高比例新能源接入下電網(wǎng)輸配電成本多主體分?jǐn)偰Ｐ?/h1>
2024-01-03 06:23:40顏炯盧生煒張濤謝浩東桑子夏汪穎翔周斌
電力建設(shè) 2024年1期
顏炯,盧生煒,張濤,謝浩東,桑子夏,汪穎翔,周斌
(1．國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,武漢市 430077;2．國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司,武漢市 430077;3．湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院,長(zhǎng)沙市 410082)
0 引 言
在“雙碳”目標(biāo)導(dǎo)向下,我國(guó)能源發(fā)展重點(diǎn)逐步轉(zhuǎn)向低碳清潔的新能源。但由于新能源發(fā)電具有不確定性和反調(diào)峰性等特點(diǎn)[1-2],為支撐高比例新能源并網(wǎng),電網(wǎng)需投資建設(shè)大量配套基建工程以提高新能源接納能力[3-5]。其中,這部分由新能源接入電網(wǎng)導(dǎo)致的輸配電成本(后統(tǒng)稱為新增輸配電成本)一般可分為接網(wǎng)成本和強(qiáng)化成本[6]。前者是指新能源場(chǎng)站與電網(wǎng)之間的連接設(shè)備(變電站、線路、開關(guān)等)的建設(shè)成本,后者是指為適應(yīng)新能源接入電網(wǎng)而對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行升級(jí)改造(輸變電設(shè)施加固擴(kuò)容、抽水蓄能等)的建設(shè)成本[5-6]。隨著電力系統(tǒng)中新能源滲透率不斷提高,新能源接入電網(wǎng)催生的接網(wǎng)成本和強(qiáng)化成本逐漸上升,壓縮了電網(wǎng)的經(jīng)營(yíng)發(fā)展空間,并引發(fā)終端電價(jià)上漲的風(fēng)險(xiǎn)[7]。因此,迫切需要完善面向新型電力系統(tǒng)的電網(wǎng)投資規(guī)劃理論,制定公平科學(xué)的電網(wǎng)投資成本分?jǐn)偛呗砸院侠硎鑼?dǎo)高比例新能源接入導(dǎo)致的新增輸配電成本[8-9]。
國(guó)外關(guān)于新增輸配電成本分?jǐn)偟难芯肯鄬?duì)較早。文獻(xiàn)[10]以英國(guó)海上風(fēng)電接網(wǎng)項(xiàng)目為研究對(duì)象,提出一種基于投資收益率劃定分?jǐn)偙壤慕泳W(wǎng)成本分?jǐn)偡椒?。文獻(xiàn)[11]將德國(guó)、荷蘭、英國(guó)等歐洲國(guó)家的新能源接入電網(wǎng)帶來的強(qiáng)化成本作為研究對(duì)象,發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)強(qiáng)化改造成本由電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商承擔(dān)可減少新能源并網(wǎng)障礙,而附加的這類額外成本則需通過提升用戶側(cè)電價(jià)來回收。文獻(xiàn)[6]闡述了一種在源網(wǎng)間平均分?jǐn)偨泳W(wǎng)成本的分配策略,但未考慮到不同新能源發(fā)電企業(yè)經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等因素的差異。目前,我國(guó)尚未制定明確的接網(wǎng)成本和強(qiáng)化成本分?jǐn)傉?新增輸配電成本仍被視為常規(guī)輸配電成本,由電網(wǎng)承擔(dān)并最終傳導(dǎo)至終端用戶。國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)常規(guī)輸配電成本的分?jǐn)傄延性S多研究,按照分?jǐn)傄罁?jù)可分為郵票法、峰荷責(zé)任法、邊際潮流法、邊際成本法、受益分?jǐn)偡╗12-14]等。然而,上述方法存在交叉補(bǔ)貼、費(fèi)率短時(shí)波動(dòng)性大等問題,難以直接應(yīng)用于新增輸配電成本的多主體成本分?jǐn)倛?chǎng)景。此外,接網(wǎng)成本隸屬于聯(lián)系源網(wǎng)兩側(cè)的專項(xiàng)服務(wù)工程,而強(qiáng)化成本服務(wù)于整個(gè)電力網(wǎng)絡(luò)[6]。若忽略兩種成本的成本屬性差異,對(duì)二者使用相同的分?jǐn)偛呗詫?dǎo)致分?jǐn)偨Y(jié)果的公平合理性不足。
針對(duì)上述問題,本文分別提出了基于成本責(zé)任的接網(wǎng)成本分?jǐn)偰Ｐ秃陀?jì)及新能源并網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)的強(qiáng)化成本分?jǐn)偰Ｐ汀１疚木唧w貢獻(xiàn)如下:
1)提出了基于成本責(zé)任度量的接網(wǎng)成本分?jǐn)偰Ｐ?基于新能源企業(yè)異質(zhì)性特征聚類得到新能源企業(yè)集群,分析量化接網(wǎng)成本責(zé)任要素,考慮新能源企業(yè)集群異質(zhì)性厘清新能源企業(yè)和電網(wǎng)側(cè)之間的成本責(zé)任并分?jǐn)偨泳W(wǎng)成本。
2)提出了計(jì)及新能源并網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)的強(qiáng)化成本分?jǐn)偰Ｐ?基于成本效益按比例分配強(qiáng)化成本至源網(wǎng)兩側(cè),并分析新能源并網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn),構(gòu)建新能源企業(yè)聚合體-聯(lián)盟聚合體的雙層分?jǐn)偨Y(jié)構(gòu),最后利用計(jì)及新能源并網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)的EANS-Owen值法對(duì)強(qiáng)化成本進(jìn)行分?jǐn)偂?/p>
1 基于成本責(zé)任度量的接網(wǎng)成本分?jǐn)偰Ｐ?/h2>1.1 新能源企業(yè)異質(zhì)性聚類分析
新能源企業(yè)數(shù)量眾多,制定接網(wǎng)成本分?jǐn)偛呗詴r(shí),忽略企業(yè)間的成本承擔(dān)能力差異有失合理性。以源網(wǎng)平均分?jǐn)偨泳W(wǎng)成本為例,統(tǒng)一的分?jǐn)偙壤官Y產(chǎn)體量較小、經(jīng)營(yíng)水平低的新能源企業(yè)承擔(dān)過高的接網(wǎng)成本,不利于高比例新能源并網(wǎng)接入。本節(jié)基于各新能源企業(yè)異質(zhì)性,將經(jīng)營(yíng)水平相似的新能源企業(yè)聚類到同一集群,在異質(zhì)性相似的發(fā)電企業(yè)集群內(nèi)確定接網(wǎng)成本分?jǐn)偙壤?從而提高接網(wǎng)成本分?jǐn)偨Y(jié)果的合理性與實(shí)用性。
企業(yè)異質(zhì)性是新能源企業(yè)在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中形成利潤(rùn)與成本優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ),通常會(huì)導(dǎo)致企業(yè)之間生產(chǎn)效率存在一定差異[15]。從新能源企業(yè)的資產(chǎn)體量、生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)、投資管理三個(gè)維度出發(fā),建立新能源企業(yè)異質(zhì)性指標(biāo)體系,具體如圖1所示。
圖1 新能源企業(yè)異質(zhì)性指標(biāo)體系Fig.1 Heterogeneity index system of renewable energy enterprise
根據(jù)發(fā)電形式和接網(wǎng)電壓等級(jí)對(duì)新能源企業(yè)初步分類后,將新能源企業(yè)異質(zhì)性指標(biāo)作為輸入特征,引入自適應(yīng)DBSCAN(density-based spatial clustering of applications with noise)算法[16]聚類劃歸新能源企業(yè)集群。
