0 引言
据能源局统计，2018 年风电机组装机容量达到1.84 亿kW，发电量3 660 亿kWh，弃风电量277 亿kWh，其中新疆、甘肃和蒙古三省弃风率占全国弃风电量的84%。虽然风机并网容量和发电量在逐年提升，但仍存在弃风问题，尤其是风电资源富足地区。可见，弃风消纳问题严重制约着我国风电的发展。风电消纳已成为我国当前风电发展过程中亟需解决的问题，已有许多学者通过风电特性分析对弃风消纳产生原因进行了研究，主要原因分为三类，从新能源发电侧、输电网及系统电源容量角度进行分析，具体如下：
（1）由于风电具有随机性、间歇性、反调节性等特点，在电网中产生电压波动、电压闪变和高次谐波，以及风机启动过程中产生的冲击电流都会影响系统的安全稳定。
（2）电网输送能力有限。我国供电与需求呈逆向分布，需远距离输送，但网架结构簿弱，阻碍了风电向外输送，因此不得不弃风。
（3）调节电源稀缺，导致系统调峰能力不足。风电反调峰特性增大了系统等效负荷曲线的峰谷差，容易发生爬坡事件，需对电源进行调节，但传统的调峰机组受到机组出力约束，不能及时响应调峰指令。
因此，IEA（国际能源署）总结了风电接入可能对电力系统造成影响的理论框架，结合风电评价指标覆盖的时空尺度，得到对应各应用领域的指标体系。各个国家纷纷出台了激励风电发展的各项政策[7]以及并网要求，鼓励相关企业对新能源上网技术加大投入，从而增加新能源的装机数量并且改善风电质量。
目前，风电企业主要依靠补贴或固定上网电价维持其收益，文献表明风电使用固定上网相较于考虑价格-风相关性的电价，提高其市场价值。因此，风电补贴取消已成必然趋势，市场成为促进风电消纳重要途径。风电的预测精度及渗透率是影响市场的主要因素，文献基于风电与传统发电的发电数据，利用统计学原理，得出风电在电力市场高渗透情况下会使电价降低。文献发现在风电高渗透率、低预测精度下节点电价波动幅度会增大。文献探索了风电对辅助费用的影响，发现风电会增加辅助费用，但与其他能源联合会降低价格影响。但文献发现风电经济性主要体现在环境效益大于风电上网的附加成本。文献探讨了当风电场参与电网调频时对风电运行价值的影响，发现风电场可以通过参与调频提高电网综合风电的运行价值。随着市场机制成熟、风电技术提高，风电产业终究会进入完全竞争。
风电企业如何适应电力市场竞争改革成为亟待解决的问题。本文从政策和市场角度进行阐述分析，对现有政策展开讨论，对比各激励政策的优劣，并给政策制定者提出相关建议。然后，阐述集中式风电的电量交易、辅助调节及风险转移的市场运营模式，为风电企业参与市场竞争提供参考，有利于引导风电企业采取市场决策。同时，归纳分散式风电在市场消纳的配套机制和技术支撑。最后，总结归纳风电参与电力市场中的关键问题及展望。
1 国内外风电上网政策分析
风能作为一种可再生能源，蕴量巨大，分布范围广，其自身的环境效益和经济效益非常显著，能够缓解能源供给紧张的形势、减少发电成本、降低碳排放。因此，越来越多国家开始重视风电在全球能源结构中所占的地位，并鼓励开发风电能源，加快风电机组建设、消纳、资源配置及技术改进，推进风电在电力市场发展，具体政策如下：
（1）经济手段引导风电机组扩建。在风电建设初期，经济激励作为风电装机容量扩张最有效政治手段之一，主要有招标计划、税收减免、资金补贴、贷款优惠、固定电价、高价购买、电价补贴等[18]。鼓励风电建设，降低风电建设者投资成本，稳定风电收入，从而吸引投资者投资，增加风机装机容量，从而推动可再生能源的初步部署。在这些激励政策下风电机组容量在大规模地迅速扩张，但并未考虑到现有输送基建对风电上网的承受能力，加大弃风率，同时价格补贴影响终端电价。
