吳 清, 賈乾罡, 嚴(yán) 正, 鐘 準(zhǔn), 郭 頌, 李志勇

(1.海南電網(wǎng)有限責(zé)任公司,?？?570100; 2.上海交通大學(xué) 電力傳輸與功率變換控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200240)

“十四五”時(shí)期是我國(guó)新能源快速發(fā)展的時(shí)期,也是新能源消納利用難度大幅增加的時(shí)期[1].設(shè)計(jì)合理的分布式能源消納機(jī)制對(duì)于加快構(gòu)建新型能源體系,實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)有著至關(guān)重要的作用.為此,國(guó)家發(fā)改委和國(guó)家能源局印發(fā)《能源領(lǐng)域深化“放管服”改革優(yōu)化營(yíng)商環(huán)境實(shí)施意見(jiàn)》《完善能源綠色低碳轉(zhuǎn)型體制機(jī)制和政策措施的意見(jiàn)》等相關(guān)文件.文件明確了“推動(dòng)開(kāi)展分布式發(fā)電就近交易,落實(shí)相關(guān)價(jià)格政策”,堅(jiān)持“深化能源領(lǐng)域體制改革,充分發(fā)揮市場(chǎng)在資源配置中的決定性作用,構(gòu)建公平開(kāi)放、有效競(jìng)爭(zhēng)的能源市場(chǎng)體系”,從政策層面鼓勵(lì)分布式綠電[2],即用風(fēng)光等可再生能源以零二氧化碳排放所生產(chǎn)的電力就近交易.

當(dāng)前,學(xué)術(shù)界已對(duì)分布式可再生能源就近交易方案展開(kāi)眾多研究.文獻(xiàn)[3]中提出一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)交易下兼具儲(chǔ)能共享和電能自營(yíng)模式的儲(chǔ)能聚合商交易模型.文獻(xiàn)[4]中提出一種基于非對(duì)稱(chēng)納什談判的多微網(wǎng)電能共享運(yùn)行優(yōu)化策略.文獻(xiàn)[5]中提出一種基于區(qū)塊鏈技術(shù)的產(chǎn)消用戶(hù)端對(duì)端電能交易方法.文獻(xiàn)[6]中提出一種基于區(qū)塊鏈、去中心化的配電側(cè)多微網(wǎng)電能交易模型.文獻(xiàn)[7]中提出一種商業(yè)園區(qū)運(yùn)營(yíng)商多能交易博弈優(yōu)化決策模型.文獻(xiàn)[8]中提出一種分層市場(chǎng)架構(gòu)以實(shí)現(xiàn)分散的局域交易與傳統(tǒng)集中式批發(fā)交易的有效銜接.文獻(xiàn)[9]中提出一種基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的能源產(chǎn)消者的最優(yōu)交易策略.文獻(xiàn)[10]中提出面向虛擬電廠能量管理的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)市場(chǎng)交易機(jī)制與模型.文獻(xiàn)[11]中分析區(qū)塊鏈技術(shù)在分布式可再生能源交易中綠電追溯、綠證交易、碳交易、綠證與碳資產(chǎn)聯(lián)合市場(chǎng)方向的關(guān)鍵技術(shù)適用性.上述研究為配電網(wǎng)中分布式可再生能源就近交易機(jī)制的設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)和參考.但是,分布式可再生發(fā)電資源出力存在固有的不確定性[12],在實(shí)際電能交割的過(guò)程中,需要市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)商調(diào)用備用、調(diào)頻等輔助服務(wù)以保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行,且電能交割的偏離程度越大,市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)商需要采購(gòu)的輔助服務(wù)越多,所產(chǎn)生的市場(chǎng)外部成本越高[13].現(xiàn)有的分布式能源市場(chǎng)化交易機(jī)制仍缺少針對(duì)發(fā)電不確定性的監(jiān)管措施,難以充分激勵(lì)分布式發(fā)電資源生產(chǎn)者準(zhǔn)確交割.

為鼓勵(lì)電能產(chǎn)消者準(zhǔn)確交割電能,市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)商需要制定合理的規(guī)則來(lái)引導(dǎo)發(fā)電主體的交割行為.文獻(xiàn)[14]中針對(duì)分布式能源的不確定性構(gòu)造履約信用函數(shù)并建立信用獎(jiǎng)懲激勵(lì)機(jī)制.文獻(xiàn)[15]中將分布式能源生產(chǎn)者的履約情況作為交易標(biāo)的組織分布式電能交易市場(chǎng).文獻(xiàn)[16]中建立基于區(qū)塊鏈的分布式能源產(chǎn)消者聲譽(yù)系統(tǒng)并組織分布式電能交易市場(chǎng).但是,發(fā)電主體之間存在競(jìng)爭(zhēng),其博弈行為深刻地影響彼此的收益.上述文獻(xiàn)并未從博弈論的角度分析引入信用值后市場(chǎng)均衡的變化情況,不能充分證明信用值為分布式能源發(fā)電和社會(huì)福利帶來(lái)的影響.

