基金项目：国家自然科学基金项目“动态可控负荷参与电力系统调频辅助服务理论与方法研究”; 南瑞集团智能电网保护与控制重点实验室项目“大规模清洁能源跨省区消纳的市场机制”; 宁夏电力交易中心科技项目“电力市场环境下促进新能源消纳的多元化交易机制”;
文章编号:1000-3673（2019）08-2711-07中图分类号:TM73
（来源：电网技术 作者：喻洁1, 刘云仁2, 杨家琪1, 高赐威1, 杨颖霞3, 丁恰4）
1．东南大学 电气工程学院,江苏省 南京市 210096
2．加州独立系统运营商CAISO,美国 加利福尼亚州 95757
3．布雷托咨询公司,美国 华盛顿哥伦比亚特区 20036
4．南瑞集团有限公司,江苏省 南京市 210096
摘要
当前我国正处于新一轮电力体制改革的关键时期,完善的辅助服务市场是电力系统稳定运行的机制保障,解析国外电力市场辅助服务的发展历程对我国电力市场建设具有重要的借鉴意义。首先介绍了加州辅助服务市场发展历史及其辅助服务的种类,然后对比分析了两种辅助服务的出清方法：分离顺序法和协同优化法及其各自的优缺点;并结合加州新能源发展,介绍了应对新能源发电出力不确定性的新型辅助服务产品——灵活爬坡产品;最后分析了美国加州辅助服务市场对于中国现货市场的可借鉴性并提出了建议。
关键词 :辅助服务市场;分离顺序法;协同优化法;灵活爬坡产品;
0 引言
辅助服务是保证电力系统安全可靠运行的基础,辅助服务市场是完善的电力市场中不可缺少的功能。在新一轮电改的背景下,我国在电力市场改革的起步阶段,也逐步开始建设辅助服务市场[1]。长久以来我国大多数地区的调频服务是按照计划体制下的辅助服务“两个细则”进行考核,并按照规定的价格进行补偿而并非通过市场方式[2]。其中较低的补偿价格无法提高市场主体提供调频辅助服务的积极性。此外,随着电力市场的进一步完善和发展,仅依靠调频辅助服务还是无法满足保证电力系统经济可靠运行的需求,需要建设多时间尺度、多类型交易品种完善的辅助服务市场机制。因此,在考虑中国实际情况的前提下,辅助服务市场的建设非常有必要吸取国外的经验[3]。文献[4]针对作为首个跨国区域市场的北欧的发展经验对我国资源禀赋、网络阻塞和负荷分布等现状提出若干建议;文献[5]介绍了英国辅助服务市场中的短期运行备用(short-term operation reserve,STOR)服务的运行与补偿机制以及对中国辅助服务市场的发展和建设的启示;文献[6]通过分析英国、美国德州及北欧电力市场的交易结算机制,对我国单一买方模式下与辅助服务有关的不平衡电量处理提出了建议。
美国辅助服务市场是世界上最成功的电力市场之一,其市场模型、定价机制等都具有很高的借鉴意义[7-9]。此外,有的研究也关注了国外电力市场模式在我国的适应性[10-11]。
在美国多个电力市场中,加州电力市场是第一个正式投入运营的电力市场,经历了主能量与辅助服务分离以及协同优化的发展历程[12],与我国电力市场初步阶段具有相似性,具有借鉴与研究价值。
本文以美国加州电力市场为例,介绍了加州电力辅助服务市场的发展历史及其多种辅助服务,并对比分析不同的辅助服务出清方法的优缺点,最后对中国现货市场中的辅助服务市场提出建议。
1 加州辅助服务市场发展历史简述
辅助服务市场是电力市场中的一部分,因此加州辅助服务市场是随着电力市场而发展变化的。加州从1996年开始对其计划管制下的电力系统进行市场化改革。改革的目的是想通过引入市场竞争来提高发电系统的效率,降低电价。当时,加州的电价是全美最高的电价之一,1990—1995年其全州平均零售电价为9.55美分/(kW·h),比同期美国平均零售电价高出40%。
加州电力市场从1998年4月开始运行,该年的全州平均零售电价为9.03美分/(kW·h)。运行初期辅助服务市场与日前能量交易分离运行,电力交易市场运营商(California Power Exchange,CALPX)负责能量市场的运行,而独立系统运营商(California Independent System Operator,CAISO)负责辅助服务市场的运行。需要在辅助服务市场购买的产品包括4种：调频备用,旋转备用,非旋转备用和替代备用,出清方法为分离顺序法。
