趙 磊， 楊永利，張新偉，賀成銘，劉友波

(1.新疆電力交易中心有限公司，新疆 烏魯木齊 830011；2.四川大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都 610065)

0 引 言

近年來(lái)，中國(guó)的風(fēng)電和光伏裝機(jī)容量迅速攀升，成為全球第一大國(guó)。國(guó)內(nèi)新疆地區(qū)的風(fēng)電和光伏等可再生能源在當(dāng)?shù)卣加休^大比重，且逐年提升；但與此同時(shí)，風(fēng)電和光伏出力的波動(dòng)性和隨機(jī)性較強(qiáng)，加之傳統(tǒng)發(fā)電型式占比的下降給電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力帶來(lái)了較大挑戰(zhàn)，嚴(yán)重影響了風(fēng)電和光伏的消納，常常出現(xiàn)棄風(fēng)棄光。因此，研究解決新疆地區(qū)等可再生能源大省的新能源消納意義重大。

中國(guó)在2018年正式逐步實(shí)施國(guó)際上通常使用的可再生能源配額制(renewable portfolio standards，RPS)，通過(guò)市場(chǎng)化、貨幣化的方式激勵(lì)可再生能源發(fā)電的發(fā)展[1]?？稍偕茉磁漕~制(簡(jiǎn)稱(chēng)配額制)實(shí)質(zhì)是要求發(fā)電方和售電公司生產(chǎn)和銷(xiāo)售的電能中，可再生能源必須占到一定比例，否則需購(gòu)買(mǎi)高價(jià)綠色證書(shū)(green certificate，GC)。但當(dāng)前僅對(duì)消納主體和需要消納的數(shù)量有較明確的規(guī)定，對(duì)配額制與不同交易市場(chǎng)的銜接沒(méi)有詳細(xì)規(guī)定，需要各地根據(jù)自身特點(diǎn)制定相應(yīng)策略，因此有很大的研究?jī)r(jià)值與空間[2-3]。

同時(shí)，新疆地區(qū)具有相當(dāng)規(guī)模的自備電廠，其整體裝機(jī)容量與新能源的裝機(jī)容量接近，但并沒(méi)有發(fā)揮出應(yīng)有的調(diào)峰作用。在電力供應(yīng)不足的時(shí)代，自備電廠發(fā)揮了減少停電的作用，但目前電力供應(yīng)充足，其不再發(fā)揮支援電網(wǎng)的作用。然而，自備電廠建設(shè)分散且單機(jī)組容量較小，其作為調(diào)峰電廠具有較明顯的成本優(yōu)勢(shì)，可以較好彌補(bǔ)新能源發(fā)電存在的“逆調(diào)峰特性”，進(jìn)而達(dá)到共贏的目的。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于配額制與自備電廠替代交易的研究主要集中在配額制頂層設(shè)計(jì)、綠證交易機(jī)制、對(duì)各類(lèi)主體影響分析等方面[1-9]。文獻(xiàn)[1]主要對(duì)中國(guó)正式實(shí)施的配額制，從頂層設(shè)計(jì)的角度進(jìn)行了分析與科學(xué)闡釋?zhuān)⒔Y(jié)合國(guó)內(nèi)實(shí)際情況給出了建議。文獻(xiàn)[4-9]主要對(duì)國(guó)內(nèi)外新能源相關(guān)交易機(jī)制進(jìn)行了分析，從頂層設(shè)計(jì)思路、分析模型、風(fēng)險(xiǎn)管理等多方面進(jìn)行了研究，而后結(jié)合中國(guó)實(shí)際情況闡述了相關(guān)啟示。文獻(xiàn)[10]針對(duì)國(guó)內(nèi)可再生能源消納的問(wèn)題，提出了一種國(guó)家與省級(jí)層面的可再生能源市場(chǎng)協(xié)調(diào)與偏差結(jié)算機(jī)制。文獻(xiàn)[11]通過(guò)建立多寡頭非合作博弈模型，提出了一種發(fā)電側(cè)的可再生能源配額制及配套綠色證書(shū)交易機(jī)制，其特點(diǎn)是可最大程度保證綠色證書(shū)供需平衡。文獻(xiàn)[12-14]通過(guò)建立相關(guān)的數(shù)學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)模型，研究了配額制對(duì)中國(guó)電源結(jié)構(gòu)以及政策均衡性的影響，提出了中國(guó)可再生能源未來(lái)發(fā)展的定位和相關(guān)建議。文獻(xiàn)[15]深入分析了可再生能源的正外部性效應(yīng)，基于綠色電力需求和配額制的因素，建立了交易主體最優(yōu)決策模型，探究了跨省區(qū)電力交易主體的最優(yōu)決策，使其利益最大化。綜上，國(guó)內(nèi)對(duì)配額制方面較少涉及到省內(nèi)實(shí)施層，特別是深入結(jié)合如新疆等本地風(fēng)電和光伏等新能源占比較大地區(qū)特點(diǎn)的配額制市場(chǎng)化交易機(jī)制。

