唐成鵬， 張粒子， 鄧 暉， 肖艷煒

(1.華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司 電力科學(xué)研究院，浙江 杭州 310014；3.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司 電力市場(chǎng)仿真實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310014；4.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司，浙江 杭州 310000)

0 引 言

能源轉(zhuǎn)型是實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”(簡(jiǎn)稱“雙碳”)目標(biāo)的重要途徑[1]。2060年時(shí)我國(guó)新能源發(fā)電量占比可能超過(guò)50%，屆時(shí)新能源的不確定性、波動(dòng)性和低邊際成本等特性對(duì)電力系統(tǒng)的影響將顯著放大，高比例新能源不僅需要系統(tǒng)提供充足的靈活性，還會(huì)對(duì)功率平衡及運(yùn)行控制、市場(chǎng)價(jià)格信號(hào)和發(fā)電容量充裕性等產(chǎn)生一系列深遠(yuǎn)影響。在未來(lái)“以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)”建設(shè)過(guò)程中，如何引導(dǎo)資源的靈活性改造和規(guī)劃建設(shè)，以及如何充分調(diào)用和合理激勵(lì)現(xiàn)有資源提供靈活性，將為電力市場(chǎng)設(shè)計(jì)帶來(lái)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

放眼國(guó)外，對(duì)于高比例水電系統(tǒng)，南美(如智利、巴西)已有相對(duì)成熟的電力市場(chǎng)建設(shè)經(jīng)驗(yàn)[2，3]；歐洲和美國(guó)也相繼提出了碳減排目標(biāo)，積極探索高比例新能源電力系統(tǒng)下的市場(chǎng)設(shè)計(jì)[4，5]。我國(guó)相關(guān)專家深刻剖析了能源轉(zhuǎn)型下電力市場(chǎng)建設(shè)面臨的挑戰(zhàn)[6]，并對(duì)促進(jìn)新能源發(fā)展的措施和市場(chǎng)機(jī)制進(jìn)行了深入探討[7-9]。理論研究方面，文獻(xiàn)[10-13]對(duì)國(guó)內(nèi)外促進(jìn)新能源發(fā)展的激勵(lì)政策、交易模式，以及新能源對(duì)電力市場(chǎng)的影響、適應(yīng)高比例可再生能源的電力市場(chǎng)機(jī)制設(shè)計(jì)等方面的研究現(xiàn)狀做了比較詳細(xì)的綜述；仿真研究方面，文獻(xiàn)[14-16]借助均衡分析方法對(duì)以火電為主系統(tǒng)在單一電能量市場(chǎng)機(jī)制下的均衡情況進(jìn)行了仿真模擬。然而，當(dāng)前對(duì)能源轉(zhuǎn)型下多類靈活性資源參與不同電能量或輔助服務(wù)市場(chǎng)機(jī)制的研究仍有不足，難以推演各類靈活性資源及市場(chǎng)激勵(lì)機(jī)制的作用，進(jìn)而為面向雙碳目標(biāo)的電力規(guī)劃和機(jī)制設(shè)計(jì)提供重要參考。

為解決上述問(wèn)題，本文主要進(jìn)行了三個(gè)方面的研究工作：1)闡述新型電力系統(tǒng)建設(shè)過(guò)程中重點(diǎn)發(fā)展資源的靈活性，對(duì)激勵(lì)靈活性的市場(chǎng)機(jī)制進(jìn)行梳理和總結(jié)；2)提出均衡分析方法，包括由各類資源報(bào)價(jià)決策模型、電能量與靈活爬坡輔助服務(wù)聯(lián)合出清模型構(gòu)成的雙層優(yōu)化模型，以及基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的模型求解方法；3)構(gòu)建多種靈活性資源配比、不同靈活性激勵(lì)機(jī)制案例，驗(yàn)證所提方法的有效性，分析各類靈活性資源及市場(chǎng)激勵(lì)機(jī)制的作用。

