新能源参与省级电力现货市场的模式设计

文章导读

首批电力现货市场建设试点工作正在加快推进，随着新能源的快速发展以及现货市场的逐步成熟，浙江等新能源低占比地区也需考虑新能源参与省级现货市场的相关问题。PJM在考虑新能源快速增长的情况下调整了市场设计。本文充分借鉴PJM的市场建设经验，提出了考虑新能源消纳分阶段模式演化的省级电力市场设计。

（来源：微信公众号“全球能源互联网期刊”作者：中文期刊编辑部）

文章亮点

1）分析了新能源快速增长下的PJM电力市场设计变化与调整。

2）针对市场发展不同时期，提出了新能源渐进式参与现货市场的3种方式及相应市场配套机制。

3）以浙江实际运行数据为算例，考虑目前新能源低占比以及未来新能源高占比2种场景，对比了不同市场参与方式下的新能源消纳量和系统发电成本。

摘要

在全球能源转型背景下，中国新能源持续快速建设，但消纳问题也不断凸显，传统的补偿模式很难平衡新能源消纳中的各方主体诉求，通过市场机制解决市场主体的利益平衡成为各方共识。对省级新能源参与现货市场的市场设计进行思考和展望，首先研究了考虑新能源快速增长下的美国PJM电力市场设计变化与调整。在此基础上，研究了浙江省新能源的现状、发展以及未来面临的消纳问题，进而提出了考虑新能源消纳分阶段模式演化的省级电力市场设计。最后以浙江省运行数据为例，基于目前新能源低占比场景以及未来新能源高占比的假设场景，对新能源不同市场参与模式的消纳情况和收益进行了算例计算和比对分析。根据新能源与现货市场的发展情况，渐进地选取新能源参与现货市场的模式；3种模式中，新能源以报量报价形式参与市场能够使社会整体效益最大化。

0 引言

当今世界各国正面临严峻的气候变化和能源短缺问题，发展新能源是许多国家的重要能源战略。在新能源发展初期，依靠固定上网电价补贴政策的扶持，新能源得到了迅猛发展[1-2]，《中国2050高比例新能源发展情景暨路径研究报告》明确提出到2025年新能源占一次能源比重将达到20%，到2050年新能源发电量占总发电量的比例将超过60%[3-4]。

但目前中国新能源发展仍面临一些问题，一是三北地区弃风弃光的压力始终较大[1]。二是国家新能源发展基金来源单一，补贴缺口逐渐扩大，依靠补贴政策推进新能源发展和消纳非长久之计。三是新能源的波动性与不确定性增加了系统运行的困难[5-8]，需要其他类型能源提供辅助服务[9]。在缺乏市场激励的情况下，电力系统难以经济高效地应对高比例新能源带来的可靠性问题，难以满足市场成员对于公平和效率的诉求[10]。同时，随着新能源发电技术进步以及规模扩大，发电成本大幅下降，市场化交易、无补贴发展逐渐具备条件，深化电力市场改革、通过市场化手段促进新能源的发展和消纳已成为共识[11-13]。

目前，不少国家探索与制定了新能源价格补贴政策与相应的市场交易机制。从国外的实践看，市场机制层面，绝大部分开展现货市场运营的国家均采用新能源与常规电源同等方式参与竞争，并通过政府调控激励新能源发展。具体激励政策主要分为2类：基于电量的激励政策和基于价格的激励政策[14-15]，前者主要包括净电量结算、新能源配额制及绿色证书等，后者主要包括固定上网电价、溢价机制、招标电价、差价合约等。