針對(duì)新疆地區(qū)存在大量自備電廠，但風(fēng)電和光伏等可再生能源消納不理想的情況，下面從不同責(zé)任主體消納能力與成本的差異出發(fā)，結(jié)合新疆電力市場(chǎng)已有的中長(zhǎng)期交易基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一種以整體消納成本最低為目標(biāo)，基于新能源發(fā)電企業(yè)和具有自備電廠用戶電力曲線匹配度的日前交易機(jī)制。首先，通過(guò)分析新能源消納貢獻(xiàn)度的配額指標(biāo)分配模式，對(duì)匹配程度高的市場(chǎng)主體分配更多的新能源配額指標(biāo)；然后，通過(guò)市場(chǎng)化的消納量轉(zhuǎn)讓獲得超額收益，兼顧雙方利益，激勵(lì)主體主動(dòng)消納，在提升整個(gè)消納量的同時(shí)降低整體消納成本，提高社會(huì)福利；最后，通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)的日前交易機(jī)制算例分析，表明所設(shè)計(jì)的機(jī)制可以在促進(jìn)省內(nèi)可再生能源消納量的同時(shí)降低社會(huì)整體的消納成本，具有較顯著作用。

1 新疆現(xiàn)有替代交易情況

新疆地區(qū)發(fā)電側(cè)不僅有比例較大的傳統(tǒng)公用火電和水電，還有較大部分的企業(yè)自備電廠，截至2019年，其容量基本和疆內(nèi)風(fēng)電和光伏裝機(jī)總?cè)萘拷咏?，這也是疆內(nèi)發(fā)電側(cè)的特點(diǎn)。目前，新疆地區(qū)已經(jīng)開(kāi)展了新能源替代交易，但仍存在著較大的問(wèn)題。

1.1 新疆發(fā)電側(cè)基本情況

20世紀(jì)50年代電力供應(yīng)緊缺，無(wú)法滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，國(guó)家允許企業(yè)建立自備電廠以緩解用電需求[11]，特別是高耗能企業(yè)自備電廠較常見(jiàn)。截至2019年，新疆自備電廠數(shù)量超過(guò)30家，總裝機(jī)容量約15 670 MW，超過(guò)全網(wǎng)裝機(jī)容量的16%。2014—2019年，疆內(nèi)風(fēng)電和光伏總裝機(jī)容量逐步提升，截至2019年，總裝機(jī)容量約17 620 MW，約占18%，和自備電廠比例接近，整體情況如圖1所示。