綜上所述,本文提出考慮主體信用的分布式綠電市場(chǎng)化交易方法:①提出考慮主體信用的分布式綠電交易機(jī)制,以激勵(lì)相容的方式鼓勵(lì)配電網(wǎng)中綠電生產(chǎn)者的誠(chéng)信交割行為,促進(jìn)整個(gè)市場(chǎng)的良性發(fā)展.在該機(jī)制下,分布式綠電主體提高信用值在增大市場(chǎng)社會(huì)福利的同時(shí),也將給自身帶來(lái)更高利潤(rùn);②建立考慮主體信用的綠電市場(chǎng)出清模型,并提出基于最優(yōu)響應(yīng)法的市場(chǎng)納什均衡點(diǎn)[17]求解算法.算例結(jié)果證明:該市場(chǎng)機(jī)制能夠引導(dǎo)用戶(hù)的誠(chéng)信行為,在降低市場(chǎng)總交割偏差的同時(shí),提高市場(chǎng)社會(huì)福利.

1 考慮主體信用的分布式綠電交易機(jī)制

1.1 市場(chǎng)構(gòu)架

分布式綠電交易市場(chǎng)參與者包括配電市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)商(Distribution Market Operator,DMO)、配電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商(Distribution System Operator,DSO)、分布式綠電生產(chǎn)者(Green Energy Supplier,GES)及分布式綠電消費(fèi)者(Green Energy Consumer,GEC).其中,DMO負(fù)責(zé)市場(chǎng)的組織和信用值計(jì)算,并配合 DSO實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)出清.

考慮主體信用的分布式綠電交易機(jī)制運(yùn)行流程如圖1所示.DMO和DSO的目標(biāo)是最大化社會(huì)福利,即所有GEC的效用減去所有GES的成本[18-19];GES的目標(biāo)是出售綠電來(lái)最大化自身利潤(rùn);GEC的目標(biāo)是購(gòu)買(mǎi)綠電來(lái)滿足其自身需求[20].

圖1 考慮主體信用的分布式綠電交易流程

綠電市場(chǎng)的運(yùn)行流程如下:

(1) GESi向DMO策略性提交自身的綠電成本系數(shù)和出力上下限;GECj向DMO提交自身真實(shí)的綠電效用系數(shù)和綠電需求上下限.

(2) DMO得到GES的綠電生產(chǎn)成本和信用值,以及GEC的綠電效用.然后,以最大化社會(huì)福利為目標(biāo),配合DSO出清分布式綠電市場(chǎng),得到GESi的出售量和GECj的購(gòu)買(mǎi)量,并將結(jié)果返回給綠電產(chǎn)消者.

(3) GESi根據(jù)DMO發(fā)布的市場(chǎng)出清結(jié)果,執(zhí)行綠電交割,市場(chǎng)主體將按各市場(chǎng)主體的報(bào)價(jià)結(jié)算[21]規(guī)則結(jié)算.然后,DMO根據(jù)GESi的交割結(jié)果更新對(duì)應(yīng)的信用值.

1.2 信用值的定義和計(jì)算

DSO需要調(diào)用備用、調(diào)頻等輔助服務(wù)來(lái)彌補(bǔ)GES在電能交割時(shí)的偏差,且輔助服務(wù)調(diào)用成本隨著偏差的增大而增加.為此,引入信用值來(lái)評(píng)價(jià)GES的綠電交割行為.信用值計(jì)算過(guò)程包括以下兩個(gè)步驟.

(2) 信用值更新:DMO根據(jù)GESi的綠電交割次數(shù)Mi和每次交割的偏離程度更新信用值,

(1)

式中:αi,n為GESi第n次交割的偏離程度,0≤αi,n≤1.

由式(1)可知,若GESi的交割行為均無(wú)偏差,則其信用值為1;若GESi的交割行為存在偏差,則其信用值隨著偏差的增加而下降,隨著偏差的減少而上升.信用值將決定GESi在綠電市場(chǎng)出清問(wèn)題中的信用成本.

在第n次交易結(jié)算中,GESi在市場(chǎng)交割中的偏離程度αi,n的計(jì)算方式為

(2)

假設(shè)μ為0.1,圖2顯示不同交割電量偏離約定值的比例(γi)下,GESi交割偏離程度(αi)和信用值變化的過(guò)程.

