美國加州輔助服務市場發展解析及其對我國電力市場的啟示

2020-01-06 09:43:54 大云網  點擊量: 評論 (0)
基金項目:國家自然科學基金項目動態可控負荷參與電力系統調頻輔助服務理論與方法研究; 南瑞集團智能電網保護與控制重點實驗室項目大規模...

基金項目:國家自然科學基金項目“動態可控負荷參與電力系統調頻輔助服務理論與方法研究”; 南瑞集團智能電網保護與控制重點實驗室項目“大規模清潔能源跨省區消納的市場機制”; 寧夏電力交易中心科技項目“電力市場環境下促進新能源消納的多元化交易機制”;

文章編號:1000-3673(2019)08-2711-07中圖分類號:TM73

(來源:電網技術 作者:喻潔1, 劉云仁2, 楊家琪1, 高賜威1, 楊穎霞3, 丁恰4)

1.東南大學 電氣工程學院,江蘇省 南京市 210096

2.加州獨立系統運營商CAISO,美國 加利福尼亞州 95757

3.布雷托咨詢公司,美國 華盛頓哥倫比亞特區 20036

4.南瑞集團有限公司,江蘇省 南京市 210096

摘要

當前我國正處于新一輪電力體制改革的關鍵時期,完善的輔助服務市場是電力系統穩定運行的機制保障,解析國外電力市場輔助服務的發展歷程對我國電力市場建設具有重要的借鑒意義。首先介紹了加州輔助服務市場發展歷史及其輔助服務的種類,然后對比分析了兩種輔助服務的出清方法:分離順序法和協同優化法及其各自的優缺點;并結合加州新能源發展,介紹了應對新能源發電出力不確定性的新型輔助服務產品——靈活爬坡產品;最后分析了美國加州輔助服務市場對于中國現貨市場的可借鑒性并提出了建議。

關鍵詞 :輔助服務市場;分離順序法;協同優化法;靈活爬坡產品;

0 引言

輔助服務是保證電力系統安全可靠運行的基礎,輔助服務市場是完善的電力市場中不可缺少的功能。在新一輪電改的背景下,我國在電力市場改革的起步階段,也逐步開始建設輔助服務市場[1]。長久以來我國大多數地區的調頻服務是按照計劃體制下的輔助服務“兩個細則”進行考核,并按照規定的價格進行補償而并非通過市場方式[2]。其中較低的補償價格無法提高市場主體提供調頻輔助服務的積極性。此外,隨著電力市場的進一步完善和發展,僅依靠調頻輔助服務還是無法滿足保證電力系統經濟可靠運行的需求,需要建設多時間尺度、多類型交易品種完善的輔助服務市場機制。因此,在考慮中國實際情況的前提下,輔助服務市場的建設非常有必要吸取國外的經驗[3]。文獻[4]針對作為首個跨國區域市場的北歐的發展經驗對我國資源稟賦、網絡阻塞和負荷分布等現狀提出若干建議;文獻[5]介紹了英國輔助服務市場中的短期運行備用(short-term operation reserve,STOR)服務的運行與補償機制以及對中國輔助服務市場的發展和建設的啟示;文獻[6]通過分析英國、美國德州及北歐電力市場的交易結算機制,對我國單一買方模式下與輔助服務有關的不平衡電量處理提出了建議。

美國輔助服務市場是世界上最成功的電力市場之一,其市場模型、定價機制等都具有很高的借鑒意義[7-9]。此外,有的研究也關注了國外電力市場模式在我國的適應性[10-11]。

在美國多個電力市場中,加州電力市場是第一個正式投入運營的電力市場,經歷了主能量與輔助服務分離以及協同優化的發展歷程[12],與我國電力市場初步階段具有相似性,具有借鑒與研究價值。

本文以美國加州電力市場為例,介紹了加州電力輔助服務市場的發展歷史及其多種輔助服務,并對比分析不同的輔助服務出清方法的優缺點,最后對中國現貨市場中的輔助服務市場提出建議。

1 加州輔助服務市場發展歷史簡述

輔助服務市場是電力市場中的一部分,因此加州輔助服務市場是隨著電力市場而發展變化的。加州從1996年開始對其計劃管制下的電力系統進行市場化改革。改革的目的是想通過引入市場競爭來提高發電系統的效率,降低電價。當時,加州的電價是全美最高的電價之一,1990—1995年其全州平均零售電價為9.55美分/(kW·h),比同期美國平均零售電價高出40%。