此外,為防止集群內(nèi)部成員數(shù)量過少,同時(shí)避免個(gè)別樣本點(diǎn)被識(shí)別為離群點(diǎn)而無(wú)法形成新能源企業(yè)集群,進(jìn)一步基于豪斯多夫距離對(duì)聚類結(jié)果進(jìn)行二次集群劃歸。若輸出的新能源企業(yè)聚類結(jié)果中出現(xiàn)小集群(樣本點(diǎn)少于設(shè)定閾值)或離群點(diǎn),則基于豪斯多夫距離[17]將其進(jìn)行二次劃歸到距離最近的新能源企業(yè)集群,最終得到具有不同異質(zhì)性的新能源企業(yè)集群,為差異化、精細(xì)化分?jǐn)偢鹘泳W(wǎng)工程成本奠定基礎(chǔ)。
1.2 考慮發(fā)電企業(yè)異質(zhì)性的接網(wǎng)成本分?jǐn)?/h3>
參考國(guó)外接網(wǎng)成本分?jǐn)偛呗?在不同新能源接入規(guī)模下可對(duì)不同范圍的接網(wǎng)資產(chǎn)進(jìn)行劃責(zé)分?jǐn)?從而在保證新能源高質(zhì)量發(fā)展的同時(shí)緩解終端電價(jià)抬升壓力。根據(jù)成本分?jǐn)偡秶谐瑴\度、半淺度、淺度和深度四種接網(wǎng)成本分?jǐn)偛呗訹6,8],具體如圖2所示。本節(jié)參考半淺度策略對(duì)接網(wǎng)成本分?jǐn)倖栴}進(jìn)行建模:在得到新能源異質(zhì)性集群的基礎(chǔ)上,量化分析源網(wǎng)兩側(cè)成本責(zé)任,最終構(gòu)建考慮發(fā)電企業(yè)異質(zhì)性的接網(wǎng)成本分?jǐn)偰Ｐ汀?/p>
圖2 不同成本分?jǐn)偛呗约皩?duì)應(yīng)分?jǐn)偡秶鶩ig.2 Different cost allocation strategies and corresponding allocation range
成本責(zé)任是指生產(chǎn)環(huán)節(jié)中各主體根據(jù)其權(quán)限和責(zé)任范圍所應(yīng)承擔(dān)的經(jīng)濟(jì)責(zé)任[18]。接網(wǎng)工程成本責(zé)任隸屬于新能源側(cè)與電網(wǎng)側(cè),最終的接網(wǎng)成本分?jǐn)偙壤尚履茉磦?cè)與電網(wǎng)側(cè)各自成本責(zé)任量化表達(dá)。
從新能源側(cè)角度,接網(wǎng)成本與新能源場(chǎng)站地理位置、技術(shù)水平和發(fā)電容量等因素相關(guān)[6]。提出新能源側(cè)成本責(zé)任量化公式:
αRe,i,j=[w1(ηi,j-ηmin,j)2+w1(Li,j-Lmin,j)2+
w3(Wi,j-Wmin,j)2+w4(Qi,j-Qmin,j)2]0.5
(1)
式中:下標(biāo)i、j代表集群j中的第i個(gè)新能源企業(yè);下標(biāo)min表示集群中該項(xiàng)指標(biāo)的最小值,下同;αRe,i,j為集群j中第i個(gè)新能源企業(yè)的接網(wǎng)成本責(zé)任,綜合反映出各發(fā)電企業(yè)在集群內(nèi)接網(wǎng)線路最大負(fù)載率(ηi,j)、接網(wǎng)線路長(zhǎng)度(Li,j)、全生命周期發(fā)電量(Wi,j)和發(fā)電電能質(zhì)量(Qi,j)的優(yōu)劣,其中,Qi,j由新能源場(chǎng)站輸出功率最大波動(dòng)率與輸出電流總諧波畸變率的均值表征;w1、w2、w3和w4分別為各指標(biāo)所占權(quán)重,由組合賦權(quán)法[19]計(jì)算得到。
從電網(wǎng)側(cè)角度,新能源配套電網(wǎng)基建工程建設(shè)時(shí)序落后于新能源場(chǎng)站的情況頻頻出現(xiàn),導(dǎo)致新能源企業(yè)延遲并網(wǎng)并產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)損失[8];此外,短路比是衡量電源接入點(diǎn)并網(wǎng)強(qiáng)度的重要指標(biāo)[20],電網(wǎng)提供新能源并網(wǎng)點(diǎn)的短路比不滿足最優(yōu)經(jīng)濟(jì)技術(shù)要求也將導(dǎo)致后續(xù)發(fā)電企業(yè)擴(kuò)容困難等問題,因此提出電網(wǎng)側(cè)成本責(zé)任計(jì)算公式:
(2)
式中:αGr,i,j為電網(wǎng)的接網(wǎng)成本責(zé)任,綜合反映出延遲并網(wǎng)發(fā)電側(cè)損失與接入點(diǎn)的短路比優(yōu)劣;θi,j為新能源企業(yè)因延遲并網(wǎng)損失的上網(wǎng)電量;ΔRi,j為新能源企業(yè)最優(yōu)并網(wǎng)點(diǎn)的短路比與實(shí)際短路比的差值。
綜合考慮上述源網(wǎng)兩側(cè)接網(wǎng)成本責(zé)任因素,提出基于成本責(zé)任的接網(wǎng)工程成本分?jǐn)偰Ｐ?
(3)
(4)
(5)
2 計(jì)及新能源并網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)的強(qiáng)化成本分?jǐn)偰Ｐ?/h2>2.1 強(qiáng)化成本核算
強(qiáng)化成本主要由電網(wǎng)側(cè)配套的輸變電工程擴(kuò)容改造、抽水蓄能和無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備建設(shè)成本組成,其成本屬性為固定成本。其中,抽水蓄能和無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備建設(shè)成本疏導(dǎo)機(jī)制在目前的輔助服務(wù)市場(chǎng)和容量電價(jià)政策中尚未明確,故在本文中仍將二者按固定成本考慮。為保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行,強(qiáng)化成本隨新能源裝機(jī)容量的提高而抬升。基于強(qiáng)化成本所具備的邊際成本遞減效應(yīng),結(jié)合電網(wǎng)歷史強(qiáng)化投資項(xiàng)目數(shù)據(jù),構(gòu)建強(qiáng)化成本函數(shù)如下所示:
(6)
式中:Cstr(S)為新能源裝機(jī)容量的強(qiáng)化成本函數(shù);S為新能源裝機(jī)容量;β1、β2、β3為待求參數(shù),其單位分別為億元/(MVA)2、億元/(MVA)和億元,可結(jié)合電網(wǎng)歷史強(qiáng)化投資項(xiàng)目數(shù)據(jù)求解。
電網(wǎng)側(cè)和新能源側(cè)均受益于強(qiáng)化改造工程:對(duì)新能源側(cè),可降低棄電量;對(duì)電網(wǎng)側(cè),可降低輸電阻塞費(fèi)用,同時(shí)提高供電可靠性以增加售電量。基于“誰(shuí)受益,誰(shuí)承擔(dān)”的原則,考慮新能源側(cè)與電網(wǎng)側(cè)的效益大小,設(shè)計(jì)強(qiáng)化成本核算系數(shù),從而將強(qiáng)化成本在新能源側(cè)和電網(wǎng)側(cè)分配。具體為:
(7)
(8)
(9)
綜上,考慮成本效益的新能源側(cè)強(qiáng)化成本函數(shù)可表示為:
(10)
2.2 新能源并網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)因素
新能源并網(wǎng)會(huì)引入不確定性因素,給電網(wǎng)造成運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)[21-22]。新能源發(fā)電企業(yè)造成的并網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)高意味著對(duì)應(yīng)分?jǐn)偟膹?qiáng)化成本也應(yīng)有所提高。新能源并網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)大小可由以下幾個(gè)因素表征:
1)發(fā)電容量可信度。
該指標(biāo)是指在保持供電可靠性不變的前提下,地區(qū)內(nèi)引入新能源發(fā)電后可以增加的負(fù)荷量,能直觀描述新能源場(chǎng)站群的綜合效用和可靠程度[23]。
2)發(fā)電出力波動(dòng)率和諧波含有率。
隨著新能源滲透率的不斷提升,新能源輸出功率的波動(dòng)性、諧波注入降低電網(wǎng)電能質(zhì)量問題,造成一定運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn),電網(wǎng)側(cè)需投入大量的濾波、無(wú)功補(bǔ)償?shù)入娏﹄娮友b置[24]。
3)儲(chǔ)能容量配置比例。
儲(chǔ)能可平抑新能源發(fā)電功率波動(dòng)、提高電能質(zhì)量以及降低出力偏差[24-25]。新能源側(cè)配置儲(chǔ)能可減少風(fēng)光電站間歇性出力對(duì)電力系統(tǒng)的沖擊,同時(shí)可為電網(wǎng)提供一定容量支撐和調(diào)峰能力[26],從而間接減少和延緩電網(wǎng)側(cè)強(qiáng)化成本的投入。
