国外典型电力辅助服务市场产品研究及对中国的启示

目前中国电力辅助服务市场仍处于初级发展阶段,产品分类及交易补偿规则仍不健全。伴随着电力市场改革的推进,辅助服务市场资源不断丰富,参与主体不断扩大,对辅助服务产品及交易机制的设计提出了新的要求。国外辅助服务市场发展较早,较为成熟,且不断处于更新完善当中。因此,我国亟需总结国外先进的辅助服务市场建设经验,并结合实际情况对我国辅助服务市场做出设计。选取澳大利亚、美国PJM及北欧等国家和地区电力市场,分析其辅助服务市场发展历程、辅助服务产品种类及交易时序等并进行对比,结合我国辅助服务市场发展现状,从区域范围划分、顶层设计、产品划分及市场发展趋势等方面,得出了上述典型电力市场对我国辅助服务市场机制设计的启示。

0 引言

2015年3月,中共中央、国务院正式下发《关于进一步深化电力体制改革的若干意见》,提出建立辅助服务新机制的要求,辅助服务市场建设势在必行。很多学者对不同国家电力辅助市场及国内电力辅助市场交易机制设计进行了研究[1-6],但关于辅助服务产品类型比较类文献较少,且涉及辅助服务市场对比类文献较早。因此,对国外先进辅助服务市场及其演变进程进行分析,研究辅助服务产品及交易机制成为我国辅助服务分阶段建设的重要环节。本文通过研究国外辅助服务市场发展进程、监管机构、产品种类、交易机制、交易时序等内容,总结其市场建设经验及对我国分阶段辅助服务市场建设的有益启示。

1 澳大利亚电力市场

澳大利亚电力市场分为国家电力市场(national electricity market,NEM)和批发电力市场(wholesale electricity market,WEM),除西澳大利亚州采用WEM外,其他州执行NEM。其发展过程如图1所示。NEM辅助服务分为：频率控制辅助服务(frequency control ancillary services,FCAS)、网络支持控制辅助服务(network support control ancillary services,NSCAS)以及黑启动辅助服务(system restart ancillary services,SRAS)。

能源市场运营商(Australian Energy Market Operator,AEMO)负责能源市场的运营,统一购买辅助服务以保证电力系统安全、可靠运行。AEMO作为平台既可以向市场参与者购买有偿辅助服务,也可以向市场参与者收取其购买辅助服务的费用[7]。AEMO每年编制辅助服务报告,并提交给经济管理局(Economic Regulation Authority,ERA)。辅助服务市场发展历程如图1所示。

图1 澳大利亚电力市场改革阶段划分

1.1 国家电力市场NEM

NEM中,FCAS在8个市场中进行招投标交易,NSCAS和SRAS均通过签订长期协议进行交易。由于澳大利亚NEM辅助服务市场主要运行FCAS市场,本文着重介绍FCAS市场。

1.1.1 FCAS市场

AEMO利用FCAS使系统频率维持在接近50Hz的标准上,分为调节调频(regulation)和应急调频(contingency)。调节调频通过响应负载或发电的微小偏差来维持发电/需求平衡;应急调频是指对主要应急事件(如发电机组/主要工业负载的损失)或大型输电元件引起的发电/需求偏差校正[7]。表1从调节和应急调频两个方面来介绍。

表1 澳大利亚NEM调频辅助服务市场

已向AEMO注册的参与者必须参加每个不同的FCAS市场,通过提交适当的offer或bid来参与市场。澳大利亚实时电力市场技术支持系统联合调度机组的发电出力与各种调频辅助服务,以实现最低的购电与调频成本之和。

FCAS报价与实时电力报价基本相同,分价格和容量两部分,报价方案有10个价位,每个价位对应可提供调频辅助服务容量数,报价从高到低排序。发电容量由调频辅助服务梯形图决定,梯形图通过启用限制(enablement limits)和断点(breakpoints)定义[8]。如图2所示。

