林孫奔，唐琦雯，徐立中，趙一琰

（國網(wǎng)浙江省電力有限公司，杭州 310007）

0 引言

在“30·60”雙碳目標(biāo)背景下，電力系統(tǒng)從以化石能源為主體向以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)變，能源結(jié)構(gòu)面臨深度調(diào)整。燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組具有清潔環(huán)保、綜合效率高、調(diào)節(jié)性能好、調(diào)峰響應(yīng)快等特點，在緩解以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的調(diào)節(jié)壓力、促進可再生能源消納等方面發(fā)揮著重要作用。同時，受制于國內(nèi)少油貧氣的現(xiàn)狀和國際不穩(wěn)定環(huán)境的影響，天然氣氣價大幅波動，亟需通過現(xiàn)貨市場進行有效的成本疏導(dǎo)。建立有效的市場化氣-電價聯(lián)動機制，首要關(guān)鍵是建立分軸燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組（以下簡稱“分軸燃機”）參與電力現(xiàn)貨市場的可靠運行機制。

目前，現(xiàn)貨市場中建立的機組與電網(wǎng)調(diào)度D5000系統(tǒng)中SCADA（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控）及狀態(tài)估計中物理模型機組一一對應(yīng)，市場申報、市場出清及市場發(fā)布均以單機為最小單元。然而，傳統(tǒng)模式下，分軸燃機的AGC（自動發(fā)電控制）控制單元為全廠一個控制單元，即按照套機的方式進行控制［1-4］。傳統(tǒng)模式與現(xiàn)貨環(huán)境下對分軸燃機控制方式的偏差，限制了其參與現(xiàn)貨市場的可行性，具體體現(xiàn)在以下幾個方面：

1）以單機為最小單元的現(xiàn)貨市場系統(tǒng)數(shù)據(jù)無法與以套機方式進行控制的AGC系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行直接對接，中間需要通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化。

2）分軸燃機中的燃氣輪機（以下簡稱“燃機”）、蒸汽輪機（以下簡稱“汽機”）啟停和出力均存在依賴關(guān)系，傳統(tǒng)的市場規(guī)則無法處理單機組建模方式中的依賴關(guān)系。

3）套機運行方式多變，若采用分軸燃機運行方式轉(zhuǎn)移來建模，即針對不同運行模式分別進行申報和出清，規(guī)則、模型及優(yōu)化算法十分復(fù)雜。而目前已有的簡化算法是將套機的每一種運行方式視為獨立事件，即在每次優(yōu)化計算時只能選定一種模式，具有排他性，無法做到不同模式間的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，也無法得到最優(yōu)的出清結(jié)果。

在此背景下如何設(shè)計一種考慮分軸燃機參與的電力現(xiàn)貨市場運行模型，最小化出清模型變動，保證系統(tǒng)的平穩(wěn)過渡和穩(wěn)定運行，成為影響電力系統(tǒng)運行安全、電力用戶經(jīng)濟效益的重要挑戰(zhàn)。本文在對比分析國內(nèi)外分軸燃機市場機制的基礎(chǔ)上，結(jié)合浙江省電力現(xiàn)貨市場建設(shè)經(jīng)驗，重點介紹基于獨立建模的分軸燃機參與電力現(xiàn)貨市場的機制。

1 國內(nèi)外分軸燃機參與電力市場的機制

1.1 美國PJM市場分軸燃機參與機制

分軸燃機在物理上以高壓蒸汽熱管聯(lián)結(jié)，燃機和汽機分別帶動各自獨立的發(fā)電單元實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。國內(nèi)外在分軸燃機參與電力現(xiàn)貨市場上采用各具特色的差異性方案。

國外市場上，以美國PJM（賓夕法尼亞-新澤西-馬里蘭）電力市場為例，分軸燃機有兩種報價方式可供選擇。第一種是總負荷報價模式。該模式下燃機和汽機組合為一個發(fā)電單元參與市場，允許在日前申報次日不同套機模式的報價。但由于“二拖一”的邊際成本較“一拖一”要低，意味著雙拖總負荷的報價反而要比單拖負荷的低，報價曲線會出現(xiàn)一個斷崖式的下降，如圖1 所示。因此，總負荷報價模式無法通過一次出清選出最優(yōu)的套機運行模式。該方案下，出清程序只能將套機的每一種運行方式視為獨立的事件，由市場運營人員手動切換套機模式，無法做到不同模式間自動切換。

