在美国中西部市场上灵活爬坡产品的应用及对我国电网的启示

李伟 罗杨琴

[摘 要]随着资源日益短缺和气候变化带来的严峻考验，高比例清洁能源接入电网是一个必然的趋势。清洁能源的接入给电网的安全运行带来了很大的挑战，这对电网的灵活性有了更高的需求。因此，全球各国和地区为了应对此问题分别提出了一些措施，文章首先选取美国中西部独立运行机构市场上的电网灵活性爬坡能力产品进行讨论，美国中西部独立运行机构提出了灵活爬坡能力产品来保障电力系统的稳定运行。首先介绍爬坡能力产品的概念、对比分析了它与调频和备用的区别，说明引入爬坡能力产品的必要性和经济性，然后介绍MISO市场上RCP的市场交易机制设计和实施效果，在此基础上，结合我國电力市场的情况对RCP的交易机制研究提出建议和思考。

[关键词]高比例清洁能源;爬坡能力产品（RCP）;交易机制设计;中西部电力市场（MISO市场）

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2021.14.010

伴随着全球气候变化、能源日渐匮乏，发展清洁能源是一个必然的趋势。欧洲[1]、美国[2]和中国[3]分别提出了2050年实现清洁能源占能源比率100%、80%、60%的目标。2015年国际能源署发布新能源报告[4]预计：到2020年在世界范围内将会大力建设可再生能源机组，初步估计届时会有大约700GW机组装机。根据美国加州能源委员会的报告看出：美国政府计划在2030年前，实现加州地区清洁能源发电量占比超过年发电总量的1/2[5]。根据我国“十三五”电力发展计划，本国的非化石能源装机比重、风力发电年均增速和光伏发电年均增速，分别在2020年达到39%、9.7%和21.1%[6]。

为了应对能源日益缺乏带来的严峻考验，传统以火电发电的电力系统正在向清洁能源发电转变，风能、光伏等清洁能源大规模利用，推动了能源清洁化、低碳化、智能化发展，这改变了以常规火电、水电机组作为主动调节资源的电网运行方式。

虽然清洁能源无污染，但是天气因素对它的影响很大，进而会出现较为严重的间歇性、波动性与无法预测性，并且用户的用电行为转变较大，这就使我国的电力系统出现相当大的波动性。因为电力系统想要系统安全、稳定运行，这就需要当前的电力系统具备一定的响应和应变能力。

1 灵活性爬坡能力产品提出的必要性

1.1 爬坡能力产品的提出和发展历史

美国的加州电力市场[7]（California Independent System Operator，CAISO）先是在2011年提出了灵活爬坡约束（Flexible Ramping Constraints，FRC），经过应用和整改，在2016 年 11 月1日正式启动了灵活性爬坡产品（Flexible Ramping Product，FRP）的交易[8]。美国的纽约电力市场[9]对灵活性爬坡产品的市场模式正在进行部分考察和探讨。中西部电力市场[10]（Midwest Independent System Transmission Operator，MISO）则提出了爬坡能力产品（Ramp Capability Product，RCP），对它的应用和探索还在不断地完善之中。

英国[11]为面对一些能源短缺的紧急情况，要求打开灵活调节产品（Demand Turn Up，DTU），该国市场更在意灵活性资源参与市场之后展现的灵活性，在改善当地的电力市场中制定了DTU，当出现清洁能源出力过剩时，电力系统可以自由调整自身需求或者直接调低清洁能源出力，改善系统出现爬坡不足时的状况。

德国[12]在2014年，在日内市场中引入15min合约拍卖，通过对目前的灵活性爬坡能力进行交易的方式，同时调整日前小时合约拍卖的成交结果，进而使系统操作员在调度前一天平衡需求难以把控的局面变得更加稳定。

目前，欧洲[13]国家也在大力发展地方电力市场，让分布式能源在电力需求和生产方面为系统操作员提供了灵活性爬坡能力，通过调节电力市场的方式降低了电力系统远距离输电的压力。

1.2 爬坡能力产品的概念

爬坡能力产品是一种通过预先储存一定的灵活性容量，进而满足系统中潜在的爬坡/滑坡需求的市场产品，调度运营机构可以应用RCP对下一时段可能出现的净负荷变动进行实时调控，并且为电力系统的稳定、安全运行提供了保障。

