新型电力系统中的规划运营与电力市场:研究进展与科研实践

“碳达峰、碳中和”战略目标下,能源结构清洁化—可再生能源并网比例不断提高、能源要素多元化—发输配用各环节海量灵活性资源接入两大趋势带来的挑战,对电力规划、调度运营、电力市场产生了重大影响。规划中如何综合考虑海量运行场景与多元化要素,运营中如何高效调度多样灵活性资源,市场如何设计机制激励主体提供灵活性,都是新型电力系统建设亟待解决的问题。该文从电力规划、调度运营、电力市场3个层面出发,对近年来新型电力系统中规划运营与电力市场的相关研究进展进行系统梳理,涵盖基础理论、机制设计、应用研究、系统研发等多类型研究文献。进一步从规划、调度、市场3个方面展望未来研究趋势,如新型要素接入下的电网韧性、电碳耦合调度理论与高效求解技术、辅助服务与容量市场交易品类、考虑储能等新型主体的市场交易机制等,以期为我国新型电力系统的建设提供有益参考。

PJM电力市场风险管控措施及对南方区域的建议

电力市场改革的深化对电网运行风险管控提出了新的要求。通过总结PJM(Pennsylvania-New Jersey-Maryland)电力市场的风险管控策略,从两个方面分析其电力系统物理运行风险管控策略:包含长期、短期和实时的风险事故发生前措施,执行紧急中断与恢复的风险事故发生后措施;从日前的可靠性机组组合、与电能量市场联合优化的辅助服务市场、中长期的容量市场和输电权市场四个方面分析其基于电力市场的风险管控策略。并将其与南方电网现有风险管控措施相对比,提出了进行多时段风险评估、采取调度-市场相结合的管控风险手段、建设完备的市场体系、成立风险委员会等多方面建议。

适应新型电力系统的电力互替品市场——(一)理念与构想

新型电力系统重塑了能源生产消费结构,电力市场机制也需随之改变。首先,分析指出提升系统调节能力是新型电力系统下市场机制设计的首要目标;围绕该目标给出了市场机制应具备的特点,包括利于激发调节动力、释放调节能力、接纳各种新型调节资源等。其次,对世界各国现货市场普遍采用的分时交易机制进行了分析,指出其与新型电力系统存在诸多不适应之处,包括市场主体调节贡献无法被量化表征,市场主体连续运行特性与分时交易机制相矛盾、调节能力难以完全释放,以及难以满足海量柔性资源直接参与电力市场的需求等。为此,文中舍弃分时交易的方式,转而提出整体交易机制与电力互替品概念,介绍了形成与交易电力互替品的主要思路,并以电力互替品为核心构想了新型市场机制。该机制可通过调节责任划分量化各主体调节贡献,激发市场主体的调节动力;同时,也能促进市场主体主动优化自身运行方式,释放调节能力;具有易于扩展的优势,可轻松接纳新型电力系统下层出不穷的各类新型主体。

考虑高比例新能源消纳和火电机组调峰补偿的电力现货市场交易机制设计

针对新能源参与市场竞争和保障性消纳的矛盾,设计高比例新能源电力系统现货市场交易机制。首先,考虑到新能源的市场性消纳,对电力现货市场现有出清机制进行改进,在新能源和火电机组共同参与市场竞价的交易环境下建立出现弃风弃光时触发的发电替代模型,调动火电机组调峰能力,由新能源替代火电进行发电;其次,提出激励相容的结算机制,由新增消纳空间的新能源给予火电机组调峰补偿;最后,对不同调度场景进行仿真计算,结果表明所提机制能够在电力现货市场中实现调峰资源的供需匹配,促进新能源市场化消纳的同时补偿火电机组调峰费用,保证市场主体竞争公平、收益合理。

