段秦剛, 陳永椿，王一, 吳明興, 別佩, 董萍

(1.廣東電力交易中心有限責(zé)任公司，廣州市 510600；2.華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣州市 510640)

0 引 言

隨著我國第一批電力現(xiàn)貨市場建設(shè)試點工作的順利進(jìn)行，8個省市的市場建設(shè)模式、市場交易機(jī)制和政策規(guī)則逐步完善[1-4]。現(xiàn)貨市場的發(fā)展使得電力交易的模式和手段不斷豐富，交易的形式更加靈活，這為需求側(cè)主動參與市場互動提供了可能[5]。

需求響應(yīng)(demand response, DR)作為中國電力市場改革的核心內(nèi)容之一[6]，通過經(jīng)濟(jì)激勵方式引導(dǎo)用戶調(diào)整用電模式，協(xié)調(diào)電源側(cè)和需求側(cè)間的互動作用，有效地提高了系統(tǒng)運行的經(jīng)濟(jì)性。國外電力市場實踐表明[7]，需求響應(yīng)資源為市場運營帶來顯著效益，如降低市場電價的波動、抑制市場力的作用、增強(qiáng)系統(tǒng)運行的安全性、提高電力投資收益等[8]。由于種種原因，我國當(dāng)前需求響應(yīng)研究和實踐剛起步，用戶負(fù)荷參與系統(tǒng)運行的效益潛力未能被真正發(fā)現(xiàn)，許多需求側(cè)資源未能被充分發(fā)掘[9]。在新一輪售電側(cè)市場改革背景下，需求側(cè)負(fù)荷將以一種更加靈活又主動的方式參與市場互動，為我國現(xiàn)貨電力市場下需求響應(yīng)的實施提供了新的契機(jī)。

根據(jù)響應(yīng)信號的不同，需求響應(yīng)分為價格型和激勵型2種[10]。激勵型需求響應(yīng)(incentive demand response,IDR)采用直接經(jīng)濟(jì)激勵方式引導(dǎo)用戶調(diào)整和優(yōu)化自身用電行為，為市場的成本管理和可靠性分析提供了一種可靈活調(diào)度的資源，受到各個市場的青睞[11]。激勵型需求響應(yīng)的研究由來已久，早期的文獻(xiàn)基于激勵兼容設(shè)計理論[12-14]，為電網(wǎng)公司設(shè)計了有效的削減型需求響應(yīng)項目激勵補(bǔ)償方案。需求響應(yīng)項目的設(shè)計目標(biāo)主要是降低系統(tǒng)失電風(fēng)險，并給出最優(yōu)削減電量及補(bǔ)償價格的確定原則。文獻(xiàn)[15]利用期權(quán)的思想建立可中斷負(fù)荷市場，對有意規(guī)避電價風(fēng)險的參與用戶提供了電價折扣優(yōu)惠。文獻(xiàn)[16]對電力市場下可中斷負(fù)荷合同模型展開研究，在較長的時間尺度下提出了電力公司購買可中斷負(fù)荷的最優(yōu)模型。近些年，電力市場化運營逐步走向成熟，需求響應(yīng)的設(shè)計開始向市場化機(jī)制方向發(fā)展。文獻(xiàn)[17]設(shè)計了4類需求響應(yīng)負(fù)荷參與日前能量市場的競價模型，充分考慮了用戶側(cè)的參與意愿和響應(yīng)特性。文獻(xiàn)[18]將用戶側(cè)需求響應(yīng)互換模型融入到日前隨機(jī)調(diào)度問題中，以預(yù)防系統(tǒng)的隨機(jī)事故和新能源預(yù)測誤差導(dǎo)致的利潤損失。

然而，現(xiàn)有的激勵型需求響應(yīng)研究多在電力壟斷背景下開展，缺乏對現(xiàn)貨市場環(huán)境下交易模式變化的考慮。此外，國內(nèi)現(xiàn)貨市場需求響應(yīng)的研究尚處于起步階段[19]，且國外的需求響應(yīng)項目并不完全適用于我國的市場情況[20]。因此，要以本國的電力市場運營規(guī)則(包括電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)的市場組織規(guī)則)為基礎(chǔ)，考慮涉及公平的交易機(jī)制、實時出清方法等核心問題。目前國內(nèi)對于激勵型需求響應(yīng)應(yīng)用于實際電力現(xiàn)貨市場的研究尚欠缺。

