董 力, 高賜威, 喻 潔, 滕賢亮, 涂孟夫, 丁 恰

(1. 江蘇省智能電網(wǎng)技術(shù)與裝備重點實驗室(東南大學(xué)), 江蘇省南京市 210096;2. 國電南瑞科技股份有限公司, 江蘇省南京市 211106)

0 引言

2015年初至今,新一輪電改政策文件相繼出臺,加快了中國電力體制改革的進(jìn)程。電改相關(guān)文件充分體現(xiàn)了中國電力體制改革將不同于國外市場化較為成熟國家的改革進(jìn)程,中國電改需要在結(jié)合自身特點的基礎(chǔ)上,以較長時期的遞進(jìn)式改革路線推進(jìn),逐漸擴大市場化規(guī)模。為保證電力體制改革的平穩(wěn)過渡,部分計劃發(fā)電現(xiàn)已向發(fā)電商簽訂中長期電量合同的方式轉(zhuǎn)變,時間尺度較長的交易模式可以有效降低市場風(fēng)險。

國內(nèi)調(diào)頻輔助服務(wù)補償機制存在問題,不能有效引導(dǎo)資源配置。新電改開始前,調(diào)頻輔助服務(wù)依據(jù)原國家電監(jiān)會頒布的《發(fā)電機組并網(wǎng)安全性評價管理辦法》和《并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理暫行辦法》文件以考核制度開展,由于調(diào)頻備用一般由調(diào)度部門預(yù)留,機組出力與調(diào)頻容量的大小無法體現(xiàn)系統(tǒng)需求,且政策文件對于自動發(fā)電控制(AGC)服務(wù)補償?shù)木唧w標(biāo)準(zhǔn)與計量方法較為粗糙,補償機制的額度長期固定使得調(diào)頻服務(wù)的價值無法體現(xiàn),補償水平甚至較大程度地偏離成本。除此以外,補償機制無法體現(xiàn)機組性能差異性,系統(tǒng)中性能較好的機組往往提供了更多的服務(wù),但在結(jié)算時卻無法充分體現(xiàn)性能差異性,影響了機組提供調(diào)頻輔助服務(wù)的積極性,不利于系統(tǒng)資源的優(yōu)化配置和機組自身的性能升級。若調(diào)頻輔助服務(wù)通過市場手段獲取,則市場出清價格能夠反映機組提供服務(wù)的機會成本與性能價值,現(xiàn)行調(diào)頻輔助服務(wù)的實施問題能夠得以解決。

電力體制改革深化后,計劃電量份額將不斷縮小,調(diào)峰調(diào)頻機組備用能否足量保障是電力調(diào)度部門擔(dān)心的問題。調(diào)峰調(diào)頻主要用于滿足電力供需平衡、頻率質(zhì)量等要求,對于維持電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行具有非常重要的作用[1]。在現(xiàn)行電力系統(tǒng)運行的管理模式下,機組每日的發(fā)電計劃由調(diào)度部門制定下發(fā),由于大部分現(xiàn)役機組都裝有AGC裝置,因此,剩余的機組備用可直接視為調(diào)頻備用容量。市場化放開后,機組的發(fā)電出力由市場成員競價決定,機組組合與剩余容量的可控性減弱,調(diào)頻指令的完成率將受到威脅。

國外的電力市場改革發(fā)展已經(jīng)較為成熟,為保障電力市場AGC的有效實施,美國加州建立了與電能交易市場并行的AGC競價市場,美國新英格蘭電力市場則將AGC與電能交易統(tǒng)一考慮[2]。國外電能交易與調(diào)頻輔助服務(wù)市場時間尺度較短,以日前與日內(nèi)市場居多,而國內(nèi)市場化改革進(jìn)程與國外有所差異,較長時期以中長期電量為主,缺乏成熟的現(xiàn)貨市場建設(shè),且各省發(fā)展路徑多元,未來調(diào)頻輔助服務(wù)市場可以等待現(xiàn)貨市場成熟后再進(jìn)行建設(shè),也可以探索不依賴于現(xiàn)貨市場的輔助服務(wù)市場實施路徑的可能性,目前東北地區(qū)、廣東省、山東省等一些地區(qū)已對建設(shè)輔助服務(wù)市場做出了嘗試。

