馬喜平 沈渭程 楊 臣 杜松懷* 蘇 娟 趙鳳展 董彥君

(1.國家電網(wǎng)甘肅省電力公司 電力科學研究院，蘭州 730070； 2.中國農(nóng)業(yè)大學 信息與電氣工程學院，北京 100083)

隨著大規(guī)模的新能源并網(wǎng)，系統(tǒng)隨機與波動性的增加對穩(wěn)定性和峰谷調(diào)節(jié)會產(chǎn)生較大影響。關(guān)于新能源消納[1-3]、資源配置及管理控制[4-6]已有部分研究，但針對新能源微電網(wǎng)參與調(diào)峰的市場研究仍較少?，F(xiàn)貨實時平衡的市場交易可根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度員依據(jù)報價調(diào)整發(fā)電出力或用戶負荷，維持系統(tǒng)的能量平衡和安全運行，可采用建立現(xiàn)貨實時平衡的市場交易機制來處理新能源微電網(wǎng)并網(wǎng)的調(diào)峰問題。在市場環(huán)境下的調(diào)峰過程中，需要建立相應(yīng)的激勵機制，以達到激發(fā)調(diào)峰市場的目的。

新能源微電網(wǎng)并網(wǎng)給電網(wǎng)調(diào)峰帶來一些技術(shù)問題，現(xiàn)有研究提出了相應(yīng)的解決方案，大規(guī)模新能源的調(diào)峰優(yōu)化方案[7-8]、新能源聯(lián)合調(diào)峰[9]、調(diào)峰深度及容量配置[10]、聯(lián)合儲能調(diào)峰性能[11-13]，但關(guān)于新能源微電網(wǎng)參與調(diào)峰市場機制的研究較少。在市場方面如市場模式[14-17]、現(xiàn)貨交易機制[18-21]、峰值調(diào)節(jié)電價補償[22-24]，也存在一定的研究，但關(guān)于新能源微電網(wǎng)的調(diào)峰市場激勵機制研究仍處于起步階段。新能源微電網(wǎng)并網(wǎng)背景下，需要研究其參與調(diào)峰的市場模式及激勵機制，實現(xiàn)激發(fā)調(diào)峰市場主體積極參與的目的。

為達到市場模式下，新能源微電網(wǎng)并網(wǎng)多種資源聯(lián)合調(diào)峰的目的，本研究擬在現(xiàn)貨實時平衡市場機制下，考慮并網(wǎng)發(fā)電機組提供調(diào)峰輔助服務(wù)的考核指標，采用基于現(xiàn)貨實時市場的新能源微電網(wǎng)參與調(diào)峰輔助服務(wù)的激勵模型。擬增加調(diào)峰考核與補償激勵環(huán)節(jié)，引入競爭的正向激勵機制，以期獲得更大程度激發(fā)市場各調(diào)峰主體的潛能與意愿，緩解各類電源間矛盾，達到有效保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運營的目的。

1 現(xiàn)貨實時平衡交易機制

波動性新能源大規(guī)模并網(wǎng)與系統(tǒng)負荷峰谷差不斷增加，調(diào)峰維持實時供需平衡越來越重要。現(xiàn)貨實時平衡交易能夠依據(jù)電網(wǎng)調(diào)度員依據(jù)增減出力(負荷)報價，調(diào)整發(fā)電出力或用戶負荷，維持系統(tǒng)的能量平衡和安全運行，可建立現(xiàn)貨實時平衡的市場交易機制來處理系統(tǒng)調(diào)峰問題。結(jié)合國際經(jīng)驗，實時平衡市場應(yīng)包括：超短期負荷預(yù)測、上調(diào)與下調(diào)出力競價、安全校核、市場結(jié)算等。各部分的設(shè)計方案如下。

1)超短期負荷預(yù)測：為實時平衡交易的基礎(chǔ)，需要高精度的負荷預(yù)測。

2)上調(diào)與下調(diào)出力競價：當市場交易調(diào)度中預(yù)測到存在較大負荷增加或發(fā)電計劃過大，交易機構(gòu)可以組織愿意參與市場調(diào)度的發(fā)電廠申報上下調(diào)節(jié)范圍與價格。系統(tǒng)調(diào)度員根據(jù)總不平衡量及報價順序，調(diào)度機組滿足不平衡量。機組出力調(diào)節(jié)的日內(nèi)平衡市場交易競價曲線見圖1[18]。