面向电力现货市场的独立储能经济性分析与容量补偿机制探索

新型储能技术的快速进步为提升电力系统灵活性提供了更多技术选择,也为构建竞争性灵活资源市场提供了条件。国外部分独立系统运营商为适应储能物理特性,在能量市场、辅助服务市场、容量市场、输电资产方面做了机制探索;国内一系列电力体制改革文件强调探索容量补偿机制以鼓励新型储能投资建设,但国家层面尚未出台针对新型储能的容量补偿政策。结合主流新型储能技术经济参数与国内典型地区现货市场价格曲线,测算了现货市场环境下各类新型储能经济性差异与未来趋势,并基于国内外容量补偿机制经验与研究成果,研究不同容量补偿机制情景下容量电价对提升新型储能经济性的作用。研究发现,以锂电池为代表的新型储能已开始显现相对于抽水蓄能的经济性,赋予新型储能独立市场地位,鼓励其参与电力现货市场,有助于降低新能源发电系统消纳成本。然而,目前新型储能参与电力现货市场仍面临阻碍,为此在容量补偿、现货与辅助服务市场建设等方面给出了政策建议。

面向电力市场的用户侧电力电量预测综述

对电力电量准确预测,把握其不确定性和随机性对电力市场的管理和发展具有重要意义。该文首先对电力市场及其环境下电力电量预测进行了简要概述;其次,从数据预处理、预测方法和预测场景3个角度出发,对面向电力市场的用户侧电力电量预测研究现状进行了总结与分析,详细阐述了新兴负荷、考虑分布式电源的接入、考虑需求响应、面对特殊事件与极端环境和面对综合能源系统5个场景下用户电力电量预测现状;最后,对现有研究面临的挑战进行了分析,并对未来研究方向进行了展望。

基于改进极限学习机的电力市场实时电价预测方法

针对实时电价数据波动性强及其影响因素复杂,导致现有预测模型稳定性及预测精度低的问题,提出了一种基于改进极限学习机的电力市场实时电价预测方法。设计了基于经验小波变换的实时电价数据分解方法,将电价序列分解为接近价格的低频信号和噪声的高频信号。同时提出基于改进随机森林的实时电价特征提取算法,根据预测重要度获取最优的电价影响因素特征组合。以此为基础,将核函数替代极限学习机隐藏层构建了R-KELM预测模型,更好地反映了多因素影响下实时电价的不确定性和波动性。以PJM实时电价数据为例,结果表明,所提方法可以有效克服电价数据强波动性及高特征冗余的问题,预测模型准确性及稳定性得到显著提升。

能源系统低碳转型背景下的混合电力市场体系结构与设计

能源系统低碳转型的背景下,各国电力市场的运行面临多方面的政策边界,为解决政府如何干预市场以实现多维目标的问题,在以两阶段市场竞争理论为核心的混合电力市场的基础上,结合电力市场体系中政府与市场的驱动关系,对混合电力市场展开进一步研究。首先,对传统电力市场的均衡原理和面临的挑战进行了深入分析,并对电力市场中政府干预市场的原因进行分类讨论,包括外部性、市场体系不完善、市场机制不完善、市场竞争不完美等。然后,结合两阶段市场竞争理论对混合电力市场基本结构的意义和面临的挑战进行讨论。在此基础上,提出了包括短期和长期、市场和政府的两维四模块的混合电力市场扩展结构,并对其设计的关键步骤和内容进行了分析。最后,结合中国电力市场建设存在的问题,对混合电力市场中政府干预方式的设计进行了讨论。

高比例水电电力市场关键问题及其进展

中国西南地区和长江流域上游开发的水电需大规模外送,在电网中的高占比使得所在区域高坝大库水电参与复杂电力市场不仅势在必行,而且充满挑战。市场化过程中如何避免结构性、竞争性弃水和缺电,如何实现对电网的有效调峰是我国水电参与电力市场的核心问题。本文概要总结了水电参与电力市场的4个关键问题,简述了巴西、北欧,中国的云南、四川以及南方电网水电参与电力市场的情况,并从实用化角度给出了水电参与电力市场的4个重要进展:水电复杂边界条件下高效建模极大提高了水电参与现货、水电竞价的求解效率,也提高了电力交易精细化水平;水电市场化边界护栏为水电参与电力市场提供了前置条件,能够提高水电对电网的保供能力;水电现货出清方法解决了包含水电的现货出清效率低、竞争性弃水、交易结果难执行等问题;水电竞价方法,为大型水电基地合理配置市场资源和减少不确定性风险,推演竞争对手的竞价行为和竞价策略,统筹考虑水电收益与调峰、生态、通航等社会责任提供了重要的可行方法。随着双碳目标加速推进,如何通过市场化发挥水电“量”的保供和“绿色”价值以及“力”的“灵活性”价值,是未来需要深入研究的关键工作。

