主辅助服务市场出清模型研究【旋转备用】附Matlab代码

最新推荐文章于 2025-12-03 19:13:04 发布

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🔥 内容介绍

在电力系统的复杂运行体系中，旋转备用扮演着至关重要的角色。电力系统时刻面临着诸多不确定性因素，如负荷的随机波动，可能因工业生产的启停、居民用电习惯的变化等导致瞬间用电需求大幅起伏；新能源发电的间歇性，太阳能受昼夜、云层遮挡影响，风能受风速不稳定制约，使得其发电功率难以精准预测与稳定输出。这些不确定因素严重威胁着电力系统的安全稳定运行，可能引发电压波动、频率偏移甚至系统崩溃等严重后果。

旋转备用作为应对这些不确定性的关键手段，时刻处于待命状态。当系统负荷突然增加，超出常规发电出力时，旋转备用机组能够迅速响应，在短时间内增加发电功率，填补功率缺额，维持电力供需平衡，确保系统频率稳定在正常范围（我国标准为 50Hz±0.2Hz）。同理，当新能源发电出现骤降时，旋转备用也能及时顶上，保障电力供应的连续性。可以说，旋转备用是电力系统的 “稳定器”，是维持电能质量、保障电网安全可靠运行不可或缺的重要环节。

二、旋转备用市场出清模型的构建要素

（一）市场参与者

发电企业：发电企业是旋转备用的主要提供者。大型火力发电企业凭借其机组容量大、调节性能相对稳定的优势，在旋转备用市场中占据重要地位。例如，超超临界燃煤机组，能够在一定范围内快速调整发电功率，为系统提供可靠的旋转备用容量。同时，具备快速启停和灵活调节能力的燃气轮机发电企业，在响应速度上更具优势，可在数分钟内实现功率提升，也是旋转备用的优质资源。

储能系统运营商：随着储能技术的迅猛发展，储能系统运营商逐渐成为旋转备用市场的新兴力量。锂电池储能系统具有充放电速度快、能量转换效率高的特点，可快速响应系统需求，实现功率的双向调节。当系统需要增加功率时，储能系统放电提供旋转备用；当系统功率过剩时，储能系统充电储存能量，起到 “削峰填谷” 的作用，优化电力资源配置，提升系统整体稳定性。

负荷聚合商：负荷聚合商通过整合大量可调节的用户负荷资源参与旋转备用市场。例如，工业用户可在系统需要时适当调整生产流程，降低用电负荷，为系统贡献旋转备用；商业建筑通过优化空调、照明等用电设备的运行策略，实现负荷的灵活调节。负荷聚合商将这些分散的用户负荷资源集中起来，以整体形式参与市场交易，既提高了用户参与电力市场的积极性，又为系统提供了多样化的旋转备用来源。

（二）成本与收益考量

发电企业成本：发电企业提供旋转备用会产生额外成本。一方面是机会成本，机组预留旋转备用容量意味着放弃了部分参与电能量市场发电的机会，损失了相应的发电收益。例如，一台额定功率为 100MW 的燃煤机组，若预留 20MW 的旋转备用容量，在电能量市场价格为 0.5 元 /kWh 的情况下，每小时的机会成本约为 20×1000×0.5 = 10000 元。另一方面是运行维护成本，机组为保持随时可响应的备用状态，需持续投入设备维护、监测等费用，且在快速调节功率过程中，设备磨损加剧，进一步增加了维护成本。

储能系统成本：储能系统的成本主要包括设备购置成本、充放电损耗成本以及运维成本。以一套容量为 10MW/20MWh 的锂电池储能系统为例，设备购置成本可能高达数千万元，充放电过程中存在一定能量损耗，如充放电效率为 90%，则每充放电一次，就有 10% 的能量损失，这部分损耗转化为成本。同时，定期的电池维护、检测等运维工作也需投入大量资金。

