摘 要：針對(duì)新能源參與市場競爭和保障性消納的矛盾，設(shè)計(jì)高比例新能源電力系統(tǒng)現(xiàn)貨市場交易機(jī)制。首先，考慮到新能源的市場性消納，對(duì)電力現(xiàn)貨市場現(xiàn)有出清機(jī)制進(jìn)行改進(jìn)，在新能源和火電機(jī)組共同參與市場競價(jià)的交易環(huán)境下建立出現(xiàn)棄風(fēng)棄光時(shí)觸發(fā)的發(fā)電替代模型，調(diào)動(dòng)火電機(jī)組調(diào)峰能力，由新能源替代火電進(jìn)行發(fā)電；其次，提出激勵(lì)相容的結(jié)算機(jī)制，由新增消納空間的新能源給予火電機(jī)組調(diào)峰補(bǔ)償；最后，對(duì)不同調(diào)度場景進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果表明所提機(jī)制能夠在電力現(xiàn)貨市場中實(shí)現(xiàn)調(diào)峰資源的供需匹配，促進(jìn)新能源市場化消納的同時(shí)補(bǔ)償火電機(jī)組調(diào)峰費(fèi)用，保證市場主體競爭公平、收益合理。

關(guān)鍵詞：可再生能源；電力市場；機(jī)制設(shè)計(jì)；發(fā)電替代；消納；調(diào)峰

中圖分類號(hào)：F407.61 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0585

文章編號(hào)：0254-0096（2024）08-0164-10

華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，保定 071003

0 引 言

發(fā)展新能源是支撐新型能源體系建設(shè)和構(gòu)建新型電力系統(tǒng)、助力實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和的重要途徑［1-3］。近年來，以風(fēng)電、光伏為代表的新能源裝機(jī)容量逐年增加，但新能源發(fā)電的反調(diào)峰特性給新能源的消納帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)［4］。在現(xiàn)貨市場建立前，為了激勵(lì)火電機(jī)組主動(dòng)參與深度調(diào)峰，中國部分地區(qū)單獨(dú)設(shè)立了調(diào)峰輔助服務(wù)市場［5］，而在現(xiàn)貨市場建立后，現(xiàn)貨市場可實(shí)現(xiàn)全電量優(yōu)化機(jī)組出力，調(diào)峰輔助服務(wù)市場無需再單獨(dú)作為一個(gè)市場存在［6］，所以如何實(shí)現(xiàn)現(xiàn)貨市場與調(diào)峰輔助服務(wù)市場的融合、在現(xiàn)貨市場中補(bǔ)償火電機(jī)組調(diào)峰費(fèi)用，是電力現(xiàn)貨市場機(jī)制必須解決的問題。

為了給新能源預(yù)留足夠的優(yōu)先發(fā)電空間，目前國內(nèi)電力現(xiàn)貨試點(diǎn)大多采用新能源優(yōu)先消納或者報(bào)量不報(bào)價(jià)參與市場的方式［7-8］，這雖然可最大程度保障新能源消納，但新能源因無償“搭車”火電機(jī)組的調(diào)峰能力獲得超額上網(wǎng)電量和利潤空間，有失市場公平性［9］；而在市場環(huán)境下，供電主體的上網(wǎng)電量由競價(jià)和供需關(guān)系決定，新能源完全參與市場后存在新增棄風(fēng)棄光的風(fēng)險(xiǎn)，因此如何在新能源參與市場競爭的前提下保證其消納水平，成為中國電力現(xiàn)貨市場建設(shè)面臨的新挑戰(zhàn)［10］。

目前國內(nèi)外學(xué)者在現(xiàn)貨市場機(jī)制建設(shè)、競價(jià)策略、出清模型以及收益結(jié)算等方面進(jìn)行了探索和研究。文獻(xiàn)［11-12］梳理分析了國外典型電力市場模式和原理，并提出適合中國電力現(xiàn)貨市場發(fā)展的建議；文獻(xiàn)［13］深入分析了國內(nèi)外促進(jìn)新能源消納的市場機(jī)制；文獻(xiàn)［14］提出通過修正棄電機(jī)組報(bào)價(jià)實(shí)現(xiàn)新能源保障性消納的二次出清機(jī)制；文獻(xiàn)［15］構(gòu)建了可實(shí)現(xiàn)提前多日優(yōu)化機(jī)組開機(jī)組合的日前調(diào)度出清模型；文獻(xiàn)［16］指出美國PJM區(qū)域是依靠大量燃?xì)鈾C(jī)組實(shí)現(xiàn)的靈活調(diào)峰；文獻(xiàn)［17］設(shè)計(jì)的機(jī)制可推動(dòng)省間、省內(nèi)多個(gè)市場的有序銜接，促進(jìn)調(diào)峰資源的有效利用；文獻(xiàn)［18］針對(duì)中國現(xiàn)貨市場全面建成前的過渡期，設(shè)計(jì)了考慮可再生能源參與的調(diào)峰市場交易機(jī)制，激勵(lì)各類資源提供調(diào)峰服務(wù)。但上述研究未能在現(xiàn)貨市場中實(shí)現(xiàn)調(diào)峰補(bǔ)償，也未能統(tǒng)籌協(xié)調(diào)新能源市場競爭和保障性消納這一雙重目標(biāo)。

