0 引言
在能源危机和环境污染等问题日益凸显的大环境下，加快可再生能源发展，形成以高比例可再生能源为主的能源供应体系已成为国际社会的共识。国际能源署（International Energy Agency,IEA）发布的《2020世界能源展望》指出，未来10年全球电力需求增量的80%将由可再生能源来满足。中国2060年实现“碳中和”目标的提出也决定了我国未来将进一步大力发展风电、光伏等可再生能源，持续推动电力系统清洁低碳转型。预计到2050年，我国可再生能源装机容量占比将达到60%[1]。可再生能源大规模接入电网是未来电力系统发展的必然趋势[2]。与此同时，可再生能源出力的随机性、间歇性和波动性对电力系统的灵活调节能力提出了更高的要求。此外，“十四五”期间，全国电力负荷峰谷差将逐年提升，现有的灵活性资源建设模式和速度难以适应高比例可再生能源的接入需求。
为了适应能源转型的需求，需要加快建设灵活性资源，实现与可再生能源的互补运行。具体来说，在可再生能源出力高的时段，灵活性资源需能够为其让出足够的发电空间；在可再生能源出力低的时段，灵活性资源需能够弥补其出力不足。目前，我国电力系统灵活调节主要依靠传统发电资源，但其能够提供的灵活性有限，且调节成本较高。需要寻找新的灵活调节资源，探寻其应用方式与实施路径，以进一步促进可再生能源的消纳。
2015年3月，中共中央国务院下发《关于进一步深化电力体制改革的若干意见》，提出逐步完善电价机制，构建多元化电力市场体系，同时积极发展分布式能源，提升需求侧管理水平。在推进电力体制改革方面，国家发展和改革委员会于2015年11月印发《关于印发电力体制改革配套文件的通知》（发改经体[2015]2752号），其中《关于推进售电侧改革的实施意见》提出逐步开放售电服务，采取引入竞争的方式完善电力市场运行机制。目前，我国正处于电力体制改革的关键时期，如何通过合理的市场调节手段，挖掘潜在的灵活性资源，提高电力系统灵活性，实现多个主体之间的协调优化，从而促进可再生能源消纳，是我国推进电力体制改革的重要研究内容之一[3]。
基于此，本文研究可参与调节系统灵活性的资源种类与其适应现货市场发展阶段的市场参与方式，以期对我国电力市场发展提供参考。
1 灵活爬坡产品
1.1 电力系统灵活性概述
20世纪90年代，加拿大学者Billinton等人将灵活性的概念引入电力系统领域[4]。由于当时的电源结构以“水–火–核”为主，出力相对可控，该问题并未获得太多重视。近年来，随着可再生能源相关技术的迅速发展，其大规模并网对于电力系统安全、稳定、高效运行的影响愈加不可忽视。2008年，在日本举行的G8峰会上，IEA将电力系统灵活性定义为系统能够可靠、灵活地响应系统供需两侧出现的较大功率波动的能力。即电力供应随着需求的减少而减少，随需求的增加而增加[5]。2009年，北美电力可靠性协会（North American Electric Reliability,NERC）发布专题报告[6]，认为灵活性侧重在电力系统运行中，能使用各种资源跟踪负荷变化的能力。此后，电力系统灵活性的概念逐渐深入人心，受到学术界广泛关注。
由于其相关研究兴起较晚，电力系统灵活性在学术界尚未有公认的定义。各相关机构及研究文献出于不同的角度立场，对电力系统灵活性的理解均有不同。文献[7]将其定义为系统部署自身资源，以满足间歇性可再生能源发电出力与系统实际负荷之差变化的能力。文献[8,9]认为电力系统灵活性是在考虑机组运行等必要约束的前提下，电力系统快速而有效地响应电网功率变化、控制关键运行参数，维持系统可靠性的能力。文献[10]提出电力系统灵活性是一个相对的概念，即在外界条件相同的情况下，灵活性更高的系统可以消纳更多可再生能源出力。文献[11]则认为电力系统灵活性体现系统运行的经济性、低碳性及可再生能源利用率等多方面。
保持供需平衡是电力系统的本质属性，任何电力系统的固有调节能力都可以在一定程度上应对供需两侧变化，即电力系统都具有灵活性。然而，电力系统灵活性的水平与其可调度资源水平、区域互联水平、市场策略、电网强度等因素息息相关。当净负荷波动过大，超出系统的可调度范围，则有必要对系统进行灵活性资源改造或通过市场手段来提升系统的灵活性。