2001年的加州能源危机使平均零售电价从2000年的9.47美分/(kW·h)突然增长到11.22美分/ (kW·h)。之后,加州开始实行一系列改进市场设计的措施MRTU工程(Market Redesign and Technology Upgrade),并于2009年4月开始运营。从此时开始,加州不再将日前能量市场和电网调度分开,而是将日前市场与辅助服务市场等集合成一个统一优化的市场。
最近几年,由于可再生能源配额制政策的推动,加州风电和光伏发电迅速增加,从2000年占总装机量的大概5%,增加到2010年8%,到现在30%左右。从1998年到2009年的这10年时间内,全州平均零售电价从9.47美分/(kW·h)增长到了13.24美分/(kW·h),全州的总装机容量从46 295.6MW增长到了59 188.6 MW,但全州的净发电量(net generation)从199 415.29 GW·h减少到了190 636.87 GW·h。
加州的环境政策非常激进[13],相比传统化石能源发电技术,风电和光伏发电的不完全可控性和不能完全预测性使得系统净负荷(原负荷减去风力发电量减去太阳能发电量)在1天内大幅度变化。为了这一问题,2016年CAISO在实时市场引入了一种新的辅助服务产品“灵活爬坡产品”(flexible ramping product,FRP)[12]以应对预期之外的不确定性的净负荷短时间的变化。
以下各小节对加州电力市场辅助服务种类、可替代性以及出清方法做详细介绍。
2 加州电力市场辅助服务种类
在美国加州辅助服务市场上主要包括调频备用和运行备用产品,以及2016年引入的灵活爬坡产品。
其中,调频备用分为向上调频(regulation up)和向下调频(regulation down)。日前市场(day-ahead market)和实时市场(real-time market)每15min所需的向上调频与向下调频量由CASIO根据日前和实时市场的需求预测按适用比例确定。此外,CAISO根据调频容量的需求确定任一结算周期内的调频里程[7](regulation mileage),以及该结算周期内中标的调频容量。其中,调频里程是指15min内,每4 s之间,提供调频备用的资源的AGC设定点之差的绝对值之和,如下所示：
运行备用是为了应对负荷增加或供给侧的资源减少输出或停机的事件。运行备用通常分为旋转备用(spinning reserve)和非旋转备用(non-spinning reserve)。其中旋转备用又被称为同步备用,由正在在线发电并有能力增加出力的发电机组提供;非旋转备用又被称为非同步备用,由没有在线发电但能在给定时间,通常在10 min到30 min内启动并提供电力的发电机组提供。
其他的辅助服务类型,包括黑启动能力(black start capability),无功备用和电压控制(voltage support)等一般不在市场上实时购买,由ISO/RTO与提供这些服务的资源签订中长期合同得以保证。加州的辅助服务市场不包括调峰产品,调峰问题由日前能量市场做出的日计划解决。2016年开始新增加FRP。在实时市场中,FRP是应对预期之外的不确定性的净负荷短时间的变化而预留的爬坡容量,用于维持系统功率的平衡,以免出现因爬坡能力不足而导致系统失衡的现象。这种产品不参加日前市场和实时市场的投标竞价,而只在实时15 min (fifteen minute market,FMM)和实时5 min市场(real-time dispatch,RTD)中由系统运营商根据发电机组的爬坡能力以及可用容量来购买。
3 辅助服务间的可替代性
