胡 凱,黃 羚,蔡博武,廖 菲,馬明玉

(1.國網(wǎng)湖北省電力有限公司調(diào)控中心,湖北 武漢 430071;2.武漢大學(xué)電氣與自動化學(xué)院,湖北 武漢 430072)

0 引言

隨著我國提出“在2030 年前實現(xiàn)碳達(dá)峰,2060年前實現(xiàn)碳中和”的建設(shè)目標(biāo)[1],未來我國可再生能源將實現(xiàn)指數(shù)式爆發(fā)增長。以電動汽車產(chǎn)業(yè)為例,電動汽車發(fā)展正呈現(xiàn)出快速發(fā)展態(tài)勢,截至2022 年12 月底,我國新能源汽車總量高達(dá)1 310萬臺[2]。規(guī)?；撵`活負(fù)荷能為電力系統(tǒng)調(diào)控提供巨大潛力資源,因此亟需完善靈活資源的市場化機(jī)制,管理調(diào)度各類靈活負(fù)荷資源,并將其轉(zhuǎn)化為聚合調(diào)峰資源[3],參與電網(wǎng)動態(tài)平衡調(diào)控及電網(wǎng)輔助服務(wù)市場交易。

針對電力輔助服務(wù)的補償機(jī)制研究,文獻(xiàn)[4]基于“兩個細(xì)則”確定了負(fù)荷聚合商的補償標(biāo)準(zhǔn)并對聚合商輔助服務(wù)效果進(jìn)行評估。文獻(xiàn)[5]通過量化輔助服務(wù)市場中抽水蓄能電站在環(huán)境效益、社會效益方面的貢獻(xiàn),建立對抽水蓄能電站合理的價格補償機(jī)制。文獻(xiàn)[6]通過設(shè)定調(diào)節(jié)寬度和調(diào)節(jié)精確度指標(biāo),建立備用輔助服務(wù)的負(fù)荷資源績效考核和補償機(jī)制;文獻(xiàn)[7]提出了電動汽車用戶補償價格上限的計算模型,并且設(shè)立了基于用戶響應(yīng)量的用戶補償機(jī)制。文獻(xiàn)[8]針對電動汽車電池老化等問題,對用戶參與市場調(diào)度的機(jī)會成本進(jìn)行補償,開啟了補償機(jī)制新思路。文獻(xiàn)[9]提出包括容量支付和性能支付2種支付方法,并建立了新的市場出清模型,確定了補償機(jī)制的定價。文獻(xiàn)[10]基于用戶滿意度建立了可中斷負(fù)荷參與備用輔助服務(wù)市場的補償機(jī)制。文獻(xiàn)[11]分析電動汽車充電概率和行駛里程統(tǒng)計數(shù)據(jù),獲取汽車負(fù)荷分布特性,結(jié)合用戶用電需求,構(gòu)建峰谷分時電價引導(dǎo)模型,從電價引導(dǎo)對電動汽車有序充電負(fù)荷的影響方面開展研究。文獻(xiàn)[12]分析了儲能技術(shù)在電力系統(tǒng)的應(yīng)用模式,研究了儲能技術(shù)分別在輔助服務(wù)、峰谷差套利及用戶節(jié)電等應(yīng)用領(lǐng)域的經(jīng)濟(jì)可行性。

現(xiàn)有研究雖然針對用戶側(cè)靈活負(fù)荷參加輔助服務(wù)市場提出多種補償機(jī)制,但是未基于量化實際輔助效果制定補償方式。此外,目前負(fù)荷聚合商參加調(diào)峰市場的補償機(jī)制大多采用統(tǒng)一出清價格機(jī)制,但是實際中既存在著部分聚合商申報價格遠(yuǎn)高于自身成本上限的情況,也存在著聚合商利潤較低的情況,現(xiàn)有方法無法全面考慮負(fù)荷聚合商的實際調(diào)峰效果及成本,對負(fù)荷聚合商進(jìn)行公平合理的補償。因此,本文提出了一種靈活負(fù)荷聚合商參與日前調(diào)峰輔助服務(wù)市場的兩部制補償模型。將聚合商的補償費用分為容量補償費用和電量補償費用。其中容量補償為負(fù)荷聚合商運營的固定成本補償,以保證負(fù)荷聚合商容量的儲備;電量補償為用戶側(cè)靈活負(fù)荷參與調(diào)度所得成效的補償,反映每個負(fù)荷聚合商在響應(yīng)系統(tǒng)的調(diào)度信號時實際執(zhí)行的工作量。