1 靈活性資源及其激勵(lì)機(jī)制

1.1 面向雙碳目標(biāo)的靈活性資源

電力資源靈活性的主要特征通常包括三個(gè)方面：可調(diào)節(jié)容量范圍、輸出功率變化速度和電能量持續(xù)時(shí)間[17]。在最小和最大技術(shù)出力之間具有大范圍功率調(diào)節(jié)能力的資源、爬坡速率較快的資源，以及能夠在較長(zhǎng)時(shí)間保持能量水平的資源，可以更好地適應(yīng)電力系統(tǒng)的供需變化或維持電力系統(tǒng)平衡，都屬于靈活性資源。因此，靈活性資源不僅限于電源側(cè)，還包括可調(diào)節(jié)負(fù)荷、儲(chǔ)能設(shè)備等，不同類型資源的靈活性有很大差異。

下面簡(jiǎn)單介紹新型電力系統(tǒng)建設(shè)過(guò)程中重點(diǎn)發(fā)展的靈活性資源，而諸如火電、核電、水電等常規(guī)電源的特性不再贅述。

(1)新能源。在新能源占比較小的保障性消納階段，其出力通常被視為固定的、不可調(diào)節(jié)的，需要其他資源提供靈活性，以適應(yīng)新能源的波動(dòng)性和不確定性。然而，受系統(tǒng)運(yùn)行特性限制，新能源消納的嚴(yán)格優(yōu)先未必是最經(jīng)濟(jì)和低碳的，在新能源占比較高的電力系統(tǒng)中可能也難以實(shí)現(xiàn)全部新能源發(fā)電量的保障性消納。若將新能源納入整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度，即允許經(jīng)濟(jì)性或可靠性棄能，則新能源自身就能提供很好的靈活性，同時(shí)也使得整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行更經(jīng)濟(jì)。由此，新能源從靈活性問(wèn)題的原因轉(zhuǎn)變?yōu)榻鉀Q方案的一部分，降低了系統(tǒng)靈活性對(duì)常規(guī)電源的依賴性。上述方式在美國(guó)電力市場(chǎng)(如PJM、NYISO、MISO)已有實(shí)際應(yīng)用，并取得了大量效益，甚至還有學(xué)者研究新能源參與輔助服務(wù)市場(chǎng)的可行性[18]。

(2)抽水蓄能。以抽水蓄能為代表的儲(chǔ)能設(shè)備，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中扮演著發(fā)電廠和用戶的雙重角色，具有工況轉(zhuǎn)換靈活、反應(yīng)迅速、大幅調(diào)節(jié)、儲(chǔ)存容量大等特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)秒級(jí)啟動(dòng)、分鐘級(jí)滿負(fù)荷運(yùn)行，是優(yōu)良的靈活性資源?！冻樗钅苤虚L(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃(2021-2035年)》提出，加快發(fā)展抽水蓄能，是構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的迫切要求；2030年抽水蓄能投產(chǎn)總規(guī)模將達(dá)到1.2億千瓦左右。

(3)可調(diào)節(jié)負(fù)荷?？烧{(diào)節(jié)負(fù)荷參與需求響應(yīng)，可以通過(guò)響應(yīng)價(jià)格信號(hào)、激勵(lì)或調(diào)度機(jī)構(gòu)的指令而主動(dòng)改變其用電行為，使得電力需求成為虛擬的可控資源?？烧{(diào)節(jié)負(fù)荷與多種電源類型結(jié)合，可以有效克服新能源隨機(jī)性及其與用電時(shí)間不匹配對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行造成的不利影響，通過(guò)削峰、填谷、平抑波動(dòng)等方式為系統(tǒng)提供靈活性。短期來(lái)看，可調(diào)節(jié)負(fù)荷參與需求響應(yīng)有利于穩(wěn)定電價(jià)、約束市場(chǎng)力、提高經(jīng)濟(jì)效率，長(zhǎng)期來(lái)看還可以減少新增發(fā)輸電容量的投資。

