高比例可再生能源接入，給電力系統(tǒng)運(yùn)行方式帶來(lái)重大變革，在此轉(zhuǎn)變中，需要實(shí)現(xiàn)頂層機(jī)制與底層技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，為新能源上網(wǎng)電量全面入市提供有力支撐。

在推動(dòng)新能源上網(wǎng)電價(jià)全面由市場(chǎng)形成的同時(shí)，行業(yè)面臨兩大挑戰(zhàn)：頂層機(jī)制層面，需優(yōu)化新能源與火電、新型經(jīng)營(yíng)主體同臺(tái)競(jìng)價(jià)的制度設(shè)計(jì);底層技術(shù)層面，亟待攻克海量市場(chǎng)主體參與下的優(yōu)化決策難題。

適應(yīng)新能源上網(wǎng)電量全面入市的頂層機(jī)制創(chuàng)新需求

新型電力系統(tǒng)不僅是物理形態(tài)和技術(shù)的變革，更需要體制機(jī)制的創(chuàng)新。

在新能源發(fā)電中，風(fēng)電的反調(diào)峰特性將增加系統(tǒng)凈負(fù)荷峰谷差，凈負(fù)荷低谷時(shí)段火電可能被迫關(guān)停，在凈負(fù)荷高峰時(shí)段則面臨保供難題。光伏發(fā)電雖然與負(fù)荷特性較為吻合，但其午間大發(fā)特征會(huì)導(dǎo)致凈負(fù)荷呈現(xiàn)“鴨子曲線” ，光伏裝機(jī)進(jìn)一步增長(zhǎng)后演變?yōu)?ldquo;峽谷曲線”，加劇電力供需平衡難度，導(dǎo)致火電頻繁啟停，對(duì)電網(wǎng)安全產(chǎn)生影響。

長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)對(duì)新能源上網(wǎng)電量主要執(zhí)行固定價(jià)格，僅保障小時(shí)數(shù)以外的部分實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)化，在預(yù)期收益相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境下，新能源實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；l(fā)展。截至2024年年底，新能源發(fā)電裝機(jī)規(guī)模約為14.1億千瓦，占全國(guó)電力總裝機(jī)規(guī)模的40%以上，已超過(guò)煤電裝機(jī)。電力系統(tǒng)的物理形態(tài)在此背景下不斷重構(gòu)，電源結(jié)構(gòu)由出力較為穩(wěn)定的同步機(jī)(水電、核電、火電)為主，演化為間歇性、波動(dòng)性強(qiáng)的新能源主導(dǎo)，給電力電量平衡、安全穩(wěn)定控制帶來(lái)供給隨機(jī)化、平衡概率化、慣量支撐不足、無(wú)功支撐緊缺等一系列挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)以火電機(jī)組為主的靈活性調(diào)節(jié)資源難以應(yīng)對(duì)新形勢(shì)，亟需機(jī)制激勵(lì)和信息技術(shù)支撐，引導(dǎo)規(guī)?；瘍?chǔ)能、彈性負(fù)荷、電動(dòng)汽車等靈活性資源實(shí)時(shí)感知電力系統(tǒng)狀態(tài)、主動(dòng)調(diào)整自身行為，以價(jià)格信號(hào)和實(shí)時(shí)通信引導(dǎo)“荷隨源動(dòng)”。

2021年，《關(guān)于進(jìn)一步深化燃煤發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)市場(chǎng)化改革的通知》發(fā)布，提出全面推動(dòng)燃煤發(fā)電機(jī)組和工商業(yè)用戶進(jìn)入市場(chǎng)，提高了發(fā)用兩側(cè)的市場(chǎng)化程度。但隨著新能源成長(zhǎng)為主力電源，執(zhí)行固定電價(jià)的優(yōu)先上網(wǎng)電量在發(fā)電側(cè)的占比不斷提高，導(dǎo)致發(fā)用兩側(cè)市場(chǎng)化電力電量匹配失衡，形成“高買低賣”的結(jié)算問(wèn)題(即高價(jià)收購(gòu)新能源優(yōu)先發(fā)電量，以市場(chǎng)化的低價(jià)銷售給電力用戶)，系統(tǒng)平衡調(diào)節(jié)責(zé)任無(wú)法公平有效地傳導(dǎo)至新能源優(yōu)先發(fā)電量。《關(guān)于深化新能源上網(wǎng)電價(jià)市場(chǎng)化改革 促進(jìn)新能源高質(zhì)量發(fā)展的通知》提出新能源全部上網(wǎng)電量公平參與市場(chǎng)交易，并在場(chǎng)外建立新能源可持續(xù)發(fā)展價(jià)格結(jié)算機(jī)制，銜接現(xiàn)行保障政策，通過(guò)市場(chǎng)手段促進(jìn)新能源高質(zhì)量發(fā)展。

