(yōu)化問題。對(duì)比分析CAISO中輔助服務(wù)的兩種出清方法：分離順序法和協(xié)同優(yōu)化法,基于合理性購(gòu)買者算法的分離順序法采用窮舉搜索來進(jìn)行求解,基于SCUC的協(xié)同優(yōu)化法的屬于MIP問題,求解起來更為復(fù)雜,計(jì)算時(shí)間比分離順序法要長(zhǎng)得多[19-20]。

從經(jīng)濟(jì)性的角度,CAISO中基于合理性購(gòu)買者算法的分離順序法與早期的分離順序法相比,考慮了各種輔助服務(wù)之間的可替代性,當(dāng)較高質(zhì)量的輔助服務(wù)MCP更低時(shí)有利于節(jié)約總的購(gòu)買成本。雖然現(xiàn)行的協(xié)同優(yōu)化法與分離順序法相比,能夠求解出總的購(gòu)買成本的最小值,并且能夠解決計(jì)算節(jié)點(diǎn)電價(jià)時(shí)遇到的網(wǎng)絡(luò)阻塞的問題,但是能夠支持協(xié)同優(yōu)化法的系統(tǒng)的開發(fā)和實(shí)施要付出昂貴的代價(jià)。

在輔助服務(wù)市場(chǎng)逐步穩(wěn)妥發(fā)展后,可以從分離順序法逐步發(fā)展成為協(xié)同優(yōu)化法。我國(guó)存在較為明顯的網(wǎng)絡(luò)阻塞問題[21],可能導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)電價(jià)的升高。因此最終選擇協(xié)同優(yōu)化法會(huì)有助于提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效率。

3）輔助服務(wù)市場(chǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性與總經(jīng)濟(jì)成本最優(yōu)性。輔助服務(wù)的主要用于在保證主能量順利傳輸與交易的同時(shí)保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。本文分析了輔助服務(wù)市場(chǎng)中參與投標(biāo)的各種輔助服務(wù)產(chǎn)品之間的可替代性,通過放松需求約束來提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性,此外也提供了降低總經(jīng)濟(jì)成本的機(jī)會(huì);輔助服務(wù)的提供方多可作為主能量市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)主體,將主能量市場(chǎng)與輔助服務(wù)市場(chǎng)耦合,所有能量產(chǎn)品協(xié)同出清能促進(jìn)資源提供輔助服務(wù)的積極性。輔助服務(wù)市場(chǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性和總經(jīng)濟(jì)成本的最優(yōu)性是發(fā)展我國(guó)電力市場(chǎng)需要考慮的重點(diǎn),也是影響其發(fā)展的重要因素。

4）針對(duì)可再生能源并網(wǎng)帶來的新需求開發(fā)新產(chǎn)品。雖然美國(guó)在輔助服務(wù)產(chǎn)品的市場(chǎng)設(shè)計(jì)和改革不一定對(duì)中國(guó)都適用,但是可再生能源對(duì)電力系統(tǒng)的挑戰(zhàn)在中國(guó)和美國(guó)乃至全球都是有相同之處的。加州在應(yīng)對(duì)可再生能源并網(wǎng)帶來的挑戰(zhàn)方面對(duì)中國(guó)非常有借鑒價(jià)值。為解決可再生能源不可控和不確定性帶來的對(duì)管理系統(tǒng)可靠性的挑戰(zhàn),需要重復(fù)考慮系統(tǒng)對(duì)輔助服務(wù)的需求,針對(duì)這種需求優(yōu)化產(chǎn)品開發(fā)的品種和規(guī)格要求,如CASIO新開發(fā)的靈活性爬坡產(chǎn)品FRP就是針對(duì)新需求的積極探索。但是在CASIO在FRP實(shí)行過程中的失誤也充分說明,在輔助服務(wù)市場(chǎng)設(shè)計(jì)中對(duì)產(chǎn)品類型的劃分以及價(jià)格的定位一定要經(jīng)過周密的考慮、細(xì)致的分析、充分的模擬來避免造成失誤和社會(huì)資源的浪費(fèi)。