在满足可靠性标准的前提下,CAISO通过增加对某一种辅助服务的购买来替代其他辅助服务,以达到降低采购辅助服务总成本的目的。本节所述辅助服务间的可替代性(substitution)只用于购买辅助服务市场中参与投标的辅助服务,不包括自主提供的辅助服务。辅助服务间的替代基于以下原则：
1）调频备用的需求只能由有资格提供调频备用的资源进行投标来满足。
2）调频备用中向下调频和向下灵活爬坡产品(flexible ramping down,FRD)都是减少出力的容量要求,而向上调频、向上灵活爬坡产品(flexible ramping up,FRU)和旋转备用、非旋转备用一样,都是增加出力的容量要求。额外的向上调频容量可用于满足旋转备用和非旋转备用的需求。
3）向上调频和旋转备用各自的需求必须由向上调频和旋转备用组合招标来满足。即只要向上调频和旋转备用所需容量不大于某一资源的最大爬坡速率(单位：MW/min)乘以10,则可作为单独的备用由该资源提供。
4）额外的向上调频和旋转备用的容量可用于满足非旋转备用的需求。
5）向上调频、旋转备用和非旋转备用各自的需求必须由向上调频旋转备用和非旋转备用组合招标来满足。
6）向上调频、旋转备用和非旋转备用3种辅助服务总的购买容量不会改变。
7）调频备用容量无论其替代的是哪一种辅助服务,都将继续被视作调频备用容量。
8）特别地,在早期(1998.4—2009.4)加州电力市场中存在第4种具有可替代性的辅助服务：替代备用(replacement reserve)。替代备用是在一小时内可以提供的在线或非在线备用服务。早期的加州电力市场没有可靠的机组组合的功能,不能处理短时期的机组开停需求,所以采用替代备用这种特殊的辅助服务来应对相邻两个运行时段之间的负荷变化。
同理额外的向上调频、旋转备用和非旋转备用的容量可用于满足替代备用的需求。
综上,辅助服务市场中需要购买的4种辅助服务可按调频备用(向上调频)、旋转备用、非旋转备用和替代备用的顺序,从高到低进行替代。
4 加州电力市场辅助服务的出清方法
如前所述,在加州电力市场发展过程中,经历了两种类型的辅助服务出清方法：分离顺序法(sequential method)和协同优化法(co-optimization method)。本节将按照时间顺序对这两种方法进行详细讨论。
4.1 早期的分离顺序法
从1998年到1999年,CAISO采用的早期的分离顺序法没有充分利用各种辅助服务之间的可替代性,使得各类型辅助服务的报价、出清和调用完全独立,没有达到资源利用的组合最优化。
基于分离顺序法建立的出清模型所依据的原理如下：
1）质量次序。4种辅助服务产品按响应能力的质量次序为：向上调频、旋转备用、非旋转备用和替代备用。高质量辅助服务需求必须在低质量辅助服务的需求之前得到满足。向下调频是唯一减少出力的容量要求,按照报价价格从低到高单独出清。
2）目标函数。辅助服务出清模型的目标函数按MCP(market clearing price)最小值。对于任一辅助服务,从低到高最后接受的报价的价格设定为该产品的MCP。
3）约束条件。容量约束是一个机组可总接纳容量不能超过其最大可用容量;需求约束是所有机组对某种辅助服务的中标容量应当大于这种辅助服务总的需求容量;爬坡能力约束是辅助服务接受的容量必须满足该辅助服务在的特定的爬坡时间内爬坡能力的约束。
综上所述,分离顺序法出清模型如下。
4.2 基于合理性购买者算法的分离顺序法
Anjali Sheffrin博士提出了基于合理性购买者算法(rational buyer’s algorithm)[14]的分离顺序法,在算法上实现了辅助服务之间的可替代性,这种方法从1999年一直使用到2009年3月。
与简单的分离顺序法的区别是,合理性购买者算法基于可替代性对需求约束条件作出了修改：所有机组对调频备用的中标容量应当大于等于调频备用的需求容量;对调频备用和旋转备用总的中标容量应当大于等于两者总的需求容量;对调频备用、旋转备用和非旋转备用总的中标容量应当大于等于3者总的需求容量;对调频备用、旋转备用、非旋转备用和替代备用总的中标容量应当大于等于这4种辅助服务总的需求容量。
