风电能源的调度与运行范文

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摘要：风能作为最有前途的可再生能源之一，近年来在世界范围内得到了广泛重视。针对大量风电能源引入对传统能源架构设计的电力市场带来的变化，本文对电力市场的通用设计原则和北美电力市场的结构进行了简单的回顾，重点介绍了风电能源在北美（美国、加拿大）电力市场环境下的运行方法，并在此基础上对大量可再生能源的引入对电力市场长期发展的影响进行了分析，对于中国正在建立和完善的电力市场机制具有参考价值。

关键词：电力市场；风力发电；系统可靠性；发电计划；市场定价

0引言

20世纪下半叶以来，世界经济的快速发展在带来空前物质繁荣的同时，也对人类的生存环境造成了严重影响。造成大量温室气体排放的传统发电模式成为社会关注的重点，基于清洁可再生能源的发电方式得到了日益广泛的重视，其中风能发电近年来得到了迅猛的发展。根据世界风能协会（GWEC）的报告,截至2015年底，世界风电总装机容量已经达到433GW。在北美，美国2015年全年新增风电装机容量8.6GW，远远超过年初的预期，全年风电发电量超过190TWh，占其全年总发电量的4.7%；加拿大全年新增风电装机容量1.5GW，累计总装机容量达到11.2GW，风电发电量占其全年总发电量的5%；墨西哥的风电累计总装机容量也达到了3GW。2015年12月12日，195个国家在联合国气候峰会中所通过的《巴黎协定》为清洁能源的进一步发展创造了良好的政治环境。

到目前为止，已经有包括美国、加拿大和墨西哥在内的173个国家正式批准了《巴黎协定》。另一方面，众所周知，美国近年来风电发展在很大程度上受联邦《可再生能源发电减税》（PTC）和《可再生能源发电投资减税》（ITC）法案的驱动。2015年12月通过的《综合拨款法案2016》（CAA2016）更将这一减税措施的有效期延长至2019年底。预计这一法案所涉及的减税额可达数十亿美元，但带来的投资却可能高达上千亿美元。加拿大政府也准备在近期推出相似的减税政策以推动可再生能源发电的投资与建设。预计至2020年，北美将有60GW的风电容量增长。众所周知，美国和加拿大的现行电网在很大程度上是在电力市场的框架下运行的。从1996年美国联邦能源管理委员会（FREC）颁布888法案[3]开始，经过20年的发展，在北美范围内已经建立了10个ISO/RTO，逐渐形成了包括容量市场、能量市场、辅助服务市场以及输电权市场的一套完整的市场架构。

电力市场建立的初衷是消除竞争壁垒，吸引更多的投资进入电力行业。所以这个市场的设计必须以足够的收益来吸引投资者，保证资金在投入市场后有可靠的回报。同时，在这个市场框架下运行的系统必须满足可靠性的基本要求。在很长一段时间内，电力市场的设计基于传统的发电能源结构，即以核电、燃煤、燃油和水电机组为基础，加之以燃气轮机为代表的快速机组。在风电等可再生能源发电大量进入市场之前，这个市场已经近于成熟。以风电为代表的可间断能源的大量进入对传统的电力市场带来了新的问题和挑战。风电能源的特点是具有较低的生产成本，但其发电量却具有相当程度的不确定性，同时风电能源可以从国家的减税政策中获得进一步的经济补偿。近年来，尽管各ISO/RTO针对风电能源的大量引入制定了一系列针对性规则，但风电能源带来的市场出清价格的日益下降却日趋明显。

在这种情况下，电力市场是否能继续保持对新投资的吸引力就成为必须考虑的问题。从长远观点看，风电以及其他可再生能源的进一步发展有可能造成日益增多的负荷被就地平衡，从而造成主网传输能量的降低。针对现有输电网络设计的电力市场是否能适应这一发展趋势，也将成为目前应该关注和研究的课题。本文将首先从经济角度对电力市场的设计原则和北美现行电力市场结构进行简单回顾，在此基础上，重点介绍北美（美国、加拿大）电力市场对风电大量引入所制定的针对性规则，同时对大量可再生能源的引入对电力市场的影响以及电力市场的长期发展趋势进行分析。

