陳啟鑫，劉 學(xué)，房曦晨，郭鴻業(yè)，林慶標(biāo)

（1. 電力系統(tǒng)及大型發(fā)電設(shè)備安全控制和仿真國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，清華大學(xué)，北京市100084；2. 清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系，北京市100084；3. 中國(guó)南方電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心，廣東省廣州市510623）

0 引言

隨著全球氣候變化與環(huán)境問(wèn)題的日益凸顯，以風(fēng)電、光伏、水電為主的可再生能源在世界范圍內(nèi)受到廣泛關(guān)注并迅速發(fā)展。截至2019 年底，風(fēng)電、光伏發(fā)電裝機(jī)合計(jì)414 GW，占全國(guó)發(fā)電總裝機(jī)的20.6%，中國(guó)水電裝機(jī)容量356 GW，占比17.7%，均穩(wěn)居世界第一位［1］。未來(lái)可再生能源的消費(fèi)比重還將持續(xù)高速增長(zhǎng)，逐漸成為主要的能源供給形式［2-3］。

當(dāng)前，中國(guó)新一輪電力體制改革進(jìn)展迅速，并以南方（以廣東起步）等8 個(gè)地區(qū)作為第一批試點(diǎn)，相繼組織推動(dòng)電力現(xiàn)貨市場(chǎng)建設(shè)工作［4-5］。電力現(xiàn)貨市場(chǎng)是以變動(dòng)成本為競(jìng)爭(zhēng)基礎(chǔ)的市場(chǎng)，天然有利于變動(dòng)成本極低的可再生能源參與競(jìng)爭(zhēng)，有利于促進(jìn)可再生能源消納。然而，由于市場(chǎng)報(bào)價(jià)行為具有隨機(jī)性和非理性，可能出現(xiàn)可再生能源提交高于其發(fā)電成本的博弈性報(bào)價(jià)，導(dǎo)致無(wú)法中標(biāo)而棄能的現(xiàn)象。這種情況在國(guó)外現(xiàn)貨市場(chǎng)運(yùn)行中較為普遍，但國(guó)外電力市場(chǎng)大多未應(yīng)用可再生能源保障性消納的強(qiáng)制要求，沒(méi)有出臺(tái)特殊的處理辦法。文獻(xiàn)［6］總結(jié)了北美各電力市場(chǎng)可再生能源參與日前市場(chǎng)、實(shí)時(shí)市場(chǎng)、提供輔助服務(wù)、不平衡電量結(jié)算、預(yù)測(cè)成本分?jǐn)偟葐?wèn)題。北歐電力市場(chǎng)建立了逐小時(shí)的日內(nèi)市場(chǎng)，可再生能源發(fā)電商可根據(jù)最新預(yù)測(cè)結(jié)果更新報(bào)價(jià)［7-8］，不平衡電量采用雙價(jià)格系統(tǒng)結(jié)算［9］。

中國(guó)目前對(duì)可再生能源實(shí)行保障性收購(gòu)，這就為國(guó)內(nèi)電力市場(chǎng)運(yùn)行提出了一個(gè)強(qiáng)制性的邊界條件。傳統(tǒng)的電力市場(chǎng)機(jī)制顯然無(wú)法同時(shí)實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)化定價(jià)與保障性消納的功能。一方面，若在保障消納的前提下予以可再生能源充分的報(bào)價(jià)權(quán)，無(wú)疑等同于鼓勵(lì)其“有恃無(wú)恐”抬價(jià)，從而利用政策“關(guān)照”高價(jià)中標(biāo)。另一方面，若取消可再生能源的報(bào)價(jià)權(quán)，將其作為完全的價(jià)格接受者參與現(xiàn)貨市場(chǎng)，則又違背了市場(chǎng)主體公平競(jìng)價(jià)的原則，且將導(dǎo)致高比例可再生能源省區(qū)出現(xiàn)“價(jià)格信號(hào)消失”的情況，即在低谷時(shí)出清價(jià)格極低甚至為零，從而導(dǎo)致大面積發(fā)電側(cè)虧損，影響市場(chǎng)的平穩(wěn)運(yùn)行。因此，如何通過(guò)科學(xué)的電力現(xiàn)貨市場(chǎng)機(jī)制設(shè)計(jì)，在保持市場(chǎng)定價(jià)與資源優(yōu)化配置功能的前提下實(shí)現(xiàn)可再生能源的保障性消納，將是中國(guó)電力市場(chǎng)機(jī)制建設(shè)中面臨的新挑戰(zhàn)［10］。

