安 麒，王劍曉，武昭原，鐘海旺，李庚銀

（1. 新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華北電力大學(xué)），北京市 102206；2. 電力系統(tǒng)及大型發(fā)電設(shè)備安全控制和仿真國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（清華大學(xué)），北京市 100084）

0 引言

為深入貫徹落實(shí)“2030 年碳達(dá)峰、2060 年碳中和”的氣候應(yīng)對戰(zhàn)略［1］，大力發(fā)展風(fēng)、光、水、氫等新能源技術(shù)與傳統(tǒng)化石能源多能驅(qū)動(dòng)的能源體系已成為中國能源轉(zhuǎn)型的必然要求?！蛾P(guān)于進(jìn)一步深化電力體制改革的若干意見》中明確指出，要推動(dòng)電力行業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級，提高可再生能源在電力系統(tǒng)中的比例［2］。到2050 年，預(yù)計(jì)中國可再生能源在一次能源供應(yīng)中的占比將提升至67%［3］。

隨著可再生能源在電力系統(tǒng)中的滲透率不斷提高，高比例可再生能源的友好并網(wǎng)問題逐漸成為當(dāng)前研究的重點(diǎn)。提升電力系統(tǒng)對可再生能源的消納能力的一種重要方法是火電機(jī)組作為調(diào)節(jié)性電源向可再生能源提供支撐［4］。在當(dāng)今中國深化電力市場改革的背景下，希望以市場化手段激勵(lì)火電機(jī)組為可再生能源消納提供支撐。中國電力市場的營銷模式和電價(jià)體系主要借鑒國外電力市場現(xiàn)有模式［5］。在現(xiàn)有的國內(nèi)外電力市場中，通常采用邊際電價(jià)（marginal pricing，MP）機(jī)制進(jìn)行結(jié)算。

但在實(shí)際的電力市場中，由于信息不對稱等問題，邊際電價(jià)機(jī)制從原理上往往難以滿足激勵(lì)相容的性質(zhì)［6］，發(fā)電機(jī)組始終存在策略性報(bào)價(jià)的動(dòng)機(jī)［7］。隨著可再生能源在電力系統(tǒng)滲透率的提高，這一問題將更加凸顯：由于可再生能源接近于零邊際成本［8-9］，大規(guī)?？稍偕茉床⒕W(wǎng)將使電價(jià)下降，同時(shí)火電機(jī)組的市場份額將被可再生能源占據(jù)，導(dǎo)致火電收益進(jìn)一步降低。由于可再生能源并網(wǎng)需要火電機(jī)組提供輔助服務(wù)，火電機(jī)組可能通過申報(bào)較高的輔助服務(wù)價(jià)格以減少可再生能源并網(wǎng)，從而提升自身的發(fā)電份額。

目前，各國的市場運(yùn)營商采取多種措施來抑制火電機(jī)組策略性報(bào)價(jià)，如價(jià)格上限監(jiān)管［10］和三寡頭壟斷測試［11］等。然而，上述監(jiān)管措施將帶來高昂的成本，且無法從根本上抑制火電機(jī)組策略性報(bào)價(jià)的動(dòng)機(jī)。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)滿足激勵(lì)相容性質(zhì)的電力市場機(jī)制勢在必行。

為獲取真實(shí)信息，當(dāng)前許多研究關(guān)注于滿足激勵(lì)相容的機(jī)制設(shè)計(jì)，如Vickrey-Clarke-Groves（VCG）機(jī)制、Arrow-d’Aspremont-Gerard-Varet（AGV）機(jī)制等。VCG 機(jī)制與AGV 機(jī)制分別滿足占優(yōu)策略激勵(lì)相容與貝葉斯激勵(lì)相容［12-13］。文獻(xiàn)［14-16］與文獻(xiàn)［17-18］分別將VCG 機(jī)制與AGV 機(jī)制應(yīng)用于電力市場，引導(dǎo)市場成員上報(bào)真實(shí)信息并實(shí)現(xiàn)對每個(gè)市場成員支付的公平分配。在已有的文獻(xiàn)中，激勵(lì)相容機(jī)制已成功應(yīng)用于引導(dǎo)電力現(xiàn)貨市場和需求側(cè)上報(bào)真實(shí)信息。然而，目前關(guān)于邊際電價(jià)機(jī)制對可再生能源消納的影響以及面向高比例可再生能源轉(zhuǎn)型的電力市場價(jià)值分配機(jī)制的研究仍有待深入。

