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促进可再生能源消纳的电力市场机制与出清思考

日期:2023年05月05日 编辑:ad201107111759308692 作者:无忧论文网 点击次数:336
论文价格:150元/篇 论文编号:lw202304281756418586 论文字数:33522 所属栏目:电力论文
论文地区:中国 论文语种:中文 论文用途:硕士毕业论文 Master Thesis

本文是一篇电力论文,本文参考国外电力市场的发展路径,并对照我国可再生能源发展现状,总结国内可再生能源市场消纳机制存在的问题,设计了促进可再生能源消纳的电能量市场、辅助服务市场及电力金融市场机制,并通过物理交易性质的电能量市场与辅助服务市场进行联合优化出清,建立了促进可再生能源消纳的含灵活调节服务的双层规划模型。

第1章 绪

1.1 研究背景与意义

1.1.1 研究背景

近年来,全球经济在一定程度内一直呈现增长态势,我国的经济发展也在持续增长。经济增长将会带来电力需求的不断增长,如何协调电力需求增长,保证经济增长的可持续发展逐渐受到关注。为增进能源供应安全,应对化石能源枯竭,改善环境污染,响应“碳中和 碳达峰”的号召,可再生能源的利用与发展引起了全世界的关注。截至2021年底,全球可再生能源装机总量为2799GW,2021年全球可再生能源机组装机容量较2020年增加259GW,同比增长147%[1]。为实现能源安全新战略,截至2021年底,我国可再生能源机组装机总量为1063GW,可再生能源机组装机容量占比超过40%[2]。为早日实现1+N的双碳顶层设计,合理统筹国内外可再生能源资源;在政府和市场方面共同发力,建立适应我国电力市场发展的市场机制及低碳革命。预计到“十四五”末期,我国可再生能源用电量增量占比达到三分之二[3]。

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目前,我国可再生能源以风能、水能、太阳能为主,由于风电和光伏机组出力的波动性和不确定性,导致系统净负荷(系统负荷-可再生能源出力)在短时间内急遽变动,随着可再生能源并网率的不断提高,系统对于灵活性资源的需求也逐渐增加[4]。可再生能源并网规模较小时,一般由火电、水电机组及传统辅助服务跟随系统净负荷的变化。随着可再生能源并网规模的不断扩大,可再生能源上网的优先性及其出力的波动性和不确定性使系统灵活性资源更为匮乏,限制了可再生能源的进一步消纳。

为了降低可再生能源大规模并网给系统运行造成的不利影响,电力系统需要预留相应的灵活性裕度[5]。如果系统灵活调节资源不足,无法跟随系统净负荷的实时变化,调度中心会降低可再生能源并网率保障系统稳定运行,否则就会出现弃风、弃光甚至切负荷现象。调峰与外送引起的弃风现象是系统灵活性资源匮乏的原因,具体表现为电源结构灵活性不足和电网灵活性不足[6]。虽然降低可再生能源并网规模(小于3%)也是一种有效的提高系统灵活性的方式,但是大规模放弃可再生能源出力会使可再生能源发电主体收益急剧降低,影响可再生能源投资的积极性,也与我国新能源发展初衷不符[7]。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状

(1)电力系统灵活性

电力系统灵活性的概念最早由加拿大学者Billinton提出,主要为解决传统电源规划中的不确定问题,即研究在固有经济约束前提下,电力系统的发展能否应对初始规划条件的变化[8]。为应对大规模可再生能源并网给系统安全稳定运行带来的挑战,国际能源署(International Energy Agency, IEA)在2008年提出适应高比例可再生能源并网的“电力系统灵活性(Power System Flexibility, PSF)”概念。IEA认为灵活性对于可再生能源的消纳至关重要,拥有充足灵活性的系统既可以平抑可再生能源大规模并网时的净负荷波动,也可以保证可再生能源并网比例低时的电力供给[9]。随后,北美电力可靠性协会(North American Electric Reliability Council, NERC)就提高电力系统灵活性发布了关于电力系统可靠性标准的改进措施[10]。NERC更关注系统在较短调度时段内的功率波动(系统负荷-可再生能源出力)。在美国CAISO和MISO电力市场,灵活性被认为是系统潜在的爬坡/滑坡能力[11]。Lannoye E认为灵活性是在满足安全和经济约束的前提下,系统在不同时间尺度内调用资源响应负荷波动的能力[12]。Ma J认为灵活性与系统消纳可再生能源能力正相关,在系统负荷及非水可再生能源出力相同的场景下,灵活性越高的系统,系统处于同一调度时段内对可再生能源消纳效率越高[13]。Menemenlis N认为灵活性针对不同的特定运行场景应该有其相对应的内涵,针对单一、通用的运行场景给出灵活性的定义没有参考价值,且任何灵活性的获取都需要付出一定的经济成本[14]。Holttinen H认为系统灵活性资源是否充裕是纵贯系统各个发展阶段和调度时段的需求的重要因素[15]。Kehler J H认为,可以从三方面提升电力系统灵活性[16]。首先从物理和技术方面进行改善,即更新系统调频设备,如自动发电控制(automatic generation control,AGC)来确保系统供需平衡;其次是预测控制技术,如负荷预测、机组组合、实时调度、辅助服务等手段进行系统技术改善;最后是建立完善的市场机制,即通过市场的方式使电力系统提供更多灵活调节资源,市场价格可以刺激各发电主体积极提供灵活调节服务,也无需大规模新建或改造原有电网架构[17]。

