摘 要：为了促进新能源高比例消纳，针对自备电厂发电权交易、备用辅助服务交易和分时电价交易三种市场机制，构建市场机制对新能源消纳贡献度模型；基于促进新能源消纳的市场机制，分析其环境效益、节省购电成本效益和供电可靠性提升效益，构建量化模型对市场机制效益进行量化。通过选取西北某地与东南沿海某地两地的数据进行效益测算，结果证明，有效的市场机制可促进高比例新能源的消纳，同时效益可观。
关键词：新能源消纳；市场机制；分时电价；辅助服务；贡献度；效益量化
（来源：中国电力 作者：杨建华 1 ，王雄飞 2 ，肖达强 1 ，赵佳伟 2 ，刘敦楠 2）
(1. 国网公司华中分部，湖北 武汉 430077；2. 华北电力大学 新能源电力系统国家重点实验室，北京 102206)
0 引言
中国能源结构不合理、供需空间分布不匹配、新能源技术高、市场机制不完善等一系列问题严重制约中国新能源高比例消纳 [1-3] 。为更加有效地解决新能源消纳问题，国家发展改革委、国家能源局联合印发了《清洁能源消纳行动计划(2018—2020 年)》 [4] 。在制约新能源消纳的因素中，能源结构、供需分布、新能源特性、技术成本的难题受客观因素限制需长时间演变发展，灵活性市场机制是适应新电改趋势下最适合突破的难点 [5-8] 。新能源发电企业参与经济高效的市场机制，可为系统调节性资源的技术改造和市场参与提供收益保障，激励新能源积极参与电力系统运行调节，从而提高电力市场灵活性，促进清洁电力发展，推动能源转型发展进程。
随着新能源发电去补贴政策逐步推进，国内外对市场环境下新能源消纳策略进行了大量研究。可再生能源配额制在中长期市场、日前市场、实时市场、辅助服务市场的实施有效缓解了可再生能源发电全额保障性收购带来的财政压力 [9-11] 。文献 [12-14] 提出日前发电合同转让和基于日前预挂牌的电力平衡机制等促进中国新能源消纳的短期交易机制,为完善新能源消纳的市场机制提供参考。文献 [15-17] 提出碳交易–发电权协同的市场机制，以利润最大化为目标构建了发电商竞价决策模型，对研究发电权交易机制促进新能源消纳具有借鉴性。在效益量化研究方面，文献 [18-20] 提出基于固定电价制与配额制并行的电力市场均衡模型，利用智能算法验证了市场有效性，但并未对总体效益进行量化分析。文献 [21-23]探讨了可再生能源发电在能源、环境、经济和社会等方面做出的贡献，研究各种有效方法进行货币量化，测量可再生能源发电的外部效益。
现有研究虽然对新能源参与配额制、辅助服务市场、发电权交易市场机制做了一定分析，对经济环保性做了有效性验证，但是现有机制并未对市场总体效益进行综合量化研究，而且单一市场机制增加了新能源高比例消纳的风险。因此，本文从分时电价（TOU）、备用辅助服务交易、发电权交易 3 个角度建立灵活性市场交易方式对新能源消纳的贡献度模型；分析灵活性市场化机制对促进新能源消纳带来的可量化效益；选取中国西北、东南沿海两地数据来测验模型的经济性。
1 交易机制对促进新能源消纳的贡献度
1.1 分时电价
分时电价通过设计与时间相关的电价，从而促使电力用户改变自身用电习惯，改变系统用电曲线，达到促进新能源消纳效果的市场方式。设置分时电价，可以通过下调低谷时段电价促使低谷用电曲线上升，增加低谷新能源消纳，通过上调高峰时段电价促使高峰用电曲线下降，降低尖峰供电压力。这是一个缓慢渐进的过程，且电力价格对用电需求的调节效果与用户需求弹性有关。分时电价促进新能源消纳机制的模型可表示为
1.3 备用辅助服务市场
在风电、光伏等带有出力随机性特性的电源接入电力系统后，对于“负荷”的预测从负荷侧用电预测增加至供需双侧的预测，电力系统运行调度的难度增大。并且由于受自然条件影响，多数新能源提供电力过程中存在相当的不确定性。因此，在大规模新能源接入的电网中，因维持电力平衡保障供电安全所需的备用容量增加。
