一、 前言
电力系统RE消纳作为系统工程，是输电网建设协调规划、市场规则改进、电网运行水平及技术提升等因素共同作用的结果[4]。从系统条件看，电源调节性能、电网联通能力、负荷规模及峰谷差是影响RE消纳的重要因素[5]。随着高比例新能源电力系统的转型，RE出力的强随机性、波动性对电力系统的电力电量平衡产生极大影响，电力系统“双峰”特性凸显[6]。同时，当前我国能源供需逆向分布情况较严重，资源富余地区的RE消纳困难，而重负荷地区传统燃煤机组占比高、RE参与程度低[7]。为了克服进一步扩大RE消纳、保持电力供应稳定之间的矛盾，需要发电机组灵活配合、供需两侧积极互动，最终表现为电力系统安全、高效运行[2]。在这一过程中，完善的电力市场可发挥对电力资源配置的决定性作用，为市场主体成员提供中长期交易平台和日前、日内、实时交易平台；合理反映电力在各种时空条件及供需关系下的价值，支持各类市场主体通过公平竞争获利并开展活跃的供需互动。因此，完善的电力市场是促进RE消纳的关键机制。
发达国家和地区的电力市场建设起步较早，以美国宾夕法尼亚 ‒ 新泽西 ‒ 马里兰联合电力市场（PJM）、得克萨斯州电力可靠性委员会电力市场（ERCOT）、加利福尼亚州独立系统运营商（CAISO）电力市场、欧洲统一电力市场[7]为代表，通过互联市场、财政激励、绿证市场等方式促进RE发展并鼓励消纳；也因电源结构、市场目标、电力体制等因素的差异，各国面向高比例RE的电力市场建设重点不尽相同。相关研究围绕RE在电力市场中的新能源消纳模式及优劣势[8,9]、RE相关的科学技术[10]、电力市场促进RE消纳的形势及展望[11~15]等展开，而促进RE消纳的电力市场改革课题未见涉及。近年来，国内学者在促进RE消纳的电力市场方面完成了一些综述性研究，主要围绕现货交易市场、调峰服务市场等细分方向展开，研究对象呈现模块化特征。例如，总结了现货交易的基本框架、组织流程、市场衔接等机制，侧重讨论跨区域现货交易对RE消纳的影响[6]；概述了国外成熟现货市场、我国试点省份现货市场的建设特点及促进RE消纳的市场机制，分析了未来我国现货市场建设的主要挑战[16]；结合我国电力调峰辅助服务市场的发展背景及各地区发展实际，提出了面向高比例RE的消纳调峰辅助服务市场建设设想[17]；梳理了各国的RE补贴及配额制度，但未开展与RE消纳相关因素的深入分析[18]。
在此背景下，梳理国外不同特性市场结构及机制中影响RE消纳的关键因素，分析我国不同电力供需特性的地区市场发展态势，将为电力市场的持续建设及优化提供支持。本文着重考虑全时间尺度下促进RE消纳的交易机制，开展国外案例梳理和关键影响因素提炼，围绕关键影响因素分析国内相关市场的建设现状及面临挑战；立足国情并结合“双碳”战略目标，展望面向高比例RE消纳的电力市场建设要素。
二、 国外面向高比例RE消纳的电力市场结构及机制
（一） 中长期及现货交易高比例RE电力市场
1. 中长期交易市场
2. 现货交易市场
（二） 辅助服务市场及需求侧响应机制
1. 辅助服务市场建设
为了提高辅助服务市场的活跃度、增大应对高比例RE系统的电力备用容量，在以美国PJM为代表的全电量竞价现货市场中，发电企业的调峰收益表现在不同时间能量市场的实时电价变化[25,26]；在现有价格机制方面，英国、北欧国家的市场主要以双边协议、竞价交易的形式，按协议价格、报付价格、出清价格分摊给终端用户[27,28]。为增强高比例RE系统的电压支撑与调节能力，美国得克萨斯州电力市场建立了毫秒级响应速度的调频服务、加利福尼亚州积极推动具有灵活性的爬坡产品；北欧国家2011年启动了含快速频率响应的辅助产品类型，包括柔性负荷、可再生分布式电源、储能资源，以数百毫秒级的响应速度来应对高比例RE电力系统的低惯量问题[27,28]。
