电力市场交易与电网调度运行在德国是相对彼此分离的，而平衡结算单元则用来作为联系二者的纽带。在以新能源为主体的新型电力系统中，传统电力系统单一的“源随荷动”模式将转变为“源荷互动”模式。
在2021年第二次能源监管工作例会上，国家能源局提出“围绕碳达峰、碳中和目标，建立健全适应新型电力系统的市场规则”。“碳中和（Carbon Neutral或Carbon Neutrality）”是指中立的（即零）总碳量释放，通过排放多少碳就采取多少抵消措施，来达到平衡。目前已有数十个国家和地区提出了“碳中和”目标。中共中央总书记、国家主席习近平在2020年9月22日召开的第七十五届联合国大会一般性辩论上表示：“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。”（本文简称“双碳目标”）。2021年3月15日，习近平总书记主持召开中央财经委员会第九次会议，会议指出：实施可再生能源替代行动，深化电力体制改革，构建以新能源为主体的新型电力系统。可再生能源参与电力市场交易已成为必然趋势。随着可再生能源发电比例逐步升高，世界各国的电力市场都面临着重大挑战，包括：（1）电力系统的安全稳定运行需要保持多样化的发电机组类型（电源结构），当前电力市场设计虽然对新能源有利，但对传统电源冲击过大，无法确保电力系统的长期可靠性与韧性；（2）电力市场需要对灵活性、韧性资源合理定价，才能保障可再生能源的消纳，当前电力市场设计无法对灵活性、韧性资源提供合理的经济激励。因此，欧美在二十多年的电力市场运营经验基础上，进行了各种各样的更新和尝试。本文以德国市场为例，探讨适应以新能源为主体的新型电力系统的电力市场体制机制设计。基于应对气候变化、避免核风险、改善能源安全以及保障经济竞争力等方面的考虑，德国于21世纪初开始大力推动能源转型，是各国能源转型的典范。作为一个综合政策框架，德国的能源转型涉及能源和经济的所有部门，建立在3块法律基石之上。2000年，德国颁布《可再生能源法》（EEG）（后经多次修订），明确了可再生能源在能源结构中的重要地位。在能源转型框架下，可再生能源在电力消费中的占比目标快速提高，2014年为27.4%，2020年为35%，2030年为50%，2040年为65%，2050年为80%。此外，1998年以来，德国启动了电力市场化改革。德国的能源供应公司（EVU）的结构从那时起发生了根本性改变。德国的电力市场自由化，是自1998年4月在电力及天然气产业实施《能源产业法修订案》（简称“能源法案”，EnWG）开始的，将过去的垂直一体化模式从组织形式、财务形式及所有权等方面进行分拆，并让电网运营商（TSO）从电力产业价值链的其他环节中独立出来。此外，2004年7月正式颁布的《温室气体排放交易法》（TEHG），通过金融手段对欧盟范围内排放交易的市场参与者施加短期影响，使得燃煤的成本增加，进而影响到电力生产成本。平衡结算单元（BK）是德国电力市场的中心结构，对输配电网与交易市场的衔接，现货市场与辅助调频市场的配合，发电与负荷侧的协同都发挥着重要作用。电力市场交易与电网调度运行在德国是相对彼此分离的，而平衡结算单元则用来作为联系二者的纽带。通过它来协调以往包含在垂直一体化模式的能源公司中的市场参与者，如电力生产者、电力供应商、输电网和配电网运营商等，促使电力生产尽可能靠近负荷。在这种结构中，每个配电端和用电端均可以精确地与一个平衡结算单元相关联。每个平衡结算单元都必须完全准确地位于一个调度区域内。平衡结算单元没有地域结构，但有明确的负责主体和对应设备，也就是说它的配电端和用电端不必在地域上或者网络拓扑上相距很近。一个调度区域包含大约100~200个平衡结算单元。平衡结算单元管理人（BKV）可以是电力供应商、电力生产者、大型工业用户及其他市场参与者。成为一个平衡结算单元管理人的前提是，必须活跃于电力大宗交易市场，即电力交易所中。每个交易员都通过与电网运营商签订平衡结算单元合同，成为一个平衡结算单元管理人。平衡结算单元管理人的任务是在任何时间准确地弥补在其平衡结算单元中出现的发电和负荷之间的偏差。作为平衡结算单元管理人的电力供应商，要完成这样的任务，就需预测所有平衡结算单元中用电端的负荷，并在电力交易所通过实物的电力交易来满足这些负荷。