1.2 激勵(lì)靈活性的市場(chǎng)機(jī)制

許多運(yùn)行特性都會(huì)限制靈活性，靈活性的增加可能會(huì)增加成本，因此需要在必要時(shí)才調(diào)用額外靈活性，并為此提供相應(yīng)激勵(lì)。隨著電力現(xiàn)貨市場(chǎng)建設(shè)的逐步深化，新型電力系統(tǒng)下市場(chǎng)設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)考慮兩個(gè)問(wèn)題：一是市場(chǎng)設(shè)計(jì)是否為進(jìn)入市場(chǎng)的新資源提供激勵(lì)，使其在系統(tǒng)需要的時(shí)間和地點(diǎn)新增所需的靈活性，以促進(jìn)形成合理的電源結(jié)構(gòu)，這是長(zhǎng)期容量充裕性問(wèn)題；二是市場(chǎng)設(shè)計(jì)是否為現(xiàn)有資源提供激勵(lì)，實(shí)現(xiàn)多種靈活性資源的高效和全面整合，以獎(jiǎng)勵(lì)靈活性和準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，這是短期市場(chǎng)設(shè)計(jì)問(wèn)題。下面結(jié)合國(guó)內(nèi)外實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)激勵(lì)靈活性的市場(chǎng)機(jī)制進(jìn)行梳理和總結(jié)。

(1)靈活性資源整合

為實(shí)現(xiàn)資源的全面整合和充分調(diào)用，需要將新能源、儲(chǔ)能設(shè)備、可調(diào)節(jié)負(fù)荷等新興資源統(tǒng)一納入市場(chǎng)，通過(guò)優(yōu)化市場(chǎng)交易、出清和價(jià)格機(jī)制等措施，充分契合各類資源的特性，實(shí)現(xiàn)源源互補(bǔ)、源荷互動(dòng)，以提高系統(tǒng)靈活性。例如，美國(guó)PJM在市場(chǎng)出清模型中加入新能源、抽水蓄能機(jī)組和需求響應(yīng)的相關(guān)約束[19，20]；大多數(shù)歐洲國(guó)家(如西班牙、葡萄牙)已經(jīng)對(duì)需求響應(yīng)的參與開放了市場(chǎng)，并通過(guò)日內(nèi)滾動(dòng)交易、逼近實(shí)時(shí)的關(guān)閘時(shí)間等機(jī)制，為新能源提供充足的偏差調(diào)整和交易計(jì)劃修正的機(jī)會(huì)。我國(guó)在此方面也進(jìn)行了積極探索，如推進(jìn)源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化和多能互補(bǔ)發(fā)展、完善風(fēng)光儲(chǔ)價(jià)格形成機(jī)制、鼓勵(lì)新型主體參與市場(chǎng)等。相反地，在某些市場(chǎng)中，市場(chǎng)主體可通過(guò)提交自調(diào)度計(jì)劃等方式提前鎖定資源的運(yùn)行計(jì)劃，該機(jī)制一定程度上減少了可供系統(tǒng)調(diào)度使用的靈活性資源。

(2)現(xiàn)貨市場(chǎng)優(yōu)化調(diào)度與精細(xì)化結(jié)算

優(yōu)化調(diào)度與分時(shí)定價(jià)。以集中式市場(chǎng)為例，市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)機(jī)構(gòu)基于市場(chǎng)報(bào)價(jià)(或發(fā)電成本)，在統(tǒng)一的現(xiàn)貨交易平臺(tái)進(jìn)行集中優(yōu)化調(diào)度。該過(guò)程以社會(huì)福利最大化(或生產(chǎn)成本最小化)為目標(biāo)優(yōu)化發(fā)電計(jì)劃，以滿足電力系統(tǒng)安全和機(jī)組運(yùn)行約束條件下的電能量和輔助服務(wù)需求，進(jìn)而給每個(gè)市場(chǎng)主體提供有效的調(diào)度指令和合理的收益，使得市場(chǎng)主體的出力水平始終反映價(jià)格的變化，并避免其在發(fā)電成本高于價(jià)格的水平上運(yùn)行。其中，在邊際出清機(jī)制下，新能源接近零的邊際成本特性使其自動(dòng)獲得了優(yōu)先調(diào)度權(quán)，而多種資源的統(tǒng)一優(yōu)化調(diào)度實(shí)現(xiàn)了新能源的經(jīng)濟(jì)消納；分時(shí)定價(jià)機(jī)制可以較好的反映電力系統(tǒng)在不同時(shí)段的供需特性，通過(guò)價(jià)格信號(hào)對(duì)發(fā)用兩側(cè)的引導(dǎo)，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)峰。具體而言，在新能源發(fā)電能力充沛的時(shí)段，市場(chǎng)價(jià)格走低，常規(guī)電源發(fā)電意愿也相應(yīng)變低，儲(chǔ)能設(shè)備及可調(diào)節(jié)負(fù)荷的用電需求增加，由此為新能源消納創(chuàng)造了更大的空間；在新能源發(fā)電能力較低的時(shí)段，市場(chǎng)價(jià)格走高，常規(guī)電源發(fā)電意愿較高，儲(chǔ)能設(shè)備及可調(diào)節(jié)負(fù)荷的用電需求減少，由此保證了系統(tǒng)中有充裕的資源提供電能。