2.3 基于EANS-Owen值的強(qiáng)化成本分?jǐn)?/h3>
風(fēng)光基地是我國(guó)發(fā)展新能源發(fā)電的主要形式,基地內(nèi)的新能源企業(yè)可以形成企業(yè)聚合體,由電網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)度管理,共享儲(chǔ)能、送出通道、電力電子補(bǔ)償裝置等資源,從而提高強(qiáng)化改造工程的利用效率,減少?gòu)?qiáng)化成本投入的冗余。此外,各個(gè)風(fēng)光基地共同接入到電網(wǎng)中,從電氣角度構(gòu)成了一種聯(lián)盟聚合體,該聯(lián)盟共同使用電網(wǎng)中的輸配電設(shè)施和靈活性資源,進(jìn)一步降低強(qiáng)化成本投入?；谏鲜龇治?構(gòu)建新能源企業(yè)聚合體-聯(lián)盟聚合體雙層成本分?jǐn)偨Y(jié)構(gòu)。由于電網(wǎng)的強(qiáng)化成本分?jǐn)偪梢砸暈橐环N“收益分?jǐn)偂?因此本文引入一種具有Owen聯(lián)盟結(jié)構(gòu)的收益分配模型[27]分?jǐn)倧?qiáng)化成本。Owen值是Shapley值的一種推廣,其基本思想主要基于雙層Shapley聯(lián)盟結(jié)構(gòu)[28],其中下層結(jié)構(gòu)指新能源企業(yè)組成的企業(yè)聚合體,上層結(jié)構(gòu)指新能源企業(yè)聚合體組成的聯(lián)盟聚合體。與此同時(shí),以聯(lián)盟中的不可分成本衡量新能源并網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn),最終構(gòu)建基于EANS-Owen值的強(qiáng)化成本分?jǐn)偰Ｐ汀?/p>
1)上層企業(yè)聚合體間的成本分?jǐn)偂?/p>
(11)
(12)
式中:π(k)是加權(quán)因子;SR表示R中所有新能源企業(yè)的裝機(jī)容量之和。
對(duì)于聯(lián)盟聚合體N的總強(qiáng)化成本而言,還存在并不單獨(dú)由某個(gè)新能源企業(yè)引起的成本,即不可分成本CNSC(N):
(13)
式中:SN為聯(lián)盟聚合體N中所有新能源企業(yè)裝機(jī)容量之和;SNk}為聯(lián)盟聚合體N中去除新能源企業(yè)聚合體k之后,剩余的新能源企業(yè)裝機(jī)容量之和。
(14)
(15)
式中:Hk為企業(yè)聚合體k的發(fā)電容量可信度,其數(shù)值越大表示風(fēng)險(xiǎn)越小,計(jì)算時(shí)需將其正向化;ΔHk為企業(yè)聚合體的上層風(fēng)險(xiǎn)因子,表征新能源并網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)。
2)下層企業(yè)聚合體內(nèi)的成本分?jǐn)偂?/p>
(16)
(17)
式中:φ(i)為新能源企業(yè)i的初始Shapley值;CNSC(k)為企業(yè)聚合體k的不可分成本;Nk為聚合體k包含的新能源企業(yè)數(shù)量;Δζi,k為新能源企業(yè)i的下層風(fēng)險(xiǎn)因子;Vi,k、Di,k、和Mi,k分別為新能源企業(yè)i的輸出功率最大波動(dòng)率、電流總諧波畸變率、儲(chǔ)能容量配置比例,其中,Mi,k越大表示新能源并網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)越小,計(jì)算時(shí)將其正向化。
在分別得到計(jì)及新能源并網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)的上下層Shapley值后,各新能源發(fā)電企業(yè)計(jì)及風(fēng)險(xiǎn)的EANS-Owen值(即最終分?jǐn)偟膹?qiáng)化成本)為:
(18)
3 算例分析
3.1 接網(wǎng)成本分?jǐn)偨Y(jié)果及分析
根據(jù)發(fā)電形式和電壓等級(jí)對(duì)某省所有新能源企業(yè)進(jìn)行初步分類后,輸入異質(zhì)性指標(biāo)對(duì)新能源企業(yè)進(jìn)行聚類分析。為直觀表示聚類結(jié)果,將新能源企業(yè)的二級(jí)異質(zhì)性指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化后取平均值作為該企業(yè)資產(chǎn)體量、生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)和投資管理方面的評(píng)分值,集群劃分結(jié)果如圖3所示。
圖3 新能源企業(yè)集群劃分結(jié)果Fig.3 Heterogeneity index system of renewable energy enterprise
由圖3可知,聚類得到了圖中7個(gè)新能源企業(yè)集群(即7個(gè)顏色各異的95%置信橢球體),但同時(shí)保留了兩個(gè)小集群,其內(nèi)部的企業(yè)數(shù)量分別為5個(gè)和6個(gè),低于設(shè)定閾值。因此,基于豪斯多夫距離對(duì)兩個(gè)小集群進(jìn)行二次劃歸。結(jié)果顯示:與圖3中位置靠上的小集群1的豪斯多夫距離最小的是集群6,因此將小集群1劃歸至企業(yè)集群6。同理,對(duì)小集群2進(jìn)行類似處理,將兩個(gè)小集群進(jìn)行二次劃歸后,重新計(jì)算這兩個(gè)置信橢圓的置信度分別為90%和86%。
為驗(yàn)證本文聚類方法的優(yōu)越性,選取DBSCAN和K-means算法進(jìn)行對(duì)比,并采用平均輪廓系數(shù)和戴維森堡丁指標(biāo)[30]對(duì)整體聚類效果進(jìn)行評(píng)估,結(jié)果如表1所示。由表1可知,DBSCAN和K-means算法得到的聚類集群中包含的新能源企業(yè)相對(duì)離散,承擔(dān)能力具有一定差異的企業(yè)被劃分至同一集群,分?jǐn)偨泳W(wǎng)成本時(shí)可能導(dǎo)致成本承擔(dān)能力低的新能源企業(yè)分?jǐn)傔^多接網(wǎng)工程成本。而本文所用方法所得到的新能源企業(yè)集群內(nèi)部緊密且集群間分散性好,為后續(xù)接網(wǎng)成本的合理分?jǐn)偟於嘶A(chǔ)。
表1 不同聚類方法的指標(biāo)值對(duì)比Table 1 Comparison of index values of different clustering methods
以企業(yè)集群1內(nèi)10個(gè)新能源企業(yè)的接網(wǎng)工程為例,對(duì)應(yīng)的成本責(zé)任指標(biāo)如表2所示。根據(jù)源網(wǎng)兩側(cè)成本責(zé)任指標(biāo)計(jì)算新能源側(cè)和電網(wǎng)側(cè)接網(wǎng)成本,分?jǐn)偨Y(jié)果如圖4所示。
表2 成本責(zé)任指標(biāo)Table 2 Cost responsibility index
圖4 接網(wǎng)成本分?jǐn)偨Y(jié)果Fig.4 Allocation result of connection cost
根據(jù)圖4,對(duì)比各新能源發(fā)電企業(yè)接網(wǎng)成本分?jǐn)偨Y(jié)果(接網(wǎng)工程為專項(xiàng)服務(wù)工程,與新能源企業(yè)一一對(duì)應(yīng),二者設(shè)置相同編號(hào)),企業(yè)1、2、3、4、8所分?jǐn)偟慕泳W(wǎng)成本占比低于50%,企業(yè)5、6、7、9、10所分?jǐn)偟慕泳W(wǎng)成本占比均高于50%。原因是企業(yè)1、3、4的成本責(zé)任指標(biāo)中的接網(wǎng)長(zhǎng)度偏小、企業(yè)2、8的發(fā)電電能質(zhì)量更優(yōu),負(fù)載情況更均衡,同時(shí)受電網(wǎng)投資接網(wǎng)工程時(shí)序影響,導(dǎo)致企業(yè)1、2、3、4、8的延遲并網(wǎng)收益損失較大,這些因素導(dǎo)致這5個(gè)企業(yè)在集群1內(nèi)具備更大的成本責(zé)任競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),而企業(yè)5、6、7、9、10的情況恰巧相反。
為進(jìn)一步說明本文方法公平合理性,選取源網(wǎng)平均分?jǐn)偡ㄅc本文所提模型分?jǐn)偨Y(jié)果進(jìn)行對(duì)比,如圖5所示。
圖5 不同方法的接網(wǎng)成本分?jǐn)偨Y(jié)果Fig.5 Allocation results of different method for connection cost