6 結(jié)論

本文通過對(duì)美國(guó)加州輔助服務(wù)市場(chǎng)發(fā)展歷程的解析,分析了各種輔助服務(wù)之間的可替代性與輔助服務(wù)出清方法：早期的分離順序法、基于合理性購(gòu)買者算法的分離順序法與基于SCUC的協(xié)同優(yōu)化法,并且總結(jié)了它們的優(yōu)缺點(diǎn),提出了CAISO經(jīng)驗(yàn)對(duì)我國(guó)輔助服務(wù)市場(chǎng)的啟示。我國(guó)仍處于電力市場(chǎng)的探索階段,需要結(jié)合體制改革與市場(chǎng)化進(jìn)程合理規(guī)劃輔助服務(wù)市場(chǎng),兼顧達(dá)到系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)公平性。在現(xiàn)貨市場(chǎng)發(fā)展的初級(jí)階段,可以考慮除必須的調(diào)頻輔助服務(wù)之外,其他輔助服務(wù)簽訂中長(zhǎng)期合同;在市場(chǎng)經(jīng)過一段培育時(shí)期,可以發(fā)展多種輔助服務(wù)產(chǎn)品,多類型輔助服務(wù)產(chǎn)品的出清可以參考加州電力市場(chǎng)早期的分離順序法以及合理性購(gòu)買者算法;在主能量市場(chǎng)以及輔助服務(wù)市場(chǎng)都發(fā)展到一定程度后,考慮協(xié)同優(yōu)化法;針對(duì)可再生能源并網(wǎng)帶來的新需求開發(fā)新產(chǎn)品。

參考文獻(xiàn)

[1]國(guó)家能源局南方監(jiān)管局.廣東調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)交易實(shí)施細(xì)則(征求意見稿)[Z].2018.

[2]國(guó)家能源局南方監(jiān)管局.南方區(qū)域發(fā)電廠并網(wǎng)運(yùn)行管理實(shí)施細(xì)則(修訂稿)[Z].2017.

[3]馬莉,范孟華,郭磊,等.國(guó)外電力市場(chǎng)最新發(fā)展動(dòng)向及其啟示[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2014,38(13):1-9.MaLi,FanMenghua,GuoLei,et al.Latest development trends of international electricity markets and their enlightenment[J].Automation of Electric Power Systems,2014,38(13):1-9(in Chinese).

[4]包銘磊,丁一,邵常政,等.北歐電力市場(chǎng)評(píng)述及對(duì)我國(guó)的經(jīng)驗(yàn)借鑒[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2017,37(17):4881-4892,5207.BaoMinglei,DingYi,ShaoChangzheng,et al.Review of Nordic Electricity Market and its suggestions for China[J].Proceedings of CSEE,2017,37(17):4881-4892,5207(in Chinese).

[5]朱繼忠,葉秋子,鄒金,等.英國(guó)電力輔助服務(wù)市場(chǎng)短期運(yùn)行備用服務(wù)機(jī)制及啟示[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2018,42(17):1-9,86.ZhuJizhong,YeQiuzi,ZouJin,et al.Short-term operation service mechanism of ancillary service in the UK electricity market and its enlightenment[J].Automation of Electric Power Systems,2018,42(17):1-9,86(in Chinese).

[6]周明,嚴(yán)宇,丁琪,等.國(guó)外典型電力市場(chǎng)交易結(jié)算機(jī)制及對(duì)中國(guó)的啟示[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2017,41(20):1-8,150.ZhouMing,YanYu,DingQi,et al.Transaction and settlement mechanism for foreign representative power markets and its enlightenment for Chinese power market[J].Automation of Electric Power Systems,2017,41(20):1-8,150(in Chinese).