較短的調(diào)度周期及與之匹配的結(jié)算顆粒度。調(diào)度周期的縮短可以更精細(xì)地確定調(diào)度計(jì)劃和定價(jià)，有助于調(diào)用靈活性和減少輔助服務(wù)需求。美國(guó)PJM、NYISO等電力市場(chǎng)在實(shí)時(shí)階段均以5分鐘為周期進(jìn)行調(diào)度和定價(jià)，已取得了比較好的運(yùn)行效果。然而，并非所有的美國(guó)電力市場(chǎng)都以該粒度進(jìn)行結(jié)算。例如，PJM實(shí)時(shí)市場(chǎng)以6個(gè)調(diào)度周期的平均價(jià)格結(jié)算；NYISO和SPP采用與調(diào)度周期相同的結(jié)算顆粒度。后者保證了靈活性資源獲得了與其調(diào)度指令相稱的獎(jiǎng)勵(lì)，更有利于激勵(lì)資源提供爬坡能力。

安全和收益保障。除了在出清過(guò)程中充分考慮電網(wǎng)安全和機(jī)組運(yùn)行特性外，電力現(xiàn)貨市場(chǎng)采用可靠性機(jī)組組合機(jī)制進(jìn)一步保障系統(tǒng)安全?；趯?duì)新能源及負(fù)荷不確定性的預(yù)測(cè)分析，可靠性機(jī)組組合可以對(duì)系統(tǒng)次日運(yùn)行安全進(jìn)行評(píng)估，判斷靈活性資源的充裕性，并在靈活性可能不足時(shí)優(yōu)化調(diào)整機(jī)組啟停計(jì)劃。并且，為了靈活性資源的有效激勵(lì)，市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)機(jī)構(gòu)采用全成本補(bǔ)償(make-whole payment)或凸包定價(jià)[21]等機(jī)制確保被調(diào)用的資源能夠得到合理的回報(bào)，保證所獲收益能完全覆蓋其提供電能量和輔助服務(wù)的所有成本。

(3)多種輔助服務(wù)產(chǎn)品及主輔聯(lián)合優(yōu)化

主輔市場(chǎng)聯(lián)合優(yōu)化有助于高效地為電能量和輔助服務(wù)安排資源，并相應(yīng)地為兩類服務(wù)定價(jià)。通過(guò)對(duì)調(diào)頻、備用等輔助服務(wù)的分別調(diào)用和定價(jià)，有利于激勵(lì)市場(chǎng)資源提供靈活性。美國(guó)CAISO和MISO市場(chǎng)還將爬坡能力作為獨(dú)立產(chǎn)品進(jìn)行交易、優(yōu)化和定價(jià)，引入了新的輔助服務(wù)產(chǎn)品——靈活爬坡服務(wù)(flexible ramping products，F(xiàn)RP；或稱爬坡能力產(chǎn)品ramp capability product)[22，23]，致力于解決系統(tǒng)中負(fù)荷與新能源帶來(lái)的不確定性問(wèn)題，確保有足夠的爬坡能力跟隨凈負(fù)荷變化，保障系統(tǒng)實(shí)時(shí)平衡。FRP的引入在美國(guó)電力市場(chǎng)取得了一定的效果[24]，但也發(fā)現(xiàn)一些問(wèn)題需要進(jìn)一步修正和改進(jìn)[25，26]。