建立新能源與靈活性資源“解耦”的現(xiàn)貨市場(chǎng)架構(gòu)

電力市場(chǎng)的核心功能是通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)電力供給和需求的最優(yōu)匹配，發(fā)現(xiàn)電力的分時(shí)、分區(qū)價(jià)值，以價(jià)格信號(hào)引導(dǎo)電力供需市場(chǎng)均衡，提升電網(wǎng)運(yùn)行安全性。136號(hào)文件強(qiáng)調(diào)新能源應(yīng)公平參與市場(chǎng)交易，這不僅意味著要在現(xiàn)貨市場(chǎng)和綠色電力市場(chǎng)中充分體現(xiàn)其供電與環(huán)境雙重，同時(shí)也需要在輔助服務(wù)市場(chǎng)中承擔(dān)由于其間歇性和波動(dòng)性所帶來(lái)的調(diào)節(jié)責(zé)任。傳統(tǒng)能源方面，則可以通過(guò)提供靈活性調(diào)節(jié)服務(wù)在輔助服務(wù)市場(chǎng)中獲得相應(yīng)的補(bǔ)償，有效引導(dǎo)新能源與傳統(tǒng)能源優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、協(xié)同發(fā)展，實(shí)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的平穩(wěn)過(guò)渡。

在電力現(xiàn)貨市場(chǎng)中，為反映電能的短期供求關(guān)系，通常采用供電邊際成本作為電能價(jià)格。然而，新能源上網(wǎng)電量全面入市后，如何與火電機(jī)組、抽水蓄能、儲(chǔ)能、虛擬電廠、需求側(cè)響應(yīng)等靈活性資源同臺(tái)公平競(jìng)爭(zhēng)，成為亟待解決的問(wèn)題。一是價(jià)格信號(hào)失靈風(fēng)險(xiǎn)。新能源成為主力電源后，其近零邊際成本可能導(dǎo)致現(xiàn)貨價(jià)格信號(hào)消失，無(wú)法形成對(duì)靈活性資源價(jià)值的度量，削弱價(jià)格調(diào)節(jié)作用。二是供電服務(wù)差異難以體現(xiàn)，邊際定價(jià)無(wú)法體現(xiàn)新能源與常規(guī)電源、靈活性資源間的供電服務(wù)差異，難以度量新能源波動(dòng)性產(chǎn)生的外部成本以及靈活性資源持續(xù)、穩(wěn)定供電的價(jià)值。三是綠電溯源和綠證市場(chǎng)銜接困難，難以認(rèn)定用戶用電是否來(lái)源于新能源發(fā)電，不利于綠電消納追蹤溯源，綠證的流轉(zhuǎn)交易存在困難。

根據(jù)清華大學(xué)夏清教授基于分時(shí)容量電價(jià)的新型電力現(xiàn)貨市場(chǎng)設(shè)計(jì)的研究，當(dāng)前，可采用新能源與靈活性資源解耦的現(xiàn)貨市場(chǎng)架構(gòu)，即將波動(dòng)性新能源與靈活性調(diào)節(jié)資源分開組織交易和定價(jià)，包含全年連續(xù)交易的綠色證書市場(chǎng)、逐日交易的新能源日前分時(shí)市場(chǎng)和靈活性資源現(xiàn)貨市場(chǎng)，以便區(qū)分能量?jī)r(jià)值、調(diào)節(jié)價(jià)值、環(huán)境價(jià)值等多元化的電力價(jià)值差異，實(shí)現(xiàn)同質(zhì)商品同臺(tái)競(jìng)價(jià)，兼顧新能源高效消納與系統(tǒng)調(diào)節(jié)責(zé)任公平分?jǐn)偂?/p>

