劉軍,李凌陽,吳夢凱,陳翰,陳鴻鑫
(1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院,杭州 310007;2.浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院,杭州 310007;3.國網(wǎng)浙江省電力有限公司麗水供電公司,浙江 麗水 323300)
隨著“雙碳”目標(biāo)下的新型電力系統(tǒng)建設(shè)不斷推進,以風(fēng)光為代表的新能源發(fā)電在電力系統(tǒng)中的滲透率快速提升。同時隨著我國電力市場的持續(xù)發(fā)展,新能源發(fā)電從保障性全額上網(wǎng)變?yōu)榕c常規(guī)電源一樣參與市場競爭是大勢所趨[1]。2017年8月,國家發(fā)展改革委選擇了8個省級地區(qū)作為第一批電力現(xiàn)貨市場改革的試點地區(qū)[2]。通過對試點地區(qū)的新能源參與現(xiàn)貨市場方式現(xiàn)狀的調(diào)研發(fā)現(xiàn),目前大部分試點地區(qū)為落實“可再生能源保障性收購”的政策要求,將新能源作為現(xiàn)貨市場的邊界條件[3]。現(xiàn)階段新能源參與現(xiàn)貨市場的主要問題在于:相比于常規(guī)發(fā)電等其他市場主體,新能源由于出力的不確定性及波動性,其在實時運行時容易出現(xiàn)偏差而導(dǎo)致較大的實時平衡成本,會影響新能源在現(xiàn)貨市場中的競爭力,不利于新能源的市場化消納[4]。而抽水蓄能電站作為目前公認的技術(shù)最為成熟、應(yīng)用最為廣泛且經(jīng)濟性較好的儲能電源[5],其與新能源協(xié)同運行乃至聯(lián)合參與電力市場是未來重要的發(fā)展方向。2021 年8 月,國家能源局提出了“支持風(fēng)光蓄多能互補基地等新業(yè)態(tài)發(fā)展”[6];同月,國家發(fā)展改革委發(fā)布了《關(guān)于鼓勵可再生能源發(fā)電企業(yè)自建或購買調(diào)峰能力增加并網(wǎng)規(guī)模的通知》,鼓勵可再生能源發(fā)電企業(yè)與新增抽水蓄能電站等調(diào)節(jié)資源簽訂新增消納能力的協(xié)議或合同[7],為抽水蓄能電站與新能源發(fā)電聯(lián)合運行提供了政策支持。調(diào)研發(fā)現(xiàn),相較于大型抽水蓄能電站[8],以“削峰填谷”為主要功能的分布式抽水蓄能電站具有站點資源豐富、布局靈活等優(yōu)點,也面臨著因容量有限而在兩部制電價機制下容量效益受限、運行成本無法回收等問題[9-10],其有條件也有必要與新能源、常規(guī)水電等組成聯(lián)營體。因此,有必要研究在電力市場放開后,中小容量的分布式抽水蓄能電站與新能源發(fā)電聯(lián)合參與電力市場的運營機制,以市場化途徑實現(xiàn)分布式抽水蓄能電站和新能源發(fā)電雙方運營效益的提升。
現(xiàn)階段,國內(nèi)外學(xué)者對于抽水蓄能電站與新能源發(fā)電聯(lián)合運行乃至聯(lián)合參與市場的機制開展了廣泛研究。文獻[11]提出了一種在峰谷電價機制下,以風(fēng)電與抽水蓄能聯(lián)合運行效益最大化為目標(biāo)的優(yōu)化方法,驗證了二者聯(lián)合運行可有效降低風(fēng)電出力波動對電網(wǎng)運行的影響并降低出力偏離懲罰。文獻[12]研究了不同場景下抽水蓄能電站和風(fēng)電機組聯(lián)合參與日前電量市場的可行性。文獻[13-14]分析了市場機制下抽水蓄能電站與各類新能源聯(lián)合運行參與市場的可行性,證明抽水蓄能電站的調(diào)節(jié)能力可有效平抑新能源的出力波動并提高聯(lián)營體收益。文獻[15]在聯(lián)營體運行優(yōu)化的基礎(chǔ)上,進一步研究了聯(lián)營體內(nèi)部收益分配機制。然而,上述文獻多為聯(lián)營體在單結(jié)算機制下的日前市場投標(biāo)優(yōu)化,而較少關(guān)注現(xiàn)貨市場雙結(jié)算機制下的日前-實時兩階段優(yōu)化,也并未關(guān)注抽水蓄能電站的容量規(guī)模對于聯(lián)營體收益的影響。
