基于电力交易产品细分市场协同机理的新型电力系统灵活爬坡市场机制设计

《电力自动化设备》网络首发论文 基于电力交易产品细分市场协同机理的新型电力系统灵活爬坡市场机制设计陈皓轩，张粒子，黄弦超，董时萌10.16081/j.epae.2025060222024-12-182025-06-26陈皓轩，张粒子，黄弦超，董时萌．基于电力交易产品细分市场协同机理的新型电力系统灵活爬坡市场机制设计[J/OL]．电力自动化设备.https://doi.org/10.16081/j.epae.202506022 题目：作者：DOI：收稿日期：网络首发日期：引用格式： 网络首发：在编辑部工作流程中，稿件从录用到出版要经历录用定稿、排版定稿、整期汇编定稿等阶段。录用定稿指内容已经确定，且通过同行评议、主编终审同意刊用的稿件。排版定稿指录用定稿按照期刊特定版式（包括网络呈现版式）排版后的稿件，可暂不确定出版年、卷、期和页码。整期汇编定稿指出版年、卷、期、页码均已确定的印刷或数字出版的整期汇编稿件。录用定稿网络首发稿件内容必须符合《出版管理条例》和《期刊出版管理规定》的有关规定；学术研究成果具有创新性、科学性和先进性，符合编辑部对刊文的录用要求，不存在学术不端行为及其他侵权行为；稿件内容应基本符合国家有关书刊编辑、出版的技术标准，正确使用和统一规范语言文字、符号、数字、外文字母、法定计量单位及地图标注等。为确保录用定稿网络首发的严肃性，录用定稿一经发布，不得修改论文题目、作者、机构名称和学术内容，只可基于编辑规范进行少量文字的修改。 出版确认：纸质期刊编辑部通过与《中国学术期刊（光盘版）》电子杂志社有限公司签约，在《中国学术期刊（网络版）》出版传播平台上创办与纸质期刊内容一致的网络版，以单篇或整期出版形式，在印刷出版之前刊发论文的录用定稿、排版定稿、整期汇编定稿。因为《中国学术期刊（网络版）》是国家新闻出版广电总局批准的网络连续型出版物（ISSN 2096-4188，CN 11-6037/Z），所以签约期刊的网络版上网络首发论文视为正式出版。 基于电力交易产品细分市场协同机理的新型电力系统灵活爬坡市场机制设计 陈皓轩1，张粒子1，黄弦超1，董时萌2 (1.华北电力大学电气与电子工程学院，北京102206；2.国家电网公司国家电力调度控制中心，北京100031) 摘要：针对可再生能源发电高占比电力系统中爬坡需求激增而灵活调节容量不足的问题，设计适应我国新型电力系统和电力市场环境的灵活爬坡市场机制。深入讨论新型电力系统中爬坡问题的成因及应对方法；基于电力交易产品细分市场协同机理，分析灵活爬坡市场与电能量现货市场以及我国现有辅助服务市场的协同关系，并从“功能互补、时序配合、价本互映、收益互斥”这4个维度明确灵活爬坡市场的功能定位、时间结构、定价机制以及结算与费用疏导机制；构建相应的灵活爬坡市场出清模型。基于我国西北某省实际数据，测算灵活爬坡市场的运营效益，验证所提灵活爬坡市场机制设计方案能有效提高系统短期运行灵活性，经济地减小系统因爬坡能力不足而导致的弃风光量和切负荷量，有利于保障灵活调节资源的合理收益与价值实现。 关键词：灵活爬坡；机制设计；协同机理；电能量市场；电力辅助服务市场中图分类号：TM73文献标志码：ADOI：10.16081/j.epae.202506022 0引言 1）对典型电力市场中灵活爬坡产品或灵活爬坡市场的介绍和分析。文献[5]介绍了美国CAISO、MISO灵活爬坡产品的内涵及其与传统辅助服务产品的区别；文献[6]重点介绍了美国电力市场灵活爬坡能力的获取方式与实施效果，简要介绍了英国、德国灵活性爬坡能力的获取方式；文献[7]介绍了美国CAISO灵活爬坡产品的定义、作用机理、主体范围与爬坡产品同电能量市场的联合出清模型；文献[8]介绍了美国加州辅助服务市场发展历史及其辅助服务种类，重点介绍了加州灵活爬坡产品。 在“双碳”目标的引领下，电力系统的主导电源构成将从确定性的、可调可控的常规电源，逐步演化为随机性、间歇性、波动性的新能源发电。