楊嫄嫄，習(xí)雨同，龔文凱，姬德森 ，湯振華

（1.國網(wǎng)江西省電力有限公司建設(shè)分公司，江西 南昌 330077；2.國網(wǎng)江西省電力有限公司供電服務(wù)管理中心，江西 南昌 330001）

0 引言

在清潔低碳能源革命背景下，高比例可再生能源成為電力系統(tǒng)未來發(fā)展的一個(gè)突出特征。隨著高比例可再生能源融入電網(wǎng)，參與電力市場交易，將帶來以下難題：一是技術(shù)進(jìn)步使得新能源發(fā)電成本不斷降低，競爭優(yōu)勢不斷增強(qiáng)，但可再生能源間歇性對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成威脅；二是傳統(tǒng)火電水電技術(shù)成熟，但其成本受一次能源影響明顯，成本下降空間有限?，F(xiàn)貨市場中如何構(gòu)建聯(lián)盟運(yùn)營機(jī)制，發(fā)揮各市場主體優(yōu)勢，確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定，是國內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)之一。

國內(nèi)外學(xué)者對該主題做了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[1]基于多種能源協(xié)調(diào)運(yùn)營、發(fā)電成本、上網(wǎng)電價(jià)及輔助服務(wù)收益，并計(jì)及電壓偏差和頻率穩(wěn)定性，構(gòu)建包含風(fēng)電、光伏及抽水蓄能電站收益的多目標(biāo)函數(shù)，研究市場環(huán)境下的風(fēng)光水聯(lián)合運(yùn)營。不足是缺乏時(shí)間、出力配比的動態(tài)分析。文獻(xiàn)[2]提出了市場化情況下風(fēng)水火聯(lián)合運(yùn)營模式，火電將發(fā)電空間轉(zhuǎn)讓給風(fēng)電、水電并提供輔助服務(wù)，以夏普利值分配策略作為聯(lián)盟效用分配方案，以實(shí)現(xiàn)聯(lián)盟效益最大化。不足是缺乏動態(tài)出力配比的論證。文獻(xiàn)[3]提出在熱電聯(lián)合運(yùn)營機(jī)制上，可以通過調(diào)整調(diào)峰補(bǔ)償基準(zhǔn)的方式，改變市場主體間的利益分配比例，使各市場主體間存在共同獲利空間，從而保證合作的穩(wěn)定和持續(xù)。側(cè)重利益分配比例，不足是缺乏動態(tài)出力配比的論證。文獻(xiàn)[4]構(gòu)建計(jì)及資源稟賦指標(biāo)的多能互補(bǔ)綜合指標(biāo)體系，提出可再生能源資源稟賦與系統(tǒng)評價(jià)結(jié)果存在正相關(guān)性。根據(jù)地區(qū)氣候差異選取五個(gè)代表性城市進(jìn)行算例分析，不足是缺乏普適性論證。文獻(xiàn)[5]考慮到新能源出力波動和負(fù)載的不確定性，應(yīng)用區(qū)間理論建立區(qū)間線性規(guī)劃，構(gòu)建多能互補(bǔ)投資業(yè)務(wù)綜合收益標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)模型。不足是缺乏對多能互補(bǔ)參與主體的量化分析。文獻(xiàn)[6]考慮光伏和風(fēng)電間歇性和隨機(jī)性，提出建立水-風(fēng)-光多能互補(bǔ)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和優(yōu)化模型。將不穩(wěn)定的風(fēng)能光伏與水能捆綁并網(wǎng)的方式提高發(fā)電量。不足是未考慮風(fēng)能光伏意愿及各主體的出力配比。文獻(xiàn)[7]考慮風(fēng)電實(shí)際出力與電網(wǎng)負(fù)荷波形相似度，提出基于負(fù)荷跟蹤程度與波動成本分?jǐn)傁禂?shù)的改進(jìn)Shapley 值法進(jìn)行聯(lián)盟成本分?jǐn)偂?/p>

以上研究共性問題在于對不同發(fā)電主體出力配比關(guān)系分析存在欠缺。因此，文中運(yùn)用shapley 值法分析多能互補(bǔ)聯(lián)盟效益，分析某一負(fù)荷曲線下各發(fā)電主體的出力配比，采用基尼系數(shù)法評估分配公平程度，使得聯(lián)盟效益與個(gè)體間效益平衡。

1 研究假設(shè)

文中做出以下合理假設(shè)：

1）出力能力假設(shè)。假設(shè)“風(fēng)電、光伏、水電、火電”出力能力能夠滿足聯(lián)盟運(yùn)營需求。光伏發(fā)電在每日07 點(diǎn)至19 點(diǎn)能夠正常出力[8]。現(xiàn)貨交易時(shí)間很短，認(rèn)為風(fēng)電、水電、火電不會受到水文、自然氣候及燃煤價(jià)格變化影響。

2）參與聯(lián)盟意愿假設(shè)。任意多個(gè)主體聯(lián)盟合作效益值不低于各主體單干的效益值，即確保合作利益不低于獨(dú)立個(gè)體利益，才能確保聯(lián)盟穩(wěn)定持續(xù)。

3）電網(wǎng)無阻塞，發(fā)電側(cè)可以正常并網(wǎng)輸送電能到用戶側(cè)。

4）現(xiàn)貨市場內(nèi)，用電側(cè)負(fù)荷功率缺口不會突發(fā)極端奇異值。

2 基于Shapley值法的聯(lián)盟收益

Shapley 值法提出，聯(lián)盟總收益等于成員總收益之和，成員參與聯(lián)盟分配得到的收益高于不參與聯(lián)盟的收益。Shapley公式[9-10]如下。