图2 通用FCAS梯形图

澳大利亚FCAS市场同能量市场联合出清,市场出清分为预出清和实时出清。预出清分为全日报价及滚动调整,全日报价即一次性报下个交易日的价格;滚动调整每5min更新一次未来1 h内每5 min节点上预出清和发电安排,整点和半点更新未来1 h往后每30 min节点上预出清和发电安排。其预出清机制时序如图3所示。

图3 FCAS预出清机制时序图

各个价区主辅市场电力价格在市场出清时同步公布。实时出清过程如图4所示。

图4 澳大利亚NEM调频辅助服务与电力联合出清过程

1.1.2 NSCAS和SRAS市场

NSCAS分为3个种类：电压控制辅助服务(voltage control ancillary service,VCAS)、网络负荷控制辅助服务(network loading control ancillary service,NLCAS)、暂态和振荡稳定性辅助服务(transient and oscillatory stability ancillary service,TOSAS)。AEMO通过VCAS将电网上的电压控制在规定的公差范围内;使用NLCAS来控制短期内的连接器间的流量;当系统因短路或设备故障导致功率流中出现瞬态“尖峰”时,TOSAS控制和快速调节网络电压[8]。

1.2 批发电力市场WEM

国家电力规则中要求WEM辅助服务交易以高效率为目标通过市场竞价决定,当竞价安排不可行时,AEMO与服务提供商之间应优先使用双边谈判,签订具有竞争力的商业合同[8]。表2对澳大利亚WEM辅助服务的产品种类及交易方式进行介绍。

表2 澳大利亚批发电力市场辅助服务产品介绍

2 美国PJM

PJM电力市场是一个集中调度的竞争性电力批发市场,PJM辅助服务市场建设主要分为3个阶段：电力工业重组期、辅助服务市场体系建设期、辅助服务市场体系完善期[9-10]。PJM辅助服务市场发展过程如图5所示。

图5 美国PJM辅助服务市场演变

现阶段PJM RTO(Regional Transmission Organization)主要运营5大类辅助服务产品,市场化运营的辅助服务产品主要包含：调频服务、初级备用服务、黑启动服务3类,其中调频与初级备用服务采用集中式市场化交易,与电力市场联合优化运行。PJM辅助服务分类如图6所示。

图6 美国PJM辅助服务产品图

下面分别介绍调频辅助服务和备用辅助服务的产品设计情况[6],如表3所示。

表3 美国PJM辅助服务市场产品介绍

参加辅助服务市场交易的机组在运行日前一天14:15之前向PJM提交投标信息,辅助服务市场在实时运行前60 min关闭,在此之前发电商修改投标信息,在此之后至实际运行前发电商可将机组状态设为不可用,退出市场竞争[9]。

PJM在小时前将调频市场和同步备用市场,分3个步骤与实时电能联合优化,包括辅助服务优化 程序(ancillary service optimizer,ASO)、滚动安全约束的经济调度程序SCED (intermediate securityconstrained economic dispatch,IT SCED)、实时安全约束的经济调度程序SCED (real-time security constrained economic dispatch,RT SCED),以及节点价格计算程序(locational pricing calculator,LPC),详见图7[11]。

图7 PJM辅助服务市场运行时序

实时运行过程中每5min将辅助服务市场与电能量市场联合出清一次,联合出清的目标为电能和辅助服务购买总成本最小化。PJM将按照不同区域的具体情况统一安排无功补偿和黑启动辅助服务,使满足要求的供应者提供相应的服务,而没有自供应能力的服务需求者则向PJM统一购买[9]。

3 北欧辅助服务市场

北欧辅助服务市场发展过程如图8,2009年7月1日,NORDEL(Nordic Electricity Union)结束由UCTE(Union for the Co-Ordination of Transmission of Electricity)运行的时期,由ENTSO-E(European Network of Transmission System Operators for Electricity)管理。NORDEL的辅助服务产品及ENTSO-E下的北欧平衡市场产品如图8所示。

