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新型电力辅助服务市场机制之——爬坡辅助服务市场

作者:清能互联 来源:清能互联 发布时间:2022-07-03 浏览:

中国储能网讯:

引言

新型电力系统建设背景下,新能源发电出力具有波动性高、不确定性高的特征,其通过电力电子装置并网也将导致电力系统转动惯量减少,这些都对新型电力系统运行的安全性、可靠性提出了挑战。国家能源局于2021年底印发《电力辅助服务管理办法》,提出了爬坡、快速频率响应、转动惯量等新型辅助服务,以应对新能源出力波动、风光等弱惯量系统对电网运行造成的影响。在国外成熟电力市场中,随着新能源占比逐步提高,新型辅助服务交易品种也逐步被纳入电力市场体系,以体现系统灵活性资源的调节价值。

本系列文章将结合国外新型辅助服务市场建设情况,阐述交易基本原理,并提出我国新型辅助服务市场的建设建议。

1.爬坡辅助服务产品概述

根据国家能源局《电力辅助服务管理办法》,爬坡是指为应对可再生能源发电波动等不确定因素带来的系统净负荷短时大幅变化,具备较强负荷调节速率的并网主体根据调度指令调整出力,以维持系统功率平衡所提供的服务。当系统上爬坡能力不足,系统存在供应不足限电风险;当系统下爬坡能力不足,系统存在供应过剩弃电风险。因此,在现货市场出清(或发电计划安排)过程中,需要在各时段预留足够的爬坡能力。

目前美国中西部电力市场(MISO)、加州电力市场(CAISO)和英国国家电力市场已通过市场化方式进行爬坡产品采购。

2.国外电力市场中爬坡辅助服务

交易机制

2.1

美国MISO/CAISO

2016年,MISO和CAISO的可再生能源装机占比分别达到了11.6%和40.5%,发电占比分别为6.9%和20.9%。同年,两个市场运营机构均建立了爬坡市场。功能上,爬坡产品隶属于运行备用范畴,与其他辅助服务的关系如图1所示。事故备用通常在出现概率低但影响重大的突发情况下被调用,而调频和爬坡在正常运行状态下被连续的调用。调频资源通过AGC跟踪响应实时偏差,而爬坡资源在5-15min内根据调度指令进行出力,两者在响应时间、作用方式上存在不同。

▲图1 MISO/CAISO运行备用分类

爬坡产品的市场组织流程如图2所示。由于爬坡产品的成本是爬坡资源为了预留爬坡容量而在电能量市场中损失的机会成本,且MISO/CAISO的电能量市场和辅助服务市场是联合出清的,因此爬坡资源无须单独报价,根据电能量市场中的机会成本定价即可。

▲图2 爬坡产品市场组织流程

(1)各时段系统爬坡需求计算

系统爬坡需求的计算方法如图3所示,根据净负荷在相邻两个时段预测的变化量(t1-t2对应的黑色曲线变动)和预测的不确定性(t2时刻对应的蓝色区域上下限),可以确定每一时段的系统上爬坡和下爬坡需求量。

▲图3系统爬坡需求计算示意图

(2)爬坡效益曲线

理论上,机组预留的爬坡容量越多,越有利于应对净负荷波动的不确定性。然而从经济效益上考虑,预留爬坡容量过多可能会导致能量报价低的机组发电容量被预留,需要调用报价高的机组来满足负荷平衡,使得整体购电成本增大。

为了在出清模型中综合考虑爬坡产品带来的效益和系统发电成本,CAISO根据净负荷波动的概率和失负荷价值提出了分段爬坡效益曲线,如图4所示。系统出现0-R1的净负荷较小幅度波动的可能性较大,因此预留的爬坡容量效益也较高。随着系统预留的爬坡容量增大,其可以应对的净负荷大幅波动概率也降低,因此产生的效益逐渐减小。

▲图4 CAISO分段爬坡效益曲线示意图

(3)电力现货市场出清

电力现货市场出清的目标函数中考虑爬坡产品的效益,即:

Min(系统发电成本-系统爬坡效益)

其中,系统爬坡效益是图4中的爬坡效益曲线对系统预留爬坡能力的积分,系统预留的爬坡能力即所有机组预留的爬坡容量之和。

同时,出清约束中应添加系统上/下爬坡需求约束,即:

所有机组上/下爬坡预留容量之和>=系统上/下爬坡需求量

系统的上/下爬坡需求约束所对应的影子价格分别为上/下爬坡产品的出清价格。

(4)爬坡费用结算和分摊

爬坡产品结算按照日前和实时进行两部制偏差结算:日前按(机组日前出清的爬坡容量*日前爬坡产品价格)结算;实时按(机组实时和日前出清爬坡容量的偏差*实时爬坡产品出清价格)结算。MISO根据“谁受益,谁承担”原则将爬坡费用在负荷和外送电之间分摊,与事故备用费用的分摊方法一致。CAISO将爬坡费用在发用电两侧共同分摊。