(4)長(zhǎng)期投資引導(dǎo)

隨著新能源占比的不斷提高，一方面常規(guī)機(jī)組的發(fā)電利用小時(shí)數(shù)將不斷下降，其主要功能及收入來(lái)源將由提供電能量向輔助服務(wù)轉(zhuǎn)變；另一方面，較高的新能源占比會(huì)降低平均能源價(jià)格，增加價(jià)格波動(dòng)性和低價(jià)格的頻率，并抬高輔助服務(wù)的價(jià)格。常規(guī)電源的成本回收和長(zhǎng)期激勵(lì)可能面臨風(fēng)險(xiǎn)，在必要時(shí)可以建立的長(zhǎng)期容量充裕性保障機(jī)制(如容量補(bǔ)償、容量市場(chǎng)、稀缺定價(jià)機(jī)制)。此外，更大范圍的電網(wǎng)互聯(lián)及市場(chǎng)融合、長(zhǎng)期的電力規(guī)劃(如“十四五”規(guī)劃)等措施，都有利于靈活性資源的長(zhǎng)期投資引導(dǎo)和優(yōu)化配置。

各種機(jī)制協(xié)同作用，共同促進(jìn)新能源和靈活性資源建設(shè)同步發(fā)展，實(shí)現(xiàn)靈活性資源的充分調(diào)用、合理激勵(lì)和充裕性保障。

2 均衡分析方法

本節(jié)建立適應(yīng)于多類靈活性資源參與不同市場(chǎng)機(jī)制的通用型均衡分析方法，主要包括雙層均衡模型和求解算法兩個(gè)部分。其中，上層模型為各類資源以利潤(rùn)最大化為目標(biāo)的報(bào)價(jià)決策模型，其利潤(rùn)計(jì)算方式與市場(chǎng)定價(jià)和結(jié)算機(jī)制相對(duì)應(yīng)；下層模型為與市場(chǎng)交易和出清機(jī)制相對(duì)應(yīng)的出清模型，此處重點(diǎn)考慮電能量與FRP輔助服務(wù)聯(lián)合出清模型。對(duì)于模型求解算法，為避免繁瑣的模型轉(zhuǎn)化、方便各類資源或機(jī)制的靈活組合或設(shè)置，適合于采用基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的迭代求解法。

2.1 上層：市場(chǎng)主體報(bào)價(jià)決策模型

首先，分別對(duì)風(fēng)電、光伏、火電機(jī)組，以及以抽水蓄能為代表的儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行市場(chǎng)行為建模。其中，新能源機(jī)組僅參與電能量市場(chǎng)，謀求電能量市場(chǎng)的收益最大化；火電機(jī)組和抽水蓄能同時(shí)參與電能量和FRP市場(chǎng)，追求兩市場(chǎng)的總利潤(rùn)最大化。由于單個(gè)可調(diào)節(jié)負(fù)荷用電量較小，本文考慮可調(diào)節(jié)負(fù)荷以負(fù)荷聚合商的形式提供激勵(lì)型需求響應(yīng)服務(wù)(incentive-based demand response，IDR)，并以實(shí)際成本進(jìn)行報(bào)價(jià)，暫不考慮其策略行為。需要注意的是：①機(jī)組運(yùn)行特性在下層市場(chǎng)出清中考慮；②抽水蓄能考慮變速機(jī)組，其運(yùn)維成本以抽發(fā)效率的形式在運(yùn)行特性約束中計(jì)及；③市場(chǎng)主體只提交電能量市場(chǎng)報(bào)價(jià)，無(wú)需對(duì)FRP進(jìn)行報(bào)價(jià)，F(xiàn)RP價(jià)格由機(jī)會(huì)成本確定。

1)新能源機(jī)組 (i∈Iwind∪Isolar)

(1)

0≤ki≤Kmax

(2)

式(2)為報(bào)價(jià)約束。其中Kmax表示報(bào)價(jià)上限。

2)火電機(jī)組(i∈Icoal∪Igas)