（2）配额制促进风电消纳。通过以配额制作为定向指标，衍生新的交易品种，增加风电消纳的灵活性。世界上多个国家和地区将可再生能源配额制作为支持可再生能源发展的一项重要的激励政策。美国爱荷华等多个联邦州、英国、澳大利亚、日本和印度也先后引入该政策。为了保证风电能接入电网进行消纳，国家发展改革委发布了《关于实行可再生能源电力配额制》文件，配额制是对各省份消纳风电量的定向指标，将责任落实到各个电力企业（电网公司、售电公司、大用户和拥有自备电厂的企业）。不仅明确了承担配额义务的市场主体，还对各地区配额指标、核算方法、交易形式和考核要求进行相关阐述，将风电真正意义上纳入本地能源发展规划，从而引导电力规划与发电计划。绿色证书则为配额制的衍生物，绿证为风电交易的凭证，也是配额完成量的佐证。其交易有利于风电资源市场流动，给可再生资源稀缺地区提供风电交易渠道，对完成风电消纳指标多一条途径，同时解决风电富足企业弃风问题。但由文献可知配额制影响发电容量的投资，抑制风电行业发展；其次，配额分配制度及标准仍未完善，以及政府监管力度也会影响配额市场的公正性；绿色证书价格波动及有效性仍需考究完善。
（3）鼓励分布式发电，优化资源配置。《关于印发2018 能源工作指导意见通知》提出风电从大规模集中发电管理模式向分散式发供电过渡。我国风电供需呈逆向分布，依靠集中式发供电，消纳易饱和且不易远距离输送，增大发生弃风事件发生概率；建立大型风电场，建造成本高，投资资金回收周期长，不利于市场竞争。而分散小风电场可以实现就近消纳，提高当地的风电消纳率；其次，丰富市场多样性，吸引更多市场主体，引入新的交易品种，使交易方式更具有多样性；对输电网而言，降低有功网损，减少网络阻塞可能性，同时可以参与辅助市场，维护系统安全稳定。但同时由于分布式能源的渗透影响电网潮流分布、电压水平及短路电流；通信阻塞和用户数据隐蔽性也给调度带来困难。
（4）平价上网激励风电企业技术改进。传统固定电价（溢价）加重政府的经济负担，缺乏市场信号，不利于市场建立及风电企业风险分摊和利益分配。因此，各国逐渐取消补贴，实施平价上网。英国政府不仅取消对风电企业的免税优惠政策，还计划从2019 年4 月开始废止新能源发电上网电价补贴政策[26]。同时随着《关于积极推进风电、光伏发电无补贴平价上网有关工作的通知》颁布[27]，中国也将逐渐取消风电上网电价补贴政策。
政策加速风电企业在电力行业发展的动力因素，但以政策引导代替市场信号扶持不利于市场配置、流动、公平及公正化；制约风电企业其技术水平发展；对传统发电企业、输送公司运营带来一定利益冲击。电力政策制定要结合电网物理架构及电力市场机制，确保政策执行效率[28]；其次，出台相关标准，引导风电企业技术改造，文献[29]通过发电技术改造降低补贴幅度，减轻政府财政负担，同时降低对电价影响；最后，制定政策同时要均衡相关利益方的利益分配问题。
2 集中式风电参与市场交易模式
电力市场能够有效调度系统资源配置，灵活性的市场体制是保证风电消纳的重要措施。现货市场以价格激励各方提供电量和辅助服务，即风电企业可在现货市场进行电量交易，在调峰辅助服务中寻求辅助调节，保证风电上网消纳，同时可在以中长期为主金融市场规避交易风险。
2.1 现货市场
运行良好的现货市场是抵御系统净负荷的波动和不确定性，维持系统供需平衡最经济有效的办法，是解决高比例波动性可再生能源发电对系统带来挑战的有力工具[30]。现货市场作为一个短时交易市场，可以体现电力商品的市场价值，能进行实时的补充，促进市场的经济调度。美国、英国及北欧等电力市场已建立与其体制相适应的现货市场[31-34]，具体市场方式如表1 所示。
风电为丹麦主要的能源之一，2017 年风电机组出力为5.3 GW，占全国发电量147 亿kWh 的43.6%[35]，其主要参与北欧电力市场进行风电消纳，因此以北欧电力现货市场作为借鉴，其主要分为日前市场、日内市场及实时平衡[36]，日前市场主要基于输电容量、市场成员的交易结果制定第二天的调度计划；日内市场其实是对日前的补充，其交易时间在日前市场结束后开始，以1 h为单位交易，在交易完成后，电网企业中输电管理者会实时更新输电容量信息，以明确平衡责任。
