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引言

新型電力系統(tǒng)建設背景下，新能源發(fā)電出力具有波動性高、不確定性高的特征，其通過電力電子裝置并網(wǎng)也將導致電力系統(tǒng)轉動慣量減少，這些都對新型電力系統(tǒng)運行的安全性、可靠性提出了挑戰(zhàn)。國家能源局于2021年底印發(fā)《電力輔助服務管理辦法》，提出了爬坡、快速頻率響應、轉動慣量等新型輔助服務，以應對新能源出力波動、風光等弱慣量系統(tǒng)對電網(wǎng)運行造成的影響。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)靈活性資源的調節(jié)價值。

本系列文章將結合國外新型輔助服務市場建設情況，闡述交易基本原理，并提出我國新型輔助服務市場的建設建議。

1.爬坡輔助服務產品概述

根據(jù)國家能源局《電力輔助服務管理辦法》，爬坡是指為應對可再生能源發(fā)電波動等不確定因素帶來的系統(tǒng)凈負荷短時大幅變化，具備較強負荷調節(jié)速率的并網(wǎng)主體根據(jù)調度指令調整出力，以維持系統(tǒng)功率平衡所提供的服務。當系統(tǒng)上爬坡能力不足，系統(tǒng)存在供應不足限電風險；當系統(tǒng)下爬坡能力不足，系統(tǒng)存在供應過剩棄電風險。因此，在現(xiàn)貨市場出清（或發(fā)電計劃安排）過程中，需要在各時段預留足夠的爬坡能力。

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行爬坡產品采購。

2.國外電力市場中爬坡輔助服務

交易機制

2.1

美國MISO/CAISO

2016年，MISO和CAISO的可再生能源裝機占比分別達到了11.6%和40.5%，發(fā)電占比分別為6.9%和20.9%。同年，兩個市場運營機構均建立了爬坡市場。功能上，爬坡產品隸屬于運行備用范疇，與其他輔助服務的關系如圖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)情況下被調用，而調頻和爬坡在正常運行狀態(tài)下被連續(xù)的調用。調頻資源通過AGC跟蹤響應實時偏差，而爬坡資源在5-15min內根據(jù)調度指令進行出力，兩者在響應時間、作用方式上存在不同。


爬坡產品的市場組織流程如圖2所示。由于爬坡產品的成本是爬坡資源為了預留爬坡容量而在電能量市場中損失的機會成本，且MISO/CAISO的電能量市場和輔助服務市場是聯(lián)合出清的，因此爬坡資源無須單獨報價，根據(jù)電能量市場中的機會成本定價即可。


（1）各時段系統(tǒng)爬坡需求計算

系統(tǒng)爬坡需求的計算方法如圖3所示，根據(jù)凈負荷在相鄰兩個時段預測的變化量（t1-t2對應的黑色曲線變動）和預測的不確定性（t2時刻對應的藍色區(qū)域上下限），可以確定每一時段的系統(tǒng)上爬坡和下爬坡需求量。

（2）爬坡效益曲線

理論上，機組預留的爬坡容量越多，越有利于應對凈負荷波動的不確定性。然而從經(jīng)濟效益上考慮，預留爬坡容量過多可能會導致能量報價低的機組發(fā)電容量被預留，需要調用報價高的機組來滿足負荷平衡，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品帶來的效益和系統(tǒng)發(fā)電成本，CAISO根據(jù)凈負荷波動的概率和失負荷價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的凈負荷較小幅度波動的可能性較大，因此預留的爬坡容量效益也較高。隨著系統(tǒng)預留的爬坡容量增大，其可以應對的凈負荷大幅波動概率也降低，因此產生的效益逐漸減小。


（3）電力現(xiàn)貨市場出清

電力現(xiàn)貨市場出清的目標函數(shù)中考慮爬坡產品的效益，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)預留爬坡能力的積分，系統(tǒng)預留的爬坡能力即所有機組預留的爬坡容量之和。

同時，出清約束中應添加系統(tǒng)上/下爬坡需求約束，即：

所有機組上/下爬坡預留容量之和>=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的影子價格分別為上/下爬坡產品的出清價格。

（4）爬坡費用結算和分攤

爬坡產品結算按照日前和實時進行兩部制偏差結算：日前按（機組日前出清的爬坡容量*日前爬坡產品價格）結算；實時按（機組實時和日前出清爬坡容量的偏差*實時爬坡產品出清價格）結算。MISO根據(jù)“誰受益，誰承擔”原則將爬坡費用在負荷和外送電之間分攤，與事故備用費用的分攤方法一致。CAISO將爬坡費用在發(fā)用電兩側共同分攤。

