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西安交通大学王锡凡、肖云鹏等:多能源市场耦合交易研究综述及展望

多能源市场耦合交易研究综述及展望

肖云鹏1,2*,王锡凡1,王秀丽1,别朝红1

(1.西安交通大学电气工程学院;2.广东电网有限责任公司电力调度控制中心)


本文发表在《全球能源互联网》2020年第5期“电力市场促进可再生能源发展”专题,欢迎点击品读。本文得到中国博士后科学基金、中英繁荣基金资助。

文章导读

能源系统的低碳化转型与发展是国际社会应对气候、环境、能源问题的共同解决方案,特别是在全球范围能源行业放松管制的现实背景下,能源系统协同运行和综合优化的效益得到了广泛关注。本文立足能源市场发展实际,在分析开展多能源市场耦合交易必要性的基础上,总结了近年来多能源市场间交互影响、多能源市场协调运行及联合出清、多能源市场中的交易行为及均衡分析等方面的最新研究进展,提出了进一步研究中面临的关键问题。

在当前我国电力市场实践中,双轨制问题是制约市场有序推进的重要因素之一。事实上,双轨制既包含电力市场中计划电量与市场电量并存的问题,也包含电力市场与相耦合的天然气市场、供热市场的市场化程度不同、交易时序衔接不畅等问题,这使得热电联产、“以气定电”机组在出清优化的处理、市场收益的保障、交易风险的防范等方面存在困难。因此,研究构建协调运行的多能源市场也是在能源互联程度加深背景下促进电力市场有序发展的可靠保证。

主要内容

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多能源市场耦合交易的必要性

1.1 能源间转换技术的发展带来更多的能源联合生产及消费

电转气技术使电力、天然气系统的耦合从传统的通过天然气发电机组的单向转换改变为双向;电锅炉、电热泵等能源转换技术逐渐成熟,应用于热电联产机组有助于弱化热电耦合特性。能源间转换设备的丰富使各能源市场的惯性、价格差异能够实现互补、流动,增强了能源市场的流动性。

1.2 消纳可再生能源需在更大范围内配置灵活资源

提升可再生能源消纳能力的关键是提升灵活资源的配置效率,包括增加灵活资源容量及占比、扩大灵活资源配置范围、采用合理的调度交易机制。相较单一能源系统,多能源系统的协同运行能够挖掘能源生产、消费、储存、传输的替代性和互补性,既增加了灵活资源容量,又扩大了灵活资源配置范围。

1.3 各能源市场的价格相关性增强

天然气发电机组通常是电力市场中的边际机组,天然气市场的价格直接影响天然气发电机组报价行为,进而影响电力系统的机组组合及经济调度结果;相反,电力价格也会影响天然气生产和运输成本(P2G及压缩机需使用电力),进而影响天然气价格。两市场价格的变化及相关性会进一步催生套利空间,刺激两市场耦合交易需求。随着能源系统耦合程度的加深,来自不确定性的风险将在能源系统中传递,任何一种能源系统发生阻塞或产生价格波动,都会对耦合能源系统带来风险。

1.4 有助于推动能源增值服务发展

多能源市场耦合交易有助于实现多种能源市场价值的统一衡量,可通过向用户提供电、气、热、冷等不同能源组合产品,开展个性化能源服务,满足多元化能源需求,推动能源增值服务发展,促进竞争,增进社会福利。

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多能源市场耦合交易研究现状

2.1 多能源市场间交互影响

天然气短期市场往往流动性不足,天然气发电企业更多地通过电力市场报价行为的变化间接调整天然气市场中的消费行为,发电厂面临将长期天然气合同转化为短期电力交易的决策风险,因此天然气短期市场的低效会影响电力市场的价格信号;反之,提升天然气价格形成机制的灵活性能够提升电力市场效率。单一能源系统中的灵活性也会影响其他耦合能源系统运行的经济性,如电力需求响应能够减小在天然气系统阻塞时电力系统运行的风险,减少电力系统对天然气的需求并降低天然气短期市场价格。提升热电联产机组的灵活性会减小因供热而限制电力出力的机会成本,增加其市场力,从长期来看,还能促使更多的热电联产机组参与供热市场。

2.2 多能源市场协调运行及联合出清

现有研究通常以能源系统整体的经济性为目标,构建协调出清模型。对于各能源系统运营者不同、无法实现多能源市场联合优化及出清的情况,研究中通常采用基于各能源市场出清结果交互或基于一致性的交替方向乘子等分布式算法。对于出清时序不同的能源市场,可生成较晚出清的能源市场的多个场景并纳入较早出清的能源市场出清模型中考虑。很多文献借鉴节点电价的思想,提出了节点能价的概念。与节点电价不同,由于供水系统和回水系统两套供热系统的存在,节点热价的特性规律较复杂。配网层级的多能源市场和P2P交易等创新性机制也是研究关注的重点问题。

2.3 多能源市场中的交易行为及均衡分析

研究关注了批发、零售市场中的交易行为及策略性申报行为下的市场均衡问题。其中,电力市场中的需求响应在多能源市场中衍生成为综合需求响应,除与电力需求响应相似的包含可削减多能源负荷及可转移多能源负荷外,综合需求响应还可通过可转换负荷来实现,促使不具有电价弹性的负荷也能参与到需求响应项目中。