2. 需求侧响应机制
在电源侧调节能力以外，规模小、多元化的需求侧解决方案为高比例RE系统提供了灵活调节能力。随着RE占比逐步提高，需求侧资源（如柔性负荷、电动汽车、用户侧分布式电源、储能等分散资源）较多同时参与电能量市场、调频市场、备用市场[29,30]，再由RE提供系统可调节容量及调节灵活性。依托成熟的电力市场环境，发达国家建立了包含RE需求侧资源参与各细分市场在内的交易规则及机制[31~33]。2020年，美国联邦能源管理委员会启动了RE分布式资源聚合商参与市场投标（按节点电价结算交易能量[23]），拓展了需求侧应用空间。欧洲电力市场重在完善信息披露制度、加强零售市场竞争、实施用户数据保护[23]，促使RE分布式资源用户从消费者转化为产销者；发布相关政策，使自产自销用户无需支付服务运营费用[23,31]，推动电网侧含RE的分散资源深度参与电力市场。
（三） 促进RE消纳的其他机制
1. RE消纳政策
2. 绿证市场和碳市场
绿证市场以满足发电企业、售电企业、电力用户等市场主体出售、购买、消费绿色电力的需求为建立目标，绿电交易结算结果影响电力用户获得的绿证数量[36]；作为在电力市场交易以外向RE发电企业提供绿证市场盈利的平台，驱动市场增加绿色电力供应。碳市场旨在通过缴纳碳税、购买碳排放权、购买绿证等方式，增加传统化石能源发电厂的生产成本，进而调整电源结构并推动碳减排。从市场运作机理角度看，电力市场、碳市场、绿证市场通过价格和供需关系来深刻影响市场主体的决策及RE消纳情况。
表1 国外促进RE消纳的市场结构及相应机制
| 机制 | 美国 | 英国 | 北欧国家 | |
|---|---|---|---|---|
| 中长期交易 | 双边合同为主 | 双边合同为主 | 直接参与市场批发 | |
| 现货交易 | 区域间出清方式 | 电量不平衡市场下的电能 ‒ 辅助服务联合出清 | — | 跨区传输、跨价格耦合统一出清 |
| 区域内出清方式 | 电能 ‒ 辅助服务联合出清 | 按报价支付出清 | 潮流耦合模型出清 | |
| 配套机制 | 需求侧响应参与 | 需求侧响应参与 | 需求侧响应参与 | |
| 辅助服务市场 | 运行方式 | 参与现货市场联合出清 | 独立竞价投用 | 独立竞价投用 |
| 交易品种 | 调频服务、响应备用服务、紧急备用服务、非旋转备用服务、快速频率备用等 | 频率响应服务、备用服务、无功功率服务、黑启动、动态缓冲、动态抑制 | 频率控制、电压控制、黑启动、负荷跟踪、快速频率响应等 | |
| 政策激励 | 生产、投资税收抵扣 | 固定上网电价 | 固定上网电价 | |
| 新能源消纳机制 | 配额制 | RE义务 | — | |
| 配套市场 | 绿证交易市场 | 绿证交易市场、碳配额制和碳定价体系 | 绿证市场、碳市场 | |
三、 我国促进RE消纳的电力市场建设进展
（一） 电力市场结构
图1 我国电力市场结构及影响RE消纳的因素
（二） 电力市场促进RE消纳机制
1. 中长期交易及现货交易市场
2. 辅助服务市场建设及需求侧响应机制
随着代理聚合商、虚拟电厂的出现，智能化电网建设的推进，电网需求侧资源的灵活性显著提升。与国外需求侧响应深度参与电力现货市场不同，国内仅有部分省级市场引入用户侧以“报量不报价”方式参与市场，大部分用户侧可参与需求响应调节、不参与现货市场竞争。这一需求侧响应格局限制了储能、分布式资源聚合商等第三方市场资源的优化配置空间[23]。
3. RE消纳责任权重制及绿证市场、碳市场
