碳-电-证市场耦合环境下灵活性调节资源的综合价值发现理论与方法

郑亚先 中国电科院电力自动化所电力市场室副主任

(相关资料图)

很高兴受华北电动大学邀请今天跟大家一起来分享关于电力市场与碳市场和绿证市场之间的一些耦合关系，在这种环境下灵活性调节资源的收益回报以及价值如何来衡量这么一个主题，我交流分享的题目是“碳、电、证市场耦合环境下灵活调节资源的综合价值发现理论与方法”。

第一部分，双碳目标带来的电力系统运行需求。

大家都知道，现在我们国家的双碳的目标以及在双碳目标下电力系统正朝着新型电力系统发展，新能源的装机和发展它是快速上升的，逐步将成为整个的电力系统中的主体电源。在这种环境下，还没真正成为电量主体的时候，现在的环境下，电力系统电力和电量的平衡已经面临了保新能源消纳所谓的“保消纳”和保电力负荷供电的“保供电”的这么双重挑战。

之所以有这个现象，也是因为我们说的具有随机性、波动性和间歇性特点的新能源快速发展，对调节能力需求其实是越来越高了。与此同时，我们传统的以前依靠火电资源就是主力调节资源，因为具有高碳属性，整个装机规模受限，导致供应和需求之间的缺口越来越大，这时候我们需要更多的包括储能、电氢、可调节负荷等等在内的具有一些典型特征，就是低碳属性，具有一定的调节范围、调节速度和持续时间的新型的灵活性调节资源来参与电力系统的平衡。

这几张图也可以看到，新能源进来之后电力系统的对于灵魂调节资源的需求，这张是大家所说的设置的调峰需求，也就是在同一日不同时间点上负荷有高有低，橙色曲线是原来负荷高和低的位置，蓝色曲线是考虑了风、光新能源之后它的净负荷，很显著地看到他们经常说的叫压制曲线，现在不叫压制曲线，叫峡谷曲线。

这个也是某个省的一个典型的曲线，左边是供热期的，右边是6月份某一天的数据，都可以看到，净负荷的最低点和最高点之间相差了2200多万，所有机组的最大出力点、最小出力也只有2200多万，还要检修、正负备用等等，很显然可以看到，在这一天里边，我们是没办法同时满足最低点和最高点要求的，所以保消纳和保供应是难以同时完成的，这时候要么就是削减新能源的消纳、要么就是通过需求响应的手段削减负荷的供应，只能二者选其一。

这是在同一天里边的风电和光伏在15分钟出力波动的曲线，不考虑它的高峰和低谷，它每个时间点上都有很大的随机波动，这还是15分钟一个采集点的，把它放到5秒、6秒AGC控制的秒级的话，这个波动就更大了。这些实际都是需要通过灵活调节资源提供的能力来调节它。

另外，风电像光伏还有比较典型的间歇性，左边这张图是风电在一个比较长的时间尺度上，可能是10天左右、8天左右，高的时候能够供应到900多万的功率，低的时候可能只有20万左右可靠供应的能力。但是负荷高峰的点，不能是高峰的时候是900多万，在其他高峰点上没法供应了。所以这是间歇性，当然右边的光伏会好一些，没有这么长时间的间歇性。所以风光的装机容量和它的可靠供应容量之间有一个巨大的差异。比例高了之后只靠新能源，在负荷高峰点的供应显然也是一个比较麻烦的事。这三方面分别对应了我们说的调峰、调频和容量的需求，我们的灵活调节资源都可以在其中发挥更多的作用。

第二部分，灵活调节资源的多维度综合价值。

第一，灵活性调节资源可以在电力系统运行的多个方面贡献安全价值。

第一类，就是刚才的第一张图里面，它的波形特征就是有高、有低峰谷特征的波动性。这个波动性，很多典型的，比如一些能量型的储能可以提供两小时左右充放电时间的储能，包括一些电氢等等，都可以为这种波动性提供功率大幅度的调节，这个需求是功率大幅度调节，这些能量型储能和电芯都可以提供相应的能力。

第二类，对于刚才说的那些毛刺，在秒级之间有比较大的跳动或者随机特性的，这些毛刺对调频的需求。它需要提供的能力是，功率小幅度但是非常快速的调节，像有些容量比较小的功率型的储能，就是放电时间不太长的，可能有的就是几分钟、十几分钟的，包括电芯，都可以来提供功率的小幅度快速调节。