此外,基于合理性购买者算法的分离顺序法是在所有满足约束条件的机组组合中,评估出购买成本最低的。理论上采用穷举法来完成算法[13]。
这两种分离顺序法共同的优点为：市场规则比较简单清晰,易于市场参与者发现问题,易于市场管理者查找、解释和解决问题。该出清模型能使每种辅助服务的付费成本最低。共同的缺点为：所有辅助服务的总付费成本并不一定为最小值,并且分离顺序法不可能考虑网络阻塞的问题,还可能会产生价格倒置,即低质量的辅助服务的价格高于高质量的辅助服务的价格。
4.3 基于SCUC的协同优化法
2009年4月,MRTU工程投入运行,有了可靠性机组组合的功能,能够处理短时期的机组开停需求,所以不再需要考虑替代备用这种辅助服务。但是,辅助服务之间仍具有可替代性,这个阶段使用协同优化法。
与分离顺序法不同的是,因为不同辅助服务的爬坡时间不同,也就是响应速度不同,在与主能量协同出清时,需要考虑时间尺度的问题;出清模型的目标函数改为总报价成本的最小值;约束条件中还需要考虑每台机组提供的主能量与各种辅助服务容量的总和不能超过它的最大容量。特别地,虽然目标函数中也包括向下调频的报价成本,但由于向下调频不具有类似向上调频的可替代性,它与主能量一样,在约束条件中它的中标容量只需满足自身的需求量,而与其他能量产品的需求量无关。
基于协同优化法建立的某一特定时刻tt的出清模型如下所示：
该优化模型的本质为混合整数线性规划,求解过程较为复杂。目前北美洲各电力市场普遍采用安全约束下的机组组合(security constrained unit commitment,SCUC)作为市场管理系统的主要工具,其中实行协同优化的核心就是混合整数(mixed integer programming,MIP)问题。
SCUC优化的目标函数不仅包括购买能量和辅助服务的报价成本,还包括在1天或几天内机组的最小负荷成本,开机和停机的成本。虽然出清结果的能量和辅助服务计划仍然是以小时为单位,但目标函数是最小化1天或几天内总的成本。约束条件还要考虑机组的启动时间,最小开机时间,最小停机时间,机组在1天或几天内能够提供的最大能量,机组在1天或几天内允许的开停机次数等等约束。还有某些机组不能运行在某些特定的出力范围,称为禁止运行区间(forbidden operating region),优化时必须避开这些区间。
与分离顺序法相比,协同优化法的市场规则比较复杂,开发时间更长,所需经费更多。但是协同优化法能保证主能量和所有辅助服务的总购买费用为最小值,并且能够处理网络阻塞的问题和防止产生价格倒置。
4.4 考虑灵活爬坡产品的协同优化法
FRP的需求依据相隔5 min的两个时间点之间的净负荷变化而定。CAISO通过历史数据估算在一定的FRP数量下的电力失衡概率,将其乘以负荷损失的价值从而得到FRP的弹性需求曲线,以此决定购买灵活爬坡产品的容量[15]。在市场交易过程中,FRP不需要报价,购买时需要支付FRP与主能量和其他辅助服务协同出清时的机会成本。考虑灵活爬坡产品的协同优化将FRP需求曲线和其他辅助服务产品的需求以及发电厂的竞标所形成的供应曲线一同进行优化,寻找到成本最低的优化解,从而确定每个产品的市场价格和数量[16]。
当考虑具有可替代性的调频备用、旋转备用和非旋转备用3种辅助服务,并且有多台机组参与竞价时,协同优化的过程会变得更为复杂。因此,在建立FRP与主能量和其他辅助服务产品协同优化的数学模型时,以15 min为该模型的一次计算周期。在时刻t以总的报价成本的最小值为目标函数建立的简化的数学模型如下所示：
5 对中国电力市场建设的启示
建设现货市场的目的为实现电力交易的公开、公平、公正,保障市场成员合法权益,促进电力市场的稳定、健康、有序、协调发展[18]。在现货市场发展的初级阶段,为了遵循“积极稳妥,平稳起步”的原则,需要借鉴国外电力市场经验。CAISO作为北美洲现有的9个相对独立的电力市场之一,对我国的启示与可借鉴性表现为如下几个方面：