[7]陳中飛,荊朝霞,陳達(dá)鵬,等.美國(guó)調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)的定價(jià)機(jī)制分析[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2018,42(12):1-10.ChenZhongfei,JingZhaoxia,ChenDapeng,et al.Analysis on pricing mechanism in frequency regulation ancillary services market of united states[J].Automation of Electric Power Systems,2018,42(12):1-10(in Chinese).

[8]馬子明,鐘海旺,李竹,等.美國(guó)電力市場(chǎng)信息披露體系及其對(duì)中國(guó)的啟示[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2017,41(24):49-57.MaZiming,ZhongHaiwang,LiZhu,et al.Information disclosure system in American Electricity Market and its enlightenment for China[J].Automation of Electric Power Systems,2017,41(24):49-57(in Chinese).

[9]馬恒瑞,王波,高文忠,等.考慮調(diào)頻補(bǔ)償效果的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)調(diào)頻服務(wù)優(yōu)化策略[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2018,42(13):127-135.MaHengrui,WangBo,GaoWenzhong,et al.Optimization strategy for frequency regulation service of regional integrated energy systems considering compensation effect of frequency regulation[J].Automation of Electric Power Systems,2018,42(13):127-135(in Chinese).

[10]肖云鵬,王錫凡,王秀麗,等.面向高比例可再生能源的電力市場(chǎng)研究綜述[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2018,38(3):663-674.XiaoYunpeng,WangXifan,WangXiuli,et al.Review on electricity market towards high proportion of renewable energy[J].Proceedings of CSEE,2018,38(3):663-674(in Chinese).

[11]葛睿,陳龍翔,王軼禹,等.中國(guó)電力市場(chǎng)建設(shè)路徑優(yōu)選及設(shè)計(jì)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2017,41(24):10-15.GeRui,ChenLongxiang,WangYiyu,et al.Optimization and design of construction route for electricity market in China[J].Automation of Electric Power Systems,2017,41(24):10-15(in Chinese).

[12]CaliforniaISO.Business practice manual for market operations [Z].2018.

[13]California EnergyCommission.Tracking Progress[Z].2018.

[14]YenrenLiu,ShuchengLiu,MehdiAssadian.A rational buyer algorithm used for ancillary service procurement[J].IEEE Transactions on Power Systems,2000,2:855-860.

[15]CAISO Department of Market Monitoring.2016 annual report on market issues and performance[Z].2017.

[16]CaliforniaISO.Business requirements specification flexible ramping product[Z].2016.

[17]GeorgeA,MeganP.Day-ahead market enhancements phase II working group[Z].2018.

[18]國(guó)家能源局南方監(jiān)管局.廣東電力市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)基本規(guī)則(征求意見稿)[Z].2018.

[19]李竹,龐博,李國(guó)棟,等.歐洲統(tǒng)一電力市場(chǎng)建設(shè)及對(duì)中國(guó)電力市場(chǎng)模式的啟示[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2017,41(24):2-9.LiZhu,PangBo,LiGuodong,et al.Development of unified European Electricity Market and its implications for China[J].Automation of Electric Power Systems,2017,41(24):2-9(in Chinese).

[20]XuHan,Peter BL,Mikhail AB,et al.Solving payment cost co- optimization problems[J].IEEE Transactions on Power Systems,2012,1:1-8.

[21]王一,馬子明,譚躍凱,等.廣東日前電力市場(chǎng)方案設(shè)計(jì)與市場(chǎng)仿真[J].電力需求側(cè)管理,2018,20(1):10-14.WangYi,MaZiming,TanYuekai,et al.Day-ahead power market design and market simulation in Guangdong Province[J].Power Demand Side Management,2018,20(1):10-14(in Chinese).

原標(biāo)題:美國(guó)加州輔助服務(wù)市場(chǎng)發(fā)展解析及其對(duì)我國(guó)電力市場(chǎng)的啟示