綜上,本文提出一種現(xiàn)貨市場雙結(jié)算模式下,中小容量的分布式抽水蓄能電站與新能源發(fā)電組建聯(lián)營體參與日前-實時市場的兩階段優(yōu)化模型。模型中采用了CVaR(條件風(fēng)險價值)來量化新能源出力和市場電價的不確定性對于聯(lián)營體收益的影響。最后,通過算例驗證所提出方法的有效性及合理性。
目前,國內(nèi)各試點地區(qū)的電力現(xiàn)貨市場通常由一個日前市場和多個實時市場構(gòu)成,部分地區(qū)會引入日內(nèi)市場[16]。以廣東電力現(xiàn)貨市場規(guī)則為例:日前市場階段,發(fā)電機組在運行日前一日(D-1 日)13:00 前進行日前電能量市場交易申報,D-1日17:30前,出清得到日前電能量市場交易結(jié)果,形成每15 min 的節(jié)點電價;實時市場階段,運行日(D日)內(nèi)以15 min為周期,實時市場進行滾動出清,形成實時節(jié)點電價等信息[17]。
雙結(jié)算機制下,在日前市場出清后,市場運營機構(gòu)向各個發(fā)電主體發(fā)布各時段中標(biāo)電量及日前的節(jié)點邊際電價,日前市場階段的中標(biāo)電量按日前節(jié)點邊際電價進行結(jié)算,實時市場階段的物理交割與日前中標(biāo)的偏差平衡電量按實時節(jié)點邊際電價進行結(jié)算。同時,偏差考核是保障電力市場健康發(fā)展、避免市場主體過度投機的重要手段[18],有利于我國由中長期電量市場向現(xiàn)貨市場平穩(wěn)過渡,將長期存在于我國現(xiàn)貨市場當(dāng)中。本文對于超出偏差考核裕度的電量,采用一定偏差考核系數(shù)的節(jié)點日前邊際電價進行懲罰結(jié)算[19]。
在此機制下,不考慮中長期合約時,發(fā)電市場主體在雙結(jié)算機制下參與現(xiàn)貨市場的總收益F包括日前市場的收益FDA與實時市場的收益FRT,即:
本文提出一種國內(nèi)現(xiàn)貨市場雙結(jié)算機制下,新能源發(fā)電與分布式抽水蓄能電站組建聯(lián)營體參與日前-實時市場的兩階段優(yōu)化策略,如圖1 所示。在聯(lián)合運行模式下,抽水蓄能電站和新能源發(fā)電可以更靈活地安排市場行為:當(dāng)新能源發(fā)電量過多或當(dāng)前電價較低時,新能源可以將部分或全部的電量輸送給抽水蓄能電站進行存儲;當(dāng)負荷需求較高或電價較高時,抽水蓄能電站工作在發(fā)電狀態(tài)以獲得較高收益。聯(lián)合運營模式使抽水蓄能電站可以充分發(fā)揮調(diào)節(jié)能力,平抑新能源出力的不確定性與波動性[20],新能源可以通過該途徑規(guī)避偏差考核,減少平衡成本,降低棄電量。
圖1 聯(lián)營體參與日前-實時市場兩階段優(yōu)化策略Fig.1 Two-stage optimization strategy for joint-venture participating in day-ahead-real-time markets
在日前市場階段中,聯(lián)營體基于市場電價預(yù)測及新能源出力預(yù)測的多個不確定性場景構(gòu)建隨機優(yōu)化模型,模型的優(yōu)化目標(biāo)為聯(lián)營體在日前市場的期望收益與CVaR 之和的最大化,優(yōu)化結(jié)果為聯(lián)營體在日前市場的電量申報曲線。
在實時市場階段,日前市場的中標(biāo)曲線與日前節(jié)點邊際電價為已知量。對于第t個時段的實時市場,為避免短時域內(nèi)的最優(yōu)而影響后續(xù)的出力安排,模型的優(yōu)化目標(biāo)為聯(lián)營體在第t—T時段的實時市場總收益最大化。
