深度文章 | 山西电力现货与深度调峰市场联合优化机制设计与实践

摘要：山西电网富煤、多风、多光、少水、供暖需求大，电网调峰能力难以满足新能源快速发展的需要，亟待建立“现货+辅助服务”联合运行的市场化机制。结合山西电网特点和政策背景，设计了多日滚动机组组合、日前市场、实时市场深度融合的现货与深度调峰联合优化机制，建立了基于多日滚动机组组合的电力现货与深度调峰市场联合优化出清数学模型，并在山西电网某次连续7天结算试运行实际应用。试运行验证了机制合理性和模型有效性，是市场化方式解决山西电网调峰能力不足与新能源消纳受限矛盾的有益尝试。

（来源：电网技术 作者：丁强1,任远2,胡晓静1,邹鹏2,燕争上2,李鸣镝2,蔡帜1,薛艳军3）

1. 电力调度自动化技术研究与系统评价北京市重点实验室(中国电力科学研究院有限公司)，北京市 海淀区 100192;

2. 国网山西省电力公司，山西省 太原市 030021;

3. 北京清大科越股份有限公司，北京市 海淀区 100084

0 引言

近年来，山西新能源发展迅速，截至2020年5月，山西省新能源场站总装机容量2472万kW，同比增长21.6%；风电出力首次突破千万kW，最大达到1006万kW，风光叠加最大出力1468万kW，占当时全网用电的61%。根据“十三五规划”，到2020年底山西新能源装机将达到3800万kW[1]，新能源发电的随机性、间歇性和波动性对电网的灵活调节能力提出更高要求[2-4]，将大幅度增加系统辅助服务需求和成本。在这个背景下，依然依靠“两个细则”辅助服务计划补偿模式和力度已不能满足电网运行需求[5]。

2015年3月，中发〔2015〕9号文提出建立辅助服务分担共享新机制，山西积极开展电力辅助服务市场化探索。2017年10月，山西能源监管办印发《山西电力风火深度调峰市场操作细则》，实现深度调峰服务的市场化改革，缓解山西电网冬季供热期低谷调峰困难的现状。

实际上，深度调峰是我国特有的电力辅助服务品种，通过短时电力调节使发电出力匹配负荷的变化，在电力现货市场建立前，调峰市场作为一个独立的市场，能够有效解决当前调峰资源不足的问题[6-7]。国外一般通过电力现货市场的实时平衡市场或者平衡机制实现调峰，像美国PJM和MISO等区域，借助燃气机组提供灵活可调的调峰资源，基本上不存在调峰资源短缺的问题[8]，文献[9]则以生产实际场景，再次证明了燃气机组在工业应用中具有快速削峰响应的能力。山西省目前调峰机组主要以火电机组承担，有最小启停时间约束要求使得燃煤火电机组在短时间周期内不能频繁启停；再加上系统备用等运行约束要求，仅靠火电机组组合难以充分保障风光等新能源的充分消纳[10]。

2017年8月，山西被选择为第一批8个电力现货市场建设试点地区之一，加快电力现货市场建设步伐。因为市场建设尚处于起步阶段，距离国外成熟电力市场靠现货市场解决调峰问题仍有一定距离，在现货市场建设初期，保留深度调峰市场，以鼓励火电企业进行灵活性改造。同时，火电机组要完成计划电量指标，导致部分火电机组即使在新能源大发时也不能停机，只能采取深调运行的方式，这也是山西初期保留深调市场的重要原因。对于同台发电机组而言，参与调峰与电能的竞价空间是耦合互斥，深度调峰市场和电力现货市场联合优化运行更能获得最佳经济效益，促进资源优化配置。目前国内文献多集中在电能量市场机制设计与运行[11-17]、辅助服务市场机制设计与运行[18-25]方面，缺少对电力现货市场与深度调峰市场联合优化的研究与实践。文献[3]设计了一种将深度调峰、可再生能源消纳和日前市场相结合的考虑深度调峰的电力日前市场机制，但是难以适用于火电机组不能频繁启停的场景，缺乏实际市场运行实践经验。

因此，本文在国内外研究的基础上，结合山西电力现货市场建设进展和山西电网发展运行实际，一是提出基于多日滚动机组组合的现货电能量市场与深度调峰辅助服务市场的联合优化机制，二是建立主辅市场联合优化出清模型，三是分析在冬季供热与新能源大发叠加期间的实践情况，以市场化方式实现风火协调、促进新能源消纳。

1 现货与深度调峰市场联合优化机制设计1.1 电网“鸭型曲线”

选取试运行期间某典型日情况进行分析。当天山西电网风电最大出力820万kW(21:00)，中午风光叠加最大1071万kW(12:00)。省内用电实际负荷最小2332万kW，发生在凌晨4:30；净负荷(省内用电–风电–光伏)最小1364万kW，发生在中午13:15。净负荷峰谷差819万kW，较原始省内用电负荷峰谷差扩大44%，如图 1所示。由于光伏出力作用，净负荷最小值转移至中午，峰谷差进一步加大，新能源消纳缺口最大450万kW，反映出冬季供热期间山西电网调节能力与新能源消纳需求之间的矛盾十分突出。

图 1某典型日山西电网“鸭型曲线”Fig. 1Duck curve of a typical day in Shanxi power grid

1.2 政策背景

按照国家关于电力体制改革的总体要求，结合山西电网运行实际，经省内市场主体共同研究讨论，形成现货市场规则体系版本，包括《山西省电力现货市场交易实施细则》与《山西省电力辅助服务市场实施细则》等，作为该次连续7天结算试运行的依据，以市场竞争方式引导火电企业积极参与系统调峰，开展多日滚动机组组合、电能量市场和深度调峰辅助服务市场的联合运行，实现风火协调，促进新能源消纳。

1.3 联合优化设计思路

目前，我国电力现货市场建设仍处于初级阶段，计划和市场“双轨制”运行，电力现货市场试点单位的火电机组仍有计划电量，加上火电机组深调灵活性改造投资较高，机组下调出力意愿不强，电能量市场并不足以替代深度调峰市场促进火电机组主动降低出力，故市场建设初期保留深度调峰市场是及其有必要的。对于同台火电机组而言，参与深调市场与电能量市场的电量空间是耦合互斥的关系，但电能量与深度调峰辅助服务市场联合优化，是实现主辅资源优化配置的重要手段，并将两类不同的交易品种和服务纳入现货市场统筹考虑，以市场化价格引导火电机组加强灵活性改造参与调峰、挖掘潜力。因此，现货市场和深度调峰市场采取“分别报价、联合出清”的组织方式。由于燃煤火电机组的运行特性以及系统备用要求等特点决定了仅依靠单日机组组合难以适应山西电网实际运行需要，为加强电网运行方式安排的连续性和稳定性，引入能更好衔接日前市场的多日滚动机组组合。

在上述基础上，设计了基于多日滚动机组组合的日前电能量市场、实时电能量市场和深度调峰市场联合优化的框架，实现多日机组组合、深度调峰市场与现货市场的联合优化运行，如图 2所示。

图 2山西电力多日组合、现货与深调市场联合优化框架图Fig. 2Framework of joint optimization of multi-day UC, spot and deep peak shaving market of Shanxi