基于當(dāng)前國內(nèi)電力市場改革現(xiàn)狀，本文設(shè)計一種激勵型需求響應(yīng)參與現(xiàn)貨市場的交易機(jī)制，建立一個與國內(nèi)電力市場發(fā)電側(cè)競價模型一一對應(yīng)的用戶側(cè)需求響應(yīng)模型。將需求側(cè)資源融入市場出清機(jī)制，提出一個綜合發(fā)電側(cè)和用戶側(cè)、源荷互動式的電力市場交易出清方法。該機(jī)制下源荷資源被同等對待、一并出清，避免對現(xiàn)有市場規(guī)則的擾亂，實現(xiàn)電力資源的最優(yōu)配置。整合后的出清模型與現(xiàn)有市場模型同屬于一種數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用當(dāng)前成熟的市場計算工具就可以在實際電力市場中組織實施需求側(cè)響應(yīng)。這既降低了工程應(yīng)用計算的復(fù)雜性，也避免了市場出清程序的重新開發(fā)。本文的研究適應(yīng)于當(dāng)前中國電力現(xiàn)貨市場交易機(jī)制[21]。關(guān)于需求響應(yīng)效益評估、激勵補(bǔ)償資金來源確定、交易結(jié)算規(guī)則設(shè)計等關(guān)鍵性問題的研究，為中國電力現(xiàn)貨市場開展需求側(cè)響應(yīng)邁出有力的一步。本文的研究可以為建立公平高效的源荷互動中國電力市場提供有益的參考。

1 激勵型需求響應(yīng)的市場參與方式

1.1 批發(fā)市場下的激勵型需求響應(yīng)

在現(xiàn)貨市場建設(shè)初期，基于批發(fā)市場的激勵型需求響應(yīng)項目設(shè)計是需求響應(yīng)市場化交易機(jī)制建設(shè)的首要任務(wù)，成功制定批發(fā)市場需求響應(yīng)交易機(jī)制將對后續(xù)的零售市場需求響應(yīng)交易機(jī)制建立起到積極的輻射作用。建立適應(yīng)我國的批發(fā)市場需求響應(yīng)交易機(jī)制，整合需求側(cè)資源同發(fā)電資源和其他市場資源同臺競爭，可以提高系統(tǒng)“源-網(wǎng)-荷”協(xié)調(diào)互動性，促進(jìn)我國電力現(xiàn)貨市場的全面建設(shè)。

在批發(fā)市場中，激勵型需求側(cè)響應(yīng)成功實施的關(guān)鍵在于參與用戶是否能夠充分利用自身的可控負(fù)荷進(jìn)行響應(yīng)。比如，美國PJM電力市場成功實施需求側(cè)響應(yīng)項目的用戶幾乎是市場特定的工業(yè)和商業(yè)負(fù)荷[22-23]。針對居民用戶參與批發(fā)市場需求響應(yīng)項目，研究表明[24]：通過中間代理方式，采用智能用電技術(shù)的負(fù)荷控制將用戶負(fù)荷的能量管理系統(tǒng)與需求響應(yīng)系統(tǒng)連接，是其參與批發(fā)市場激勵型需求響應(yīng)的關(guān)鍵。

1.2 適應(yīng)我國的需求響應(yīng)市場框架

在我國電力現(xiàn)貨市場建設(shè)初期，為了節(jié)省終端用戶設(shè)備的投資成本和市場交易組織的管理成本，終端負(fù)荷資源由售電公司代理并參與批發(fā)市場。對應(yīng)地，終端負(fù)荷用戶也應(yīng)該通過中間代理方式整合一體參與批發(fā)市場。而對于滿足市場準(zhǔn)入容量要求的電力大用戶，可以選擇以獨立市場主體身份參與批發(fā)市場。用戶側(cè)激勵型需求響應(yīng)資源參與批發(fā)市場如圖1所示。激勵型需求響應(yīng)的市場主體包括：售電公司、電力批發(fā)大用戶以及負(fù)荷削減提供商(load curtailment provider, LCP)，它們共同組成了批發(fā)市場下需求響應(yīng)代理商(demand response provider, DRP)。售電公司或批發(fā)用戶負(fù)責(zé)向交易中心申報其代理區(qū)域的次日負(fù)荷購買量和可接受電價，而激勵型需求響應(yīng)代理商負(fù)責(zé)向交易中心申報其代理用戶的削減負(fù)荷電量和削減成本。激勵型需求響應(yīng)代理商可以是售電公司或電力大用戶，也可以是第三方中間代理機(jī)構(gòu)，專門收集終端用戶的可削減負(fù)荷資源并上報給交易中心，從中賺取管理費用。

圖1 用戶側(cè)激勵型需求響應(yīng)資源參與批發(fā)市場Fig.1 User-side IDR participating into the wholesale market

2 現(xiàn)貨市場下激勵型需求響應(yīng)交易機(jī)制

需求側(cè)資源參與現(xiàn)貨市場能帶來顯著的短期經(jīng)濟(jì)效益[25]，并促進(jìn)系統(tǒng)的長期運行效率[26]。市場管理者(交易中心)應(yīng)當(dāng)開放市場接納需求響應(yīng)資源，結(jié)合現(xiàn)有電力市場規(guī)則[3]制定可行的交易機(jī)制，融入需求響應(yīng)，促進(jìn)現(xiàn)貨市場的公平競價。激勵型需求響應(yīng)的交易機(jī)制包括市場成員注冊、削減潛力測試、經(jīng)濟(jì)激勵原則設(shè)計、響應(yīng)效益評估、補(bǔ)償資金來源確定和基線考核等步驟。