1.2 电力系统灵活性提升措施
随着负荷种类的增加和间歇性可再生能源的大量并网，灵活性成为衡量电力系统运行特性不可或缺的重要指标。在电力系统实际运行中，通常借助传统发电机组的优化调度实现灵活性的提升。事实上，灵活性提升措施可分布在电能传输的各个环节。依据灵活性来源的不同，可归纳为以下五点[12]:
1）改善运行方式。即借助对机组组合模型和相应算法的改进，实施更加合理、灵活的运行调度方式，如提高决策频率，使决策尽量接近实时。一般来说，这是成本最低、最容易实现的提高系统灵活性的措施，仅需要利用现有的基础设施即可。此外，提高新能源预测精度同样可以提升灵活性[13]。
2）需求响应。电力需求侧分布式资源种类繁多，在电网中的接入位置和运行方式灵活，通过需求响应的方式将可调配资源纳入能源市场可增加电网的灵活性。新兴的需求响应资源包括插电式电动汽车、楼宇自动化系统等。
3）改善电网设备。输电线路局部阻塞是电网输送灵活电力的主要瓶颈，增加输电能力有助于平衡区域内及区域间的电力输送，促进供需平衡。
4）快速调节资源。在电力系统实时运行中，联合循环机组、往复式发电机组等，具有较短的启动时间和较快的爬坡速度，可以提供系统所需的灵活性。
5）储能。大量的储能技术，如抽水蓄能电站、超大型电池组、飞轮等，可以为电网提供灵活性。但目前储能的成本仍然较高。
1.3 灵活爬坡产品基本概念
在电力系统实际运行中，供给侧资源储备（如系统的装机容量）一般足够满足负荷需求。随着可再生能源渗透率的逐渐提高，电力系统短时间内上/下坡能力不足成为制约系统安全稳定运行的主要因素之一[12]。传统的辅助服务中，调频辅助服务致力于处理短期负荷的预测误差，而备用辅助服务主要应对机组非计划停运等偶发性事故，对于如何解决灵活调节资源短缺问题则暂无相应对策[3]。基于此，美国加州独立系统运行机构（CAISO）和中部独立系统运行机构（MISO）提出了灵活爬坡产品（flexible ramping products,FRPs）的概念[13]。FRPs的含义是电力系统中的可控资源在给定响应时间内的上/下坡能力，是一种新型的辅助服务交易品种。考虑到负荷预测与可再生能源出力预测均存在误差，应用FRPs可为系统在本时段内留出足够的爬坡/滑坡裕度，确保在可再生能源大量接入的情况下，系统可调出力满足下一时段的供给需求，从而可以在误差较大时及时调节出力，维持系统的实时平衡[3]。
FRPs的单位为MW/min,CAISO与MISO将柔性向上爬坡能力和柔性向下爬坡能力这两个市场设计变量引入原有的调度模型中，并增加了预先设定的爬坡需求约束以保证获得系统所需的爬坡容量。FRPs的引入有助于更好地管理系统中可调度资源的爬坡容量，并能为爬坡容量提供经济信号[14]。
从电力系统灵活性提升措施来说，FRPs属于改善系统运行方式。实施FRPs不需要投入新的电网设备或设施，且其购买价格较低，是一种较为经济的系统灵活性提升措施。作为一种新的辅助服务交易品种，FRPs能够满足实时调度过程中两个时段间的净负荷变化，提高了系统运行的灵活性。
1.4 灵活爬坡产品与传统辅助服务的区别
就其定义而言，FRPs与传统辅助服务（调频、备用）的区别[15]。
FRPs的引入弥补了长久以来关于灵活调节资源市场交易机制的缺乏，理清了调频和备用等辅助服务与FRPs的职责范围，已在国外电力市场中得到了初步应用，如美国加州电力市场于2016年11月1日正式启用了FRPs的交易；德国于2014年在日内市场中对灵活爬坡能力进行买卖交易等。然而FRPs在国内的研究尚处于起步阶段，目前对FRPs的研究集中在以下方面：包含FRPs的机组组合与经济调度问题、FRPs对电力系统的影响、FRPs价格因素分析、FRPs市场机制设置的合理性等，对于可参与FRPs的资源及其具体参与方式的研究尚不全面。
2 灵活爬坡资源及其应用方式