基于上述分析，本文將可再生能源的保障性消納納入電力市場(chǎng)的機(jī)制設(shè)計(jì)之中，提出了現(xiàn)貨市場(chǎng)在發(fā)生棄能時(shí)觸發(fā)的保障性消納出清機(jī)制。具體而言，在現(xiàn)貨市場(chǎng)一般性出清計(jì)算的基礎(chǔ)上，發(fā)生棄能時(shí)，首先對(duì)棄能機(jī)組的報(bào)價(jià)進(jìn)行修正，在保持報(bào)價(jià)序列的前提下進(jìn)行價(jià)區(qū)縮放，調(diào)整為優(yōu)先出清的價(jià)格接受者；其次，基于修正后的投標(biāo)信息進(jìn)行第2 次出清計(jì)算，以實(shí)現(xiàn)可再生能源的保障性消納；最后，基于2 次出清的結(jié)果，提出了激勵(lì)相容的結(jié)算補(bǔ)償機(jī)制，在保障棄能機(jī)組獲得適度收益的基礎(chǔ)上，對(duì)出讓發(fā)電空間的常規(guī)機(jī)組給予合理的補(bǔ)償。為驗(yàn)證所提市場(chǎng)機(jī)制的有效性，本文構(gòu)建了含高比例可再生能源的現(xiàn)貨市場(chǎng)出清模型，考慮到梯級(jí)水電復(fù)雜的運(yùn)行特性［11-15］，以其為代表進(jìn)行融合建模，可對(duì)中國(guó)華南、西南、華中等地區(qū)含高比例水電現(xiàn)貨市場(chǎng)的運(yùn)行情況進(jìn)行模擬分析。

1 市場(chǎng)機(jī)制設(shè)計(jì)的原則與流程

1.1 機(jī)制設(shè)計(jì)的原則

結(jié)合機(jī)制設(shè)計(jì)理論［16-17］與中國(guó)可再生能源保障性消納的強(qiáng)制要求，本文所提出的保障可再生能源消納的市場(chǎng)機(jī)制設(shè)計(jì)，應(yīng)滿(mǎn)足以下基本原則。

1）個(gè)體理性。與不參與市場(chǎng)相比，市場(chǎng)成員參與市場(chǎng)可獲得凈收益，以保障市場(chǎng)主體的參與意愿。

2）市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。在未觸發(fā)保障性消納時(shí)，市場(chǎng)正常運(yùn)行，應(yīng)賦予可再生能源報(bào)價(jià)選擇權(quán)與市場(chǎng)定價(jià)權(quán)，通過(guò)市場(chǎng)機(jī)制發(fā)現(xiàn)反映實(shí)時(shí)供需水平的真實(shí)價(jià)格信號(hào)；觸發(fā)保障性消納時(shí)，應(yīng)按照原始的報(bào)價(jià)序列，優(yōu)先安排低報(bào)價(jià)棄能機(jī)組消納，獲得強(qiáng)制消納的棄能機(jī)組應(yīng)作為價(jià)格接受者喪失定價(jià)權(quán)，以盡量避免價(jià)格扭曲與干擾。

3）激勵(lì)相容。觸發(fā)保障性消納時(shí)，可再生能源應(yīng)以高于變動(dòng)成本、低于正常出清水平的較低價(jià)格結(jié)算消納棄能；有調(diào)節(jié)能力的常規(guī)電源在2 次出清時(shí)為可再生能源讓出了消納空間，應(yīng)得到合理補(bǔ)償。

4）收益中性。市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)機(jī)構(gòu)作為中立的非盈利方，應(yīng)保障其收支平衡。