2.1 市場成員注冊

具備需求響應(yīng)能力的負(fù)荷用戶按照市場規(guī)則有序參與到現(xiàn)貨市場進(jìn)行交易。基于參與用戶的負(fù)荷削減能力不同，市場成員的注冊流程也不同。對于獨立削減負(fù)荷量達(dá)到能量市場準(zhǔn)入容量要求的用戶，既能夠獨立注冊為一個市場成員，也可以聯(lián)合其他用戶共同注冊為一個市場成員；對于削減負(fù)荷量較小的用戶，則必須聯(lián)合其他用戶在滿足市場準(zhǔn)入容量前提下注冊為激勵型需求響應(yīng)市場成員。在注冊時，還需要填寫控制區(qū)域內(nèi)終端用戶的所在分區(qū)及電價節(jié)點、參與市場類型(包括能量市場/輔助服務(wù)市場/能量及輔助服務(wù)市場)等信息。

2.2 削減潛力測試

注冊為參與能量及輔助服務(wù)市場的激勵型需求響應(yīng)用戶須進(jìn)行削減潛力測試。削減潛力測試主要對市場注冊用戶的負(fù)荷類型、可削減容量、可削減時間及削減速率等方面提出技術(shù)要求。一般只要是高峰時段的工商業(yè)負(fù)荷，其用電設(shè)備具備可靠調(diào)停性能，且削減容量能滿足市場準(zhǔn)入容量要求，即滿足測試要求。但是，考慮電力系統(tǒng)的輔助服務(wù)往往涉及系統(tǒng)運行的安全性問題，市場對于輔助服務(wù)資源的削減潛力測試要求將高于能量資源。為了更好地引導(dǎo)負(fù)荷資源提供輔助服務(wù)，系統(tǒng)調(diào)度部門事先對預(yù)參與用戶進(jìn)行適當(dāng)培訓(xùn)，明確負(fù)荷資源提供輔助服務(wù)的技術(shù)要求，并對進(jìn)入市場的需求響應(yīng)成員執(zhí)行模擬削減測試。只有測試合格的用戶才能進(jìn)入輔助服務(wù)市場參與競價。

2.3 激勵原則設(shè)計

在公平的市場交易機(jī)制下，系統(tǒng)的“源-荷”資源作為市場買賣方代表，處于同等重要的地位，需求側(cè)資源理應(yīng)享有與發(fā)電側(cè)資源同等的市場競價權(quán)利和經(jīng)濟(jì)激勵回報?；谄降仍瓌t設(shè)立激勵機(jī)制：在市場成功出清的激勵型需求響應(yīng)，只要滿足響應(yīng)效益評估和基線考核標(biāo)準(zhǔn)，即可獲得削減后市場原始出清價格的經(jīng)濟(jì)激勵補(bǔ)償。比如，一個激勵型需求響應(yīng)用戶在日前市場11點成功出清了1.5 MW·h的需求響應(yīng)資源，實際削減的結(jié)果滿足市場考核標(biāo)準(zhǔn)，日前市場11點的出清電價為600元/(MW·h)，則該用戶將獲得900元的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償。

2.4 響應(yīng)效益測試

實施激勵型需求響應(yīng)將提高系統(tǒng)的市場運行效益，同時也產(chǎn)生削減補(bǔ)償成本。合理平衡實施效益與成本間關(guān)系，成為激勵型需求響應(yīng)參與能量市場的關(guān)鍵。在現(xiàn)貨市場運營之前，市場管理者(交易中心)預(yù)先評估系統(tǒng)的需求響應(yīng)效益，然后綜合分析實施的效益與成本，設(shè)立現(xiàn)貨能量市場激勵型需求響應(yīng)的觸發(fā)電價。

響應(yīng)效益評估主要分析激勵型需求響應(yīng)實施后市場電價的下降程度，實施的成本與激勵型需求響應(yīng)的補(bǔ)償方式有關(guān)。如圖2所示，f(Q)為能量市場在某時段的供應(yīng)成本曲線；Q0為市場的原始負(fù)荷需求；ΔQ為激勵型需求響應(yīng)的削減負(fù)荷量；P0為市場的原始出清電價；ΔP為實施需求響應(yīng)后市場出清電價的下降部分。激勵型需求響應(yīng)的實施成本由圖中藍(lán)色區(qū)域面積表示，實施后的效益由圖中綠色區(qū)域面積表示。當(dāng)實施的效益大于成本時，市場就有必要重新調(diào)整供需平衡關(guān)系，提高資源的利用效率，這也是現(xiàn)貨能量市場下激勵型需求響應(yīng)的實施前提。