2.2

英國電力市場

英國國家電網(wǎng)（NatioanalGrid ESO, NGESO）通過提供平衡服務來保障電網(wǎng)的實時供需平衡。平衡服務包括了頻率響應、備用、無功調節(jié)等?？焖賯溆?FastReserve,FR)作為備用的一種，其發(fā)揮的作用與MISO/CAISO中爬坡輔助服務的作用類似，采用月度競價的方式進行采購，中標資源在全天任一時段均可能被調用，且必須在接收調度指令后2min內提供爬坡速率大于25MW/min的響應能力。

（1）FR投標

并網(wǎng)機組、儲能和需求響應資源均可以在通過資格審核并簽署服務協(xié)議后成為FR資源。NGESO在競價月的前一個月發(fā)布FR需求，F(xiàn)R資源必須在競價月的第一個工作日投標，以參與后續(xù)一個月的FR服務。FR資源的投標需求包括以下信息：

可調用容量（MW）：可被調用的最大FR容量

可提供FR的運行日和時間：每個月分為工作日、周六、周日和節(jié)假日，每天有兩個時間窗口可以選擇。

可用價格（£/hour）：可提供FR的時間所對應的價格

調用價格（£/hour）：FR被調用時對應的價格

（2）FR中標

NGESO會計算每個投標的成交量加權可用價格（VWAP,£/MWh）：

VWAP=FR投標的可用價格/可調用容量

然后，根據(jù)可以增加或減少投標效益的因素對VWAP進行調整，以產生最終可用價格（AAP，£/MWh）。其中，考慮的效益因素包括：投標FR資源所在位置是否有約束限制，是否存在通過FR投標過度持留容量的投機行為等。

最后，所有投標資源將按照AAP從最低到最高進行排序，直至滿足FR需求量。如果NGESO認為滿足系統(tǒng)全部FR需求量的成本過高，可能會拒絕AAP價格與滿足系統(tǒng)全部FR需求的平均價格有明顯差異的投標，以保障市場能反映真實成本。

根據(jù)中標情況，調度員在實時運行過程中根據(jù)系統(tǒng)實際需求下達FR調用指令，F(xiàn)R中標資源在接受指令后2min內進行響應。

（3）FR結算

FR資源的結算包括三種費用：可用費用（£/hour）、調用費用（£/hour）和能量費用（£/MWh）。其中，可用費用補償FR資源投標時可提供FR的時長，調用費用補償FR資源被調用的時長，能量費用補償FR資源被調用后提供的電能量。英國國家電網(wǎng)作為平衡服務的購買方，支付FR費用給相關資源，并根據(jù)實際運行情況從發(fā)電機組和負荷收取按日收取平衡費用。

3. 對我國建設爬坡市場的建議

從國外爬坡市場運行效果來看，一方面，市場釋放的價格信號能充分體現(xiàn)靈活性資源價值，為靈活性資源的投資發(fā)展提供激勵；另一方面，爬坡容量的預留雖然會導致電能量市場部分時段電價有所升高，但卻有效降低了電能量市場中價格尖峰出現(xiàn)的頻率，整體來看爬坡市場的開展能有效降低電能量價格大幅度波動的風險。開展爬坡市場交易，能充分調動各類資源的靈活性，符合我國加快構建功能更強大、運行更靈活、更具有韌性的“源網(wǎng)荷儲”互動的新型電力系統(tǒng)建設目標。

我國各省電力市場改革進展不同，在非現(xiàn)貨試點或起步階段的現(xiàn)貨省份可參考英國中長期合約的機制，通過獨立運行的爬坡市場購買爬坡資源，在實時調用后按照合約價格進行補償。在已具備一定運行經(jīng)驗的現(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-爬坡產品聯(lián)合出清的方式，發(fā)現(xiàn)爬坡能力的真實成本及價值。

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，還直接影響到現(xiàn)貨電能量市場出清的價格及市場主體需承擔的成本。初期為簡單起步，可在出清模型目標函數(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格補償爬坡資源的機會成本。市場運行成熟后，可以根據(jù)系統(tǒng)凈負荷的不確定性以及失負荷成本/棄電成本的測算結果，合理制定爬坡效益曲線并用于出清。

爬坡服務本質上屬于運行備用的范疇，解決的是分鐘級別的凈負荷波動問題，功能上應歸屬于負荷備用。在爬坡市場設計過程中，一是建議進一步細化運行備用管理，根據(jù)機組調節(jié)速率、網(wǎng)絡阻塞等情況精細化考慮機組能提供的有效備用容量；二是建議避免輔助服務市場功能重疊，爬坡市場運行后，備用市場應側重于事故備用交易；三是建議逐步擴大爬坡市場參與主體范圍，除傳統(tǒng)機組外，逐步引入獨立儲能、靈活性負荷等參與爬坡市場交易；四是建議建立合理的費用分攤機制，根據(jù)不同類型電源出力、不同用戶負荷造成的波動性，對爬坡市場費用進行精細化分攤。

 原標題：新型電力輔助服務市場機制之——爬坡輔助服務市場