基于上述分析，本文設(shè)計(jì)考慮新能源消納和調(diào)峰補(bǔ)償?shù)碾娏ΜF(xiàn)貨市場交易機(jī)制，建立在出現(xiàn)棄風(fēng)棄光時(shí)觸發(fā)的發(fā)電替代模型，提出激勵(lì)相容的結(jié)算機(jī)制，由新增消納空間的新能源給予火電機(jī)組調(diào)峰補(bǔ)償。最后進(jìn)行算例分析，驗(yàn)證所提機(jī)制的有效性。

1 機(jī)制設(shè)計(jì)原則和流程

1.1 機(jī)制設(shè)計(jì)原則

1）新能源報(bào)量報(bào)價(jià)參與市場。新能源優(yōu)先消納或者報(bào)量不報(bào)價(jià)參與市場的方式不利于新能源場站培養(yǎng)參與市場競爭的意識(shí)，也不利于市場發(fā)現(xiàn)電能量的真實(shí)價(jià)格。在高比例新能源電力系統(tǒng)中，新能源成為主體電源，理應(yīng)承擔(dān)起維護(hù)市場主體公平競價(jià)的責(zé)任以保證市場公平有序發(fā)展，所以新能源應(yīng)該報(bào)量報(bào)價(jià)參與市場，與火電機(jī)組同臺(tái)競價(jià)、統(tǒng)一出清。

2）保障新能源消納水平和補(bǔ)償火電機(jī)組調(diào)峰費(fèi)用。如果出現(xiàn)新能源因報(bào)高價(jià)而無法中標(biāo)產(chǎn)生棄電的行為，觸發(fā)發(fā)電替代機(jī)制，調(diào)動(dòng)火電機(jī)組下調(diào)出力，為棄電的新能源出讓發(fā)電空間以保障新能源消納水平，同時(shí)要求新增消納空間的新能源補(bǔ)償調(diào)峰機(jī)組的調(diào)峰費(fèi)用，體現(xiàn)“誰提供、誰獲利；誰受益、誰承擔(dān)”的市場化原則。

3）保證市場運(yùn)營機(jī)構(gòu)收支平衡。市場運(yùn)營機(jī)構(gòu)作為非盈利方要保持中立，避免在交易結(jié)算中產(chǎn)生不平衡資金，為此在觸發(fā)發(fā)電替代機(jī)制后，調(diào)峰補(bǔ)償費(fèi)用應(yīng)完全由新增消納空間的新能源承擔(dān)。

1.2 市場機(jī)制運(yùn)行流程

基于以上設(shè)計(jì)原則，以日前市場為例描述現(xiàn)貨市場的運(yùn)行流程，如圖1所示。

1.2.1 申報(bào)機(jī)制

為了實(shí)現(xiàn)調(diào)峰輔助服務(wù)市場和現(xiàn)貨市場融合，不再對(duì)調(diào)峰輔助服務(wù)市場進(jìn)行獨(dú)立的報(bào)價(jià)和出清，而是在現(xiàn)貨市場中進(jìn)行全電量出清，各類型機(jī)組同臺(tái)競價(jià)，申報(bào)一條遞增的發(fā)電量價(jià)階梯曲線：機(jī)組可自由選擇機(jī)組發(fā)電容量劃分段數(shù)，申報(bào)每段的出力區(qū)間起點(diǎn)（MW）、出力區(qū)間終點(diǎn)（MW）以及該區(qū)間的能量價(jià)格（元/MWh）。需要注意的是火電機(jī)組最小申報(bào)出力不再限制為額定容量的50%，而是由機(jī)組自主申報(bào)運(yùn)行下限。

1.2.2 出清機(jī)制

市場運(yùn)營機(jī)構(gòu)在收集申報(bào)信息后，采用安全約束機(jī)組組合模型（security-constrained unit commitment，SCUC）和經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型（economical dispatch，ED）進(jìn)行預(yù)出清，得到機(jī)組啟停計(jì)劃、出力發(fā)電曲線以及系統(tǒng)邊際電價(jià)。

1.2.3 發(fā)電替代機(jī)制

如果預(yù)出清中未出現(xiàn)新能源棄電，預(yù)出清結(jié)果即為最終的發(fā)電計(jì)劃；如果出現(xiàn)棄電，在不改變機(jī)組啟停計(jì)劃的前提下觸發(fā)發(fā)電替代機(jī)制：原則是用最少的調(diào)峰費(fèi)用最大程度調(diào)用調(diào)峰資源減少新能源棄電，體現(xiàn)價(jià)格選擇的市場屬性，同時(shí)保障新能源消納水平。