關(guān)于AGC機組參與調(diào)頻輔助服務(wù)市場,已有一些文獻(xiàn)進(jìn)行了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[3-5]研究了系統(tǒng)調(diào)頻輔助服務(wù)需求容量的預(yù)測方法,其中,文獻(xiàn)[4]提出了以性能指標(biāo)對機組報價進(jìn)行修正的調(diào)頻市場出清模式,文獻(xiàn)[6]以購買量成本最低確定了AGC市場交易目標(biāo)。文獻(xiàn)[7-8]建立了能量市場與AGC市場聯(lián)合考慮的競價模式,但均為現(xiàn)貨市場時間尺度。文獻(xiàn)[9-10]研究了AGC機組提供調(diào)頻輔助服務(wù)的性能考核指標(biāo)。

已有文獻(xiàn)均未結(jié)合中國現(xiàn)行的中長期電量合約模式,研究能夠解決調(diào)頻輔助服務(wù)實施問題并滿足系統(tǒng)調(diào)頻需求的市場交易機制。基于以上敘述,本文基于一種新的有效容量和性能門檻值概念,提出了適應(yīng)于國內(nèi)中長期電量合約分解的調(diào)頻市場解耦設(shè)計。

1 基本思路

由于機組的基本出力與所能提供的調(diào)頻輔助服務(wù)備用容量存在制約關(guān)系,解決電量合約的分解與調(diào)頻市場容量申報的時序問題至關(guān)重要。目前電力市場中有三種較為典型的調(diào)頻市場交易模式,根據(jù)與能量市場的耦合關(guān)系可分為聯(lián)合出清、調(diào)頻市場先于和后于能量市場三類。調(diào)頻市場先于能量市場出清的模式能夠促進(jìn)調(diào)頻資源被充分調(diào)用,考慮中國現(xiàn)貨市場尚未建立的國情,為保證系統(tǒng)的調(diào)頻需求容量,文中選擇了此種交易模式作為初探路徑,總體框架流程圖如圖1所示。

圖1 調(diào)頻市場與電量合約分解整體框架Fig.1 General framework of frequency regulation market and electricity contract decomposition

由圖1可知,考慮中長期電量合約的調(diào)頻輔助服務(wù)市場的具體實現(xiàn)步驟如下。

步驟①:預(yù)測系統(tǒng)整體的調(diào)頻需求容量,發(fā)電商考慮機組的備用容量機會成本、出力范圍,以及參與調(diào)頻市場的預(yù)期收益等因素,申報調(diào)頻備用容量和價格。

步驟②:調(diào)頻市場依據(jù)申報信息、調(diào)節(jié)性能等設(shè)置準(zhǔn)入門檻,滿足要求的機組進(jìn)入調(diào)頻市場,并根據(jù)調(diào)頻市場的交易機制和系統(tǒng)調(diào)頻需求預(yù)測容量,出清調(diào)頻備用市場,對成功中標(biāo)的機組進(jìn)行費用結(jié)算,本文將在第2節(jié)詳述。

步驟③:調(diào)度部門根據(jù)調(diào)頻市場出清結(jié)果,獲取中標(biāo)機組的剩余出力范圍和未中標(biāo)機組的全部中標(biāo)范圍,優(yōu)先保證中標(biāo)機組的基本出力,并結(jié)合中長期電量合約和安全校核要求,在考慮平衡機制的基礎(chǔ)上,安排次日的發(fā)電計劃曲線,本文將在第3節(jié)詳述。

2 調(diào)頻備用市場機制設(shè)計

2.1 現(xiàn)有調(diào)頻市場機制分析

為激勵機組改善調(diào)頻性能,提高性能優(yōu)機組的市場競爭力,在設(shè)計調(diào)頻市場機制時考慮機組性能的差異性。國內(nèi)外已做出一些嘗試,美國PJM電力市場結(jié)合歷史性能指標(biāo)和效益因子對機組報價進(jìn)行修正,影響機組在市場競價中的排序情況,并以臨界機組的排序指標(biāo)值進(jìn)行出清。國內(nèi)廣東省出臺的《廣東調(diào)頻輔助服務(wù)市場建設(shè)試點方案》中以機組報價與歷史性能參數(shù)作商,且市場出清價是臨界機組的申報價格。這兩種做法均是以調(diào)頻性能對機組報價進(jìn)行調(diào)整,能夠體現(xiàn)性能優(yōu)機組的競爭優(yōu)勢,但由于市場出清順序并非是機組實際報價的排序,因此,市場成員需要在充分了解和認(rèn)可機制設(shè)計的前提下,制定相應(yīng)的策略參與市場競爭。文中提出了新的調(diào)頻市場交易機制,以純經(jīng)濟學(xué)報價模式統(tǒng)一出清,在結(jié)算機制中以性能指標(biāo)門檻值衡量中標(biāo)備用容量的有效性,體現(xiàn)機組的性能差異。