5）政策約束。在滿(mǎn)足系統(tǒng)運(yùn)行條件的基礎(chǔ)上，保障可再生能源優(yōu)先消納。

1.2 市場(chǎng)機(jī)制的流程

以日前市場(chǎng)為例描述現(xiàn)貨市場(chǎng)的組織流程，該流程可同理應(yīng)用于日內(nèi)或?qū)崟r(shí)的市場(chǎng)組織，不再贅述。常規(guī)電源和可再生能源均申報(bào)多段量?jī)r(jià)曲線參與交易，市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)機(jī)構(gòu)在收集市場(chǎng)成員投標(biāo)信息之后，基于電網(wǎng)運(yùn)行模型與市場(chǎng)邊界條件，通過(guò)運(yùn)行安全約束機(jī)組組合（SCUC）程序得到日前市場(chǎng)出清結(jié)果，包括機(jī)組的開(kāi)停機(jī)安排與發(fā)電曲線，并計(jì)算節(jié)點(diǎn)邊際電價(jià)［18］。

當(dāng)市場(chǎng)出現(xiàn)可再生能源棄能時(shí)，觸發(fā)保障性消納出清機(jī)制，主要包括3 個(gè)流程。

1）價(jià)格修正

修正棄能機(jī)組的投標(biāo)價(jià)格。在保持機(jī)組原報(bào)價(jià)序列的前提下，引入一個(gè)較低的修正系數(shù)，將有棄能的可再生能源機(jī)組報(bào)價(jià)等比例調(diào)減至較低水平。一般來(lái)說(shuō)，該修正系數(shù)應(yīng)保證修正后的報(bào)價(jià)水平高于可再生能源機(jī)組的變動(dòng)成本，考慮到風(fēng)、光、水的運(yùn)行特性，該比例系數(shù)可取一個(gè)較大值（如90%），具體數(shù)值由政府部門(mén)或市場(chǎng)管理委員會(huì)制定，從而生成了調(diào)整后的“棄能消納報(bào)價(jià)”投標(biāo)。

修正后的棄能消納報(bào)價(jià)極低，因此在后續(xù)2 次出清環(huán)節(jié)中，棄能電量得以?xún)?yōu)先出清，實(shí)現(xiàn)了可再生能源保障性消納。除此之外，由于采用了報(bào)價(jià)區(qū)間縮放，維持棄能機(jī)組的報(bào)價(jià)排序不變，如圖1 所示。圖中，P0和Q0分別為第1 次市場(chǎng)出清中標(biāo)價(jià)格和電量；P1和Q1分別為觸發(fā)保障性消納機(jī)制后市場(chǎng)出清中標(biāo)價(jià)格和電量。

圖1 第1 次市場(chǎng)出清及觸發(fā)可再生能源保障性消納機(jī)制后市場(chǎng)出清情況Fig.1 Primary market clearing situation and market clearing situation with guaranteed accommodation mechanism of renewable energy

因此，當(dāng)系統(tǒng)所有調(diào)節(jié)資源用盡仍有棄能時(shí)，原始報(bào)價(jià)低的棄能機(jī)組將被優(yōu)先安排消納。需要說(shuō)明的是，與所有可再生能源機(jī)組按零價(jià)參與出清的情況相比，保持棄能機(jī)組的經(jīng)濟(jì)序列盡管可能最終消納量略低于理論最大值，但卻充分體現(xiàn)了價(jià)格選擇的市場(chǎng)屬性，有助于維護(hù)市場(chǎng)公平，促使可再生能源理性報(bào)價(jià)。

考慮到市場(chǎng)建設(shè)初期，部分現(xiàn)貨試點(diǎn)省份設(shè)有市場(chǎng)最低限價(jià)，因此修正后的棄能消納報(bào)價(jià)應(yīng)大于零且小于市場(chǎng)最低限價(jià)（或該省火電最低燃料成本），以最大程度調(diào)動(dòng)火電的調(diào)節(jié)能力，達(dá)到較好的實(shí)施效果。