本文仅考虑运行备用即旋转备用需求的变化。通过以往的研究说明，以负荷预测线为基准，实际负荷的波动呈现正态分布，其方差主要受负荷预测精度的影响。于是根据失负荷概率的定义，新能源并网前后失负荷概率如图 1 所示，其计算公式可表示为
2 促进新能源消纳的效益量化模型
2.1 环境效益量化模型
化石能源发电机组在电力生产过程中会产生大量二氧化硫、二氧化碳等污染气体，对环境十分不友好。而新能源发电在生产过程中不产生这些污染物，故可避免这些污染。通过实施灵活性市场机制促进高比例新能源消纳，可有效改善环境污染。以往研究总结得出各类电源生产过程中环境不友好气体排放的数据如表 1 所示。
2.3 提高供电可靠性的效益量化模型
分时电价、辅助服务市场提高了电力系统供电可靠性，从而降低了失负荷概率，减少了用户因为停电带来的经济损失。因此，供电可靠性得到优化是可以体现在经济效益上的，效益的大小一方面取决于地区生产效益水平（即产电比）；另一方面取决于原可靠性标准下非计划停电时间。其带来的经济效益可量化为
间，h；w 为产电比，元/(MW·h)。其中，平均停电时间计算方式为：计算周期（年、月、日）内，区域停电所造成的损失除以形成损失的产业设备的额定功率总和；尖峰备用容量的平均容量系数计算方式为：负荷需求侧尖峰时刻总备用容量在计算周期内的平均利用小时数与计算周期内总小时数的比值。
2.4 促进新能源消纳的总效益计算
分时电价、自备电厂发电权交易、备用辅助服务是本文研究的促进新能源高比例消纳的 3 种市场机制。对于交易双方来说，具体参与哪一种市场机制来获得市场效益，须通过效益计算和供需双方的效益分配博弈来决定。
新能源供需双方参与这三种市场所获得的效益包括环境效益、节省购电成本效益和供电可靠性效益，这三部分效益的和即为交易双方获得的总效益。从供需双方的角度，分别对环境效益、节省购电成本效益和供电可靠性效益进行计算并求和，可以获得各自的效益增量，再将供需双方的总效益相加，即为社会促进新能源高比例消纳的总效益。
通常来说，供需双方会根据各自效益计算结果，选择参与使己方获得最大市场效益的市场机制，实现协作共赢。当双方选择出现矛盾时则通过双方博弈来最后决定交易方式，可能需要市场监管机构协调或者双方约定以社会总效益最大化等方式来解决。
3 算例分析
以西北某省 A 地与东南沿海某省 B 地为例，对分时电价、自备电厂发电权转让、备用辅助服务市场促进新能源消纳贡献度，及对 A、B 两地促新能源消纳效益进行量化分析。A 地有负荷1 000 MW，风电装机 800 MW，火电装机 1 200 MW，弃风容量 500 MW，连接 A—B 的外送电通道1 000 MW；B 地有负荷 2 000 MW，火电装机1 600 MW，自备电厂装机 100 MW，外购电通道1 500 MW（含 A—B）。自备电厂发电权转让的平均成交价为 150 元/(MW·h)，B 地火电平均成交电价为 620 元/(MW·h)，A 地火电平均成交电价为498.3 元/(MW·h)，风电平均成交电价为 445 元/(MW·h)。A 地尖峰备用容量的平均容量系数为7%，年平均停电小时为 15 h，产电比为 6 990 元/(MW·h)；B 地尖峰备用容量的平均容量系数为10%，年平均停电小时为 20 h，产电比为 12 347 元/(MW·h)。A—B 线路核定年准许收益为 21 024 万元。
煤电生产过程中产生的 NO x 、SO 2 和 CO 2 ，借鉴文献 [24] 中的研究，将排放强度分别取为 1.634、3.445、86.472 5 kg/(MW·h)，同时污染气体（含CO 2 ）所产生的环境成本如表 2 所示。
根据效益量化模型，对 A、B 两地典型市场机制实施效益进行计算，3 种机制的实施效益增量如表 3 所示。详细计算结果如下。
（1）分时电价。
分别在 A、B 地实施分时电价，实施情况如表 4 所示。