由于可再生能源发电的波动性，风电企业倾向于保守地在日前市场中出价，以避免因未能交付指定数量的能源而遭受巨额罚款[37]。现货市场可作为日前补充，其从时间尺度上提高风电预测精度，风电预测作为一种提高风电在电力系统有效性的重要手段，其精准性与时间尺度有关，时间尺度越短其精准性越高[38]。风电企业可在参与日前市场前进行风电短期预测[39]，并在日前市场交易中明确平衡责任，虽然短期预测存在一定误差，但粗略性、计划性进行调峰，其误差可在日内市场进行平衡调整，实现实时调峰并减轻在平衡市场中产生的不平衡量[40]。平衡市场则保证电能质量（电压、频率）正常，维持系统的安全稳定性。平衡资源的获取方式仍通过市场交易，明确买卖双方，并且调度中心通过买卖关系获取优质的资源，并且获得一定收入。
2.2 调峰辅助服务
调峰辅助服务是应对风电峰谷差采取的一种市场调节手段。北欧、美国和英国作为早期风电发展中心，可借鉴其成功经验。
北欧将调峰服务以实时形式参与到电力市场调峰中，通过建立平衡市场，调度中心作为购买方在平衡市场中向市场参与者能提供的上、下备用，消除电网中不平衡电量[41]；美国PJM 则将调峰义务分配到每个负荷服务企业[42]，负荷服务企业则可以通过3 种途径获取调峰资源：利用自身拥有发电机组提供平衡资源；通过向第三方购买；采取负荷响应，减少负荷。英国由于其电量交易主要以双边交易为主，通过清算双边交易合同得出不平衡电量，再由平衡机制获取相关辅助服务或者通过签订合同向第三方购买[43]。
我国采取建立调峰辅助市场来获取调峰资源[44]。主要方式有机组调整处理、启停，负荷转移，电量转让和省间相互消纳。依据调峰方式将其划分为6 类，分别为实时深度调峰、可中断负荷、电储能调峰、火电停机备用调峰、火电应急启停调峰和跨省调峰。调峰服务补偿方式与供热期、机组类型和负荷率交易模式有关，主要有3种补偿方式：双边交易价格、统一清出和电量价格。具体其交易模式如表2 所示。
调峰辅助服务的分摊按照“谁受益、谁承担”的原则进行，主要有2 种模式：
（1）由购买方向调峰辅助服务提供方购买的调峰容量费用由购买方对提供方进行补偿。
（2）调度中心依据电网的安全需求进行调峰资源调度，该部分费用由发电侧的风电、核电和省内负荷率高于深度调峰基准的火电厂共同承担，主要按责分摊。责任判定依据为该电厂的上网量对电网的影响度。在费用分摊前，会对该电厂的上网量进行修正，以修正的电量比例分摊调峰辅助费用。
风电企业可以通过调峰辅助服务购买调峰资源，降低风电波动，消除不平衡电量，降低不平衡电量惩罚，实现风电消纳。同时风电企业也可以作为调峰提供方，在传统机组通过购买风电发电权降低其向下调峰时启停成本[45]。文献[46]提出一种结合节能减排的调峰权交易模型。文献[47]构建考虑风电波动性及频率与联络线偏差考核模式下的调峰辅助服务市场交易模型。文献[48]为了促进大规模风电消纳，提出了双层调峰补偿机制。文献[49]表明通过区域间相互调峰，有利于提高风电鲁棒性。
2.3 金融市场
金融市场作为虚拟交易，并不涉及物理分割，只是通过金融手段将未来交易价格波动风险进行转移，主要以合约的形式进行交易，包括远期合同、差价合约、期货及期权等[50-53]，其交易发生在电力实时交易前，结算在电力完成交易后。现有电力金融产品概况如表3 所示。
在短期内的电力交易中，电力价格与市场供需关系和参与者博弈竞争报价有关，导致价格波动较大。随着风电固定上网电价政策取消，风电企业在电量交易的价格无法得到保证，因此风电企业可拿出部分的电量参与金融市场交易，通过合约形式将电价固定，可保证基本成本回收，规避一定价格风险。风电企业在对风电、电价及负荷需求预测的基础上，与售电企业或大用户签订远期合同，既保证风电未来某时间段的消纳量，又得到一个预计能接受的价格，实现风险共享；其次，可购买期货实现套期保值[54]，弥补远期合同可能带来的亏损，规避价格波动风险；当由于风电间歇特性和预测偏差导致远期合同无法按时履行时，风电企业可以以期权形式转让发电权利，还能获取一笔期权费，但由于买方可依据实时电价决定其是否履行合约，导致风电企业其亏损不固定。