1 基于負(fù)荷聚合商固定成本的容量補償模型

1.1 電動汽車聚合商成本

電動汽車聚合商的投資成本主要包括基礎(chǔ)設(shè)備成本、配電設(shè)備成本和運營成本。

1.1.1 基礎(chǔ)設(shè)備成本

基礎(chǔ)設(shè)備成本包括:土地租借(或購買)成本費用、設(shè)施的建造成本費用、充電設(shè)施的安裝成本費用、充電監(jiān)控及安全監(jiān)控安裝成本費用。

式中:Cr1為土地租借成本;Cb1為土地購買成本;Cins為設(shè)施的建造成本費用;nc·Cchaq為充電設(shè)施的安裝成本費用;nm·Cmoq為充電監(jiān)控及安全監(jiān)控安裝成本費用;γ為布爾變量,當(dāng)γ=1時,表示充電站通過租借土地建造充電站一年或者一個月需要繳費租金,當(dāng)γ=0時,表示充電站購買土地的費用;Cchaq和nc分別為充電設(shè)施的建造單價和數(shù)量;Cmoq和nm分別為監(jiān)控設(shè)施的購買單價和數(shù)量。

1.1.2 配電設(shè)施成本

配電設(shè)施成本包括箱式變電站建設(shè)費用、用戶配電柜安裝費用和電纜費用。

1.1.3 運營成本

運營成本包括電池保養(yǎng)及維修費用、保養(yǎng)維修成本費用和充電站內(nèi)所有員工的費用。

式中:Cbattm為充電樁電池的保養(yǎng)及維修費用;Cdist為配電設(shè)施的保養(yǎng)維修成本費用;ne·Cemp為充電站內(nèi)的員工薪資福利成本,其中ne為充電站的員工總?cè)藬?shù),Cemp為員工年工資。配電設(shè)施維護(hù)成本可按照配電成本3%估算。

1.2 電采暖聚合商成本

蓄熱式電采暖的主要投資成本是將初始投資成本CI是和退役殘值CD平均分?jǐn)偟诫姴膳偸褂媚晗轞年內(nèi)的成本,并考慮能源單價的影響[13]。

式中:Ct.d為每年的投資成本;ξ為能源單價每年的增長率;meb為建造單位面積電采暖的價格;S為電采暖建造面積。退役殘值為初始投資成本的5%。

1.3 儲能聚合商成本

用戶側(cè)蓄電池儲能的成本包括安裝成本、運行維護(hù)成本和回收成本,考慮到蓄電池壽命較長,本文暫不考慮回收成本。在特定的市場經(jīng)濟(jì)環(huán)境下,多種用戶側(cè)電池的儲能可以通過計算將每年的成本時間轉(zhuǎn)換為月份進(jìn)行統(tǒng)一評估。

1.3.1 安裝成本

電池儲能由蓄電池和電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(PCS)組成,電池儲能的安裝成本如下

式中:Cbat為電池安裝費用;CPCS為電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)安裝費用;CE為電能的單價;E為電池的額定容量;τ為電池的轉(zhuǎn)換效率;CP為電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)單位電量的轉(zhuǎn)換價格;Pa為電池的額定功率。

1.3.2 運行維護(hù)成本

蓄電池儲能的年度運營維修費用包含兩部分,人工成本和管理成本,這類投資成本與電池儲能的運行過程沒有關(guān)系,僅與儲能的電池種類和儲能的額定功率有關(guān)。