圖1 2014—2019年新疆自備電廠與新能源裝機(jī)情況

1.2 新疆自備電廠與新能源市場(chǎng)化現(xiàn)狀

新疆自備電廠和新能源裝機(jī)接近，是新疆開(kāi)展新能源發(fā)電與燃煤自備電廠替代交易的基礎(chǔ)。2016年，新疆下發(fā)《新疆區(qū)域新能源發(fā)電企業(yè)與燃煤自備電廠調(diào)峰替代交易實(shí)施細(xì)則(暫行)》，并開(kāi)展了第一批新能源發(fā)電企業(yè)與燃煤自備電廠所屬企業(yè)進(jìn)行電量置換交易的試點(diǎn)應(yīng)用。這屬于一種發(fā)電權(quán)交易模式，它利用新能源發(fā)電企業(yè)(renewable energy generation，REG)與自備電廠所屬企業(yè)(簡(jiǎn)稱(chēng)REG-SPP)進(jìn)行電量置換，用市場(chǎng)化交易的力量來(lái)平衡各方利益，同時(shí)調(diào)動(dòng)各參與方的積極性，挖掘燃煤自備電廠的調(diào)峰空間，增強(qiáng)電網(wǎng)的新能源消納能力[16]。

目前新疆所組織的新能源替代燃煤自備電廠交易中，分別建立了“停備交易”和“旋備交易”兩個(gè)序列，用來(lái)申報(bào)交易電量和價(jià)格。在配額制實(shí)施后，傳統(tǒng)的停備和旋備方式在調(diào)度執(zhí)行時(shí)與新能源出力受阻曲線的匹配程度無(wú)法量化。傳統(tǒng)新能源替代交易是在新能源發(fā)生棄電時(shí)實(shí)施，按照新能源裝機(jī)容量100%算作自備電廠消納量。這對(duì)疆內(nèi)其他責(zé)任主體來(lái)說(shuō)有失公平，更無(wú)法調(diào)動(dòng)各主體的積極性。屆時(shí)新能源配額缺口將更大，必然導(dǎo)致其他責(zé)任主體通過(guò)新能源配額的二級(jí)市場(chǎng)或綠證交易市場(chǎng)去購(gòu)買(mǎi)配額指標(biāo)，造成整個(gè)社會(huì)消納新能源的成本升高。同時(shí)，根據(jù)國(guó)家有關(guān)配額制的指標(biāo)，從2018年至2020年新疆的可再生能源配額指標(biāo)情況(如表1所示)來(lái)看，可以看出新疆全省新能源消納責(zé)任指標(biāo)完成缺口逐年增大，2020年缺口將達(dá)到了9135 GWh。因此，亟需通過(guò)市場(chǎng)化手段進(jìn)一步提高新能源消納能力。

表1 2018—2020年新疆可再生能源配額指標(biāo)

2 帶曲線匹配的新能源日前交易模式

目前，新疆棄風(fēng)棄光嚴(yán)重，常規(guī)的電量交易無(wú)法滿足配額制實(shí)施的要求；同時(shí)新能源消納水平無(wú)法提高，反而還增加了全社會(huì)完成配額制的成本。疆內(nèi)自備電廠年發(fā)電量占全社會(huì)用電量將近三分之一，而當(dāng)前配額制是以傳統(tǒng)電量置換為手段的電能新能源替代交易模式，未真實(shí)反映新能源消納能力，難以適應(yīng)配額制下新能源市場(chǎng)化交易，也未考慮市場(chǎng)主體消納新能源的真實(shí)能力。為解決此問(wèn)題，提出構(gòu)建一種疆內(nèi)新能源替代交易2.0模式，即考慮不同市場(chǎng)主體對(duì)新能源消納的實(shí)際貢獻(xiàn)度，建立基于新能源出力和消納方負(fù)荷曲線申報(bào)的新能源替代交易模式，通過(guò)新能源企業(yè)掛牌而具有自備電廠的用戶競(jìng)價(jià)摘牌的方式，以市場(chǎng)手段平衡多方利益，激勵(lì)低消納成本的用戶主動(dòng)消納新能源，盡可能降低社會(huì)整體消納成本。