在我国现行政策中，消纳责任主体为电网企业、配售电公司、电力用户、自备电厂企业；以实际消纳量作为消纳责任权的主要完成方式，还可购买超额消纳量、绿证进行补充，调动各方积极性以促进RE消纳[42]。目前，国家已明确各地2030年前的消纳责任权重，宁夏、安徽等省份发布了RE消纳保障方案，除甘肃、西藏外的所有省份完成了2021年RE电力消纳责任权重。
我国自2021年起正式开展以绿色电力产品为标的物的绿色电力中长期交易试点工作。中国绿色电力证书认购交易平台数据显示，截至2022年11月，风电证书累计核发量为3707.14万张，累计挂牌率为21.97%，累计交易率为6.19%；光伏证书累计核发量为1872.78万张，累计挂牌率为23.51%，累计交易率为23.01%。
我国自2013年起陆续上线了8个试点碳市场，覆盖电力、交通、建筑等高排放行业，近3000家重点排放单位[36]；主要以免费分配的方式配置碳排放配额，根据不同行业特点采用基准线法、历史强度法等确定分配数量。碳市场分为初始分配市场、自由交易市场，采用挂牌交易、单向竞价等交易形式。梳理的我国促进RE消纳的市场机制如表2所示。
表2 我国促进RE消纳的市场机制
| 市场形式 | 市场机制 | |
|---|---|---|
| 中长期交易 | 区域间出清方式 区域内出清方式 配套机制 | 双边协商、集中交易 |
| 现货交易 | 省间 ‒ 省内两级市场 | |
| 集中优化出清等 | ||
| 部分地区试点需求侧响应参与 | ||
| 辅助服务市场 | 运行方式 | 部分参与现货市场联合出清 |
| 交易品种 | 调峰为主、调频为辅 | |
| 政策激励 | 部分地区固定上网电价 | |
| 新能源消纳 | 配额制 | |
| 配套市场 | 绿证市场、碳市场 | |
（三） 电力市场建设面临的挑战
1. 协调发展、衔接合理的碳市场和绿证市场尚未建成
在我国相对宽松的RE消纳责任权重约束下，绿证市场尚未成熟运作，基于绿证自愿认购体系的市场反应冷淡、交易规模偏低；参与绿证认购的大量交易主体，与电力市场、碳市场交易主体的重合度不高。与发达国家的市场相比，国内绿证市场与电力市场、碳市场的耦合性不强[36]，碳电价信号难以通过市场衔接传递至电力市场主体，导致资源配置能力有限。电力市场、绿证市场、碳市场仍需充分协调发展，才能活跃绿电交易、促进RE消纳。
2. RE强制消纳下的市场交易存在风险
随着RE快速发展，参与中长期交易的RE交易规模逐步扩大；为了充分保证RE消纳，火电机组逐步退出成为必然趋势。以控制火力发电出力为主的传统调峰方式难以满足电网调峰需求，无法保障中长期交易合约中的RE全部消纳，甚至影响电网的安全运行；由于RE存在强波动性、随机性，与跨区现货交易时段难以匹配，交易主体局限在电网公司调管范围以内。亟待引入RE参与市场的机制，推动日以内短时序的跨省跨区交易，进而改善更大区域内的能源资源优化配置。此外，RE出力的不稳定可能导致现货市场实时价格的剧烈波动[43]，为了规避火电缺额、价格波动等风险，还需推进中长期市场与现货市场，中长期及现货市场与辅助服务市场、金融市场的有效衔接。
3. 配套辅助服务市场建设滞后
我国电力辅助服务市场仍处于政府主导、计划色彩浓厚的发展阶段，辅助补偿费用由发电企业承担。该机制无法真实反应辅助产品价格、市场供需关系，发电企业主动参与市场的积极性不高。国外成熟的电力市场，除基本的调峰、调频产品以外，衍生了快速频率响应、紧急备用产品等面向高比例RE电力系统的多元化辅助产品，以完备的辅助市场服务支撑了高比例RE电力系统的稳定运行。相比之下，国内辅助服务产品种类较少，快速响应类产品缺乏，未建立日内短时序的跨省、跨区辅助服务市场，可再生电源参与双调辅助市场容量小、灵活性低；深度调峰的煤电机制面临频繁启停的成本问题，进一步制约了辅助服务市场的活跃度。