在構(gòu)建聯(lián)營體參與日前-實時市場兩階段優(yōu)化模型之前,為簡化問題分析且不失一般性,做如下假設(shè)及規(guī)定:
1)新能源發(fā)電與分布式抽水蓄能電站連接在同一電力節(jié)點上,具有共同的節(jié)點邊際電價。
2)為了保證中標(biāo)、防止棄風(fēng),聯(lián)營體在日前市場階段申報運行日的功率-價格曲線時設(shè)置零價,且認為申報電量全部中標(biāo)。
3)對于優(yōu)化過程中考慮的新能源出力及電價的不確定性,在日前市場階段表征為多個新能源出力預(yù)測場景和節(jié)點邊際電價預(yù)測場景,預(yù)測誤差各自符合一定的正態(tài)分布[21]。運行日實際的新能源出力以及實時節(jié)點邊際電價為日前預(yù)測值的均值再各自加上一定的波動性誤差。
4)對于第t個時段的實時市場,需基于預(yù)測情況進行滾動優(yōu)化,預(yù)測結(jié)果距離預(yù)測點越近越準確。新能源出力的預(yù)測時域與節(jié)點邊際電價的預(yù)測時域略有不同:對于新能源出力,由于已經(jīng)接近實時運行,可認為第t個時段的新能源出力情況已知;對于節(jié)點邊際電價,則需要等到第t個實時市場出清后才進行披露,即第t個時段的節(jié)點邊際電價仍為預(yù)測值。
5)為便于計算,在實時市場階段令每個時段的時間間隔為1 h,即運行日中的實時市場總時段數(shù)T為24。
在日前市場階段,聯(lián)營體優(yōu)化其申報策略以實現(xiàn)日前市場的期望收益與CVaR 之和的最大化。聯(lián)營體策略優(yōu)化過程中考慮新能源出力的不確定性以及電力市場價格不確定性,采用CVaR 對不確定風(fēng)險進行度量,并將其考慮進優(yōu)化決策中,即:
式中:第1項為聯(lián)營體在日前市場的期望收入;第2項為聯(lián)營體在不確定性場景下的收益風(fēng)險;pw為描述不確定性場景w的概率;N為不確定性場景的總數(shù)量;為聯(lián)營體在場景w下t時段內(nèi)的日前市場收益;ζCVaR為CVaR的值;β為風(fēng)險偏好系數(shù)(非負數(shù)),β>0時表示聯(lián)營體厭惡風(fēng)險而追求收益的穩(wěn)定性,β=0時聯(lián)營體僅以日前市場預(yù)期收益最大為目標(biāo)。
2.1.1 聯(lián)營體期望收益
聯(lián)營體在日前市場中場景w下t時段的收益為售電收益與運行成本的差值,即:
聯(lián)營體的運行成本主要考慮抽水蓄能電站的抽水成本、發(fā)電成本、啟停成本和偏差考核成本,即:
式中:cH和cP分別為抽水蓄能電站的單位發(fā)電成本和單位抽水成本;分別為日前優(yōu)化階段,抽水蓄能電站在場景w下t時段內(nèi)的發(fā)電量和抽水耗電量;cy為抽水蓄能電站的啟動成本;yt為0-1 變量,表征抽水蓄能電站在t時段內(nèi)有無啟動;為場景w下t時段內(nèi)的偏差考核電量。
期望偏差考核成本由偏差考核電量和節(jié)點邊際電價共同決定。需要特別說明的是,在日前市場優(yōu)化階段考慮期望偏差考核成本是為了盡量避免后續(xù)實時市場階段的偏差考核,在最終結(jié)算中偏差考核是按照實時市場的交割情況確定的。按照前文所述,偏差考核電量QD為:
式中:δ為偏差考核裕度;QDA和QDA′分別為發(fā)電商在日前市場中標(biāo)的發(fā)電量和實際物理交割時的發(fā)電量。
在本文構(gòu)建的隨機優(yōu)化模型中,場景w下t時段內(nèi)聯(lián)營體期望實際交付電量為:
2.1.2 CVaR
在離散的收益分布情景中,CVaR對應(yīng)于在置信水平α下,小概率(1-α)場景集合的期望收益,即:
式中:ζVaR為VaR(風(fēng)險價值)的值,在本文中表示在給定的置信度α下,聯(lián)營體在不確定性場景中取得的收益;ηw為場景w下聯(lián)營體的收益Fw與VaR的差值。在給定的置信度α下,VaR和CVaR的值越大表示風(fēng)險越小。在連續(xù)的收益分布下,CVaR與VaR的關(guān)系如圖2所示。
圖2 置信度α下CVaR與VaR的關(guān)系Fig.2 Relationship between CVaR and VaR at confidence level α
相較于VaR 無法捕捉利潤尾部情況、無法考慮到越過分位點下方的風(fēng)險的缺陷,CVaR具有一致性、次可加性、正齊次性等特性[22],且保留了優(yōu)化模型的凸性,便于模型求解。
優(yōu)化模型中考慮的運行約束包括聯(lián)營體運行決策約束、抽水蓄能電站運行約束和新能源運行約束。
2.2.1 聯(lián)營體運行決策約束
新能源發(fā)電與抽水蓄能電站聯(lián)合運行,其運行決策包括:新能源發(fā)電可以將部分或全部發(fā)電量輸送給抽水蓄能電站,如式(9)所示;抽水蓄能電站的抽水電量既可來源于聯(lián)營體中的新能源發(fā)電,也可來源于市場購電,如式(10)所示;抽水蓄能電站的發(fā)電電量一部分按計劃投入市場進行交易,另一部分用于平抑新能源出力波動,如式(11)所示。
2.2.2 新能源運行約束
新能源發(fā)電制定日前市場階段的售電曲線申報計劃時需基于出力預(yù)測結(jié)果,即各時段的計劃售電量不應(yīng)超過相應(yīng)時段在各個日前預(yù)測場景中的新能源預(yù)測最大出力:
2.2.3 抽水蓄能電站運行約束
1)出力約束為:
2)連續(xù)抽水、發(fā)電時間約束為:
式中:TH和TP分別為抽水蓄能電站的連續(xù)發(fā)電時間和連續(xù)抽水時間;分別為抽水蓄能電站的最大允許連續(xù)發(fā)電時間和最大允許連續(xù)抽水時間。
3)水庫容量約束。抽水蓄能電站在運行過程中需保證水庫容量在允許范圍內(nèi),如式(17)所示;水庫容量在一天的起始、終末時刻應(yīng)保持一致,如式(18)所示;抽水蓄能電站水庫容量與抽水、發(fā)電運行狀態(tài)的關(guān)系如式(19)所示。
式中:Sw,t為場景w下t時段內(nèi)折算為可發(fā)電量的水庫容量;Smax為水庫最大容量等值發(fā)電量,即允許最高水位情況下水庫的等值可發(fā)電量;Smin為水庫最小容量等值發(fā)電量;xt為表征抽水蓄能電站狀態(tài)的0-1 變量,0 表示抽水狀態(tài),1 表示發(fā)電狀態(tài);μ為抽水蓄能電站的抽發(fā)效率,常見為75%,即“抽四發(fā)三”。
2.2.4 CVaR約束
除式(8)外,CVaR的相關(guān)約束還包括:
聯(lián)營體在實時市場第i時段需基于其在日前市場的中標(biāo)結(jié)果以及滾動更新的預(yù)測情況,調(diào)整聯(lián)營體在i—T時段的市場決策,以實現(xiàn)實時階段收益的最大化,并將i時段的市場決策實際付諸運行,目標(biāo)函數(shù)可表示為:
對于偏差平衡電量和偏差考核電量,有:
聯(lián)營體在實時市場階段的運行約束條件與日前市場階段相似,包括聯(lián)營體運行決策約束、新能源出力約束、抽水蓄能電站的出力約束、連續(xù)抽水/發(fā)電時間約束和庫容約束,僅約束時段有所減少,在此不再贅述。
本文提出的優(yōu)化模型為MILP(混合整數(shù)線性優(yōu)化)問題,在MATLAB 2018b 中進行建模,并采用Cplex求解器進行求解。
算例中包含1個風(fēng)電場和1個分布式抽水蓄能電站,風(fēng)電裝機容量為80 MW,分布式抽水蓄能電站參數(shù)如表1所示。
表1 分布式抽水蓄能電站運行參數(shù)Table 1 Operating parameters of distributed pumped storage power plants
