甘肃酒泉大规模风电参与电力市场模式 及其消纳方案

第34卷第6期电网技术Vol.34No.62010年6月PowerSystemTechnologyJun.2010文章编号：1000-3673（2010）06-0071-07中图分类号：F123.9文献标志码：A学科代码：790·625甘肃酒泉大规模风电参与电力市场模式及其消纳方案徐玮1，杨玉林2，李政光2，胡殿刚2，夏天2，康重庆1（1．电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室(清华大学电机系)，北京市海淀区100084；2．甘肃省电力公司，甘肃省兰州市730050）ParticipationModeofLarge-ScaleJiuquanWindPowerFarminGansuProvincetoElectricityMarketandItsUtilizationSchemeXUWei1,YANGYu-lin2,LIZheng-guang2,HUDian-gang2,XIATian2,KANGChong-qing1(1.StateKeyLabofControlandSimulationofPowerSystemsandGenerationEquipments(Dept.ofElectricalEngineering,TsinghuaUniversity),HaidianDistrict,Beijing100084,China;2.GansuElectricPowerCorporation,Lanzhou730050,GansuProvince,China)ABSTRACT:Thedevelopmentofcleanenergy,suchaswindpower,solarenergyandsoon,isthestrategicchoiceofChinatocopewithenergychallenges.JiuquanregionlocatedinGansuprovinceisthefirstwindenergybasewithwindpowercapacityhigherthan10GWinChina.Rapiddevelopmentofwindpowermakessignificantchangesinenergymix,networktopologyandpowerbalanceofGansuprovinceinfuture,andthereisnotanyprecedentandsuccessfulexperienceintheworldforreference.Tosolvetheproblemofutilizinghugewindpowereffectively,takingJiuquanwindpowerbaseforinstanceandonthebasisofanalyzingtheexperiencesofparticipatingwindfarmsinthemarketoperationabroad,theprincipalproblemstobefacedwithduringtheutilizationofJiuquanwindpowerareanalyzedindetail,andanewideaoflow-carbonenergyutilizationmechanism,thewindpowerutilizationschemeofGansuprovinceanditsbundledoutwardtransmissionmodeareproposed;andthenbasedonanalysisofforeignoperationalexperienceintheparticipationofwindfarminelectricitymarket,thefeasiblemodesofwindfarmparticipatinginmarketcompetitionindifferentstagesaswellasthedesignofancillaryservicemarketarediscussed.KEYWORDS:powersystem；windpower；electricitymarket；marketmodel；low-carbonenergy摘要：发展风电等清洁能源是我国应对能源挑战的战略选择。甘肃酒泉是全国首个10GW级风电能源基地。风电的基金项目：NSFC-RS中英合作项目；教育部留学回国人员科研启动基金(教外司留[2009]1001号)。ProjectSponsoredbyNSFC-RSJointProject;ScientificResearchFoundationfortheReturnedOverseasChineseScholarsoftheMinistryofEducationinChina([2009]1001)．快速发展，使得未来甘肃电源结构、电网结构以及平衡特性都将发生重大变化。该难题在世界上没有先例，也没有成功经验可借鉴。为有效解决大规模风电消纳问题，以甘肃酒泉风电为例，在分析国外风电参与市场运作经验的基础上，剖析了甘肃酒泉风电消纳面临的主要问题，提出了低碳能源消纳机制的新构想，以及该机制下甘肃酒泉风电消纳方案与打捆外送模式，探讨了不同时期风电参与市场竞争的可行模式与辅助服务市场设计方案。以期为全国大规模风电的消纳方案提供借鉴和参考。关键词：电力系统；风力发电；电力市场；市场模式；低碳能源0引言甘肃省风力资源比较丰富，全省风能资源理论储量237GW，风能资源可开发量在40GW左右，资源拥有量在全国占第5位，具有建设大规模风力发电场的优越条件。为打造西部“陆上三峡”，2007年10月，甘肃省组织有关单位编制完成了甘肃酒泉MW级风电基地规划[1]。根据酒泉风电基地建设规划，2010年底建成投运风电装机5.16GW，至2015年风电装机容量将达到12.71GW，2020年风电装机容量可能将达到20GW以上。