间歇性可再生能源大量并网已成必然趋势。为有效应对其对电网安全稳定运行带来的冲击，减少弃风、弃光及切负荷现象，系统有必要配备充足的灵活爬坡资源。本章介绍可作为灵活爬坡产品的资源，并对其未来应用方式做出展望。
2.1 传统火电机组
在我国电力系统现有发电资源及发电容量占比中，传统火电仍是主要部分，具有成为灵活爬坡产品的较大潜力。然而，目前传统火电机组灵活性欠佳，制约其发挥灵活性的因素主要有：
1）传统火电机组深度调峰能力差，低谷时缺乏调峰手段，需停炉调峰。在实际运行中，我国纯凝机组和抽凝机组在供热期的调峰能力一般为其额定容量的50%和20%。
2）传统火电机组在深度调峰和启停调峰过程中，为保证炉内燃烧稳定充分，需在调峰过程中缓慢调整燃烧参数，延长了调峰爬坡时间，导致锅炉调峰灵活性下降。
《电力发展“十三五”规划（2016–2020年）》明确指出全面推动煤电机组灵活性改造，加快推动火电灵活性改造示范及推广应用。基于此，已有研究就火电灵活性提升的可行方案及其重难点展开[16]。文献[17]构建考虑火电机组灵活性改造的电力系统长期调度模型，求解最优火电机组投资决策及电力系统长期调度决策。文献[18]进一步考虑风电出力随机性和爬坡时间等极限场景，建立火电机组灵活性改造规划模型。
2.2 微电网
微电网被认为是未来大规模可再生能源接入的有效组织形式[19]，其运行具有自平衡和自调度的特性，可以实现局部能量平衡，不存在长距离输电带来的电能和经济损失及输电堵塞的问题。且其投资成本低，污染物排放低，操作灵活性高。可以预见，未来微电网将在提高系统正常运行时的灵活性，以及紧急状态时的系统韧性方面发挥重要作用。
在微电网的概念中，负荷和分布式能源作为独立可控设备运行[20]。利用不同能量源之间的协同作用，可再生发电机组可与可控能源共同为大容量电力系统提供能源和辅助服务[21]。例如，风电场独立运行时，为留出给系统提供爬坡服务的余量，必须偏离其最大出力状态；但在微电网中，风电场可以通过给储能充电来保留爬坡裕度，从而得以保持其最大输出功率。
2.3 电动汽车
随着环境问题的恶化和相关技术的发展，电动汽车的大规模普及已成必然趋势。电动汽车作为负荷具有其特殊性：充放电时间、地点及电量均在一定程度上可控。因此，通过需求响应等方式合理利用，可以起到提高电力系统灵活性和可靠性的作用[22]。电动汽车可通过G2V(grid-to-vehicle）、V2G(vehicle-to-grid）、V2B(vehicle-to-building）等方式给电网提供灵活性[23]。然而，电动汽车频繁充放电会对电池容量和电池成本有较高要求，且会对电池寿命产生影响，这是制约其为电网提供灵活性能的核心问题。
与运行备用不同，灵活爬坡产品可以集成在实时调度中，即在5～10 min的时间范围内得到应用，从而可以减少对电动汽车电池容量的限制。此外，电动汽车作为灵活爬坡产品参与电网调度，与参与频率调节相比，将不必频繁地充放电，而其快速爬坡的能力仍在电力市场中具有一定价值[22]。
2.4 需求响应
随着能源互联网的发展，电力系统运营方和用电方可以实现信息的实时、双向互动，用户可以根据收到的信息主动改变用电行为，因此需求侧资源在调节电力系统运行中发挥的作用越发不可忽视。尤其是能够灵活参与电力系统运行的需求响应，如电动汽车、智能恒温控制设备等，若应用得当，可作为有力的灵活爬坡资源参与调度。
目前我国已有电动汽车参与需求响应的试点工程，但仅在初步尝试阶段，其具体实行方式还需进一步探索。此外，需求响应的开展需要成本，且其应用过程中需重视对需求侧响应特性的挖掘分析。因此制定政策者需充分掌握用户的用电习惯特性，才能合理规划激励措施，以达到电网侧与用户侧的“双赢”。
2.5 储能
相对于常规机组而言，储能具有以下几个主要特点[24]:
1）储能充放电速度快，储能系统的响应时间均在秒级至毫秒级，同时，储能变流器作为电力电子元件，其响应时间也在毫秒级；而常规机组爬坡率有限。
2）储能既可作为电源也可作为负荷，相同额定功率的储能较常规机组具有更大的出力范围。
3）储能机组启停能力较强。