本文分析了華東某地實際風(fēng)電場的歷史出力數(shù)據(jù)并進行縮放處理,參考當(dāng)?shù)氐臍v史節(jié)點邊際電價數(shù)據(jù),得到相應(yīng)的風(fēng)電出力概率密度函數(shù)以及電價概率密度函數(shù)。在此基礎(chǔ)上,采用蒙特卡洛抽樣方法生成節(jié)點邊際電價不確定場景和風(fēng)電出力不確定場景,并采用場景削減方法分別得到10個日前典型預(yù)測場景,如圖3所示。
圖3 日前典型預(yù)測場景Fig.3 Typical day-ahead prediction scenarios
在實時市場階段,節(jié)點邊際電價與新能源出力的預(yù)測精度隨預(yù)測時間尺度的減小而逐步提高,利用蒙特卡洛方法生成預(yù)測場景,預(yù)測誤差的標(biāo)準差在預(yù)測時域與優(yōu)化時域分別取5%和10%。以第5時段為例,得到預(yù)測場景如圖4所示。
圖4 實時典型預(yù)測場景Fig.4 Typical real-time prediction scenarios
對于實時市場階段的偏差考核系數(shù)k以及偏差考核裕度δ,本文選取k=2,δ=5%。
4.2.1 市場收益比較
本節(jié)對比分析分布式抽水蓄能電站和新能源發(fā)電各自單獨參與日前市場與組建聯(lián)營體參與日前市場的期望收益。先不考慮CVaR 對于聯(lián)營體運營決策的影響,即令β=0,得到對比結(jié)果如表2所示。
表2 兩種運營模式在現(xiàn)貨市場收益對比Table 2 Comparison of spot market revenues under two operating modes
聯(lián)營體運營模式下的市場收益高于二者單獨運營的收益之和,日前市場整體運營收益提高約13.16%。在聯(lián)營體運營模式下,由于抽水蓄能電站的靈活調(diào)節(jié)作用,偏差考核電量和新能源棄電量明顯降低。
4.2.2 市場行為比較
為進一步分析聯(lián)營體模式下收益提升的機制,對比了抽水蓄能電站和新能源發(fā)電在兩種運營模式下的日前市場行為,結(jié)果如圖5所示。
圖5 兩種運營模式下抽水蓄能電站與新能源發(fā)電的日前市場申報曲線Fig.5 Day-ahead market declaration curves of pumped storage power plant and new energy generation under two operation modes
在聯(lián)營體運營模式下,新能源發(fā)電的售電計劃可追蹤市場電價變化:在電價高峰時段售電量較多;電價低谷時段售電量較少,甚至完全輸送給抽水蓄能電站進行儲存而不外售。相比之下,新能源發(fā)電單獨運營時,其計劃售電無法有效追蹤市場電價變化,而與出力預(yù)測的變化趨勢更為接近。結(jié)果說明,在聯(lián)營體運營模式下,新能源發(fā)電可應(yīng)對市場電價變化安排售電計劃以獲得更大收益。
4.3.1 日前市場收益影響分析
風(fēng)險偏好系數(shù)β反映聯(lián)營體對于市場風(fēng)險的厭惡程度。為比較不同β值的設(shè)置對聯(lián)營體市場選擇及收益的影響,選取置信度α為0.95,計算不同β取值下聯(lián)營體的日前市場期望收益及CVaR 有效前沿,結(jié)果如圖6所示。
圖6 不同β值下的CVaR與日前市場期望收益Fig.6 CVaR and day-ahead market expected return with different β values
可以看出:隨著風(fēng)險偏好系數(shù)的增加,聯(lián)營體在日前市場的預(yù)期總收益逐漸減少,而CVaR逐漸增加。當(dāng)風(fēng)險偏好系數(shù)較小時,聯(lián)營體日前市場預(yù)期總收益隨CVaR 的增加而緩慢減少;當(dāng)風(fēng)險偏好系數(shù)較大時,聯(lián)營體日前市場預(yù)期總收益隨CVaR的增加而快速減少。