式中:Cser為運行維護(hù)成本;Cfp為單位能量運行維護(hù)成本。

1.4 負(fù)荷聚合商容量補償

負(fù)荷聚合商的容量補償是針對負(fù)荷聚合商的建設(shè)以及運營成本做出的補償,其計算流程如圖1所示。

圖1 容量補償計算流程

由負(fù)荷聚合商的總成本與聚合商壽命年限內(nèi)總共調(diào)節(jié)電量的比值可得出單位電量補償價格。

式中:c e,t為負(fù)荷聚合商e單位電量的成本補償價格;C e為負(fù)荷聚合商的總成本;T e為負(fù)荷聚合商設(shè)備利用小時總數(shù);p為單次電量調(diào)節(jié)量;θ為一天參與的次數(shù)。

對于參與日前輔助服務(wù)集中出清的負(fù)荷聚合商,每15 min在中標(biāo)調(diào)峰服務(wù)市場獲得的調(diào)峰服務(wù)容量補償費用,等于在調(diào)峰市場中標(biāo)的調(diào)峰容量與成本補償價格的乘積。

式中:為出清時段t內(nèi)負(fù)荷聚合商e獲得的市場調(diào)峰服務(wù)費用;為負(fù)荷聚合商e在t時段的中標(biāo)容量。

2 基于負(fù)荷聚合商調(diào)峰貢獻(xiàn)度的電量補償模型

2.1 負(fù)荷聚合商基準(zhǔn)功率認(rèn)定

若調(diào)峰響應(yīng)日為工作日,則取響應(yīng)日前的3?5個工作日對應(yīng)時段的平均負(fù)荷作為基準(zhǔn)負(fù)荷功率;若響應(yīng)日為周末,則取響應(yīng)日前一個周末對應(yīng)時段的平均負(fù)荷作為基準(zhǔn)負(fù)荷功率。

基準(zhǔn)負(fù)荷功率分別按靈活負(fù)荷聚合商和獨立用戶資源計算,靈活負(fù)荷聚合商基準(zhǔn)負(fù)荷功率為參與運行日的用戶資源組合中各獨立用戶基準(zhǔn)負(fù)荷功率之和。

2.2 負(fù)荷聚合商調(diào)峰貢獻(xiàn)度

本文基于負(fù)荷聚合商的理論貢獻(xiàn)度和實際貢獻(xiàn)度來確定最終有效貢獻(xiàn)度。

2.2.1 實際貢獻(xiàn)度

實際貢獻(xiàn)度是指聚合商實際調(diào)節(jié)的電量占總電網(wǎng)調(diào)峰需求量的比例。

式中:α2為實際貢獻(xiàn)度;P t,e,b為負(fù)荷聚合商e在t時段的基準(zhǔn)功率;P t,e為t時段負(fù)荷聚合商e的實際功率;P t,c為t時段電網(wǎng)調(diào)峰需求量。

2.2.2 理論貢獻(xiàn)度

理論貢獻(xiàn)度為負(fù)荷聚合商中標(biāo)容量占總的電網(wǎng)調(diào)峰需求的比例。

式中:α1為理論貢獻(xiàn)度。

2.2.3 有效貢獻(xiàn)度

負(fù)荷聚合商的有效貢獻(xiàn)度為實際貢獻(xiàn)度和理論貢獻(xiàn)度兩者中的較小值。

2.3 負(fù)荷聚合商的電量補償

負(fù)荷聚合商的電量補償是針對負(fù)荷聚合商實際參與調(diào)峰市場的有效電量調(diào)節(jié)量做出的補償,其計算流程如圖2所示。

圖2 電量補償流程

負(fù)荷聚合商每15 min從中標(biāo)調(diào)峰服務(wù)市場獲得的調(diào)峰電量補償費用,等于在調(diào)峰市場實際的調(diào)峰容量、出清時長與中標(biāo)價格的乘積。

式中:是負(fù)荷聚合商e在t時段電量補償費用;αe為負(fù)荷聚合商e的調(diào)峰貢獻(xiàn)度;λe,t是負(fù)荷聚合商e在t時段的中標(biāo)價格;t為出清時長,取0.25 h。