图8 北欧电力市场及辅助服务市场发展进程

北欧辅助服务市场包括平衡服务产品及辅助服务其他产品。ENTSO-E期望通过统计各国平衡辅助服务市场数据,分析并设计欧洲统一的平衡机制[12]。市场化的平衡服务产品及作用时间如图9所示[13],其介绍详见表4。辅助服务其他产品包括电压控制、黑启动等。

图9 北欧平衡服务产品

表4 北欧辅助服务产品介绍

北欧辅助服务TSO(transmission system operator)根据提供给运营商的信息来平衡系统。每个TSO都有自己的实时监控系统(SCADA)和规划系统。平衡过程中的重要部分是比较计划数据与实时测量数据,为平衡操作提供有价值且即时的信息。北欧运营平衡过程可以视为长期过程,从多年前开始与备用供应商签订长期容量合同,其次是长期到短期停电计划,互连能力规划,最终达到电力预测平衡和动态稳定性[12-14]。本文着重于介绍前后几周的平衡过程,其运行时序如图10所示。

图10 ENTSO-E下北欧平衡市场运行过程

4 美国德州

美国德州电力可靠性委员会(Electric Reliability Council of Texas,ERCOT)负责德州电力市场的管理,其为德州的独立系统调度机构(independent system operator,ISO),管理竞争性电力批发市场并负责其范围内电网运行。图11为ERCOT辅助服务产品演变过程[15]。

图11 ERCOT辅助服务产品演变

目前德州辅助服务产品主要包括上调频(regulation up,Reg-Up)、下调频(regulation down,Reg-Down)、响应备用(responsive reserve service,RRS)、非旋转备用(non-spin reserve,Non-Spin)、电压支持(voltage support service,VSS)、黑启动(black start service,BSS)和可靠性保障运行服务(reliability must run service,RMRS)。德州辅助服务市场包括：上调频、下调频、响应备用和非旋转备用市场,其余3种产品不参与辅助服务市场,通过长期合同获得,产品介绍见表5。

表5 德州辅助服务产品介绍

ERCOT日前市场是在日前集中出清的金融性市场,主要目的是为下一个运行日安排电能和辅助服务,QSE(Qualified Scheduling Entities)是授权计划实体,日前运行时序如图12所示。

图12 德州日前辅助服务市场运行时序图

5 中国辅助服务市场现状及存在的问题

我国的现行辅助服务产品划分依据主要为2006年颁布的《发电厂并网运行管理规定》和《并网发电厂辅助服务管理暂行办法》(以下称为“两个细则”)。根据“两个细则”的规定,辅助服务分为基本辅助服务和有偿辅助服务。

在新一轮电力体制改革之后,各省改革的现状如表6所示。交易模式上,山西、新疆、福建、甘肃四省及东北区域在不同的辅助服务产上采取集中竞价和双边交易这两种交易模式,广东、山东两省只采用了集中竞价这一种交易模式。

表6 2017年各省区辅助服务市场产品种类

出清方式上,不同产品类型的辅助服务产品出清方式不同,对于调峰辅助服务产品而言主要采取按需按报价顺序进行调用,对于调频辅助服务产品而言,主要采用按需按性能调整后的报价进行调用。

对比国外典型电力辅助市场机制,不难发现当前我国辅助服务市场建设主要存在以下问题：

1)当前进入辅助服务市场交易的产品比较具有中国特色,以调峰辅助服务居多,在国外成熟电力市场体系中均未设置调峰辅助服务;

2)电力辅助服务产品设计较为单一,备用这一重要的电力辅助服务产品未进入市场设计中;

3)电力辅助服务产品设计未考虑主能量市场的因素;