负荷聚合商成本：负荷聚合商整合用户负荷资源需投入技术平台建设、用户协调管理等成本。搭建智能化的负荷监测与控制系统，实现对大量用户负荷的实时监测与精准调控，前期建设成本较高。此外，与用户沟通协调，激励用户参与负荷调节，也需要支付一定的费用。

收益获取：市场参与者通过在旋转备用市场中标获得相应收益。旋转备用市场出清价格根据市场供需关系和系统运行需求动态确定。当系统旋转备用需求紧张时，出清价格上涨，参与者可获得更高收益；反之，价格则会下降。例如，在夏季用电高峰时段，系统对旋转备用需求大增，出清价格可能从平时的 30 元 / MWh 上涨至 100 元 / MWh 甚至更高，参与者的收益也随之大幅提升。

三、常见旋转备用市场出清模型类型

（一）基于边际成本的出清模型

原理阐述：基于边际成本的出清模型以市场参与者提供单位旋转备用容量的边际成本为基础进行市场出清。在该模型中，各参与者根据自身提供旋转备用的成本，包括机会成本、运行维护成本等，向市场申报报价。市场根据系统对旋转备用容量的需求，按照报价从低到高的顺序依次选择参与者，直至满足系统所需的旋转备用容量。此时，最后一个被选中参与者的报价即为市场出清价格，所有中标参与者均按照该价格获得补偿。

优势：该模型能够充分反映市场参与者的成本差异，鼓励低成本的参与者积极参与市场，提高资源配置效率。同时，市场出清价格基于边际成本确定，能够为市场提供较为准确的价格信号，引导市场参与者合理调整生产决策。例如，在某地区旋转备用市场中，通过该模型出清，使得发电成本较低的水电企业在旋转备用供应中占据较大份额，有效降低了系统获取旋转备用的总成本。

局限性：该模型依赖于准确的成本核算，但实际中市场参与者的成本受多种因素影响，如燃料价格波动、设备老化程度等，难以精确估算。此外，当市场参与者数量较少或存在市场势力时，可能导致报价不真实，影响市场出清结果的公平性与合理性。

（二）基于安全约束经济调度的出清模型

原理阐述：此模型将旋转备用市场出清与电力系统的安全约束经济调度相结合。在满足系统功率平衡、旋转备用容量约束、机组运行约束以及系统安全约束等一系列条件下，以系统运行总成本最小为目标函数进行优化求解。系统运行总成本包括发电成本、旋转备用成本以及因系统安全问题可能产生的惩罚成本等。通过数学优化算法，如线性规划、混合整数规划等，确定各市场参与者的中标容量与出清价格，使系统在保障安全稳定运行的前提下，实现经济成本最优。

优势：该模型全面考虑了电力系统的物理特性与运行约束，能够确保在复杂的系统运行条件下，合理安排旋转备用资源，既保障系统安全，又降低运行成本。例如，在新能源高比例接入的电力系统中，通过该模型可以充分考虑新能源发电的不确定性，合理配置旋转备用，有效应对可能出现的功率波动，同时优化系统整体运行经济性。

局限性：模型计算复杂度高，需要大量的系统运行数据和复杂的数学计算，对计算资源和算法效率要求较高。而且，模型中的一些参数，如惩罚成本系数等，难以准确确定，可能影响优化结果的准确性与可靠性。

（三）考虑需求响应的出清模型

原理阐述：该模型将需求响应资源纳入旋转备用市场出清范畴。需求响应是指通过价格信号或激励措施，引导用户调整用电行为，实现电力负荷的灵活调节。在考虑需求响应的出清模型中，负荷聚合商代表用户向市场申报可提供的负荷削减量及相应报价。市场在出清过程中，综合考虑发电企业、储能系统运营商以及需求响应资源的报价与容量，以系统运行效益最大化为目标进行优化。运行效益包括降低系统获取旋转备用的成本、减少发电侧资源的投入以及因需求响应带来的节能减排效益等。