3 負(fù)荷聚合商兩部制補償模型

調(diào)峰輔助服務(wù)的補償費用中費用與成本的對應(yīng)關(guān)系如圖3所示。

圖3 補償費用與成本的關(guān)系

在日前調(diào)峰輔助服務(wù)中聚合商每15 min獲得的調(diào)峰市場補償費用,計算如下

式中:F e,t為聚合商e在t時段獲得的調(diào)峰市場補償費用。

4 仿真分析

4.1 仿真數(shù)據(jù)

本文以華北某地區(qū)某典型日的日前調(diào)峰輔助服務(wù)市場為例進(jìn)行仿真分析,圖4為電網(wǎng)日負(fù)荷曲線,圖5為日調(diào)峰需求曲線。

圖4 電網(wǎng)日負(fù)荷曲線

圖5 電網(wǎng)日調(diào)峰需求

由圖4和5可知,在02:15—08:15,電網(wǎng)處于負(fù)荷低谷時期,負(fù)荷聚合商需增加自身的用電量,在中午11:45—13:45和晚上17:00—20:45,電網(wǎng)處于負(fù)荷高峰時期,負(fù)荷聚合商應(yīng)降低自身的用電量。

負(fù)荷聚合商的中標(biāo)容量安排如圖6所示,負(fù)荷聚合商的基準(zhǔn)功率曲線及實際功率曲線如圖7所示,負(fù)荷聚合商的實際負(fù)荷變化情況如圖8所示。

圖6 負(fù)荷聚合商中標(biāo)容量

圖7 負(fù)荷聚合商基準(zhǔn)功率及實際負(fù)荷曲線

圖8 負(fù)荷聚合商實際負(fù)荷變化情況

4.2 結(jié)果分析

本文對比研究不同補償方式對負(fù)荷聚合商補償費用的差距:1)采用統(tǒng)一出清價格補償?shù)姆绞?對成功參與調(diào)峰市場的負(fù)荷聚合商,按照統(tǒng)一的出清價格計算相應(yīng)的補償成本,對負(fù)荷聚合商的實際改變量進(jìn)行補償;2)采用本文兩部制補償?shù)姆绞綄ω?fù)荷聚合商進(jìn)行補償。

4.2.1 日前調(diào)峰市場調(diào)度結(jié)果分析

對日前調(diào)峰市場的調(diào)度結(jié)果,按照各負(fù)荷聚合商以及發(fā)電機(jī)組的申報報價進(jìn)行結(jié)算,結(jié)合各負(fù)荷聚合商以及火電機(jī)組的中標(biāo)容量,得到電力系統(tǒng)對各負(fù)荷聚合商以及火電機(jī)組的調(diào)度費用如表1所示。

表1 調(diào)峰市場調(diào)度費用 元

由表1可知,調(diào)峰火電機(jī)組的調(diào)度費用最高,3類負(fù)荷聚合商的調(diào)度費用相對較低,可見通過市場機(jī)制調(diào)用靈活負(fù)荷參與調(diào)峰,能有效降低系統(tǒng)的調(diào)度成本,保證調(diào)度的經(jīng)濟(jì)性。因此,在實際調(diào)峰市場中,更應(yīng)該鼓勵電動汽車、電采暖、分布式儲能等用戶側(cè)靈活負(fù)荷積極參與調(diào)峰輔助服務(wù),降低電網(wǎng)調(diào)度成本。電網(wǎng)各個時段的調(diào)度費用如圖9所示。調(diào)峰需求越高,所需的調(diào)度成本越高。

圖9 各時段總的調(diào)峰調(diào)度費用

4.2.2 兩部制補償結(jié)果分析

負(fù)荷聚合商各個時段的電量補償費用如圖10所示,負(fù)荷聚合商各個時段的容量補償費用如圖11所示。

圖10 負(fù)荷聚合商電量補償費用

圖11 負(fù)荷聚合商容量補償費用

由圖10和圖11可知,負(fù)荷聚合商獲得的補償費用中,電量補償費用占比較大,容量補償占比較小,說明負(fù)荷聚合商的實際收益來源于自身實際提供的輔助服務(wù),基于負(fù)荷聚合商的實際調(diào)峰效果求得調(diào)峰貢獻(xiàn)度,對負(fù)荷聚合商進(jìn)行合理補償。負(fù)荷聚合商收到的容量補償費用與中標(biāo)容量成正比,且補償費用并不高,僅僅是未來維持負(fù)荷聚合商的正常運行,對負(fù)荷聚合商的投資成本進(jìn)行補償,能夠提高負(fù)荷聚合商的積極性,加快負(fù)荷聚合商這一市場主體的建設(shè)。

