集中式电力市场设计的北美经验

世界各国都在大力鼓励可再生能源的发展，纷纷制定了各种各样的鼓励再生能源发展的政策，如优先入网、优先调度、电价补贴、固定上网电价、绿证制度，碳税政策等。

发展可再生能源的初衷是减小排放，创造绿色、可持续发展的环境。但是，这些政策是否能达到预期的目标还取决于很多因素。

欧洲是可再生能源发展比较好的地区，各国制定了很多鼓励可再生能源的政策，但是，一些专家指出，欧洲的一些鼓励可再生能源的政策，非但没有起到减小排放的结果，可能反而增加了能源系统整体的排放。

电力市场的设计中必须考虑可再生能源的影响。传统电力市场的设计没有考虑高比例间歇性可再生能源的情况，因此导致了一些价格信号的扭曲、市场主体之间的不公平竞争等问题。

本系列文章对电力市场中应对间歇性可再生能源的方法进行讨论。

电力市场各个环节的设计，都需要首先考虑改革的目标，或者说终极目标，也就是我们的“初心”。在改革中，相关的方案、措施要随着外部、内部环境的变化而变化，评判的基准是是否与“终极目标”或“初心”一致。

对可再生能源、低碳等政策来说，终极目标是降低碳排放。但实际上，一些可再生能源政策的初心可能并不是低碳排放，或者至少不仅仅是低碳排放，同时还夹杂了其他方面的一些目标。

对风能、太阳能等可再生能源的高额补贴降低了其发电成本，但间歇性发电对系统安全的挑战和造成的系统成本的增加目前的电力市场中没有充分考虑。

全球的风电装机在快速增长，中美两国的风电装机已经占到全球风电装机容量的一半以上。

间歇性电源影响电力系统运营的两个特征为：出力的无规律性及不可预测性。出力的无规律性加上用电需求的变化，导致电力系统需要有更多的爬坡能力以应对波动;不可预测性要求系统储备额外的爬坡能力以备不时之需。大多数时候，这些额外的爬坡能力并不会被调度，这就产生了额外的电网运行成本。

以加拿大安大略省一个月的小时风力发电量数据为例，可以看到风力发电小时曲线呈现无规律状态。这意味着，在进行预测时，无法利用历史数据。

风电预测受到了广大学者的关注，研究了很多新的预测方法。但是，目前为止，到一个小时前的预测误差没有根本性的改善。

5分钟前的风电出力预测可以比较准确，但时间太短，调度员没有足够的时间和手段应对紧急情况。

因此，需要更多的灵活性资源来保证电网的安全运行。

在间歇性电源大规模接入的情况下，电网需要有更多的灵活性以保障安全：必须要用其他快速反应电源来平衡间歇性电源的波动;必须保证足够的爬坡度来抵消间歇性电源预测的误差(包括上调和下调);电网的阻塞管理更加困难。

对间歇性电源的补贴制造了与传统电源之间的不公平竞争：

在竞争性电力市场中，传统电源通常不享受政府补贴(导致不公平竞争);

传统电力市场的定价机制没有考虑到有补贴的电源的大量加入(导致一些经济信号的扭曲);

提供灵活性的传统电源没有得到合理补贴(缺乏对提供服务的市场主体的激励——提供服务)，而间歇性电源又可以不负补贴责任(将相关成本社会化，不区分责任主体，缺乏对使用服务的市场主体的激励——减小需求);

制造了不必要的巨大现货市场价格波动;

对间歇性电源的补贴成为一种“传染病”，导致部分传统电源也需要补贴才能生存。

传统上应对间歇性电源的一些方法包括：调度员人为要求灵活性机组提前启动或停机(非完全市场的行为);购买更多的自动发电控制;人为调低对间歇性电源的预测或增加对需求的预测。

这些传统的方法可以解决系统安全的问题，但是不是经济有效的方法。尤其是当间歇性电源的比例大幅增加时，会带来很多经济上的问题。

成本过高。调度员执行的非经济调度或自动发电控制都是成本较高的调度方式。

在选择灵活性机组时有很大的随意性，容易产生腐败问题。

价格信号不透明或被扭曲，灵活性机组没有得到适当补偿。

对间歇性电源，可以采用由调度机构统一预测的方式以提高预测精度。多个电力市场采用这种方法。预测成本可以由市场通过一定方式分摊出去。

传统的经济调度中仅考虑单一时段的优化问题。可以采用前瞻性优化调度，同时考虑几十分钟或几个小时的较长一段时间的系统状态。

没有前瞻性优化的情况下，在9:05，电厂A出力为180MW，电厂B出力为零。到9:10，A可以增加出力20MW到200MW，B可以增加出力10MW，总共增加30MW，但负荷在9:05到9:10之间增加了40MW，一些负荷无法满足，所以启动了市场最高限价——天花板价10000￥/MW。

如果有前瞻性优化，在9:05时把电厂A的出力降到170MW，电厂B出力10MW，这样虽然9:05的发电成本稍微高了一些，但在9:10所有负荷都能够被满足，系统出清价为电厂B的报价300￥/MW。

对间歇性电源的高额补贴会扭曲市场价格进而对社会福利造成损害。加拿大安大略省电力市场中对间歇性电源设置地板报价限制的做法可以参考。避免或减小了价格信号的扭曲。

间歇性可再生能源并不是完全不可控制。可以采用弃风/弃光的方式实现对其的调度。

对受补贴的可再生能源参与市场的报价的控制起到很大的作用。如果没有限制，可再生能源在现货市场会申报接近其补贴值的负的价格。比如，如果补贴是0.5￥/kWh，其原意申报-0.45￥/kWh的价格，这样仍然有0.05￥/kWh的利润。这种情况下，其发电成本排序经常在非常靠左的位置，下调时更可能调度传统的机组。如果限制可再生能源的地板价为-0.03￥/kWh，则这些机组可能处在边际机组的位置，从而被调度弃风/弃光。

跨区交易如果确定的过早或周期过长，使得跨区交易无法即时根据系统的状态的变化而调整。传统上北美跨区域交易每个小时交易/调度一次。一旦成交，这笔交易在一个小时内固定不变。从成交到交货的一个小时内，系统/市场的情况可能发生很大的变化，导致市场出清价与预期的大不一样。这一方面使得交易商承受价格波动的风险，另一方面也造成了社会福利的损失。

为了应对这个问题，可以采用更频发的跨区交易的方式。北美已经由多个市场将区域之间的交易从每小时一次变为十五分钟一次，甚至在探讨5分钟一次(NYISO和魁北克)。

前面提到的前瞻性优化调度可以解决能够准确预测的爬坡问题。但是，没法解决不能准确预测带来的系统可靠性问题。

可以采用增加备用的方式解决。

对不确定性问题，设定一定的置信区间，据此来确定需要的备用水平。