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        順應(yīng)節(jié)能降碳發(fā)展趨勢的容量市場機(jī)制及競標(biāo)策略研究

        2022-11-30 10:30:56田雪沁劉壯壯王瑛瑋王新雷郭鈺鋒
        節(jié)能技術(shù) 2022年5期
        關(guān)鍵詞:市場機(jī)制競標(biāo)火電

        田雪沁,劉壯壯,王 茜,王瑛瑋,王新雷,郭鈺鋒

        (1.國網(wǎng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院有限公司,北京 102209; 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電氣工程及自動化學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150001)

        近年來,隨著新能源機(jī)組大量接入電力系統(tǒng),部分種類電力市場價格以及市場主體的收入受到不同程度的影響并降低[1-2]。以火電機(jī)組為例,“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的推進(jìn)使其發(fā)電空間不斷受到擠占,與新能源機(jī)組極低的邊際成本相比,市場收入逐漸難以覆蓋其發(fā)電成本,亟需引入容量市場機(jī)制及相應(yīng)的競標(biāo)策略,通過容量市場與能源市場的協(xié)同運作,產(chǎn)生額外收入以支持發(fā)電商的短期運營和長期投資。

        作為世界各國容量市場的建設(shè)標(biāo)桿,PJM(Pennsylvania-New Jersey-Maryland Interconnection)容量市場機(jī)制受到學(xué)者的廣泛關(guān)注。文獻(xiàn)[3]借鑒了PJM容量市場容量需求曲線,并對市場機(jī)制的實施效果進(jìn)行了量化分析。文獻(xiàn)[4]總結(jié)了PJM容量保障機(jī)制,并提出國外電力市場容量機(jī)制設(shè)計要素。文獻(xiàn)[5]對比了PJM容量市場機(jī)制以及其他國際上建設(shè)成功的容量補(bǔ)償機(jī)制,并分析了其在中國實施的合理性。文獻(xiàn)[6]介紹了現(xiàn)階段儲能參與PJM容量市場的局限性,并驗證了儲能具有參與容量補(bǔ)償機(jī)制的容量價值。文獻(xiàn)[7]提出了需求響應(yīng)資源在PJM容量市場中獲取報酬的具體補(bǔ)償規(guī)則。文獻(xiàn)[8]總結(jié)了包括PJM在內(nèi)的獨立運營商如何設(shè)計市場規(guī)則來優(yōu)化市場配置。但是,目前立足我國國情、順應(yīng)我國電力系統(tǒng)節(jié)能降碳發(fā)展趨勢的容量市場機(jī)制與競標(biāo)策略的研究尚未出現(xiàn)。

        本文首先基于我國電力市場節(jié)能降碳的發(fā)展趨勢提出了容量市場機(jī)制設(shè)計方案,隨后從發(fā)電商的角度提出了相應(yīng)的容量市場競標(biāo)策略,最后通過算例仿真驗證了機(jī)制及競標(biāo)策略的合理性,并通過與純能量市場運行結(jié)果進(jìn)行對比,探究容量市場的重要意義。

        1 順應(yīng)節(jié)能降碳發(fā)展趨勢的容量市場機(jī)制設(shè)計

        為滿足系統(tǒng)充裕性靈活性要求、保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行,2007年P(guān)JM容量市場在美國初次建成。容量市場的實施是為了確保未來有足夠的電力供應(yīng),以滿足負(fù)荷峰值需求,滿足可靠性目標(biāo)(預(yù)測需求峰值加上儲備裕度),從而保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

        在本文設(shè)計的容量市場機(jī)制下,參與容量市場的主體首先提前一年在年度容量市場中參與統(tǒng)一競標(biāo),獲取容量電價與合約電量信息。隨后,在交付時段的合約能量市場參與統(tǒng)一競標(biāo),保證電量供給充足[9],容量市場獨立系統(tǒng)運營商(Independent System Operator,ISO)將根據(jù)機(jī)組的實際貢獻(xiàn)額外支付容量報酬。因此,ISO設(shè)計容量市場機(jī)制時應(yīng)分別以“兩個階段市場購電成本最小”為目標(biāo),將“儲備具有一定裕度的足量電源”及“滿足負(fù)荷需求”作為出清約束,并限制機(jī)組報價報量。容量市場機(jī)制模型如式(1)~式(8)所示

        minQ1=p1k1

        (1)

        minQ2=p2k2

        (2)

        s.t. ∑k1=(1+μ)Dpre,max

        (3)

        s.t. ∑k2=D2

        (4)

        p1,min≤p1≤p1,max

        (5)

        p2,min≤p2≤p2,max

        (6)

        k1,min≤k1≤k1,max

        (7)

        k2,min≤k2≤k2,max

        (8)

