北美容量市场增量拍卖和容量转移权机制及对中国的启示.pdf
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1、Abstract:Ensuring sufficient generation capacity is crucial to the stable operation of the power system.Many predecessors have analyzed the basic capacity bidding in mature capacity markets abroad,but it is difficult to accurately predict the capacity demand in actual operation 34 years in advance.T
2、herefore,continuous incremental auction(IA)and the associated capacity transfer rights(CTR)mechanism are used to ensure that sufficient generating capacity is maintained in the system before real-time operation.Through the simulation examples,the design of IA market and IA capacity demand curve can
3、effectively fill the known capacity shortage of the system,and CTR can effectively hedge the position risk in the settlement of constrained locational deliverability areas(LDA)capacity when the capacity is transferred between regions.Finally,some feasible suggestions on the construction of capacity
4、market are put forward according to the present situation of electric power market reform.Keywords:capacity market;incremental auctions;demand curve;capacity transfer right摘 要:保障发电容量充裕度对于电力系统稳定运行至关重要,现有研究对国外成熟容量市场基本容量竞拍多有分析,但其提前34 a难以对实际运行的容量需求有准确预计,因此需要采用不间断的增量拍卖(incremental auctions,IA)和与之配套的容量转移权
5、(capacity transfer right,CTR)机制确保实时运行前系统中保有充足的发电容量。通过仿真算例,验证IA市场设计及IA容量需求曲线设计能有效填补系统已知缺额容量,区域间进行容量输送时CTR在受限LDA(constrained locational deliverability areas)容量结算中能够有效对冲位置风险。最后结合中国目前电力市场改革现状,提出中国未来容量市场建设的可行建议。关键词:容量市场;增量拍卖;需求曲线;容量转移权0 引言确保发电容量的充裕度是电力系统安全运行的重要前提,也是新一轮电力体制改革背景下中国电力市场将长期面对的重要课题。容量市场建设是欧美国
6、家解决发电容量充裕度问题的一种解决思路,现有成果大多从提前34 a开市的基本容量竞拍角度阐述容量需求曲线的生成和市场参与者的递阶报价曲线1,2。其一,在保证34 a以后的现货市场运行关键节点下,基本容量竞拍获取的容量是否存在偏差?尤其是中国现处于经济快速发展阶段,负荷侧需求变化较快,往往无法精准预测未来几a的负荷峰值。其二,中国电网系统建设时间较短,电网结构相较于发达国家成熟电网来说变化快,在此期间如果电网网架结构变化影响了基本容量竞拍出清结果的有效传输如何考虑?其三,中国发电侧资源主要集中在中西部,负荷侧需求主要集中在东部沿海,在统一市场、两级运作模式下,输电线路将东部负荷中心区域和西部发电
7、中心区域联系起来,其相互之间的容量支撑关系如何通过有效的全国容量市场合理规则进行界定?上述都是亟需解决的问题。为了应对基本拍卖结束至交付年之间交付区域和机组已知发生的容量变化,美国PJM(Pennsylvania-New Jersey-Maryland)采用多重增量拍卖(incremental auctions,IA)的方式,寻求购买缺额容量,灵活调基金项目:国家电网有限公司科技项目(5108-202255037A-1-1-ZN)。Science and Technology Foundation of SGCC(5108-202255037A-1-1-ZN).北美容量市场增量拍卖和容量转移权