2）2 次出清

維持其他機(jī)組原有報(bào)價(jià)，有棄能的機(jī)組按修正后的棄能消納報(bào)價(jià)參與市場(chǎng)2 次出清；若2 次出清過(guò)程中出現(xiàn)在第1 次出清中已經(jīng)消納的可再生能源機(jī)組產(chǎn)生新的棄能，則這些機(jī)組的原始報(bào)價(jià)也將被修正縮放，得到更優(yōu)先的消納；通過(guò)以上的迭代修正計(jì)算，在實(shí)現(xiàn)可再生能源保障性消納的前提下，也確保了原始報(bào)價(jià)序列確定的消納順序。2 次出清的最終結(jié)果將作為運(yùn)行日的實(shí)際調(diào)度計(jì)劃下發(fā)執(zhí)行。

3）結(jié)算補(bǔ)償

第1 次出清的價(jià)格由市場(chǎng)成員的原始申報(bào)信息確定，沒(méi)有受到保障性消納政策的影響，體現(xiàn)了市場(chǎng)供需決定價(jià)格的功能。因此，所形成的電價(jià)與電量將作為全體用戶(hù)以及未在2 次出清中受到影響的機(jī)組的結(jié)算依據(jù)。

由于第2 次出清考慮了保障性消納政策，部分棄能機(jī)組將獲得額外的發(fā)電量，而有一些常規(guī)機(jī)組則將出讓部分發(fā)電量，本質(zhì)上等同于產(chǎn)生了棄能機(jī)組與常規(guī)機(jī)組之間的發(fā)電權(quán)轉(zhuǎn)讓。由于第2 次出清縮放了棄能機(jī)組原始的高報(bào)價(jià)信息，市場(chǎng)出清價(jià)格將出現(xiàn)一定程度的下降。對(duì)于棄能機(jī)組產(chǎn)生的增量消納電量，按2 次出清的節(jié)點(diǎn)電價(jià)結(jié)算；對(duì)于常規(guī)機(jī)組出讓的發(fā)電量，則按2 次出清的節(jié)點(diǎn)電價(jià)差獲得補(bǔ)償。此結(jié)算方法符合激勵(lì)相容原理，首先，對(duì)于棄能機(jī)組的增發(fā)電量，其結(jié)算價(jià)格通常低于1 次出清產(chǎn)生的價(jià)格，可有效抑制其博弈高價(jià)的沖動(dòng)；其次，常規(guī)機(jī)組出讓的發(fā)電量則可獲得一定的價(jià)差補(bǔ)償，以激勵(lì)其出讓發(fā)電空間，保障性消納對(duì)1 次出清的影響越大，價(jià)格的變化也越大，機(jī)組可獲得的補(bǔ)償也越多；反之亦然，如圖1 所示。

上述結(jié)算方法同時(shí)實(shí)現(xiàn)了收益中性，等效于在棄能機(jī)組與常規(guī)機(jī)組之間進(jìn)行了收益轉(zhuǎn)移結(jié)算，市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)機(jī)構(gòu)不會(huì)由于保障性消納帶來(lái)新的不平衡資金，可執(zhí)行性強(qiáng)。

2 保障性消納的現(xiàn)貨市場(chǎng)出清模型

本章將對(duì)考慮可再生能源參與競(jìng)價(jià)的現(xiàn)貨市場(chǎng)出清模型進(jìn)行數(shù)學(xué)建模?？紤]到水電較之風(fēng)光電源具有更特殊復(fù)雜的運(yùn)行約束，因此將重點(diǎn)對(duì)梯級(jí)水電的運(yùn)行特性進(jìn)行考慮，并結(jié)合可再生能源保障性消納機(jī)制，對(duì)現(xiàn)貨市場(chǎng)的出清模型進(jìn)行修正重構(gòu)。

2.1 考慮梯級(jí)水電競(jìng)價(jià)的現(xiàn)貨市場(chǎng)出清模型

1）目標(biāo)函數(shù)

此環(huán)節(jié)為一般性出清，不考慮可再生能源的棄能因素，出清模型目標(biāo)函數(shù)為:

2）系統(tǒng)負(fù)荷平衡約束

3）線路潮流約束

式中:Pmaxl為線路l 的潮流傳輸極限；Gl，n為火電機(jī)組n 所在節(jié)點(diǎn)對(duì)線路l 的發(fā)電機(jī)輸出功率轉(zhuǎn)移分布因子；Gl，m為 可 再 生 能 源m 所 在 節(jié) 點(diǎn) 對(duì) 線 路l 的 發(fā) 電 機(jī)輸出功率轉(zhuǎn)移分布因子；Gl，i為節(jié)點(diǎn)i 對(duì)線路l 的轉(zhuǎn)移 分 布 因 子；Di，t為 節(jié) 點(diǎn)i 在 時(shí) 段t 的 母 線 負(fù) 荷 值。

