电力市场中灵活调节产品定价机制以及优化组合模型研究

李伟 刘译阳

[摘要]为了积极响应2050年形成可再生能源为主的能源体系这一目标，缓解高比例可再生能源并网后对电力系统运行灵活性提出的更高要求。文章参照美国加州独立运行机构提出的灵活调节产品，设计符合我国电力市场特点的灵活调节产品定价机制。首先，文章从大规模可再生能源接入后对电力系统运行产生的影响出发，介绍了灵活调节产品的定义及性质，以及产品设计的作用及必要性;其次，基于改进的节点边际电价法对灵活调节产品进行定价并提出定价模型;接着提出了灵活调节产品与传统辅助服务的优化组合模型，以保障系统运行成本最低;最后对灵活调节产品在未来实际应用中有待研究的问题进行总结。

[关键词]灵活调节产品;节点边际电价;辅助服务

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2021.32

目前，人类正面临着环境污染和非再生能源日益枯竭等严峻考验，低碳经济、能源绿色化已然成为全球共同发展的目标，因此可再生能源发电得到广泛关注。2015年4月，国家发展和改革委员会能源研究所发表的《中国2050高比例可再生能源发展情景暨途径研究》中明确指出，到2050年形成可再生能源为主的能源体系，可再生能源在能源消费中的比例达到60%以上，完全实现能源生产和消费革命[1]。2015年，9号文的发表引领着新一轮电力体制改革的稳步向前，并且为可再生能源发电和电力系统运行灵活性奠定基础。9号文的配套文件《关于有序放开发用电计划的实施意见》中提出坚持以节能减排和清洁能源优先上网为主要原则，促进清洁能源多发、满发[2]。

由于高比例可再生能源发电出力具有不确定性，针对这一不确定性，美国加州独立运行机构和美国中部独立运行机构率先提出了灵活调节产品，初步应用并且取得了一定的效果。类似的，英国推出需求开启产品（Demand Turn-up，DTU）在可再生能源发电出力不确定时，为系统提供爬坡/滑坡能力。灵活调节产品在中国电力市场尚未引起重视，这与国内近年提倡清洁能源上网背道而驰，那么如何进一步推进灵活调节产品在电力市场中交易是促进可再生能源消纳的首要任务。

1 灵活调节产品的背景及意义

灵活调节产品（Flexible Ramping Product， FRP）是指可控资源在给定响应时间内的调节能力，其中包括爬坡/滑坡能力，用于满足实时调度中两个时段之间的净负荷变动（系统净负荷=系统实际负荷-间歇性可再生能源发电出力）。FRP是一种用于满足实时调度中两个调度时段净负荷变化的辅助服务市场产品。由于电能不可以大量储存，因此电力系统有功功率要达到实时平衡。以往对系统灵活性的挑战是负荷侧具有波动性，针对负荷侧的波动，电力市场提出了调频、备用等辅助服务。随着高比例可再生能源的并网，可再生能源发电出力具有不确定性，电源侧也出现了波动，因此FRP应运而生。

我国部分地区弃风、弃光现象比较严重，无法实现可再生能源全额消纳，不同地区的弃风、弃光原因各不相同，归根结底是由于系统灵活性不足导致的，因此在电力市场中引入FRP提高系统灵活性刻不容缓。目前，国内对于电力系统灵活性的研究主要是理论方面，而FRP作为一种新型电力产品虽然在国外受到广泛关注和应用，但是由于国内电力行业的管制程度和计划性较强，缺乏成熟的市场条件对FRP进行交易，因此如何设计FRP定价机制，是FRP在电力市场中进行交易的基础。在定价模型的基础上，设计FRP与传统辅助服务的优化组合模型，能够进一步完善FRP在电力市场中的交易方式。本文借鉴国外FRP交易机制，基于改进的节点边际电价法，针对国内电力市场情况设计出FRP的定价模型及其与辅助服务的优化组合模型。

2 灵活调节产品定价模型

2.1 灵活调节产品的定价方法

基于节点边际电价（Locational Marginal Price，LMP）的现货市场，以每个节点向用户供电的边际成本确定节点电价，能够科学衡量能量价值。由经济学基本原理可知，在完全竞争的市场环境下，使用边际成本定价法对FRP进行定价，可以达到个体利益最大化的同时，达到社会福利的最大[3]。因此本文基于节点边际电价法对FRP进行定价，提出FRP的定价模型。