圖1 總負荷報價模式

第二種是固定搭配模式。每臺燃機均可選擇固定比例的汽機容量聯(lián)合組成獨立的虛擬發(fā)電單元參與市場，市場出清程序?qū)γ總€發(fā)電單元獨立出清計算。以一個有2臺燃機和1臺汽機的聯(lián)合循環(huán)電廠為例，將這3 臺機組分為兩個發(fā)電單元，1臺燃機帶1/2容量的汽機做為一個發(fā)電單元，市場主體在日前申報時選擇具體套機模式，以單元為單位進行市場申報。每個單元的出清、結(jié)算、指令下發(fā)與普通機組相同。實際指令按單元下發(fā)，由電廠自行分配給燃機和汽機。該方式亦無法實現(xiàn)不同模式間自動切換。

1.2 美國ERCOT市場分軸燃機參與機制

美國ERCOT 電力市場中［5-6］，分軸燃機針對不同的運行模式分別進行報價，出清程序通過模式轉(zhuǎn)換矩陣能夠?qū)崿F(xiàn)模式間的自動切換，進而選擇最優(yōu)的運行方案。下面以“二拖一”分軸燃機為例介紹ERCOT套機模式切換思路。

分軸燃機分別申報“一拖一”和“一拖二”（如表1 所示）等不同模式的三部式電能報價、輔助服務(wù)報價和物理參數(shù)（最小開關(guān)機時間、爬坡率、最大最小技術(shù)出力等）。

表1 套機模式類型

根據(jù)分軸燃機初始狀態(tài)以及模式轉(zhuǎn)換矩陣（如表2所示），出清程序會開啟可以直接開機的模式，關(guān)?？梢灾苯雨P(guān)停的模式，每個模式的開機/關(guān)機時間都滿足其提交的最小開機/關(guān)機時間。從一個模式轉(zhuǎn)換到另一個模式的成本，如果是上升轉(zhuǎn)換，則認為是后一個模式的啟動成本與前一個模式的啟動成本之差；如果是下降轉(zhuǎn)換，則認為是0。

表2 模式轉(zhuǎn)換矩陣

在潮流計算時，將某一模式的出清電力按照模式內(nèi)每個物理機組的最大可靠出力為比例分配到各物理機組，進行潮流計算和安全校核。在出清計算時，再按照每個物理機組的最大可靠出力為權(quán)重將物理機組的靈敏度系數(shù)整合到模式的靈敏度系數(shù)，進行機組組合和經(jīng)濟調(diào)度計算。

該方案的優(yōu)點在于系統(tǒng)可以在考慮分軸燃機“一拖一”和“二拖一”不同工況下的報價成本，做到不同運行模式間的順利切換。但該方案對程序開發(fā)要求高，開發(fā)耗時較長，且由于不同模式切換的復(fù)雜性，一旦電網(wǎng)含多組分軸燃機，出清總耗時將成倍增長。

綜合對比美國PJM 和ERCOT 中分軸燃機參與方式可知，兩者均考慮了分軸燃機多模式轉(zhuǎn)化的問題，給予市場主體在日前申報中更多模式的選擇。ERCOT采用聯(lián)合循環(huán)機組運行方式轉(zhuǎn)移來建模，能實現(xiàn)不同模式的自由切換，同時也極大增加了規(guī)則、模型及優(yōu)化算法的復(fù)雜性；PJM 算法較為簡便，但難以實現(xiàn)不同模式間狀態(tài)自由轉(zhuǎn)換。

1.3 國內(nèi)分軸燃機參與市場現(xiàn)狀

當(dāng)前，國內(nèi)正在推動建設(shè)全國統(tǒng)一電力市場體系，引導(dǎo)省際、區(qū)域和省（市）各層次電力市場協(xié)同運行。不同層次現(xiàn)貨市場之間相互耦合，對時序銜接提出了很高的要求，尤其是省級現(xiàn)貨市場出清的高效性和及時性。因此，國內(nèi)分軸燃機市場方案及出清算法應(yīng)盡可能簡化處理，同時要實現(xiàn)分軸燃機不同模式之間的自由切換。