沿用調(diào)峰輔助服務(wù)市場根據(jù)調(diào)峰深度分段補(bǔ)償?shù)乃悸?，利用預(yù)出清的出清電價(jià)和現(xiàn)貨電能量市場的階梯報(bào)價(jià)以補(bǔ)償不同調(diào)峰階段中因調(diào)峰而失去的現(xiàn)貨市場收益，即經(jīng)濟(jì)學(xué)中的機(jī)會(huì)成本。常規(guī)調(diào)峰階段機(jī)組的機(jī)會(huì)成本就是電能量市場收益，故以調(diào)峰時(shí)刻的出清電價(jià)作為單位調(diào)峰電能補(bǔ)償價(jià)格；不投油調(diào)峰和投油調(diào)峰階段機(jī)組損耗大幅增加，機(jī)會(huì)成本也隨之增大，應(yīng)加大補(bǔ)償力度，分別以機(jī)組在現(xiàn)貨電能量市場的次高檔、最高檔報(bào)價(jià)作為投油調(diào)峰和投油調(diào)峰階段的單位調(diào)峰電能補(bǔ)償價(jià)格。

發(fā)電替代后，按預(yù)出清中棄電新能源的發(fā)電比例給新能源分配新增消納空間。

1.2.4 結(jié)算機(jī)制

1） 火電機(jī)組結(jié)算?；痣姍C(jī)組的收益包括電能量收益和調(diào)峰補(bǔ)償收益兩部分：電能量收益按照發(fā)電替代后實(shí)際發(fā)出的電量和現(xiàn)貨出清電價(jià)結(jié)算；調(diào)峰補(bǔ)償收益等于實(shí)際調(diào)用的各檔調(diào)峰補(bǔ)償費(fèi)用之和。

2） 新能源結(jié)算。調(diào)峰補(bǔ)償費(fèi)用應(yīng)完全由新增消納空間的新能源承擔(dān)。新能源的最終收益等于電能量收益減去按分?jǐn)傁禂?shù)分?jǐn)偟恼{(diào)峰費(fèi)用，電能量收益結(jié)算規(guī)則同火電機(jī)組。

這種結(jié)算機(jī)制不會(huì)給市場運(yùn)營機(jī)構(gòu)帶來新的不平衡資金，可執(zhí)行性強(qiáng)。

2 電力現(xiàn)貨市場出清模型

2.1 考慮新能源競價(jià)的現(xiàn)貨市場預(yù)出清模型

2.1.1 目標(biāo)函數(shù)

以購電成本最小化為該模型的目標(biāo)函數(shù)，包括火電機(jī)組發(fā)電成本、啟停成本和新能源發(fā)電成本。

[minm=1Mt=1Ti=1NgC gi，mΔtP gi，t，m+t=1Ti=1NgC oni，t+m=1Mt=1Tj=1NwC wj，mΔtP wj，t，m] （1）

式中：[M]——機(jī)組申報(bào)的報(bào)價(jià)分段數(shù)；[Ng]、[Nw]——火電機(jī)組、新能源機(jī)組臺(tái)數(shù)；[T]——調(diào)度的總時(shí)段數(shù)；[Δt]——優(yōu)化時(shí)段[t]的時(shí)間間隔，h；[Cgi，m]、[Cwj，m]——火電機(jī)組[i]、新能源機(jī)組[j]第[m]段出力區(qū)間的能量報(bào)價(jià)，元/MWh；[Pgi，t，m]、[Pwj，t，m]——火電機(jī)組[i]、新能源機(jī)組[j]在時(shí)段[t]第[m]段出力區(qū)間的中標(biāo)出力，MW；[Coni，t]——火電機(jī)組[i]在時(shí)段[t]的啟停機(jī)費(fèi)用，元。

2.1.2 系統(tǒng)負(fù)荷平衡約束

[i=1NgPgi，t+j=1NwPwj，t=Dt] （2）

式中：[Pgi，t]、[Pwj，t]——火電機(jī)組[i]、新能源機(jī)組[j]在時(shí)段[t]的出力，MW；[Dt]——時(shí)段[t]的系統(tǒng)負(fù)荷，MW。

2.1.3 系統(tǒng)備用約束

[i=1Ngui，tPg，maxi+j=1NwPw，maxj，t≥Dt+Rupt] （3）

[i=1Ngui，tPg，mini+j=1NwPw，minj，t≤Dt-Rdnt] （4）

式中：[ui，t]——火電機(jī)組[i]在時(shí)段[t]的啟停狀態(tài)，[ui，t=0]表示機(jī)組處于關(guān)機(jī)狀態(tài)，[ui，t=1]表示機(jī)組處于開機(jī)狀態(tài)；[Pg，maxi]、[Pg，mini]——火電機(jī)組[i]最大、最小出力，MW；[Pw，maxj，t]、[Pw，minj，t]——新能源機(jī)組[j]在時(shí)段[t]的預(yù)測(cè)出力、最小出力，MW；[Rupt]、[Rdnt]——系統(tǒng)在時(shí)段[t]的上調(diào)、下調(diào)備用要求，MW。