RCP能够帮助电力系统消纳风能、光伏等高比例间歇性清洁能源，同时因系统的爬坡/滑坡能力不足，从而造成的切负荷问题可以起到调节缓冲作用。

1.3 灵活爬坡能力与传统辅助服务的区别

FRP：单位为MW/min，拥有向上或下的调节能力，通过提前预留为应对下一时段的净负荷波动和不确定性，价格较低，且所有可调度资源都能参与。

调频：单位为MW，也拥有向上或下的调节能力，通过AGC信号为应对实际和预测净负荷的偏差，价格很高，部分资源可参与。

备用：单位为MW，只有向上调节能力，偶然事件下被激发为应对机组或传输资源突然故障，价格较高，部分资源可参与。

2 灵活性爬坡能力的应用

2.1 美国电力市场灵活性爬坡能力的市场设计

从1990年以来，美国的用电需求猛增了1/4，独立发电商加入电网使每年发电量增加了700亿度。但是，美国电网的改造和建设速度远远落后于电力需求和发电容量增长的速度，对电力系统安全运营构成威胁，因此停电现象频繁。所以，MISO提出了RCP，MISO是一个独立的非营利组织，为美国15个州和加拿大曼尼托巴省提供安全，具有成本效益的电力。MISO运营着全球最大的能源市场之一，其年度能源市场总交易额超过290亿美元。目前，MISO市场上风电日发电量约为12639MW，占总发电量的21.79%。

第一，需求的确定。在实时调度中，系统的灵活性需求由10min后的需求变化量所决定，系统需要向上、向下的爬坡、滑坡能力来满足系统的灵活性需求。系统的需求包括预测负荷波动和不确定需求，即系统净负荷对比当前时段在下一时段的增加量和在一定置信区间内对系统净负荷预测估计偏差所产生的需求量。

第二，参与的资源。MISO一个相对比较保守的市场，在自动发电控制的所有市场阶段开展RCP交易，来保证RCP能够及时、充足的满足系统的灵活性需求。MISO禁止需求响应和储能参与市场提供RCP。

第三，时间尺度。在MISO市场上，RCP开展日前和5min实时调度时间尺度的交易。

第四，定价和出清方式。目前MISO的价格阈值为$5/（MW·h），使用单段定价的需求曲线。RCP是指为提供RCP的机会成本，RCP也可与能量、辅助同时出清，当出现电力系统爬坡资源不足的情况时，可以通过爬坡能力的需求曲线来进行定价，被调用的RCP同時得到补偿费用和能力费用。

第五，成本分摊。考虑到现在还不明确不确定性资源承担相关辅助费用的成本分摊方式是否会导致RCP需求的相关交易减少，所以MISO仍然采用的是由负荷和外送电商承担RCP费用的传统的成本分摊机制。

2.2 算例分析

以两机组为算例介绍灵活性爬坡能力引入的必要性，机组参数如下：机组A、B最大出力均为100MW;最小出力均为20MW;爬坡速率分别为1MW/min、2MW/min;报价分别为$28、$29。

假设T0时刻实际净负荷为130 MW，T1时刻预测净负荷为150 MW，清洁能源的不确定性为5 MW，T0到T10灵活性爬坡能力需求为25 MW（即T10净负荷预测值、清洁能源不确定性的和减去T0净负荷实际值）。以总成本最小，10min为时间间隔，对比考虑和不考虑T0到T1的灵活性爬坡能力需求的优化结果。不考虑RCP的优化调度见表1。

如表2所示，当考虑RCP时，在T0时刻，机组 A 出力95MW，预留向上的爬坡容量为5MW，机组B此时出力35MW，按$29进行出清，机组A和机组B在10 min 内，分别能提供的向上爬坡容量为5MW、20MW，假设T1时刻清洁能源少发5MW，此时向上爬坡能力充足，不会导致切负荷。且机组A和机组B能够提供40MW的向下爬坡能力，不会导致弃风。

RCP的价格是由机会成本所决定的，即机组A为了提供5MW的RCP而在能量市场上损失的收益，机组A的能量报价为$28/（MW·h），而能量的出清电价为$29/（MW·h），机组A降低1MW出力就会损失$1，那么RCP的出清价格为$1/（MW·h）。

2.3 灵活爬坡能力的实施效果

在MISO市场，RCP应用之后取得的效果如下。

第一，因系统爬坡能力不足发生的尖峰电价与发生的频率、实时电价波动差、日前实时价格、平均实时电价都有所降低，即使有时会因调用RCP导致电价呈现上升趋势，但实时电价还是呈现总体下降的情况。