加州電力市場從1998年4月開始運行,該年的全州平均零售電價為9.03美分/(kW·h)。運行初期輔助服務市場與日前能量交易分離運行,電力交易市場運營商(California Power Exchange,CALPX)負責能量市場的運行,而獨立系統運營商(California Independent System Operator,CAISO)負責輔助服務市場的運行。需要在輔助服務市場購買的產品包括4種:調頻備用,旋轉備用,非旋轉備用和替代備用,出清方法為分離順序法。

2001年的加州能源危機使平均零售電價從2000年的9.47美分/(kW·h)突然增長到11.22美分/ (kW·h)。之后,加州開始實行一系列改進市場設計的措施MRTU工程(Market Redesign and Technology Upgrade),并于2009年4月開始運營。從此時開始,加州不再將日前能量市場和電網調度分開,而是將日前市場與輔助服務市場等集合成一個統一優化的市場。

最近幾年,由于可再生能源配額制政策的推動,加州風電和光伏發電迅速增加,從2000年占總裝機量的大概5%,增加到2010年8%,到現在30%左右。從1998年到2009年的這10年時間內,全州平均零售電價從9.47美分/(kW·h)增長到了13.24美分/(kW·h),全州的總裝機容量從46 295.6MW增長到了59 188.6 MW,但全州的凈發電量(net generation)從199 415.29 GW·h減少到了190 636.87 GW·h。

加州的環境政策非常激進[13],相比傳統化石能源發電技術,風電和光伏發電的不完全可控性和不能完全預測性使得系統凈負荷(原負荷減去風力發電量減去太陽能發電量)在1天內大幅度變化。為了這一問題,2016年CAISO在實時市場引入了一種新的輔助服務產品“靈活爬坡產品”(flexible ramping product,FRP)[12]以應對預期之外的不確定性的凈負荷短時間的變化。

以下各小節對加州電力市場輔助服務種類、可替代性以及出清方法做詳細介紹。

2 加州電力市場輔助服務種類

在美國加州輔助服務市場上主要包括調頻備用和運行備用產品,以及2016年引入的靈活爬坡產品。

其中,調頻備用分為向上調頻(regulation up)和向下調頻(regulation down)。日前市場(day-ahead market)和實時市場(real-time market)每15min所需的向上調頻與向下調頻量由CASIO根據日前和實時市場的需求預測按適用比例確定。此外,CAISO根據調頻容量的需求確定任一結算周期內的調頻里程[7](regulation mileage),以及該結算周期內中標的調頻容量。其中,調頻里程是指15min內,每4 s之間,提供調頻備用的資源的AGC設定點之差的絕對值之和,如下所示:

美國加州輔助服務市場發展解析及其對我國電力市場的啟示

運行備用是為了應對負荷增加或供給側的資源減少輸出或停機的事件。運行備用通常分為旋轉備用(spinning reserve)和非旋轉備用(non-spinning reserve)。其中旋轉備用又被稱為同步備用,由正在在線發電并有能力增加出力的發電機組提供;非旋轉備用又被稱為非同步備用,由沒有在線發電但能在給定時間,通常在10 min到30 min內啟動并提供電力的發電機組提供。

其他的輔助服務類型,包括黑啟動能力(black start capability),無功備用和電壓控制(voltage support)等一般不在市場上實時購買,由ISO/RTO與提供這些服務的資源簽訂中長期合同得以保證。加州的輔助服務市場不包括調峰產品,調峰問題由日前能量市場做出的日計劃解決。2016年開始新增加FRP。在實時市場中,FRP是應對預期之外的不確定性的凈負荷短時間的變化而預留的爬坡容量,用于維持系統功率的平衡,以免出現因爬坡能力不足而導致系統失衡的現象。這種產品不參加日前市場和實時市場的投標競價,而只在實時15 min (fifteen minute market,FMM)和實時5 min市場(real-time dispatch,RTD)中由系統運營商根據發電機組的爬坡能力以及可用容量來購買。

3 輔助服務間的可替代性

在滿足可靠性標準的前提下,CAISO通過增加對某一種輔助服務的購買來替代其他輔助服務,以達到降低采購輔助服務總成本的目的。本節所述輔助服務間的可替代性(substitution)只用于購買輔助服務市場中參與投標的輔助服務,不包括自主提供的輔助服務。輔助服務間的替代基于以下原則:

1)調頻備用的需求只能由有資格提供調頻備用的資源進行投標來滿足。

 

2)調頻備用中向下調頻和向下靈活爬坡產品(flexible ramping down,FRD)都是減少出力的容量要求,而向上調頻、向上靈活爬坡產品(flexible ramping up,FRU)和旋轉備用、非旋轉備用一樣,都是增加出力的容量要求。額外的向上調頻容量可用于滿足旋轉備用和非旋轉備用的需求。

3)向上調頻和旋轉備用各自的需求必須由向上調頻和旋轉備用組合招標來滿足。即只要向上調頻和旋轉備用所需容量不大于某一資源的最大爬坡速率(單位:MW/min)乘以10,則可作為單獨的備用由該資源提供。

4)額外的向上調頻和旋轉備用的容量可用于滿足非旋轉備用的需求。

5)向上調頻、旋轉備用和非旋轉備用各自的需求必須由向上調頻旋轉備用和非旋轉備用組合招標來滿足。

6)向上調頻、旋轉備用和非旋轉備用3種輔助服務總的購買容量不會改變。

7)調頻備用容量無論其替代的是哪一種輔助服務,都將繼續被視作調頻備用容量。

8)特別地,在早期(1998.4—2009.4)加州電力市場中存在第4種具有可替代性的輔助服務:替代備用(replacement reserve)。替代備用是在一小時內可以提供的在線或非在線備用服務。早期的加州電力市場沒有可靠的機組組合的功能,不能處理短時期的機組開停需求,所以采用替代備用這種特殊的輔助服務來應對相鄰兩個運行時段之間的負荷變化。

同理額外的向上調頻、旋轉備用和非旋轉備用的容量可用于滿足替代備用的需求。

綜上,輔助服務市場中需要購買的4種輔助服務可按調頻備用(向上調頻)、旋轉備用、非旋轉備用和替代備用的順序,從高到低進行替代。

4 加州電力市場輔助服務的出清方法

如前所述,在加州電力市場發展過程中,經歷了兩種類型的輔助服務出清方法:分離順序法(sequential method)和協同優化法(co-optimization method)。本節將按照時間順序對這兩種方法進行詳細討論。

4.1 早期的分離順序法

從1998年到1999年,CAISO采用的早期的分離順序法沒有充分利用各種輔助服務之間的可替代性,使得各類型輔助服務的報價、出清和調用完全獨立,沒有達到資源利用的組合最優化。

基于分離順序法建立的出清模型所依據的原理如下:

1)質量次序。4種輔助服務產品按響應能力的質量次序為:向上調頻、旋轉備用、非旋轉備用和替代備用。高質量輔助服務需求必須在低質量輔助服務的需求之前得到滿足。向下調頻是唯一減少出力的容量要求,按照報價價格從低到高單獨出清。

2)目標函數。輔助服務出清模型的目標函數按MCP(market clearing price)最小值。對于任一輔助服務,從低到高最后接受的報價的價格設定為該產品的MCP。

3)約束條件。容量約束是一個機組可總接納容量不能超過其最大可用容量;需求約束是所有機組對某種輔助服務的中標容量應當大于這種輔助服務總的需求容量;爬坡能力約束是輔助服務接受的容量必須滿足該輔助服務在的特定的爬坡時間內爬坡能力的約束。

綜上所述,分離順序法出清模型如下。

美國加州輔助服務市場發展解析及其對我國電力市場的啟示

4.2 基于合理性購買者算法的分離順序法

Anjali Sheffrin博士提出了基于合理性購買者算法(rational buyer’s algorithm)[14]的分離順序法,在算法上實現了輔助服務之間的可替代性,這種方法從1999年一直使用到2009年3月。

與簡單的分離順序法的區別是,合理性購買者算法基于可替代性對需求約束條件作出了修改:所有機組對調頻備用的中標容量應當大于等于調頻備用的需求容量;對調頻備用和旋轉備用總的中標容量應當大于等于兩者總的需求容量;對調頻備用、旋轉備用和非旋轉備用總的中標容量應當大于等于3者總的需求容量;對調頻備用、旋轉備用、非旋轉備用和替代備用總的中標容量應當大于等于這4種輔助服務總的需求容量。