8、机制及对中国的启示陈颖1,王蓓蓓1*,黄文渊2,耿思敏2(1.东南大学电气工程学院,江苏省 南京市 210018;2.中国电力科学研究院有限公司,江苏省 南京市 210037)Mechanism of North American Incremental Auction&Capacity Transfer Right and Enlightens to China CHEN Ying1,WANG Beibei1*,HUANG Wenyuan2,GENG Simin2(1.Department of Electrical Engineering,Southeast University,Nanj
9、ing 210018,Jiangsu Province,China;2.China Electric Power Research Institute,Nanjing 210037,Jiangsu Province,China)全球能源互联网Journal of Global Energy Interconnection第 6 卷 第 4 期2023 年 7 月Vol.6 No.4Jul.2023文章编号:2096-5125(2023)04-0417-11 中图分类号:F426;TM73 文献标志码:ADOI:10.19705/ki.issn2096-5125.2023.04.010418 全
10、球能源互联网 第 6 卷 第 4 期整容量资源,更好地保障系统的充裕度3。类似地,ISO-NE(independent transmission system operator-New England,新英格兰独立系统运营商)采用年度重新配置拍卖(annual reconfiguration auction,ARA)和月度重新配置拍卖(monthly reconfiguration auction,MRA),而英国则采用二级交易(secondary trading,T-1),用于进行容量调整4,5,考虑到可再生能源及需求侧响应的间接性及不确定性,其很难参与提前34 a 的基本竞拍,更适用于参加
11、增量拍卖6。文献7提出一种将需求侧资源纳入容量市场增量拍卖的出清模型,并研究其对市场出清与价格的影响。文献8详细研究了一种应用于增量拍卖的考虑传输线路升级下的容量市场出清模型,进而提出一种考虑需求侧响应替代传输线路升级的容量市场出清模型。文献6提出了一种基于资源排放特性的容量出清模型,并根据容量资源的排放特性进行容量付费。然而,目前国内IA的容量需求曲线研究仅停留在“由简单的垂线段和水平线段组成”,而未深入考虑其设计逻辑,此外IA市场的设计及IA的出清和结算等相关方面的研究也未开展。类似于能量市场的阻塞,容量市场中也存在电网传输容量受限的情况,容量低价区的发电商拿到的容量出清价格(capaci
12、ty price,CP)可能远低于容量高价区负荷供应商支付的容量价格,这部分容量需要通过2个区域的联络线将低价区的发电容量传输到高价区。因此,如何分配拍卖后受限位置交付区域(constrained locational deliverability areas,受限LDA)存在的容量阻塞盈余也是未来容量市场研究的热点方向。文献9-10分析了PJM、MISO(midwest independent transmission system operator)等独立系统运营商通过容量转移权(capacity transfer right,CTR)将容量阻塞盈余分配给负荷服务实体(load servi
13、ng entity,LSE)以帮助其对抗容量阻塞时的位置价格风险。中国对能量市场中的金融输电权(financial transmission right,FTR)有深刻研究,文献11-13分别对FTR在分配策略、收入充裕度以及市场力等方面进行深入研究。但是,尚未有针对容量市场中阻塞盈余的分配策略研究,增量容量转移权(incremental capacity transfer right,ICTR)、CTR和FTR对比分析研究,及针对中国网架结构变化较大情况下如何考虑区域之间容量互济问题的研究。由此看来,深入研究讨论国外的市场经验有助于高效稳定地建立中国容量市场机制。本文首先研究了容量市场增量拍