        式中Q1——ISO年度容量市場購電成本/元;

        Q2——ISO合約能量市場購電成本/元;

        p1——年度容量市場機(jī)組報價/元·MW-1;

        p2——合約能量市場機(jī)組報價/元·MW-1;

        k1——年度容量市場機(jī)組申報容量/MW;

        k2——合約能量市場機(jī)組申報電量/MW;

        μ——容量儲備系數(shù);

        Dpre,max——合約規(guī)定期間的負(fù)荷需求預(yù)測峰值/MW;

        D2——合約規(guī)定期間的負(fù)荷需求/MW;

        p1,min,p1,max——年度容量市場機(jī)組報價上下限值/元·MW-1;

        p2,min,p2,max——合約能量市場機(jī)組報價上下限值/元·MW-1;

        k1,min,k1,max——年度容量市場機(jī)組申報容量上下限值/MW;

        k2,min,k2,max——合約能量市場機(jī)組申報電量上下限值/MW。

        為順應(yīng)我國電力市場未來節(jié)能降碳的發(fā)展形勢,本文提出的容量市場機(jī)制針對火電、風(fēng)電和儲能三類代表性機(jī)組設(shè)計了相應(yīng)的容量市場準(zhǔn)入規(guī)則。

        1.1 火電機(jī)組容量市場準(zhǔn)入規(guī)則

        在碳達(dá)峰、碳中和號召的指引下,為使火電機(jī)組在即將大規(guī)模退役或改造的過渡時期保障其收益,又能為電力系統(tǒng)儲備充足的穩(wěn)定能源,容量市場機(jī)制為火電預(yù)留了最大的利潤空間,以激勵火電機(jī)組大規(guī)模投資。因此,容量市場機(jī)制允許火電機(jī)組投資的容量大于其他兩類機(jī)組。

        1.2 風(fēng)電機(jī)組容量市場準(zhǔn)入規(guī)則

        以風(fēng)電機(jī)組為代表的新能源機(jī)組發(fā)電間歇性較大,可能與容量市場“保證電力供給充足”的本質(zhì)沖突。然而,根據(jù)我國電力系統(tǒng)節(jié)能降碳的發(fā)展趨勢,未來各類電力市場中將不斷滲透清潔環(huán)保特性顯著的新能源機(jī)組。另外,目前發(fā)展較為成熟的美國PJM容量市場也已允許風(fēng)電光伏等新能源機(jī)組加入容量市場,且市場運行結(jié)果良好。

        綜合考慮以上因素,容量市場機(jī)制規(guī)定風(fēng)電機(jī)組的允許投資容量最少,并需采取措施提高自身發(fā)電穩(wěn)定性(例如配備一定比例的儲能機(jī)組)后方可參加容量市場。同時,考慮到風(fēng)電機(jī)組的邊際成本較火電儲能低很多,相對而言更容易中標(biāo)。為保證發(fā)電穩(wěn)定的機(jī)組在容量市場中具有更大的利益空間,容量市場機(jī)制針對風(fēng)電機(jī)組額外設(shè)置了容量市場準(zhǔn)入成本CONEwind,風(fēng)電機(jī)組在計算參與容量市場的成本時需額外考慮容量市場準(zhǔn)入成本的影響。通過以上措施,容量市場將吸引更多發(fā)電穩(wěn)定的機(jī)組投資,在接納新能源機(jī)組的同時為未來儲備充足的能源。