4）火電機(jī)組約束

式（4）為火電機(jī)組出力約束，式（5）和式（6）為火電機(jī)組爬坡約束，式（7）和式（8）為火電機(jī)組最小連續(xù)開(kāi)停時(shí)間約束，式（9）和式（10）為機(jī)組最大啟停次數(shù)約束。

5）風(fēng)電、光伏、徑流式水電發(fā)電約束

6）流域梯級(jí)水電站約束

依據(jù)中長(zhǎng)期水位控制要求，綜合考慮來(lái)水情況、水利樞紐安全等因素，精確考慮各時(shí)段內(nèi)棄水風(fēng)險(xiǎn)和梯級(jí)上下游配合要求，確定運(yùn)行日各時(shí)段（96 個(gè)時(shí)段）水位控制區(qū)間，同時(shí)將水位控制要求進(jìn)行線性化處理，嵌入日前市場(chǎng)出清模型之中［19］。

水電站水位控制要求上下限約束為:

式（13）為水電站i 的水庫(kù)動(dòng)態(tài)平衡方程，設(shè)在日前邊界條件下，某一個(gè)水位范圍內(nèi)水庫(kù)水面面積不變。

式 中:Zi，t，start為 水 電 站i 在 時(shí) 段t 的 初 始 水 位；Qi，t為水電站i 在時(shí)段t 的發(fā)電流量；Q為水電站i 在時(shí)段t 的 棄 水 流 量；Q為 水 電 站i 在 時(shí) 段t 的 來(lái) 水 流 量；Si為水電站i 的水庫(kù)水面面積。

式（14）為水電站i 的來(lái)水流量表達(dá)式。根據(jù)日前邊界條件預(yù)判的下泄流量規(guī)模，確定各水電站之間的滯時(shí)，設(shè)其為一固定值。

式（15）為水電站i 的水量-電量轉(zhuǎn)換關(guān)系。設(shè)在日前出清的時(shí)段內(nèi)，水電站的耗水率不變且忽略水頭因素。

式 中:Pi，t為 水 電 站i 在 時(shí) 段t 的 出 力；hi為 水 電 站i 的耗水率。

綜合式（12）至式（15），水位控制約束為:

式 中:Zi，0為 水 電 站i 的 初 始 水 位；T 為 出 清 時(shí) 段；Pup，t-τ()i為水電站i 的上游水電站在時(shí)段t-τ(i)的出力；hup為水電站i 的上游水電站的耗水率。

式（17）為棄水電量判定約束，棄水電量的計(jì)算方法為，取“棄水流量理論棄水電量”和“可用容量理論棄水電量”較小值，即式中:PWi，t為水電機(jī)組i 在時(shí)段t 的棄水電量；Δt 為統(tǒng)計(jì)時(shí)長(zhǎng)；Pi，max為水電i 在該時(shí)段水電機(jī)組的最大可調(diào)出力（應(yīng)扣除機(jī)組檢修等）；M'為一極大正數(shù)。αi，t為0-1 變 量，當(dāng)Pi，max-Pi，t＞Q/hi時(shí)，αi，t=1；當(dāng)Pi，max-Pi，t＜Q/hi時(shí)，αi，t=0。

該模型將流域梯級(jí)上下游水電站的水位、流量、出力等非線性耦合關(guān)系置于出清模型之外予以考慮，并將優(yōu)化結(jié)果通過(guò)線性化水位控制約束條件的方式嵌入現(xiàn)貨市場(chǎng)出清模型之中，從而保證求解精度和求解效率。在出清結(jié)果中，如果水電站在時(shí)段內(nèi)沒(méi)有到達(dá)水位限制，則水電站擁有定價(jià)權(quán)，報(bào)價(jià)參與節(jié)點(diǎn)價(jià)格計(jì)算；若水電站在某時(shí)段內(nèi)水位到達(dá)水位限制，其情況類(lèi)似于火電達(dá)到最小技術(shù)出力，報(bào)價(jià)不參與節(jié)點(diǎn)電價(jià)計(jì)算，成為價(jià)格接受者。