基于此，储能参与日前和实时市场的自动发电控制策略及相关机制逐渐得到关注[25,26]。然而，目前储能电站的投资成本依然较高，而由于技术尚不成熟、造价偏高等原因，储能也难以满足大容量系统的功率需求。将储能作为可利用的灵活爬坡资源，需要考虑常规能源能量和价格优势及储能的灵活性优势，根据系统需要合理配置[27,28,29]。
2.6 新能源（以风电为例）
新能源的不确定性是给电网带来安全隐患的重要因素，但新能源也是一种潜在的灵活爬坡产品。以风电为例，风机可以采用电力电子设备和前沿控制技术，迅速调整其有功功率输出。然而，一方面，从物理角度，风电的可用性是不确定的，因此风电提供灵活爬坡的能力受到其实际发电能力的限制，无法精确预测；另一方面，从经济角度，要提供向上的灵活爬坡，风机必须偏离其最大出力状态，留有一定的裕度。此外，风电作为灵活爬坡产品可能导致进一步的弃风现象，得不偿失。综上所述，风电作为灵活爬坡产品的机会成本相对较高。
然而，应用风电的灵活调节能力可以减少其他更为昂贵的灵活爬坡产品的使用，且在风能富足的地区可以得到经济、广泛地利用，此时风电作为灵活爬坡产品是有利的。若需将风电作为灵活爬坡产品，首先需提高预测的精度，其次要建立合理的决策模型，如果电力系统的运行成本得到降低，灵活性提升的同时，风电场也可以得到合理补偿，没有带来社会福利的负面影响，才是从经济、社会角度都合理可行的。
3 适应电力市场发展阶段的灵活爬坡产品实施路径探讨
FRPs可应对短时间净负荷的变化，满足由可再生能源和负荷的不确定性所带来的灵活性需求，国外电力市场将其作为一种新型的辅助服务交易品种参与电力市场[30]。
现阶段，我国电力现货市场尚处于部分地区试点阶段[31,32]。我国电力市场包括电能量市场和辅助服务市场：电能量市场包括中长期电能量市场和现货电能量市场；辅助服务市场主要包括调峰、调频和备用辅助服务市场[33]。除了部分电网开展了备用、调频辅助服务市场与现货市场试点联合运行，辅助服务仍然按照“两个细则”，采用现行的调用规则和补偿机制。
根据电力现货市场和辅助服务市场的不同发展阶段，电网需要考虑提供灵活爬坡产品的灵活性资源类型和参与市场的具体方式。同时，由于FRPs属于有功辅助服务，与电能量存在一定耦合关系，因此FRPs引入电力市场时需要考虑其与电能量市场的耦合性。我国现货市场和辅助服务市场尚未成熟，且各区域电力市场发展程度不一，引入灵活爬坡产品需要根据各区域电网市场发展阶段和区域灵活性资源情况设计合适的实施路径。
3.1 电力市场发展阶段
按照电力现货市场和辅助服务市场的发展进度，电力市场建设大致分为3个阶段[33,34,35,36]。
第一阶段，在电力现货市场建设初期，现货市场处于试点阶段，相关配套政策不完善；辅助服务市场尚未成熟，FRPs也处于试验阶段，参与市场的灵活性资源类型有限。
第二阶段，现货市场不断发展，相关政策不断完善，市场化程度加深；辅助服务类型增多，参与市场的灵活性资源逐渐丰富；跨省跨区域市场逐渐形成。
第三阶段，现货市场和辅助服务市场处于成熟阶段，配套政策完善，市场主体多样化；跨省跨区域市场形成。
3.2 灵活性资源参与类型
第一阶段，参与市场的灵活性资源类型有限，FRPs处于试验阶段，可只考虑具有一定灵活性的传统机组提供FRPs。
第二阶段，根据地区灵活性资源类型，考虑增加电动汽车、需求响应、电-气联合系统等技术较为成熟的非传统灵活性资源提供FRPs。
第三阶段，结合灵活性资源的成本和技术发展情况，考虑增加微电网、储能、新能源等灵活性资源提供FRPs。
3.3 灵活爬坡产品参与方式
3.3.1 第一阶段
在电力现货市场建设初期，参与市场的灵活性资源类型有限，FRPs的市场供应不够充足，因此难以开展短期的集中竞争市场。从系统安全性的角度考虑，灵活性资源可通过以下方式提供灵活爬坡服务：
1）调度计划。
在将灵活爬坡产品引入市场之前，电网可通过调度计划的方式对愿意提供灵活爬坡服务的灵活性资源进行调度。首先，电网根据预测等手段确定电网的灵活性缺额；然后，综合考虑经济成本、地理位置和资源容量等因素形成区域内灵活性资源调度计划；调度计划形成后，灵活性资源按调度计划在计划时间为电网预留足够爬坡容量；按计划执行后，灵活性资源根据实际预留爬坡能力和实际调用爬坡能力获得经济补偿。