圖2 激勵型需求響應(yīng)的實施效益評估Fig.2 Implementation benefit assessment of IDR

市場需求側(cè)響應(yīng)觸發(fā)價格的設(shè)定與日平均供電成本曲線緊密相關(guān)，而市場的日平均供應(yīng)成本曲線可以由歷史機(jī)組競價信息近似擬合生成。在供應(yīng)成本曲線上，存在著一個激勵型需求響應(yīng)實施效益等于成本的臨界點，如圖2中T點，該點的縱坐標(biāo)為實施激勵型需求響應(yīng)的基準(zhǔn)電價。此時ΔPQ0=P0ΔQ，即(ΔQ/Q0)/(ΔP/P0)=1，所以臨界點對應(yīng)供應(yīng)成本曲線上價格彈性系數(shù)等于1的點?？紤]到實際機(jī)組的報價曲線與近似供應(yīng)成本曲線間的誤差，激勵型需求響應(yīng)的觸發(fā)電價將略高于基準(zhǔn)電價，一般取基準(zhǔn)電價的1.2～1.5倍。

不滿足激勵型需求響應(yīng)實施前提的當(dāng)作價格型需求響應(yīng)資源，不享有額外激勵補(bǔ)償，削減負(fù)荷后也無須通過基線考核。

需求響應(yīng)的效益測試實質(zhì)上是市場組織者對市場運行效益的一種評估方法，通過該項測試結(jié)果所確定的市場觸發(fā)電價，可以作為引導(dǎo)用戶參與電力現(xiàn)貨市場需求側(cè)響應(yīng)交易的指引信號，有效地告訴用戶參與市場需求響應(yīng)的前提條件：只有在滿足觸發(fā)電價情況下(即市場電價過高時)，才有實施激勵型需求響應(yīng)的必要。因此，該參數(shù)直接影響著市場負(fù)荷用戶的參與意愿，也作為市場成員結(jié)算的依據(jù)之一，必須要提前給出，才能有效地引導(dǎo)需求響應(yīng)用戶參與市場互動，保證市場交易信息公開透明、交易過程公平公正。

2.5 補(bǔ)償資金來源確定

遵循著“誰受益，誰承擔(dān)”的市場原則，激勵型需求響應(yīng)費用應(yīng)由能量市場的最大受益方繳納，即由其他同時段出清的負(fù)荷均攤。計及激勵型需求響應(yīng)的費用后，用戶的購電成本為市場出清電價與激勵型需求響應(yīng)費用系數(shù)分?jǐn)傠妰r之和。

(1)

2.6 基線考核

激勵型需求響應(yīng)通過經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償?shù)姆绞睫D(zhuǎn)化為可調(diào)度資源，實際的執(zhí)行結(jié)果將受到電力調(diào)度部門的考核，通常采用與用戶基準(zhǔn)負(fù)荷曲線(簡稱“基線”)對比的方式進(jìn)行考核。市場成功出清的激勵型需求響應(yīng)若未滿足考核標(biāo)準(zhǔn)，將面臨市場違約懲罰，懲罰規(guī)則也等同于發(fā)電機(jī)組。

基線的計算方法通過相對根均方誤差(relative root mean squared error, RRMSE)進(jìn)行衡量?；€計算方法的根均方誤差越小，越具有代表性，如美國PJM市場規(guī)定：只有RRMSE小于等于20%的需求響應(yīng)負(fù)荷才具有結(jié)算意義。

值得注意的是，參與激勵型需求響應(yīng)的用戶負(fù)荷，只有同時滿足基線考核標(biāo)準(zhǔn)和響應(yīng)效益測試要求，才能算是成功地實施了需求側(cè)響應(yīng)。

3 激勵型需求響應(yīng)的交易競價模型

激勵型需求響應(yīng)作為批發(fā)市場的一種可調(diào)度資源，類似于發(fā)電資源，在參與市場競爭前也要向交易中心提交自身的投標(biāo)競價信息，市場調(diào)度部門據(jù)此建立激勵型需求響應(yīng)資源的市場競價模型，聯(lián)合其他資源共同完成市場出清。

3.1 激勵型需求響應(yīng)競價信息

激勵型需求響應(yīng)代理商需要向交易中心申報的競價信息包括：

1) 代理用戶編號：用于標(biāo)識出代理商代理的所有終端用戶，該信息在注冊階段即已確定。

2) 代理用戶所在節(jié)點：用于確定負(fù)荷調(diào)度和市場結(jié)算，用戶所在節(jié)點必須屬于交易中心預(yù)先設(shè)定的市場電價節(jié)點集合。

3) 最小削減時間：受實際用電設(shè)備限制，用戶削減負(fù)荷可能需要連續(xù)削減一定時長，如果代理商沒報該信息，則默認(rèn)最小削減時間為0。

4) 停機(jī)成本：表示用戶在削減負(fù)荷時造成的固定費用，如停機(jī)損耗成本，單位為元/次。

5) 分段削減負(fù)荷：表示用戶的削減負(fù)荷能力，最多不超過機(jī)組的競價段數(shù)。

6) 分段削減補(bǔ)償：表示用戶的削減負(fù)荷損失，因為一個用戶如果參與了激勵型需求響應(yīng)項目，則該用戶的負(fù)荷可能在市場出清電價較高時被削減，從而造成消費利潤的損失(用戶的消費利潤等于用電收益減去購電成本)，為了鼓勵激勵型需求響應(yīng)參與現(xiàn)貨能量市場，市場補(bǔ)償參與用戶的削減損失。在滿足激勵型需求響應(yīng)的效益測試要求下，才能有效優(yōu)化市場資源的配置。為了保證激勵型需求響應(yīng)的市場實施效益，要求用戶側(cè)的分段削減補(bǔ)償報價必須大于等于市場的觸發(fā)電價，否則就視為價格型需求響應(yīng)不享有激勵補(bǔ)償。