2.2 可再生能源保障性消納出清修正模型

當(dāng)上述一般性出清模型的出清結(jié)果存在可再生能源棄能電量時(shí)，觸發(fā)可再生能源保障性機(jī)制，其出清模型將進(jìn)行如下修正。

1）目標(biāo)函數(shù)修正

考慮可再生能源保障性消納的電力市場(chǎng)出清修正模型目標(biāo)函數(shù)為:

式中:Mm，k為可再生能源m 第k 段報(bào)價(jià)棄能懲罰因子，值 為 可 再 生 能 源 報(bào) 價(jià)λ的 一 定 百 分 比；Wm，t，k為可再生能源m 在時(shí)段t 的第k 段報(bào)價(jià)產(chǎn)生的棄能電量。如果第1 次出清中系統(tǒng)沒(méi)有產(chǎn)生可再生能源棄能，則懲罰因子M 不會(huì)發(fā)生作用；若系統(tǒng)存在可再生能源棄能，此時(shí)M 被激活，通過(guò)M 的作用降低棄能電量?jī)r(jià)格，實(shí)現(xiàn)可再生能源的保障性消納。

2）約束條件修正

系統(tǒng)負(fù)荷平衡約束、線路潮流約束、火電機(jī)組約束、可再生能源發(fā)電約束同2.1 節(jié)，另外還需要增加棄能電量約束。約束（21）是依據(jù)庫(kù)容水電特性而確定懲罰因子起作用的范圍，保證懲罰因子僅作用于消納棄水電量，而不會(huì)把棄水電量之上、本不應(yīng)中標(biāo)的電量也發(fā)出。

式中:Wm，k為可再生能源m 的第k 段報(bào)價(jià)產(chǎn)生的棄能出力；Wm，max為棄能全部消納時(shí)的對(duì)應(yīng)出力；Pm，k，min和Pm，k，max分 別 為 可 再 生 能 源m 第k 段 申 報(bào) 出力的最小值與最大值；Pm，k為可再生能源m 第k 段中標(biāo)出力。

2.3 激勵(lì)相容的結(jié)算機(jī)制

1）發(fā)電側(cè)結(jié)算

本文所提機(jī)制包含2 次出清計(jì)算，相應(yīng)地發(fā)電側(cè)也按2 步分別結(jié)算，發(fā)電側(cè)收益情況如下:

2）用戶(hù)側(cè)結(jié)算

在第1 次出清計(jì)算中，市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)商根據(jù)市場(chǎng)的供需及報(bào)價(jià)，完成發(fā)電商與用戶(hù)之間的市場(chǎng)出清?？稍偕茉幢Ｕ闲韵{機(jī)制，是市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)商為保證可再生能源保障性消納而進(jìn)行的電源側(cè)發(fā)電權(quán)轉(zhuǎn)讓。因此，用戶(hù)只需按第1 次出清價(jià)格進(jìn)行結(jié)算:

3 算例分析

1）基本數(shù)據(jù)

本文采用改進(jìn)的IEEE 30 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)驗(yàn)證本文所提機(jī)制和模型的有效性，如圖2 所示。

圖2 改進(jìn)的IEEE 30 節(jié)點(diǎn)測(cè)試系統(tǒng)Fig.2 Improved IEEE 30-bus test system

改進(jìn)的IEEE 30 節(jié)點(diǎn)測(cè)試系統(tǒng)基本信息如表1和表2 所示。為更好地體現(xiàn)模型效果，算例模擬高比例可再生能源系統(tǒng)，共設(shè)置3 臺(tái)火電機(jī)組、2 個(gè)風(fēng)電廠、2 個(gè)光伏電站、3 座流域梯級(jí)水電站以及1 座徑流式水電站?？傃b機(jī)容量為4 920 MW，其中火電裝機(jī)容量為2 000 MW，占比40.7%；風(fēng)電裝機(jī)容量為900 MW，占比18.3%；光伏發(fā)電裝機(jī)容量為500 MW，占比10.2%；水電裝機(jī)容量為1 520 MW，占比30.9%。

