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近年来中国风电装机容量规模增长迅速,根据国家能源局发布的全国电力工业统计数据,截至2014年底,全国全口径风电累计并网容量已达95.8GW,同比增长25.6%。与此形成鲜明对比的是2014年中国并网风电设备的利用小时数仅为1905h,同比下降120小时。大规模风电并网后的风电消纳困难日益凸显。清华大学课题组承接国家电网公司的科技项目,针对我国“三北”地区富风期与供热期相重叠的特点,结合大用户直购电市场化改革方案,提出了激励电力用户参与风电消纳的日前市场模式。
1、中国“三北”地区面临的风电消纳困境
1.风能资源集中地区供热机组占比高
受地形、大气环流等因素影响,中国风能资源主要分布在西北、东北、华北（“三北”）地区,而“三北”地区由于供暖需要,电源结构中供热机组占比较高。以京津唐电网2013年底的情况为例,供热机组占火电装机容量的60%,供热机组调峰率范围仅为机组额定容量的12%~18%。
2.供热期与富风期相重叠的特征加剧系统调峰难度
“三北”地区供热期与富风期相重叠的特征为系统调峰带来极大挑战,在系统负荷低谷时段风电出力的“反调峰”特性更是加剧了系统调峰难度,存在着供热机组全部压出力下限运行却仍然大量弃风的现象,表明系统的发电侧调峰资源无法满足风电消纳需求,亟需寻找新的调峰资源。
3.跨区调峰资源消纳风电的方式效果有限
跨区风电调峰是近年来解决风电消纳问题的重要举措,2013年京津唐电网通过低谷挂牌交易消纳蒙西、东北电网风电电量各18亿可kW﹒h、40亿kW﹒h。然而,考虑到受端电网负荷低谷时段的调峰压力巨大,利用跨区调峰资源消纳风电的方式效果有限,有必要积极探索促进风电消纳的新思路。
2、需求侧参与风电消纳的国内外实践经验和研究成果
纵观国外电力系统的风电消纳经验,可以归纳为以下3类主要解决思路：①利用燃气、水电及抽水蓄能等快速启停机组参与风电消纳调峰,如美国、德国、西班牙等；②利用邻国邻区电源结构的互补特性开展跨国跨区电力互济交易,如丹麦、德国等；③利用基于价格或激励机制的需求响应资源参与风电消纳,在智能电网环境下,需求响应已成为各国促进风电消纳的重要手段。
国内外学者在利用需求侧响应促进风电消纳方面已经开展了大量研究工作,需求侧响应机制主要包括基于价格机制、激励机制和将二者相配合使用3种类型,上述需求侧响应计划被应用于考虑大规模风电接入的日前调度优化决策、期货市场、日前市场出清、系统运行模拟等工作当中,研究结果表明需求侧响应对促进风电消纳、降低系统调峰压力具有显着作用。
3、中国在当前售电侧市场环境下应引入电力用户参与风电消纳
2013年至2014年,国务院、发改委、国家能源局密集出台了一系列政策,积极推进中国售电侧电力体制改革,广东、江苏、甘肃等地加速推进电力用户与发电企业（C-G）直接交易试点工作。随着C-G直接交易量的不断扩大,基于现货市场金融结算的C-G直接交易将仅对实时调度构成软约束,能够最大限度地降低直接交易对电网安全的影响,将成为未来中国售电侧市场发展的重要方向。然而,基于现货市场的C-G直接交易仅作为一种双边交易模式,是市场成员锁定成交价格、规避风险的交易品种,而忽略了蕴藏在用户侧的调峰潜力。在售电侧市场化环境下,应积极发挥电力用户的需求响应作用,在市场机制设计中全面激发用户侧参与风电消纳的积极性,为系统消纳新能源提供调峰资源。
4、中国售电侧市场环境下电力用户参与风电消纳的市场机制设计
1.电力用户参与风电消纳的日前市场模式设计
以参与C-G直接交易的电力用户为研究对象,深入研究了激励电力用户积极参与风电消纳的市场机制,从交易原理、交易申报、交易出清、交易结算、交易流程等方面,详细设计电力用户参与风电消纳的日前市场模式；该市场模式将有效解决如下问题：①如何实现电力用户参与风电消纳的价格发现；②如何赋予电力用户调峰用电曲线的分散决策权；③如何设计电力用户调峰成本在市场成员中的合理分摊机制。
2.构建电力用户参与风电消纳的日前市场交易出清模型
基于上述市场模式设计,构建了电力用户参与风电消纳的日前市场交易出清模型,该模型精细化地考虑了市场模式中的各项机制设计。算例测算结果表明,在供热机组占比较高、供热期与富风期重合的电力系统中,系统下调旋转备用不足是造成风电弃风的主要原因；引入电力用户参与风电消纳为系统提供了一种负荷低谷时段的需求侧调峰资源,从而有效地减少了风电弃风电量,本文所设计结算机制可以实现调峰补偿成本在火电机组和风电机组之间的合理分摊。
有关以上模式、模型设计的具体论述请参见文章原文。
3.电力用户参与风电消纳市场机制设计的作用
本文所提模式、模型具备风电消纳调峰价格发现、电力用户调峰潜力挖掘以及市场成员调峰义务分摊三方面主要功能,将为促进我国“三北”地区富风期的风电消纳开辟市场化途径,为现货市场环境下市场成员公平承担调峰义务提供合理的激励机制与市场模式。
主要作者及团队介绍
夏叶,清华大学电机系博士后,主要研究方向为电力市场、电网调度运行、需求响应等。
清华大学电机系夏清教授、康重庆教授团队目前拥有教授2人、副教授1人、讲师1人和博士后4人。主要从事电力系统规划、调度运行、智能电网、电力市场、负荷预测、新能源、低碳电力和综合能源系统等领域的研究工作。近5年团队发表或录用SCI论文40余篇,其中20余篇发表在IEEETransactions上,近5年EI论文140余篇。所研发的负荷预测软件在我国200余家地市电网得到推广应用,发电计划与检修计划软件在全国10余个省级调度中心应用。