第二，年度生产成本降低，主要原因包括：一是RCP的需求曲线定价为$5/（MW·h），比备用的需求曲线价格低，由于RCP的使用减少了调用备用容量，从而减少了对备用的需求成本;二是RCP的使用不需要在缺少调节能力时启用昂贵的机组和设备，进而减少了生产成本。

第三，95%～97%的灵活性资源参与市场提供RCP的积极性。

3 RCP的应用对我国电力市场建设的思考

3.1 时间尺度和交易市场的选择

RCP交易的时间尺度在MISO和CAISO市场上有所不同，MISO市场包括5min实时调度和日前市场;CAISO市场包括5min和15min两个时间尺度。根据我国电力市场的情况，以每15min为一个交易出清时段，每15min出清一次，确定下一15min时段机组计划运行曲线，每个运行日含有96个交易出清时段。由于我国电网灵活性产品初步投入市场，对于RCP的应用机制还不完善，为了减轻市场交易机构和调度机构的运行成本和开展难度，我国电力市场开展15min时间尺度的交易时比较合理的。灵活性产品本质上是应对系统净负荷和不确定性因素短期快速变化，向电网提供的一种辅助服务。辅助服务市场运行时间相对较长，市场机制建设较为完善和独立。因此，灵活性产品可直接在辅助服务市场进行交易。

3.2 市场出清

根据供求平衡定理，按照能量市场的实时电价对灵活性爬坡产品的容量进行出清，在电力市场中，当灵活爬坡产品的价格高于能量市场时，市场主体会踊跃进入灵活爬坡产品市场，从而造成能量市场提供的电量不足的问题;当灵活爬坡产品的价格低于能量市场的实时电价时，市场主体没有提供灵活调节能力，那么将不利于灵活爬坡产品的广泛应用。所以，当能量市场和灵活爬坡产品市场出清价格相等时，市场达到均衡，市场主体可在不同市场上提供最优组合容量申报，得到自己的最优组合收益。

3.3 费用承担者

灵活爬坡产品的费用由偏离用电计划的电力用户和以风电、光伏为代表的可再生清洁能源发电商承担。因为偏离用电计划的电力用户会造成电力系统瞬时负荷骤增或骤减，给电力系统带来极大的不稳定性和不安全性，电力用户可能会面临停电或者尖峰电价，电力用户需要承担停电带来的损失和支付尖峰电价，RCP的提供和应用可以使用户避免这部分的损失。RCP的提供和应用可以让清洁能源发电机组通过多发电量的方式得到收益，所以由偏离用电计划的电力用户和以风电、光伏为代表的可再生清洁能源发电商承担RCP的费用是合理的。

4 结论

引入RCP的好处如下：首先，提前预留RCP能够有效降低实时运行中快速启动机组的调用频率，降低运行成本;其次，RCP可能会在一定程度上增加运行成本，但在系统调节能力紧缺的时段能够削弱稀缺价格的程度和频率，使电价保持相对稳定的状态。并且RCP的引入和应用过程中不需要增添新的电网设备或设施，而且RCP的价格相对于调频、备用来说较低。因此从整体上来看，引入灵活爬坡产品降低了整体的市场电价，RCP是一种比较经济的资源。

我国大量风电和光伏等清洁能源接入电网，引入灵活爬坡产品是我国大力发展清洁能源的趋势，我国电网推出灵活爬坡产品要实事求是，从实际出发。在借鉴国外现有的灵活爬坡产品市场化手段的过程中要结合中国现行的电力市场政策和我国电网的特点。面对灵活爬坡产品市场化带来的挑战，我国电力市场应该积极借鉴国外对它的应用经验，设计适应我国国情和电力市场的灵活爬坡产品市场机制，为RCP在我国的大规模开发和应用奠定坚实的基础。

参考文献：

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[13]ZUPANCIC J，PRISLAN B，LAKIC E，et al.Market-based business model for flexible energy aggregators in distribution networks[C]//2017 14th International Conference on the European Energy Market （EEM）.Dresden，Germany：IEEE，2017：1-6.

[作者簡介]李伟（1968—），男，陕西凤翔人，教授，硕士研究生导师，研究方向：电力经济评价、技术经济评价等;通讯作者：罗杨琴（1998—），女，贵州遵义人，硕士研究生，研究方向：电价理论与电力市场灵活性。