1北美电力市场简介

1.1电力市场的设计原则

电力市场设计的核心问题是如何在受收益驱动的市场机制和受可靠性制约的系统运行之间达到平衡。具体来说，市场运行的近期目标应该是在满足系统运行安全约束的前提下尽可能降低系统的运行成本；而长远目标则应该是通过产生有效的价格信号以吸引系统所需的投资。近年来，相关研究及论文不计其数。文献[5-7]即是其中的几例。这里要重点强调的是价格信号在电力市场运作过程中的核心地位，因为它与本文下面要讨论的问题密切相关。如前所述，一个成功的电力市场需要通过适当的价格信号吸引所需的资源或投资进入市场。从市场的角度看，价格信号必须对市场希望获得的资源和投资有足够的吸引作用；同时价格信号也必须对市场不希望拥有的资源和投资有足够的排斥作用。从市场参与者的角度看，加入一个市场的前提是可能获得比同样的资源或投资转投他处更多的收益。所以一个不能产生足够收益的市场是没有吸引力的。发电资源的拥有者可能选择加入其他市场。投资者则可能转投其他行业。

1.2传统能源框架下的美国电力市场

在北美现有电力市场体系中，多数市场不同程度地受到大量风电能源引入的影响。下面主要介绍受风电能源加入影响较大的几个市场在传统能源模式下的运作方法和内容。

1.2.1容量市场

容量市场是以发电资源的容量作为竞标和结算对象的市场。容量市场建立的初衷是保证系统拥有足够的容量以满足未来若干年内可预测的负荷增长。一个理想的容量市场在保证现有机组容量得以正常维护和运行的基础上，应该对新机组容量的投资具有足够的吸引力。尽管各ISO/RTO在容量市场的具体运作方式和细节上不尽相同，但典型的方法是利用可变能源需求曲线确定出清价格，并通过多轮竞标以适应不断变化的容量需求。在容量市场中标的发电资源必须加入能量市场。这样在获得电量收益的同时，该资源还可以按容量市场的出清价格获得一定数量的容量收益。这在一定程度上解决了某些发电资源仅通过能量市场不能获得足够收益的问题。容量市场存在的必要性一直是一个存在争议的问题。随着大量新能源发电设备进入市场以及燃料价格的持续降低，容量市场出清价格呈现日益下降的趋势。过低的出清价格将损伤市场对新机组容量投资的吸引力。另外，系统应该保证以较低的价格无条件满足各种情况下所有负荷的需求，还是可以容忍每年几十小时的高电价（scarcityprice）或者一定量的负荷切除，也是一个可以讨论并作出选择的问题。

1.2.2能量市场

能量市场是以发电资源的发电量作为竞标和结算对象的市场。能量市场始终是电力市场的核心。目前北美能量市场主要分日前市场和实时市场。在传统的发电能源结构下，日前市场主要针对传统的核电、燃煤、燃油等非快速机组。这类机组往往具有较长的启动时间、较大的最短连续运行时间和最短停机时间（从市场角度看，将其称为非灵活机组更为合适）。在日前市场上，来自发电方和需求方的投标在最小运行成本的目标下进行匹配以产生日前发电计划（包括启停机方案和调度方案）以及日前出清价格。在日前市场出清的资源理论上按日前出清价格结算。没有在日前市场中标的资源可以选择加入实时市场。实时市场以日前市场的机组启停机方案为基础，对来自发电方的投标在最小运行成本的目标下与系统负荷预测进行匹配以产生实时调度方案和实时出清价格。虽然在实时市场中也可以对机组的启停状态进行改变，但这些改变原则上只限于以燃气轮机为代表的快速机组。这类机组往往具有极短的启动时间、较小的最短连续运行时间和最短停机时间（事实上一旦进入实时市场，改变非快速机组的启停状态从技术上已经不可行）。机组实时调度方案与其在日前发电计划中的差异按实时出清价格结算。能量市场的基本设计理念是在日前市场中确定系统中绝大部分机组（主要是非快速机组）的发电计划。而在实时市场中利用系统再调度以及快速机组以平衡不断改变的负荷需求。很明显，这样的市场架构要实现稳定有效的运行，保持两个市场之间的均衡至关重要。很多ISO/RTO都通过引入一些经济手段，如虚拟投标，来维持两个市场间的平衡。

1.2.3辅助服务市场

辅助服务市场用于出清系统运行可靠性所需的调频和各类备用容量。尽管各ISO/RTO在系统备用的分类上有一些细微差距并采用不同的术语，但基本上不外乎同步（旋转）备用、10min非同步备用和30min非同步备用几类。在电力市场发展的初期，辅助服务市场是单独运作的。在辅助服务市场中出清的调频和各类备用容量在实时市场中得以实施，而实时市场不会对调频和各类备用容量的分配进行调整。目前大多数电力市场都已经采用将能量/调频/备用联合优化的方法来达到运行成本的最小化以及可用资源的最优分配。