由圖5可知,平均分?jǐn)偡ê鲆暳穗娋W(wǎng)側(cè)延期并網(wǎng)和并網(wǎng)短路點(diǎn)優(yōu)劣的成本責(zé)任,使得企業(yè)4和8分?jǐn)偟某杀靖哂诒疚乃崮Ｐ?。此?以50%的固定比例平均分?jǐn)偨泳W(wǎng)成本忽視了新能源企業(yè)的成本承擔(dān)能力,過高的前期投資會(huì)對(duì)資產(chǎn)體量較小的新能源企業(yè)形成一定的并網(wǎng)障礙。
3.2 強(qiáng)化成本分?jǐn)偨Y(jié)果及分析
根據(jù)省級(jí)電網(wǎng)強(qiáng)化投資項(xiàng)目歷史數(shù)據(jù),強(qiáng)化成本函數(shù)的各項(xiàng)邊界參數(shù)為:κRe=0.78,β1=-2.41×10-6,β2=3.55×10-3,β3=2.13。選取某地10個(gè)新能源發(fā)電企業(yè)作為研究對(duì)象,3個(gè)企業(yè)聚合體記為{A1,A2,A3},各企業(yè)聚合體包含的新能源企業(yè)為A1={1,2,3,4}、A2={5,6,7}和A2={8,9,10}。根據(jù)強(qiáng)化成本函數(shù)核算不同企業(yè)聚合體組合下的強(qiáng)化成本(A1、A2和A3非聯(lián)盟情況下的強(qiáng)化成本由專家評(píng)估得到),結(jié)果如表3所示。
表3 不同聯(lián)盟聚合體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化成本Table 3 Reinforcement cost for different alliance aggregation structures
基于表3中各聯(lián)盟下的強(qiáng)化成本,計(jì)算企業(yè)聚合體A1、A2和A3的初始上層Shapley值為8.263億、7.173億和6.333億元,聯(lián)盟聚合體的不可分成本為0.88億元。結(jié)合各企業(yè)聚合體的新能源并網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)因子,計(jì)算得到計(jì)及風(fēng)險(xiǎn)的上下層Shapley值,如圖6所示。
圖6 上層和下層Shapley值計(jì)算結(jié)果Fig.6 The upper and lower Shapley value calculation results
由圖6(a)可知,由于企業(yè)聚合體A3的發(fā)電容量可信度較高,可減少電網(wǎng)后續(xù)的強(qiáng)化成本投入,故而不可分強(qiáng)化成本支付為-0.205億元。相比之下,A1和A2發(fā)電容量可信度較低,導(dǎo)致電網(wǎng)需投入更多強(qiáng)化成本以保障可靠消納,故以附加的不可分強(qiáng)化成本作為懲罰,使得A1和A2的強(qiáng)化成本分別抬升了0.147億元和0.059億元。最終A1、A2和A3分?jǐn)偟膹?qiáng)化成本分別為8.410億元、7.232億元和6.128億元。計(jì)及新能源并網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)對(duì)強(qiáng)化成本的抬升影響提高了分?jǐn)偨Y(jié)果的公平合理性。
進(jìn)一步計(jì)算各企業(yè)聚合體內(nèi)部的下層Shapley值,結(jié)果如圖6(b)所示。以企業(yè)聚合體A2為例,A2中不同發(fā)電企業(yè)組成聚合體的強(qiáng)化成本如表4所示。圖6(b)中,新能源企業(yè)5、6和7的初始下層Shapley值分別為2.64億、1.63億和3.58億元,根據(jù)表4計(jì)算得到企業(yè)聚合體A2的不可分成本為1.3億元,計(jì)及新能源并網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)后,企業(yè)5、6和7所分?jǐn)偟牟豢煞謴?qiáng)化成本為0.087億、0.087億和-0.173億元。
表4 不同企業(yè)聚合體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化成本Table 4 Reinforcement cost for of different enterprise aggregation structure
根據(jù)圖6中的各企業(yè)聚合體和發(fā)電企業(yè)計(jì)及風(fēng)險(xiǎn)的Shapley值,進(jìn)一步計(jì)算得到各新能源發(fā)電企業(yè)計(jì)及并網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)的EANS-Owen值,即分?jǐn)偟降膹?qiáng)化成本,結(jié)果如表5所示。
表5 強(qiáng)化成本分?jǐn)偨Y(jié)果Table 5 Allocation result of reinforcement cost
由表5可知,裝機(jī)容量較小的企業(yè)2和9對(duì)于各自所屬企業(yè)聚合體的成本貢獻(xiàn)較小,故最終分?jǐn)偟玫降膹?qiáng)化成本較少;而企業(yè)4和7裝機(jī)容量大,發(fā)電技術(shù)成熟,雖上網(wǎng)電量較多,但企業(yè)內(nèi)部的儲(chǔ)能容量配置比例較高,能平抑較多的出力波動(dòng),并網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)較低,因而企業(yè)4和7附加的不可分成本為負(fù)值,最終分?jǐn)偟膹?qiáng)化成本有所減少。此外,各新能源企業(yè)形成聯(lián)盟后分?jǐn)偟某杀揪兴档?滿足理性條件。
選取邊際成本法、Shapley值法與本文所提模型進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如圖7所示。由圖7可知,采用邊際成本法的強(qiáng)化成本分?jǐn)偨Y(jié)果在企業(yè)4和7的之間分?jǐn)倳r(shí)存在明顯的交叉補(bǔ)貼。邊際成本法計(jì)算的強(qiáng)化成本與各企業(yè)并網(wǎng)順序相關(guān),而由于強(qiáng)化成本的邊際遞減特點(diǎn),企業(yè)7后并網(wǎng)發(fā)電使其享受后發(fā)者的優(yōu)勢(shì),而分?jǐn)偢俚膹?qiáng)化成本,因此分?jǐn)偨Y(jié)果公平性不足,使得新能源企業(yè)并網(wǎng)積極性受挫。而采用本文所提分?jǐn)偛呗詴r(shí),企業(yè)4和7的強(qiáng)化成本分?jǐn)偨Y(jié)果十分接近,兩者分?jǐn)偨Y(jié)果的差異是由于新能源并網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)不同引起的,因此更加公平合理?；赟hapley值法對(duì)強(qiáng)化成本分?jǐn)倳r(shí),忽略了企業(yè)1、6和8能各自與電氣距離近的企業(yè)形成聚合體,共享儲(chǔ)能和輸電通道,從而減少?gòu)?qiáng)化成本投入,使得Shapley值法得出的企業(yè)1、6和8分?jǐn)倧?qiáng)化成本較本文所提模型更高。
圖7 不同方法的強(qiáng)化成本分?jǐn)偨Y(jié)果Fig.7 Allocation results of different method for reinforcement cost
4 結(jié) 論
本文構(gòu)建了高比例新能源接入下電網(wǎng)輸配電成本多主體分?jǐn)偰Ｐ?所建模型能夠有效促進(jìn)新增輸配電成本的合理疏導(dǎo)。仿真結(jié)果表明:
1)本文所提基于成本責(zé)任度量的接網(wǎng)成本分?jǐn)偰Ｐ涂梢岳迩逶淳W(wǎng)兩側(cè)的成本責(zé)任,確保成本分?jǐn)偡蓊~與新能源發(fā)電企業(yè)承擔(dān)能力相匹配的同時(shí),給出提升發(fā)電技術(shù)水平和優(yōu)化電力資源配置的激勵(lì)信號(hào)。
2)本文所提計(jì)及新能源并網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)的強(qiáng)化成本分?jǐn)偰Ｐ湍軌蚋鶕?jù)成本貢獻(xiàn)分配各主體的強(qiáng)化成本,并引入了不可分成本來表征新能源發(fā)電企業(yè)抬升強(qiáng)化成本的并網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)差異,使得分?jǐn)偨Y(jié)果更加公平合理,為合理疏導(dǎo)電網(wǎng)強(qiáng)化成本提供理論支撐。
