高比例清潔能源接入下跨省區交易機制及交易模型研究

劉碩，李國棟，張圣楠，徐亮，邢通，楊喬尹，梁少偉

（1.北京電力交易中心有限公司,北京市西城區 100032；2.電力系統及大型發電設備安全控制和仿真國家重點實驗室(清華大學),北京市海淀區 100084；3.清華大學能源互聯網創新研究院,北京市海淀區 100084）

0 引言

為支撐我國“雙碳目標”的實現，積極應對能源短缺與環境惡化為我國可持續發展帶來的嚴峻考驗，構建以新能源為主體的新型電力系統成為我國能源發展的重要方向，在未來相當長的一段時間內，風電、光伏等可再生能源將迎來進一步更大規模的發展[1-3]。目前，我國風電、光伏裝機容量均位列世界第一[4]，預計到2030年我國新能源裝機容量將超過12億kW，清潔能源消納提出了更高的要求[5]。

目前我國風光可再生能源裝機主要集中在西北地區，與中東部負荷中心的地理分布產生了嚴重的不匹配性，為我國可再生能源消納帶來了巨大挑戰[6-7]，跨省跨區消納模式與有效市場機制相結合是支撐高比例可再生能源消納的重要路徑[8-12]。目前我國已初步建立了跨省區電力市場框架，交易品種、價格機制與交易方式已基本得到規范[13-14]。但風電、光伏等可再生能源由于其出力的間歇性與不確定性，將面臨更高的偏差考核風險，因此在電量交易中申報價格通常不占優勢。我國目前的跨省區交易機制僅以各市場主體的申報價格進行排序出清，可再生能源市場競爭力弱，難以支撐可再生能源消納需求[15-17]。同時，清潔能源跨省區外送占用受端地區的發電空間，尚無建立完整的發電空間出讓成本分攤機制，省間壁壘仍然存在，無法支撐可再生能源在更大空間得到消納[18-20]。因此，根據不同類型發電機組的物理經濟特性，建立支撐可再生能源消納的出清模型，并設計合理的跨省區發電空間成本分攤機制，有待進一步深入研究。

綜上，本文首先分析了傳統跨省區交易機制的發展現狀與局限性，基于此提出了包括跨省區電量交易與富余電量跨省區消納交易的跨省區交易框架；其次，以支撐可再生能源消納為主要目標，考慮了清潔能源的環境效益，以及配額制完成情況等約束，優化了跨省區電量交易的出清方法，并提出了基于競價交易的多邊富余電量跨省區消納交易機制；最后通過算例對比分析了不同交易機制下跨省區交易的結果，證明了本文提出的跨省區交易機制對于可再生能源消納的有效支撐作用。

1 支撐可再生能源消納的跨省區市場交易框架及機制設計

1.1 跨省區市場發展局限性分析

目前國家電網、南方電網分別發布了跨省跨區電力中長期交易規則，我國跨省區市場總體架構已基本建成，跨省區市場化交易規模顯著增加。但隨著可再生能源比例的不斷提升，傳統的跨省區交易規則仍存在部分局限性：

1）隨著我國可再生能源去補貼進程的不斷推進，可再生能源機組在市場化競價中將逐步處于劣勢地位?，F有跨省區交易出清機制將傳統機組與可再生能源機組市場信息進行統一排序與出清，可再生能源中標難度更高，不利于可再生能源的優先消納。

2）現有跨省區電量交易中可再生能源與傳統機組共同競價，用能主體低價購入跨省區外送可再生能源，在完成了可再生消納額度的基礎上減少了其碳交易成本，其價格機制缺少了對可再生能源電力為用能主體帶來的環境正外部性的考量。

3）目前市場機制中常規能源與可再生能源發電企業的發電權交易通常采用報價撮合法進行一對一雙邊交易，但在撮合成功的兩個主體參與交易的發電量差距過大時，傳統的雙邊交易方式容易出現出清電量無法滿足主體交易需求的情況，不利于發電資源的最優化配置。