本文采用VCG 機(jī)制精準(zhǔn)辨識火電機(jī)組為促進(jìn)可再生能源消納創(chuàng)造的價(jià)值，從而激勵(lì)火電從基礎(chǔ)性能源向調(diào)節(jié)性能源轉(zhuǎn)變，加快中國能源體系向高比例可再生能源轉(zhuǎn)型。本文的貢獻(xiàn)如下：

1）提出了一種激勵(lì)相容機(jī)制精準(zhǔn)辨識火電機(jī)組為可再生能源消納創(chuàng)造的價(jià)值，引導(dǎo)火電機(jī)組真實(shí)報(bào)價(jià)。相較于邊際電價(jià)機(jī)制，本文提出的機(jī)制可以引導(dǎo)火電機(jī)組向系統(tǒng)上報(bào)真實(shí)信息，激勵(lì)火電機(jī)組主動(dòng)為可再生能源消納提供支撐，有效克服策略性報(bào)價(jià)可能造成的市場效率損失。

2）從經(jīng)濟(jì)學(xué)原理角度將VCG 機(jī)制引起的收支不平衡解釋為信息租金，即市場成員利用信息不對稱創(chuàng)造的額外收益。這部分收益的補(bǔ)償抑制了邊際機(jī)組策略性報(bào)價(jià)的沖動(dòng)。然而，信息租金的存在將導(dǎo)致收支不平衡問題，因此，本文根據(jù)實(shí)際情況提出了收支不平衡的處理策略。

1 價(jià)值分配機(jī)制的必要性分析

由于可再生能源接近零邊際成本，隨著大規(guī)?？稍偕茉吹牟⒕W(wǎng)，火電機(jī)組的收益將大幅下降。同時(shí)，考慮到可再生能源的不確定性，為保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，火電機(jī)組需要為可再生能源的并網(wǎng)提供輔助服務(wù)。然而，可再生能源消納的提升必然會(huì)減少火電機(jī)組的市場份額，如圖1 所示。

圖1 火電機(jī)組提供輔助服務(wù)導(dǎo)致的自身市場份額下降Fig.1 Decrease of market share of thermal power units caused by provision of auxiliary services

如前所述，相比于火電機(jī)組具有一定的燃料成本，可再生能源低成本的優(yōu)勢將使其占據(jù)大量的發(fā)電份額。預(yù)計(jì)到2060 年，煤電發(fā)電量占比將下降至約8%，從電力平衡角度出發(fā)，火電機(jī)組將更多地作為調(diào)節(jié)性電源保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行［19］。為保證自身收益，火電機(jī)組會(huì)在一定程度上對輔助服務(wù)進(jìn)行策略性報(bào)價(jià)迫使可再生能源退出電力市場，從而保證自身的發(fā)電份額不被占據(jù)。因此，迫切需要一種市場機(jī)制辨識火電機(jī)組為可再生能源消納創(chuàng)造的價(jià)值，保證火電機(jī)組提供輔助服務(wù)的容量價(jià)值和收益，使其有意愿為可再生能源消納提供支撐。

為此，本文從機(jī)制設(shè)計(jì)的角度激勵(lì)火電機(jī)組為大規(guī)?？稍偕茉床⒕W(wǎng)提供支撐，加速中國能源體系向高比例可再生能源轉(zhuǎn)型的進(jìn)程。本文建立了考慮火電機(jī)組備用的日前能量與輔助服務(wù)市場聯(lián)合出清的經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，并分析了不完全競爭市場環(huán)境下邊際電價(jià)機(jī)制無法滿足激勵(lì)相容的問題。采用VCG 機(jī)制對火電機(jī)組進(jìn)行結(jié)算，并對VCG 機(jī)制滿足占優(yōu)策略激勵(lì)相容性質(zhì)進(jìn)行了證明，針對VCG 機(jī)制導(dǎo)致的收支不平衡問題，根據(jù)實(shí)際情況提出了收支不平衡問題的解決方案。最后，基于IEEE 30 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)驗(yàn)證了本文所提市場機(jī)制的有效性，并分析了不同可再生能源滲透率下火電機(jī)組策略性報(bào)價(jià)對可再生能源消納的影響。

2 系統(tǒng)模型

本章建立考慮火電機(jī)組備用的日前能量與輔助服務(wù)市場聯(lián)合出清的經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型。本文有如下假設(shè)：1）負(fù)荷非柔性；2）可再生能源不提供備用；3）火電機(jī)組在輔助服務(wù)市場競價(jià)考慮機(jī)會(huì)成本；4）日前市場出清采用直流最優(yōu)潮流（optimal power flow，OPF），不考慮網(wǎng)損與無功功率。