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顏炯,盧生煒,張濤,謝浩東,桑子夏,汪穎翔,周斌
(1．國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,武漢市 430077;2．國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司,武漢市 430077;3．湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院,長(zhǎng)沙市 410082)
0 引 言
在“雙碳”目標(biāo)導(dǎo)向下,我國(guó)能源發(fā)展重點(diǎn)逐步轉(zhuǎn)向低碳清潔的新能源。但由于新能源發(fā)電具有不確定性和反調(diào)峰性等特點(diǎn)[1-2],為支撐高比例新能源并網(wǎng),電網(wǎng)需投資建設(shè)大量配套基建工程以提高新能源接納能力[3-5]。其中,這部分由新能源接入電網(wǎng)導(dǎo)致的輸配電成本(后統(tǒng)稱為新增輸配電成本)一般可分為接網(wǎng)成本和強(qiáng)化成本[6]。前者是指新能源場(chǎng)站與電網(wǎng)之間的連接設(shè)備(變電站、線路、開關(guān)等)的建設(shè)成本,后者是指為適應(yīng)新能源接入電網(wǎng)而對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行升級(jí)改造(輸變電設(shè)施加固擴(kuò)容、抽水蓄能等)的建設(shè)成本[5-6]。隨著電力系統(tǒng)中新能源滲透率不斷提高,新能源接入電網(wǎng)催生的接網(wǎng)成本和強(qiáng)化成本逐漸上升,壓縮了電網(wǎng)的經(jīng)營(yíng)發(fā)展空間,并引發(fā)終端電價(jià)上漲的風(fēng)險(xiǎn)[7]。因此,迫切需要完善面向新型電力系統(tǒng)的電網(wǎng)投資規(guī)劃理論,制定公平科學(xué)的電網(wǎng)投資成本分?jǐn)偛呗砸院侠硎鑼?dǎo)高比例新能源接入導(dǎo)致的新增輸配電成本[8-9]。
國(guó)外關(guān)于新增輸配電成本分?jǐn)偟难芯肯鄬?duì)較早。文獻(xiàn)[10]以英國(guó)海上風(fēng)電接網(wǎng)項(xiàng)目為研究對(duì)象,提出一種基于投資收益率劃定分?jǐn)偙壤慕泳W(wǎng)成本分?jǐn)偡椒?。文獻(xiàn)[11]將德國(guó)、荷蘭、英國(guó)等歐洲國(guó)家的新能源接入電網(wǎng)帶來的強(qiáng)化成本作為研究對(duì)象,發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)強(qiáng)化改造成本由電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商承擔(dān)可減少新能源并網(wǎng)障礙,而附加的這類額外成本則需通過提升用戶側(cè)電價(jià)來回收。文獻(xiàn)[6]闡述了一種在源網(wǎng)間平均分?jǐn)偨泳W(wǎng)成本的分配策略,但未考慮到不同新能源發(fā)電企業(yè)經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等因素的差異。目前,我國(guó)尚未制定明確的接網(wǎng)成本和強(qiáng)化成本分?jǐn)傉?新增輸配電成本仍被視為常規(guī)輸配電成本,由電網(wǎng)承擔(dān)并最終傳導(dǎo)至終端用戶。國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)常規(guī)輸配電成本的分?jǐn)傄延性S多研究,按照分?jǐn)傄罁?jù)可分為郵票法、峰荷責(zé)任法、邊際潮流法、邊際成本法、受益分?jǐn)偡╗12-14]等。然而,上述方法存在交叉補(bǔ)貼、費(fèi)率短時(shí)波動(dòng)性大等問題,難以直接應(yīng)用于新增輸配電成本的多主體成本分?jǐn)倛?chǎng)景。此外,接網(wǎng)成本隸屬于聯(lián)系源網(wǎng)兩側(cè)的專項(xiàng)服務(wù)工程,而強(qiáng)化成本服務(wù)于整個(gè)電力網(wǎng)絡(luò)[6]。若忽略兩種成本的成本屬性差異,對(duì)二者使用相同的分?jǐn)偛呗詫?dǎo)致分?jǐn)偨Y(jié)果的公平合理性不足。
針對(duì)上述問題,本文分別提出了基于成本責(zé)任的接網(wǎng)成本分?jǐn)偰Ｐ秃陀?jì)及新能源并網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)的強(qiáng)化成本分?jǐn)偰Ｐ汀１疚木唧w貢獻(xiàn)如下:
1)提出了基于成本責(zé)任度量的接網(wǎng)成本分?jǐn)偰Ｐ?基于新能源企業(yè)異質(zhì)性特征聚類得到新能源企業(yè)集群,分析量化接網(wǎng)成本責(zé)任要素,考慮新能源企業(yè)集群異質(zhì)性厘清新能源企業(yè)和電網(wǎng)側(cè)之間的成本責(zé)任并分?jǐn)偨泳W(wǎng)成本。
2)提出了計(jì)及新能源并網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)的強(qiáng)化成本分?jǐn)偰Ｐ?基于成本效益按比例分配強(qiáng)化成本至源網(wǎng)兩側(cè),并分析新能源并網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn),構(gòu)建新能源企業(yè)聚合體-聯(lián)盟聚合體的雙層分?jǐn)偨Y(jié)構(gòu),最后利用計(jì)及新能源并網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)的EANS-Owen值法對(duì)強(qiáng)化成本進(jìn)行分?jǐn)偂?/p>
1 基于成本責(zé)任度量的接網(wǎng)成本分?jǐn)偰Ｐ?/h2>1.1 新能源企業(yè)異質(zhì)性聚類分析
新能源企業(yè)數(shù)量眾多,制定接網(wǎng)成本分?jǐn)偛呗詴r(shí),忽略企業(yè)間的成本承擔(dān)能力差異有失合理性。以源網(wǎng)平均分?jǐn)偨泳W(wǎng)成本為例,統(tǒng)一的分?jǐn)偙壤官Y產(chǎn)體量較小、經(jīng)營(yíng)水平低的新能源企業(yè)承擔(dān)過高的接網(wǎng)成本,不利于高比例新能源并網(wǎng)接入。本節(jié)基于各新能源企業(yè)異質(zhì)性,將經(jīng)營(yíng)水平相似的新能源企業(yè)聚類到同一集群,在異質(zhì)性相似的發(fā)電企業(yè)集群內(nèi)確定接網(wǎng)成本分?jǐn)偙壤?從而提高接網(wǎng)成本分?jǐn)偨Y(jié)果的合理性與實(shí)用性。
企業(yè)異質(zhì)性是新能源企業(yè)在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中形成利潤(rùn)與成本優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ),通常會(huì)導(dǎo)致企業(yè)之間生產(chǎn)效率存在一定差異[15]。從新能源企業(yè)的資產(chǎn)體量、生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)、投資管理三個(gè)維度出發(fā),建立新能源企業(yè)異質(zhì)性指標(biāo)體系,具體如圖1所示。
圖1 新能源企業(yè)異質(zhì)性指標(biāo)體系Fig.1 Heterogeneity index system of renewable energy enterprise
根據(jù)發(fā)電形式和接網(wǎng)電壓等級(jí)對(duì)新能源企業(yè)初步分類后,將新能源企業(yè)異質(zhì)性指標(biāo)作為輸入特征,引入自適應(yīng)DBSCAN(density-based spatial clustering of applications with noise)算法[16]聚類劃歸新能源企業(yè)集群。
此外,為防止集群內(nèi)部成員數(shù)量過少,同時(shí)避免個(gè)別樣本點(diǎn)被識(shí)別為離群點(diǎn)而無(wú)法形成新能源企業(yè)集群,進(jìn)一步基于豪斯多夫距離對(duì)聚類結(jié)果進(jìn)行二次集群劃歸。若輸出的新能源企業(yè)聚類結(jié)果中出現(xiàn)小集群(樣本點(diǎn)少于設(shè)定閾值)或離群點(diǎn),則基于豪斯多夫距離[17]將其進(jìn)行二次劃歸到距離最近的新能源企業(yè)集群,最終得到具有不同異質(zhì)性的新能源企業(yè)集群,為差異化、精細(xì)化分?jǐn)偢鹘泳W(wǎng)工程成本奠定基礎(chǔ)。