1.2 跨省區市場交易框架

目前我國“三北”能源基地建設基本成型，清潔能源在我國西北地區能源基地整體占比逐步提高，亟需全面提升可再生能源消納的市場化水平，最大程度減少計劃消納電量，提高我國整體用能清潔度。針對上文中提出的跨省區交易市場存在的問題，本文設計了包含跨省區電量交易與富余電量跨省區消納交易的全國統一電力跨省區交易框架，如圖1所示。

圖1 電力跨省區市場交易框架Fig.1 Inter provincial market transaction framework

1）跨省區電量交易?？缡^電量交易周期包括年、月、旬，交易方式為“網對網”集中競價交易，在各周期交易開展過程中，各市場主體提交相應交易申報信息，并按照市場規則進行統一優化出清，由交易組織機構發布出清結果。各交易周期的交易標的物均為下一交易周期的分時電量。隨著交易周期的不斷細化，跨省區外送曲線在不斷進行優化調整?？缡^電量交易具體交易組織流程如圖2所示。

圖2 跨省區電量交易流程Fig.2 Process of inter provincial electricity transaction

為保證系統安全穩定運行和出清結果可執行，同時考慮我國碳中和目標下各地區可再生能源配額完成情況，在跨省區外送出清過程中，應優先保障送端地區的可再生能源配額完成情況，其次在出清過程中應給予可再生能源優先外送的機會以提升受端地區可再生能源消納比例。為解決可再生能源由于處理不確定性與間歇性帶來的市場競爭壓力，并且在交易中反映可再生能源的碳減排價值，在本文設計的跨省區外送出清規則中，考慮在約束條件中加入送端可再生能源配額指標完成情況，同時在出清過程中對可再生能源報價進行修正優化，以期達到公平傳導市場主體各類成本與價值的目的，最大程度提升我國可再生能源消納水平。

2）富余電量跨省區消納交易。受氣候變化及不確定性用電需求等因素的影響，在實際執行中仍然存在部分可再生能源消納壓力，如風、光、水電大發時，本地負荷無法消納富余可再生能源，則需要開展富余電量跨省區消納交易，將送端地區多余的可再生能源外送。為避免棄電，受端地區接納跨省區可再生能源將導致受端常規機組利用小時數的大幅度縮減，嚴重影響受端地區常規機組運行的經濟效益，本文設置富余電量跨省區消納交易，通過市場化的手段交換可再生能源與常規機組的發電空間，從而為讓出發電空間的常規機組提供合理補償。

富余電量跨省區消納交易主體為送端地區可再生能源發電主機組與受端地區的傳統機組。交易周期包括年度、月度、月內3種典型周期，其中年度與月度交易按固定時間統一組織，交易標的物分別為下一年度的富余可再生能源電量和下一月度的富余可再生能源電量，月內交易根據送端地區的可再生能源出力及消納情況進行不定期開展，交易標的物為月內特定天數的富余可再生能源電量。富余電量跨省區消納交易流程如圖3所示。

圖3 富余電量跨省區消納交易流程Fig.3 Processof inter provincial accommodation of surplus electricity quantity

為支撐有限的發電空間在更大范圍內進行最優化分配，本文采用集中競價的方式開展富余電量跨省區消納交易并形成交易價格，與傳統的發電權交易出清模型有所不同。需將送、受兩端所有參與交易的主體報價信息進行統一排序后，以送、受兩端邊際申報價格的平均值作為出清價格，送、受兩端所有中標機組以交易出清價格進行發電空間交易。送端地區可再生能源機組的富余電力補償是來自于受端地區的可再生能源富余電力接收基準價格，接收基準價格與跨省區交易價格之間形成的降價空間可用于補償受端地區增加的網絡損失成本和輔助服務成本等。