优势：引入需求响应资源丰富了旋转备用的供应来源，增强了系统应对不确定性的能力。同时，通过激励用户参与需求响应，可提高用户对电力市场的参与度与互动性，促进电力资源的高效利用。例如，在某城市的电力系统中，通过实施考虑需求响应的旋转备用市场出清模型，在夏季高峰时段成功引导商业用户削减部分非关键负荷，减少了对新增发电资源的依赖，降低了系统运行成本。

局限性：需求响应资源的响应能力和可靠性存在一定不确定性，用户可能因各种原因无法完全按照申报的负荷削减量进行响应。而且，建立有效的需求响应激励机制较为复杂，需要合理平衡用户利益与系统效益，否则可能影响用户参与的积极性。

四、旋转备用市场出清模型的应用案例分析

（一）东北电网尖峰旋转备用市场

东北电网在旋转备用市场建设方面进行了积极探索，成效显著。近年来，受供热机组比例高、煤质下降以及新能源快速发展等因素影响，东北区域电力运行持续面临着顶尖峰旋转备用容量不足和低谷时段调峰能力不足的双重挑战。为应对这些问题，东北能源监管局率先开展尖峰旋转备用辅助服务市场建设。

在市场机制设计上，东北电网以火电厂运行机组发电能力作为市场购售衡量标准，设计了旋备市场日前竞价机制，建设东北电网统一的尖峰旋转备用市场。通过全网统一管理、统一计算、统一交易，有效避免分省预留备用冗余配置，充分发挥了大电网资源优化配置能力，进一步挖掘了电网调峰潜力。

自 2019 年 7 月 1 日正式运行后，该市场取得了良好的效果。全年尖峰旋转备用市场开市 220 次，受阻电力较 2018 年日平均降低了 119 万千瓦，同比降低了 11.37%。在 2021 年下半年，受煤价上涨、煤质差等因素影响，东北区域面临火电机组受阻容量比例高、调峰资源紧缺等问题。通过旋转备用市场的有效运作，第三季度旋转备用交易同比开市时间增长了 428.31%，达到了 938 次，总补偿费用增长 636.71%，达到了 3.23 亿元，对提升区域内火电机组顶尖峰能力发挥了显著作用。第四季度，面对供暖期的特殊需求，东北能源监管局阶段性调整了部分条款，将省内顶尖峰旋转备用交易最高限价由 0.2 元 / 千瓦时调整至 1 元 / 千瓦时，极大地激发了火电机组顶尖峰意愿，有效缓解了供暖期顶尖峰困难。

东北电网尖峰旋转备用市场的成功实践，为其他地区提供了宝贵经验。其统一市场管理模式、灵活的价格调整机制以及对实际运行问题的针对性解决措施，都值得在全国范围内推广借鉴。

（二）浙江电力辅助服务市场（引入第三方独立主体）

浙江省在电力辅助服务市场建设中，创新性地引入第三方独立主体参与旋转备用市场交易，这在国内尚属首次。为推进浙江省电力辅助服务市场建设，浙江能源监管办根据相关政策精神，制定了《浙江省第三方独立主体参与电力辅助服务市场交易试点方案》，并于 2021 年 8 月 3 日至 5 日首次开展试运行，本次交易试点的辅助服务品种为旋转备用。

参与本次试点申报的共有 25 家第三方独立主体，包括 21 家电力用户和电动汽车公司、省铁塔公司等 4 家负荷聚合商，累计可调资源量达 17.81 万千瓦。市场按照 “调用成本最低” 原则完成出清，最高出清旋转备用容量总和为 10 万千瓦，出清单价 15 元 / 兆瓦时。在电网用电负荷高峰时段，中标的第三方独立主体与浙江发电资源共同承担系统旋转备用服务义务，保障了电网运行安全。