對(duì)于新能源消納響應(yīng)能力強(qiáng)或者負(fù)荷曲線調(diào)整成本較低的自備電廠用戶，可在市場(chǎng)中多摘牌取得更多可再生能源消納量，超額完成的消納量配額指標(biāo)，通過(guò)二級(jí)市場(chǎng)轉(zhuǎn)讓可獲得超額收益。在市場(chǎng)中，每個(gè)參與者都以自身利益最大化為目標(biāo)，那么對(duì)于消納能力不強(qiáng)或者自身負(fù)荷曲線調(diào)整成本高的市場(chǎng)主體，必然參與度不夠高，但其可以向消納能力強(qiáng)的用戶直接購(gòu)買(mǎi)。為此，這就需要一個(gè)本地化的交易市場(chǎng)，采用這種消納匹配度更高的日前交易模式進(jìn)行交易，可減少能源的遠(yuǎn)距離輸送進(jìn)一步降低消納成本。讓消納可再生能源成本低的主體替代成本高的主體，后者再通過(guò)市場(chǎng)化的手段給前者一定補(bǔ)償，這種以市場(chǎng)化交易形成的替代與補(bǔ)償方式，能夠達(dá)到社會(huì)付出成本最低而可再生能源消納更高的目標(biāo)。

2.1 帶曲線匹配的新能源交易框架

電力交易機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)組織新能源日前交易，與常規(guī)日前市場(chǎng)不同，新能源企業(yè)需要申報(bào)電力曲線(日內(nèi)12 h的電量和價(jià)格)，采取摘掛牌交易的模式，交易標(biāo)的為新能源電能量和環(huán)保屬性價(jià)值，交易機(jī)構(gòu)根據(jù)摘牌用戶自身的消納匹配程度分配，為避免過(guò)度投機(jī)行為擾亂市場(chǎng)，交易雙方成交合同需要嚴(yán)格按照中標(biāo)曲線物理執(zhí)行。整體交易過(guò)程如圖2所示，主要分為4個(gè)階段：第1階段為中長(zhǎng)期交易；第2階段為新能源日前交易；第3階段為常規(guī)日前交易和實(shí)時(shí)現(xiàn)貨交易；第4階段為新能源二級(jí)消納轉(zhuǎn)讓交易。

圖2 新能源日前市場(chǎng)交易流程

在第2個(gè)交易階段，新能源企業(yè)可掛出多個(gè)價(jià)格不同的出力曲線包，供具有自備電廠的用戶摘牌，用戶側(cè)確認(rèn)后，雙方即達(dá)成了帶曲線的物理合約，其日前電能量市場(chǎng)的所有中標(biāo)曲線累加之后即為運(yùn)行日的負(fù)荷需求曲線。需要注意的是新能源需申報(bào)運(yùn)行日12 h的電量和價(jià)格，自備電廠用戶根據(jù)自身負(fù)荷調(diào)節(jié)水平進(jìn)行確認(rèn)摘牌，這樣最大限度地使用戶側(cè)與新能源企業(yè)出力曲線互補(bǔ)匹配。

2.2 帶曲線匹配的新能源日前交易模型構(gòu)建

假定疆內(nèi)有n個(gè)新能源發(fā)電企業(yè)G1，G2，…，Gn，第i個(gè)新能源企業(yè)第j個(gè)包的掛牌電量和電價(jià)序列分別為{QGij(12)，PGij(12)}，為便于敘述這里省略括號(hào)內(nèi)容，簡(jiǎn)寫(xiě)為{QGij，PGij}；同時(shí)假設(shè)疆內(nèi)有m個(gè)具有自備電廠的用戶U1，U2，…，Um參與摘牌，那么第k個(gè)用戶摘第l個(gè)包的消納電量和報(bào)價(jià)序列分別為{QUkl，PUkl}，最終成交的電量和電價(jià)序列分別為{QDijkl，PDijkl}。