第三类，间歇性。应对新能源，有短、有长，短的实际就是持续一天以内的，很多储能都可以提供的，对于长时间的，比如连续好几天的无风、无光或者风光低功率运行的话，只有长时储能能够提供相应的供应，否则在一天你的放电就放完了、没有再进行充电，因为风光固定运行，你没有进行充电，没有办法再持续提供第二天、第三天负荷高峰的供应，这时候实际上需要的是长时储能来提供容量的支撑。

第二，除了安全价值，灵活调节资源实际还贡献了清洁、低碳多方面的综合价值。刚才说的都是电力系统安全供应，为什么这么说呢？因为灵活调节资源在电力平衡中提高了新能源的消纳叫，提高了新能源消纳实际是新能源企业获得了更多的绿证，为新能源企业带来绿色证书的收益，它贡献了清洁化的价值，是做了一些贡献的。另外，因为减少了高碳火电机组，无论是燃煤、还是燃气，实际减少了他们的发电量，为全社会带来了碳排放水平降低的效益，也贡献了低碳化的价值。

贡献了这些价值，实际从收益回报来看是不是都获得了相应的回报呢？回报渠道来看，电力的安全供应价值是通过电力市场来实现收益回报的。清洁化的价值，也就是所谓的绿色等等这种清洁化的价值，目前来看是通过绿色证书市场来获得回报的。低碳化的价值，现在我们建立了碳排放权交易的市场，通过这个市场获得相应回报。

目前来看，安全供应的价值，在电力市场中灵魂调节资源只获得了部分收益回报，比如部分地方建立了调频的市场，对调频辅助服务获得了一定回报渠道。至于调峰，电力市场价差相对比较低的情况，现货市场运行从调峰方面其实没有办法获得比较好的收益预期，容量大部分地方都还没有建立相应的回报渠道。

对于绿色证书市场来看，因为灵活调节资源做了贡献，但是从绿证市场和碳排放权市场，它都不是参与主体，也没有办法获得所做出这部分贡献相应的共享机制，就是他没有办法获得这块收益，是间接帮助别人获得了这个收益，但是自己并没有办法获得相应的价值回报。

从这几点考虑来看，我们想激励灵活调节资源建设，实际需要我们对碳市场、绿证市场和电力市场的整个市场机制设计做更好的完善和改进，来激励这些主体投资与建设。

想对这些市场进行设计和改进，其中一个非常重要的支撑作用就是，因为想评价它收益回报的效果，就是看它的贡献和它的这个收益是否匹配。贡献怎么看？这就是我们它的综合价值。

第三部分，综合价值发现的理论的方法。

我们怎么样来评测一下灵活调节资源贡献的价值？其实想做这个事有一定难度，因为我们想评价一个事情的价值，其实电力市场已经做了一些实践，也就是说对于灵活调节资源在电力安全供应方面的价值是通过它的边际效用来表征的。我们比较熟悉的，比如搞节点电价的现货市场，在电能市场里边，用节点电价，就是说增加一个这个当月的功率能获得多少效益的提升来表征它的价值和贡献。对于清洁化的价值和低碳化的价值，目前还没有一个比较好的表征方法。

还有一个比较麻烦，做这个事的时候，只开一个电力市场相对是比较单纯的，但是我们有一部分市场主体是在绿证市场、碳市场、电力市场中都存在的。这个电力市场和绿色证书市场与碳市场之间存在相互关联的影响关系，比如市场主体在碳市场中购买了碳的排放权，它相应的成本会在电力市场的报价中叠加进去，在电力市场的报价中体现，在市场的出清价格中也会间接传导进去，很多时候这个关系是双向的，所以我们想对它的价值进行发现的话，实际要考虑这个之间耦合的关联影响关系。

另外一点，我们想评价它的一个价值，灵活调节资源的价值实际不是一成不变的东西，会随着每天运行的形态和时间变化，在不同的供需场景、报价行为下等等它是变化的，所以我们要在构建比较长的预见期下，一个比较充分的能表征我们整个价值发现的一套完整场景，也就是我们说的可信的、完备的场景，来作为定量评估的一个基础，这块实际也是需要我们在考虑或者研究中予以体现的，也就是说最起码要涵盖通常见到的正常的运行场景，以及各种的极热无风、极寒无光、高温无冰等等这种极端型场景，以及各种市场主体的组合行为、合谋行为、单独竞价行为等等，这些竞价行为都体现进去来做价值发现的评估。