圖1 機組出力調(diào)節(jié)的日內(nèi)平衡市場交易競價曲線
Fig.1 Bidding curve of intra-day equilibrium market for unit output regulation

3)安全校核：對實時平衡的市場交易計劃需要校驗線路潮流是否越限、是否存在阻塞，進行兩端平衡調(diào)節(jié)，修正交易結(jié)果，滿足電網(wǎng)安全約束。

4)市場出清結(jié)算：對交易進行機組調(diào)整電量與不平衡電量進行結(jié)算。目前電價機制主要有3種[18]：以北歐市場為代表的統(tǒng)一邊際上調(diào)、下調(diào)價格；以英國市場為代表的一機一價定價；以美國 PJM市場為代表節(jié)點邊際電價。我國目前的電價體制下，可結(jié)合政府批復(fù)電價，發(fā)掘電廠的邊際上調(diào)價格和邊際下調(diào)價格采用節(jié)點邊際電價，也可采用相對簡單的一機一價定價原則。

上述基于現(xiàn)貨平衡市場下的交易機制，屬于傳統(tǒng)調(diào)峰輔助服務(wù)的交易形式。為增加交易中市場主體的積極性，本研究結(jié)合新能源微電網(wǎng)并網(wǎng)調(diào)峰性能指標，增加考核與激勵環(huán)節(jié)，激發(fā)調(diào)峰市場主體的潛能。最后將其交易結(jié)果與未采用激勵機制(傳統(tǒng)交易機制)的交易結(jié)果進行對比分析。

2 新能源微電網(wǎng)并網(wǎng)的調(diào)峰性能指標

高比例新能源大規(guī)模并網(wǎng)必然會加劇電網(wǎng)功率平衡的壓力，市場模式下的新能源以補貼的電價或合約政策進行交易，能夠達到多種資源協(xié)調(diào)聯(lián)合、需求側(cè)管理手段進行調(diào)峰的目的。但需要對系統(tǒng)參與調(diào)峰的資源進行性能評估，因此，新能源微電網(wǎng)并網(wǎng)背景下，對提供輔助服務(wù)的機組進行指標考核。本研究擬選取調(diào)峰參與度、調(diào)峰容量、調(diào)峰速率、調(diào)峰精度4個調(diào)峰指標，在調(diào)峰過程中，前2項指標、后2項指標分別能夠真實反映機組參與調(diào)峰的可調(diào)控范圍、調(diào)控響應(yīng)時間，與調(diào)峰輔助服務(wù)衡量標準基本一致。

1)調(diào)峰參與度R。新能源微電網(wǎng)機組的調(diào)峰參與度R指新能源微電網(wǎng)機組參與調(diào)峰實際運行時間占要求運行時間的百分比，采用式(1)計算：

(1)

式中：Tr為新能源微電網(wǎng)機組參與調(diào)峰實際運行時間；TN為要求運行時間。

2)調(diào)峰容量。新能源微電網(wǎng)機組的調(diào)峰容量是指機組調(diào)峰范圍上限和下限值之差的絕對值或者該絕對值所占機組額定容量的百分數(shù)。

3)調(diào)峰速率V。新能源微電網(wǎng)機組的調(diào)峰速率V是調(diào)解過程的調(diào)峰幅度與調(diào)峰時間之間的比值的絕對值，采用式(2)計算：

V=|ΔP/ΔT|

(2)

式中：ΔP為調(diào)解過程的調(diào)峰幅度；ΔT為機組的調(diào)峰時間。

4)調(diào)峰精度e。新能源微電網(wǎng)機組的調(diào)峰精度e采用式(3)計算：

(3)

式中：t2為機組調(diào)峰過程結(jié)束的時刻；PN為機組的額定容量；z為機組的目標指令；T0為精度統(tǒng)計計算時間；P為機組或電廠實際出力。若z>P，開始功率升高調(diào)峰，開始時刻計為t1，初始功率P1。直到z