2.1.4 機(jī)組出力上下限約束

火電機(jī)組出力約束：

[ui，tPg，mini≤Pgi，t≤ui，tPg，maxi] （5）

新能源機(jī)組出力約束：

[Pw，minj，t≤Pwj，t≤Pw，maxj，t] （6）

2.1.5 機(jī)組爬坡約束

[-ΔPdni≤Pgi，t-Pgi，t-1≤ΔPupi] （7）

式中：[ΔPupi]、[ΔPdni]——火電機(jī)組[i]的爬坡功率上限值、下限值，MW/h。

2.1.6 機(jī)組最小開機(jī)和最小停運(yùn)時(shí)間約束

[ugi，t-1-ugi，tTgon，i，t-1-Tgon，i≥0] （8）

[ugi，t-ugi，t-1Tgoff，i，t-1-Tgoff，i≥0] （9）

式中：[Tgon，i，t-1]、[Tgoff，i，t-1]——[t-1]時(shí)刻火電機(jī)組[i]的連續(xù)運(yùn)行時(shí)長、連續(xù)停機(jī)時(shí)長，h；[Tgon，i]、[Tgoff，i]——機(jī)組[i]允許的最小連續(xù)運(yùn)行時(shí)長、最小連續(xù)停機(jī)時(shí)長，h。

2.1.7 線路潮流約束

[-Pmaxl≤i=1NgGl，iPgi，t+j=1NwGl，jPwj，t- s=1SGl，sDs，t≤Pmaxl] （10）

式中：[Pmaxl]——線路[Gl，j]的潮流傳輸極限，MW；[Gl，i]、[Gl，j]——火電機(jī)組[i]、新能源機(jī)組[j]所在節(jié)點(diǎn)對(duì)線路[l]的發(fā)電機(jī)輸出功率轉(zhuǎn)移分布因子；[Gl，s]——負(fù)荷所在節(jié)點(diǎn)對(duì)線路[l]的轉(zhuǎn)移分布因子；[S]——系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量；[Ds，t]——節(jié)點(diǎn)[s]在時(shí)段[t]的母線負(fù)荷值，MW。

2.2 發(fā)電替代模型

在市場環(huán)境下，可能出現(xiàn)新能源非理性報(bào)高價(jià)導(dǎo)致無法中標(biāo)而棄風(fēng)棄光的現(xiàn)象，為了保障新能源消納水平，當(dāng)上述預(yù)出清模型的出清結(jié)果存在新能源棄電時(shí)，在不改變機(jī)組啟停計(jì)劃的前提下觸發(fā)發(fā)電替代機(jī)制，調(diào)動(dòng)火電機(jī)組下調(diào)出力，由新能源替代火電機(jī)組發(fā)電，修正預(yù)出清中各機(jī)組的出力。

2.2.1 目標(biāo)函數(shù)

發(fā)電替代模型的目標(biāo)是用最少的調(diào)峰費(fèi)用最大程度上減少新能源棄電，基于此得到發(fā)電替代模型的目標(biāo)函數(shù)：

[mink=1Kt=1Ti=1Ngλi，t，kΔtΔPgi，t，k+αt=1TΔtPabant-ΔtΔPabant] （11）

式中：[K]——調(diào)峰深度分段數(shù)，第一檔是常規(guī)調(diào)峰，第二檔是不投油調(diào)峰，第三檔是投油調(diào)峰；[ΔPgi，t，k]——火電機(jī)組[i]在時(shí)段[t]第[k]段調(diào)峰區(qū)間的中標(biāo)調(diào)峰電力，MW；[α]——新能源單位棄電懲罰費(fèi)用，元/MWh；[Pabant]——預(yù)出清結(jié)果中時(shí)段[t]的棄風(fēng)棄光量，MW；[ΔPabant]——時(shí)段[t]的棄風(fēng)棄光減少量，MW；[λi，t，k]——火電機(jī)組[i]在時(shí)段[t]的第[k]段單位調(diào)峰電能補(bǔ)償價(jià)格，元/MWh，按照前文所述，[λi，t，k]滿足：

[λi，t，1=Jtλi，t，2=Cgi，M-1λi，t，3=Cgi，M] （12）

式中：[Jt]——時(shí)段[t]的預(yù)出清系統(tǒng)邊際電價(jià)，元/MWh。

目標(biāo)函數(shù)第一項(xiàng)是調(diào)峰費(fèi)用，第二項(xiàng)是棄電懲罰成本，[α]數(shù)值很大使棄電懲罰成本具有優(yōu)先確定性，優(yōu)化過程中會(huì)盡量減少棄電懲罰成本，這種處理將調(diào)峰費(fèi)用最小和最大程度減少棄風(fēng)棄光兩個(gè)目標(biāo)統(tǒng)一，使得系統(tǒng)優(yōu)先調(diào)用調(diào)峰資源盡最大可能減少預(yù)出清中的棄風(fēng)棄光。