2 跨省區市場交易模型

2.1 跨省區電量交易模型

與傳統的出清方式不同，為提升可再生能源在電力市場當中的綜合競爭力，本文提出的跨省區電量交易出清規則中需體現可再生能源的環境正外部性，以激勵可再生能源優先外送消納。通過加入可再生能源發電機組的環境效益，以達到可再生能源機組報價優化修正的目的。假設送端地區有n個 常規機組、m個可再生能源機組參與跨省區電量交易報價，為科學反映可再生能源的環境價值，交易組織機構需對常規機組的報價進行低碳激勵調整后，與可再生能源機組報價共同由低至高排序以確定交易的優先級次序。需要注意的是，低碳激勵調整后的價格僅用作確定機組交易排序，在交易定價時依然以機組的原始申報價格進行出清。

以送端地區發電機組平均碳排放水平為基礎，對比參與交易的各類機組的碳排放水平。對于碳排放水平低于地區平均發電碳排放水平的機組，則不對其報價進行修正；若碳排放水平高于地區平均發電碳排放水平，則將該機組報價進行系數修正，以鼓勵低排放機組優先參與跨省區外送：

其中：Tc為送端地區機組的平均碳排放量；φu為常規機組u的碳排放系數；Qcu為 常規機組u的申報交易電量；Qku為 可再生能源機組u的申報交易電量；λu為 機組報價調整系數；Pu′為機組u的申報交易價格；Pu為 機組 u的調整排序價格。

跨省區電量交易以受端地區購電成本最低為目標函數進行出清，即：

其中：C 為受端地區跨省區購電成本；U為中標機組數量；Qu為 中標機組u的申報交易量。

在交易出清過程中，需要考慮以下安全穩定運行約束。

1）省間聯絡線傳輸功率約束：

其中：Gtu為 機組u在 t時 刻的外送功率；Gmlax為省間聯絡線l可承載的最大功率；為省間聯絡線l在t時刻的協議占用容量。

2）電量平衡約束：

其中Qx為受端地區需求電量。

3）送端地區可再生能源消納配額約束：

其中：Qks為送端地區可再生能源消納量； Tsk為送端地區可再生能源消納配額。

4）送端地區發電量約束：

其中Qu,min、Qu,z、Qu,max分別為機組u的出力下限、中標發電量與出力上限。

5）機組申報電量約束：

根據本出清方案，市場出清價格為市場中成交的最高發電機組申報價格。

2.2 富余電量跨省區消納交易模型

針對送、受兩端地區交易主體，其富余電力跨省區消納交易出清目標有所差異，分別對送、受兩端申報機組進行出清。送、受兩端交易出清目標函數分別為

其中：Cr為受端地區富余電量跨省區消納交易收益；Pku、 Qku分別為送端地區可再生能源中標機組u 的申報價格與申報交易電量；Cs為送端地區富余電量跨省區消納交易成本；Pcu、 Qcu分別為受端地區常規中標機組u的申報出讓空間與申報交易價格。

交易出清需以系統安全穩定運行為前提，因此需考慮以下約束條件。

①省間聯絡線傳輸功率約束：

②受端地區常規機組出讓空間約束：

其中：Qcu,s為受端地區常規機組u的交易電量；Qcu,s,max為 常規機組u的 最大可出讓空間。

3）機組申報電量約束：

其中Qku,su為送端地區可再生能源機組 的交易電量。

4）機組出力約束：

其中：Qu,min、Qu,max為機組 u出力的最低、最高限值；Qu,t為成交機組 u在 執行交易t時刻時的出力值。

根據本出清方案，市場出清價格為送端可再生能源機組成交最高申報價格與受端常規機組成交最低申報價格的平均值。

3 算例分析

3.1 算例設計

本文基于我國祁韶直流運行真實數據開展算例仿真分析，收集了祁韶直流甘肅—湖南運行數據，以及甘肅省、湖南省用電負荷、發電曲線、裝機情況、市場交易情況等數據，其中甘肅省電源裝機情況見表1。

表1 甘肅省電源結構Table 1 Power supply structure of Gansu Province

利用本文提出的跨省區交易機制與模型，對甘肅—湖南跨省區市場交易情況進行仿真模擬，其中，甘肅省為可再生能源富集的送端地區，湖南省為受端地區。為對比分析本文提出的跨省區交易機制及模型對于可再生能源消納能力提升的有效性，算例將設置4種交易場景分別進行出清：