圖2 新能源微電網(wǎng)參與調(diào)峰的調(diào)峰過程示意
Fig.2 Schematic diagram of peak regulation process of new energy microgrid

3 基于現(xiàn)貨實時平衡的調(diào)峰激勵

現(xiàn)貨實時平衡交易的市場交易下，結(jié)合并網(wǎng)發(fā)電機組提供調(diào)峰輔助服務(wù)的考核指標，采用基于現(xiàn)貨實時市場的新能源微電網(wǎng)參與調(diào)峰輔助服務(wù)的激勵模型。該模型考慮提供輔助服務(wù)電廠的經(jīng)濟利益，充分肯定其實際貢獻，以考核系數(shù)和激勵系數(shù)，激勵電廠改進技術(shù)設(shè)備，為電網(wǎng)提供經(jīng)濟、優(yōu)質(zhì)、高效的輔助服務(wù)。本研究在現(xiàn)貨平衡交易機制的基礎(chǔ)上，增加考核與補償激勵2部分。

3.1 考核與補償規(guī)則

1)考核規(guī)則。依據(jù)現(xiàn)行調(diào)峰輔助服務(wù)規(guī)則，對于電廠每日平均調(diào)峰速度或精度不滿足要求的，當日進行考核。各項指標應(yīng)達到新能源微電網(wǎng)參與調(diào)峰的指標考核標準(表1)[22]。

表1 新能源微電網(wǎng)參與調(diào)峰的指標考核標準Table 1 Index assessment standard of new energy microgrid peak regulation

注：PN為機組的額定容量。

Notes：PNis the rated capacity of the unit.

2)補償規(guī)則。對于提供調(diào)峰輔助服務(wù)的機組，且機組性能指標滿足新能源微電網(wǎng)參與調(diào)峰的指標考核標準，對其調(diào)峰過程進行補償，補償費用的大小取決于機組調(diào)峰過程的貢獻量，并計算調(diào)峰輔助服務(wù)補償?shù)目傎M用，采用式(4)和(5)計算：

(4)

F=∑MR

(5)

式中：M為調(diào)峰過程貢獻量；ΔP為調(diào)峰過程的調(diào)峰幅度；T0為統(tǒng)計精度計算時間，ΔT為機組調(diào)峰過程結(jié)束后，進入了穩(wěn)態(tài)，進行調(diào)峰精度統(tǒng)計計算的時間段長短；F為總補償費用；M為調(diào)峰過程貢獻量；R為每MWh應(yīng)補償?shù)馁M用。對于調(diào)峰性能不滿足新能源微電網(wǎng)參與調(diào)峰的指標考核標準的調(diào)峰過程不予補償。

在考核指標中，主要考慮后2項指標，以此判斷機組是否符合參與調(diào)峰的標準或?qū)π阅懿缓细竦臋C組進行扣罰。針對前2項指標，擬考慮在激勵機制中，對一些容量小，但實際參與了調(diào)峰的進行激勵，期望達到：1)盡可能鼓勵機組根據(jù)調(diào)度計劃提供調(diào)峰輔助服務(wù)，維持電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。2)對于調(diào)峰性能不合格的機組給予扣罰，同時又不否定其做出的調(diào)峰貢獻；既有懲罰，又肯定電廠的貢獻，更為靈活。

3.2 考核補償激勵模型

上述考核與補償標準規(guī)則，計算簡單，但不夠靈活。補償規(guī)則中對于性能不滿足要求的調(diào)峰過程不予補償，同時受到考核，無法真實反映發(fā)電廠機組的實際貢獻，對電廠會造成經(jīng)濟損失，不利于激勵各電廠機組提供輔助服務(wù)。為彌補此缺陷，本研究采用基于現(xiàn)貨實時平衡的調(diào)峰激勵考核與補償模型。