2.2.2 替代電力平衡約束

每個(gè)時(shí)刻火電機(jī)組下調(diào)出力和新能源棄電減少量相等。

[k=1Ki=1NgΔPgi，t，k=ΔPabant] （13）

2.2.3 棄電減少量上下限約束

棄風(fēng)棄光減少量應(yīng)小于預(yù)出清結(jié)果中的棄風(fēng)棄光量。

[0≤ΔPabant≤Pabant] （14）

2.2.4 機(jī)組出力上下限約束

火電機(jī)組出力約束：火電機(jī)組每段中標(biāo)調(diào)峰電力應(yīng)處于最大最小出力范圍之內(nèi)，替代后的總出力不低于最小出力。

[0≤ΔPgi，t，k≤ΔPg，maxi，t，k] （15）

[ui，tPg，mini≤Pgi，t-k=1KΔPgi，t，k] （16）

式中：[ΔPg，maxi，t，k]——火電機(jī)組[i]時(shí)段[t]的第[k]段調(diào)峰空間，MW。

新能源機(jī)組出力約束：替代后新能源機(jī)組的出力應(yīng)不超過最大出力。

[Pwj，t+ΔPabanj，t≤Pw，maxj，t] （17）

式中：[ΔPabanj，t]——新能源機(jī)組[j]時(shí)段[t]的棄電減少量，MW，由時(shí)段[t]總的棄風(fēng)棄光量按新能源機(jī)組的棄電比例分配得到，即：

[ΔPabanj，t=βj，tΔPabantβj，t=Pabanj，tPabant] （18）

式中：[βj，t]——新能源機(jī)組[j]時(shí)段[t]的棄電比例；[Pabanj，t]——新能源機(jī)組[j]時(shí)段[t]的棄電量，MW。

2.2.5 機(jī)組爬坡約束

替代后火電機(jī)組在每個(gè)時(shí)段內(nèi)的出力增減量仍需滿足機(jī)組的技術(shù)爬坡速率約束。

[-ΔPdni≤Pgi，t-k=1KΔPgi，t，k-Pgi，t-1-k=1KΔPgi，t-1，k≤ΔPupi] （19）

2.2.6 線路潮流約束

替代后系統(tǒng)也應(yīng)滿足線路潮流約束。

[-Pmaxl≤i=1NgGl，iPgi，t-k=1KΔPgi，t，k+" " " " " " "j=1NwGl，jPwj，t+ΔPabanj，t-s=1SGl，sDs，t≤Pmaxl] （20）

3 結(jié)算機(jī)制

3.1 火電機(jī)組結(jié)算

根據(jù)前文所述，得到發(fā)電替代后火電機(jī)組[i]在時(shí)段[t]的調(diào)峰補(bǔ)償收益[Mgi，t]和總收益[Rgi]分別為：

[Mgi，t=k=1Kλi，t，kΔPgi，t，k] （21）

[Rgi=t=1TJt?Pgi，t-k=1KΔPgi，t，k+Mgi，t] （22）

3.2 新能源機(jī)組結(jié)算

新能源在新增消納空間的同時(shí)應(yīng)按新增消納空間比例分?jǐn)傉{(diào)峰費(fèi)用，在此基礎(chǔ)上，本文綜合考慮新能源-負(fù)荷波形相似度、非理性報(bào)價(jià)兩種因素量化新能源棄電原因以修正新增消納空間比例分?jǐn)傁禂?shù)。

3.2.1 新能源-負(fù)荷波形相似度因素

新能源預(yù)測(cè)出力曲線與負(fù)荷曲線相似時(shí)，新能源出力隨負(fù)荷同趨勢(shì)增減將減輕系統(tǒng)調(diào)峰壓力［19］，反之將增大調(diào)峰壓力產(chǎn)生棄電。因此，本文考慮利用新能源-負(fù)荷波形相似度修正調(diào)峰費(fèi)用分?jǐn)傁禂?shù)：首先采用等電量-順負(fù)荷法［20］將新能源預(yù)測(cè)出力曲線變換為一條與負(fù)荷波動(dòng)性相同的等效出力曲線，比較兩條出力曲線的波形相似度，從而評(píng)估新能源預(yù)測(cè)出力對(duì)調(diào)峰的影響，并引入波形相似度指標(biāo)修正分?jǐn)傁禂?shù)。