7) 最小削減負(fù)荷：表示參與用戶的最小削減負(fù)荷，要求大于等于能量市場的準(zhǔn)入容量，如0.1 MW。

本研究在查閱大量相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)試驗的目的和計劃，著重探討大花序桉莖段外植體消毒及其芽誘導(dǎo)組織培養(yǎng)技術(shù)，采用正交設(shè)計或完全組合設(shè)計安排試驗，探討外源激素的添加效果，篩選最有利的內(nèi)外源激素的組合和比例，篩選出最優(yōu)技術(shù)參數(shù)組合，從外源激素的協(xié)調(diào)上建立大花序桉最優(yōu)組培快繁體系。

8) 參與市場類型：激勵型需求響應(yīng)既可以參與日前市場，也可以參與實時市場，但為了調(diào)度的可靠性，一旦激勵型需求響應(yīng)在日前市場出清成功，就不能再參與實時市場。

3.2 激勵型需求響應(yīng)競價模型

根據(jù)代理商申報的競價信息，市場調(diào)度部門建立激勵型需求應(yīng)競價模型參與市場出清，具體如下：

1) 代理商d的削減負(fù)荷量：

(2)

2) 代理商d的削減補(bǔ)償成本：

(3)

3) 代理商d的停機(jī)成本：

(4)

(5)

這里建立了一個與國內(nèi)電力市場發(fā)電資源競價模型一一對應(yīng)的用戶側(cè)需求響應(yīng)負(fù)荷模型，該模型將源荷資源同等對待，一并出清，避免了對現(xiàn)有市場規(guī)則的擾亂，同時實現(xiàn)市場資源的有效配置。

4 聯(lián)合優(yōu)化模式下含激勵型需求響應(yīng)的市場出清模型

一些靈活可調(diào)度且響應(yīng)速度快的負(fù)荷資源具備提供旋轉(zhuǎn)備用輔助服務(wù)的能力，在給予適當(dāng)經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償?shù)募钕驴赊D(zhuǎn)換為激勵型需求響應(yīng)資源[27]。代理商負(fù)責(zé)代理激勵型需求響應(yīng)資源，包括能量產(chǎn)品和旋轉(zhuǎn)備用產(chǎn)品，參與現(xiàn)貨市場交易。值得注意的是，鑒于市場結(jié)算時需要對每個需求響應(yīng)用戶的削減負(fù)荷進(jìn)行實施效果考核和激勵資金補(bǔ)償，因此單個需求響應(yīng)用戶在同一時段內(nèi)所申報的削減負(fù)荷量與旋轉(zhuǎn)備用容量之間存在著互斥關(guān)系，即：每個用戶單個時段內(nèi)至多僅能參與一種需求響應(yīng)。這一約束可以在需求響應(yīng)用戶信息輸入窗口的程序流程實現(xiàn)，通過限定每個用戶單個時段只能選擇申報一種需求響應(yīng)信息，減少出清模型中間變量的引入。

在聯(lián)合優(yōu)化模式下，激勵型需求響應(yīng)參與現(xiàn)貨市場后的市場出清模型將作一定調(diào)整，下文將作具體介紹。

4.1 日前市場出清模型

1)目標(biāo)函數(shù)。

聯(lián)合模式下，日前市場出清模型是一個安全約束機(jī)組組合模型，目標(biāo)為在滿足系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用需求前提下最大化系統(tǒng)的社會用電福利，可以表示為：

(6)

(7)

2)約束條件。

聯(lián)合電能量和旋轉(zhuǎn)備用資源的日前市場出清模型的約束條件整體分為4類，分別是系統(tǒng)約束、發(fā)電側(cè)機(jī)組約束、激勵型需求響應(yīng)負(fù)荷約束和潮流約束。其中，系統(tǒng)約束包括功率平衡約束、旋轉(zhuǎn)備用容量約束；機(jī)組約束包括出力上下限約束、爬坡約束和最小連續(xù)開停時間約束；需求響應(yīng)負(fù)荷約束包括最小削減時間約束；潮流約束包括線路傳輸容量約束和斷面?zhèn)鬏斎萘考s束。其中，需要做修改的約束條件詳述于后。

(1)系統(tǒng)功率平衡約束。

激勵型需求響應(yīng)參與能量市場后，系統(tǒng)的負(fù)荷需求將發(fā)生變化，含有激勵型需求響應(yīng)的負(fù)荷節(jié)點，等同于接入一臺虛擬發(fā)電機(jī)，此時的系統(tǒng)功率平衡約束表達(dá)式為：

(8)