预计至2060年，我国新能源发电装机容量和发电量占比将分别达到64.6%和58.6%[1]。新能源的大规模、高比例接入将导致电力系统灵活爬坡需求激增，如果缺乏充足的快速调节资源，将对系统安全、稳定、经济运行带来风险。因此如何建立促进快速调节资源优化配置的市场机制是新型电力系统下电力市场设计面临的一个重要问题。 2）对现有灵活爬坡市场的机制改进。文献[9-11]将风电、光伏作为爬坡能力的提供主体纳入爬坡市场中；文献[12-14]将电化学储能、虚拟电厂、电动汽车等新型需求侧资源引入爬坡市场；文献[15-16]探讨了在能源枢纽系统、气-电耦合综合能源服务系统中引入爬坡市场的可行性；文献[17]提出了实时市场中可稳定交付爬坡产品的新概念，缓解现有爬坡产品因阻塞造成的成本回收问题。 目前，部分国家（地区）已针对如何通过市场化手段获取爬坡资源的问题进行了积极探索。美国加州系 统运 营商（California Independent SystemOperator, CAISO）设置的灵活爬坡产品（FlexibleRamping Product, FRP）[2]、美国中部独立系统运营商 （Midcontinent Independent System Operator,MISO） 设 置 的 爬 坡 容 量 产 品 （Ramp CapacityProduct，RCP）[3]、欧洲统一电力市场通过欧洲电力 平 衡 市 场 （European Electricity EquilibriumMarket Mechanism）中的一系列备用产品[4]等市场机制都取得了良好成效。 3）对灵活爬坡市场关键配套技术的研究，包括灵活爬坡需求预测技术、市场出清与求解技术等。文献[18]构建了基于贝叶斯深度学习-长短时记忆神经网络的爬坡需求预测模型；文献[19]通过Copula函数建立了爬坡需求概率分布模型；文献[20]以神经网络预测风光出力，使用C-Vine-Copula函数构建多元随机变量预测误差的联合概率分布并测算爬坡需求；文献[21]将爬坡市场的确定性出清模型改进为鲁棒性更强的不确定性出清模型；文献[24-25]通过引入网络约束、功率传输约束提高了爬 国内外学者也针对爬坡市场设计问题进行了研究，其研究方向主要集中于以下3个方面。 备稀缺性，因而调节性资源愿意义务提供爬坡能力。 坡产品的实时可交付性。 可以看出，现阶段研究大多基于已有的爬坡市场进行，对于如何在一个资源禀赋、电源结构、供需特性与现有典型电力市场不同的环境下建立爬坡市场，爬坡市场如何与已有的现货市场模式和辅助服务市场体系兼容，爬坡市场的引入是否会引发已有细分市场体系的变化，尚无针对性研究。 随着可再生能源占比快速提高，系统爬坡需求随之激增。太阳升落使得光伏出力变化，引发大量确定性爬坡需求，叠加风电、光伏出力预测误差引起的不确定性爬坡需求，使得系统长期存在长时段、大幅度的爬坡需求。与此同时，调节性电源装机占比下降使得系统爬坡能力供给降低。供需双侧的变化导致系统在许多时段面临爬坡能力的供需不平衡问题。在系统层面，当 T-1 时刻系统可用爬坡能力小于爬坡需求时，计及机组爬坡速率约束的T 时刻实时市场出清结果可能产生大规模弃风弃光和调用昂贵的需求侧响应资源，甚至出现无解的情况。在资源层面，供需变化使得爬坡能力具备稀缺性，继续要求可调节资源无偿提供爬坡能力，与公平竞争的市场原则相悖。 针对该问题，本文基于电力交易产品细分市场协同机理[26]（下文简称为“协同机理”），分析了爬坡市场与电能量市场、我国现有辅助服务市场的协同关系，并结合新型电力系统下典型的市场环境，设计了契合我国电力市场环境、延续市场发展路径的灵活爬坡市场机制。算例基于中国西北某省实际情况进行仿真计算，从安全、经济、绿色三个维度分析了灵活爬坡市场的运营效果，验证了本文所设计市场机制的有效性与实用性。 