1）場景1以傳統的跨省區電量出清方式開展年度交易；

2）場景2以本文提出的跨省區電量交易出清方式開展年度交易，對發電商報價進行調整以支持可再生能源外送消納。

3）場景4同時開展跨省區外送年度交易與富余電量跨省區消納年度交易，以傳統的報價撮合雙邊交易進行出清。

4）場景4同時開展跨省區外送年度交易與富余電量跨省區消納年度交易，并以本文提出的統一競價多變交易進行出清。

其中，對于場景1、場景2，假設受端湖南省年度用電量需求為400萬MW·h，同時假設送端甘肅省參與跨省區電量交易的主體包括5個常規發電商和8個可再生能源發電商，參與交易的各發電商的基本申報參數如表2所示。經跨省區電量交易后，甘肅省仍存在部分富余可再生能源電量，若不進行交易則面臨棄電風險，因此假設場景3、場景4中的富余電量跨省區消納中，甘肅省的年度富余電量為104萬MW·h，均參與到富余電量跨省區消納交易當中，湖南部分火電機組也將通過市場交易讓出其發電空間，各交易主體市場信息如表3所示。

表2 甘肅參與跨省區電量交易機組市場參數Table 2 Market parameters of generating unitsparticipated in inter provincial electricity quantity transaction in Gansu province

表3 甘肅、湖南參與富余電量跨省區交易機組市場參數Table 3 Market parameters of generating units participated in interprovincial transaction of surplus electricity quantity in Hunan and Gansu province

3.2 結果分析

利用甘肅—湖南跨省區交易市場信息，模擬仿真在3個不同場景下的市場開展情況與結果。場景1傳統跨省區電量交易出清結果如圖4所示，由于其完全按市場主體的申報價格排序進行出清，因此中標機組包含2個水電、5個燃煤以及2個風電，光伏機組均未中標。燃煤機組利用其價格優勢優先出清，可再生能源外送比例較小。

圖4 場景1出清結果Fig.4 Clearing result of scenario 1

場景2中，甘肅申報機組平均碳排放量為0.535，將各機組報價按本文擬定的出清規則依據其碳排放強度進行調整，各申報機組報價調整系數及調整排序價格如表4所示。按調整價格進行排序出清，出清結果如圖5所示。應用本文提出的電量交易出清方法，可再生能源機組優先出清，申報價格相對較低、碳排放系數較低的火電機組相較于其他火電機組也更容易中標。由于可再生能源的環境效益，當可再生能源電力外送，可為受端地區減少由于發電而產生的碳排放壓力，進而降低受端地區的減排成本，將減排成本分攤至

圖5 場景2出清結果Fig.5 Clearing result of scenario 2

表4 場景2申報機組價格調整系數及調整價格Table 4 Declaration of generating units’price adjustment coefficient and adjusted price for scenario 2

接受外來可再生能源電力，因此出清價格相較于傳統出清方式有所提升。

跨省區電量交易的交易量基于受端地區接受外來電量的需求，然而當送端地區可再生能源發電量高于受端地區用電需求時，需開展富余電量跨省區外送消納交易，與受端地區常規能源機組置換發電空間后將可再生能源外送消納。場景3、場景4中跨省區電量交易出清結果與場景2一致，在此基礎上開展富余電量交易。根據甘肅省可再生能源富余電量外送需求，以及送、受兩端地區參與富余電量跨省區消納交易市場主體申報情況，場景3中基于傳統雙邊交易的交易結果如表5所示，總成交量為67萬MW·h；場景4中基于集中競價的富余電量跨省區消納多邊交易出清結果如圖6所示，出清價格為278.15元。