在新能源日前分時(shí)市場(chǎng)，為避免邊際變動(dòng)成本定價(jià)造成價(jià)格信號(hào)失靈，需引導(dǎo)新能源通過(guò)逐日逐時(shí)段分?jǐn)偲涔潭ǔ杀?，形成各時(shí)段隨功率增加而遞減的報(bào)價(jià)曲線。市場(chǎng)出清價(jià)格由滿足負(fù)荷需求的新能源機(jī)組邊際單位電量固定成本決定，形成引導(dǎo)資源時(shí)空優(yōu)化配置的分時(shí)、分區(qū)的價(jià)格信號(hào)，有效反映新能源間歇性、波動(dòng)性帶來(lái)的電量?jī)r(jià)值變化。用戶申報(bào)分時(shí)用電需求報(bào)價(jià)曲線，市場(chǎng)出清情況可清晰展示用戶和新能源發(fā)電的成交關(guān)系，用戶購(gòu)買的新能源電量可同時(shí)獲得綠證，這極大方便了綠電追蹤認(rèn)證。用戶報(bào)價(jià)具備彈性，可在新能源報(bào)價(jià)過(guò)高時(shí)選擇在靈活性資源現(xiàn)貨市場(chǎng)中買電，并在全年連續(xù)交易的綠證市場(chǎng)中購(gòu)買綠證以滿足綠電消納責(zé)任。

在靈活性資源現(xiàn)貨市場(chǎng)，針對(duì)新能源發(fā)電與負(fù)荷曲線匹配度差、新能源和負(fù)荷隨機(jī)波動(dòng)造成的供需偏差，需組織靈活調(diào)節(jié)資源提供不同類型的調(diào)節(jié)能力。交易品種包括日前和實(shí)時(shí)的不平衡電量、備用、調(diào)頻等。市場(chǎng)收益由靈活性資源共享，市場(chǎng)成本由新能源和負(fù)荷按照“誰(shuí)產(chǎn)生，誰(shuí)承擔(dān)”的原則分?jǐn)偅涸谌涨安黄胶怆娏拷灰字校铍娏吭酱蟮臅r(shí)段出清價(jià)格越高，負(fù)荷根據(jù)分時(shí)電價(jià)進(jìn)行付費(fèi)，從而使與新能源發(fā)電匹配度差的負(fù)荷多的承擔(dān)市場(chǎng)成本;在備用市場(chǎng)和實(shí)時(shí)不平衡電量市場(chǎng)中，預(yù)測(cè)偏差大的新能源及負(fù)荷承擔(dān)更高的市場(chǎng)成本;調(diào)頻市場(chǎng)中，短時(shí)波動(dòng)性越大的新能源及負(fù)荷承擔(dān)越多的市場(chǎng)成本。

新能源日前分時(shí)價(jià)格和日前不平衡電量分時(shí)價(jià)格能夠引導(dǎo)用戶通過(guò)需求側(cè)響應(yīng)、改善用電行為、投資儲(chǔ)能等方式，提高用電曲線與新能源發(fā)電匹配度，降低市場(chǎng)成本，以更加友好的方式消納新能源。新能源日前分時(shí)價(jià)格能夠鼓勵(lì)新能源以套利的方式優(yōu)化儲(chǔ)能運(yùn)行，同時(shí)，新能源需要為其自身間歇性、波動(dòng)性“買單”，應(yīng)激勵(lì)新能源主動(dòng)投資儲(chǔ)能降低靈活性資源現(xiàn)貨市場(chǎng)成本，推動(dòng)新能源配儲(chǔ)由“政策驅(qū)動(dòng)”轉(zhuǎn)向“市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)”。

市場(chǎng)優(yōu)化出清的“組合爆炸”挑戰(zhàn)將愈發(fā)突出

新能源全面入市后，市場(chǎng)價(jià)格信號(hào)將更加完整，打通可調(diào)負(fù)荷、儲(chǔ)能、虛擬電廠等靈活性資源的商業(yè)模式，激勵(lì)其主動(dòng)參與電力市場(chǎng)。同時(shí)，在建設(shè)全國(guó)統(tǒng)一電力市場(chǎng)以及鼓勵(lì)新型經(jīng)營(yíng)主體平等參與電力市場(chǎng)等政策框架下，市場(chǎng)成員的空間范圍擴(kuò)大、并網(wǎng)等級(jí)降低、主體類型多元化，未來(lái)電力市場(chǎng)將面臨海量發(fā)電與負(fù)荷資源的接入，復(fù)雜性和不確定性呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。在電力現(xiàn)貨市場(chǎng)常態(tài)化運(yùn)行模式下，市場(chǎng)優(yōu)化出清的“組合爆炸”挑戰(zhàn)將愈發(fā)突出。