4)辅助服务市场的设计仍以省为主体,缺乏国家层或区域层面的顶层设计,不利于优化各地区之间资源差异。

6 对比及启示

通过上述对PJM、德州、澳大利亚及北欧等辅助服务市场的研究,对市场运行及监管机构、辅助服务产品、辅助服务市场及交易机制进行对比,如表7、8所示。

表7 典型国家辅助服务市场比较

表8 典型国家调频及备用辅助服务交易机制对比

通过表7和表8的对比,结合我国的电力辅助服务改革现状,得出以下结论及启示：

1)顶层设计方面,在满足电网运行安全及相关技术的前提下,设计辅助服务市场应逐步丰富辅助服务资源类型,使市场竞争更充分。美国调频辅助服务资源比较灵活,PJM和德州可以参加调频服务辅助服务的为满足一定性能要求的发电机组、储能和需求响应资源,英国与澳大利亚机组均为发电机组。我国辅助服务市场前期设计时,为了系统运行安全,应只引入发电机组资源提供辅助服务;后续结合电网调度控制技术、储能技术、需求响应技术和市场运行情况,在市场发展中期逐步引入储能和需求响应调频资源,在满足系统运行要求的前提下逐步扩大资源占比至最优状态。

2)在稳步衔接我国AGC类调频产品参与市场的模式下,区分性能成本特性逐步引入一次调频产品参与市场。美国PJM市场中调频辅助服务根据资源响应信号快慢程度的技术特性分为爬坡受限和能量受限两类产品;美国德州则是根据系统频率偏移情况分为上调频和下调频;澳大利亚NEM市场调频包括调节和应急两类,在严格意义上仅应包括调节一类。

我国在调频辅助服务市场建设中,首先提供AGC类产品进行交易,一次调频产品应在考虑各类机组的性能特性和成本后,根据各地区的机组资源情况逐渐引入市场中,在市场发展后期可在区分各类资源技术特性和对系统安全运行的贡献程度的背景下,进行类似于PJM的不同技术特性区分的调频产品设置。明确不同辅助服务产品的作用对象,调节频率范围及响应、持续时间,从而使辅助服务提供者与接受者更加明确,成本产生路径及分摊更加清晰,有效促进辅助服务成本的合理回收。

3)在电力辅助服务市场建设过程中需要考虑与电力市场相结合。目前国际上的电力市场主要可分为“集中式”和“分散式”。对于全电量竞争的集中式电力市场(如美国PJM和美国德州)而言,主辅市场以社会福利最大化为目标联合出清;对于以双边交易为主的“分散式”电力市场(如北欧)而言,电力辅助服务交易通常在电力平衡市场中进行,出清目标为再调度成本最小,及辅助服务成本最小。在北欧平衡市场中,响应备用还可以用于管理系统阻塞。同时,国外辅助服务市场在市场交易机制中,通常会发布各类产品的(最低)需求量,作为市场出清的依据,而在我国传统的“三公调度”并不公开透明,现阶段的市场机制设计中也未涉及发布市场需求量相关信息。由此,在进行电力辅助服务市场机制设计时,应充分考虑该区域电力市场模式,对辅助服务品种及出清模式做相应设计,完善市场信息发布机制,使市场公开透明运行。

4)辅助服务市场发展过程中,我国可结合实际情况,在省级市场中精细化辅助服务产品,区域市场中对辅助服务产品作出统一定义与要求,着重解决跨省交易问题。不同国家辅助服务产品及交易机制在发展中不断得到丰富及优化,PJM辅助服务市场中,产品种类不断细化;但在以北欧为主的欧洲市场中,由于欧洲建设统一电力市场的要求,对辅助服务产品种类进行统一的定义与要求。结合我国国情与辅助服务实际运行情况,可将省级市场作为二级市场,根据不同省份资源类型及电网特性,不断细化辅助服务产品种类;将区域市场作为一级市场,对辅助服务产品进行统一定义与要求,并着重于解决省间壁垒及阻塞等跨省交易中出现的问题,构建促进能源有效利用的统一辅助服务市场。

何永秀1, 陈倩1, 费云志1, 付成然1, 常彦1, 庞越侠1, 邹丽芳2, 柯晔2

1.华北电力大学 经济与管理学院,北京市 昌平区 102206

2.国网福建省电力有限公司 经济技术研究院,福建省 福州市 350012

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