1.2 考慮發(fā)電企業(yè)異質(zhì)性的接網(wǎng)成本分?jǐn)?/h3>
參考國(guó)外接網(wǎng)成本分?jǐn)偛呗?在不同新能源接入規(guī)模下可對(duì)不同范圍的接網(wǎng)資產(chǎn)進(jìn)行劃責(zé)分?jǐn)?從而在保證新能源高質(zhì)量發(fā)展的同時(shí)緩解終端電價(jià)抬升壓力。根據(jù)成本分?jǐn)偡秶谐瑴\度、半淺度、淺度和深度四種接網(wǎng)成本分?jǐn)偛呗訹6,8],具體如圖2所示。本節(jié)參考半淺度策略對(duì)接網(wǎng)成本分?jǐn)倖栴}進(jìn)行建模:在得到新能源異質(zhì)性集群的基礎(chǔ)上,量化分析源網(wǎng)兩側(cè)成本責(zé)任,最終構(gòu)建考慮發(fā)電企業(yè)異質(zhì)性的接網(wǎng)成本分?jǐn)偰Ｐ汀?/p>
圖2 不同成本分?jǐn)偛呗约皩?duì)應(yīng)分?jǐn)偡秶鶩ig.2 Different cost allocation strategies and corresponding allocation range
成本責(zé)任是指生產(chǎn)環(huán)節(jié)中各主體根據(jù)其權(quán)限和責(zé)任范圍所應(yīng)承擔(dān)的經(jīng)濟(jì)責(zé)任[18]。接網(wǎng)工程成本責(zé)任隸屬于新能源側(cè)與電網(wǎng)側(cè),最終的接網(wǎng)成本分?jǐn)偙壤尚履茉磦?cè)與電網(wǎng)側(cè)各自成本責(zé)任量化表達(dá)。
從新能源側(cè)角度,接網(wǎng)成本與新能源場(chǎng)站地理位置、技術(shù)水平和發(fā)電容量等因素相關(guān)[6]。提出新能源側(cè)成本責(zé)任量化公式:
αRe,i,j=[w1(ηi,j-ηmin,j)2+w1(Li,j-Lmin,j)2+
w3(Wi,j-Wmin,j)2+w4(Qi,j-Qmin,j)2]0.5
(1)
式中:下標(biāo)i、j代表集群j中的第i個(gè)新能源企業(yè);下標(biāo)min表示集群中該項(xiàng)指標(biāo)的最小值,下同;αRe,i,j為集群j中第i個(gè)新能源企業(yè)的接網(wǎng)成本責(zé)任,綜合反映出各發(fā)電企業(yè)在集群內(nèi)接網(wǎng)線路最大負(fù)載率(ηi,j)、接網(wǎng)線路長(zhǎng)度(Li,j)、全生命周期發(fā)電量(Wi,j)和發(fā)電電能質(zhì)量(Qi,j)的優(yōu)劣,其中,Qi,j由新能源場(chǎng)站輸出功率最大波動(dòng)率與輸出電流總諧波畸變率的均值表征;w1、w2、w3和w4分別為各指標(biāo)所占權(quán)重,由組合賦權(quán)法[19]計(jì)算得到。
從電網(wǎng)側(cè)角度,新能源配套電網(wǎng)基建工程建設(shè)時(shí)序落后于新能源場(chǎng)站的情況頻頻出現(xiàn),導(dǎo)致新能源企業(yè)延遲并網(wǎng)并產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)損失[8];此外,短路比是衡量電源接入點(diǎn)并網(wǎng)強(qiáng)度的重要指標(biāo)[20],電網(wǎng)提供新能源并網(wǎng)點(diǎn)的短路比不滿足最優(yōu)經(jīng)濟(jì)技術(shù)要求也將導(dǎo)致后續(xù)發(fā)電企業(yè)擴(kuò)容困難等問題,因此提出電網(wǎng)側(cè)成本責(zé)任計(jì)算公式:
(2)
式中:αGr,i,j為電網(wǎng)的接網(wǎng)成本責(zé)任,綜合反映出延遲并網(wǎng)發(fā)電側(cè)損失與接入點(diǎn)的短路比優(yōu)劣;θi,j為新能源企業(yè)因延遲并網(wǎng)損失的上網(wǎng)電量;ΔRi,j為新能源企業(yè)最優(yōu)并網(wǎng)點(diǎn)的短路比與實(shí)際短路比的差值。
綜合考慮上述源網(wǎng)兩側(cè)接網(wǎng)成本責(zé)任因素,提出基于成本責(zé)任的接網(wǎng)工程成本分?jǐn)偰Ｐ?
(3)
(4)
(5)
2 計(jì)及新能源并網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)的強(qiáng)化成本分?jǐn)偰Ｐ?/h2>2.1 強(qiáng)化成本核算
強(qiáng)化成本主要由電網(wǎng)側(cè)配套的輸變電工程擴(kuò)容改造、抽水蓄能和無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備建設(shè)成本組成,其成本屬性為固定成本。其中,抽水蓄能和無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備建設(shè)成本疏導(dǎo)機(jī)制在目前的輔助服務(wù)市場(chǎng)和容量電價(jià)政策中尚未明確,故在本文中仍將二者按固定成本考慮。為保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行,強(qiáng)化成本隨新能源裝機(jī)容量的提高而抬升。基于強(qiáng)化成本所具備的邊際成本遞減效應(yīng),結(jié)合電網(wǎng)歷史強(qiáng)化投資項(xiàng)目數(shù)據(jù),構(gòu)建強(qiáng)化成本函數(shù)如下所示:
(6)
式中:Cstr(S)為新能源裝機(jī)容量的強(qiáng)化成本函數(shù);S為新能源裝機(jī)容量;β1、β2、β3為待求參數(shù),其單位分別為億元/(MVA)2、億元/(MVA)和億元,可結(jié)合電網(wǎng)歷史強(qiáng)化投資項(xiàng)目數(shù)據(jù)求解。
電網(wǎng)側(cè)和新能源側(cè)均受益于強(qiáng)化改造工程:對(duì)新能源側(cè),可降低棄電量;對(duì)電網(wǎng)側(cè),可降低輸電阻塞費(fèi)用,同時(shí)提高供電可靠性以增加售電量。基于“誰(shuí)受益,誰(shuí)承擔(dān)”的原則,考慮新能源側(cè)與電網(wǎng)側(cè)的效益大小,設(shè)計(jì)強(qiáng)化成本核算系數(shù),從而將強(qiáng)化成本在新能源側(cè)和電網(wǎng)側(cè)分配。具體為:
(7)
(8)
(9)
綜上,考慮成本效益的新能源側(cè)強(qiáng)化成本函數(shù)可表示為:
(10)
2.2 新能源并網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)因素
新能源并網(wǎng)會(huì)引入不確定性因素,給電網(wǎng)造成運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)[21-22]。新能源發(fā)電企業(yè)造成的并網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)高意味著對(duì)應(yīng)分?jǐn)偟膹?qiáng)化成本也應(yīng)有所提高。新能源并網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)大小可由以下幾個(gè)因素表征:
1)發(fā)電容量可信度。
該指標(biāo)是指在保持供電可靠性不變的前提下,地區(qū)內(nèi)引入新能源發(fā)電后可以增加的負(fù)荷量,能直觀描述新能源場(chǎng)站群的綜合效用和可靠程度[23]。
2)發(fā)電出力波動(dòng)率和諧波含有率。
隨著新能源滲透率的不斷提升,新能源輸出功率的波動(dòng)性、諧波注入降低電網(wǎng)電能質(zhì)量問題,造成一定運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn),電網(wǎng)側(cè)需投入大量的濾波、無(wú)功補(bǔ)償?shù)入娏﹄娮友b置[24]。
3)儲(chǔ)能容量配置比例。
儲(chǔ)能可平抑新能源發(fā)電功率波動(dòng)、提高電能質(zhì)量以及降低出力偏差[24-25]。新能源側(cè)配置儲(chǔ)能可減少風(fēng)光電站間歇性出力對(duì)電力系統(tǒng)的沖擊,同時(shí)可為電網(wǎng)提供一定容量支撐和調(diào)峰能力[26],從而間接減少和延緩電網(wǎng)側(cè)強(qiáng)化成本的投入。