        1.3 儲能機(jī)組容量市場準(zhǔn)入規(guī)則

        基于節(jié)能降碳的目標(biāo),未來各類儲能機(jī)組也將大規(guī)模加入容量市場。與火電機(jī)組類似,儲能機(jī)組也屬于發(fā)電穩(wěn)定性較高的一類機(jī)組。然而,儲能機(jī)組的成本較火電和風(fēng)電而言更高,目前針對儲能參與容量市場的機(jī)制研究尚未完善。因此,本文設(shè)計的容量市場機(jī)制允許儲能機(jī)組占據(jù)中等的市場份額,允許其投資中等數(shù)量的容量。

        2 順應(yīng)節(jié)能降碳發(fā)展趨勢的容量市場競標(biāo)策略研究

        在容量市場機(jī)制約束下,以最大化容量市場收益為目標(biāo),發(fā)電商應(yīng)綜合考慮在年度容量市場中動態(tài)投入的確保機(jī)組運作正常、從而可以按期按量在合約能量市場中交付的運維成本,以及合約能量市場中的發(fā)電邊際成本等影響因素,合理決策以最大化收益。容量市場競標(biāo)決策模型如式(9)-式(17)所示

        maxWi=(p1,i-wi)k1,i+(p2,i-ciT)k2,i

        (9)

        minQ1,i=p1,ik1,i

        (10)

        minQ2,i=p2,ik2,i

        (11)

        (12)

        (13)

        p1,i,min≤p1,i≤p1,i,max

        (14)

        p2,i,min≤p2,i≤p2,i,max

        (15)

        k1,i,min≤k1,i≤k1,i,max

        (16)

        k2,i,min≤k2,i≤k2,i,max

        (17)

        式中Wi——機(jī)組i容量市場預(yù)期收益/元;

        wi——機(jī)組i運維成本/元·MW-1;

        ci——機(jī)組i發(fā)電邊際成本/元·MWh-1;

        T——容量市場合約時長/h;

        Q1,i——ISO在年度容量市場對于機(jī)組i的購電成本/元;

        Q2,i——ISO在合約能量市場對于機(jī)組i的購電成本/元;

        p1,i——機(jī)組i的年度容量市場報價/元·MW-1;

        p2,i——機(jī)組i的合約能量市場報價/元·MW-1;

        由式(5)和式(6)可知權(quán)重系數(shù)在偏好父節(jié)點的選擇過程中尤為關(guān)鍵。不同的權(quán)重系數(shù)可導(dǎo)致不同的選擇結(jié)果。現(xiàn)有的關(guān)于復(fù)合度量的權(quán)重系數(shù)的確定多是基于專家的個人經(jīng)驗,主觀性太強(qiáng)。為此本文提出的RPL-FAHP協(xié)議采用模糊層次分析法確定復(fù)合度量中各個路由度量的權(quán)重系數(shù)。RPL-FAHP結(jié)合各候選父節(jié)點評價的層次結(jié)構(gòu)、模糊一致性矩陣及層次分析法對各個路由度量的權(quán)重因子進(jìn)行定性和定量的分析,實現(xiàn)各個路由度量最優(yōu)的權(quán)重分配方案,進(jìn)而選擇最優(yōu)的候選父節(jié)點為偏好父節(jié)點,有效地改善網(wǎng)絡(luò)性能。

        k1,i——機(jī)組i的年度容量市場申報容量/MW;

        k2,i——機(jī)組i的合約能量市場申報電量/MW;

        p1,i,min,p1,i,max——機(jī)組i的年度容量市場報價上下限值/元·MW-1;

        p2,i,min,p2,i,max——機(jī)組i的合約能量市場報價上下限值/元·MW-1;

        k1,i,min,k1,i,max——機(jī)組i的年度容量市場申報容量上下限值/MW;

        k2,i,min,k2,i,max——機(jī)組i的合約能量市場申報電量上下限值/MW。

        3 算例仿真

        3.1 基本參數(shù)

        結(jié)合我國電力市場未來發(fā)展形勢,研究幾類具有代表性的機(jī)組參與容量市場的競標(biāo)結(jié)果,并與純能量市場運行結(jié)果進(jìn)行對比,以驗證容量市場機(jī)制及競標(biāo)策略設(shè)計的合理性及重要意義。算例選取4臺火電機(jī)組、2臺風(fēng)電機(jī)組及2臺儲能機(jī)組參與容量市場,參數(shù)設(shè)置如表1所示。