廣東現(xiàn)貨市場中，由于分軸燃機僅“一拖一”一種機型，其出清算法進行了簡化處理，即燃機和汽機單獨申報并出清，同時要求兩者開停機狀態(tài)保持一致，但該簡化機制不適用于“一拖二”等復(fù)雜的運行工況。浙江現(xiàn)貨市場在借鑒國外分軸燃機運營實踐的基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)實際情況，針對分軸燃機“一拖一”“二拖一”等不同工況，形成了獨具創(chuàng)新性的分軸燃機參與市場模式［7］。本文結(jié)合浙江電力現(xiàn)貨市場建設(shè)經(jīng)驗，重點介紹基于獨立建模的分軸燃機參與電力現(xiàn)貨市場的機制。

2 分軸燃機參與浙江電力現(xiàn)貨市場機制設(shè)計

浙江電力現(xiàn)貨市場將分軸燃機按照單機形式建模，解決了機組建模方式中的依賴關(guān)系；將燃機報價納入目標(biāo)函數(shù)，套機內(nèi)燃機和汽機出力比例納入約束條件，解決燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組套機運行方式多變的問題。通過創(chuàng)新機制設(shè)計，在保證套機參與市場的同時，實現(xiàn)系統(tǒng)的平穩(wěn)過渡和穩(wěn)定運行。

2.1 分軸燃機的獨立建模

分軸燃機有“一拖一”“二拖一”等不同模式下的汽機驅(qū)動方式［8-12］，如圖2、圖3所示。

圖2 分軸燃機“一拖一”驅(qū)動方式

圖3 分軸燃機“二拖一”驅(qū)動方式

無論分軸燃機以何種模式驅(qū)動運行，都可實現(xiàn)燃機和汽機分別獨立驅(qū)動發(fā)電單元并網(wǎng)發(fā)電。目前成熟運行的電網(wǎng)調(diào)度D5000 系統(tǒng)上已按實際運行方式構(gòu)建了每個發(fā)電單位對應(yīng)的機組模型。浙江電力現(xiàn)貨市場出清系統(tǒng)在D5000 物理模型基礎(chǔ)上，快速建立市場出清和安全校核所需的分軸燃機獨立發(fā)電單元模型。同時從圖4曲線變化趨勢可知，汽機以燃機的余熱鍋爐加熱蒸汽驅(qū)動，在實際運行中存在相對穩(wěn)定的比例關(guān)系，以此可抽象兩者物理模型間的耦合關(guān)系，建立比例系數(shù)Rt模型參數(shù)。

圖4 不同型號分軸燃機實際運行的比例系數(shù)Rt

式中：Rt為分軸燃機在時段t汽機和燃機出力比例系 數(shù)；Ps，t和Pg，t分別為時段t汽機和燃機的出力值。

分軸燃機發(fā)電單元完成獨立建模后，市場主體在日前申報時，可將聯(lián)合循環(huán)套機整體發(fā)電成本折算至單獨燃機發(fā)電單元報價中，以此作為報價策略來決定套機啟停和出力，其中汽機發(fā)電單元不參與報價，按固定比例系數(shù)Rt跟隨燃機出力。在燃機申報過程中將汽機的發(fā)電成本折算在內(nèi)，同時汽機作為決策變量之一，和燃機一起參與發(fā)用電平衡約束，既保證了電網(wǎng)的發(fā)用電平衡，又確保聯(lián)合循環(huán)分軸燃機與同軸燃機能夠同臺競價。

2.2 分軸燃機的市場出清模型

浙江電力現(xiàn)貨市場出清系統(tǒng)中將分軸燃機按獨立模型建模后，機組約束中需增加以耦合比例參數(shù)Rt為基礎(chǔ)的套機約束。通過套機約束解決機組獨立建模方式中的依賴關(guān)系，并將燃機報價納入市場出清目標(biāo)函數(shù)，套機內(nèi)的燃機和汽機出力比例納入負荷平衡約束條件，以解決分軸燃機套機運行方式多變的問題。