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进一步研究的关键问题

3.1 不同市场基础下多能源市场的协调问题

在交易时间尺度方面。以美国中西部独立系统运营商(MISO)所在区域为例,电力现货市场在天然气市场交易日到来前出清,因此电力现货市场出清结果将影响同一交易日内天然气市场中市场主体的行为。在丹麦,热力供应计划是在电力现货市场出清前确定的,因而热电联产机组在参与日前电力现货市场的时候只具有很有限的灵活性。低碳目标下的能源系统势必会接入更多的可再生能源,也必将增加对各能源市场短期灵活交易的需求,因此需考虑当前市场基础条件,深入研究不同时间尺度交易下各能源市场的协调机制。

在交易空间尺度方面。欧洲已建立了国家间电力现货市场,美国也建立了西部电力平衡市场,但天然气市场仍主要在国家或地区内部开展。此外,由于供热系统损耗较大,供热市场的范围较小,通常为区域供热市场,竞争程度较低,市场力和策略性竞价行为仍需深入研究。

在市场流动性方面。电力市场发展较为成熟,中长期、日前、实时平衡市场均有较强的流动性,天然气短期市场流动性较低,供热市场更是多以中长期合同为主开展交易,各能源市场流动性的差异可能降低市场效率。例如,中国当前已开展了电力现货市场试点,以南方(以广东起步)电力现货市场为例,运营规则中提到热电联产机组如因供热需求开机,在运行补偿费用(即上抬费用)中将不考虑补偿启动成本,而由于供热市场市场化程度较低,热电联产机组实际上很难通过供热市场回收机组启动成本。

3.2 不同产权和运营权下多能源市场的协调问题

除少数如澳大利亚、丹麦等国家由同一机构运营电网和天然气管网外,更多国家的不同能源系统产权和运营权属不同企业,由此给多能源市场耦合交易的开展带来挑战,应在研究中重点关注。一方面,不同能源系统由不同部门运营的特点给跨部门的信息汇总与协调优化带来困难,如美国PJM就已发布报告提出要加强电力及天然气系统运行信息的交互;另一方面,多能源市场耦合交易下各类能源的定价将影响多能源系统协同运行效益在不同能源系统中的分配,其合理性评价方法还需深入研究,并应以多能源系统协同运行效益合理分配为目标建立多能源市场耦合交易机制。

3.3 与多能源系统协同运行安全性的协调问题

多能源系统协同运行下,能源种类的多样性、网络的复杂性和运行中的不确定性,放大了单一能源系统的异常运行给其他能源系统带来的安全风险。以美国东北地区为例,天然气发电所需的天然气使用优先级低于居民及商业用气,在冬季供热需求较大时,用于发电的天然气供应量减少、天然气价格出现尖峰,影响电力系统运行、增加电力市场风险。同时,天然气发电企业为获得较低的天然气价格,通常会签订可中断天然气供应合同,当天然气系统出现阻塞等导致供给短缺时,天然气发电机组也会因燃料短缺而停机,影响电力市场供需关系和电价。此外,在用户供热需求高峰时,热电联产机组电力出力也会较大,可能导致局部电压升高,给电网调度运行及新能源消纳带来困难。因此,多能源市场耦合交易应能考虑能源系统间运行安全性的交互影响,建立合理的价格机制反映能源系统安全风险。此外,当遇到系统供应可靠性问题时,不同能源系统运营者如何协调应对也是研究中需要重点关注的问题。

3.4 开发新的市场机制、出清算法及分析手段,应对计算复杂性、隐私性及不确定性

多能源市场机制设计应能够挖掘多种能源生产、消费、储存、传输的灵活性,激励高效的能源转换,实现可再生能源和灵活资源的广泛接入,有效保护私有信息,实现能源的公平交易和综合利用。电力、天然气、供热系统中包含大量的非线性约束,多能源系统协同运行将增加优化模型复杂度。此外,大量的报价信息还会进一步增加计算复杂性,在多能源市场机制设计和出清算法研究中应做好出清速度和模型精度的权衡。多能源形式发用电资源在系统同一节点的行为耦合和多能源系统运行的不确定性,也将给市场效应评估、市场主体行为分析、市场风险管理提出新的挑战。

本文引文信息

肖云鹏,王锡凡,王秀丽,等. 多能源市场耦合交易研究综述及展望[J]. 全球能源互联网,2020,3(5):487-496.


XIAO Yunpeng, WANG Xifan, WANG Xiuli, et al. Review and prospects of coupled transactions in multi-carrier energy systems[J]. Journal of Global Energy Interconnection, 2020, 3(5): 487-496(in Chinese).

研究团队

西安交通大学是教育部直属重点高校,国家“985工程”、“211工程”首批重点建设院校。电气工程为国家一级重点学科,电力系统及其自动化为国家重点二级学科,形成了许多独具特色,在国内外有较大影响的科研成果。

王锡凡、王秀丽教授课题组致力于包括电力系统规划、可靠性、电力市场、新型输电方式等领域的研究。近5年来发表期刊论文100余篇,其中SCI收录30篇,ESI收录2篇。

作者简介

肖云鹏


博士


主要研究方向为电力能源市场及新能源电力系统优化调度。通信作者

E-mail:

xiaoyunpengee@163.com

王锡凡


中国科学院院士,教授,博士生导师


主要研究方向为电力系统分析与规划、电力系统可靠性分析、电力市场、新型输电方式等。

王秀丽


教授,博士生导师


主要研究方向为电力系统分析与规划、电力市场、电力系统可靠性分析、新型输电方式。

别朝红


教授,博士生导师


主要研究方向为电力系统规划及可靠性评估、新能源接入系统安全性评估、弹性电力系统、能源互联网、电力市场。

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编辑:李锡

审核:白恺


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