基于海博平台的可再生能源电力市场空间分析软件开发研究

为了更好地服务指导国际可再生能源市场开发,进一步完善和提升海博平台的规划功能,开发了一种基于海博平台的可再生能源电力市场空间分析计算软件,形成了一套可靠的完备的规划分析计算流程,可以实现可再生能源资源评估、负荷预测、电力电量平衡分析、电源规划、系统经济性计算等分析计算功能,提高规划工作的系统性,提高成果的科学合理性,并基于软件计算提出可再生能源开发利用方案及综合能源多能互补基地布局建议。该软件具有较强的创新性和良好的应用前景,可供实际工程参考。

电力市场中分布式能源整合交互模型研究

开发考虑不确定性的电力市场模型,可促进分布式能源资源的市场整合,同时支持与电网公司合作解决网络使用问题。提出了一个整合交互模型,通过该模型激励灵活性发电来源以减轻可再生能源间歇性的影响,同时确保提供可靠的电力以及保证市场参与者获得一定效益。首先,分布式能源发电商在日前市场中竞标,如果无法实时满足其日前承诺,则会受到处罚。其次,为了对冲分布式能源不确定性,这些分布式能源发电商在事前期权市场从天然气发电厂等灵活性来源购买储备期权。天然气发电厂保留一些燃料以备分布式能源短缺的情况下使用,而分布式能源发电商则购买在需要时请求使用该储备的权利。然后,求解耦合的日前市场和期权市场中发电机组组合的最佳策略,并证明这些期权增加了电网从分布式能源中获取的发电量,并为灵活性发电厂提供了足够的报酬。在测试系统对所提出的方法进行了评估,与基准情况相比,基于所提出的交互方法在电力市场中实现了互惠互利的交易环境,促进了分布式能源整合。

电力市场化改革与全国统一碳市场建设关联协调发展的研究探索——基于交叉补贴和价格传导的双重视角

“电—碳”市场协同发展在推动能源清洁发展、应对气候治理方面具有重要作用,然而当前我国电力市场和碳市场运行相对独立,二者发展协调性亟待提高。鉴于此,基于交叉补贴和价格传导的双重视角,对电力市场中不同类型用户间的电价交叉补贴、电碳市场关联的价格传导效应以及碳市场的价格设计进行细致探讨具有重要理论意义,并且通过探讨设计电碳市场关联协调发展机制如何推动实现碳达峰、碳中和目标具有重要现实意义。具体来讲,电力市场化改革与全国统一碳市场建设关联协调发展可以从三个方面进行研究:第一,基于交叉补贴视角,明晰交叉补贴如何引致能源效率损失并降低社会福利;第二,围绕电力市场化改革和“双碳”目标,探讨电力市场价格扭曲导致的无谓损失如何影响碳排放,进而通过电力价格机制优化实现碳约束目标;第三,聚焦价格传导,在评估电力市场效率基础上考察电碳关联条件下碳价对电价的传导率,对不同场景下碳市场的碳价进行优化设计。深入探讨上述三方面问题将对驱动电力市场和碳市场协同发展,统筹推进碳达峰、碳中和具有重要的理论和现实意义。