4.3.2 實時市場收益影響分析
不同風(fēng)險偏好系數(shù)下的實時市場期望收益及實時市場CVaR有效前沿如圖7所示。
圖7 不同β值下的CVaR與實時市場期望收益Fig.7 CVaR and real-time market expected return with different β values
可以看出:隨著風(fēng)險偏好系數(shù)的增加,聯(lián)營體在實時市場的預(yù)期總收益逐漸增加,與日前市場的收益變化趨勢相反。當(dāng)風(fēng)險偏好系數(shù)較小時,聯(lián)營體實時市場總收益隨CVaR 的增加而緩慢增加;當(dāng)風(fēng)險偏好系數(shù)較大時,聯(lián)營體日前市場預(yù)期總收益隨CVaR的增加而快速增加。
分布式抽水蓄能電站與新能源發(fā)電的容量配比是組建聯(lián)營體時需要考慮的問題。為分析分布式抽水蓄能電站的庫容對聯(lián)營體運營效益和新能源棄電量的影響,本文設(shè)置了抽水蓄能電站的多個最大庫容情況,且初始庫容隨之等比例縮放;設(shè)置風(fēng)電裝機容量80 MW,出力預(yù)測誤差仍為10%,出力特性參考4.1節(jié),不考慮風(fēng)險偏好系數(shù)的影響,結(jié)果如圖8所示。
圖8 抽水蓄能電站庫容對聯(lián)營體運營收益的影響Fig.8 Impact of storage capacity of pumped storage plant on the operating income of the joint venture
可以看出:隨著分布式抽水蓄能電站最大庫容的降低,聯(lián)營體在現(xiàn)貨市場的收益逐漸降低,而新能源棄電量與偏差考核電量逐漸增長。具體而言,當(dāng)分布式抽水蓄能電站的最大庫容等值發(fā)電量與新能源(風(fēng)電)裝機容量之比大于1.875時,新能源棄電量隨著庫容的減小而增長緩慢,此時分布式抽水蓄能電站的調(diào)節(jié)能力仍能較好地平抑新能源發(fā)電的波動性與不確定性;當(dāng)最大庫等值發(fā)電量與新能源(風(fēng)電)裝機容量之比小于1.875時,新能源棄電量隨著最大庫容的減少而快速增長,此時分布式抽水蓄能電站的調(diào)節(jié)能力已經(jīng)達到其上限。
本文提出了一種在現(xiàn)貨市場雙結(jié)算機制下,分布式抽水蓄能電站與新能源發(fā)電組成聯(lián)營體參與日前-實時市場兩階段優(yōu)化模型。模型考慮了市場電價不確定性和新能源出力不確定性下聯(lián)營體的期望收益及風(fēng)險偏好,并引入了CVaR 以量化上述不確定性對聯(lián)營體收益的影響。通過算例分析,得出如下結(jié)論:
1)聯(lián)營體模式下聯(lián)營體的總收益高于抽水蓄能電站和新能源發(fā)電各自單獨參與市場的收益之和,且偏差考核電量和新能源棄電量得到明顯降低,驗證了本文所提方法的有效性。
2)聯(lián)營體模式下抽水蓄能電站和新能源發(fā)電參與市場的靈活性均有提高,對于具有反調(diào)峰特性的風(fēng)力發(fā)電的影響尤為明顯。
3)隨著風(fēng)險偏好系數(shù)的增加,聯(lián)營體在現(xiàn)貨市場的預(yù)期總收益逐漸減少。實際應(yīng)用中,聯(lián)營體可基于對市場風(fēng)險的厭惡程度以及市場的不確定性,合理安排優(yōu)化模型中的風(fēng)險偏好系數(shù)。
4)中小容量的分布式抽水蓄能電站與新能源發(fā)電組建聯(lián)營體時,抽水蓄能電站的調(diào)節(jié)能力存在相應(yīng)閾值,在實際應(yīng)用中可以指導(dǎo)聯(lián)營時的容量配比或者新建抽水蓄能電站的容量規(guī)劃。