表1 機(jī)組運(yùn)行參數(shù)Table 1 Operation parameters of units

表2 梯級(jí)水電站運(yùn)行參數(shù)Table 2 Operation parameters of cascaded hydropower stations

為驗(yàn)證所提機(jī)制的有效性，設(shè)立2 個(gè)對(duì)照方案，本文所提市場(chǎng)機(jī)制為方案3。方案1 為可再生能源全額消納場(chǎng)景，可再生能源以最低價(jià)參與市場(chǎng)出清；方案2 不考慮棄能全額消納的要求，可再生能源正常報(bào)價(jià)競(jìng)爭(zhēng)?？稍偕茉窗?30～450 元/（MW·h）分段報(bào)價(jià)，火電機(jī)組按200～560 元/（MW·h）分段報(bào)價(jià)［20］。

2）可再生能源消納情況

3 種方案的市場(chǎng)出清結(jié)果如表3 與圖3 所示。

表3 可再生能源消納情況對(duì)比Table 3 Comparison of renewable energy accommodation situations

圖3 市場(chǎng)出清結(jié)果中節(jié)點(diǎn)邊際電價(jià)對(duì)比Fig.3 Comparison of locational marginal prices of market clearing results

方案1 實(shí)現(xiàn)了理論上的最大程度可再生能源消納，總棄能共計(jì)2 002.2 MW·h。然而，高比例新能源作為價(jià)格接受者參與市場(chǎng)將嚴(yán)重拉低各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電價(jià)，如圖3 所示，部分時(shí)段甚至出現(xiàn)了“價(jià)格信號(hào)消失”的現(xiàn)象。方案2 中，可再生能源中標(biāo)電量完全由報(bào)價(jià)決定，不考慮可再生能源保障性消納。因此，在部分時(shí)段將產(chǎn)生較多的棄能電量，高達(dá)3 427.2 MW·h，較方案1 增長(zhǎng)了71.2%，未能實(shí)現(xiàn)可再生能源優(yōu)先消納。方案3 等效于在方案2 的基礎(chǔ)上考慮了本文所提出的可再生能源保障性消納機(jī)制，當(dāng)觸發(fā)棄能時(shí)，通過(guò)報(bào)價(jià)修正與2 次出清進(jìn)行了發(fā)電計(jì)劃的重新計(jì)算，充分調(diào)動(dòng)了常規(guī)能源參與調(diào)節(jié)，總棄能減少到了2 066.5 MW·h，非常接近于方案1 的消納理論最大值，取得了良好的效果。其中，棄風(fēng)電量由1 012.5 MW·h 減少至0，棄水電量由2 414.7 MW·h 減少至2 066.5 MW·h。風(fēng)電較水電棄能減少更多的原因在于:風(fēng)電報(bào)價(jià)比水電低，在2次出清中將優(yōu)先選擇消納申報(bào)價(jià)格較低的棄能電量。

3）電價(jià)與結(jié)算情況

與方案2（等效于方案3 的第1 次出清）相比，方案3 在2 次出清之后，部分時(shí)段的節(jié)點(diǎn)電價(jià)有所下降，如圖3 所示。這是由于2 次出清計(jì)算時(shí)，對(duì)棄能機(jī)組的價(jià)格縮放，使得一次出清中中標(biāo)的邊際機(jī)組被“擠出”，改變了節(jié)點(diǎn)電價(jià)。與方案2 相比，方案3中風(fēng)電機(jī)組G4 增發(fā)了1 012.5 MW 出力，其棄能被完全消納，增發(fā)部分電量的結(jié)算價(jià)格為194.2 元/（MW·h），與第1 次出清計(jì) 算時(shí)的 節(jié)點(diǎn)電 價(jià) 相 比，下 降 了131.9 元/（MW·h），降 幅40.4%；同樣，水電機(jī)組G8 增發(fā)的棄水電量，價(jià)格為255.7 元/（MW·h），與第1 次出清計(jì)算時(shí)的節(jié)點(diǎn)電價(jià)相比，下降了37.2 元/（MW·h），降幅12.7%。

