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英国电力市场的平衡机制与辅助服务 我们可以学到什么?

北极星售电网  来源:中国能源报  作者:杨萌  2017/11/28 14:04:39  我要投稿  

北极星售电网讯:我国本轮电力改革中,《电力中长期交易基本规则(暂行)》规定了“计划调度+直接交易为主的中长期”交易模式操作方法及流程,为现货市场建立前的过渡期提供了落地方案,结合“9号文”提出的“建立用户参与的辅助服务分担共享新机制”的任务,英国基于双边交易市场模式中的辅助服务市场机制具有显著借鉴意义。

1调度模式

由于电力难以大量经济存储的特点,发用电之间必须保持实时功率的即时平衡,以保持对用户的可靠供电、避免事故和损伤电力设备;有功功率的平衡关系到系统频率的稳定,无功功率则关系到各个节点的电压支撑。在英国这一平衡工作由英国国家电网负责实施,我国的该项工作则由各级电网调度中心负责。

在英国的电力批发市场中,发电厂和零售商主要通过签订远期电力交易合同来满足发用电需求。远期电力交易合同包括通过双边协商达成的中长期和短期双边合同,以及通过电力交易所(N2EX,APX)集中竞价达成的短期交易合同(通过拍卖市场、现货市场和即期市场等)。

由于签订双边合同的发电企业与电力用户均以追求经济效益为目标,不会从系统运行角度出发满足整体电力实时平衡,因此,仅靠市场主体签订的远期与短期电力交易合同的组合,并不能完全满足电力系统的安全稳定运行要求。由于输电阻塞、预测偏差等原因,系统调度机构需要以每30分钟为一个结算周期进行一系列操作,来确保电力系统运行的实时平衡。

与我国由调度统一安排电量计划不同,从总量规模上看,英国实现电力平衡主要是通过激励发电商和供电商自行兑现合同约定的发用电曲线。发电商和供电商提前一天中午11:00前,会提交一份初步物理发用电计划;在关闸时间,调度执行开始前1小时或更长时间内,物理发用电计划还可进一步修改。物理发电计划不仅约定了发用电力曲线,还要对增减出力/负荷功率进行报价。国家电网会根据报价情况,在必要时调用。

但是,最终合同执行过程中由于负荷预测偏差、局部输电阻塞、市场成员经营策略等因素,电力平衡总会发生或多或少偏差,维持平衡则由国家电网负责兜底,该部分不平衡电量约占总电量的2%。

2平衡机制

平衡机制是国家电网平衡电力供需的主要工具,通过每天以半小时为周期的交易执行过程实现。在平衡机制中,由单台机组或者负荷集成体构成的平衡单元,作为参加报价和受调度控制的基本单元。平衡单元需要在其最终物理发用电计划的基础上,向系统调度机构提交卖电报价和买电报价。卖电报价包括增加发电出力和降低负荷需求两种类型;

与此对应,买电报价则包括降低发电出力和增加负荷需求两种类型。在关闸时间后,系统调度机构主要依靠接受平衡单元提交的报价来保障系统运行满足各类安全约束。除了接受报价之外,调度机构还可以通过平衡调整机制和负荷控制机制等手段来保障系统安全运行。

比较有特色的是,英国国家电网为了降低系统运行成本,除通过平衡机制来解决电能不平衡和网络阻塞之外,还可以在平衡机制开启前,主动提前购买或出售一些电能。例如,当调度机构预测次日某些时段会出现电力短缺时,可参与电力交易所的日前或日内交易,提前购买部分电能;当调度机构预测某些区域会出现网络阻塞时,可与特定区域的机组签订双边合同(一般为长期合同)进行阻塞管理。

3辅助服务

平衡机制是通过组织准实时的短时交易(半小时为交易周期)实现的,而其他非电能量交易的平衡手段则可以纳入辅助服务范畴,这些辅助服务连同平衡机制一起,在英国被称为平衡服务。英国的辅助服务全部类型有22种,但多数仅在一些特殊情况下被调用,常用的服务品种有:频率响应、快速备用、运行备用、短期运行备用、平衡机制启动、基荷调整、无功服务等。国家电网通过平衡机制、招标和双边合同等方式获取辅助服务。

其中,频率响应服务用来保持系统频率在安全范围内,提供者既可以是电源也可以是负荷。该服务可以在事故发生的第一时间投入使用。英国的频率响应服务又分为强制频率响应、固定频率响应和需求侧频率控制。强制频率响应包括一次调频、二次调频和高频响应,这些服务由并网运行的机组义务提供,没有组织相应的市场。