4. “源储荷”可调节资源交易环境有待发展
随着电力市场改革、数字电网建设，需求侧资源在新型电力系统中的价值凸显。国内仅有部分地区试点需求侧响应参与现货市场，需求侧资源参与各类细分市场的规划及交易规则不完备，集成“源储荷”资源实现能效管理、能源交易、数据增值服务的多元商业模式也显缺乏。
四、 我国面向高比例RE消纳的电力市场研究进展
RE规模持续扩大后将成为支撑电力系统供能的主体部分，发电、购电主体趋于多元化，面向高比例RE消纳的电力市场建设更为复杂。梳理市场机制、交易模式、新型消纳模式等方面的系列研究，有助于把握进一步促进RE消纳、加速新型电力系统转型的主攻方向，为我国面向高比例RE消纳的电力市场建设提供坚实的理论与应用基础。
（一） 促进RE消纳的电力市场与碳市场、绿证市场的耦合机制研究
电力市场、绿证市场、碳市场通过电价和供需关系体现相互影响，在现状电力市场的基础上健全绿证市场、碳市场，实现三者之间的衔接与协同发展，有助于引导绿电消纳、优化用能结构。研究认为，市场机制可以发现经济减排、RE消纳的优化路径，面向高比例RE电力系统的电力市场、绿证市场、碳市场深度耦合（见图2）将全面推动我国经济社会绿色低碳转型。已有研究集中在电力市场、碳市场、绿证市场的协调运行方面。前期研究多为电力市场与碳市场、电力市场与绿证市场的关系及机制探讨，如发现绿证的市场化交易可在不显著增加责任主体成本的前提下有效提升RE电力消纳量、绿证市场交易额，提出一种绿证市场下政府引导RE机组逐步参与电力现货市场运营的补贴政策[44]。后期研究则考虑了碳市场、绿证市场的交互影响，如阐明新配额制下电力 ‒ 绿证 ‒ 超额消纳量多尺度市场的耦合互动关系[45]，提出一种绿证、碳排放权联合交易的市场模式（以绿证和碳排放权资源的全局优化配置，激励RE发电并限制化石能源机组的碳排放量[46]），论证基于区块链技术的绿证和碳交易市场联合激励机制[47]。
图2 可再生消纳权责下电力市场、碳市场、绿证市场交互关系
（二） RE参与的中长期交易和现货交易以及衔接机制研究
我国面向高比例RE消纳的电力现货市场仍处初级阶段，RE发电稳定参与现货市场是建设难点。中长期市场与现货市场的合理衔接是扩大现货交易规模的重要基础，相应衔接机制是促进RE消纳的重要因素。因此，RE参与的中长期交易、现货交易，其交易框架、定价机制、出清模型、配套市场等具有研究价值。基于电价差刺激市场分摊的方式，提出中长期交易中的不平衡分摊方法，用于拓宽现货交易的发展空间[48]。构建以跨省区电量交易、富余RE跨省区消纳为主的交易框架，建立支撑RE大规模消纳的跨省区市场交易模型[49]。提出一种新能源报价机制，反映新能源边际成本为零、平均成本递减的成本特性以及新能源波动出力特性，针对性发展适应新型电力系统的现货市场和火电容量市场耦合机制[50]。构建计及期权合约、交易路径的省间优化出清模型，将期权模式引入合约市场交易以规避电价波动风险[51]。引入最小块概念，构建基于标准能量块合约的中长期市场连续运营方案，适用于衔接现货市场[52]。
（三） 面向高比例RE的辅助服务市场研究