新能源等效出力曲線求解公式為：

[t=1TPw，maxj，t=t=1TPw′j，tPw′j，t-Pw′j，t-1Pw′j，t-1=Dt-Dt-1Dt-1] （23）

式中：[Pw′j，t]——新能源機(jī)組[j]在時(shí)段[t]的等效出力，MW。

用余弦相似度衡量波形相似度，新能源機(jī)組[j]余弦相似度[Sj]為：

[Sj=t=1TPw，maxj，tPw′j，tt=1TPw，maxj，t2t=1TPw′j，t2] （24）

對(duì)[Sj]歸一化處理得到預(yù)出清中棄電新能源機(jī)組[j]的波形相似度指標(biāo)[Sj]：

[Sj，t=Sjj=1NabantSj] （25）

式中：[Nabant]——時(shí)段[t]產(chǎn)生棄電的新能源機(jī)組數(shù)目。

3.2.2 非理性報(bào)價(jià)因素

新能源發(fā)電成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于火電機(jī)組，有天然的競價(jià)優(yōu)勢(shì)，但如果新能源機(jī)組非理性報(bào)高價(jià)導(dǎo)致無法中標(biāo)產(chǎn)生棄電，理應(yīng)為其非理性報(bào)價(jià)行為承擔(dān)后果，故本文考慮非理性報(bào)價(jià)指標(biāo)修正分?jǐn)傁禂?shù)。

預(yù)出清中棄電新能源機(jī)組[j]時(shí)段[t]非理性報(bào)價(jià)指標(biāo)[Cj，t]為：

[Cj，t=Cwj，t，abanj=1NabantCwj，t，aban] （26）

式中：[Cwj，t，aban]——預(yù)出清中棄電新能源機(jī)組[j]在時(shí)段[t]出力對(duì)應(yīng)的棄電報(bào)價(jià)，元/MWh。

基于以上分析，得到新能源機(jī)組[j]在時(shí)段[t]的分?jǐn)傁禂?shù)[ωj，t]、調(diào)峰費(fèi)用[Mwj，t]以及總收益[Rwj]：

[ωj，t=σSj，t+υCj，t+γβj，t] （27）

[Mwj，t=ωj，ti=1NgMgi，t] （28）

[Rwj=t=1TJt?Pwj，t+ΔPabanj，t-Mwj，t] （29）

式中：[σ]、[υ]、[γ]——波形相似度指標(biāo)、非理性報(bào)價(jià)指標(biāo)、新增消納空間比例的權(quán)重，[σ+υ+γ=1]，各權(quán)重大小取決于相應(yīng)因素對(duì)費(fèi)用分?jǐn)偟慕?jīng)濟(jì)意義，可利用層次分析法（analytic hierarchy process，AHP）確定。

4 算例分析

4.1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)

為了驗(yàn)證本文所提機(jī)制的有效性，采用改進(jìn)的IEEE 30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行算例分析，如圖2所示。算例共設(shè)置5臺(tái)火電機(jī)組、2臺(tái)裝機(jī)容量分別為750、950 MVA的風(fēng)電機(jī)組、2臺(tái)裝機(jī)容量分別為400、200 MVA的光伏機(jī)組，其中火電機(jī)組相關(guān)參數(shù)見表1?？傃b機(jī)容量為5260 MVA，其中火電裝機(jī)容量為2960 MVA，風(fēng)電裝機(jī)容量為1700 MVA，光伏發(fā)電裝機(jī)容量為600 MVA，新能源裝機(jī)占比達(dá)到43.7%。各類機(jī)組均參與市場競價(jià)，新能源分段報(bào)價(jià)區(qū)間為150～550 元/MWh，火電機(jī)組分段報(bào)價(jià)區(qū)間為200～950 元/MWh。本文新能源預(yù)測(cè)出力、負(fù)荷數(shù)據(jù)取自中國某省份電網(wǎng)實(shí)測(cè)歷史數(shù)據(jù)。

本文通過MATLAB調(diào)用YALMIP構(gòu)建調(diào)度模型，并采用CPLEX進(jìn)行求解，系統(tǒng)調(diào)度周期為24 h，以15 min為調(diào)度時(shí)段進(jìn)行分析。本文設(shè)置表2中的3種場景，對(duì)比分析調(diào)度結(jié)果。

4.2 新能源消納情況

對(duì)上述3種調(diào)度場景進(jìn)行優(yōu)化，得到3種場景下的新能源消納情況如表3所示，同時(shí)得到各新能源機(jī)組的中標(biāo)出力曲線如圖3所示。

總體來看，3種調(diào)度場景下，12：00—15：00時(shí)段消納困難，中標(biāo)出力低于預(yù)測(cè)出力，這是由于中午光伏發(fā)電量增加，火電機(jī)組在預(yù)留備用后已處于最低出力，系統(tǒng)調(diào)峰資源不足所導(dǎo)致，其余時(shí)段基本能實(shí)現(xiàn)全額消納。