基于現(xiàn)貨實時市場的新能源微電網(wǎng)參與調(diào)峰輔助服務(wù)激勵模型建立的基本思想見圖3。1)在現(xiàn)貨實時平衡交易的基礎(chǔ)上，評估各機組調(diào)峰性能。2)對性能不合格的機組依據(jù)考核規(guī)則進行電量考核，考核結(jié)果乘以考核系數(shù)，得到最終的考核扣罰結(jié)果，其中考核系數(shù)大小由機組調(diào)峰性能好壞決定。3)依據(jù)考核結(jié)果和超短期負荷預(yù)測結(jié)果計算機組的調(diào)峰貢獻量，根據(jù)機組調(diào)峰性能對貢獻量乘以激勵系數(shù)，得到最終貢獻量，按最終貢獻量大小進行費用補償。4)進行交易和出清計算。

該模型在調(diào)峰過程中，只要機組參與調(diào)峰，都需進行調(diào)峰貢獻量計算，貢獻量大小跟機組的調(diào)峰性能存在直接關(guān)系，性能越好，貢獻量越大，反之亦然。機組扣罰電量與調(diào)峰貢獻量進行核算方法如下。

1)機組扣罰電量采用式(6)和(7)計算：

(6)

(7)

圖3 新能源微電網(wǎng)調(diào)峰的實時平衡交易流程
Fig.3 Real time equilibrium transaction flow chart of new energy micro grid peak regulation

式中：C為n天總的扣罰電量，n為調(diào)峰天數(shù)；Ci為日平均調(diào)峰速度或精度不滿足要求時，應(yīng)扣罰的電量；ki為考核系數(shù)，機組調(diào)峰性能偏離考核標準的程度，偏離越大，ki越大，考核電量也越多；vi和ei分別為機組的實際第i天平均調(diào)峰速度和平均調(diào)峰精度，vN和eN為機組調(diào)峰速度和調(diào)峰精度考核標準。

2)機組調(diào)峰貢獻量采用式(8)計算：

(8)

(9)

式中：M為機組n天總的調(diào)峰貢獻量；n為調(diào)峰天數(shù)；m為1天中完整的調(diào)峰過程次數(shù)；ΔPij為第i天第j個調(diào)峰過程的調(diào)峰幅度；T0為統(tǒng)計精度計算時間；ΔTij為第i天第j個調(diào)峰過程的調(diào)峰時間；kij為機組的激勵系數(shù)，表明機組的綜合調(diào)峰性能的高低，kij<1，表示懲罰機組，kij>1，表示獎勵機組；vij和eij分別為機組的實際調(diào)峰速度和調(diào)峰精度；vN和eN分別為機組調(diào)峰速度和調(diào)峰精度考核標準。

4 算例分析

依照新能源微電網(wǎng)調(diào)峰的實時平衡交易流程，結(jié)合電網(wǎng)輔助服務(wù)相關(guān)補償規(guī)則，測算當前發(fā)電機組現(xiàn)貨實時平衡市場下調(diào)峰輔助服務(wù)的考核與補償水平，將其交易結(jié)果與未采用激勵機制(傳統(tǒng)交易機制)的交易結(jié)果進行對比。本研究算例以電網(wǎng)實際發(fā)用電數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對電網(wǎng)機組進行簡化等效，新能源微電網(wǎng)的發(fā)電機組基本情況見表2。

表2 新能源微電網(wǎng)的發(fā)電機組基本情況Table 2 Basic situation of generator set in new energy microgrid

4.1 峰平谷時段的確定

根據(jù)不同季節(jié)的負荷特點，算例選取秋冬季(09—12月)時段。

首先確定系統(tǒng)峰平谷時段。負荷高峰時段為09：30—11：30和16：30—19：30，總計5 h；負荷低谷時段為00：00—05：00，總計5 h；其余為平時段。根據(jù)當前峰平谷時段劃分，以火電機組和新能源機組的出力總和，計算火電機組在發(fā)電空間未收到新能源擠占條件下，在峰平谷時段平均出力。

4.2 扣罰電量核算對比

根據(jù)電網(wǎng)實測數(shù)據(jù)，對機組分別進行未采用激勵機制的標準場景和采用激勵機制的激勵場景進行機組考核和補償?shù)挠嬎悴⒈容^，考核采用9—12月的數(shù)據(jù)。不同場景下機組調(diào)峰的扣罰電量對比計算結(jié)果見表3?；诩顧C制的扣罰電量平均比標準扣罰少51.84%，說明激勵機制一方面鼓勵電廠根據(jù)調(diào)度計劃提供調(diào)峰輔助服務(wù)，另一方面對調(diào)峰性能不合格的機組給予扣罰，但不否定其做出的調(diào)峰貢獻，間接增加機組參與調(diào)峰輔助服務(wù)的貢獻量。