2.2

英国电力市场

英国国家电网(NatioanalGrid ESO, NGESO)通过提供平衡服务来保障电网的实时供需平衡。平衡服务包括了频率响应、备用、无功调节等。快速备用(FastReserve,FR)作为备用的一种,其发挥的作用与MISO/CAISO中爬坡辅助服务的作用类似,采用月度竞价的方式进行采购,中标资源在全天任一时段均可能被调用,且必须在接收调度指令后2min内提供爬坡速率大于25MW/min的响应能力。

(1)FR投标

并网机组、储能和需求响应资源均可以在通过资格审核并签署服务协议后成为FR资源。NGESO在竞价月的前一个月发布FR需求,FR资源必须在竞价月的第一个工作日投标,以参与后续一个月的FR服务。FR资源的投标需求包括以下信息:

可调用容量(MW):可被调用的最大FR容量

可提供FR的运行日和时间:每个月分为工作日、周六、周日和节假日,每天有两个时间窗口可以选择。

可用价格(£/hour):可提供FR的时间所对应的价格

调用价格(£/hour):FR被调用时对应的价格

(2)FR中标

NGESO会计算每个投标的成交量加权可用价格(VWAP,£/MWh):

VWAP=FR投标的可用价格/可调用容量

然后,根据可以增加或减少投标效益的因素对VWAP进行调整,以产生最终可用价格(AAP,£/MWh)。其中,考虑的效益因素包括:投标FR资源所在位置是否有约束限制,是否存在通过FR投标过度持留容量的投机行为等。

最后,所有投标资源将按照AAP从最低到最高进行排序,直至满足FR需求量。如果NGESO认为满足系统全部FR需求量的成本过高,可能会拒绝AAP价格与满足系统全部FR需求的平均价格有明显差异的投标,以保障市场能反映真实成本。

根据中标情况,调度员在实时运行过程中根据系统实际需求下达FR调用指令,FR中标资源在接受指令后2min内进行响应。

(3)FR结算

FR资源的结算包括三种费用:可用费用(£/hour)、调用费用(£/hour)和能量费用(£/MWh)。其中,可用费用补偿FR资源投标时可提供FR的时长,调用费用补偿FR资源被调用的时长,能量费用补偿FR资源被调用后提供的电能量。英国国家电网作为平衡服务的购买方,支付FR费用给相关资源,并根据实际运行情况从发电机组和负荷收取按日收取平衡费用。

3. 对我国建设爬坡市场的建议

从国外爬坡市场运行效果来看,一方面,市场释放的价格信号能充分体现灵活性资源价值,为灵活性资源的投资发展提供激励;另一方面,爬坡容量的预留虽然会导致电能量市场部分时段电价有所升高,但却有效降低了电能量市场中价格尖峰出现的频率,整体来看爬坡市场的开展能有效降低电能量价格大幅度波动的风险。开展爬坡市场交易,能充分调动各类资源的灵活性,符合我国加快构建功能更强大、运行更灵活、更具有韧性的“源网荷储”互动的新型电力系统建设目标。

我国各省电力市场改革进展不同,在非现货试点或起步阶段的现货省份可参考英国中长期合约的机制,通过独立运行的爬坡市场购买爬坡资源,在实时调用后按照合约价格进行补偿。在已具备一定运行经验的现货省份可以参考MISO/CAISO电力市场,采用现货市场中电能量-爬坡产品联合出清的方式,发现爬坡能力的真实成本及价值。

在电能量-爬坡联合出清的现货市场中,爬坡效益曲线不仅影响到爬坡市场出清的量价,还直接影响到现货电能量市场出清的价格及市场主体需承担的成本。初期为简单起步,可在出清模型目标函数中不考虑爬坡效益,仅在约束条件中增加系统爬坡需求约束,并按照该约束的影子价格补偿爬坡资源的机会成本。市场运行成熟后,可以根据系统净负荷的不确定性以及失负荷成本/弃电成本的测算结果,合理制定爬坡效益曲线并用于出清。

爬坡服务本质上属于运行备用的范畴,解决的是分钟级别的净负荷波动问题,功能上应归属于负荷备用。在爬坡市场设计过程中,一是建议进一步细化运行备用管理,根据机组调节速率、网络阻塞等情况精细化考虑机组能提供的有效备用容量;二是建议避免辅助服务市场功能重叠,爬坡市场运行后,备用市场应侧重于事故备用交易;三是建议逐步扩大爬坡市场参与主体范围,除传统机组外,逐步引入独立储能、灵活性负荷等参与爬坡市场交易;四是建议建立合理的费用分摊机制,根据不同类型电源出力、不同用户负荷造成的波动性,对爬坡市场费用进行精细化分摊。

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关键字:辅助服务市场

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