根據(jù)申報(bào)和摘牌結(jié)果，交易機(jī)構(gòu)依次對(duì)新能源企業(yè)每個(gè)包的摘牌情況進(jìn)行統(tǒng)一出清，交易機(jī)構(gòu)對(duì)包j按照競(jìng)價(jià)申報(bào)的價(jià)格由高到低進(jìn)行排序，Sort{PU1j，PU2j，…，PUmj}，根據(jù)排序結(jié)果，形成自備電廠用戶和新能源企業(yè)之間的價(jià)差對(duì)PCijkl為

PCijkl=PUkl-PGij

(1)

由于采用競(jìng)價(jià)的方式，價(jià)差對(duì)PCijkl必然大于等于0且也是按照價(jià)差的大到小的順序排列，交易機(jī)構(gòu)優(yōu)先撮合價(jià)差對(duì)大的用戶成交，成交量為用戶申報(bào)的電量，且成交價(jià)為

PDijkl=(PUkl-PGij)/2

(2)

類(lèi)似的，價(jià)差最大的用戶成交之后，若還有剩余電量，那么對(duì)價(jià)差第二大的用戶進(jìn)行撮和成交，直至該包全部成交完畢。產(chǎn)生的社會(huì)福利為

BGijUkl=∑[(PUkl-PDijkl)QUkl+(PDijkl-PGij)QUkl]

(3)

在社會(huì)福利最大化的同時(shí)，新能源消納成本低的自備電廠用戶，可以承受更高的競(jìng)價(jià)價(jià)格，進(jìn)而購(gòu)買(mǎi)到更多的消納電量，既提升了新能源消納量，也達(dá)到了以市場(chǎng)交易手段降低社會(huì)整體消納成本的目的。通過(guò)市場(chǎng)化引導(dǎo)，將激勵(lì)新能源消納成本更低的自備電廠用戶更多地參與消納，故所設(shè)計(jì)交易的目標(biāo)函數(shù)為

(4)

同時(shí)，實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)函數(shù)的約束條件如下：

1)新能源發(fā)電企業(yè)可以拆出不同出力組合的包，同時(shí)自備電廠用戶也可競(jìng)價(jià)摘牌多個(gè)新能源包，但是，新能源發(fā)電企業(yè)掛牌的包不能大于其最大出力限制，自備電廠用戶也不能超過(guò)其自身最大消納能力，即：

(5)

(6)

2)新能源發(fā)電企業(yè)和自備電廠用戶的掛牌價(jià)格和摘牌競(jìng)價(jià)的價(jià)格，均不能超過(guò)交易中心規(guī)定的限價(jià)，即

(7)

3 算例分析

目前，新疆棄風(fēng)棄光嚴(yán)重，常規(guī)的電量交易無(wú)法滿足配額制實(shí)施的要求，同時(shí)新能源消納水平無(wú)法提高，反而增加了全社會(huì)完成配額制的成本。為更清晰說(shuō)明所提交易模式，現(xiàn)假設(shè)有一個(gè)新能源企業(yè)按其自身的發(fā)電特性將整個(gè)發(fā)電能力掛包出來(lái)(如表2所示)，3個(gè)具有不同負(fù)荷特性的自備電廠用戶參與到新能源日前交易市場(chǎng)，其各自特點(diǎn)如表3、表4所示。

表2 新能源企業(yè)掛牌信息

表3 自備電廠用戶申報(bào)信息

自備電廠用戶A、B、C擁有各自的負(fù)荷消納特性，他們采用競(jìng)價(jià)摘牌的方式對(duì)新能源企業(yè)的掛牌的包進(jìn)行競(jìng)價(jià)，其申購(gòu)的電量和電價(jià)如表3所示。按照競(jìng)價(jià)摘牌的規(guī)則，在同一時(shí)間點(diǎn)競(jìng)價(jià)最高的用戶優(yōu)先匹配申報(bào)的電量，由此可得到市場(chǎng)模擬出清結(jié)果如表4所示。