2.1 備用模型

針對大規(guī)?？稍偕茉床⒕W(wǎng)，考慮到負(fù)荷與可再生能源的不確定性，火電機(jī)組提供的備用包括負(fù)荷所需備用與可再生能源所需備用［20］，以確?；痣姍C(jī)組有足夠的備用容量保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。本文將火電機(jī)組的備用分為正備用與負(fù)備用2 類［21］，如圖2 所示。在負(fù)荷高峰期，火電機(jī)組通過調(diào)用正備用增加出力；在負(fù)荷低谷期，火電機(jī)組通過調(diào)用負(fù)備用減少出力。

圖2 火電機(jī)組提供的正備用與負(fù)備用Fig.2 Positive and negative reserves provided by thermal power units

火電機(jī)組提供的備用容量應(yīng)不小于負(fù)荷所需備用及可再生能源所需備用之和?；痣姍C(jī)組備用的表達(dá)式如下：

2.2 市場出清模型

市場出清模型的目標(biāo)函數(shù)為最小化所有發(fā)電機(jī)組的發(fā)電、正備用及負(fù)備用成本，即

在獲得所有火電機(jī)組申報(bào)的能量、正備用及負(fù)備用成本后，市場運(yùn)營商優(yōu)化求解市場出清模型，從而計(jì)劃火電機(jī)組的出力和留有的正、負(fù)備用容量。市場出清后，市場運(yùn)營商向火電機(jī)組支付相關(guān)費(fèi)用。

2.3 邊際電價(jià)機(jī)制

在完全競爭的市場環(huán)境下，火電機(jī)組的策略性報(bào)價(jià)不影響市場價(jià)格，此時(shí)策略性報(bào)價(jià)無法保證火電機(jī)組收益的增加。然而，現(xiàn)實(shí)中的市場多為不完全競爭市場，在一個(gè)不完全競爭的市場環(huán)境中，由于信息不對稱的存在，火電機(jī)組有策略性報(bào)價(jià)的動(dòng)機(jī)。

如前所述，火電機(jī)組的策略性報(bào)價(jià)行為將直接影響到經(jīng)濟(jì)調(diào)度的有效性與最優(yōu)性，阻礙可再生能源的消納。因此，亟需一種激勵(lì)相容的機(jī)制來引導(dǎo)火電機(jī)組對輔助服務(wù)真實(shí)報(bào)價(jià)，從而加快中國電網(wǎng)向高比例可再生能源轉(zhuǎn)型的進(jìn)程。

3 機(jī)制設(shè)計(jì)

VCG 機(jī)制是一種能夠精準(zhǔn)辨識市場成員所創(chuàng)造價(jià)值的機(jī)制設(shè)計(jì)方法，可以激勵(lì)市場成員申報(bào)真實(shí)信息。VCG 機(jī)制最早由William Vickrey于1961年提出，Edward H. Clarke 和Theodore Groves 分別于1971 年和1973 年對VCG 機(jī)制進(jìn)行了推廣。本章采用VCG 機(jī)制引導(dǎo)火電機(jī)組在電力市場中真實(shí)報(bào)價(jià)。邊際電價(jià)機(jī)制與VCG 機(jī)制之間的區(qū)別在于結(jié)算方式不同：邊際電價(jià)機(jī)制規(guī)定了基于邊際電價(jià)向火電機(jī)組支付的方式；而基于VCG 機(jī)制向火電機(jī)組支付的費(fèi)用是根據(jù)其對其他市場成員的替代效益進(jìn)行結(jié)算的。此外，針對VCG 機(jī)制帶來的收支不平衡問題，本文提出了相應(yīng)的解決方案。

3.1 激勵(lì)相容機(jī)制

基于VCG 機(jī)制對一臺火電機(jī)組的支付費(fèi)用等于該機(jī)組對其他發(fā)電機(jī)組的替代效益，即該火電機(jī)組參與市場前后，其他發(fā)電機(jī)組總發(fā)電成本的變化。因此，本文提出的機(jī)制可以激勵(lì)火電機(jī)組真實(shí)報(bào)價(jià)：如果一臺火電機(jī)組為阻止可再生能源參與市場而對輔助服務(wù)虛報(bào)高價(jià)，則該機(jī)組在輔助服務(wù)市場中的中標(biāo)量將會(huì)減少，而除去該機(jī)組后其余機(jī)組成本的變化較小，對該機(jī)組的支付費(fèi)用也將會(huì)減少。由此可得出如下定理。