(2)旋轉(zhuǎn)備用容量約束。

激勵型需求響應(yīng)提供旋轉(zhuǎn)備用服務(wù)后，系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)備用資源將包含發(fā)電機(jī)組和需求響應(yīng)負(fù)荷，此時的旋轉(zhuǎn)備用容量約束表達(dá)式為：

(9)

(10)

激勵型需求響應(yīng)提供的旋轉(zhuǎn)備用還要滿足實際削減容量約束，表達(dá)式為：

(11)

為了均衡發(fā)電側(cè)和需求側(cè)提供旋轉(zhuǎn)備用的容量，限制需求側(cè)資源提供的旋轉(zhuǎn)備用服務(wù)在系統(tǒng)總旋轉(zhuǎn)備用需求的占比，如PJM電力市場要求需求側(cè)資源提供的旋轉(zhuǎn)備用容量不得超過總需求的33%。在此增加負(fù)荷提供旋轉(zhuǎn)備用約束，表達(dá)式為：

(12)

式中：γ為市場設(shè)定的激勵型需求響應(yīng)提供旋轉(zhuǎn)備用容量的最大提供系數(shù)。

(3)旋轉(zhuǎn)備用機(jī)組爬坡約束。

當(dāng)機(jī)組提供旋轉(zhuǎn)備用服務(wù)時，它在能量市場的交易電量將受到爬坡速率的限制，如圖3所示，在此對旋轉(zhuǎn)備用機(jī)組增加爬坡速率約束，表達(dá)式為：

圖3 旋轉(zhuǎn)備用機(jī)組爬坡速率約束Fig.3 Ramp rate limitation of spinning reserve units

(13)

(4)出清時間粒度約束。

在聯(lián)合出清模型中，能量市場和旋轉(zhuǎn)備用輔助服務(wù)的出清時間尺度可能不一致，比如能量市場采用15 min,而旋轉(zhuǎn)備用為60 min，在此增加時間尺度約束，表達(dá)式為：

(14)

式中：κ為旋轉(zhuǎn)備用與能量市場出清時間尺度之比。

(5)線路潮流約束。

激勵型需求響應(yīng)一旦出清成功，系統(tǒng)的節(jié)點負(fù)荷需求將扣除已削減的負(fù)荷量，此時線路有功潮流約束表達(dá)式如下：

(15)

綜上，計及需求側(cè)響應(yīng)的日前市場出清模型本質(zhì)上還是一個混合整數(shù)線性規(guī)劃問題，可以應(yīng)用現(xiàn)有的成熟求解器(如CPLEX)進(jìn)行求解。其中，0-1變量包括：發(fā)電機(jī)組的啟停狀態(tài)和需求響應(yīng)代理商的削減標(biāo)記量；連續(xù)變量包括：售電公司或批發(fā)用戶負(fù)荷需求量、發(fā)電機(jī)組的有功出力、需求響應(yīng)用戶代理商的削減負(fù)荷量、發(fā)電機(jī)組和需求響應(yīng)用戶提供的旋轉(zhuǎn)備用容量等。且在實際模型中，各連續(xù)變量由相應(yīng)分段變量累加得到，具體的累加變量可參考文獻(xiàn)[3]。

4.2 實時市場調(diào)節(jié)模型

實時市場是一個功率平衡市場，通過調(diào)節(jié)實時市場機(jī)組出力和調(diào)度實時激勵型需求響應(yīng)負(fù)荷來平衡實際負(fù)荷需求。售電公司和批發(fā)用戶不參與實時市場競價，而是采用雙結(jié)算機(jī)制確定實時市場的偏差負(fù)荷。實時市場的機(jī)組啟停狀態(tài)和激勵型需求響應(yīng)削減狀態(tài)將由一個短時(預(yù)先2～4 h)的安全約束機(jī)組組合模型確定，但此時實際系統(tǒng)的負(fù)荷需求將根據(jù)調(diào)度部門的超短期預(yù)測負(fù)荷確定。實時市場調(diào)節(jié)模型不考慮機(jī)組的啟停成本，也不包含最小連續(xù)開停時間約束(具體可見附錄A)，這些與0-1相關(guān)的變量均通過求解短時的安全約束機(jī)組組合模型得到。短時的安全約束機(jī)組組合模型和日前的安全約束機(jī)組組合模型是一樣的實時市場調(diào)節(jié)模型，屬于安全約束經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型。

1)目標(biāo)函數(shù)。

聯(lián)合模式下，實時市場調(diào)節(jié)的目標(biāo)為在滿足系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用需求前提下最小化系統(tǒng)的運行成本，可以表示為：

(16)

2)約束條件。

聯(lián)合電能量和旋轉(zhuǎn)備用資源的實時市場調(diào)節(jié)模型的約束條件與日前市場出清模型基本相同(除最小連續(xù)開停時間約束外)，此時實際系統(tǒng)的負(fù)荷需求將根據(jù)調(diào)度部門的超短期負(fù)荷預(yù)測進(jìn)行確定。

