面向高比例可再生能源的电力市场研究综述

电力市场为可再生能源的充分消纳和能源互联网的高效运行提供了驱动力和平台。近年来,随着可再生能源参与电力市场比例的提高,各国电力市场均出现了一些问题。该文立足各国电力市场适应可再生能源发展实际,对比了现有可再生能源并网激励政策和交易模式,分析了可再生能源参与电力市场所遇到的特殊问题,总结了各国面向高比例可再生能源电力市场研究的最新成果,提出了进一步研究的问题,特别是中国发展面向高比例可再生能源电力市场面临的关键问题。

1 研究背景

可再生能源出力具有较强的不确定性，电力系统中可再生能源比例的提高，不仅需要可灵活调节的发电机组的配合，更需要电网及需求侧的主动参与，实现供需两侧能量、信息、交易的互动，而供需互动的充分性和合理性是决定能源互联网运行效率的关键。健全的电力市场，能够优化配置电力资源，保证市场主体通过公平竞争获利，从而为供需互动的开展，能源互联网的清洁、高效运行提供驱动力和平台。

2 论文重点内容

2.1 可再生能源参与下的电力市场表现出的问题

(1)弃风、弃光

缺乏与周边地区电网的互联和交易(如爱尔兰、西班牙);市场缺乏有效消纳分布式资源的机制。

(2)负电价及电价波动性增强

缺乏对灵活发、用电资源的调用机制、传统机组启停成本较高、可再生能源发电强制上网或存在补贴，电力市场运行中会出现负电价;电价波动性因大规模可再生能源的参与而增强，市场中的金融风险增加。

(3)价格信号低效

交易窗口过于单一，日前市场往往在交易日来临前数小时就已关闭，虽然一些地区(如西班牙、德国、荷兰、北欧)开展了日内市场，但流动性依然较低;市场缺乏激励预测信息及时披露的机制，灵活配置资源能力不足。

(4)可再生能源市场竞争力较弱

无法在市场中准确申报电量信息，因而可能承受惩罚;不可控性又制约了在多时间尺度市场中策略性竞价的能力。

(5)平衡可再生能源成本较高

全球电力市场运行中，风电使系统平衡成本平均增加2~3EUR/(MWh);目前的辅助服务市场规则主要基于传统机组制定，可再生能源参与辅助服务市场的限制条件较多。

2.2 现有可再生能源并网激励政策及交易模式

(1)并网激励政策

政治：从国家或地区层面提出可再生能源发展目标，监督市场规范运行及保证能源供应安全。

金融：设立支持可再生能源产业投资的基金及低息贷款，并减少对传统发电形式的支持力度。金融政策激励也对技术进步产生重要作用。

财政：环境税的征收和可再生能源投资相关的税收优惠。通常，相应的部分税收用于支持可再生能源的发展。

环境：碳排放市场和气候基金的设立。

价格机制：见表1。

表1 价格机制

(2)交易模式

双边交易：价格与集中竞价出清价相关，增强了可再生能源交易的灵活性，但因缺少直接的竞争环节，难以获得最低的购电价格;大规模的双边交易可能降低系统调度的效率，增加对辅助服务的需求。

集中竞价：各国市场中可再生能源参与日前市场、实时市场、提供辅助服务、不平衡电量结算、预测成本分摊等问题见本文中参考文献。

2.3 可再生能源参与电力市场的特殊问题

(1)成本特性

可再生能源发电机组固定成本较高而边际生产成本很低。以丹麦陆上大型风电场的平均数据为例，投资建设成本为1070000EUR/MW，固定运行及维护成本为25600EUR/MW/Year，而可变成本仅为2.8EUR/ (MW˙h)。

(2)生产特性

可再生能源发电的生产呈现出较强的间歇性、波动性、随机性、不可控性(可减出力但不可增出力)、利用小时数低等特征，商业应用最为成熟的风电还往往具有反调峰特性。

(3)出力描述的概率性

可再生能源发电出力无法准确预测，通常以概率的方法描述，且随着(交易)时间的临近，预测准确度逐渐提高。因而，可再生能源发电出力的描述涉及多时空维度的信息，应设计合理的市场机制促进信息的及时披露。

(4)电量风险

由于出力预测误差的存在，可再生能源参与电力市场不仅面临电价风险，还面临较大的电量风险，而现有的方法和工具大多只针对管理电价风险而设计。

(5)外部性

可再生能源发电与传统能源发电相比，具有节能减排的正外部性，以及增加系统平衡和备用成本等负外部性。

(6)发电主体多元化

可再生能源的发展引入了大量的分布式电源，很多传统电力用户拥有发电资源，应建立灵活、公平的市场机制适应发电主体多元化的发展趋势。

2.4 面向高比例可再生能源的电力市场研究现状

可再生能源的发展使得发电主体多元化，发电主体间博弈行为复杂化，市场机制和交易模式多样化。图1总结了面向高比例可再生能源的电力市场的研究内容以及与本文章节的对应情况。

图1 面向高比例可再生能源电力市场研究内容与本文章节对应情况

具体内容包括：1)可再生能源的参与对电力市场的影响;2)包含可再生能源的电力市场中市场主体的行为策略;3)适应高比例可再生能源的电力市场机制设计;4)提升可再生能源市场竞争力的电力交易产品;5)促进分布式可再生能源消纳的机制和算法;6)包含可再生能源的电力市场环境下的规划问题;7)多能源市场的交互。

3 进一步研究的关键问题

发展面向高比例可再生能源的电力市场，以优化配置电力资源，对促进可再生能源的充分消纳，构建高效供需互动的能源互联网具有重要意义。进一步的研究，特别是中国发展面向高比例可再生能源电力市场应重点解决以下问题：

(1)提升可再生能源资源评估和预测技术。

(2)深入挖掘供需两侧的灵活性，包括用能灵活性、储能灵活性、多能转化灵活性、多能源网络耦合灵活性。

(3)设计适应可再生能源发电特点的市场机制和交易产品，建立灵活的零售电价机制，提升电网互联互通交易水平。

(4)完善促进信息互动机制，从技术方面建立通用的通信标准、提升通信可靠性及安全性;在电力市场的设计中关注信息有效性问题，降低信息成本。

(5)开发分布式算法，应对大规模系统计算复杂性和市场主体隐私性问题。

(6)建立电网的高效运营模式，重视电网调度能力和电力市场的协调发展。

(7)改进不确定性下的多能源市场交互机制，从多能源市场交互角度全面分析不确定性来源，建立恰当的不确定性分析模型;探索多能源市场协调运行模式，以提升市场稳定性，为市场主体提供全面的获利方式和风险管理手段。