定理1：VCG 機(jī)制滿足占優(yōu)策略激勵(lì)相容（dominant-strategy incentive compatibility，DSIC）、個(gè)體理性（individual rationality，IR）以及社會(huì)福利最大化（welfare optimality，SWO）。其含義如下：

1）占優(yōu)策略激勵(lì)相容：對每臺機(jī)組而言，無論其余機(jī)組是否申報(bào)真實(shí)成本，真實(shí)申報(bào)發(fā)電成本是其最優(yōu)選擇。

2）個(gè)體理性：每臺發(fā)電機(jī)組的凈利潤非負(fù)，這保證了發(fā)電機(jī)組有參與日前市場的動(dòng)力。

3）社會(huì)福利最大化：經(jīng)濟(jì)調(diào)度得到的優(yōu)化結(jié)果可以實(shí)現(xiàn)社會(huì)福利最大化，即經(jīng)濟(jì)調(diào)度的最優(yōu)策略可實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)運(yùn)行成本最小化。

針對VCG 機(jī)制滿足占優(yōu)策略激勵(lì)相容的性質(zhì)，本文在附錄A 中作出證明。需要注意的是，本文研究的火電機(jī)組策略性報(bào)價(jià)是個(gè)體行為，并未考慮串謀的情況。

參見文獻(xiàn)［16］的論據(jù)，哈維茨不可能定理證明不存在同時(shí)滿足占優(yōu)策略激勵(lì)相容、個(gè)體理性、社會(huì)福利最大化以及收支平衡的激勵(lì)機(jī)制［22］?，F(xiàn)有文獻(xiàn)指出，在任何給定的供應(yīng)曲線下，VCG 機(jī)制始終導(dǎo)致向發(fā)電機(jī)組支付的價(jià)格高于邊際電價(jià)。這表明在VCG 機(jī)制下，系統(tǒng)向發(fā)電機(jī)組支付的費(fèi)用比邊際電價(jià)機(jī)制更高。因此，本文提出的機(jī)制不滿足收支平衡，導(dǎo)致系統(tǒng)收入不足。收支平衡要求系統(tǒng)向發(fā)電機(jī)組支付的費(fèi)用不高于從電力負(fù)荷征收的費(fèi)用［23-24］，否則系統(tǒng)運(yùn)營商將遭受財(cái)政赤字的困擾。因此，本文提出了一種收支不平衡處理策略以解決系統(tǒng)收入不足的問題。

3.2 收支不平衡處理策略

由VCG 機(jī)制導(dǎo)致的收支不平衡問題如圖3所示。在邊際電價(jià)機(jī)制下，邊際機(jī)組可通過策略性競價(jià)來操縱市場出清價(jià)格，從而顯著擴(kuò)大生產(chǎn)者剩余。相比于邊際電價(jià)機(jī)制，系統(tǒng)基于VCG 機(jī)制向某臺機(jī)組支付的費(fèi)用定義為除去該臺機(jī)組后系統(tǒng)的增量成本。圖中，假設(shè)邊際機(jī)組有足夠的容量。邊際機(jī)組將在除去另一臺機(jī)組后消除供需不平衡，而市場中的下一臺機(jī)組將在除去邊際機(jī)組后消除供需不平衡。因此，其余機(jī)組按照邊際機(jī)組的報(bào)價(jià)來結(jié)算，而邊際機(jī)組按照市場下一臺機(jī)組的報(bào)價(jià)來結(jié)算。

圖3 VCG 機(jī)制造成的收入不足Fig.3 Revenue inadequacy caused by VCG mechanism

值得注意的是，VCG 機(jī)制并未改變除邊際機(jī)組外的其余機(jī)組的結(jié)算方式，只是對邊際機(jī)組按照下一臺機(jī)組的報(bào)價(jià)進(jìn)行結(jié)算。因此，VCG 機(jī)制并沒有顛覆現(xiàn)有的邊際電價(jià)機(jī)制，而是對邊際電價(jià)機(jī)制進(jìn)行改進(jìn)，使其可以應(yīng)用于實(shí)際市場。相比于邊際電價(jià)機(jī)制下邊際機(jī)組策略性報(bào)價(jià)帶來的市場效率損失，VCG 機(jī)制可有效抑制邊際機(jī)組策略性報(bào)價(jià)的動(dòng)機(jī)從而提升價(jià)格的透明度。