綜上，計及需求側(cè)響應(yīng)的實時市場調(diào)節(jié)模型本質(zhì)上還是一個線性規(guī)劃問題。其中，連續(xù)變量包括：日前市場出清的機(jī)組在實時市場的調(diào)整出力、日前市場未出清的機(jī)組在實時市場的調(diào)度出力、參與實時市場需求響應(yīng)的負(fù)荷削減量、發(fā)電機(jī)組和需求響應(yīng)用戶提供的旋轉(zhuǎn)備用容量等。

5 算例分析

5.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)說明

由于實際系統(tǒng)的算例分析需要用到各個市場成員的競價數(shù)據(jù)、實際電網(wǎng)參數(shù)、實際系統(tǒng)運行邊界條件等信息，涉及市場成員和電網(wǎng)公司的隱私。因此，本文基于IEEE-30節(jié)點測試系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。考慮需求響應(yīng)后的IEEE-30節(jié)點系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D4所示，機(jī)組參數(shù)和報價信息參考文獻(xiàn)[28]，選取實際市場運營數(shù)據(jù)，見附錄B表B1和B2。

圖4 IEEE-30節(jié)點標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)圖Fig.4 IEEE-30 node standard test system

設(shè)每個負(fù)荷節(jié)點均由一個負(fù)荷實體代理，共20個市場負(fù)荷主體，并考慮負(fù)荷節(jié)點5、7、21和30的代理商參與市場激勵型需求響應(yīng)交易，提供5%的負(fù)荷參與旋轉(zhuǎn)備用服務(wù)、10%的負(fù)荷參與日前能量市場競價，假定激勵型需求響應(yīng)的市場準(zhǔn)入容量為1 MW，負(fù)荷投標(biāo)信息見附錄B表B3。本算例的用戶側(cè)日前負(fù)荷參數(shù)取自某省2017年8月22日的實際負(fù)荷值，并按照原測試系統(tǒng)中各節(jié)點有功負(fù)荷進(jìn)行等比例縮小，負(fù)荷需求曲線見圖5。

圖5 日前市場負(fù)荷需求曲線Fig.5 Demand curve in day-ahead market

5.2 市場觸發(fā)電價分析

根據(jù)日前市場的機(jī)組報價參數(shù)，得到測試系統(tǒng)的市場供應(yīng)成本曲線，如圖6所示。

圖6 市場供電成本曲線Fig.6 Curve of market supply cost

基于對原始機(jī)組報價數(shù)據(jù)的分析，電價高于500元/(MW·h)以后，需求響應(yīng)效益系數(shù)開始穩(wěn)定大于1，因此本算例設(shè)計能量市場的激勵型需求響應(yīng)觸發(fā)電價為500元/(MW·h)。市場的供給成本曲線是基于所有機(jī)組的分段報價參數(shù)，原始報價曲線在電價集中區(qū)呈階梯式遞增，該段不適宜設(shè)立觸發(fā)電價，存在損害其他負(fù)荷用戶利益的風(fēng)險。進(jìn)一步地，市場觸發(fā)電價所對應(yīng)的供應(yīng)成本曲線供應(yīng)量(約270 MW)，即激勵型需求響應(yīng)的觸發(fā)負(fù)荷水平，表明在系統(tǒng)用電達(dá)到該負(fù)荷水平以上，開始實施激勵型需求響應(yīng)，削減高峰，減低用戶購電成本，促進(jìn)市場經(jīng)濟(jì)運行。

為了研究市場觸發(fā)電價對系統(tǒng)運營成本和用戶購電收益的影響，以系統(tǒng)高峰負(fù)荷為270 MW對市場觸發(fā)電價作敏感性分析，如圖7所示。表1給出了系統(tǒng)總運營成本變化。

表1 系統(tǒng)總運營成本Table 1 Total operation cost of the system

圖7 不同觸發(fā)價格下市場出清電價Fig.7 Market clearing price under different MTPs

仿真結(jié)果表明：隨著觸發(fā)電價逐步降低，市場激勵型需求響應(yīng)出清量逐漸增加，系統(tǒng)的總運營成本逐漸減少。即，激勵型需求響應(yīng)的市場需求與觸發(fā)電價呈負(fù)相關(guān)，與系統(tǒng)運營成本呈正相關(guān)。在現(xiàn)貨能量市場中，激勵型需求響應(yīng)的功能類似于一個“負(fù)電源”的作用，采用削減負(fù)荷的手段增加系統(tǒng)的凈輸入功率，而需求響應(yīng)的觸發(fā)電價類似于該“負(fù)電源”的市場報價。市場觸發(fā)電價設(shè)置得越低，即意味著擁有更多的低報價“電源”參與市場，在增強(qiáng)市場競價性的同時提高了市場運營效益。

然而，市場觸發(fā)電價的大小又和負(fù)荷用戶的利益緊密相關(guān)。隨著市場觸發(fā)電價的降低，用戶的結(jié)算電價開始是減少的，因為激勵型需求響應(yīng)的作用正在逐漸加強(qiáng)；但是一旦低于某一水平(如本算例中490元/(MW·h))以后，能量市場的出清電價不降反升，損害了其他負(fù)荷用戶的購電收益，使得利益不合理地從非需求響應(yīng)用戶參與者手中轉(zhuǎn)移到參與者手中，因為此時的能量市場激勵型需求響應(yīng)已經(jīng)違反了響應(yīng)效益測試的前提要求。