基于这些考虑我们也设计了价值发现的一套方法，包含四块内容。

第一个内容，解决刚才提到的，我们怎么来刻画灵活调节资源的多维度价值。我们考虑了一种方法，就是借鉴电力市场定价的理论，也就是采用边际效应的定价理论。我们把价值的表征维度，从单纯的安全供应价值，进一步拓展出来清洁化的价值、低碳化的价值，这样能够提出一套聚集安全、清洁、低碳多个维度的灵活性调节资源综合价值发现的理论。

针对我们要怎么来验证我们价值发现方法的有效性，因为大家说发现出来的价值或者计算出来的定量出来的价值是不是真的能表征或者评估未来实际的情况，也是我们考虑到灵活调节资源的综合价值，和整个电力系统或者电网中的源网荷的物理运行状态，以及供需主体报价、决策之间具有强关联识辨的特征，用两个方面的工作来解决这个问题。

首先，用一套能够表征长预见期下可信的、完备的整个电网运行场景的构架方法。另外，提出一套基于碳、电、证市场的市场成员博弈行为表征的方法。有了这两个方法，我们就把电网运行供需的场景以及市场成员博弈的场景予以表征，作为整个基于碳、电、证价值发现的数据技术。

在这三个方面的基础上，最终结合新能源、火电、灵活调节资源一些典型的配置场景来计算形成典型场景下的灵活调节资源综合价值的量化值，以及它的概率分布。有了这些数值，给碳、电、证市场机制设计提供参考。

内容1，碳、电、证市场耦合灵活性调节资源多维度价值表征方法。

怎么来表征呢？

这里边只是一些初步思考，具体工作还在继续往前推进中，会结合实际的情况，因为现在还相对理论化，我们会结合实际计算出来的数据来验证我们现在提的这个方法和理论。

我们考虑把碳市场和证书市场，因为这两个市场实际都是跟电力市场之间的关联，并没有考虑碳市场和证市场的关联，实际电力市场是站在中间的，把碳市场和证市场的目标约束做处理，与电力市场建立一个独立的计算模型。这样我们就可以把针对灵活调节资源一些个体级的约束对偶乘子，用各类型的对偶乘子来刻画灵活调节资源可行域的边际效用。基于能表征低碳、清洁的这些边际效用的对偶乘子，把它形成低碳的价值和清洁的价值。思路上，跟我们说的电力市场安全供应价值的看法是有点类似的，但这里边对于低碳和经济价值用的是个体级的约束，这块有些差异。

内容2，支撑综合价值发现的物理运行数据场景构建方法。

这里包含了三个部分：

第一部分，形成单时段的静态的场景级。静态场景级，包括电网运行里边涵盖的风、光、火电各种电源以及典型的负荷场景，形成正常情况下基础的静态场景的数据集。在这基础上，采用一些场景升维的方式，把一些我们刚才提到的更多的出现概率比较低的、但是影响比较大的极端运行场景叠加进去，叠加之后形成涵盖基础场景和极端场景的完整场景集。

在这个基础上又采用差异性导向函数、自相关因子这些方式，把这些场景之间进行场景关联，形成一个连续性的场景，因为我们实际做评测的时候，现在考虑的是用这种一天接着一天的模拟方式开展的，前后之间的衔接是需要考虑的，包括风电、光伏这些供应能力很多时候是跨天的，所以从一个天气状况转到另外一个天气状况之间是有一些转移概率的，所以我们在这里形成了天跟天之间连接之后的一个序列化的场景。

内容3，支撑综合价值发现的市场成员报价行为模拟方法。

就是市场成员报价博弈行为的模拟。这个博弈行为模拟包含两方面的内容，一是整个市场成员的报价行为一开始考虑的是它最终能达到什么样的均衡状态，也就是说用这种博弈均衡的方式来做处理，但是其实在使用过程中就发现，这种博弈均衡的方式只能做一些小节点的模拟或者理论化的验证，数量多了之后，计算性包括计算能力跟不上，也没办法做省级规模大的模拟。

我们用了决策行为演化模拟，就是类似于基于强化学习的智能体多代理的算法。多代理的这个算法又存在一个问题，因为我是基于前一天的结果或者历史的结果不断学习、然后再演化模拟市场的报价行为，这是一种报价行为的模拟，我不知道它不是真正达到了市场均衡的状态，也不知道它什么时候到了这个均衡点，所以我把这两种方式做了一个结合，提出了基于互补松弛条件变形，实现了中间博弈均衡的模型向多个可并行的数学优化模型的等价转换，也采用单步对角迭代的方式进行均衡点的检测，这样就可以对多智能体的这个报价博弈行为是否达到均衡状态做一个判定，判定之后就知道了这次报价模拟结果就可用了，这样达到有效的报价行为的表征。