2电力市场环境下风电能源的调度与运行

如前所述，风电能源的特点是具有较低的生产成本，但其发电量却有相当程度的不确定性。如果风电容量占整个系统发电总容量的比例极小，则简单地将风电纳入到现有的电力市场运行架构中应该不会产生明显的问题。但如果系统中存在着相当数量的风电能源，则沿用现有的市场运行模式将有可能带来许多潜在的问题。为此，各ISO/RTO均针对风电能源的特点，对市场环境下风电能源的引入制定了一系列特定规则。这些规则虽然涉及到整个市场架构的各个方面，但其影响最大的是能量市场。

2.1容量市场中的风电能源

风电能源虽然具有较低的生产成本，但其投运初期也会具有较高的折旧成本，加入容量市场会因此得到一定程度的补偿。与常规机组的不同之处在于，作为一种可间断性发电资源，风电机组对满足未来负荷需求的能力不能简单地依据其铭牌容量来计算。目前风电机组一般利用其所谓的“有效设备容量”参与容量市场。虽然目前北美各ISO/RTO容量市场的结构有较大差异。但对于有效风电设备容量的估算原则却大同小异。基本上在设备投运之前按铭牌容量的某个固定百分数进行估算，投运后按连续数年机组在特定时段的平均容量系数进行估算。如PJM，在设备投运之前或具有完整的运行数据前按铭牌容量的13%进行估算，一旦具备机组完整的运行数据，则按先前连续3年中6—8月每天下午2:00—6:00的平均容量系数计算。

2.2能量市场中的风电资源调度

传统的日前市场要提供中标机组的日前发电计划（包括机组启停状态和出力）以及次日每小时的日前出清价格。前者可以归结为一个多时段带安全约束的机组组合问题，而后者则可以通过一系列单时段的经济调度问题求解。日前市场中每个调度时段的长度一般为1h。而实时市场一般通过单时段的经济调度模型产生对应时段的市场出清价格。实时市场中每个调度时段的长度一般为5~10min。对于风电这种带有相当不确定性的资源，即使参与日前市场并在日前市场中标，其机组的启停状态也不应被简单地带入实时市场。目前，风电机组在实时市场中的调度主要依赖状态估计的结果，即通过状态估计的结果决定风电机组的启停状态和调度上限。这是风电机组与其他常规机组之间一个很大的差别。如果风电机组本身将自己标定为可调度机组，则其必须提供相应的报价曲线。目前多数ISO/RTO都支持以小时为基础的报价曲线（如MISO,ISONE,NYISO,CAISO等，PJM的HourlyMarket也将在2017年上线），并且允许风电资源的报价曲线为负数。

经济调度程序会据此对其进行调度。风电机组本身运行成本低，又可获得政府的税收补贴，其报价一般较低，甚至出现负报价。因此除非该机组由于系统运行的需要被要求降低出力以控制某些特定的经济或安全约束，多数情况下风电机组都会运行于其调度上限。如果风电机组本身将自己标定为不可调度机组，则其出力将由状态估计的结果以及机组提供的出力计划决定。不可调度机组不可以在实时市场中报价。目前绝大多数ISO/RTO都允许风电资源参与日前市场。与实时市场相似，参与日前市场的风电资源可以按可调度机组投标并拥有自己的报价曲线。也可以将自己标定为不可调度机组并提供次日每小时的计划出力。可调度风电机组可以在日前市场中报价。如前所述，目前广泛采用的两级市场架构（日前市场和实时市场）要达到稳定有效的运行，保持两个市场之间的均衡至关重要。从这个角度看，风电机组参与日前市场是应该得到鼓励的，尽管风电机组在实时市场中的启停状态和出力实际上由状态估计结果决定。