相比于邊際電價(jià)機(jī)制，VCG 機(jī)制需要對邊際機(jī)組支付額外的費(fèi)用，這筆費(fèi)用可以解釋為對邊際機(jī)組真實(shí)報(bào)價(jià)的激勵(lì)，即信息租金。

本文將VCG 機(jī)制下電力系統(tǒng)的總收支不平衡量記作ΔE，表示為火電機(jī)組真實(shí)報(bào)價(jià)時(shí)系統(tǒng)基于VCG 機(jī)制與基于邊際電價(jià)機(jī)制下向火電機(jī)組支付費(fèi)用之間的差額：

解決收支不平衡的一個(gè)可行方案是建立信息租金分?jǐn)倷C(jī)制，將系統(tǒng)虧損資金分?jǐn)傊粱痣姍C(jī)組以外的市場成員以實(shí)現(xiàn)收支平衡。值得注意的是，邊際電價(jià)機(jī)制下火電機(jī)組策略性報(bào)價(jià)引起的市場效率損失要比VCG 機(jī)制下需要支付的信息租金更大。因此，市場成員有意愿承擔(dān)這部分信息租金以避免更大的損失。根據(jù)實(shí)際情況，本文提出將信息租金分?jǐn)傊量稍偕茉?、所有時(shí)刻負(fù)荷以及尖峰時(shí)刻負(fù)荷3 種方案，以電價(jià)的形式實(shí)現(xiàn)市場成員對信息租金的支付。需要指出的是，為促進(jìn)能源體系向高比例可再生能源轉(zhuǎn)型，本文將火電機(jī)組的輔助服務(wù)成本分?jǐn)傊霖?fù)荷，可再生能源不承擔(dān)輔助服務(wù)成本。

1）信息租金分?jǐn)傊量稍偕茉?/p>

將信息租金分?jǐn)傊量稍偕茉磿r(shí)，信息租金產(chǎn)生的電價(jià)λINF為系統(tǒng)資金虧損除以可再生能源總發(fā)電量：

3）信息租金分?jǐn)傊良夥鍟r(shí)刻負(fù)荷

針對負(fù)荷波動(dòng)較大的地區(qū)，可以考慮將信息租金分?jǐn)傊良夥鍟r(shí)刻負(fù)荷。將系統(tǒng)資金虧損分?jǐn)傊良夥鍟r(shí)刻負(fù)荷可以驅(qū)動(dòng)需求響應(yīng)，進(jìn)一步削減尖峰負(fù)荷，與現(xiàn)有的尖峰價(jià)格機(jī)制相適應(yīng)。此時(shí)，信息租金產(chǎn)生的電價(jià)λINF為信息租金除以尖峰時(shí)刻系統(tǒng)總負(fù)荷：

式中：ΦNP和ΦP分別為非高峰和高峰時(shí)段集合。

此時(shí)，考慮信息租金電價(jià)λINF的負(fù)荷電價(jià)表達(dá)式同式（19）。值得注意的是，由于基于VCG 機(jī)制時(shí)系統(tǒng)對火電機(jī)組的支付費(fèi)用并未改變，本文提出的收支不平衡處理策略并不違反VCG 機(jī)制激勵(lì)相容、個(gè)體理性與社會(huì)福利最大化的性質(zhì)。

此外，隨著儲能技術(shù)的快速發(fā)展，未來大規(guī)模儲能系統(tǒng)將替代部分火電機(jī)組為可再生能源消納提供支撐。然而在邊際電價(jià)機(jī)制下，儲能系統(tǒng)同樣有策略性報(bào)價(jià)以獲取更高收益的動(dòng)機(jī)。本文提出的價(jià)值分配機(jī)制通過計(jì)算儲能系統(tǒng)對其他市場成員的替代效益對儲能系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)算，從而精準(zhǔn)辨識儲能系統(tǒng)創(chuàng)造的價(jià)值，引導(dǎo)儲能系統(tǒng)申報(bào)真實(shí)信息。因此，本文所提機(jī)制具有普適性。

4 算例分析

4.1 算例概況

在IEEE 30 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)中驗(yàn)證所提機(jī)制的有效性。算例分析測試環(huán)境為2.40 GHz 8 核CPU，8 GB RAM 的筆記本，編程軟件為MATLAB R2016a，優(yōu)化求解器為CPLEX 12.4［25］。IEEE 30 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來源于IEEE 標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)的參數(shù)說明。