节点边际电价的计算在理论层面和电力市场实际交易中心都较为完善，目前在绝大多数理论研究方面以及PJM手册关于节点边际电价的表述都是由三方面构成的，包括系统电能价格、阻塞价格以及网损价格[3]。实际上，在FRP的定价过程中，节点边际电价除了上述三方面的影响之外，也受到机组最大/最小出力约束、机组爬坡/滑坡约束等约束的影响。仅仅依靠传统的节点边际定价法无法完全表达FRP受制约的分量，因此本文引入新的节点电价分析方法来对FRP进行定价分析。

2.2 灵活调节产品的定价模型

2.2.1  目标函数

FRP的节点边际电价是指在特定位置利用所有可用发电资源，考虑所有输电约束，为供给下一个电力的而产生的最小生产费用。它是衡量在当前系统运行状态下，某一节点此时刻的能量价值，它也被定义为影子价格，即对偶变量的节点能量平衡约束，或拉格朗日函数对于增量负荷变化的偏导数。以FRP提供爬坡能力为例，记及上述4项输电约束后，构造的拉格朗日函数如（2-7）所示。

3 灵活调节产品与辅助服务的优化组合模型

在国际上目前运营的电力市场中，多数采用能量-辅助服务联合出清模型，在这种模式下，系统运行机构能够以经济的方式保障电力供需平衡，并同时满足辅助服务要求[5]。对于市场参与者而言，其容量和爬坡/滑坡能力可以在能量、调频和备用之间进行合理分配[4-5]。系统购入FRP后，原有出清模型的目标函数的主要变化在于增加了购买灵活调节产品的成本，下面以系统运行成本最低为目标函数，构建灵活调节产品与辅助服务的优化组合模型：

其中， 为0-1整数变量，表示机组 在 时段的状态，1为开机状态，0为停运状态; 表示机组 的开机成本; 、 分别表示 时段的能量价格及机组 提供的出力; 、 分别表示 时段的向上调频价格及机组 提供的向上调频容量; 、 分别表示 时段的向下调频价格及机组 提供的向下调频容量; 、 分别表示 时段的旋转备用价格及机组 提供的旋转备用容量; 、 分别表示 时段向上FRP的边际出清机会成本和机组 提供的向上FRP的容量; 、 分别表示 时段向下FRP的边际出清机会成本和机组 提供的向下FRP的容量。

式（13）表示机组 所能提供的所有向上调节的服务总和受到其爬坡能力的约束，其中 表示爬坡速率， 表示市场出清时长，一般为5或10分钟。类似地，式（14）表示机组 所能提供的所有向下调节的服务总和受到其滑坡能力的约束，其中 表示滑坡速率。式（15）、（16）分别表示最大和最小有功功率约束，其中 、 分别为最大、最小有功出力約束。

4 结论与展望

FRP作为一个新型辅助服务进入市场存在一定的困难，FRP的引入在一定程度上会增加系统运行成本，但FRP可以在系统运行负荷过量时提供一定的灵活调节容量，从而可以预防尖峰电价的产生，从总体上看FRP提高了系统运行效率和市场经济效益。由于FRP发展尚不成熟，需要对产品设计优化组合方案、相应的政策补贴从而激发FRP进行市场优化资源配置。为了实现FRP的发展和推广，有以下方面有待研究：1）借鉴国外FRP的交易模式，设计适合国情的政策鼓励具备灵活调节能力的机组提供FRP。2）深度挖掘不同形势的灵活性资源，根据资源属性和经济效益对其进行包装设计成FRP。3）随着市场成熟发展，将辅助服务费用逐步分摊到用户侧，并完善FRP相关的辅助服务市场机制。

参考文献：

国家发展和改革委员会.中国2050高比例可再生能源发展情景暨路径研究[R].北京：国家发展和改革委员会能源研究所，2015.

新一轮电力体制改革的深度解读[J].能源，2015（7）：82-89.

史新红，郑亚先，薛必克，冯树海.机组运行约束对机组节点边际电价的影响分析[J].电网技术，2019，43（8）：2658-2665.

胡嘉骅，文福拴，马莉，彭生江，范孟华，徐昊亮.电力系统运行灵活性与灵活调节产品[J].电力建设，2019，40（4）：70-80.

胡嘉骅. 电力系统灵活性提升方法及灵活调节产品获取机制[D].浙江大学，2018.

[作者简介]李伟（1968—），男，东北电力大学经济管理学院教授，博士，研究方向：能源政策。