圖2 GES i交割偏離程度和信用值的變化過(guò)程

2 考慮主體信用的分布式綠電交易機(jī)制

2.1 綠電生產(chǎn)者模型

GESi參與分布式綠電交易的目標(biāo)為最大化自身利潤(rùn):

(3)

(4)

GESi的綠電生產(chǎn)成本為[22]

(5)

考慮GESi的策略性報(bào)價(jià)行為,其收益為

(6)

GESi策略性報(bào)價(jià)的區(qū)間為

(7)

2.2 綠電消費(fèi)者模型

根據(jù)配電網(wǎng)中工商業(yè)用戶(hù)對(duì)綠電的實(shí)際需求,仿照電能消費(fèi)者效用函數(shù)[23],給出GECj的綠電消費(fèi)效用函數(shù):

(8)

2.3 考慮主體信用的綠電市場(chǎng)出清問(wèn)題

DMO收集所有GES和GEC提交的成本系數(shù)和效用系數(shù)后,計(jì)算不同GES的信用值.DMO針對(duì)GESi的信用值,在其成本函數(shù)中加入信用成本,GESi信用成本的計(jì)算方式如下:

(9)

式中:φ為信用成本的系數(shù).

DMO配合DSO執(zhí)行市場(chǎng)出清的目標(biāo)函數(shù)為最大化社會(huì)福利Stotal,即最小化社會(huì)成本Ctotal:

(10)

Stotal=-Ctotal

(11)

(12)

式中:Ξ為配電網(wǎng)中I個(gè)GES的集合,I為GES總數(shù);Ψ為配電網(wǎng)中J個(gè)GEC的集合,J為GEC總數(shù).

不同于一般的集中式市場(chǎng)出清[24],信用成本函數(shù)將促進(jìn)GES提高出力預(yù)測(cè)的精度,鼓勵(lì)其誠(chéng)信交割.GESi信用值降低時(shí),其信用成本將增加,這將導(dǎo)致兩種情況:①GESi在相同報(bào)價(jià)下中標(biāo)的綠電出售量降低;②GESi在相同中標(biāo)量的情況下報(bào)價(jià)將降低.兩種情況都將導(dǎo)致其利潤(rùn)的下降.因此,GESi為了取得更高收益,需要提高自身的出力預(yù)測(cè)精度,從而提高信用值,以降低其信用成本.

市場(chǎng)出清問(wèn)題的等式約束為綠電發(fā)用平衡約束:

(13)

市場(chǎng)出清優(yōu)化問(wèn)題的不等式約束包括GES的綠電出力上下限約束和GEC的綠電消費(fèi)上下限約束,可表述為下列形式:

(14)

(15)

忽略線路網(wǎng)損,配電網(wǎng)線路的潮流約束可以表述為下列形式[25]:

(16)

式中:Pxy和Pyz分別為線路xy和線路yz傳輸?shù)挠泄β?Φ為節(jié)點(diǎn)y的子節(jié)點(diǎn)集合.

配電網(wǎng)的傳輸線功率限制如下:

-Pxy,max≤Pxy≤Pxy,max

(17)

式中:Pxy,max為配電網(wǎng)線路xy的有功功率傳輸上限.

3 市場(chǎng)納什均衡求解算法

在納什均衡點(diǎn),任何一位市場(chǎng)參與者單方面改變自己的報(bào)價(jià)策略都不會(huì)提高自身的收益.因此,從納什均衡的定義出發(fā),基于最優(yōu)響應(yīng)理論[26],提出計(jì)算市場(chǎng)納什均衡點(diǎn)的迭代求解算法,具體流程如圖3所示.

圖3 綠電交易市場(chǎng)納什均衡迭代求解算法

在迭代算法中,每個(gè)GES依次更新自身的報(bào)價(jià)策略[27].在GESi優(yōu)化報(bào)價(jià)策略的時(shí)候,固定其他GES的報(bào)價(jià)策略.經(jīng)過(guò)多次迭代,直到市場(chǎng)達(dá)到納什均衡.其中,GES初始化報(bào)價(jià)策略的方式為隨機(jī)初始化.

在迭代過(guò)程中,GESi的策略?xún)?yōu)化規(guī)則如下:

(4) GESi計(jì)算得到不同報(bào)價(jià)策略下的收益,選擇最優(yōu)的報(bào)價(jià)策略并在本輪迭代中固定該策略.

該迭代算法能夠?qū)崿F(xiàn)快速求解納什均衡點(diǎn)的目的.實(shí)際運(yùn)行中,GES報(bào)價(jià)過(guò)程中可能存在同時(shí)更改策略的情況,市場(chǎng)在這種情況下仍可以更慢的速度收斂到相同的納什均衡[28].

4 算例分析

算例選取IEEE13節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)系統(tǒng),包含5個(gè)GES(節(jié)點(diǎn)2、4、6、9、12)和12個(gè)GEC(節(jié)點(diǎn)2～13),配電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示.