(3)

其中，

(4)

(5)

(6)

約束條件同式(2)。

3)抽水蓄能電站(j∈J)

(7)

0≤kj≤Kmax

(8)

2.2 下層：電能量與FRP輔助服務(wù)聯(lián)合出清模型

聯(lián)合出清的安全約束機(jī)組組合(Security Constrained Unit Commitment，SCUC)模型以社會(huì)福利最大化為目標(biāo)，約束條件包括系統(tǒng)約束、FRP需求約束、需求響應(yīng)相關(guān)約束，以及各種發(fā)電機(jī)組和儲(chǔ)能設(shè)備的運(yùn)行特性約束。

1)目標(biāo)函數(shù)：

(9)

其中，

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

2)系統(tǒng)約束：

(16)

3)FRP輔助服務(wù)需求約束

(17)

(18)

(19)

其他包括新能源、火電、需求響應(yīng)、抽水蓄能等各類靈活性資源的運(yùn)行特性約束，整理于附錄A。

上述雙層均衡模型是完整的通用型模型，不僅適合于分析多類資源參與電能量及FRP市場(chǎng)的均衡結(jié)果，還可通過(guò)修改市場(chǎng)出清周期、電費(fèi)結(jié)算參數(shù)、機(jī)組最小出力參數(shù)等方式，靈活考慮調(diào)度和結(jié)算顆粒度、市場(chǎng)主體提交自調(diào)度計(jì)劃等多種機(jī)制設(shè)計(jì)的影響。

2.3 基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的模型求解

整個(gè)模型框架可基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法進(jìn)行迭代求解，本文選擇深度確定性策略梯度算法(Deep Deterministic Policy Gradient，DDPG)[28]，其中市場(chǎng)出清模型屬于混合整數(shù)二次規(guī)劃問(wèn)題，可借助商用求解器Gurobi進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。整體求解流程與前述循環(huán)迭代優(yōu)化過(guò)程一致，如圖1所示。

圖1 DDPG求解雙層模型框架圖

以各主體作為有自主學(xué)習(xí)能力的智能體(Agent)，而將與之交互的市場(chǎng)出清過(guò)程作為環(huán)境。其要素包括：

2)動(dòng)作a：Agent的動(dòng)作即為報(bào)價(jià)決策變量ki或kj(∈A=[0,Kmax])。

(20)

式中：ε表示衰減率，通常為極小的正數(shù)，TB表示儲(chǔ)存器的容量，Ttrain為訓(xùn)練總次數(shù)。

4)回報(bào)r：以Agent與環(huán)境交互所獲得的利潤(rùn)(對(duì)應(yīng)式(1)或(3)或(7))作為回報(bào)。

5)主Q網(wǎng)絡(luò)(參數(shù)為ω)的訓(xùn)練目標(biāo)是最小化樣本Q值和目標(biāo)Q值之間的均方差，其誤差函數(shù)為：

(21)

(22)

ω按下式更新：

(23)

6)主策略網(wǎng)絡(luò)(參數(shù)為θ)的確定性策略梯度公式為：

(24)

θ按下式更新：

(25)

7)目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)軟更新：

(26)

式中：τ為目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)速率。

整個(gè)算法基于PyTorch和Gurobi框架進(jìn)行編程和計(jì)算。

3 算例分析

圖B1 負(fù)荷及新能源出力曲線圖

3.1 靈活性資源的影響分析

以火電與新能源構(gòu)成的系統(tǒng)作為基礎(chǔ)案例，分別添加抽水蓄能機(jī)組或IDR，得到各案例下的市場(chǎng)均衡結(jié)果如表1所示。

表1 不同靈活性資源整合案例均衡結(jié)果

對(duì)比各案例的市場(chǎng)均衡結(jié)果可以看到，抽水蓄能和IDR等資源都可以增加系統(tǒng)靈活性，多種資源的整合能有效促進(jìn)新能源消納。相較而言，抽水蓄能的調(diào)節(jié)能力更強(qiáng)，在相同調(diào)節(jié)容量情況下其調(diào)用量高于IDR，對(duì)系統(tǒng)靈活性貢獻(xiàn)更大。在日平衡運(yùn)行模式下，抽水蓄能和IDR通過(guò)響應(yīng)市場(chǎng)價(jià)格優(yōu)化自身運(yùn)行曲線，在平抑市場(chǎng)價(jià)格波動(dòng)的同時(shí)，提供系統(tǒng)靈活性。