此外,基于合理性購買者算法的分離順序法是在所有滿足約束條件的機組組合中,評估出購買成本最低的。理論上采用窮舉法來完成算法[13]。

美國加州輔助服務市場發展解析及其對我國電力市場的啟示

這兩種分離順序法共同的優點為:市場規則比較簡單清晰,易于市場參與者發現問題,易于市場管理者查找、解釋和解決問題。該出清模型能使每種輔助服務的付費成本最低。共同的缺點為:所有輔助服務的總付費成本并不一定為最小值,并且分離順序法不可能考慮網絡阻塞的問題,還可能會產生價格倒置,即低質量的輔助服務的價格高于高質量的輔助服務的價格。

4.3 基于SCUC的協同優化法

2009年4月,MRTU工程投入運行,有了可靠性機組組合的功能,能夠處理短時期的機組開停需求,所以不再需要考慮替代備用這種輔助服務。但是,輔助服務之間仍具有可替代性,這個階段使用協同優化法。

與分離順序法不同的是,因為不同輔助服務的爬坡時間不同,也就是響應速度不同,在與主能量協同出清時,需要考慮時間尺度的問題;出清模型的目標函數改為總報價成本的最小值;約束條件中還需要考慮每臺機組提供的主能量與各種輔助服務容量的總和不能超過它的最大容量。特別地,雖然目標函數中也包括向下調頻的報價成本,但由于向下調頻不具有類似向上調頻的可替代性,它與主能量一樣,在約束條件中它的中標容量只需滿足自身的需求量,而與其他能量產品的需求量無關。

 

基于協同優化法建立的某一特定時刻tt的出清模型如下所示:

美國加州輔助服務市場發展解析及其對我國電力市場的啟示

該優化模型的本質為混合整數線性規劃,求解過程較為復雜。目前北美洲各電力市場普遍采用安全約束下的機組組合(security constrained unit commitment,SCUC)作為市場管理系統的主要工具,其中實行協同優化的核心就是混合整數(mixed integer programming,MIP)問題。

SCUC優化的目標函數不僅包括購買能量和輔助服務的報價成本,還包括在1天或幾天內機組的最小負荷成本,開機和停機的成本。雖然出清結果的能量和輔助服務計劃仍然是以小時為單位,但目標函數是最小化1天或幾天內總的成本。約束條件還要考慮機組的啟動時間,最小開機時間,最小停機時間,機組在1天或幾天內能夠提供的最大能量,機組在1天或幾天內允許的開停機次數等等約束。還有某些機組不能運行在某些特定的出力范圍,稱為禁止運行區間(forbidden operating region),優化時必須避開這些區間。

與分離順序法相比,協同優化法的市場規則比較復雜,開發時間更長,所需經費更多。但是協同優化法能保證主能量和所有輔助服務的總購買費用為最小值,并且能夠處理網絡阻塞的問題和防止產生價格倒置。

4.4 考慮靈活爬坡產品的協同優化法

FRP的需求依據相隔5 min的兩個時間點之間的凈負荷變化而定。CAISO通過歷史數據估算在一定的FRP數量下的電力失衡概率,將其乘以負荷損失的價值從而得到FRP的彈性需求曲線,以此決定購買靈活爬坡產品的容量[15]。在市場交易過程中,FRP不需要報價,購買時需要支付FRP與主能量和其他輔助服務協同出清時的機會成本。考慮靈活爬坡產品的協同優化將FRP需求曲線和其他輔助服務產品的需求以及發電廠的競標所形成的供應曲線一同進行優化,尋找到成本最低的優化解,從而確定每個產品的市場價格和數量[16]。

當考慮具有可替代性的調頻備用、旋轉備用和非旋轉備用3種輔助服務,并且有多臺機組參與競價時,協同優化的過程會變得更為復雜。因此,在建立FRP與主能量和其他輔助服務產品協同優化的數學模型時,以15 min為該模型的一次計算周期。在時刻t以總的報價成本的最小值為目標函數建立的簡化的數學模型如下所示:

美國加州輔助服務市場發展解析及其對我國電力市場的啟示

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5 對中國電力市場建設的啟示

建設現貨市場的目的為實現電力交易的公開、公平、公正,保障市場成員合法權益,促進電力市場的穩定、健康、有序、協調發展[18]。在現貨市場發展的初級階段,為了遵循“積極穩妥,平穩起步”的原則,需要借鑒國外電力市場經驗。CAISO作為北美洲現有的9個相對獨立的電力市場之一,對我國的啟示與可借鑒性表現為如下幾個方面:

 

1)分階段合理全面地考慮輔助服務產品類型。加州的實踐表明輔助服務市場和實時市場可以獨立于日前市場運營。我國各省市在建設電力市場的過程中,也可以考慮各地電網運行實際情況和市場成熟度、技術可行性等,按照實際需求分階段建立合適的輔助服務市場規則。輔助服務與主能量交易可以先分離再耦合。目前國內現貨市場中只考慮了調頻輔助服務,隨著市場的發展與成熟,還應豐富其它輔助服務品種。在現貨市場發展的初級階段,這些輔助服務可以先不在市場上購買,而是與提供這些服務的資源簽訂中長期合同得以保證。

2)高效經濟地求解輔助服務出清優化問題。對比分析CAISO中輔助服務的兩種出清方法:分離順序法和協同優化法,基于合理性購買者算法的分離順序法采用窮舉搜索來進行求解,基于SCUC的協同優化法的屬于MIP問題,求解起來更為復雜,計算時間比分離順序法要長得多[19-20]。

從經濟性的角度,CAISO中基于合理性購買者算法的分離順序法與早期的分離順序法相比,考慮了各種輔助服務之間的可替代性,當較高質量的輔助服務MCP更低時有利于節約總的購買成本。雖然現行的協同優化法與分離順序法相比,能夠求解出總的購買成本的最小值,并且能夠解決計算節點電價時遇到的網絡阻塞的問題,但是能夠支持協同優化法的系統的開發和實施要付出昂貴的代價。

在輔助服務市場逐步穩妥發展后,可以從分離順序法逐步發展成為協同優化法。我國存在較為明顯的網絡阻塞問題[21],可能導致節點電價的升高。因此最終選擇協同優化法會有助于提高系統的經濟效率。

3)輔助服務市場運行穩定性與總經濟成本最優性。輔助服務的主要用于在保證主能量順利傳輸與交易的同時保證系統的安全穩定。本文分析了輔助服務市場中參與投標的各種輔助服務產品之間的可替代性,通過放松需求約束來提高系統運行的穩定性,此外也提供了降低總經濟成本的機會;輔助服務的提供方多可作為主能量市場中的競爭主體,將主能量市場與輔助服務市場耦合,所有能量產品協同出清能促進資源提供輔助服務的積極性。輔助服務市場運行穩定性和總經濟成本的最優性是發展我國電力市場需要考慮的重點,也是影響其發展的重要因素。

4)針對可再生能源并網帶來的新需求開發新產品。雖然美國在輔助服務產品的市場設計和改革不一定對中國都適用,但是可再生能源對電力系統的挑戰在中國和美國乃至全球都是有相同之處的。加州在應對可再生能源并網帶來的挑戰方面對中國非常有借鑒價值。為解決可再生能源不可控和不確定性帶來的對管理系統可靠性的挑戰,需要重復考慮系統對輔助服務的需求,針對這種需求優化產品開發的品種和規格要求,如CASIO新開發的靈活性爬坡產品FRP就是針對新需求的積極探索。但是在CASIO在FRP實行過程中的失誤也充分說明,在輔助服務市場設計中對產品類型的劃分以及價格的定位一定要經過周密的考慮、細致的分析、充分的模擬來避免造成失誤和社會資源的浪費。

6 結論

本文通過對美國加州輔助服務市場發展歷程的解析,分析了各種輔助服務之間的可替代性與輔助服務出清方法:早期的分離順序法、基于合理性購買者算法的分離順序法與基于SCUC的協同優化法,并且總結了它們的優缺點,提出了CAISO經驗對我國輔助服務市場的啟示。我國仍處于電力市場的探索階段,需要結合體制改革與市場化進程合理規劃輔助服務市場,兼顧達到系統運行穩定性與市場競爭公平性。在現貨市場發展的初級階段,可以考慮除必須的調頻輔助服務之外,其他輔助服務簽訂中長期合同;在市場經過一段培育時期,可以發展多種輔助服務產品,多類型輔助服務產品的出清可以參考加州電力市場早期的分離順序法以及合理性購買者算法;在主能量市場以及輔助服務市場都發展到一定程度后,考慮協同優化法;針對可再生能源并網帶來的新需求開發新產品。

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原標題:美國加州輔助服務市場發展解析及其對我國電力市場的啟示

 

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責任編輯:葉雨田

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