2.3 基于EANS-Owen值的強(qiáng)化成本分?jǐn)?/h3>
風(fēng)光基地是我國(guó)發(fā)展新能源發(fā)電的主要形式,基地內(nèi)的新能源企業(yè)可以形成企業(yè)聚合體,由電網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)度管理,共享儲(chǔ)能、送出通道、電力電子補(bǔ)償裝置等資源,從而提高強(qiáng)化改造工程的利用效率,減少?gòu)?qiáng)化成本投入的冗余。此外,各個(gè)風(fēng)光基地共同接入到電網(wǎng)中,從電氣角度構(gòu)成了一種聯(lián)盟聚合體,該聯(lián)盟共同使用電網(wǎng)中的輸配電設(shè)施和靈活性資源,進(jìn)一步降低強(qiáng)化成本投入?；谏鲜龇治?構(gòu)建新能源企業(yè)聚合體-聯(lián)盟聚合體雙層成本分?jǐn)偨Y(jié)構(gòu)。由于電網(wǎng)的強(qiáng)化成本分?jǐn)偪梢砸暈橐环N“收益分?jǐn)偂?因此本文引入一種具有Owen聯(lián)盟結(jié)構(gòu)的收益分配模型[27]分?jǐn)倧?qiáng)化成本。Owen值是Shapley值的一種推廣,其基本思想主要基于雙層Shapley聯(lián)盟結(jié)構(gòu)[28],其中下層結(jié)構(gòu)指新能源企業(yè)組成的企業(yè)聚合體,上層結(jié)構(gòu)指新能源企業(yè)聚合體組成的聯(lián)盟聚合體。與此同時(shí),以聯(lián)盟中的不可分成本衡量新能源并網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn),最終構(gòu)建基于EANS-Owen值的強(qiáng)化成本分?jǐn)偰Ｐ汀?/p>
1)上層企業(yè)聚合體間的成本分?jǐn)偂?/p>
(11)
(12)
式中:π(k)是加權(quán)因子;SR表示R中所有新能源企業(yè)的裝機(jī)容量之和。
對(duì)于聯(lián)盟聚合體N的總強(qiáng)化成本而言,還存在并不單獨(dú)由某個(gè)新能源企業(yè)引起的成本,即不可分成本CNSC(N):
(13)
式中:SN為聯(lián)盟聚合體N中所有新能源企業(yè)裝機(jī)容量之和;SNk}為聯(lián)盟聚合體N中去除新能源企業(yè)聚合體k之后,剩余的新能源企業(yè)裝機(jī)容量之和。
(14)
(15)
式中:Hk為企業(yè)聚合體k的發(fā)電容量可信度,其數(shù)值越大表示風(fēng)險(xiǎn)越小,計(jì)算時(shí)需將其正向化;ΔHk為企業(yè)聚合體的上層風(fēng)險(xiǎn)因子,表征新能源并網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)。
2)下層企業(yè)聚合體內(nèi)的成本分?jǐn)偂?/p>
(16)
(17)
式中:φ(i)為新能源企業(yè)i的初始Shapley值;CNSC(k)為企業(yè)聚合體k的不可分成本;Nk為聚合體k包含的新能源企業(yè)數(shù)量;Δζi,k為新能源企業(yè)i的下層風(fēng)險(xiǎn)因子;Vi,k、Di,k、和Mi,k分別為新能源企業(yè)i的輸出功率最大波動(dòng)率、電流總諧波畸變率、儲(chǔ)能容量配置比例,其中,Mi,k越大表示新能源并網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)越小,計(jì)算時(shí)將其正向化。
在分別得到計(jì)及新能源并網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)的上下層Shapley值后,各新能源發(fā)電企業(yè)計(jì)及風(fēng)險(xiǎn)的EANS-Owen值(即最終分?jǐn)偟膹?qiáng)化成本)為:
(18)
3 算例分析
3.1 接網(wǎng)成本分?jǐn)偨Y(jié)果及分析
根據(jù)發(fā)電形式和電壓等級(jí)對(duì)某省所有新能源企業(yè)進(jìn)行初步分類后,輸入異質(zhì)性指標(biāo)對(duì)新能源企業(yè)進(jìn)行聚類分析。為直觀表示聚類結(jié)果,將新能源企業(yè)的二級(jí)異質(zhì)性指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化后取平均值作為該企業(yè)資產(chǎn)體量、生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)和投資管理方面的評(píng)分值,集群劃分結(jié)果如圖3所示。
圖3 新能源企業(yè)集群劃分結(jié)果Fig.3 Heterogeneity index system of renewable energy enterprise
由圖3可知,聚類得到了圖中7個(gè)新能源企業(yè)集群(即7個(gè)顏色各異的95%置信橢球體),但同時(shí)保留了兩個(gè)小集群,其內(nèi)部的企業(yè)數(shù)量分別為5個(gè)和6個(gè),低于設(shè)定閾值。因此,基于豪斯多夫距離對(duì)兩個(gè)小集群進(jìn)行二次劃歸。結(jié)果顯示:與圖3中位置靠上的小集群1的豪斯多夫距離最小的是集群6,因此將小集群1劃歸至企業(yè)集群6。同理,對(duì)小集群2進(jìn)行類似處理,將兩個(gè)小集群進(jìn)行二次劃歸后,重新計(jì)算這兩個(gè)置信橢圓的置信度分別為90%和86%。
為驗(yàn)證本文聚類方法的優(yōu)越性,選取DBSCAN和K-means算法進(jìn)行對(duì)比,并采用平均輪廓系數(shù)和戴維森堡丁指標(biāo)[30]對(duì)整體聚類效果進(jìn)行評(píng)估,結(jié)果如表1所示。由表1可知,DBSCAN和K-means算法得到的聚類集群中包含的新能源企業(yè)相對(duì)離散,承擔(dān)能力具有一定差異的企業(yè)被劃分至同一集群,分?jǐn)偨泳W(wǎng)成本時(shí)可能導(dǎo)致成本承擔(dān)能力低的新能源企業(yè)分?jǐn)傔^多接網(wǎng)工程成本。而本文所用方法所得到的新能源企業(yè)集群內(nèi)部緊密且集群間分散性好,為后續(xù)接網(wǎng)成本的合理分?jǐn)偟於嘶A(chǔ)。
表1 不同聚類方法的指標(biāo)值對(duì)比Table 1 Comparison of index values of different clustering methods
以企業(yè)集群1內(nèi)10個(gè)新能源企業(yè)的接網(wǎng)工程為例,對(duì)應(yīng)的成本責(zé)任指標(biāo)如表2所示。根據(jù)源網(wǎng)兩側(cè)成本責(zé)任指標(biāo)計(jì)算新能源側(cè)和電網(wǎng)側(cè)接網(wǎng)成本,分?jǐn)偨Y(jié)果如圖4所示。
表2 成本責(zé)任指標(biāo)Table 2 Cost responsibility index
圖4 接網(wǎng)成本分?jǐn)偨Y(jié)果Fig.4 Allocation result of connection cost
根據(jù)圖4,對(duì)比各新能源發(fā)電企業(yè)接網(wǎng)成本分?jǐn)偨Y(jié)果(接網(wǎng)工程為專項(xiàng)服務(wù)工程,與新能源企業(yè)一一對(duì)應(yīng),二者設(shè)置相同編號(hào)),企業(yè)1、2、3、4、8所分?jǐn)偟慕泳W(wǎng)成本占比低于50%,企業(yè)5、6、7、9、10所分?jǐn)偟慕泳W(wǎng)成本占比均高于50%。原因是企業(yè)1、3、4的成本責(zé)任指標(biāo)中的接網(wǎng)長(zhǎng)度偏小、企業(yè)2、8的發(fā)電電能質(zhì)量更優(yōu),負(fù)載情況更均衡,同時(shí)受電網(wǎng)投資接網(wǎng)工程時(shí)序影響,導(dǎo)致企業(yè)1、2、3、4、8的延遲并網(wǎng)收益損失較大,這些因素導(dǎo)致這5個(gè)企業(yè)在集群1內(nèi)具備更大的成本責(zé)任競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),而企業(yè)5、6、7、9、10的情況恰巧相反。
為進(jìn)一步說明本文方法公平合理性,選取源網(wǎng)平均分?jǐn)偡ㄅc本文所提模型分?jǐn)偨Y(jié)果進(jìn)行對(duì)比,如圖5所示。
圖5 不同方法的接網(wǎng)成本分?jǐn)偨Y(jié)果Fig.5 Allocation results of different method for connection cost