考虑碳交易的电力现货市场出清多阶段优化模型研究

近年来,随着我国电力现货市场和碳市场的逐步完善,如何更好地实现电力现货市场和碳市场深度耦合,推进电碳市场向竞争市场发展已经成为一个新的研究重点。该文提出了一个考虑碳交易的电力现货市场出清多阶段优化模型,并对该模型下的电力现货市场均衡问题进行了分析。在模型的第一阶段,建立了市场机组碳配额分配模型;在第二阶段引入阶梯碳交易机制,结合各机组的碳配额,建立考虑电能量成本最小和阶梯碳交易成本最小的电力现货市场出清模型;在第三阶段,结合前两个阶段确定的各机组碳配额和中标信息,建立以电能量成本最小为目标的电价追踪模型和机组碳成本计算模型。最后将该文模型在改进的PJM5节点系统(Pennsylvania-New Jersey-Maryland 5-bus power grid)上实现,并从出清结果和市场均衡结果两个方面验证了模型的有效性。结果表明,该文所提模型能够实现市场出清经济目标与低碳目标之间的平衡,能够在不增加电碳耦合总成本的基础上实现最大的碳减排量,同时通过增强发电机组参与市场竞争的主观能动性,降低了用户侧用电成本。

山西电力备用辅助服务市场机制设计与实践

电力备用辅助服务市场是反映备用服务价值、引导传统火电和新型主体积极提供备用服务、支撑新型电力系统构建的重要机制。山西在电力现货市场和调频辅助服务市场正式运行的基础上,针对新能源高占比下电网备用灵活调节资源不足的问题,研究提出了主辅协调的正备用辅助服务市场交易机制。在市场机制设计上,山西采用现货电能量市场和正备用市场的总费用最低为目标确定机组组合、再顺次出清备用和电能量市场的半耦合出清协调模式,并给予备用服务供应商除中标容量补偿以外的富余发电容量补偿费用,以充分反映备用服务保供应和促消纳的双重价值。算例分析及山西正备用市场模拟试运行结果表明,备用服务市场建设有利于发现备用调节价值,优化系统调节资源配置,相关成果可为国内备用市场建设提供参考。

考虑新能源发电商租赁共享储能的电力市场博弈分析

针对实际中储能资源利用率不高等问题,提出一种新能源发电商和储能运营商之间的储能租赁共享模式,其中储能运营商除了租赁部分储能给新能源发电商外,还可利用剩余储能独立参与市场竞争,因而该模式有助于提高储能资源利用率。为了研究该共享模式对电力市场运行的影响,建立了考虑该共享模式的日前电力市场双层博弈模型,其中,上层为储能运营商与多个新能源发电商基于讨价还价博弈理论来确定储能租赁价格的优化模型,下层为新能源发电商、储能运营商与传统发电商作为价格影响者参与日前电力市场竞争的多时段非合作博弈模型。然后采用非线性互补方法将双层博弈模型转化为单层优化问题求解。最后通过算例仿真验证所提出租赁模式的合理性和有效性。

电力现货市场中基于发电商竞价均衡情景的市场力缓解模型与方法

随着市场化改革的不断深入,目前电力现货市场面临市场力滥用的风险。针对电力现货市场基于统一边际出清价格(marginal clearing price,MCP)的单边竞价机制,该文研究和设计一种市场力行为检测指数,并提出相应的缓解措施或机制,旨在有效遏制发电商市场力的行使。具体地,该文分析和证明基于统一MCP的单边竞价机制下发电商理性行使市场力的规律和条件,设计市场力行为(事后)检测指数;采用限制价格涨幅和考虑用电方福利最大化准则,提出两种可缓解发电商市场力行使的措施或方法;结合新能源市场化消纳发展趋势与政策要求,构建一种“同时报价、序贯出清”的联合竞价模型。算例分析验证所提方法的有效性及在未来电力现货市场中应用的合理性。