内容4，实例验证分析。

有了价值发现的理论，也有了未来很长一段时间供需场景的生成相对是可信的、完备的，也有了市场成员博弈行为和报价模拟的表征，我们预期构建一个涵盖风、光等不同类型新能源波动特性，也考虑储能、电芯、可调节负荷等不同类型灵活调节资源的这种特性，构建一个具有差异化负荷峰谷特性的验证场景。

送端电网，我们考虑来验证大规模接入的风、光资源，这时候给它配置储能、电氢这些灵活调节资源，在这种场景下灵活调节资源的综合价值。售端电网，我们预期来验证，更多时候验证的是分布式的新能源接入，配置可调节负荷这种场景下灵活调节资源的综合价值。

验证完之后我们考虑的应用场景是两个方面：一是给市场机制设计者提供灵活调节资源分时段价值曲线的定调表征，也就是不同时间点上贡献的价值是什么样的水平，这样做市场规则设计的时候来进行考虑，这个综合价值里边是包括几个维度的，低碳、清洁、安全供应的价值，对应着我们三个市场的设计，收益回报是否充足，这个时候来调整我们市场的设计，来做一个辅助支撑。另外，也可以考虑结合市场运行之后或者市场运行之前的数据，来做分时价值概率分布的表征。因为未来是存在不确定性的，我们可以形成一个具有多少概率水平下或者多少执行度水平下它能获得的综合价值，给市场成员一些投资前的前景评估做一个参考。

第四部分，激励灵活调节资源的市场机制设计。

有了这个价值发现，我们应该对市场机制设计的时候做一些改进或者做一些完善，我们预期的是给灵活调节资源建立和它实际的贡献相匹配的市场收益回报，这个时候我们需要一个能激励灵活调节资源的市场机制设计。这里面也是含三块：

第一块，电力市场方面。只是举一个例子，比如电能量市场已经建立了，有一些省已经具有一些储能的资源了，储能现在除了参与调频之外对于电能量现货市场是不是能参与进去。如果它能参与进去，因为现在峰谷价差跟储能的成本特性之间其实还不是完全匹配，储能是一个充放电循环，它的成本是很容易核算出来的，如果让它参与电能量市场，是不是需要考虑跟它的成本特性相关联，给它一个适合储能的参与方式或者报价方式，以及相应的出清机制。如果参与调频市场，是不是应该给它一个跟储能的调节能力、调节速度、调节性能相匹配的，要不要单独分快速信号和慢速信号的调频市场。这些怎么考虑、怎么设计？实际就需要我们验证，做验证的基础，首先它的价值我们衡量策划出来，市场规则设计也可以给它设计出来这做模拟推演，两个比对一下，这个机制是不是能体现它的允许价值、收益回报，这就是市场设计改进的参考。

另外，对于绿色证书市场，我们刚才提到的，储能客观上提高了清洁能源的消纳，它是没有办法获得相应的收益回报渠道的，就是它贡献了价值，为什么说贡献价值就要获得回报呢？因为现在我们对于新能源或者清洁能源，除了电力商品之外还给它赋予了新的标签，也就是绿色价值，既然有这个绿色价值标签，它跟别的电力是不一样的，能够单独获得这个价值。在电力市场里，为了消纳新能源等等，我们市场设计的时候要给这些主体以相应的激励，绿建的市场里边是不是也应该同样考虑这个事情。比如说我们是采用回馈绿证的方式让它参与绿证市场获得收益、回收收益，还是说直接回馈一定比例的绿证收益的增长，到底哪种好、哪种合适？其实也可以通过市场设计的推演和价值评测做一个比对，来作为设计的参考。

比如碳排放权市场也是同样的，是不是应该回馈一定比例减碳的效益，分配比例到底多少比较合适，包括跟我们后面的碳排放权要不要到用户侧，都是有一定关联性的，这些实际也都是一些比较重要的设计要素，这些要素都可以通过我们做一整套的联合模拟推演来进行验证，并且通过定量、测算之后的数据给规则设计做一个真真切切的比较好做决策的定量化的支撑。

我今天交流分享就到这里，谢谢大家！

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