2.2 數(shù)學(xué)建模

根據(jù)發(fā)電商申報容量和價格,市場以最小化購買成本為出清目標(biāo),表示為:

(1)

同時滿足如下約束。

1)系統(tǒng)調(diào)頻需求約束

為保證系統(tǒng)安全可靠運行,機組提供的調(diào)頻輔助服務(wù)必須滿足系統(tǒng)的總調(diào)頻需求,包括調(diào)頻容量和性能兩個方面,即向上調(diào)頻需求約束表示為:

(2)

向下調(diào)頻需求約束表示為:

(3)

(4)

式中:Lpeak為某日峰荷值;r為調(diào)頻需求容量所占固定比例。

2)爬坡速率約束

(5)

(6)

式中:Δi為機組i每時段的爬坡速率最大值。

3)中長期電量約束

為防止機組超額完成某考核周期內(nèi)合約電量的發(fā)電任務(wù),需滿足:

(7)

式中:Qi,d-1為機組i的已完成發(fā)電量;Qi為機組i某考核周期內(nèi)的合約電量;Pi,max和Pi,min分別為機組i的最大出力和最小出力。當(dāng)不滿足式(7)時,機組i在調(diào)頻市場中的中標(biāo)結(jié)果無效。

以機組報價進(jìn)行排序直至滿足系統(tǒng)調(diào)頻需求時,調(diào)頻市場以邊際機組報價確定向上調(diào)頻和向下調(diào)頻的統(tǒng)一出清價分別為πup和πdown。

受機組調(diào)頻性能影響,中標(biāo)機組調(diào)頻備用容量能夠?qū)嶋H承擔(dān)調(diào)度指令的能力存在差異,因此,文中以有效容量概念反映機組備用容量的性能價值,體現(xiàn)不同調(diào)節(jié)水平機組的中標(biāo)備用容量能夠?qū)嶋H承擔(dān)調(diào)度指令的能力。美國PJM調(diào)頻市場以機組性能指標(biāo)和中標(biāo)容量的乘積反映有效容量,由于性能指標(biāo)范圍為0～1[12-14],因此,有效容量上限即為機組的中標(biāo)容量,而性能優(yōu)機組的中標(biāo)容量在指令周期內(nèi)往往能夠響應(yīng)多條調(diào)頻指令,在已有的容量結(jié)算機制中無法充分體現(xiàn)其容量補償優(yōu)勢。

門檻值是針對機組性能指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化處理,表征了系統(tǒng)對調(diào)頻容量的性能需求。為合理補償機組的調(diào)頻備用容量,充分考慮對性能優(yōu)機組的獎勵,結(jié)合性能指標(biāo)門檻值設(shè)計調(diào)頻市場結(jié)算機制。

中標(biāo)機組的結(jié)算收益為:

(8)

性能指標(biāo)門檻值的設(shè)定與系統(tǒng)調(diào)頻需求、機組中標(biāo)容量和結(jié)算收益都有緊密聯(lián)系,有利于激勵機組改善調(diào)頻性能,合理配置和調(diào)用調(diào)頻資源。

2.3 與現(xiàn)有調(diào)頻市場機制的比較

本文在調(diào)頻市場排序、出清機制、結(jié)算機制3個方面與美國PJM和廣東省規(guī)則存在差異,如表1所示。

表1 調(diào)頻市場機制對比Table 1 Comparison of frequency regulation market mechanism

由表1可知,本文的調(diào)頻市場機制特點如下。

1)設(shè)計了基于有效容量的調(diào)頻市場報價與出清機制,尊重市場參與者的報價意愿出清市場,購買符合市場調(diào)頻性能要求的輔助服務(wù),物理概念明確,有利于市場參與者的理解。