因此风电企业也可向其他发电企业购买期权将风险锁在一定范围内；当风电企业未采用远期、期货或是期权合同来规避风险时，可采用差价合同切断实时电价波动，差价合同在北欧电力主要用于阻塞管理，其结算是按区域电价与系统电价之差作为参考电价[55]，而传统差价合同电价定义是合同电价与实时电价差值，无论哪种结算形式都有利于电价稳定性。风电企业可依据自身需求对远期、期货、期权及差价合同有机组合，最大化降低风险。
风力发电商作为现货市场的参与者，其发电成本较低但需要为风力发电技术及预测的不精准承担一定的辅助费用。风电企业如果希望在现货市场以较低边际成本获取市场发电权，则需改进其技术与预测水平，减少对调峰费用的支付，从而获得价格上的优势，进而获得发电权对产生的风电进行入网消纳，因而获得电费收入，或者通过金融交易将在实时交易的风险进行转移。
3 分布式风电参与电力市场研究
风电以分散的形式接入配电网中可以减少其对电网的冲击，提高当地新能源消纳率。近年，国家对分布式风电出台一系列推进政策，促进其建设发展。但其所需的公共服务和电力市场交易还不完善，未能发挥分布式发电在电力资源优化中的优势[56]。分布式风电是指电力自用，多余上网，在配电系统平衡调节的风电用户[57]，现有研究为促进分布式能源交易设计许多市场机制，对分布式风电参与电力市场有一定借鉴性。
目前针对分布式参与市场模型主要有集中交易和点对点交易。集中交易将以某个范围为单位内分布式能源（储蓄电源，发电用户，提供需求侧响应用户等）集合参与市场交易，具体形式有分布式能源以微网或虚拟电厂的形式参与批发市场交易；分布式能源以个体为单位参与配电网侧的电力交易中心，以上2 种交易模式都需要在电力市场交易中心进行申请、报价、交易（签订合同）、电力校验和市场结算。这种集中交易模式一般采用合约市场竞价机制，以双边协商和竞价机制2种方式进行电力交易[58]。点对点交易，即不需要在交易中心参与市场竞争，用户与用户之间通过信息交互，选择合适买家和卖家进行直接电力交易，点对点交易机制赋予分布式能源和消费者在电力交易中的选择交易权，降低电能交易门槛，提供交易灵活性，在该交易机制中，已有不少研究将区块链技术应用于点对点市场交易。区块链去中心化、去信任化、公开透明、不可篡改和自动执行的特点，在开展分布式能源交易及交易主体信用管理上具有先天优势[59]。
分布式能源交易主体多，信息繁杂，依靠第三方交易，交易流程多、效率低、时间长[60]，不利于分布式能源消纳，挫伤分布式市场主体参与市场交易积极性。因此，设计一种分布式电源自由交易系统通过多边交易保证交易时效性及公平性[58]。文献[61]将利润与风险作为目标函数，得出最优买卖计划。文献[62]提出一种基于连续双向拍卖机制完成交易配额，在对拍卖价格与时间双重排序下进行交易匹配，保证电价经济性和交易公平性，但其报价以参与者主观判断决定，不能体现电力商品真正价值。文献[63]提出一种利用市场信息修正用户报价，体现市场价值，实现价格优化。从社会效益分析，代理商可以以自身利用最大化作为报价系数，调度中心以社会效益最大化进行出清[64]。
4 风电参与电力市场关键问题及展望
4.1 挖掘灵活调节产品
灵活调节产品增加系统运行灵活性，保证供电可靠性的辅助服务，源-荷两侧均可提供灵活性调节产品。电源侧以蓄电池和飞轮机组等储能装置为代表的快速爬坡资源引入调峰辅助服务，这种类型的爬坡资源能够提供快速、灵敏、高效的辅助服务[65]。其特性能够经济有效平衡电网波动，保证电网安全可靠。由于其技术与造价问题，以及现有辅助服务补偿机制下局限了灵活性产品产业的发展。负荷侧可通过需求侧进行调节，研究表明需求侧与风电联合调度有效降低系统运行成本，提高系统调度的经济性，并且弹性价格有效缓解了固定需求引起的需求波动[66]。目前灵活性负荷主要以电动汽车[67]、蓄冷蓄热空调系统[68]、电热器[69]等用电时间不敏感型电量负荷需求为主。电力负荷的灵活调节已成为电力需求侧管理技术发展的重要趋势。因此，从政策制定者、生产者、调控中心以及风电企业等方面给出如下建议：