IEEE 30 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)中包含6 臺火電機(jī)組，其參數(shù)如表1 所示。此外還有4 臺可再生能源機(jī)組，裝機(jī)容量均為50 MW。風(fēng)電機(jī)組1、2 分別位于節(jié)點(diǎn)7 與21；光伏電站1、2 分別位于節(jié)點(diǎn)12 與30。本算例中風(fēng)電與光伏的數(shù)據(jù)均來自美國國家能源實(shí)驗(yàn)室（National Renewable Energy Laboratory，NREL）［26］。本文認(rèn)為可再生能源申報(bào)價(jià)格為零。

表1 火電機(jī)組參數(shù)Table 1 Parameters of thermal power units

4.2 策略性競價(jià)影響

如前所述，邊際電價(jià)機(jī)制下火電機(jī)組有策略性競價(jià)的動(dòng)機(jī)，這將影響電力系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行。表2所示為火電機(jī)組不同正、負(fù)備用報(bào)價(jià)下的電力系統(tǒng)運(yùn)行成本及新能源消納情況。

表2 不同備用競價(jià)下的可再生能源消納率、系統(tǒng)成本與火電機(jī)組收益Table 2 Renewable energy accommodation rate,system cost and profit of thermal power units with different reserve bids

隨著火電機(jī)組備用報(bào)價(jià)逐漸提高，市場運(yùn)營商為保證系統(tǒng)運(yùn)行成本最小，將使可再生能源無法中標(biāo)，導(dǎo)致可再生能源消納率降低?？稍偕茉礈p少出力使得火電機(jī)組占據(jù)更多的市場份額，其收益因此增加，而由于可再生能源出力的減少，系統(tǒng)成本將在一定程度上升高。由表2 可知，當(dāng)備用報(bào)價(jià)與真實(shí)成本的比例從1 升至5 時(shí)，火電機(jī)組的收益從2 241.14 美元提升至16 635.32 美元，提高了近6.5 倍。然而，可再生能源消納率從97.00%降至0，可再生能源無法并網(wǎng)，系統(tǒng)成本由于可再生能源發(fā)電減少，提高了近2 倍。由此可見，邊際電價(jià)機(jī)制下的火電機(jī)組有動(dòng)機(jī)提升備用價(jià)格以占據(jù)更多的市場份額從而擴(kuò)大自身收益。然而，背離真實(shí)成本的報(bào)價(jià)阻礙了可再生能源的消納，增加了系統(tǒng)運(yùn)行成本，在一定程度上降低了市場效率。為加快能源體系向高比例可再生能源轉(zhuǎn)型的進(jìn)程，引導(dǎo)火電機(jī)組真實(shí)報(bào)價(jià)十分重要。

4.3 激勵(lì)相容機(jī)制性質(zhì)驗(yàn)證

為驗(yàn)證VCG 機(jī)制的激勵(lì)相容性，本文對比了火電機(jī)組在不同報(bào)價(jià)水平下的凈利潤，如圖4 所示。凈利潤比例為1 時(shí)表示火電機(jī)組收益最大。

圖4 火電機(jī)組申報(bào)不同系數(shù)下的凈利潤比例Fig.4 Ratio of net profit with different coefficients bid by thermal power units

從圖中可以看出，當(dāng)火電機(jī)組對備用的報(bào)價(jià)等于真實(shí)成本時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)利潤最大化，這也表明真實(shí)報(bào)價(jià)是火電機(jī)組獲得最大利潤的唯一策略。因此，VCG 機(jī)制滿足激勵(lì)相容性質(zhì)，可引導(dǎo)火電機(jī)組對輔助服務(wù)真實(shí)報(bào)價(jià)，從而精準(zhǔn)辨識火電機(jī)組為可再生能源消納付出的成本，使火電機(jī)組有意愿為可再生能源消納提供支撐。

4.4 個(gè)體理性機(jī)制性質(zhì)驗(yàn)證

為驗(yàn)證個(gè)體理性，表3 所示為火電機(jī)組在對輔助服務(wù)真實(shí)報(bào)價(jià)情況下獲得的支付費(fèi)用及凈收入。從結(jié)果可以看出，VCG 機(jī)制下的所有發(fā)電機(jī)組在真實(shí)報(bào)價(jià)時(shí)獲得的凈收入均為非負(fù)值，從而確保了火電機(jī)組有意愿參與輔助服務(wù)市場為可再生能源消納提供支撐。

此外，由表3 可以得知，相比于邊際電價(jià)機(jī)制，本文所提出的VCG 機(jī)制始終使火電機(jī)組獲得的支付費(fèi)用更高。與邊際電價(jià)機(jī)制相比，VCG 機(jī)制導(dǎo)致的各臺火電機(jī)組收支不平衡量為0.3～917.73 美元。