現(xiàn)在的研究發(fā)現(xiàn)，電力系統(tǒng)的物理特性和傳統(tǒng)數(shù)學(xué)優(yōu)化理論之間存在著內(nèi)在聯(lián)系。為了讓電力市場(chǎng)在進(jìn)行優(yōu)化出清計(jì)算時(shí)能更快得到結(jié)果，滿足市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)快速?zèng)Q策的需求， 研究人員采用了變量精簡(jiǎn)、約束削減、高效尋解、分解協(xié)調(diào)等多種方法。

其中，變量精簡(jiǎn)即從時(shí)間維度和場(chǎng)景維度減少模型中的決策變量，只保留對(duì)結(jié)果有重要影響的關(guān)鍵變量，使模型更加簡(jiǎn)潔，計(jì)算效率更高。例如，在一天96個(gè)決策時(shí)段內(nèi)，某些時(shí)段(如深夜)的用電需求和新能源出力相對(duì)穩(wěn)定，可以將這些時(shí)段聚合為一個(gè)時(shí)段來(lái)決策機(jī)組開停組合;某些機(jī)組在多個(gè)運(yùn)行日下運(yùn)行方式相對(duì)固定，可以根據(jù)運(yùn)行日?qǐng)鼍扒闆r直接決定其開停機(jī)狀態(tài)。

約束削減是在保證關(guān)鍵斷面約束有效的前提下，去除那些對(duì)結(jié)果影響較小或冗余的約束條件，只保留必要的限制條件，以降低優(yōu)化模型的復(fù)雜度。例如，無(wú)論如何改變電網(wǎng)中的負(fù)荷分布情況，某些傳輸線路的實(shí)際傳輸功率總是遠(yuǎn)低于其最大容量限制，那么這些網(wǎng)絡(luò)安全約束可以視為冗余，從而被合理地削減掉。機(jī)組開停機(jī)決策可看作在一顆“0-1決策樹”中尋找一條能夠使目標(biāo)函數(shù)(如總成本)達(dá)到最優(yōu)的路徑，尋優(yōu)過(guò)程是一個(gè)不斷試錯(cuò)和比較的過(guò)程。為了更高效地找到最優(yōu)開停機(jī)組合路徑，可以暫時(shí)忽略0-1整數(shù)約束，從而更容易計(jì)算出處于0-1之間的非整數(shù)近似解，即松弛解。高效尋解，即利用松弛解中有用的信息，構(gòu)建誘導(dǎo)函數(shù)加速模型，避免無(wú)效分支的搜索，提高尋優(yōu)效率。

分解協(xié)調(diào)是基于電網(wǎng)的層級(jí)結(jié)構(gòu)，利用一種特殊資源聚合方法將高維狀態(tài)變量投影到低維協(xié)調(diào)變量空間，配網(wǎng)、微網(wǎng)中大量的分散資源狀態(tài)信息就能以更簡(jiǎn)潔的方式向主網(wǎng)系統(tǒng)呈現(xiàn)，形成和常規(guī)發(fā)電機(jī)組類似的聚合可行域(功率約束、能量約束、爬坡約束等)，以低維模型參與系統(tǒng)分解協(xié)調(diào)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)海量資源調(diào)度運(yùn)行的快速?zèng)Q策。

通過(guò)變量精簡(jiǎn)、約束削減、高效尋解和分解協(xié)調(diào)等方法，研究人員能夠顯著提高電力市場(chǎng)優(yōu)化出清計(jì)算的速度和效率，滿足市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)快速?zèng)Q策的需求。這些方法在實(shí)際應(yīng)用中已經(jīng)取得了良好的效果，為電力市場(chǎng)的高效運(yùn)行提供了重要支持。

高比例新能源接入必將引發(fā)電力系統(tǒng)運(yùn)行方式的重大變革。在新能源上網(wǎng)電量全面入市后，各類資源的價(jià)值需要差異化度量，通過(guò)多元化的價(jià)格信號(hào)激勵(lì)海量可調(diào)節(jié)資源與新能源協(xié)同互動(dòng)。在此轉(zhuǎn)變中，頂層機(jī)制設(shè)計(jì)與底層技術(shù)支撐的有機(jī)結(jié)合至關(guān)重要，通過(guò)差異化的價(jià)值度量市場(chǎng)體系、智能優(yōu)化求解引擎，破解“價(jià)格信號(hào)失靈”與“組合爆炸”難題，協(xié)同推動(dòng)新能源的高質(zhì)量發(fā)展，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)低碳運(yùn)行目標(biāo)。

(作者分別供職于清華四川能源互聯(lián)網(wǎng)研究院、清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系)