由圖5可知,平均分?jǐn)偡ê鲆暳穗娋W(wǎng)側(cè)延期并網(wǎng)和并網(wǎng)短路點(diǎn)優(yōu)劣的成本責(zé)任,使得企業(yè)4和8分?jǐn)偟某杀靖哂诒疚乃崮Ｐ?。此?以50%的固定比例平均分?jǐn)偨泳W(wǎng)成本忽視了新能源企業(yè)的成本承擔(dān)能力,過高的前期投資會(huì)對(duì)資產(chǎn)體量較小的新能源企業(yè)形成一定的并網(wǎng)障礙。
3.2 強(qiáng)化成本分?jǐn)偨Y(jié)果及分析
根據(jù)省級(jí)電網(wǎng)強(qiáng)化投資項(xiàng)目歷史數(shù)據(jù),強(qiáng)化成本函數(shù)的各項(xiàng)邊界參數(shù)為:κRe=0.78,β1=-2.41×10-6,β2=3.55×10-3,β3=2.13。選取某地10個(gè)新能源發(fā)電企業(yè)作為研究對(duì)象,3個(gè)企業(yè)聚合體記為{A1,A2,A3},各企業(yè)聚合體包含的新能源企業(yè)為A1={1,2,3,4}、A2={5,6,7}和A2={8,9,10}。根據(jù)強(qiáng)化成本函數(shù)核算不同企業(yè)聚合體組合下的強(qiáng)化成本(A1、A2和A3非聯(lián)盟情況下的強(qiáng)化成本由專家評(píng)估得到),結(jié)果如表3所示。
表3 不同聯(lián)盟聚合體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化成本Table 3 Reinforcement cost for different alliance aggregation structures
基于表3中各聯(lián)盟下的強(qiáng)化成本,計(jì)算企業(yè)聚合體A1、A2和A3的初始上層Shapley值為8.263億、7.173億和6.333億元,聯(lián)盟聚合體的不可分成本為0.88億元。結(jié)合各企業(yè)聚合體的新能源并網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)因子,計(jì)算得到計(jì)及風(fēng)險(xiǎn)的上下層Shapley值,如圖6所示。
圖6 上層和下層Shapley值計(jì)算結(jié)果Fig.6 The upper and lower Shapley value calculation results
由圖6(a)可知,由于企業(yè)聚合體A3的發(fā)電容量可信度較高,可減少電網(wǎng)后續(xù)的強(qiáng)化成本投入,故而不可分強(qiáng)化成本支付為-0.205億元。相比之下,A1和A2發(fā)電容量可信度較低,導(dǎo)致電網(wǎng)需投入更多強(qiáng)化成本以保障可靠消納,故以附加的不可分強(qiáng)化成本作為懲罰,使得A1和A2的強(qiáng)化成本分別抬升了0.147億元和0.059億元。最終A1、A2和A3分?jǐn)偟膹?qiáng)化成本分別為8.410億元、7.232億元和6.128億元。計(jì)及新能源并網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)對(duì)強(qiáng)化成本的抬升影響提高了分?jǐn)偨Y(jié)果的公平合理性。
進(jìn)一步計(jì)算各企業(yè)聚合體內(nèi)部的下層Shapley值,結(jié)果如圖6(b)所示。以企業(yè)聚合體A2為例,A2中不同發(fā)電企業(yè)組成聚合體的強(qiáng)化成本如表4所示。圖6(b)中,新能源企業(yè)5、6和7的初始下層Shapley值分別為2.64億、1.63億和3.58億元,根據(jù)表4計(jì)算得到企業(yè)聚合體A2的不可分成本為1.3億元,計(jì)及新能源并網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)后,企業(yè)5、6和7所分?jǐn)偟牟豢煞謴?qiáng)化成本為0.087億、0.087億和-0.173億元。
表4 不同企業(yè)聚合體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化成本Table 4 Reinforcement cost for of different enterprise aggregation structure
根據(jù)圖6中的各企業(yè)聚合體和發(fā)電企業(yè)計(jì)及風(fēng)險(xiǎn)的Shapley值,進(jìn)一步計(jì)算得到各新能源發(fā)電企業(yè)計(jì)及并網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)的EANS-Owen值,即分?jǐn)偟降膹?qiáng)化成本,結(jié)果如表5所示。
表5 強(qiáng)化成本分?jǐn)偨Y(jié)果Table 5 Allocation result of reinforcement cost
由表5可知,裝機(jī)容量較小的企業(yè)2和9對(duì)于各自所屬企業(yè)聚合體的成本貢獻(xiàn)較小,故最終分?jǐn)偟玫降膹?qiáng)化成本較少;而企業(yè)4和7裝機(jī)容量大,發(fā)電技術(shù)成熟,雖上網(wǎng)電量較多,但企業(yè)內(nèi)部的儲(chǔ)能容量配置比例較高,能平抑較多的出力波動(dòng),并網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)較低,因而企業(yè)4和7附加的不可分成本為負(fù)值,最終分?jǐn)偟膹?qiáng)化成本有所減少。此外,各新能源企業(yè)形成聯(lián)盟后分?jǐn)偟某杀揪兴档?滿足理性條件。
選取邊際成本法、Shapley值法與本文所提模型進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如圖7所示。由圖7可知,采用邊際成本法的強(qiáng)化成本分?jǐn)偨Y(jié)果在企業(yè)4和7的之間分?jǐn)倳r(shí)存在明顯的交叉補(bǔ)貼。邊際成本法計(jì)算的強(qiáng)化成本與各企業(yè)并網(wǎng)順序相關(guān),而由于強(qiáng)化成本的邊際遞減特點(diǎn),企業(yè)7后并網(wǎng)發(fā)電使其享受后發(fā)者的優(yōu)勢(shì),而分?jǐn)偢俚膹?qiáng)化成本,因此分?jǐn)偨Y(jié)果公平性不足,使得新能源企業(yè)并網(wǎng)積極性受挫。而采用本文所提分?jǐn)偛呗詴r(shí),企業(yè)4和7的強(qiáng)化成本分?jǐn)偨Y(jié)果十分接近,兩者分?jǐn)偨Y(jié)果的差異是由于新能源并網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)不同引起的,因此更加公平合理?；赟hapley值法對(duì)強(qiáng)化成本分?jǐn)倳r(shí),忽略了企業(yè)1、6和8能各自與電氣距離近的企業(yè)形成聚合體,共享儲(chǔ)能和輸電通道,從而減少?gòu)?qiáng)化成本投入,使得Shapley值法得出的企業(yè)1、6和8分?jǐn)倧?qiáng)化成本較本文所提模型更高。
圖7 不同方法的強(qiáng)化成本分?jǐn)偨Y(jié)果Fig.7 Allocation results of different method for reinforcement cost
4 結(jié) 論
本文構(gòu)建了高比例新能源接入下電網(wǎng)輸配電成本多主體分?jǐn)偰Ｐ?所建模型能夠有效促進(jìn)新增輸配電成本的合理疏導(dǎo)。仿真結(jié)果表明:
1)本文所提基于成本責(zé)任度量的接網(wǎng)成本分?jǐn)偰Ｐ涂梢岳迩逶淳W(wǎng)兩側(cè)的成本責(zé)任,確保成本分?jǐn)偡蓊~與新能源發(fā)電企業(yè)承擔(dān)能力相匹配的同時(shí),給出提升發(fā)電技術(shù)水平和優(yōu)化電力資源配置的激勵(lì)信號(hào)。
2)本文所提計(jì)及新能源并網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)的強(qiáng)化成本分?jǐn)偰Ｐ湍軌蚋鶕?jù)成本貢獻(xiàn)分配各主體的強(qiáng)化成本,并引入了不可分成本來表征新能源發(fā)電企業(yè)抬升強(qiáng)化成本的并網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)差異,使得分?jǐn)偨Y(jié)果更加公平合理,為合理疏導(dǎo)電網(wǎng)強(qiáng)化成本提供理論支撐。
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