對(duì)比3種調(diào)度場景，場景1最大程度上實(shí)現(xiàn)了新能源消納，這是因?yàn)楫?dāng)新能源作為邊界條件進(jìn)行出清時(shí)，系統(tǒng)將新能源作為優(yōu)先發(fā)電機(jī)組，然后進(jìn)行市場化機(jī)組購電費(fèi)用最小化，最大程度利用了系統(tǒng)的調(diào)峰能力；場景2中新能源報(bào)量報(bào)價(jià)參與現(xiàn)貨市場后，中標(biāo)電量由自身報(bào)價(jià)決定，相較于場景1直接作為邊界條件，棄風(fēng)棄光有一定幅度的增加，增長了30.88%；場景3在場景2的基礎(chǔ)上考慮了發(fā)電替代機(jī)制，充分調(diào)動(dòng)火電機(jī)組的調(diào)峰能力，為新能源出讓發(fā)電空間329.22 MW，消納效果和場景1的理論最大值非常接近，這是因?yàn)榛痣姍C(jī)組受到自身爬坡速率的物理約束未達(dá)到最大調(diào)峰深度而產(chǎn)生微小差距，所以與場景2相比，場景3更符合國家新能源消納政策要求。

對(duì)比風(fēng)電機(jī)組與光伏機(jī)組可知，場景2中風(fēng)電棄電量較場景1有所減少，而光伏機(jī)組棄電量大大增加，增幅高達(dá)134.32%，這是因?yàn)楣夥鼨C(jī)組報(bào)價(jià)較高導(dǎo)致無法中標(biāo)；觸發(fā)替代機(jī)制后，風(fēng)電機(jī)組棄電量繼續(xù)減少，場景3中風(fēng)電消納值達(dá)到最大，因?yàn)榭傁{空間有限，場景3中光伏消納值較場景1有所減少。

4.3 出清電價(jià)

圖5為3種調(diào)度場景下出清電價(jià)的變化情況。

從出清電價(jià)曲線的峰谷特征來看，3種場景下的現(xiàn)貨價(jià)格與新能源發(fā)電量都有明顯的相關(guān)性。在新能源發(fā)電最多的12：00—15：00期間以及風(fēng)電發(fā)電最多的03：00—05：00期間電價(jià)較低，這兩個(gè)時(shí)段處于負(fù)荷低谷，為了保證系統(tǒng)安全性，必須留有一定備用容量，火電機(jī)組基本保持最小技術(shù)出力運(yùn)行，市場出清價(jià)格為邊際機(jī)組最低檔報(bào)價(jià)，達(dá)到全天最低價(jià)。而在新能源發(fā)電能力較弱的18：00—21：00時(shí)段，光伏機(jī)組出力降為零且負(fù)荷高峰電力平衡緊張，火電機(jī)組增加出力頂峰運(yùn)行，此時(shí)市場出清價(jià)格達(dá)到全天上限。

比較3種調(diào)度場景的出清電價(jià)情況，結(jié)合圖3發(fā)現(xiàn)在場景2較場景1新增棄風(fēng)棄光的時(shí)段，場景2、3的出清電價(jià)有所提高，比如13：00—15：00時(shí)段，場景1中新能源報(bào)量不報(bào)價(jià)參與市場，為了盡可能消納新能源，系統(tǒng)調(diào)峰能力達(dá)到極限，限制火電機(jī)組保持最小技術(shù)出力運(yùn)行，出清價(jià)格等于火電機(jī)組最低檔報(bào)價(jià)；而場景2、3中，所有機(jī)組競價(jià)上網(wǎng)，不再限制火電機(jī)組保持最小出力運(yùn)行，邊際機(jī)組由所有機(jī)組競價(jià)決定，新能源報(bào)價(jià)較高，火電機(jī)組中標(biāo)出力增加，出清價(jià)格隨火電機(jī)組出力的增加而升高，較火電機(jī)組最低檔報(bào)價(jià)有所提高。

4.4 火電機(jī)組收益情況

不同的調(diào)度場景不僅對(duì)市場出清電價(jià)造成影響，還會(huì)影響常規(guī)機(jī)組的發(fā)電空間和市場收益。圖5為不同調(diào)度場景下火電機(jī)組的市場收益情況，各機(jī)組總收益見表4。

對(duì)比圖5中3種場景下火電機(jī)組的總收益，在觸發(fā)發(fā)電替代機(jī)制火電機(jī)組下調(diào)出力的時(shí)段，場景1的收益最低，場景3的收益最高，這是由于新能源競價(jià)參與市場后棄風(fēng)棄光增加，火電機(jī)組出力增加的同時(shí)提高了棄風(fēng)棄光時(shí)段的單位電價(jià)，火電機(jī)組電能量市場收益隨之增加；觸發(fā)替代機(jī)制后，火電機(jī)組為新能源出讓發(fā)電空間，電能量市場收益下降，但同時(shí)得到調(diào)峰補(bǔ)償，在午間11：00—12：00時(shí)段下調(diào)出力達(dá)到最大，獲得最多的調(diào)峰收益，且調(diào)峰收益高于電能量市場收益減少量，實(shí)現(xiàn)了收益補(bǔ)償，從而使場景3的收益最高。