表3 不同場景下機組調(diào)峰的扣罰電量對比Table 3 Comparison of the power penalty for peak load regulation in different scenarios MWh

4.3 調(diào)峰貢獻量核算對比

根據(jù)電網(wǎng)實測數(shù)據(jù)，補償采用的是9月份的數(shù)據(jù)，標準場景與激勵場景下的新能源微電網(wǎng)的調(diào)峰貢獻量對比結(jié)果見圖4。9月份基于激勵機制的機組調(diào)峰貢獻量普遍高于未采用激勵機制的調(diào)峰貢獻量，計算發(fā)現(xiàn)激勵作用的機組調(diào)峰貢獻量增加46.82%，說明基于激勵機制的補償細化了傳統(tǒng)機組調(diào)峰機制，根據(jù)機組的調(diào)峰性能好壞進行補償，機組性能越好，貢獻量越大，補償費用就越多；性能較差的機組，補償費用相對越少，能夠達到激勵電廠改進技術(shù)，為電網(wǎng)提供優(yōu)質(zhì)的調(diào)峰輔助服務(wù)的目的，同時為電廠帶來更多經(jīng)濟效益，實現(xiàn)雙贏。

圖4 不同場景下新能源微電網(wǎng)的調(diào)峰貢獻量對比
Fig.4 Comparison of peak load regulation contribution of new energy microgrid in different scenarios

4.4 市場出清結(jié)果

根據(jù)不同場景下新能源微電網(wǎng)調(diào)峰的考核和補償數(shù)據(jù)，確定機組各時段參與調(diào)峰的考核電量和調(diào)峰貢獻量。結(jié)合新能源微電網(wǎng)機組參與調(diào)峰的平衡交易市場報價，核算實時平衡交易的市場出清結(jié)果見表4?？梢姡嫌嫯斕煺{(diào)峰補償與考核費用，標準場景下共22.98萬元調(diào)峰收入，激勵場景下共35.68萬元調(diào)峰收入；相比標準場景，基于現(xiàn)貨平衡的激勵機制降低了新能源機組參與調(diào)峰的部分考核費用，提高了補償費用，調(diào)峰收入增加55.27%。

表4 新能源微電網(wǎng)調(diào)峰的實時平衡交易市場出清結(jié)果Table 4 Clearing results of real-time equilibrium trading market for peak load regulation of new energy microgrid

5 結(jié) 論

高比例新能源并入大型配電網(wǎng)或農(nóng)村電網(wǎng)會增加電網(wǎng)的波動性與隨機性，市場模式下以新能源補貼電價或合約政策等需求側(cè)管理手段，能夠達到多種資源協(xié)調(diào)聯(lián)合進行調(diào)峰的目的。本研究在現(xiàn)貨實時平衡的市場機制下，結(jié)合機組提供調(diào)峰輔助服務(wù)的調(diào)峰參與度、調(diào)峰容量、調(diào)峰速率、調(diào)峰精度考核指標，采用基于現(xiàn)貨實時市場的新能源微電網(wǎng)參與調(diào)峰輔助服務(wù)的激勵模型對新能源微電網(wǎng)參與調(diào)峰進行激勵。該模型增加考核與補償激勵環(huán)節(jié)，考慮提供輔助服務(wù)電廠的經(jīng)濟利益，充分肯定電廠實際調(diào)峰貢獻，激勵其提供經(jīng)濟、優(yōu)質(zhì)、高效的輔助服務(wù)。最后采用算例，驗證激勵機制的可行性與有效性，引入競爭的正向激勵機制，更大程度的激發(fā)市場各調(diào)峰主體的潛能與意愿，緩解各類電源間矛盾的同時，有效的保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運營，但對運行調(diào)度的要求也有所提高，需要更加準確、及時的調(diào)度。