        表1 容量市場機(jī)制下各類機(jī)組參數(shù)

        3.2 容量市場機(jī)制及競標(biāo)策略分析結(jié)果

        采用競標(biāo)策略模擬多次容量市場競標(biāo)過程后,每臺機(jī)組利潤最大時的競標(biāo)方案如表2所示。由于數(shù)據(jù)運算過程中存在微小誤差,因此對若干次實驗結(jié)果中的預(yù)期收益以“基準(zhǔn)平均值+偏差”的方式表示,為發(fā)電商提供容量市場競標(biāo)方案的參考值。

        表2 容量市場機(jī)制下每臺機(jī)組利潤最大時的競標(biāo)方案

        如圖1所示,根據(jù)出清規(guī)則的約束,火電機(jī)組#1的裝機(jī)容量無法全部中標(biāo)。之所以無法全部中標(biāo)的機(jī)組是火電機(jī)組,是因為算例中火電機(jī)組的(預(yù)計)裝機(jī)容量最大,收益空間最大,理論上中標(biāo)概率最大;風(fēng)電、儲能機(jī)組的(預(yù)計)裝機(jī)容量少,成本高,理論上中標(biāo)概率更小。競標(biāo)策略模型中優(yōu)化問題的目標(biāo)是使每臺機(jī)組競標(biāo)時最大化自身收益,需要兼顧使用該模型的各種類別機(jī)組,具有普適意義。因此,從公平層面出發(fā),未完全中標(biāo)機(jī)組為火電機(jī)組更加合理?;痣姍C(jī)組實際競標(biāo)時參考#2、#3、#4機(jī)組即可。

        圖1 容量市場機(jī)制下每臺機(jī)組利潤最大時的報量與(預(yù)計)裝機(jī)容量對比

        根據(jù)圖1與圖2的描述,除火電機(jī)組#1外,每臺機(jī)組利潤最大化時的各種競標(biāo)方案中,報價與報量存在相同規(guī)律:報價等于市場出清電價,報量等于(預(yù)計)裝機(jī)容量。一臺機(jī)組若以容量市場總收益最大為目標(biāo),應(yīng)成為邊際機(jī)組,使自己全部的(預(yù)計)裝機(jī)容量出清。機(jī)組提交報價與報量后,ISO將各臺機(jī)組報價從低到高排列,直至滿足負(fù)荷需求量,最后一臺中標(biāo)的機(jī)組報價作為出清電價,并將出清電價與中標(biāo)電量的乘積作為支付給機(jī)組的報酬。因此,如果要實現(xiàn)利益最大化,應(yīng)成為邊際機(jī)組,掌握出清電價的決定權(quán),盡可能抬高出清電價,同時使自己的(預(yù)計)裝機(jī)容量全部出清。

        圖2 容量市場機(jī)制下每臺機(jī)組利潤最大時的報價與出清電價對比

        根據(jù)算例設(shè)置,容量市場機(jī)制為火電機(jī)組預(yù)留了最大的利潤空間,儲能次之,風(fēng)電最少,如圖3所示。目前發(fā)電穩(wěn)定的火電機(jī)組使用較為廣泛,在以儲備充足穩(wěn)定能源為目標(biāo)的容量市場中收益空間最大。儲能發(fā)電也較為穩(wěn)定,但是其成本較高,在電力市場中占據(jù)的份額較少,與火電機(jī)組相比,收益空間中等。以風(fēng)電為代表的通過配備儲能等方式提高自身發(fā)電穩(wěn)定性的新能源機(jī)組普遍邊際成本很低,但是其發(fā)電穩(wěn)定性相較于前兩者更低,進(jìn)入容量市場將對其施加CONEwind的準(zhǔn)入成本,因此收益空間最小。