表4 交易機(jī)構(gòu)模擬出清結(jié)果

從圖3的模擬出清曲線可看出來(lái)，自備電廠用戶A和B的電量出清結(jié)果與新能源出力掛包的電量曲線匹配度較高，這反映出其本身的負(fù)荷消納特性與新能源電廠的出力特性更為匹配；同時(shí)由于其消納新能源的成本更低，因此可以在交易市場(chǎng)中申報(bào)更高的價(jià)格，整體來(lái)看A和B的新能源中標(biāo)消納電量更多。對(duì)自備電廠用戶C而言，其中標(biāo)的新能源消納電量更少，這反映的是其自身負(fù)荷特性與此新能源包的特性匹配度更差一些，對(duì)此新能源消納能力較弱。

圖3 自備電廠用戶模擬出清電量結(jié)果

通過(guò)新能源日前交易市場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)了新能源消納能力強(qiáng)以及消納成本更低的自備電廠用戶，提升了新能源消納量。對(duì)于自備電廠用戶A和B而言，他們獲得了額外的新能源消納量，超額完成配額指標(biāo)，也可通過(guò)新能源消納量二級(jí)市場(chǎng)轉(zhuǎn)讓超額消納量，以市場(chǎng)的方式將其對(duì)消納新能源所做的貢獻(xiàn)折現(xiàn)，也極大地調(diào)動(dòng)了其新能源消納積極性，從而提升新疆地區(qū)完成可再生能源配額制目標(biāo)的程度。

根據(jù)前述交易福利產(chǎn)生的計(jì)算方法，可以得到本次新能源日前交易總成交電量為319 MWh，總成交額為22 517元，產(chǎn)生的社會(huì)福利為771元，產(chǎn)生的福利比率約為3.4%。起到了促進(jìn)新能源消納的效果，并且通過(guò)市場(chǎng)交易釋放了一定的社會(huì)福利，反映的是新能源消納成本更低的用戶更多地參與到了消納環(huán)節(jié)，進(jìn)而可以使整個(gè)新疆地區(qū)的新能源消納量得到提升，還降低了整體消納成本，達(dá)到了設(shè)計(jì)此市場(chǎng)的初衷。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)新疆地區(qū)新能源發(fā)電充沛，但目前存在較嚴(yán)重棄風(fēng)棄光又無(wú)法完成地區(qū)新能源配額制目標(biāo)的問(wèn)題，提出一種基于競(jìng)價(jià)摘牌的新能源日前交易模式。通過(guò)市場(chǎng)化手段提升自備電廠用戶的新能源消納意愿，從市場(chǎng)角度發(fā)掘消納成本更低的用戶，達(dá)到降低社會(huì)整體消納成本，提升新疆地區(qū)新能源消納量的目的。得到結(jié)論如下：

1)新疆地區(qū)新能源本地消納能力受限，但疆內(nèi)自備電廠與新能源裝機(jī)容量大體相當(dāng)，從整體上看，具備調(diào)動(dòng)自備電廠承擔(dān)調(diào)峰的巨大潛力。

2)新能源日前交易模式是通過(guò)市場(chǎng)化的手段，激勵(lì)與新能源出力特性互補(bǔ)、消納成本更低的用戶更多地去參與消納。

3)競(jìng)價(jià)摘牌的模式可以較好地使消納成本更低的自備電廠用戶獲得更多的新能源消納占比，為新疆地區(qū)完成配額制指標(biāo)提供一種新思路。

所提的交易機(jī)制并不適用于新能源消納不受限的地區(qū)，其重點(diǎn)是對(duì)在新疆這種棄風(fēng)棄光率較高且自備電廠容量相當(dāng)?shù)牡貐^(qū)具有較大意義。未來(lái)，隨著儲(chǔ)能的快速發(fā)展，可研究探索儲(chǔ)能服務(wù)在新能源消納市場(chǎng)的新模式。