圖6 場景4出清結果Fig.6 Clearing result of scenario 4

表5 場景3出清結果Table 5 Clearing result of scenario 3

基于可再生能源消納量、交易收益等指標，對比3個場景下交易的結果，如表6所示。場景1使用傳統出清方法進行交易出清，可再生能源市場競爭力較小，大部分中標機組為常規機組，因此在本次跨省區交易中可再生能源消納量較小，且傳統出清方法的出清價格通常較低，因此場景1甘肅的交易收益是3個場景中最低的。在場景2中強調了可再生能源的環境效益，可再生能源機組較之傳統能源機組更易中標，因此場景2中甘肅通過跨省區交易消納的可再生能源較之場景1有了大幅度的提升，同時可再生能源通常申報價格比常規機組更高，提高了交易整體出清價格，因此在場景2中甘肅省通過本次交易獲得收益比場景1中的收益提高了84.44%。場景3、場景4中在可再生能源激勵出清的電量交易基礎上加入了富余可再生能源跨省區消納交易，通過發電空間置換的方法將甘肅的富余可再生能源送往湖南，提升了可再生能源消納量，由于甘肅省提升了外送電量，其交易收益也有所提升，同時由于湖南省出讓了常規機組發電空間，也獲得了相應的發電空間讓出收益。但由于場景3中采用了傳統的撮合競價雙邊交易方法，其富余可再生能源比場景4少消納了37萬MW·h，送、受兩端地區的交易收益也有所差異。

表6 交易結果對比Table 6 Comparison of transaction results

通過對比，應用本文所提出的跨省區交易機制，在支撐可再生能源消納的跨省區電量交易以及多邊交易富余可再生能源跨省區消納交易的綜合開展下，甘肅省可再生能源消納量提升了160%，甘肅省與湖南省交易收益分別提升了40401萬元和28928萬元，送、受兩端地區電力系統的整體可再生能源消納水平均有所提升。

4 結語

本文在我國實際國情的基礎上，因地制宜地提出了支撐可再生能源外送消納的跨省區交易機制與出清模型，以滿足我國可再生能源消納需求，及支撐我國新型電力系統下的雙碳目標實現。

1）我國電力系統可再生能源裝機大幅度提升的情況下，由于發電、用電空間不同步，可再生能源難以就地消納，同時高負荷地區電力供應能力難以滿足本地需求。支撐可再生能源消納的跨省區電量交易本質上是傳統跨省區電量交易機制的優化。將可再生能源機組的環境效益反映在交易出清過程當中，支持可再生能源優先參與跨省區交易，提升可再生能源的市場化交易競爭力。

2）對于受端地區電力需求小于送端地區可再生能源消納需求時，針對富余可再生能源電量可通過可再生能源機組與傳統機組的發電空間置換進行消納。受端地區常規機組將其交易合同中的發電空間進行出讓，可獲得市場化的出力空間收益，送端地區可再生能源機組通過購買其發電空間以達到減少棄電的目的。

3）根據案例分析表明，在跨省區交易中，相較于傳統出清方法，以本文提出的跨省區電量交易出清方法進行交易出清可有效提升送端地區的可再生能源消納水平。在跨省區電量交易的基礎上加入多邊富余可再生能源跨省區消納交易不僅有利于控制可再生能源棄電，也可有效提升送、受兩端地區的整體收益，提高整體的用能清潔度。

目前，我國電力系統清潔度不斷提升，為可再生能源消納提出了更高的要求。電力市場建設是支撐可再生能源消納的根本途徑，我國電力交易機制需要在持續探索中不斷健全完善。本文在傳統跨省區交易機制的基礎上，結合我國的可再生能源消納需求，設計和優化了跨省區交易機制與出清模型，為擴展可再生能源的消納路徑提供了思路。但隨著跨省區可再生能源傳輸比例的提升，為系統安全穩定運行帶來了更大的挑戰。在未來的研究中，需要進一步解決可再生能源跨省區交易過程中的系統安全性問題。

致謝

本文得到了國家電網公司科技項目（清潔能源高占比地區電力市場運營典型問題研究，（SGDJ 0000 YJJS 2100040））的支持與資助，在此深表感謝。