        圖3 容量市場機(jī)制下每臺機(jī)組預(yù)期收益

        3.3 容量與純能量市場機(jī)制及競標(biāo)策略對比分析結(jié)果

        在純能量市場機(jī)制及競標(biāo)策略研究的模型及算例中,不包含與年度容量市場有關(guān)的任何參數(shù),其余所有模型及參數(shù)的設(shè)置與容量市場機(jī)制及競標(biāo)策略完全相同。采用競標(biāo)策略模擬多次純能量市場競標(biāo)過程后,每臺機(jī)組利潤最大時的競標(biāo)方案如表3所示。

        表3 純能量市場機(jī)制下每臺機(jī)組利潤最大時的競標(biāo)方案

        對比圖1、圖2和圖4可知,容量市場機(jī)制下,火電機(jī)組#1的合約能量市場競標(biāo)電量是500 MW,是唯一無法出清全部電量的機(jī)組。在純能量市場機(jī)制下,火電機(jī)組#1的競標(biāo)電量是700 MW,并非唯一無法全部中標(biāo)的機(jī)組,同時其報價等于出清電價,成為邊際機(jī)組。這是由于純能量市場機(jī)制下,火電機(jī)組#1沒有在年度容量市場中回收發(fā)電成本的機(jī)會,其在純能量市場中的“競爭意識”強(qiáng)于容量市場,需要成為邊際機(jī)組,盡可能抬高市場電價,中標(biāo)電量也要盡可能高,才能最大化自身收益。

        圖4 純能量市場機(jī)制下每臺機(jī)組利潤最大時的報價與報量情況

        由圖5可知,各類機(jī)組在容量市場中的收益均高于純能量市場,這與容量市場的建設(shè)初衷一致。與純能量市場相比,容量市場為機(jī)組帶來的額外收益可以覆蓋在其他市場中無法完全回收的發(fā)電成本。另外,對比可得火電機(jī)組的收益增幅最大。為大量吸引火電等穩(wěn)定機(jī)組加入容量市場、在“碳達(dá)峰,碳中和”號召下為正在計劃退役或改造的火電機(jī)組提供額外的盈利機(jī)會,設(shè)計容量市場機(jī)制時的參數(shù)選取給火電機(jī)組預(yù)留了最大的盈利空間,同時火電機(jī)組的穩(wěn)定供電也將為電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行提供又一重保障。此外,可以觀察到,即使容量市場機(jī)制對風(fēng)電機(jī)組的價格約束最為嚴(yán)格、給風(fēng)電機(jī)組預(yù)留的利潤空間最小,風(fēng)電機(jī)組參加容量市場的收益仍然大于純能量市場,這也體現(xiàn)了容量市場可以為機(jī)組帶來額外收益的重要作用。

        圖5 容量及純能量市場機(jī)制下每臺機(jī)組預(yù)期收益對比

        由圖6可知,容量及純能量市場機(jī)制下,不同類別機(jī)組預(yù)期收益之間的對比規(guī)律相同,即火電大于儲能大于風(fēng)電。

        圖6 純能量市場機(jī)制下每臺機(jī)組預(yù)期收益

        4 結(jié)論

        本文借鑒美國PJM容量市場建設(shè)成功經(jīng)驗,分析了容量市場建設(shè)的必要性及其對發(fā)電商、ISO與電力系統(tǒng)的重要作用。對于發(fā)電商,容量市場機(jī)制可以為其帶去額外收益,幫助其回收在其他市場的發(fā)電成本。對于ISO與電力系統(tǒng),建設(shè)容量市場可以為未來提供充足的容量儲備,從而保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。構(gòu)建了容量市場機(jī)制模型以及發(fā)電商用容量市場競標(biāo)策略模型,旨在為發(fā)電商提供收益最大化時的競標(biāo)策略。此外,將純能量市場與容量市場的運行結(jié)果進(jìn)行對比,體現(xiàn)容量市場的重要價值。

        本文在機(jī)組類型的選擇上僅限于火電、風(fēng)電及儲能,接下來的研究可進(jìn)一步擴(kuò)展到更多類型的機(jī)組。同時,在容量市場機(jī)制設(shè)計方面,可以結(jié)合我國電力市場發(fā)展實際情況增加更多規(guī)范約束,促進(jìn)市場公平競爭。

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