4.2.3 對比分析

經(jīng)計算,采用統(tǒng)一出清價格補償方式和本文補償方式中負(fù)荷聚合商各個時段的補償費用如圖12所示。

圖12 負(fù)荷聚合商的補償費用

由圖12可以看出,統(tǒng)一出清價格補償總費用比兩部制補償費用略高,說明兩部制補償方式能夠提高電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性,同時負(fù)荷聚合商收到的補償并未明顯降低,保證了負(fù)荷聚合商的有效利益。各負(fù)荷聚合商在不同補償方式下的補償費用如表2所示。

表2 調(diào)峰市場補償費用 元

通過分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),采用統(tǒng)一出清價格補償方式,電力系統(tǒng)消耗的補償費用大于兩部制補償方式的費用,說明本文的補償方式經(jīng)濟(jì)性更好,且由于各個時段電動汽車聚合商中標(biāo)容量最大,補償費用也最高;儲能的可調(diào)度容量最小,中標(biāo)容量最少,獲得的補償也最少。

對比可知,本文采用的兩部制補償方法不但提高了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性,而且考慮了負(fù)荷聚合商的實際貢獻(xiàn)度,更加公平公正,同時針對負(fù)荷聚合商的中標(biāo)容量進(jìn)行補償,能夠保證負(fù)荷聚合商不會虧損,維持負(fù)荷聚合商的日常運營。假如在調(diào)峰當(dāng)天的實時調(diào)峰市場中,負(fù)荷聚合商由于電力系統(tǒng)的原因未被調(diào)度(負(fù)荷聚合商由于自身原因?qū)е挛幢徽{(diào)度的除外),負(fù)荷聚合商仍然可以收到容量補償費用,保證正常運營,提高了負(fù)荷聚合商參與調(diào)峰市場的積極性。

5 結(jié)論

本文以鼓勵用戶側(cè)靈活負(fù)荷參與調(diào)峰輔助服務(wù)市場為目標(biāo),提出了包含電量補償和容量補償?shù)膬刹恐蒲a償方法。首先根據(jù)負(fù)荷聚合商的歷史運行功率數(shù)據(jù),提出負(fù)荷聚合商參與日前調(diào)峰輔助的基準(zhǔn)功率確定方法;接著考慮負(fù)荷聚合商的計劃充放電功率曲線與實際充放電曲線,確定負(fù)荷聚合商參與日前調(diào)峰輔助服務(wù)貢獻(xiàn)度的認(rèn)定方法,并計算對負(fù)荷聚合商的電量補償;然后考慮負(fù)荷聚合商的成本,計算出單位容量補償價格,對負(fù)荷聚合商進(jìn)行容量補償;最后建立負(fù)荷聚合商參與日前調(diào)峰市場的兩部制補償模型。通過仿真分析,與統(tǒng)一出清價格補償方式比較表明,兩部制補償方法有利于節(jié)約市場調(diào)度的成本,考慮負(fù)荷聚合商的有效調(diào)節(jié)量,公平合理的對負(fù)荷聚合商進(jìn)行補償,提高用戶側(cè)靈活負(fù)荷參與調(diào)峰輔助服務(wù)的積極性。由于常規(guī)電源的增長滯后于電網(wǎng)負(fù)荷的增長,新能源裝機(jī)增長迅猛,高峰負(fù)荷時段電力供需平衡緊張,腰荷及低谷時段調(diào)峰存在困難,負(fù)荷側(cè)參與調(diào)峰輔助服務(wù)需求凸顯。兩部制補償方法有利于負(fù)荷聚合商的發(fā)展,通過市場化手段引導(dǎo)負(fù)荷側(cè)參與電網(wǎng)發(fā)用電平衡調(diào)節(jié),以最優(yōu)成本實現(xiàn)社會福利最大化。