（1）政策制定者可借鉴风电初期建设发展的政策手段，以电价政策、激励机制、政府补贴为导向，引导投资商对灵活性产品的产业投资与建设；完善辅助服务补偿机制，不应只局限在价格优势，应结合辅助产品性能，调节效果以及市场价格信息准确反映提供商成本，吸引灵活性产品参与辅助服务。
（2）储能制造商应提高储能技术降低储能成本，开拓灵活性产品服务市场研究，鼓励其积极参与辅助服务获得补偿，与传统机组联合调节，从而提高传统机组爬坡性能、降低储能设备成本，实现资源优化配置，与风电企业进行长期交易合作，利用储能实现风电并网容量优化，从而降低风电波动率并且降低储能充电时的电量成本。
（3）调度中心应加大对含储能装置的分布式能源系统的配网潮流研究及源-荷相互调节灵活性的经济调度。调度中心可采用用电激励[70]、可中断负荷[71]、电价响应[72]等用电调度方式，在保证用户舒适度的情况下，对其可提供的灵活性可调节负荷进行有序的调度，最大化地消除自身和风力发电引起的系统功率不平衡。在降低用户用电成本同时又能促进当地可再生能源的消纳。
（4）风电企业通过自身性能，向电网提供辅助。文献[72]表明风电场具有良好的有功控制能力，可以提供较快的频率支撑，同时文献[73]指出风电厂能够提供灵活性爬坡服务，这给风电企业带来一个潜在选择。因此，风电企业应该提高其通信技术、测量技术以及控制技术，从而改变在辅助服务中单一购买者身份，并且在辅助服务中获得额外的补偿。
4.2 对配电网侧进行改造建设
配电网作为直接与负荷（用户）直接相连的网端系统，其运作的安全稳定性直接影响负荷端安全稳定。由于分布式能源（风电、光伏、储能及灵活性调度负荷）推广以及电力市场逐步开放化使配电网逐渐向自动化及市场化推进。因此，需对配电网进行规划、改造及体制改革。
（1）建设智能化配电网，提高信息互动效率。智能配电网成为分布式发电互联，需求侧响应信息互动的关键技术。依靠人为信息采集已经不适应短时交易市场体制，因此，依靠智能端口采集信息成为未来配电网终端发展趋势。信息及时采集有利于及时反映系统能量动态；为消费者提供价格信息，促进市场交易；便于调度中心系统管理和阻塞校验。
（2）设计与分布式发电相适应的市场机制。对市场主体响应潜力建模，对参与者市场行为进行分析，建立信用评估库，将信用度纳入交易参考标准；设计市场信息互交机制，有利于信息流在市场上流通；在市场运营模式上应加快对零售市场建立，多边交易市场机制，提高市场灵活性，给参与者提供更多选择。
4.3 完善跨区消纳风电的基本措施和市场机制
集中式风电企业可通过跨区交易进行风电消纳，降低风电弃风率。但由于受到电网输送能力的制约和跨区域交易制度尚未完善，阻碍风电向外输送。因此，应加快输电网柔直输电建设，有利于风电直接与电网相接，解决风电入网问题，又节约接入成本；建立跨省跨区交易机制，明确输配电价及分摊机制，通过价格信号让风电企业了解供求关系和系统阻塞程度，以便做出最优决策，促进风电市场交易量。
5 结语
随着风电政策的推行，风电装机容量大规模增长，补贴政策也随之取消，风电企业如何在市场改革中获得利益成为亟待解决的问题。本文从政策和市场角度进行阐述分析。现有政策主要针对风电建设、消纳以及未来发展展开，引导风电企业进行市场行为。阐述国内外集中式风电市场运营模式，以实时电量交易的现货市场主要以经济调度为主，有利于风电消纳及资源合理配置，针对风电特性建立调峰辅助服务提供灵活调节产品，同时风电企业可在金融市场进行交易，转移部分风险。与此同时，归纳分布式风电在市场消纳的市场运营模式，总结报价、出清及技术支撑的研究成果。最后，总结归纳风电参与电力市场中的关键问题及展望。