1）分阶段合理全面地考虑辅助服务产品类型。加州的实践表明辅助服务市场和实时市场可以独立于日前市场运营。我国各省市在建设电力市场的过程中,也可以考虑各地电网运行实际情况和市场成熟度、技术可行性等,按照实际需求分阶段建立合适的辅助服务市场规则。辅助服务与主能量交易可以先分离再耦合。目前国内现货市场中只考虑了调频辅助服务,随着市场的发展与成熟,还应丰富其它辅助服务品种。在现货市场发展的初级阶段,这些辅助服务可以先不在市场上购买,而是与提供这些服务的资源签订中长期合同得以保证。
2）高效经济地求解辅助服务出清优化问题。对比分析CAISO中辅助服务的两种出清方法：分离顺序法和协同优化法,基于合理性购买者算法的分离顺序法采用穷举搜索来进行求解,基于SCUC的协同优化法的属于MIP问题,求解起来更为复杂,计算时间比分离顺序法要长得多[19-20]。
从经济性的角度,CAISO中基于合理性购买者算法的分离顺序法与早期的分离顺序法相比,考虑了各种辅助服务之间的可替代性,当较高质量的辅助服务MCP更低时有利于节约总的购买成本。虽然现行的协同优化法与分离顺序法相比,能够求解出总的购买成本的最小值,并且能够解决计算节点电价时遇到的网络阻塞的问题,但是能够支持协同优化法的系统的开发和实施要付出昂贵的代价。
在辅助服务市场逐步稳妥发展后,可以从分离顺序法逐步发展成为协同优化法。我国存在较为明显的网络阻塞问题[21],可能导致节点电价的升高。因此最终选择协同优化法会有助于提高系统的经济效率。
3）辅助服务市场运行稳定性与总经济成本最优性。辅助服务的主要用于在保证主能量顺利传输与交易的同时保证系统的安全稳定。本文分析了辅助服务市场中参与投标的各种辅助服务产品之间的可替代性,通过放松需求约束来提高系统运行的稳定性,此外也提供了降低总经济成本的机会;辅助服务的提供方多可作为主能量市场中的竞争主体,将主能量市场与辅助服务市场耦合,所有能量产品协同出清能促进资源提供辅助服务的积极性。辅助服务市场运行稳定性和总经济成本的最优性是发展我国电力市场需要考虑的重点,也是影响其发展的重要因素。
4）针对可再生能源并网带来的新需求开发新产品。虽然美国在辅助服务产品的市场设计和改革不一定对中国都适用,但是可再生能源对电力系统的挑战在中国和美国乃至全球都是有相同之处的。加州在应对可再生能源并网带来的挑战方面对中国非常有借鉴价值。为解决可再生能源不可控和不确定性带来的对管理系统可靠性的挑战,需要重复考虑系统对辅助服务的需求,针对这种需求优化产品开发的品种和规格要求,如CASIO新开发的灵活性爬坡产品FRP就是针对新需求的积极探索。但是在CASIO在FRP实行过程中的失误也充分说明,在辅助服务市场设计中对产品类型的划分以及价格的定位一定要经过周密的考虑、细致的分析、充分的模拟来避免造成失误和社会资源的浪费。
6 结论
本文通过对美国加州辅助服务市场发展历程的解析,分析了各种辅助服务之间的可替代性与辅助服务出清方法：早期的分离顺序法、基于合理性购买者算法的分离顺序法与基于SCUC的协同优化法,并且总结了它们的优缺点,提出了CAISO经验对我国辅助服务市场的启示。我国仍处于电力市场的探索阶段,需要结合体制改革与市场化进程合理规划辅助服务市场,兼顾达到系统运行稳定性与市场竞争公平性。在现货市场发展的初级阶段,可以考虑除必须的调频辅助服务之外,其他辅助服务签订中长期合同;在市场经过一段培育时期,可以发展多种辅助服务产品,多类型辅助服务产品的出清可以参考加州电力市场早期的分离顺序法以及合理性购买者算法;在主能量市场以及辅助服务市场都发展到一定程度后,考虑协同优化法;针对可再生能源并网带来的新需求开发新产品。
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原标题:美国加州辅助服务市场发展解析及其对我国电力市场的启示