如果大量风电机组只参与实时市场而不参与日前市场，则日前发电计划中可能包含过多的具有相对较高报价的传统机组，这将对实时市场的经济调度带来困难，同时也会使两级市场出清价格产生较大差异。但风电机组参与日前市场需要有稳定可靠的风力预测系统的支持。一般的风电设备拥有者并不一定具备这种能力。目前，许多ISO/RTO在提供短期（10min）风力预测数据的基础上，也提供长达48~168h的中长期预测。这也是风电机组与其他常规机组之间的一个不同之处。目前各ISO/RTO在处理风电在两级市场的关系问题上各有自己的特色。如PJM和MISO，如果某风电机组已经在容量市场中中标，则该机组必须参与日前市场才能获取容量收益。但如果该风电机组没有参与容量市场或没有在容量市场中中标，则其可以自行选定是否加入日前市场。而在另一些ISO中，如NYISO，则规定风电机组必须加入实时市场，但不必加入日前市场以获得容量收益。机组实时调度方案与其在日前发电计划中的差异按实时出清价格结算的原则也适用于风电机组。为鼓励市场参与者按实际边际成本报价并积极服从ISO/RTO的调度指令，很多市场都引入附加的经济补偿以保证发电资源由于服从调度指令而被迫在其边际成本以下运行时不会受到损失。这种经济补偿也用于风电机组。也有某些ISO根据其自身的运行特点提出了一些专门针对风电机组的调度方案，并已在实际系统中得以运用。如ISONE提出的DNE方案，在现有实时市场经济调度方案的基础上，根据网络的实时传输能力，计算每个风电机组允许的发电上限。ISO下发给相应厂站的就不再是传统意义上的AGC基值，而是这个计算出的发电上限。这就给风电机组的运行带来了更大的灵活性。

2.3辅助服务市场中的风电能源

风电机组本身的低运行成本导致的低报价决定了多数情况下风电机组都会运行在其调度上限。实际系统中风电机组参与辅助服务市场的情况并不多见。对于风电这类间断性能源，目前市场并不鼓励风电机组大量参与辅助服务市场（实际上由于风电等间断性能源的大量引入，系统所需的备用容量水平还可能上升），但多数市场也并未将风能排斥在辅助服务之外。某些ISO依据风电机组的特点，对风电机组所能参与的辅助服务进行了限制，如SPP，只允许符合条件的风电机组参与向下调频的服务，但不能参与向上调频的服务。如前所述，目前北美大多数电力市场都已经采用将能量/调频/备用联合优化的方法来达到运行成本的最小化以及可用资源的最优分配。这样，风电机组可以同时参与能量市场和辅助服务市场的竞标，其最终出清结果由优化算法决定。

3风电能源对电力市场的长远影响

从前面的论述可以看出，目前北美电力市场的运行理念是尽可能地将风电能源纳入到现行的市场机制之中，而并未准备对现有的市场架构进行调整。从长远观点看，未来以风电为代表的可再生能源发电设备的快速增长对电力市场架构带来的冲击是不可回避的问题。2015年9月20日午夜美国德克萨斯(ERCORT)系统的实时出清价格一度达到-8.52美元/MWh。尽管这一现象的出现有其一定的偶然性，如德克萨斯电网是一个相对独立的系统，在风电过剩的情况下无法将多余的电能有效地向外输出，而且德克萨斯系统拥有比其他各州更大的风电比例，但实际上负出清价格在此之前就已经在美国各大系统中多次出现。尽管风电能源的引入并不是市场出清价格日益下降的唯一原因（廉价的天然气也对市场出清价格的下降有很大影响），但过低的出清价格势必导致投资收益的下降，从而影响电力市场对新投资的吸引力，这对电力市场本身乃至整个电力行业的发展都是不利的。

另一方面，从近年来美国风电能源的发展趋势来看，联邦的减税政策起到了关键性的作用。每当联邦出台新的减税政策，风电设备的投资就进入明显的高涨期。而每当已有的减税政策即将过期，风电设备的投资就进入明显的低谷期。未来的能源投资究竟在多大程度上受到国家经济政策的影响，市场机制从中能起到多大的作用，都是值得研究的问题。从长远观点看，风电以及其他可再生能源的进一步发展有可能造成日益增多的负荷被就地平衡。是否需要针对配电系统建立相应的市场机制，输电网市场的机制与规则是否可以被简单推广到配电网市场，输电网市场与配电网市场应该如何相互协调，也是目前北美学术界关注和研究的课题。

4结语

本文在对北美电力市场结构进行简单回顾的基础上，重点介绍了北美电力市场为将风电能源纳入到现行的市场机制之中所采取的措施，并对以风电为代表的可再生能源的快速增长对市场带来的冲击进行了简单分析。必须注意到的是，风电能源的快速发展出现在电力市场在北美趋于完善的时期，因此整个市场架构不可能针对风电能源的出现立即作出根本性的调整，而只能是尽可能地将风电能源吸纳到现有的市场体制中。这与中国的情况完全不同。因此照搬北美的电力市场模式并不一定是好的选择。根据中国的国情，设计符合中国现有能源架构和运行方式的市场体制，才是正确的发展方向。

作者：金明1，邱炜1，朱继忠2 单位：1.通用电气电网公司，2.南方电网科学研究院