日前市場出清SCUC（安全約束機組組合）的目標(biāo)函數(shù)調(diào)整為：

式中：N表示機組的總臺數(shù)；T表示所考慮的總時段數(shù)，假設(shè)一天考慮96時段，則T為96；Pi，t表示機組i在t時段的出力；分別為機組i在時段t的運行費用、啟動費用和空載費用，其中機組運行費用Ci，t是與機組申報的各段出力區(qū)間和對應(yīng)能量價格有關(guān)的多段線性函數(shù)，套機僅燃機報價納入目標(biāo)函數(shù)；M為用于市場出清優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)潮流約束松弛罰因子，目標(biāo)函數(shù)SCUC 中該值為1×108；分別為線路l在t時段的正、反向潮流松弛變量；L為線路總數(shù)；分別為斷面s在時段t的正、反向潮流松弛變量；S為斷面總數(shù)。

對于每個時段t，系統(tǒng)負荷平衡約束調(diào)整為：

分軸燃機中燃機和汽機出力比例關(guān)系可進一步表達為：

式中：SKit表示套機集合；Sk，st表示套機k內(nèi)固定模式下的汽機機組集合；Sk，gs表示套機k內(nèi)固定模式下的燃機機組集合；Pk，i，t表示套機k內(nèi)燃機i在時段t的出力，是決策變量；Pk，j，t表示套機k內(nèi)汽機j在時段t的出力，是決策變量；表示套機k內(nèi)汽機與燃機的出力配比。

從調(diào)整后的現(xiàn)貨市場出清模型函數(shù)可知，若分軸燃機作為邊際機組，當(dāng)系統(tǒng)增加Δn的用電需求時，由燃機和汽機按照比例承擔(dān)，雖然汽機不報價，但燃機申報過程中將汽機的發(fā)電成本折算在內(nèi)，故系統(tǒng)邊際價格相當(dāng)于由燃機和汽機共同（已考慮折算汽機發(fā)電成本）決定；由于汽機出力同樣為決策變量，在發(fā)用電平衡中體現(xiàn)，故汽機和燃機一起參與了發(fā)用電平衡約束，這樣既保證了電網(wǎng)的發(fā)用電平衡，又確保了分軸燃機與同軸燃機能夠同臺競價。同時，為滿足分軸燃機不同運行工況需要，市場出清程序可根據(jù)市場主體對每臺燃機價格的差異化申報，做到“一拖一”和“二拖一”模式的自由靈活切換。

2.3 分軸燃機的控制模式

為保證市場出清結(jié)果與實際運行結(jié)果一致，需建立現(xiàn)貨市場申報發(fā)電單元與AGC系統(tǒng)廠級控制單元的一對一映射關(guān)系（如圖5所示）?，F(xiàn)貨市場出清系統(tǒng)根據(jù)分軸燃機內(nèi)發(fā)電機組映射關(guān)系進行相關(guān)數(shù)據(jù)的分解和整合，將燃機的出清結(jié)果下發(fā)到對應(yīng)的AGC系統(tǒng)廠級控制單元進行機組發(fā)電控制，汽機發(fā)電單元根據(jù)實際管道蒸汽壓力跟隨發(fā)電。

圖5 分軸燃機的執(zhí)行控制模式

從圖6 所示9F 型分軸燃機的執(zhí)行情況來看，機組在啟機階段存在明顯的曲線偏離，主要因為機組啟機過程中是以固定出力方式參與市場，出清系統(tǒng)讀取當(dāng)前值作為計算邊界，造成實際曲線與出清曲線存在系統(tǒng)計算時間的偏移；進入穩(wěn)定運行階段后，機組出力按市場出清結(jié)果執(zhí)行，市場出清曲線和實際執(zhí)行曲線變動趨勢吻合度很高，偶有偏差波動是因機組參與調(diào)頻市場引起。

圖6 9F型分軸燃機的市場出清和執(zhí)行曲線

3 分軸燃機的收益合理性分析

浙江電力現(xiàn)貨市場的機組收益結(jié)算遵循“日前基準(zhǔn)，合約差價，實時差量”的原則。為簡化收益測算模型，僅對分軸燃機在現(xiàn)貨市場上的電能量收益部分開展測算，不涉及其合約收益部分。