强制频率响应并不能完全满足系统运行的需求,剩余需求由固定频率响应实现,通过自动发电控制系统完成控制和记录。固定频率响应允许集成资源(如负荷和可再生能源发电等资源的整合)参与提供,并通过月度或多月招标方式获取。需求侧频率控制由可中断负荷提供,则是一个低频减载的预先约定,要求至少能在2秒钟响应指令,且提供持续30分钟3MW以上的容量,该服务通过双边合同协商确定。

快速备用相当于旋转备用,是对上述频率响应的补充,可根据国家电网的指令由发电机组增加出力或者负荷减少用电实现,通过月度招标获取。技术上要求2分钟内启动,并达到25MW/分钟的爬坡速率,至少有50MW的容量且能持续15分钟。

短期运行备用即事故备用,也可以由发电和负荷提供,通过每年三轮的竞争性招标获取。技术上要求至少3MW容量,240分钟内完全启动,至少持续2小时。

平衡机制启动服务给予国家电网在必要时启动离线平衡机组的手段,通过标准合同获取,按小时付费。该服务包括平衡机组冷启动和热备用两种形式,冷启动要求在89分钟内完成,而热备用则要求更快。

综上,英国电力市场对有功平衡的服务,按响应时间、持续时间、最小容量、在线\离线状态,根据系统运行的具体需要和相关资源的技术性能,产生一系列产品类型的组合,并根据装机结构、负荷特性、供需形势等条件的变化随时进行调整。

我国目前仍将调峰作为一个重要辅助服务品种,仍带有计划模式的鲜明特征。随着电力改革的深入,对计划电量的再分配过程将被竞争性的现货市场取代,传统意义上的调峰服务也将逐渐退出历史舞台。

4辅助服务交易

双边合同的执行偏差需要国家电网兜底,以确保系统整体供需保持平衡,而国家电网在维持系统平衡过程中所扮演角色是经过政府授权的,具体措施主要在平衡与结算规则里规定。类似于电能量交易,发电商也能通过谈判和竞价等形式卖出各类服务,一般而言,发电商出售辅助服务时通常会得到两笔费用:容量费用和使用费用。

辅助服务的最小时段为半小时,并以此作为结算周期。市场成员之间签约并在每个结算周期之前1小时将合同约定执行的详细信息报送国家电网。这些信息包括供需关系、预计发用电功率以及买卖报价等。然后,基于综合报价信息,国家电网就可以调用各种服务。

我国目前的辅助服务责任主要由发电企业承担,通过采取强制提供、按需调用、事后补偿等方式,在一定程度上激发了发电企业参与提供辅助服务的积极性。随着我国电力改革的深入,辅助服务市场化也将成为必然趋势,现有辅助服务的分类和技术要求亟待进一步细化。改革初期,借鉴英国对部分辅助服务采取中长期招标获取的方式,虽然不足以保证全局经济性最优,仍不失为一种实操性较强的实现路径。

5辅助服务费用分摊

英国国家电网首先通过系统平衡使用费(BSUoS)回收调用平衡机制和辅助服务产生的成本。该费用是基于发用双方在接入点的上网或下网电量按固定比率征收的,并根据网损有所微调。具体核算工作由国家电网的子公司Elxon完成,该公司相当于一个主营平衡机制和辅助服务业务的交易中心。国家电网把调用信息发送给Elxon公司,后者会根据偏差结算定价规则,对各种平衡手段进行更为详细的分类、标记、以及重新定价(针对某些特定的平衡手段),最后计算出偏差结算价格。Elxon公司根据每一个市场成员的相对合同约定电力曲线的偏差对整个系统带来的影响向其收费。设计不平衡费用是为了激励发电商和供电商在结算周期之前根据合同约定主动实现自身平衡。

国家电网对每种辅助服务的可用量确定一个范围,以应对不同情况的发生。2014-2015年度,总成本中超过50%是用来支付频率响应和各种备用服务的。这些服务通常在国家电网面对短期供需不匹配时被调用,例如主力发电机组发生临时故障的情况。大约40%的成本来自于为满足地区网络约束,对发电机组发出调整出力的指令。