2)以性能指標(biāo)門檻值對系統(tǒng)調(diào)頻需求、機組中標(biāo)容量和結(jié)算機制進(jìn)行設(shè)計,對機組性能標(biāo)準(zhǔn)化處理,滿足系統(tǒng)調(diào)頻需求,充分調(diào)用系統(tǒng)調(diào)頻資源,合理獎懲性能差異的機組,向市場主體提供明確的性能改造目標(biāo),激發(fā)機組改善調(diào)頻性能的積極性。

3 中長期電量合約分解

國內(nèi)中長期電量合約的分解多由電力調(diào)度部門承擔(dān),日常運行中按機組可發(fā)容量等比例進(jìn)行分配,操作靈活簡便。由于本文的重點研究為適應(yīng)于國內(nèi)中長期電量合約分解的調(diào)頻市場解耦設(shè)計,為保證調(diào)頻輔助服務(wù)市場化的平穩(wěn)過渡,因此電量合約分解仍然沿用傳統(tǒng)的分解機制。調(diào)頻輔助服務(wù)市場出清后,調(diào)度部門依據(jù)機組中標(biāo)情況和中長期電量合約約束,按照傳統(tǒng)的合約電量分解方式,以安全校核要求安排機組次日的發(fā)電計劃曲線,電量合約分解的細(xì)化流程圖如圖2所示。

圖2 電量合約分解細(xì)化框圖Fig.2 Detailed flow chart of electricity contract decomposition

以機組剩余發(fā)電容量等比例法安排機組發(fā)電,具體方法如下。

調(diào)度部門可安排的機組剩余總?cè)萘繛?

(9)

式中:Ptotal為機組剩余總?cè)萘俊?/p>

利用等比例法計算機組的發(fā)電出力Pi為:

(10)

式中:L為次日發(fā)電負(fù)荷預(yù)測量。

檢驗該發(fā)電出力是否能夠滿足調(diào)頻市場中標(biāo)機組的基本出力要求:

(11)

剩余機組重新以等比例法調(diào)整未中標(biāo)機組的基本出力:

(12)

確定初始發(fā)電曲線后,調(diào)度部門以調(diào)節(jié)未中標(biāo)機組出力的最小化成本為目標(biāo),使得發(fā)電計劃曲線滿足安全校核要求,目標(biāo)表達(dá)式為:

(13)

1)機組出力范圍約束

(14)

(15)

2)機組爬坡速率約束

機組發(fā)電曲線上相鄰時段的出力變化值必須保證在機組的爬坡速率限值范圍內(nèi),即

(16)

3)系統(tǒng)負(fù)荷平衡約束

為滿足系統(tǒng)發(fā)用雙方曲線的匹配性,發(fā)用電功率平衡約束為:

(17)

4)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用約束

為留有一部分的系統(tǒng)安全裕度,系統(tǒng)中所有機組提供的旋轉(zhuǎn)備用必須滿足系統(tǒng)總需求:

(18)

式中:ri為機組i提供的旋轉(zhuǎn)備用;Rs為系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用總需求。

5)線路潮流約束

檢驗系統(tǒng)中各條線路的潮流值是否越界,防止發(fā)生線路阻塞問題,有

Ij≤Ij,max

(19)

式中:Ij,max為系統(tǒng)內(nèi)線路j的潮流上限值;Ij為系統(tǒng)內(nèi)線路j上的計算潮流值。

優(yōu)先保證中標(biāo)機組的基本出力,調(diào)整未中標(biāo)機組的發(fā)電計劃滿足系統(tǒng)安全校核要求,可激發(fā)機組參與調(diào)頻市場并理性報價的積極性。

4 算例分析

本算例以IEEE 14節(jié)點系統(tǒng)模擬了5臺機組考慮中長期電量合約分解的調(diào)頻備用市場參與情況,機組參數(shù)如表2所示。

假設(shè)某周每日的負(fù)荷情況如圖3中實線所示,根據(jù)式(4)調(diào)頻容量占峰荷固定比例的計算方法,將比例值設(shè)為1%(美國PJM電力市場設(shè)為0.7%),則每日的向上、向下調(diào)頻容量用柱形圖表示。

由于發(fā)電商申報市場數(shù)據(jù)時已知系統(tǒng)調(diào)頻需求容量,故文中發(fā)電商參與調(diào)頻市場的申報容量由rand(0,Rf)函數(shù)隨機生成,根據(jù)表2中各發(fā)電商申報價格出清調(diào)頻市場,機組中標(biāo)容量見附錄A表A1和表A2。