第2章 电力市场机制设计及出清相关理论

2.1 电力市场基本理论

2.1.1 电力市场概念

电力市场是包含物理性质、金融性质的电能量市场、辅助服务市场、电力金融市场在内的各类型电力市场的集合,各发电主体、输配电公司、售电公司、电力用户均以各自收益最优为目标,以全国互联的输电网络为电能输送通道,以保障系统安全运行约束条件,在市场均衡出清和真实电价信号共同协调下运营的系统。对各市场成员提供的电力商品和辅助、金融服务,基于各方报价曲线,根据出清结果得到出清边际电价及边际出清机组,以真实、合理的价格降低各方交易成本,促进市场交易达成。电能量商品现阶段无法进行大规模经济储存,且电力系统需要时刻保证系统供需平衡,使电力市场运行规律及发展特性,既遵循市场经济的基本规律,又区别于普通市场的运行规律。

2.1.2 电力市场要素

由于电能商品现阶段无法大规模经济储存的特殊性质,电力市场的构成要素有其区别于一般市场的内在含义,包含电力市场主体、电力市场客体、电力市场载体、电力市场价格、电力市场规则以及电力市场监管六大组成部分。

电力市场主体是保障电力市场运行的基本要素。电力市场主体包括生产电能量商品的发电厂、辅助服务供应商;输送、配售电能量商品的电网企业、购售电公司;消费电能量商品的工业用户及居民用户;在电能量商品生产运输各个环节进行信息传递的电力调度中心及电力交易中心;电力市场客体是市场参与者交易的电力商品。电力市场客体交易商品包括保障市场基本运行的电能量商品、保障电力市场安全稳定运行的辅助服务商品、规避远期电力商品交割风险的电力金融商品;电力市场载体是连接参与电力交易的市场成员及交易商品的物质纽带。电力市场载体包括连接发电、输电环节的电力输送网络以及连接输电、配电、用电环节的电力销售网点、调度系统;电力市场价格是电力商品的货币表现,真实无扭曲的电价信号为市场机制设计明确市场导向,进而实现市场资源的最优配置;电力市场规则建立的依据是市场成员通过报价获得市场份额,是保障电力市场平稳运行的约束条件。电力市场规则涵盖国家层面的规章制度及电力市场的政府核准规则、竞争规则;电力市场监管要在发电环节对电力市场成员准入进行限制,市场成员要有控制电价的能力、在输配环节对垄断经营加强监管、售电环节放松监管,引入充分的市场交易者发现真实的价格信号。

2.2 电力市场机制设计理论

2.2.1 机制设计

机制设计理论这一经济学概念最早由Leonid Hurwicz提出。进行机制设计的前提是通过构造具体的博弈形式,确保交易的约束条件不变,使各市场成员在保证自身利益的前提下完成最优策略选择,此选择的相互作用使参与交易的市场个体寻优目标与市场寻优目标相符。

传统经济学研究方法将市场机制设为已知变量,研究由于资源配置不同达到市场出清价格,而机制设计理论将市场出清价格视为已知变量,探索可以达到该资源配置效果的市场机制。在机制设计时必须服从相应原则,本文对电力市场机制进行研究,需要服从的原则包括激励相容性原则、个体理性原则以及高效可靠性原则。

电力市场机制设计过程可被视为优化模型的过程,其目标函数为预期实现的社会福利优化结果,约束条件为参与交易的各市场成员满足激励相容及个体理性原则,决策变量为各市场成员的报价决策。机制设计模型有别于一般的优化模型的地方在于:机制设计模型的最优方案是确定已知的,而模型的优化求解是在已知各决策变量最优值的条件下,求得模型约束条件的过程。

第3章 促进可再生能源消纳的电力市场机制设计 ............... 16

3.1 促进可再生能源消纳的电能量市场机制设计 ........................ 16

3.1.1 促进可再生能源消纳的双边交易市场机制设计 ..................... 16

3.1.2 促进可再生能源消纳的跨省跨区电力市场机制设计 .................... 19

第4章 含灵活调节服务的市场出清研究 ............................. 30

4.1 灵活调节服务运行机制 ................................... 30

4.1.1 灵活调节服务需求的确定 ................................. 31

4.1.2 灵活调节服务定价机制 ................................. 33

结论 .................................... 47

第4章 含灵活调节服务的市场出清研究

4.1 灵活调节服务运行机制

灵活调节服务实质上是系统