中国电力市场改革正在加快推进，第一批8个现货试点地区已完成多轮结算试运行。作为电力市场改革承载的重要目标之一，促进新能源消纳是市场设计需要重点考虑的关键问题。在新能源参与市场的设计方面，甘肃、山东均采取了新能源机组的大部分出力以固定出力形式参与市场、剩余部分以报量报价形式参与现货市场的方式。目前浙江新能源未参与现货市场，随着新能源的发展以及现货市场的成熟，浙江也需考虑新能源参与现货市场的相关问题。浙江市场设计结合集中式市场和政府授权合约模式，保障平稳过渡的同时，为各种能源提供了多市场收益的综合回报模式，为新能源参与市场提供了基础条件。本文首先介绍美国PJM（PJMINT.,L.L.C.）市场中新能源参与情况，以及新能源不断发展情况下市场规则设计的一些新趋势，在此基础上，简要分析浙江新能源消纳现状，进而建立考虑新能源消纳的省级电力市场设计思路，最后通过算例定量分析对比新能源不同参与方式下的消纳效果以及市场出清情况。

1 PJM的新能源发展与市场参与概述

1.1 PJM的新能源发展

PJM经营区域位于美国东北部，平原为主，人口相对稠密，风、光等新能源资源并不丰富。但在政策的推动下，过去10年的风电和光伏发电装机增长如图1所示，风电、光伏的年发电量增长居于各种资源前列。截至2019年底，风电装机已占PJM装机总量的5%，光伏也超过1%。

图1 PJM 风电、光伏装机情况（2009-2019）[16]

Fig.1 Wind and PV capacity of PJM (2009-2019)[16]

新能源占PJM的未来电源规划比例很大，图2表明无论从在建项目数量还是容量，新能源都占了非常大的比例。

图2 PJM在建和规划中的电源

Fig.2 Generation under construction and planning of PJM

1.2 PJM各州的新能源指标

美国各州都有新能源中远期规划，表1列出了PJM区域各州未来新能源装机容量占比的目标。受政治、地缘、经济等因素影响，各州目标差异比较大，但总体趋势也体现在每年新增和未来计划中。

1.3 电力市场与新能源

1.3.1 市场参与

在PJM市场，新能源机组基本与其他类型机组一样，公平、无歧视、无特殊待遇地参与市场，但受物理上不可控自然因素影响，某些参数有一定约束。

参与竞价的机组主要分为接受调度指令的报价机组和自计划机组，其中自计划机组分为完全自计划机组和部分接受调度的自计划机组，自计划机组的自计划容量或自计划时段以固定出力形式参与市场。如表2和表3所示，2019年日前市场风、光机组以报价报量参与市场的容量占比分别为10.9%和13.1%，自计划形式占比稍高，分别达19.2%和15.1%。日前报量是新能源主体对第二天出力的预测值或最大经济出力。这个上限可以在日前出清后到实时1h前根据更新预测调整。风、光报价曲线和其他类型机组基本一致，由于变动成本接近0，这些曲线都有极低的报价甚至可能为负。

表1 PJM各州的新能源发展目标[16]

Table 1 New energy goals of PJM states[16]%

表2 日前市场参与报价机组类型和报价分布[17]

Table 2 Units types and bidding distribution in day ahead market[17]%

表3 日前市场自计划机组和参与报价自计划机组类型及报价分布[17]

Table 3 Types and bidding distribution of self-scheduling units and self-scheduling units participating in quotation[17]%

目前，风、光发电基本不参与辅助服务，但近年来储能和风光发电控制技术的发展，为未来混合互补型的风、光电站参与辅助服务提供了技术条件。

1.3.2 市场出清

风、光发电的出清机制和其他机组一样，PJM对所有机组公平的开放市场意味着机组之间的竞争是全方位的，从燃料到运行成本，从效率到策略都要求市场主体有所准备。新能源的优缺点都非常明显，在市场环境下，很低的变动成本使其在报价竞争中占有很大优势，但由于出力的不确定性和不可控性，只能有限制条件地参与市场并承受预测偏差带来的损失。这些对新能源发电提出更高的预测精度和控制性能要求，同时也给市场演变提供了机会。

表4和表5分别列出PJM实时和日前市场中不同类型边际机组的占比，风机在实时市场作为边际机组的机会达到3.8%，基本上都是在负荷水平很低的凌晨。