圖2以案例4為例，展示了市場(chǎng)價(jià)格、抽水蓄能機(jī)組出力和分時(shí)爬坡需求(按凈負(fù)荷計(jì)算)曲線，可以反映抽水蓄能機(jī)組調(diào)用與市場(chǎng)價(jià)格及爬坡需求的相關(guān)性。一方面，抽水蓄能的基本運(yùn)行模式是“低抽高發(fā)”，通過(guò)響應(yīng)價(jià)格實(shí)現(xiàn)自身利益和綜合效益的最大化；另一方面，作為該系統(tǒng)中調(diào)節(jié)性能最好的資源，抽水蓄能也跟隨系統(tǒng)爬坡需求適時(shí)提供靈活性。由此也反映出，單一電能量現(xiàn)貨市場(chǎng)可以在一定程度上激勵(lì)資源提供靈活性。

圖2 抽水蓄能機(jī)組調(diào)用與市場(chǎng)價(jià)格及爬坡需求的相關(guān)性

3.2 靈活性激勵(lì)機(jī)制影響分析

(1)減少市場(chǎng)主體鎖定資源的影響

市場(chǎng)主體可通過(guò)提交自調(diào)度計(jì)劃等方式，提前確定其啟停狀態(tài)及基礎(chǔ)出力曲線，富余容量可參與市場(chǎng)優(yōu)化。為分析市場(chǎng)主體鎖定資源的影響，本文假設(shè)機(jī)組全天各時(shí)段的自調(diào)度計(jì)劃相同，在案例1的基礎(chǔ)上，通過(guò)改變機(jī)組最小出力的方式模擬不同自調(diào)度計(jì)劃場(chǎng)景下的市場(chǎng)出清結(jié)果(如圖3所示)。

圖3 不同自調(diào)度計(jì)劃場(chǎng)景結(jié)果

算例設(shè)置了從20%gmax到60%gmax的5種自調(diào)度計(jì)劃場(chǎng)景。可以看到，自調(diào)度計(jì)劃比例越高，則可供系統(tǒng)調(diào)度的靈活性資源越少，最終消納的新能源也越少。該結(jié)果也一定程度上反映了火電靈活性改造等措施對(duì)提高系統(tǒng)靈活性和促進(jìn)新能源消納的作用。

(2)增加FRP輔助服務(wù)產(chǎn)品的影響

FRP輔助服務(wù)產(chǎn)品的引入，不僅考慮了新能源出力和負(fù)荷波動(dòng)造成的系統(tǒng)爬坡需求，還為其不確定性預(yù)留容量，以保障系統(tǒng)能提供所需的爬坡能力。算例基于案例4構(gòu)建了多個(gè)不同預(yù)測(cè)誤差σ的場(chǎng)景，各場(chǎng)景的爬坡需求由式(19)計(jì)算得到。各場(chǎng)景的市場(chǎng)價(jià)格如表2所示。

表2 不同預(yù)測(cè)誤差場(chǎng)景下市場(chǎng)價(jià)格情況

由上述結(jié)果可以看到，在案例4系統(tǒng)中，引入FRP輔助服務(wù)產(chǎn)品對(duì)電能量市場(chǎng)的價(jià)格影響較小。FRP服務(wù)的價(jià)格由機(jī)會(huì)成本確定，隨凈負(fù)荷預(yù)測(cè)誤差的增加而升高。各類靈活性資源的FRP服務(wù)中標(biāo)情況如圖4所示。

圖4 不同預(yù)測(cè)誤差場(chǎng)景的FRP服務(wù)中標(biāo)情況

通過(guò)對(duì)比可以看出，調(diào)節(jié)性能越好的資源中標(biāo)的FRP服務(wù)量越大，即FRP產(chǎn)品有助于激勵(lì)調(diào)節(jié)性能優(yōu)越的資源提供靈活性。下面進(jìn)一步分析新能源占比更高情況下的市場(chǎng)運(yùn)行情況。