14、卖的市场设计及容量需求曲线设计逻辑,并考虑不同曲线的适应性;然后,参照FTR,分析CTR与ICTR的适用场景、价值及分配方法,通过算例探讨了结合增量拍卖后结算时受限LDA中的CTR的有效性,最后结合中国电力系统特色提出对于未来容量市场建设的建议。1 增量拍卖市场设计各容量拍卖市场的出清模型和定价方法,大都是以容量成本最小为目标,建立考虑联络线路约束及分区容量需求平衡约束下的优化出清模型,并以各分区容量平衡约束对应的拉格朗日乘子作为边际出清价 格14。文献9分析了容量市场可靠性定价模型的架构、市场实施及未来展望。文献15提出一种动态评估不同容量需求曲线下出清结果的模型,并分析系统可靠性与发电商利
15、润。但是考虑到各容量拍卖市场职能不同,市场设计及容量需求曲线设计各有侧重1,2。假定原有的基本容量竞拍的结果因负荷预测偏差或中标机组无法按期提供容量,系统中容量资源与可靠性需求存在一定偏差量,则需组织增量拍卖以填补容量偏差量,保障系统供电充裕度。ISO根据最新系统运营情况在增量拍卖开始前30 d确定容量偏差量并公布每个分区增量拍卖的容量需求曲线16。本章以PJM增量拍卖为例,研究国外典型增量拍卖的容量需求曲线的设计、容量偏差量的确定以及增量拍卖的次数设置。1.1增量拍卖容量需求曲线制定1.1.1 增量拍卖容量需求曲线的设计逻辑IA的容量需求曲线设计不仅要适应拍卖市场设计的目的,还要考虑拍卖市场
16、的结构与拍卖市场之间的衔接。首先,IA的容量需求曲线应考虑IA的设计目的。IA作为固定组织的拍卖市场,以满足潜在动态变化的容量需求为目标16。因此,PJM中IA的容量需求曲线(又称变动可靠性需求曲线,variable reliability requirement,VRR)需考虑价格弹性需求,保留VRR曲线中向下倾斜的部分。相比之下,图1中同为补充市场的附加条件拍卖只在紧急情况下组织,以保障区域供电可靠性为目标,因此,不考虑价格需求弹性,简单地采用垂直线段和水平线段组成容量需求 曲线。Vol.6 No.4 陈颖,等:北美容量市场增量拍卖和容量转移权机制及对中国的启示 419其次,IA中容量需求
17、曲线的设计需充分考虑容量市场的结构与拍卖市场的衔接。增量拍卖作为基本竞拍(base residual auction,BRA)的补充,其容量需求曲线在设计逻辑上是BRA的容量需求曲线的延伸,使得前者更好地衔接后者。因此,BRA以VRR曲线作为容量需求曲线,IA则截取部分更新的VRR曲线作为容量需求曲线,以保障最终的拍卖出清容量在数量上贴合可靠性需求,在价格上衔接BRA。1.1.2 增量拍卖容量需求曲线的制定 以系统中存在容量缺额为例,说明图1中IA的容量需求曲线绘制过程。假定由于BRA竞拍机组无法按期提供容量,系统中的容量资源不足以满足交付年更新后的可靠性需求。以当前系统中的容量资源为y轴,截
18、取更新的VRR曲线中i1到i2的部分作为IA的容量需求曲线。其中,i1表示目前处于签订状态的容量数量所在垂线与VRR曲线的交点,i2表示更新的可靠性需求所在垂线与VRR曲线的交点。IA的容量需求曲线与更新的VRR曲线的形状部分一致,如图1中标注所示:容量需求曲线与y轴的交点数值上会根据实际交易情况发生变化,但其上限为VRR曲线的价格帽;曲线与x轴的交点数值上等于PJM公布的想要购买的容量数量,即式(1)所示缺额容量Qbs3。1.2 增量拍卖中容量偏差量的确定以缺额容量为例,其建模应最大限度贴合实际容量偏差量。缺额容量的表达式如式(1)所示:QQQQQbsrrncnvc=+(1)式中:Qrr表示
19、可靠性需求变化,指在2次拍卖之间,由于区域的经济发展等其他因素引起区域可靠性需求增加(或降低),该变化量需在IA中相应购入(或释放),对应图1中的变化。特别地,如果2次拍卖之间的可靠性需求变化过小(小于上次可靠性需求的1%时),则忽略该变化量16。Qnc表示系统运营商想在先前拍卖中购买但是没有出清的容量数量,对应图1中的变化。Qnv表示先前签订合同但是机组不能如期履行的容量数量,对应图1中的变化。Qc表示系统运营商平台计划在附加条件拍卖中购买的容量数量16。1.3 增量拍卖组织次数与频率设置增量拍卖的次数与频率设置应与容量资源性质、负荷侧可靠性需求性质相契合。同时,还需要考虑IA次数设置对可用
20、容量资源确定性的影响。未来发展中考虑引入低碳能源,应设置多次IA使得容量资源调配灵活,适应低碳能源的间歇性4。如ISO-NE允许间歇式发电资源参与容量市场,其在交付年开始前2个月起组织12次MRA以灵活地针对某个月份调整系统容量17。对于负荷侧峰值仍存在较大波动的发展中区域,也应设置多次IA,并根据负荷波动考虑IA的频率,使得其可靠性需求得以满足。如NY-ISO(New York-independent transmission system operator)为适应其夏?/MW?/MW?/MW?/MW1.5 netCONE?Qbs?abc?/?MW?1?/?MW-1?/?MW?1?/?MW?