而电网运营商则接管了平衡结算单元管理人“弥补其平衡结算单元中发电量和用电量之间偏差的经济责任”。平衡结算单元不仅是现货市场和调频辅助服务市场的有效连接，也为虚拟电厂的设计打下基础。利用所谓的标准负荷曲线和经验值，电力供应商通过发挥平衡结算单元管理人的功能，可以获得平衡结算单元里一天之中每15分钟的负荷预测。这一预测的负荷值需要它们通过自身等量的发电生产，或者通过在电力大宗交易市场上采购的购电协议来满足。为此，电力交易市场中必须有种类繁多的电力交易产品，如从长期的金融期货交易，到以小时甚至15分钟为单位的实物现货交易，以及单独的场外交易，以便能够准确地模拟出它们所在平衡结算单元的日负荷曲线，如图1所示。 德国自2012年推出市场溢价模式以及新能源法修正案以来，参与市场交易的可再生能源比例急剧上升。由于所有平衡结算单元的发、用电量总和不会恰好为零，将导致系统频率偏差变大。为了确保系统频率偏差处于允许范围内，电网运营商必须随时投入备用调节容量（包括一次调节/二次调节/三次调节）来对频率进行调整，这主要通过竞价交易的形式完成。随着双碳目标的提出，“构建以新能源为主体的新型电力系统”的举措将使电源结构和电网特性出现重大变化，在为我国电力行业的发展带来重大机遇的同时，也存在一定的风险和挑战。建立有利于新能源消纳的电力市场体制机制已成为当前的紧迫任务，国外特别是德国能源转型的经验值得借鉴。类似于德国电力市场设计，电力市场交易过程可用不同的（横向的或纵向的）“能量块”填充负荷曲线下的面积，实现电力电量平衡，建立如图1所示的中长期与现货（日前、日内、实时）交易相协调、电量与电力型交易相结合的电力市场目标模式，同样符合我国当前电力市场建设所采用的“中长期交易+现货市场”的基本框架。不同“能量块”的组合，将形成不同的短期运行发电组合（即运行方式）和内涵各异的价格。此外，借鉴德国电力市场平衡结算单元的设计思路，可再生能源应以就地消纳为主要形式，并减少大电网平衡的负担。在以新能源为主体的新型电力系统中，传统电力系统单一的“源随荷动”（即根据负荷变动情况调节发电功率）模式将转变为“源荷互动”的友好互动模式，柔性负荷、虚拟电厂（VPP）等新技术和商业模式也受到广泛关注。柔性负荷包含具备需求韧性的可调节负荷或可转移负荷，具备双向调节能力的电动汽车、储能、蓄能以及分布式电源、微电网等，其用电行为可对价格信号作出灵活响应，是电力系统灵活性的重要来源。在供电无法满足用电需求增长的大城市，柔性负荷的削峰填谷作用还可对保障电网的安全运行起到关键作用。在电力市场环境下，引入柔性负荷参与交易，有利于提升电网的安全稳定水平及灵活性，支撑可再生能源的大规模消纳。随着市场建设的推进，柔性负荷参与电力现货市场和辅助服务市场的条件逐步具备，并已在广东等省份投入实际运行。
分布式电源、储能及可控负荷等灵活性资源具有分布式小容量、资源种类多样、数量规模庞大等特征，难以直接参与电网互动调节。平衡结算单元是德国针对新能源比例较高的电力市场设计的重要经验，也是虚拟电厂得以在德国充分发展的基础。因为它不仅仅传递了价格信号，更传递了电力平衡的概念，并在用户侧将电力和电量区分开。平衡结算单元以及在此基础上构建的虚拟电厂运营机制，与建立在全电量集中竞价基础之上的现货和辅助服务联合出清市场机制相比，充分考虑了在以新能源为主体的电力系统中对于各种调频能力不仅需求大，且在时间和空间上变化快的特点。另一方面，随着经济发展和数字化技术进步，必然在用户侧出现新形态，这些变化也应该在电力市场设计时得到充分考虑，而不应仅仅站在传统电力系统运行的角度一味追求调度方式最优。虚拟电厂能够通过商业模式创新有效聚合大量分散资源，发挥协同效应，为新型电力系统提供调峰、调频、调压及应急响应等服务，并促进分布式资源与电网友好互动机制的形成。目前，美国、欧洲及我国的广东、上海、江苏、冀北等地建设了一批虚拟电厂项目，如为整个大众集团德国工厂提供综合能源和交易服务的大众汽车集团虚拟电厂。推进虚拟电厂技术发展及相配套的体制机制改革，将能够有力促进以新能源为主体的新型电力系统的构建以及双碳目标的实现。CWEA作者：陈皓勇，华南理工大学电力经济与电力市场研究所所长；