表3 火電機(jī)組支付的費(fèi)用及凈利潤Table 3 Payments and net profits of all thermal power units

4.5 收支不平衡處理策略

如前所述，在VCG 機(jī)制下系統(tǒng)向發(fā)電機(jī)組支付的費(fèi)用比邊際電價(jià)機(jī)制更高，這將導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)資金虧損的情況。本算例中，VCG 機(jī)制帶來的總收支不平衡量為1 488.44 美元。

為解決VCG 機(jī)制帶來的收支不平衡問題，本文根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況，提出將系統(tǒng)資金虧損分?jǐn)傊量稍偕茉?、所有時(shí)刻負(fù)荷以及尖峰時(shí)刻負(fù)荷3 種方案。

1）信息租金分?jǐn)傊量稍偕茉?/p>

因本文將火電機(jī)組的輔助服務(wù)成本分?jǐn)傊霖?fù)荷，故可再生能源的結(jié)算價(jià)格由節(jié)點(diǎn)邊際電價(jià)與信息租金產(chǎn)生的電價(jià)組成?？稍偕茉吹慕Y(jié)算價(jià)格為所在節(jié)點(diǎn)的邊際電價(jià)減去信息租金產(chǎn)生的電價(jià)。本算例中可再生能源總發(fā)電量為1 703.75 MW·h，可得信息租金產(chǎn)生的電價(jià)λINF為0.87 美元/（MW·h）。圖5 所示為將信息租金分?jǐn)傊量稍偕茉春蟮目稍偕茉唇Y(jié)算電價(jià)。

圖5 信息租金分?jǐn)傊量稍偕茉吹目稍偕茉唇Y(jié)算電價(jià)Fig.5 Settlement price of renewable energy after information rent is allocated to renewable energy

2）信息租金分?jǐn)傊了袝r(shí)刻負(fù)荷

將信息租金分?jǐn)傊了袝r(shí)刻負(fù)荷后，負(fù)荷的結(jié)算電價(jià)為節(jié)點(diǎn)邊際電價(jià)、備用價(jià)格與信息租金產(chǎn)生的電價(jià)之和。本算例中所有時(shí)段總負(fù)荷為3 446.02 MW·h，由此可得信息租金產(chǎn)生的電價(jià)λINF為0.43 美元/（MW·h）。圖6 所示為將信息租金分?jǐn)傊了袝r(shí)刻負(fù)荷后的負(fù)荷結(jié)算電價(jià)。

圖6 信息租金分?jǐn)傊了袝r(shí)刻負(fù)荷的負(fù)荷結(jié)算電價(jià)Fig.6 Settlement price of load by allocating information rent to load at all time slots

3）信息租金分?jǐn)傊良夥鍟r(shí)刻負(fù)荷

將信息租金分?jǐn)傊良夥鍟r(shí)刻負(fù)荷后，尖峰時(shí)刻負(fù)荷的節(jié)點(diǎn)電價(jià)為節(jié)點(diǎn)邊際電價(jià)、備用價(jià)格與信息租金產(chǎn)生的電價(jià)之和，非尖峰時(shí)刻負(fù)荷的節(jié)點(diǎn)電價(jià)為節(jié)點(diǎn)邊際電價(jià)與備用價(jià)格之和。本文將高峰時(shí)段定為時(shí)段9～12 和17～22，高峰時(shí)段負(fù)荷總量為1 500.79 MW·h，由此可得信息租金產(chǎn)生的電價(jià)λINF為0.99 美元/（MW·h）。圖7 所示為將信息租金分?jǐn)傊良夥鍟r(shí)刻負(fù)荷后的負(fù)荷結(jié)算電價(jià)。

圖7 信息租金分?jǐn)傊良夥鍟r(shí)刻負(fù)荷的負(fù)荷結(jié)算電價(jià)Fig.7 Settlement price of load after information rent is allocated to peak load

4.6 靈敏性分析

不同的可再生能源滲透率會(huì)對其消納產(chǎn)生影響。因此，本節(jié)對可再生能源滲透率進(jìn)行靈敏性分析。需要說明的是，本文采用可再生能源預(yù)測值與總負(fù)荷比值的方式表示可再生能源滲透率。圖8 所示為在不同可再生能源消納率下，火電機(jī)組真實(shí)報(bào)價(jià)與策略性競價(jià)時(shí)可再生能源的消納情況。其中，“F”表示火電機(jī)組備用報(bào)價(jià)與真實(shí)成本的比值為3時(shí)的棄風(fēng)/光率；“T”表示火電機(jī)組真實(shí)報(bào)價(jià)時(shí)的棄風(fēng)/光率；“F-T”表示火電機(jī)組策略性報(bào)價(jià)與真實(shí)報(bào)價(jià)時(shí)的棄風(fēng)/光率之差。