电网的灵活性是促进RE消纳的关键因素，而辅助服务市场是增强电网灵活性的重要手段。当前，适应现货市场的备用辅助服务未能支持形成供需双方均可申报量 / 价的市场。调频、调峰服务是维持高比例RE电力系统稳定运行的基本手段，高比例RE辅助服务市场建设可从交易品种、激励机制、服务定价等方面着手，促进产品参与竞争市场、提高市场活跃度、盘活可调节资源，进而提高电力系统对RE供应的接纳度。研究提出储能、电动汽车等柔性负荷参与辅助服务市场的基本方式[53~55]。发展基于备用辅助服务需求申报的现货市场组织方法及出清模型，以“谁产生、谁承担”原则构建备用费用分摊机制[56]。建议将火电灵活性改造成本分解为发生弃电的RE分摊固定成本、参与现货市场竞争回收的变动成本，以此将调峰市场纳入电能量市场[57]。论证提出了黑启动、灵活爬坡等新型辅助服务市场产品的设计方案[58,59]。
（四） 面向高比例RE消纳的需求侧响应机制研究
在RE和新型负荷聚合商（如储能、电动汽车、虚拟电厂）大规模接入配 / 用电侧之后，整合分散的需求侧资源参与电力市场并优化配置相关资源成为构建新型电力系统的关键点。需求侧响应是辅助服务市场的关键组成部分，可据此控制RE参与电力现货市场的不稳定风险，但在电力市场中的深度参与机制有待探索。已有研究较多关注发挥需求侧可调节资源的灵活性，以不同的品种、模式参与电力现货市场。提出一种多级现货市场衔接框架，引导用户侧可调控资源主动参与系统的平衡调节服务，使需求侧基于负荷聚合商引导的终端用户参与多级耦合市场的调度[49]。针对多样化的交易需求，发展覆盖多元市场主体的交易报价方式，构建多种灵活能量块的交易出清模型[60]。论证提出虚拟电厂参与电网调控与市场运营的技术架构[61,62]，优化控制各类资源的运行状态，为电力系统提供更加灵活的调节能力[63]。
五、 我国面向高比例RE消纳的电力市场发展建议
（一） 协同电力市场、绿证市场、碳市场运作
碳排放权和绿证交易可以推动社会共同承担RE消纳带来的增量成本，鼓励市场交易主体自主优化用电结构或用能方式。分析梳理电力市场、绿证市场、碳市场的联动关系，面向产业和资源的实际需求，保持市场机制、政策工具的配套发展和有效衔接。在以可再生消纳权重责任制为促进RE消纳的主要手段，以配额制执行碳排放交易机制的现状条件下，需论证并新建碳排放权的配额与分配机制以及绿证分配机制，根据市场主体能源转型的进度逐步收紧碳排放额度，稳健提高RE消纳量和绿证的市场竞争力。推动建立碳市场、绿证市场、RE消纳市场的互认体系，合理简化电力市场、绿证市场、碳市场、RE消纳市场的交互流程，形成电价信号并传递至“源储荷”环节，鼓励社会主动参与绿能使用。
在考虑可再生消纳权责的电 ‒ 碳 ‒ 绿证市场架构（见图3）下，能量市场为用户提供电力供应，电力用户参与辅助服务市场及其他市场。在各类电力用户中，超额消纳责任主体可向超额消纳量市场售卖消纳量，未满足消纳义务的责任主体可购买消纳量；RE发电商通过生产RE电力相应折算的绿色证书来抵消未满足消纳的部分。传统能源发电商、电力用户均受碳排放权的约束，可在碳交易市场上购买核证自愿减排量（CCER）或以绿证抵消超额排放量；CCER和绿证可按《可再生能源发电并网项目的整合基准线方法学》实现互认。据此，电力市场、绿证市场、碳市场、超额消纳量市场实现互联互通，直至绿证市场发展取代超额消纳量市场，最大限度地提高RE在电力系统中的消纳。
图3 可再生消纳权责下的电 ‒ 碳 ‒ 绿证市场架构
（二） 完善RE参与现货市场及其他市场的衔接机制
RE大规模接入带来了随机性和波动性，要求现货市场建立跨区、跨省的模型，以更小的颗粒度出清。完善不同尺度的定价、交易机制，合理衔接中长期与日前、日内、实时交易，扩大RE交易的地域范围和多级市场的跨度。为两级运作过渡至省间统一报价乃至全国量价耦合以统一出清的机制作铺垫，提高RE电力的价格竞争力。衔接容量市场、辅助服务市场，兼顾电力稳定供应、综合电力成本降低，从而协调RE电力与传统火电更替，逐步扩大RE供能占比。经由金融市场指导市场价格并规避价格波动风险，协调多级电力市场发展，引导RE在电力系统中以市场化方式扩大消纳比例。