21、1?abc?QrrQii1.5 netCONEQnv?Qnc21bs?i1i2?VRR?Qbs?netCONE(net cost of new entry)图 1 PJM容量市场整体架构Fig.1 Overall framework of the PJM capacity market420 全球能源互联网 第 6 卷 第 4 期冬季变化较大的负荷需求,其每年组织2次容量期间拍卖(capacity period auction,CPA)18。但是,IA次数过多也有诸多弊端。除了会导致市场部分重复、运行成本高4等,还需要考虑容量资源提供商往往倾向于在IA中提供替代资源,获得更大利润,而频繁IA会
22、减少其在BRA中提交具有合理可靠的资源报价的动机19,这与容量市场提前锁定容量资源、保障系统可靠性的建设原则相悖。1.4 不同ISO增量拍卖设计对比如表1所示,一览美英各大系统运营商增量拍卖市场的设计,其增量拍卖在组织频次设置及容量需求曲线设计上会适当调整。在增量拍卖市场组织频次设置上,英国次数最少,仅仅进行1次二级拍卖市场(T-2),ISO-NE组织15次重新配置容量拍卖,而美国PJM设置3次增量拍卖市场。这与系统运营商所在区域的资源结构、负荷特性及区域可靠性要求等因素相关。表 1 不同ISO下增量拍卖设置、目的及其容量需求曲线Table 1 Incremental auction freq
23、uency,purpose and capacity demand curve under different ISOISO增量拍卖目的增量拍卖市场结构增量拍卖容量需求曲线设计PJM满足已知的容量需求变化IA:分别于交付年前20、10、3个月组织IA的容量需求曲线基于截取更新的部分VRR曲线ISO-NEISO可获得额外容量或释放过剩容量,以应对容量需求的变化年度重新配置拍卖(ARA):组织3次ARA的容量需求曲线绘制方法与远期容量拍卖FCAs(forward capacity auctions)一致5月度重新配置拍卖(MRA):组织12次MRA由ISO指定报价上限5英国供应商可以交换部分或全部
24、交付年的义务合同以规避处罚20二级拍卖市场(T-1):提前于交付年1 a的拍卖T-1不适用容量需求曲线20在增量拍卖容量需求曲线设计上,英国不使用容量需求曲线,PJM截取部分更新的VRR曲线作为IA的容量需求曲线,ISO-NE在其ARA中使用更新的MRI(marginal reliability impact sloped demand curve)作为容量需求曲线,而在其MRA中简单采用垂直线段和水平线段组成的曲线作为容量需求曲线。这与增量拍卖设置的目的、频次以及市场结构密不可分。2 受限LDA中CTR的应用2.1 CTR的设计框架2.1.1 CTR的应用场景、价值及分配考虑第1章中各容量拍
25、卖市场出清情况和分区之间联络线路进口容量的能力,分区可以进一步被区分为受限LDA和不受限LDA16。一般来说,受限LDA容量出清价格偏高。以图2为例,当容量出清价格较高的受限LDA通过联络线路从容量出清价格较低的不受限LDA进口容量,在结算时将产生容量阻塞盈余:()jiFi j,max(2)式中:i、j分别表示区域i和区域 j的边际出清价格;Fi j,max表示区域i、j之间联络线路容量传输上限。考虑到PJM是非营利组织,针对受限LDA中的负荷服务商在联络线路阻塞时可能承担较高的容量价格,容量结算时产生容量阻塞盈余的分配等问题,参照能量市场中的FTR,提出了容量市场CTR。CTR是一种新的金融
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