2）中长期市场。
灵活性资源可参与中长期市场，通过集中竞价、签订中长期合同的方式提供FRPs。比如，由运营中心组织中长期市场集中竞价，通过协商确定灵活爬坡产品的容量和价格，灵活性资源按合同预留容量，事后灵活性资源按照合同获取相应经济补偿[34]。
3）双边协商。
灵活性资源也可与灵活性不足的机组进行双边协商，签订双边合同。按照合同为灵活性不足的机组预留灵活爬坡容量，提供FRPs，并按照合同获取经济收益。
3.3.2 第二阶段
这一阶段，现货市场和辅助服务市场仍未成熟，可暂时不考虑电能量和辅助服务市场联合运行。我国各省市在建设电力市场的过程中，充分考虑各电力市场成熟度和技术可行性等因素，按照实际需求确定是否考虑电能量和辅助服务市场联合运行。
由于FRPs供应相对充足，电网可针对灵活爬坡服务开展日前和实时的辅助服务市场。灵活性资源参与辅助服务市场竞价，确定灵活性资源的灵活爬坡容量和价格；灵活性资源按竞价结果为电网预留足够爬坡容量；电网根据实际情况按竞价结果向其支付一定经济补偿。
3.3.3 第三阶段
基于成熟的现货市场，电力市场采用电能量市场和辅助服务市场联合运行的方式实现社会效益最大化。在联合运行的模式下，FRPs的价格和中标量通过电能量市场和辅助服务市场联合出清得到，该价格反映了灵活性资源提供FRPs的机会成本[15]。由于FRPs的价格完全通过市场来确定，灵活性资源参与市场的积极性得到提升。同时，基于电力市场的发展情况，FRPs可考虑参与跨区域电力市场，将灵活性资源的作用发挥到最大值。
3.4 灵活爬坡产品的应用
由于我国电力市场发展仍不成熟，国内尚未有FRPs参与电力市场的应用实例，但国外电力市场中已有FRPs及相似辅助服务产品的应用。
1）美国。
为应对未来调度时段的灵活爬坡需求，美国加州电力市场和中部电力市场分别引入灵活爬坡产品和爬坡能力产品（ramping capacity product,RCP)[13]。CAISO和MISO都具有较为成熟的现货市场体系，采用电能量和辅助服务市场联合出清的方式，获得相应的价格和中标量。在考虑灵活爬坡产品的参与类型时，CAISO较为开放，允许发电商、电储能装置、售电商和电力用户等灵活性资源提供FRPs[34]；而MISO更加保守，不允许需求响应和储能提供灵活爬坡服务。
2）英国[37]。
英国采用需求开启产品（demand turn up,DTU）应对新能源无法完全消纳的情况。DTU参与市场的主要方式为签订双方协议。英国注重参与市场的灵活性资源的多样性，允许包括需求响应、热电联产机组和储能在内的多种灵活性资源。
3）德国[38]。
德国在日内市场交易灵活性资源的爬坡能力对日前市场的机组组合进行调整，以应对小时内的灵活爬坡需求，合约拍卖的市场为15 min市场。德国参与市场的灵活性资源有需求响应、抽水蓄能等。
经过国外电力市场的实践，FRPs及相似产品的引入能够应对可再生能源和负荷的波动性，维持电网的实时平衡；降低爬坡能力不足的风险，减少尖峰电价；提高灵活性资源的市场参与度[34]。FRPs在国外电力市场的成功应用能为我国电力市场引入FRPs的具体实施路径提供一定参考。
4 结语
随着可再生能源大量并网，电网的灵活性需求日益增加。本文首先阐述电力系统灵活性的概念和提升措施，在此基础上，介绍FRPs的基本概念，并与其他辅助服务对比，理清了其与调频、备用等辅助服务的区别。其次，本文对火电机组、微电网、电动汽车、需求响应、储能和新能源6种可调度资源的灵活性和发展现状进行总结。最后，本文梳理了现货市场和辅助服务市场的不同发展阶段，并考虑灵活性资源的成本和技术水平，提出了灵活性资源类型分阶段逐步扩充的方案和FRPs分阶段参与市场的方式，并对灵活爬坡产品在国外电力市场的应用情况进行了总结。
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