3.3 電源結(jié)構(gòu)的影響分析

在前述σ=1場(chǎng)景(新能源裝機(jī)占比47.1%)基礎(chǔ)上，本節(jié)逐步增加20%新能源裝機(jī)容量，其出力曲線同比例調(diào)整，構(gòu)建多個(gè)場(chǎng)景，市場(chǎng)均衡結(jié)果如表3和表4所示。

表3 不同新能源比例場(chǎng)景下市場(chǎng)價(jià)格情況

表4 不同新能源比例場(chǎng)景下市場(chǎng)均衡結(jié)果

綜合上述結(jié)果可知：

1)隨著新能源占比提高，電能量市場(chǎng)價(jià)格逐漸降低、FRP價(jià)格逐步上升，但FRP價(jià)格仍處于較低水平。

2)新能源占比提高會(huì)擠壓火電發(fā)電量空間，即使在引入FRP輔助服務(wù)產(chǎn)品情況下，其收益也大大降低。在新能源裝機(jī)占比64%場(chǎng)景下，火電FRP市場(chǎng)收益也僅占其總收益的0.12%，表明FRP對(duì)火電的激勵(lì)性不足。

3)在由火電、新能源、抽水蓄能和IDR組成的系統(tǒng)中，新能源裝機(jī)與△t調(diào)節(jié)容量(由△t時(shí)間的爬坡能力計(jì)算)的合理配比大約為3∶1，有助于促進(jìn)新能源消納。

4)在高比例新能源電力系統(tǒng)中，新能源報(bào)價(jià)趨同化、市場(chǎng)價(jià)格趨零化現(xiàn)象嚴(yán)重，可能對(duì)市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)造成較大影響，亟需開展適應(yīng)新型電力系統(tǒng)的市場(chǎng)出清及價(jià)格機(jī)制等研究工作。

4 結(jié) 論

本文對(duì)各類靈活性資源及市場(chǎng)激勵(lì)機(jī)制進(jìn)行了梳理和總結(jié)，并通過(guò)結(jié)合雙層優(yōu)化模型和深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的市場(chǎng)均衡分析方法，仿真分析了各類靈活性資源及激勵(lì)機(jī)制的作用，結(jié)論如下：

(1)相較于傳統(tǒng)火電機(jī)組，抽水蓄能和需求側(cè)響應(yīng)的調(diào)節(jié)性能更優(yōu)，源荷儲(chǔ)等多類資源的全面整合和優(yōu)化調(diào)度，有助于充分提供新型電力系統(tǒng)所需的靈活性；

(2)減少市場(chǎng)主體鎖定資源有助于充分調(diào)用靈活性；FRP輔助服務(wù)產(chǎn)品有助于激勵(lì)調(diào)節(jié)性能優(yōu)越的資源提供靈活性，但其價(jià)格可能偏低，是否對(duì)靈活性資源形成充分激勵(lì)還需進(jìn)一步探討，有必要進(jìn)行靈活性激勵(lì)機(jī)制的創(chuàng)新；

(3)在當(dāng)前的市場(chǎng)價(jià)格機(jī)制下，隨著新能源占比的提高，市場(chǎng)價(jià)格逐漸走低，出現(xiàn)零電價(jià)的頻次增加，需要開展適應(yīng)新型電力系統(tǒng)的市場(chǎng)出清及價(jià)格機(jī)制等方面的研究工作；

(4)新能源的發(fā)展離不開靈活性資源的支撐，需要通過(guò)市場(chǎng)機(jī)制引導(dǎo)電力規(guī)劃，形成合理的能源結(jié)構(gòu)，降低實(shí)際運(yùn)行階段的市場(chǎng)運(yùn)行壓力和風(fēng)險(xiǎn)，有助于建設(shè)新型電力系統(tǒng)和實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)。

上述提到的研究方向?qū)⑹呛罄m(xù)的研究重點(diǎn)。