经初步测算，本次交易后可适当提升机组负荷率，连续三日有效减少燃煤机组发电煤耗约 160 吨、降低碳排放约 330 吨。同时，本次交易试点所产生的费用在季度清算时纳入华东区域 “两个细则” 进行分摊。

浙江电力辅助服务市场引入第三方独立主体参与旋转备用交易，有效缓解了电网备用紧张情况，优化了电力资源配置，提升了电网安全稳定运行水平。其创新的市场主体引入机制，为电力辅助服务市场注入了新的活力，推动了源网荷储灵活高效互动的新型电力系统建设，为其他地区探索多元化市场主体参与电力辅助服务市场提供了有益参考。

五、旋转备用市场出清模型的优化方向与面临挑战

（一）优化方向

融合多源数据与人工智能技术：随着电力系统数字化转型的加速，大量的运行数据、气象数据、市场数据等不断产生。未来的旋转备用市场出清模型应充分融合这些多源数据，利用人工智能技术，如机器学习、深度学习算法，对系统负荷、新能源发电进行更精准的预测，提高模型对不确定性因素的处理能力。例如，通过深度学习算法对历史负荷数据和气象数据进行分析，建立负荷预测模型，可有效降低负荷预测误差，为旋转备用容量的合理确定提供更可靠依据。

拓展市场主体参与范围与交易品种：进一步拓展市场主体参与范围，鼓励更多类型的分布式能源、虚拟电厂等参与旋转备用市场。同时，丰富交易品种，除传统的旋转备用容量交易外，探索开展旋转备用响应速度、持续时间等差异化交易，满足不同系统运行需求。例如，虚拟电厂通过整合分布式电源、储能和可调节负荷资源，以一个整体参与旋转备用市场，可提高分布式资源的利用效率，增强系统灵活性。

加强与其他电力市场的协同：旋转备用市场应与电能量市场、调频市场、调峰市场等加强协同。建立联合出清机制，综合考虑不同市场的需求与资源配置，实现电力市场整体效益最优。例如，在电能量市场与旋转备用市场联合出清中，可避免资源的重复配置，降低系统运行成本，提高市场运行效率。

（二）面临挑战

市场机制不完善：目前，部分地区旋转备用市场机制仍存在诸多不完善之处。市场规则不够清晰明确，导致市场参与者在申报报价、交易流程等方面存在困惑，影响市场活跃度。例如，在一些地区，对市场参与者的准入门槛设置不合理，过高的门槛限制了部分潜在参与者进入市场，降低了市场竞争程度。此外，市场监管体系不健全，存在市场操纵、不公平竞争等风险，如个别大型发电企业可能凭借市场势力操纵旋转备用市场价格，损害其他参与者利益和市场公平性。

技术支撑不足：构建高效准确的旋转备用市场出清模型需要强大的技术支撑。然而，当前电力系统仿真技术、数据通信技术以及计算能力等方面仍存在不足。一方面，电力系统仿真模型难以精确模拟复杂多变的系统运行状态，特别是在新能源高比例接入、分布式能源广泛应用的情况下，模型的准确性和可靠性面临挑战。另一方面，海量数据的快速传输与处理对数据通信技术和计算能力提出了更高要求，现有技术在数据传输速度、计算效率等方面尚不能完全满足需求，导致市场出清计算时间过长，影响市场运行效率。

新能源接入带来的复杂性：随着新能源发电在电力系统中占比的不断提高，其间歇性、波动性特点给旋转备用市场出清模型带来了极大挑战。新能源发电功率的不确定性使得系统对旋转备用容量的需求更加复杂多变，难以准确预测。例如，在多云天气下，太阳能发电功率可能在短时间内大幅波动，传统的旋转备用容量预测方法难以适应这种快速变化的情况。此外，新能源发电的大规模接入还可能影响电力系统的潮流分布、电压稳定性等，进一步增加了旋转备用市场出清模型考虑约束条件的复杂性。