選取6F型分軸燃機A為測算對象，機組結(jié)構(gòu)為燃氣-蒸汽“一拖一”分軸聯(lián)合循環(huán)機組，燃機額定容量80 MW，汽機額定容量40 MW，總?cè)萘?20 MW，燃機和汽機負荷配比1∶0.5。算例中主要測算電能量收益，暫不考慮啟動成本和空載成本等補償。

分軸燃機A 內(nèi)燃機發(fā)電單元申報的價格已考慮對應(yīng)汽機發(fā)電成本，汽機不報價不報量，具體申報如表3所示。

表3 分軸機組A的電力-成本申報

日前市場分軸燃機A 電能量收益主要由出清電量收益和成本補償收益兩部分組成，具體明細如表4所示。

表4 分軸機組A的日前市場電能量收益

實時市場分軸燃機A 電能量收益主要由出清偏差電量收益和成本補償收益兩部分組成，具體明細如表5所示。

表5 分軸機組A的實時市場電能量收益

根據(jù)分軸燃機的運行收益情況可知，通過計算燃機和汽機獨立發(fā)電單元的電量收益來獲得套機的整體電量收益，當(dāng)節(jié)點價格低于燃機申報價格時，可由發(fā)電成本補償來保證套機的運行利益。因此，調(diào)整燃機獨立申報策略，將汽機的發(fā)電成本折算至燃機發(fā)電成本內(nèi)，構(gòu)建經(jīng)濟模型和物理模型中燃機和汽機相同的依賴關(guān)系，可有效保障分軸燃機在電力現(xiàn)貨市場的合理收益。

4 結(jié)語

本文首先對比分析了國內(nèi)外分軸燃機參與市場不同機制的特點及適用性，進而從浙江電力現(xiàn)貨市場實際探索經(jīng)驗出發(fā)，對分軸燃機如何高效、穩(wěn)定地參與現(xiàn)貨市場運行開展了深入分析和研究。結(jié)合多次現(xiàn)貨市場結(jié)算試運行實踐數(shù)據(jù)，進一步論證了基于獨立建模的分軸燃機參與電力現(xiàn)貨市場機制的合理性和可靠性。

1）通過研究分軸燃機中燃機和汽機發(fā)電單元的內(nèi)在聯(lián)系，在電力現(xiàn)貨市場系統(tǒng)中對每個發(fā)電單元進行獨立建模，與調(diào)度體系中運行的D5000系統(tǒng)內(nèi)物理模型保持一致，高效實現(xiàn)了市場出清和安全校核過程中與D5000系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)交互，避免了復(fù)雜的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化和特殊處理。

2）通過調(diào)整燃機獨立申報策略，將汽機的發(fā)電成本折算至燃機發(fā)電成本內(nèi)，以此來決定套機在電力現(xiàn)貨市場內(nèi)的啟停和出力曲線，構(gòu)建了經(jīng)濟模型和物理模型中燃機和汽機相同的依賴關(guān)系。同時，汽機作為決策變量和燃機一起參與發(fā)用電平衡約束，既保證了電網(wǎng)的發(fā)用電平衡，又確保了聯(lián)合循環(huán)分軸燃機與同軸燃機能夠同臺競價。

3）構(gòu)建包含分軸燃機的電力市場出清模型，僅將燃機報價納入目標(biāo)函數(shù)，通過預(yù)置的燃機和汽機比例關(guān)系，將汽機作為決策變量體現(xiàn)在發(fā)用電平衡約束中，將套機多種運行模式之間復(fù)雜的轉(zhuǎn)換模型簡化為兩臺獨立機組的優(yōu)化算法，在滿足平衡約束的基礎(chǔ)上通過目標(biāo)最優(yōu)化自動篩選出最優(yōu)的套機運行模式，既大幅簡化了模型算法，又避免了傳統(tǒng)優(yōu)化算法一天只能選擇一種運行模式的排他性，解決了燃氣聯(lián)合循環(huán)機組套機運行方式多變的問題。