在面临历史性机遇的同时，甘肃电网也面临着风电大规模接入带来的电网接入能力、市场消纳、辅助服务和出力预测等严峻的挑战。2010年，甘肃全省统调昀大用电负荷预计仅为9.8GW，风电装机容量超过昀大用电负荷的50%，72徐玮等：甘肃酒泉大规模风电参与电力市场模式及其消纳方案Vol.34No.6省网调峰面临严峻挑战。“十二五”期间，随着大型风、火电基地以及黄河中上游、嘉陵江流域水电项目陆续建成投产，甘肃电网将出现大量电力电量盈余。电力电量大量盈余将导致省内机组出力不足，机组利用小时数急剧下降，严重影响发电企业和电网企业的效益，削弱电力行业的收益水平，并造成巨大的投资浪费，严重影响资源节约型、环境友好型社会的建设。因此，如何有效消纳甘肃省内丰富的风能资源，将资源优势转化为经济优势，成为甘肃电网迫在眉睫的现实难题。本文在分析国外风电参与市场经验的基础上，借鉴可再生能源配额制的基本原理，提出了低碳能源消纳机制，并结合我国风电发展现状与相关政策规定，探讨了不同时期风电参与市场模式与辅助服务市场的设计方案。期待为我国风电开发利用与大规模接入提供重要的理论支持，并将促进风电产业的良性循环与可持续发展，实现发电企业、电网公司与全社会的多方共赢。1电力市场中风电参与交易模式概述1.1风电的技术经济特性由于风力发电不消耗燃料，因此，风力发电成本中大部分为建设成本、折旧费用等固定成本，这部分成本大约占75%，而风电运行的变动成本与边际成本较低。风电的变动成本主要是运行维护成本，包括风电机组日常维护费用、维修及备用零部件费用、税费、保险费、管理成本以及土地使用金等，与机组类型、容量及使用年限等因素有关。随着技术进步与风电机组的效率不断提高，尽管风电的发电成本逐步下降，但是从经济性角度而言，在电力市场中风电与常规能源相比并不具有竞争优势。部分文献认为风电经济性较好的原因，是因为忽视了政府补贴、税收扶持以及交叉补贴等因素的影响，而未来的趋势是政府将逐步取消补贴。此外，风电的随机性与波动性也不利于其直接参与市场交易。1.2风电参与市场竞争的模式概述目前，国外风电参与电力市场的主要模式[2-3]可概括如下：1）全电量竞争。无论风电何时何地的出力是多少，均纳入市场交易范围之内。2）价格接受者(price-taker)。风电机组不参与报价，仅作为市场出清价格接受者参与市场交易。3）交易类型。风电参与的交易品种以容量市场、日前市场、日内市场、实时或平衡市场为主。4）结算机制。风电机组通常按照现货市场价格加上一定的固定费用结算。5）容量补偿。风电参与容量市场时，一般仅按照容量系数而不是装机容量支付容量费用。2国外风电参与市场的参考借鉴意义北欧电力市场[4]与风电比较相关的是现货市场(Elspot，日前市场)、日内市场(Elbas)与平衡市场。Elbas的目标是为发电商和配电商建立一个可以在尽可能接近电力传输时段的时间内交易的市场，允许市场参与者在Elspot成交结果公布后，可以交易每小时的电力合同。北欧电力市场中，风电已参与丹麦现货市场交易，风电企业收益由现货市场价格确定。此外，风电企业还可以在Elbas市场上交易超过或低于预测值的电能。爱尔兰电力市场[5]对风力发电是完全开放的，即用户可以直接购买风电电量。风电企业参与爱尔兰电力市场的途径[6]有2种：1）直接在电量库(pool)中售电；2）通过合约性质的购电协议(powerpurchaseagreement，PPA)将电能以固定价格委托给某一电力供应商参与电量库竞争，该价格由双方协商确定。这2种方式可以由风电企业根据自身情况、风险承受能力以及经济性自由选择。新西兰电力市场[7]包括现货市场、双边合同交易、备用市场。风电可直接参与电力市场与其他类型机组竞争，主要是参与市场基荷电量竞争。报价截止前2h还可变更申报数据，因此风电机组可以根据昀新的预测结果变更申报的出力数据，称为“2h规则”。意大利电力市场[8]中，风电主要采用3种模式[9]参与电能交易：电量库、双边交易以及直接与供电商交易的模式。在风电参与市场方面，美国采取的是基于可再生能源配额制的绿色证书市场模式。可再生能源配额制[10](renewableportfoliostandard，RPS)是指政府对列入可再生能源名单的能源生产实行强制性的具有法律效力的数量规定，要求电力供应商在指定日期之前，按照不低于电力产出的某一比例提供可再生能源电量。在可再生能源配额制政策设计中，为证明电力第34卷第6期电网技术73生产者生产了和消费者购买了符合规定比例的可再生能源电力，引进了一种绿色证书[11](greencertificate，GC)交易制度。电力企业每生产一定数量的绿色电量，政府就发给一张证书。该证书具有市场价值，可以在相关市场中进行交易。如果电力企业提供的绿色电量达不到规定配额，就要接受罚款。电力企业可以在市场上出售或购买绿色证书，并且需要将规定数量的绿色证书上交给监管机构，表明已遵守了强制性义务。3甘肃酒泉风电消纳面临的主要问题甘肃酒泉10GW级风电基地建成后，甘肃电网无论是电力还是电量均将出现大量盈余。风电的快速发展以及区域消纳能力的约束，决定了甘肃酒泉风电消纳必须采取“走出去”战略，通过大规模外送，在全国范围内实现风电的有效消纳。总体而言，甘肃酒泉风电消纳面临的主要问题包括：1）甘肃及西北电网自身市场空间有限。从电力电量平衡的角度考虑，不仅甘肃电网无法消纳风电资源，在整个西北电网范围内也难以有效消纳。如按照甘肃电网内部平衡，且不考虑外送，2010年不考虑风电时，火电利用小时数为4698h，考虑风电电量时，火电利用小时数为3866h，将下降832h；2015年不考虑风电时，火电利用小时数为4821h，考虑风电电量后将下降为3535h。如火电利用小时数按照5500h考虑，不考虑电力外送时，甘肃电网2010—2015年火电盈余容量2381~4160MW；电量盈余为207.8~406.1亿kW⋅h，如图1所示。年度电量盈余/(亿kW⋅h)02010150300450201120122013