结合 A、B 地区典型日负荷曲线，分时电价实施效果如图 2 所示。由计算可知，分时电价对 A地电力消费促进效果为：促进电量消纳 287(MW·h)/天，其中促进低谷时段风电消纳 1 008(MW·h)/天，减少尖峰时段火电电量 721(MW·h)/天。对B 地 的 电 力 消 费 促 进 效 果 为 ： 减 少 电 力 消 费239(MW·h)/天，其中增加低谷时段电力消费 1709(MW·h)/天 ， 减 少 高 峰 时 段 电 力 消 费 1948(MW·h)/天，若低谷时段进行新能源直接，则可新增风电消纳 1 709(MW·h)/天。
对于 A 地，实施分时电价取得的直接效益包括环境效益、提高供电可靠性，根据效益量化模型计算得出，A 地获得环境效益为 7.89 万元/天，提高供电可靠性收益为 86.41 万元/天。对于 B 地，实施分时电价取得的直接效益包括环境效益、提高供电可靠性、减少购电支出，根据效益量化模型计算得出，B 地获得环境效益为21.33万元/天，提高供电可靠性收益为412.39万元/天，减少购电支出收益为 45.23 万元/天。由于过网费针对不同用户电压等级不同，这里并未考虑国网费用，需要单独进行计算。若按 0.15 元/(kW·h) 进行计算，则本算例中过网费约为 25.63 万元，仍能保障购电支出减少 19.6 万元。
（2）自备电厂发电权转让。
在 A、B 两地开展自备电厂发电权转让交易，并且规定发电权仅能从排污率高的能源转向排污率低的能源，B 地尚未开发分布式新能源，则引导 B 地自备电厂发电权向 A 地新能源转让。
B 地自备电厂发电利用小时数为 4 500 h，结合自备电厂发电量、A、B 两地电价和发电权转让电价，对市场机制的效益进行量化可得：①对于A 地，实施自备电厂发电权转让取得的直接效益主要为增加售电收益，根据效益量化模型计算得出增加售电收益为 57.94 万元/天。②对于 B 地，实施自备电厂发电权转让取得的直接效益主要为环境效益，根据效益量化模型计算得出 B 地获得环境效益为 13.50 万元/天。
（3）备用辅助服务市场。
在 A、B 两地开展备用辅助服务，增加尖峰时段备用容量，增加新能源消纳，提高供电高比例新能源电力系统的可靠性，获得减少失负荷损失的收益。备用辅助服务市场下，A、B 地区灵活 性 电 源 提 供 备 用 服 务 的 参 与 度 分 别 提 高 了2% 和 4%。根据效益量化模型计算得出，A、B 两地获得提高供电可靠性收益分别为 40.26 万元/天、165.94 万元/天。
（4）市场机制选择。
综合以上计算结果可知，分时电价、自备电厂发电权转让、新能源火电打捆、辅助服务市场等市场机制，能够为系统带来促进高比例可再生能源消纳的效果，并带来显著的经济、环境、社会效益。
针对 3 种市场机制，从社会总效益最大角度进行考虑，分时电价机制可以带来供需双方总效益增量最大，为 573.25 万元/天；从 A 地区效益最大化的角度进行考虑，分时电价可以为其带来最大市场效益增量，为 94.3 万元/天；从 B 地区效益最大化的角度进行考虑，分时电价可以为其带来最大市场效益增量，为 478.95 万元/天。因此对于A 地区和 B 地区促进高比例新能源消纳问题来说，分时电价市场是最有益于双方互利共赢的市场机制。
4 结语
本文结合中国新能源消纳现状，提出了通过建立灵活性市场机制以促进新能源消纳。首先，通过不同市场机制运作机理，建立了灵活性市场机制促进新能源消纳的贡献度模型，并分析了不同市场灵活性机制促进新能源消纳的效果；然后，对市场灵活性机制促进新能源消纳的效益进行了分析，建立了灵活性市场机制促进新能源消纳综合效益体系；最后，根据市场机制促进新能源消纳效益分析，建立了效益量化模型。利用数据测算其收益，量化不同市场交易方式下促进新能源消纳的效益。以此为中国远期现货市场建立市场灵活性机制提供参考。
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原标题：促进新能源消纳的交易机制及效益研究