相應(yīng)地，出讓發(fā)電量的常規(guī)機(jī)組將獲得補(bǔ)償，如表4 所示。相比發(fā)出下調(diào)電量，火電機(jī)組G1、G2、G3 可獲得更多補(bǔ)償收益，補(bǔ)償價(jià)格分別為4.5、7.1、1.8 元/（MW·h），而水電機(jī)組G9、G10 獲得的補(bǔ)償價(jià)格為66.7、77.5 元/（MW·h），遠(yuǎn)高于火電。其原因在于在棄能的低負(fù)荷時(shí)段，火電一直維持最小出力，只有在16:00—18:00 高峰負(fù)荷時(shí)，才有出讓電量的空間，此時(shí)兩輪電價(jià)差很小，得到的補(bǔ)償也相應(yīng)較低。對(duì)比來(lái)看，水電具有倒庫(kù)蓄水功能，因此會(huì)最大程度調(diào)節(jié)庫(kù)容，在00:00—07:00、12:00—13:00、21:00—24:00 等系統(tǒng)負(fù)荷低谷時(shí)段也能夠盡可能出讓電量消納棄能，因此獲得的補(bǔ)償較多?；谝陨戏治?，可以看出常規(guī)機(jī)組得到的補(bǔ)償與實(shí)際的棄能消納程度緊密相關(guān)，棄能消納越多，保障性消納出清環(huán)節(jié)的節(jié)點(diǎn)價(jià)格就越低，得到的價(jià)差補(bǔ)償就越多。因此能夠有效激勵(lì)具有調(diào)節(jié)能力的電廠出讓電量消納棄能。

計(jì)算效率方面，所提修正模型會(huì)額外引入整數(shù)變量判定棄水，但維度上整數(shù)變量并沒(méi)有增加。相同的條件下，考慮梯級(jí)水電競(jìng)價(jià)的現(xiàn)貨市場(chǎng)出清模型計(jì)算耗時(shí)653 s，相應(yīng)出清修正模型耗時(shí)728 s，因此在促進(jìn)可再生能源消納的同時(shí)并不會(huì)過(guò)度影響計(jì)算效率。

表4 IEEE 30 節(jié)點(diǎn)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)算結(jié)果(方案3)Table 4 Settlement results for IEEE 30-bus test system (case 3)

4 結(jié)語(yǔ)

本文將可再生能源消納與市場(chǎng)出清機(jī)制協(xié)同融合，設(shè)計(jì)了考慮可再生能源保障性消納的電力市場(chǎng)出清機(jī)制，構(gòu)建了考慮梯級(jí)水電的市場(chǎng)出清模型以及可再生能源保障性消納出清修正模型。所提機(jī)制能夠在一定程度上通過(guò)市場(chǎng)化的手段深度挖掘系統(tǒng)的調(diào)節(jié)潛力，保障并促進(jìn)可再生能源消納，進(jìn)而通過(guò)激勵(lì)相容的結(jié)算方法降低了政策約束對(duì)市場(chǎng)主體收益的影響。算例驗(yàn)證了本文所提機(jī)制的有效性，達(dá)到了良好的效果。值得指出的是，從目前各試點(diǎn)省份試運(yùn)行情況來(lái)看，通常情況下可再生能源均能夠充分消納，僅小概率會(huì)發(fā)生可再生能源博弈性報(bào)價(jià)而導(dǎo)致棄能的現(xiàn)象，因此本文所提機(jī)制不會(huì)頻繁觸發(fā)而對(duì)市場(chǎng)產(chǎn)生較大影響。本文的目的在于，在全電量競(jìng)價(jià)的市場(chǎng)模式下提出一種有效的現(xiàn)貨機(jī)制來(lái)解決中國(guó)可再生能源保障性消納問(wèn)題，如何消除棄能懲罰因子對(duì)節(jié)點(diǎn)電價(jià)的影響以及分析市場(chǎng)運(yùn)行均衡狀態(tài)，是未來(lái)進(jìn)一步的研究方向。希望本文提出的機(jī)制能夠?yàn)橹袊?guó)電力現(xiàn)貨市場(chǎng)建設(shè)和可再生能源發(fā)展提供有益的借鑒。