圖8 不同可再生能源滲透率下的棄風(fēng)/光率Fig.8 Curtailment rate of wind and PV with different renewable energy penetration rates

從圖8 可以看出，隨著可再生能源滲透率的逐漸提高，棄風(fēng)/光率也逐漸提高。而火電機(jī)組對輔助服務(wù)進(jìn)行策略性報(bào)價(jià)時(shí)，系統(tǒng)為減小運(yùn)行成本將削減可再生能源出力，導(dǎo)致棄風(fēng)/光率大幅提升。在可再生能源滲透率由0.5 提升至0.9 的過程中，火電機(jī)組對輔助服務(wù)策略性報(bào)價(jià)導(dǎo)致平均約0.3 的棄風(fēng)/光率提升。

5 結(jié)語

為加快中國能源體系向高比例可再生能源轉(zhuǎn)型，本文提出一種面向高比例可再生能源轉(zhuǎn)型的電力市場價(jià)值分配機(jī)制，以精準(zhǔn)辨識火電機(jī)組為可再生能源消納付出的成本，從而引導(dǎo)火電機(jī)組向電力系統(tǒng)提供真實(shí)信息，激勵(lì)火電機(jī)組主動(dòng)為可再生能源消納提供支撐。首先，建立了考慮火電機(jī)組備用的日前能量與輔助服務(wù)市場聯(lián)合出清的優(yōu)化模型，并分析了邊際電價(jià)機(jī)制存在的不足，即無法滿足激勵(lì)相容。隨后，本文采用VCG 機(jī)制對火電機(jī)組進(jìn)行結(jié)算，基于VCG 機(jī)制對火電機(jī)組支付的費(fèi)用根據(jù)其對其他市場成員的替代效益進(jìn)行結(jié)算。該機(jī)制已被證明能夠滿足占優(yōu)策略激勵(lì)相容、個(gè)體理性以及社會(huì)福利最大化性質(zhì)。針對VCG 機(jī)制導(dǎo)致的系統(tǒng)收支不平衡問題，本文根據(jù)實(shí)際情況提出了系統(tǒng)資金虧損分?jǐn)傊量稍偕茉?、所有時(shí)刻負(fù)荷以及尖峰時(shí)刻負(fù)荷3 種方案。最后，通過IEEE 30 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)驗(yàn)證了所提市場機(jī)制的有效性。

在未來的工作中存在以下幾個(gè)關(guān)鍵問題值得繼續(xù)探索：

1）高比例可再生能源滲透導(dǎo)致出清電價(jià)降低［8］，電力市場邊際成本下降，無法通過能量市場收回運(yùn)行成本與前期投資成本。因此，未來包括組織報(bào)價(jià)、出清、定價(jià)計(jì)算在內(nèi)的市場流程將涉及顛覆性改變。未來，現(xiàn)貨市場與容量市場的市場模式設(shè)計(jì)以及不同市場之間的結(jié)合、銜接值得深入研究。

2）VCG 機(jī)制本質(zhì)上是邊際電價(jià)機(jī)制的擴(kuò)展而非顛覆，它更精準(zhǔn)地辨識了如何補(bǔ)償邊際機(jī)組，抑制了邊際機(jī)組策略性報(bào)價(jià)的沖動(dòng)。然而當(dāng)市場成員較多時(shí)，對市場成員價(jià)值的辨識需要逐一剔除市場成員進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算量較大，而邊際電價(jià)機(jī)制下對市場成員的結(jié)算只需計(jì)算一次。因此，如何在盡量不重復(fù)優(yōu)化的前提下實(shí)現(xiàn)VCG 機(jī)制的實(shí)用化是未來研究的重點(diǎn)。

3）未來的能源格局將是集中式與分布式并舉的格局，本文只討論集中式可再生能源并入電網(wǎng)情況下的市場機(jī)制設(shè)計(jì)。分布式可再生能源也是未來能源發(fā)展的重要形態(tài)，如何在考慮海量分布式能源接入的情況下設(shè)計(jì)相應(yīng)的市場模式與機(jī)制值得進(jìn)一步研究。

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