聯(lián)盟內(nèi)某主體i的shapley值為

式中：s表示成員i參與到的聯(lián)盟集合；Yi為主體i的shapley 值；y（s）是聯(lián)盟s的收益；y（s/i）是值為子集s中去除主體i后所取得的效益；N為集合個(gè)數(shù)；ω（s）是加權(quán)因子。

式中：n是大聯(lián)盟成員個(gè)數(shù)，s′是聯(lián)盟中子集s所含成員個(gè)數(shù)，s′≤n。

3 聯(lián)盟收益平衡分析

能源獨(dú)立運(yùn)營的收益為

式中：fi為能源i的售電收益，元；Pi為能源i功率，kW；ui為能源i單位功率收益，為上網(wǎng)電價(jià)與發(fā)電成本之差，元/kW·h。

考慮出力配比的收益為

式中：λi為不同能源的出力比例，且滿足：

采用基尼系數(shù)表征分配均衡程度?；嵯禂?shù)越接近0 表明分配越是趨向平等。不少學(xué)者認(rèn)為基尼系數(shù)0.2～0.3 之間時(shí)較為平均，0.3～0.4 之間時(shí)比較合理，0.4～0.5 時(shí)差距過大，大于0.5 時(shí)差距懸殊?；嵯禂?shù)計(jì)算方法見文獻(xiàn)[11]，文中不再列出。

4 算例

4.1 單位收益

燃煤火力發(fā)電成本受到煤炭價(jià)格波動明顯，抽水蓄能成本主要為抽水電量，風(fēng)電、光伏成本受到場站建設(shè)土地、人工、設(shè)備、利息、運(yùn)維、稅費(fèi)等因素影響較大。發(fā)電側(cè)單位收益數(shù)據(jù)[1，12-14]如表1所示。

表1 單位收益 元/kW·h

4.2 負(fù)荷曲線

文中采用某地日負(fù)荷曲線數(shù)據(jù)，功率缺口如圖1所示。

圖1 功率缺口

4.3 聯(lián)盟收益

根據(jù)式（1）至式（5），運(yùn)用Matlab 展開仿真計(jì)算，求出聯(lián)盟收益，如圖2所示。

圖2 聯(lián)盟收益

圖2 中，由于在不同時(shí)間段的功率缺口及聯(lián)盟成員出力配比存在差異，各時(shí)間段現(xiàn)貨交易的聯(lián)盟收益存在上限值及下限值，表現(xiàn)為時(shí)變特性。功率缺口為0時(shí)，聯(lián)盟收益為0；功率缺口最高時(shí)，聯(lián)盟收益達(dá)到最高。

4.4 基尼系數(shù)

聯(lián)盟成員出力配比組合不同，導(dǎo)致收益分配的基尼系數(shù)有差異，如圖3所示。

圖3 基尼系數(shù)

圖3 中，存在部分組合方式，使得聯(lián)盟利益分配較為平均，或者比較合理，占比如表2所示。

表2 占比

表2 中，合理平均占比67.86%，說明在shapley 模式下，很大程度能夠?qū)崿F(xiàn)聯(lián)盟利益分配趨于均衡。調(diào)節(jié)出力配比，實(shí)現(xiàn)公平合理分配。分配公平性及不同發(fā)電主體典型出力配比尋優(yōu)如表3所示。

表3 出力配比尋優(yōu)

表3 中，由于光伏出力能力受到太陽輻照度影響，因此在24 h 內(nèi)存在一些時(shí)間段無太陽光照，使得光伏出力為0，此時(shí)光伏出力配比為0。所以實(shí)現(xiàn)相同公平性分配模式，存在兩組出力配比組合，一種是考慮光伏有出力，另外一種是光伏無出力。

5 結(jié)語

文中提出合理假設(shè)，采用shapley 值法分析了發(fā)電側(cè)“風(fēng)電、光伏、水電、火電”在現(xiàn)貨市場不同時(shí)間段不同出力配比下聯(lián)盟收益，以及運(yùn)用基尼系數(shù)評估利益分配公平性。運(yùn)用Matlab 分析展開仿真計(jì)算，分析日負(fù)荷曲線24 h 內(nèi)的功率缺口下聯(lián)盟收益分布及基尼系數(shù)分布與占比，求出實(shí)現(xiàn)聯(lián)盟公平合理分配的發(fā)電側(cè)出力配比。要實(shí)現(xiàn)聯(lián)盟利益分配公平合理，需要根據(jù)時(shí)間、各發(fā)電主體出力能力做決定。

通過以上研究分析，得出以下結(jié)論，在實(shí)際運(yùn)營中值得借鑒。

1）Shapley值法可以實(shí)現(xiàn)發(fā)電側(cè)“風(fēng)電、光伏、水電、火電”聯(lián)盟收益分配相對的公平合理，總體上可實(shí)現(xiàn)分配公平合理。但總存在分配不均或者偏差大的組合方式。

2）不同發(fā)電主體資源稟賦存在差異，出力特性和出力能力區(qū)別很大，導(dǎo)致聯(lián)盟利益分配有差異。而且存在不同的出力配比組合模式，可實(shí)現(xiàn)相同的利益分配均衡性。