随着约束成本上升,自2010年起,辅助服务总成本在持续显著上涨。主要原因是苏格兰等地输电设施升级滞后造成的。另外,还有一小部分原因是引入了“即并网即管理”政策。由于英国预期新增装机投资慢于其现有机组退役速度,为追求足够的容量充裕度,该政策要求国家电网在未完成相关输电网络建设前就接入新机组。

6辅助服务鼓励计划

英国政府还出台了一个辅助服务鼓励计划,用来鼓励国家电网更加经济高效地使用辅助服务。在此计划中,国家电网可以从相对政府预期花费节约的成本中得到一定比例的奖励,但也会因为超出预期的花费承担一定的额外支出。

例如,如果调度机构在平衡机制开启前提前购买或出售电能来解决电能不平衡或网络阻塞的成本,比通过平衡机制中购买的成本还低,则所节约成本的38%将分享给调度机构。遗憾的是,自从2005年实施以来,多数情况下辅助服务支出都是超出预期的。

7对我国的启示

辅助服务存在的意义是为了确保整个系统的安全稳定运行,保障电能量交易合同的切实履行。辅助服务机制的建设与电能量市场模式的选择是密切相关的,两者的建设需要统筹考虑、并行推进,在不同的电能量市场建设阶段,均应构建与之配合的辅助服务机制。

从英国经验看,电力平衡是通过“约定电力曲线的实物双边交易+平衡机制+辅助服务”配合实现的,虽然与北美主要ISO“日前+实时+辅助服务”的市场模式有所差异,但通过市场机制实现电力实时平衡的本质是统一的。平衡过程所涉及的电量变化均记入电能量交易(双边合同电力曲线的提交或者上下调节出力报价),而辅助服务则仅产生对应的容量费用和被调用费用。

相对于北美的辅助服务市场,英国月度甚至多月竞价的的辅助服务获取方式略显粗旷,与电能量市场解耦运行。

事实上,英国电力市场中有“两个半”现货价格信号,即APX和N2EX两个交易所交易的现货价格,再加上平衡机制调用的出清价格,这些价格信号对于辅助服务报价肯定是有影响的,但英国之所以没有选择联合出清,是在交易成本和竞争强度之间的抉择,由于物理双边交易已将绝大部分发电机组的运行计划提前确定,因此英国的辅助服务市场并不像全电量竞争的北美主要市场那样激烈,选择更为简洁的短期辅助服务竞价也就可以理解了。

随着我国本轮电力市场化改革的深入,关于建立辅助服务分担共享新机制的配套文件和各省出台的辅助服务市场建设方案,给出了近期辅助服务市场化的原则和方向。

其中,配套文件《关于推进电力市场建设的实施意见》中提到“在现货市场开展备用、调频等辅助服务交易,中长期市场开展可中断负荷、调压等辅助服务交易。日前发电计划编制过程中,应考虑辅助服务与电能量统一出清、统一安排。”首次明确的将我国建立现货市场后,辅助服务市场与现货市场的关系进行了说明。目前公布的各省辅助服务市场建设方案则更多着眼于现货市场建立前的过渡期,更多关注计划调度模式下的调峰问题。

随着电力现货市场的建立,调峰问题可以通过竞价上网解决,不必另行补偿;备用服务和调频服务由于提供服务与发电均需要使用机组的一部分容量,竞价过程会将机会成本考虑其中。因此,现货市场建立与否会直接决定辅助服务市场竞价的本质。在由于缺少现货市场中电能量的价格信号的情况下,辅助服务所对应的机会成本和调用过程中所产生的电量费用将不能完全反映其真实价值。可以说,现货市场建立前的辅助服务市场仍处于一个有形无质的不完全状态。

另外,辅助服务的经济补偿,普遍采用的方式是按其成本补偿,这是因为欧美主要市场最初设计辅助服务市场时,是基于传统的水火电机组参数设计的。随着可再生能源、储能技术和需求侧响应技术的发展,越来越多的资源参与到辅助服务中来,原有辅助服务的分类和补偿方式随之显现出其局限性。我国辅助服务市场设计推荐采用基于效果补偿的设计思路,以达到更好的兼容性,从系统需要的角度,基于实际表现的辅助服务补偿方式则对所有资源一视同仁,能够更好满足系统实际运行需要且经济性更好的资源将得到更高的补偿,这有利于鼓励服务提供者更关注系统需求,真正回归到系统购买辅助服务的初衷。

作者系华北电力大学电力系统及其自动化专业博士

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原标题:市场的平衡机制与辅助服务,我们有哪些可以学习? | 英国电力市场考察研究⑤

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