圖4 IEEE13節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋮?shù)、所有GES和GEC的真實(shí)成本和效用函數(shù)參數(shù)如表1所示.表中:λ為現(xiàn)貨電力價(jià)格.

表1 算例參數(shù)

算例設(shè)置了如下兩個(gè)場(chǎng)景:場(chǎng)景1改變所有GES的信用值,測(cè)試市場(chǎng)的納什均衡點(diǎn)變化情況;場(chǎng)景2從GES 2的角度出發(fā),分析其提升預(yù)測(cè)精度、降低交割偏差前后的市場(chǎng)出清結(jié)果,模擬其參與該市場(chǎng)出清的演化進(jìn)程.

(1) 場(chǎng)景1.圖5展示了綠電市場(chǎng)的納什均衡點(diǎn).由圖5(a)可知,大部分GES的報(bào)價(jià)隨著信用值的提高而逐漸降低.由圖5(b)可知,所有GES的綠電出售量隨著信用值的增加而增加.由此可知,本文機(jī)制下,信用值高的GES可以獲得更多交易紅利.

圖5 不同信用值下的市場(chǎng)均衡結(jié)果變化

圖6展示了綠電市場(chǎng)中每個(gè)GES的收益情況和社會(huì)總福利的變化情況.由圖6(a)可知,所有GES的利潤(rùn)隨著信用值的增加而提高.由圖6(b)可知,整個(gè)綠電市場(chǎng)的社會(huì)福利隨著所有GES信用值的提高而增大,即每個(gè)GES提高信用值的行為不僅能夠促使各自獲得更高利潤(rùn),也能夠增大集體利益.因此,所提出的分布式綠電交易機(jī)制可以實(shí)現(xiàn)分布式綠電交易的激勵(lì)相容性.

圖6 市場(chǎng)效益分析

(2) 場(chǎng)景2.以GES 2為例,改變綠電交割的偏差比例,分析其信用值的變化以及市場(chǎng)出清結(jié)果的納什均衡演化過(guò)程.

圖7展示了GES 2的市場(chǎng)出清結(jié)果演化情況.圖7(a)設(shè)定GES 2的綠電電量交割偏差比例(γ)變化情況.假設(shè)GES 2在參與交易過(guò)程中逐步提升其預(yù)測(cè)精度,在前10次、11～20次、21～30次、31～40次、41～100次的市場(chǎng)交割的偏差范圍分別是±0.5、±0.4、±0.3、±0.2和±0.1,每次交割的實(shí)際偏差值在對(duì)應(yīng)偏差范圍內(nèi)抽樣產(chǎn)生.圖7(b)顯示GES 2的信用值變化情況.在參與市場(chǎng)交易初期,由于交割偏差較大,GES 2的信用值先下降,然后隨著交割偏差的降低逐漸回升.圖7(c)顯示GES 2的利潤(rùn)變化情況.GES 2的利潤(rùn)先隨著信用值降低而下降,然后隨著信用水平的恢復(fù)而逐漸回升.

圖7 GES 2市場(chǎng)演化結(jié)果

由此可見(jiàn),對(duì)GES而言,提高信用值能夠提高自身利潤(rùn);同時(shí),對(duì)于系統(tǒng)而言,GES的行為也有助于降低交割偏差.

5 結(jié)語(yǔ)

提出一種考慮主體信用的配電網(wǎng)綠電交易市場(chǎng)方法.首先,提出考慮主體信用的分布式綠電交易機(jī)制,引導(dǎo)分布式綠電主體的誠(chéng)信交割行為.然后,建立考慮主體信用的綠電市場(chǎng)出清數(shù)學(xué)模型,并提出基于最優(yōu)響應(yīng)的迭代算法以計(jì)算市場(chǎng)的納什均衡點(diǎn).IEEE13節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)算例證明所提綠電交易方法能夠以激勵(lì)相容的方式引導(dǎo)用戶(hù)的誠(chéng)信行為,在降低交割偏差的同時(shí)提高市場(chǎng)社會(huì)福利和市場(chǎng)成員個(gè)體利益,促進(jìn)分布式綠電市場(chǎng)的良性發(fā)展.

未來(lái)研究將集中于以下幾個(gè)方面:研究基于非理性人假設(shè)的GES報(bào)價(jià)行為,以及所導(dǎo)致的市場(chǎng)均衡變化情況;考慮GEC的策略性報(bào)價(jià)行為,研究整個(gè)市場(chǎng)的均衡變化情況;研究更加高效的迭代算法,提升市場(chǎng)納什均衡點(diǎn)求解效率;將綠電交易與需求響應(yīng)結(jié)合,形成面向新型電力系統(tǒng)的需求響應(yīng)機(jī)制.