因此，可再生能源高占比电力系统中的爬坡问题主要体现在两个方面：一是系统爬坡能力供需失衡将导致实时市场无法经济地出清，甚至无法出清；二是爬坡能力的价值得不到准确体现，有碍系统爬坡能力提高和爬坡资源主动提供爬坡能力的激励相容。 1系统爬坡问题及应对方法 1.1系统爬坡需求与爬坡问题 系统爬坡需求是指通过调节资源平衡的相邻时刻间净负荷（Net Load, NL）的变化量。按照需求成因不同，系统爬坡需求可分为两类：一是由相邻时刻间净负荷预测值之差构成的确定性灵活爬坡需求，二是超短期净负荷预测值与实时市场/实时平衡市场（下文统称实时市场）出清时所用净负荷预测值之差导致的不确定性爬坡需求，如图1所示。 1.2爬坡问题的非市场化应对方法 通过在日内或临近实时阶段采用前瞻性多时段SCED模型[28]，可以部分解决因爬坡问题而导致的实时市场无法经济出清的问题。在制定T时刻的发电计划时，多时段SCED模型以T时刻至T+n（n为多时段优化时段数）时刻的总购电成本最小为目标，并计及了各个时段的功率平衡约束和机组爬坡速率约束，实现了机组发电能力和爬坡能力的优化配置。因此，为了满足T+1时刻至T+n时刻的系统爬坡需求，部分时段可能出现即使快速调节机组的经济性较好，也不会在T时刻被全部调用，而是保留其爬坡能力的现象，以保障后续时段出清模型求解。此外，快速调节机组因提供爬坡能力而产生的机会成本可按照固定价格进行补偿（我国按照“两个细则”[29]中爬坡服务的补偿标准进行补偿），从而部分体现了爬坡能力的市场价值。 由于电力系统的净负荷通常不会始终保持不变，因而系统爬坡需求始终存在。在可再生能源占比较低的电力系统中，爬坡需求量相对较小，且可调节资源能够提供的爬坡能力充裕。在系统层面，当进行安全 约束机组组 合（Security ConstrainedUnit Commitment, SCUC）和安全约束经济调度（Security Constrained Economic Dispatch, SCED）计算时，计及机组爬坡速率约束[27]可以得到优化解；在资源层面，此时爬坡能力供远大于求，不具 多时段SCED模型配合固定价格补偿的非市场化应对方式在一定程度上缓解了系统爬坡问题，但仍然存在以下局限性： 1）优化范围仅限于调度权属于调度机构的资源，尚未将需求侧资源等无法要求其义务提供爬坡能力的主体纳入优化范围，未充分利用系统整体爬坡能力。 2）模型通过刚性约束来体现系统的爬坡需求， 2基于协同机理的灵活爬坡市场关键机制设计 导致爬坡需求被不计代价地满足，无法发挥需求价格弹性，从而影响了整体经济性。 3）资源提供爬坡的成本主要为机会成本，其大小与提供爬坡服务时段的电能量价值密切相关，在不同时段差异显著。固定的补偿价格不能反映系统爬坡能力的真实供需关系，因此也无法准确反映爬坡能力的价值。 电力交易产品细分市场的协同机理，即为实现电力能源资源优化配置，保障电力系统安全、可靠、优质、经济、低碳运行，各细分市场及其关键要素之间互相影响、互相作用、互相配合、互相制约的规则和原理。其核心内涵可以概括为：功能互补、时序配合、价本互映、收益互斥[26]。 1.3爬坡问题的市场化应对方式：灵活爬坡市场 为了通过市场化方式解决系统爬坡问题，FRP于2016年被CAISO率先引入[2]，并在MISO[3]、美国纽约独立系统运营机构（New York IndependentSystem Operator，NYISO）[30]和美国西南电力库（Southwest Power Pool, SPP）[31]等多个电力市场中加以推广。以FRP为代表的灵活爬坡产品经过了实践检验，在上述电力市场中取得了良好运营效果，且其与集中式的电力市场模式较为契合，下文所提灵活爬坡市场均指FRP市场形式。 我国现有现货市场模式和电力市场产品体系与 美 国 宾 夕 法 尼 亚-新 泽 西-马 里 兰 电 力 市 场（Pennsylvania-New Jersy-Maryland interconne