适应新型电力系统的电力互替品市场——(二)商品形态及形成机理

当前的电力现货市场基础理论是在新能源占比极低情况下提出的,其所依据的“分时交易”假设无法适应新型电力系统新能源占比日渐趋高、调节需求日益增加的新情况。为此,文中舍弃“分时交易”的基本假设,将功率曲线作为有机整体进行交易,探讨商品形态及形成机理。首先,分析对比“分时交易”与系列论文提出的“整体交易”中商品的形态,揭示“分时交易”中电力商品在各时段同质的假设在实际中不能成立的根本原因。其次,从市场组织者角度出发,探讨电力互替品的性质与形成过程,指出电力除具备生产使用价值外,还具有平衡价值,并定义互替电量、调节电量分别对这两种价值进行表征与量化。进而,从市场主体角度出发,以电力互替品的形成成本最小为目标,提出市场主体自主优化形成电力互替品的方法。进一步指出,各主体还可互补聚合形成电力互替品,适应海量分散的新型市场主体进入市场。最后,算例从量、质、价三个方面展示电力互替品的形成过程,分析了影响电力互替品形成成本的关键因素。电力互替品的形成过程,正是市场主体从计划式的“被动提供灵活性”变为市场化的“主动提供灵活性”的过程,也正是系统调节能力的挖掘提升过程。

电力交易产品细分市场协同机理研究

随着电力市场和可再生能源发电技术的发展,国外典型电力市场在建立电能量市场交易机制后,又相继出现了电力辅助服务和容量等多种电力产品细分市场。我国电力市场建设起始阶段恰逢电力系统转型,系统长期充裕性与短期灵活性不足的问题同时凸显,为有效地发挥市场机制在保障电力系统安全稳定、可靠供电和资源优化配置的多重作用,需对电力细分产品市场的协同机理进行研究,以为电力市场的产品结构体系和关键交易机制设计提供理论基础。该文基于电力系统运行的物理规律,运用市场经济理论,揭示了以“功能互补、时序配合、价本互映、收益互斥”为核心内涵的电力产品细分市场协同机理;以加州电力市场发展沿革为例进行了电力交易产品细分市场协同机理实证分析;并基于所揭示的协同机理,结合宁夏电力系统实际和未来发展需要进行了宁夏电力市场的产品结构体系与关键交易机制设计。通过实证分析与规范设计的实例,验证了所揭示协同机理对电力市场的普适性作用,以期为电力市场协同建设提供理论工具。

绿色电力消费与碳交易市场的链接机制研究

区别于国际碳市场仅纳入直接排放(范围1)的普遍设计,中国依据自身的国情除纳入直接排放(范围1),还纳入因外购电力、热力产生的间接排放(范围2)。随着绿证全覆盖制度的推进,企业绿色电力消费如何与碳市场链接成为争论的焦点。为避免重复计算、交叉补贴与“漂绿”风险,提出绿电在间接排放核算时直接扣减对应电量,剩余电量按火电处理。同时,依据绿证的成本额外性与效应额外性提出,不同类型绿电项目产生的绿证应设置不同的时间限制,存量项目6年内的绿证可用于碳市场链接,新增项目签发的绿证使用21个月原则。且需碳市场纳排企业绿电消纳比例超过所在省份可再生能源电力考核权重比例才可以进行链接。该方法较其他方法在简便性、公平性与避免重复计算方面都更优。该机制的提出可为中国电-碳市场耦合的高质量发展提供决策参考。

面向电量-调频-容量市场的数据中心园区算力及电力资源规划

数据中心广泛建设是智能时代的发展趋势。如何在保证数据中心服务质量的前提下,考虑数据中心负荷转移特性,并对其进行合理规划,对降低数据中心规划总成本及提升新型电力系统灵活性均有显著意义。为此,提出一种考虑多元电力市场引导下的数据中心园区算力及电力资源优化规划方法。首先,通过多面体定界收缩法建立虚拟发电机和虚拟储能模型,描述数据中心园区的聚合可调特性。然后,根据不同电力市场的结算规则,研究了数据中心园区参与电量-调频-容量市场的方式和经济收益。在此基础上,以综合成本最小化为目标,优化数据中心园区发电机、储能的建设容量以及服务器的建设数量。最后,以阿里巴巴公开运行数据为例,证明考虑多元电力市场能够大大降低数据中心规划成本,激励数据中心园区投资建设更多灵活性资源,为电网提供有效的调频服务和容量支撑。