5.3 需求響應(yīng)效益分析

如圖8所示，不同負(fù)荷水平下，激勵型需求響應(yīng)實施后的市場出清電價下降程度不同。出清結(jié)果表明：激勵型需求響應(yīng)的觸發(fā)負(fù)荷水平服從市場觸發(fā)電價的設(shè)計原理，只在尖峰時段削減負(fù)荷，其他時段的能量市場交易不受影響。雖然補(bǔ)償資金來自于其他負(fù)荷，但是用戶自身還是市場的最大受益群體。并且，隨著尖峰負(fù)荷水平的提高，市場的出清電價開始呈現(xiàn)2次方關(guān)系增長，激勵型需求響應(yīng)的補(bǔ)償費用也快速增加，這恰恰吸引了更多負(fù)荷用戶參與其中。當(dāng)算例中的尖峰負(fù)荷需求達(dá)290 MW時，用戶的電價下降顯著，驗證了尖峰時段實施需求響應(yīng)的市場效益最佳。

圖8 不同負(fù)荷水平下電價下降幅度Fig.8 Decline gratitude of electricity price under different load levels

進(jìn)一步地，激勵型需求響應(yīng)負(fù)荷提供旋轉(zhuǎn)備用服務(wù)時，系統(tǒng)總的日運行成本變化規(guī)律如圖9所示。整體上，提供旋轉(zhuǎn)備用服務(wù)的負(fù)荷資源增加可使系統(tǒng)的總運營成本減少。當(dāng)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用需求較高時，負(fù)荷帶給系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益越加明顯。如本算例中，旋轉(zhuǎn)備用系數(shù)取為9%時，總的運營成本下降了9 500元，效果十分顯著，這也是旋轉(zhuǎn)備用負(fù)荷帶給市場的最大經(jīng)濟(jì)效益。但是隨著系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)備用需求減少，效益開始慢慢減少。旋轉(zhuǎn)備用系數(shù)從7%降低到3%過程中，經(jīng)濟(jì)效益從3 400元降到1 200元，再降到300元，呈非線性變化。因此對于旋轉(zhuǎn)備用需求較大的市場，管理者更應(yīng)當(dāng)秉持中性原則，接納負(fù)荷資源，提高市場運行效益。

圖9 旋轉(zhuǎn)備用負(fù)荷出清和系統(tǒng)總運行成本變化Fig.9 Variation of load spinning reserve in market clearing and total operation cost of the system

值得注意的是，負(fù)荷提供的旋轉(zhuǎn)備用資源并非越多越好。因為電能量市場在出清時，系統(tǒng)就存在著部分機(jī)組留有一定發(fā)電容量，這是一個偶然的調(diào)度結(jié)果。從最優(yōu)化角度出清市場資源，此時系統(tǒng)僅僅需要額外購買未滿足系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用容量需求的剩余部分即可。因此當(dāng)負(fù)荷提供的旋轉(zhuǎn)備用過剩時，市場不再出清多余的負(fù)荷資源。

6 結(jié) 論

基于電力市場建設(shè)初期的背景，本文提出了一種激勵型需求響應(yīng)參與現(xiàn)貨市場的交易方法。從交易機(jī)制的設(shè)計到出清模型的提出，詳細(xì)研究了電力市場環(huán)境下需求響應(yīng)效益評估方法、激勵補(bǔ)償資金來源、交易結(jié)算規(guī)則等關(guān)鍵性問題。最后，通過具體的算例模擬分析激勵型需求響應(yīng)的市場實施情況。測試系統(tǒng)的仿真結(jié)果表明：激勵型需求響應(yīng)參與現(xiàn)貨市場能給市場和用戶帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益，實現(xiàn)雙贏的最佳市場設(shè)計目標(biāo)。通過本文的研究，得出如下結(jié)論：

1) 市場觸發(fā)價格的合理設(shè)計是成功實施需求響應(yīng)的重要前提，市場管理者(交易中心)在考慮充分吸引用戶側(cè)負(fù)荷資源參與的同時要注意避免損害其他成員的利益，實現(xiàn) “公平競爭、高效運營”的市場設(shè)計目標(biāo)；

2)需求側(cè)資源在參與旋轉(zhuǎn)備用市場時能進(jìn)一步提高市場的出清效益，市場管理者需要秉持中立原則，協(xié)調(diào)“源-荷”資源互動，實現(xiàn)最優(yōu)的能量與備用市場聯(lián)合優(yōu)化效果；

3)激勵型需求響應(yīng)能有效地帶動用戶側(cè)柔性負(fù)荷資源參與市場互動，市場管理者應(yīng)充分利用負(fù)荷資源與發(fā)電資源固有的協(xié)調(diào)互補(bǔ)關(guān)系，實施現(xiàn)貨市場需求響應(yīng)，實現(xiàn)最大程度的市場資源配置優(yōu)化。