（三） 健全辅助服务市场的价格体系与服务品种
在辅助服务市场的服务价格方面，着力推动辅助服务交易参与市场竞争。细分辅助服务提供主体的类型，根据发电侧以及用电侧（如负荷聚合商、虚拟电厂、储能等）不同主体的调节容量、速率、可靠性、RE利用率等指标，降低高比例RE电力的辅助服务提供主体参与竞争市场的准入条件和分摊成本。以差异化的价格机制体现多维价值，按照“谁提供、谁获利，谁受益、谁承担”的原则，逐步建立电力用户参与分担服务成本的共享机制；运用市场化手段释放多元高比例RE主体的灵活调节潜力、激发辅助服务的活跃度，为扩大RE消纳创造空间。
在辅助服务市场的交易品种方面，重在结合负荷灵活特性及电网需求，充分挖掘需求响应潜力。待电力市场运行成熟、价格信号趋于完善后，由实时市场逐步取代以辅助现货交易为主要目的调峰产品。丰富备用、调频等辅助服务产品，新增快速频率响应、快速爬坡等辅助服务产品，积极应对高比例RE电力系统低惯性及无功支撑能力下降带来的系统不稳定性。
（四） 推动需求响应深度参与面向高比例RE消纳的电力市场
巨量的RE并网将颠覆传统电力系统的“源荷”特性并贯穿到低压配电网[53]。随着数字电网的建设与应用、用户侧储能及电动汽车等多元新型柔性负荷的增加，低压居民用户、负荷聚合商形成的负荷资源具有极大的调用潜力。
在市场机制方面，推动需求侧响应参与市场竞争，再逐步拓宽参与辅助服务、现货市场、中长期市场的程度。细分需求侧资源类型、为不同市场类型提供的差异化服务，如工业负荷、空调负荷等可中断负荷参与中长期市场交易，高比例RE电力快速响应负荷（如电动汽车、用户侧储能等，具有秒级控制能力）可作为辅助服务市场的灵活资源参与现货交易市场。进一步发展综合需求响应，参与能源互联网中的冷 ‒ 热 ‒ 电 ‒ 气相互转化，增加响应维度并充分利用参与需求响应的RE电力。
在建设进程方面，初期可完善分时电价、有序充电、上网补贴等激励政策，推动提高需求侧资源的利用水平。随着电力市场完善程度的提高，逐步将需求侧用户或聚合商作为市场主体，同步规范各市场主体的准入标准和技术认证；为高比例RE电力的响应服务主体提供优惠政策，采用市场化方式调动需求侧资源深度参与电力市场甚至能源互联网中的多级耦合市场，为高比例RE电力系统提供充分的灵活性资源。
利益冲突声明
本文作者在此声明彼此之间不存在任何利益冲突或财务冲突。
Received date: December 27, 2022; Revised date: February 10, 2023
Corresponding author: Zhang Yongjun is a professor from the School of Electric Power Engineering of South China University ofTechnology. His major research field is planning, operation and control of smart grid and energy Internet. E-mail: zhangjun@scut.edu.cn
Funding project: Chinese Academy of Engineering project “Strategic Suggestions for the High-quality Development of Ningxia New Energy Comprehensive Demonstration Zone by Eastern Industrial Technology”(2022NXZD3)