表2 發(fā)電機組參數(shù)Table 2 Parameters of generation units

圖3 某周調(diào)頻容量預(yù)測情況Fig.3 Forecasting result of frequency regulation capacity in a certain week

調(diào)頻市場由申報價格單一排序,易于機組確定報價策略,價格信號明確。由于機組在調(diào)頻市場中能否中標(biāo)很大程度取決于機組的報價情況,因此,各機組應(yīng)結(jié)合自身機會成本、市場競爭力等因素確定報價策略,理性報價。例如機組5報價不合理,導(dǎo)致其市場成功中標(biāo)率較低,僅在系統(tǒng)調(diào)頻需求較大時能夠競標(biāo)成功,雖性能最優(yōu)卻未獲得理想收益。

文中提出的調(diào)頻市場結(jié)算機制能夠體現(xiàn)性能差異,將調(diào)頻市場的性能指標(biāo)門檻值設(shè)為0.7,雖然機組1能夠在市場中頻繁中標(biāo),但受調(diào)節(jié)性能影響,其有效容量較小,單位中標(biāo)容量的收益較低,僅為機組5單位容量收益的37.3%,此調(diào)頻市場機制可以有效激勵機組改善性能。

調(diào)頻市場出清后,根據(jù)第3節(jié)建立的模型,調(diào)度部門保證調(diào)頻市場成功中標(biāo)機組的基本出力,且考慮電量合約和安全校核約束,分解電量合約確定各機組次日的發(fā)電曲線,圖4為該周第7日各機組的發(fā)電曲線。由圖4可知,由于機組1和機組2的合約電量較少,而這2臺機組在調(diào)頻市場中頻繁中標(biāo)的基本出力必須保證,導(dǎo)致其合約提前完成。

就系統(tǒng)整體而言,調(diào)頻市場優(yōu)先于電量合約的分解可以有效保證系統(tǒng)調(diào)頻需求,并激發(fā)機組參與市場的積極性;且調(diào)頻輔助服務(wù)市場化能夠以市場手段體現(xiàn)實際供需和價值,解決了當(dāng)前補償機制的不合理問題,有效引導(dǎo)資源配置。調(diào)度部門僅需額外考慮調(diào)頻市場中標(biāo)機組的基本出力約束,其他諸如平衡機制的要求并未發(fā)生變化,滿足系統(tǒng)的安全可靠性要求。

圖4 該周第7日機組發(fā)電曲線Fig.4 Generation curves of the 7th day in the week

5 結(jié)語

當(dāng)前,中國電力體制改革步入快車道,中長期電量合約交易方式已基本在全國范圍內(nèi)實現(xiàn),但由于此次電改要求有序放開,因此,由中長期交易到現(xiàn)貨交易的轉(zhuǎn)變并不是一蹴而就的?，F(xiàn)行調(diào)頻輔助服務(wù)的實施機制存在不合理性,無法有效體現(xiàn)供需和補償價值,需要結(jié)合市場化手段加以解決?？紤]到國內(nèi)電改的特殊性,調(diào)頻輔助服務(wù)市場機制的設(shè)計需要結(jié)合中長期交易進(jìn)行研究。

本文明確了調(diào)頻輔助服務(wù)市場與中長期電量合約的銜接關(guān)系,優(yōu)先出清調(diào)頻市場并在安排機組發(fā)電計劃時保證中標(biāo)機組的基本出力,可以充分滿足系統(tǒng)的調(diào)頻需求,激勵機組參與調(diào)頻市場競價。通過對比了美國PJM電力市場和國內(nèi)廣東省的現(xiàn)有市場機制,提出了一種新的調(diào)頻市場機制,基于性能指標(biāo)門檻值對機組中標(biāo)容量標(biāo)準(zhǔn)化處理,以有效容量概念體現(xiàn)了機組性能差異性,并以邊際機組報價統(tǒng)一出清反映了機組的報價意愿,結(jié)合算例分析了性能優(yōu)機組的補償優(yōu)勢,能夠激發(fā)機組改善性能的積極性。而發(fā)電商參與調(diào)頻市場的策略分析,以及中國由電量市場向未來現(xiàn)貨市場的過渡將是今后研究的方向。

本文研究得到智能電網(wǎng)保護(hù)和運行控制國家重點實驗室開放課題項目“調(diào)頻輔助服務(wù)市場運行機制研究”的資助，謹(jǐn)此致謝！

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。