對(duì)比5臺(tái)火電機(jī)組，從圖5可看出機(jī)組3、5下調(diào)出力最多，分別達(dá)到782.96、498.81 MW，占總下調(diào)出力的56.46%、35.98%，相應(yīng)地，從表4中得到這兩臺(tái)機(jī)組獲得的調(diào)峰收益也最多，分別達(dá)到50.36、32.87萬元，占總調(diào)峰收益的55.87%、36.47%，同時(shí)這兩臺(tái)機(jī)組較場景2的總收益增加量也最多，分別達(dá)到19.65、13.30 萬元，占總收益增量的55.24%、37.39%，可見調(diào)峰收益和總收益都隨下調(diào)出力的增加而增加；而機(jī)組2、4調(diào)峰深度都小于50%，只能獲得第一檔調(diào)峰補(bǔ)償價(jià)格即調(diào)峰時(shí)刻的市場電價(jià)，因而調(diào)峰收益和電能量市場收益減少量相抵消，總收益保持不變，考慮到機(jī)組下調(diào)出力后節(jié)約了發(fā)電成本，故機(jī)組利潤有所上升。

基于以上分析，可看出火電機(jī)組得到的補(bǔ)償與實(shí)際的調(diào)峰能力緊密相關(guān)，機(jī)組下調(diào)出力越多，得到的調(diào)峰收益和總收益增量就越多，說明該機(jī)制利用市場手段能有效激勵(lì)具有調(diào)節(jié)能力的火電機(jī)組釋放調(diào)峰能力。

4.5 新能源機(jī)組中標(biāo)出力和收益情況

圖6為不同調(diào)度場景下新能源的市場收益情況，新能源總收益見表5。

比較表5中3種調(diào)度場景下的新能源收益，每臺(tái)機(jī)組收益都是在場景1中最少，場景2中最多，這是因?yàn)樾履茉锤們r(jià)參與市場后抬高了平均電價(jià)，覆蓋了由于中標(biāo)出力減少導(dǎo)致的收益減少量；場景3觸發(fā)替代機(jī)制后，雖然棄電機(jī)組上網(wǎng)電量有所提高，但另一方面機(jī)組需分?jǐn)傉{(diào)峰費(fèi)用，調(diào)峰費(fèi)用高于增加的電能量收益，最終導(dǎo)致總收益較場景2有所下降，但高于場景1的收益。

圖7中棄電最嚴(yán)重的兩個(gè)時(shí)段11：00—12：00、13：00—14：00的補(bǔ)償費(fèi)用差距明顯，因?yàn)榍耙粫r(shí)段系統(tǒng)有調(diào)峰能力，觸發(fā)替代機(jī)制產(chǎn)生了調(diào)峰費(fèi)用，而后一時(shí)段系統(tǒng)已接近消納極限，調(diào)峰費(fèi)用很少，場景2、3的收益接近相同。兩個(gè)時(shí)段中各新能源機(jī)組中標(biāo)出力情況如圖8所示，機(jī)組收益情況見表6。

對(duì)比圖8的3種調(diào)度場景，光伏、風(fēng)電在兩個(gè)時(shí)刻的場景1出力分別達(dá)到了最高和最低，這是因?yàn)閳鼍?、3中各機(jī)組按報(bào)價(jià)競爭出力空間，風(fēng)電機(jī)組采取較為保守的報(bào)價(jià)策略，即申報(bào)較低的價(jià)格競標(biāo)更高的出力，風(fēng)電機(jī)組因報(bào)價(jià)低而表現(xiàn)出強(qiáng)大的競爭力，獲得高于場景1中按照預(yù)測(cè)發(fā)電比例分配的出力空間，甚至在12：00幾乎全量中標(biāo)；光伏機(jī)組則相反，因?yàn)閳?bào)價(jià)過高而只能少量中標(biāo)，未能按棄電比例無償“搭車”場景1中火電機(jī)組的調(diào)峰能力，上網(wǎng)電量減少。

調(diào)峰費(fèi)用由新增消納空間的新能源機(jī)組共同分?jǐn)?，?duì)比表6中4臺(tái)機(jī)組在11：00—12：00時(shí)段的分?jǐn)傎M(fèi)用，結(jié)合上文分析得知棄風(fēng)電量少，故風(fēng)電機(jī)組分?jǐn)偵倭抠M(fèi)用，場景2、3的收益接近相同，風(fēng)電機(jī)組1甚至全量中標(biāo)，無需承擔(dān)調(diào)峰費(fèi)用；光伏機(jī)組則相反，分?jǐn)偨^大部分費(fèi)用，占比達(dá)到86.05%，故場景3較場景2收益下降，體現(xiàn)了“誰受益、誰承擔(dān)”的市場化原則。

場景3考慮了波形相似度及非理性報(bào)價(jià)指標(biāo)修正新增消納空間比例系數(shù)，本文3種因素的權(quán)重[σ]、[υ]和[γ]分別取0.15、0.15、0.7，并與修正前直接按新增消納空間比例分?jǐn)偟馁M(fèi)用做比較，取11：00—12：00時(shí)段的比較結(jié)果見表7。

在11：00—12：00時(shí)段風(fēng)電機(jī)組全量中標(biāo)，無需分?jǐn)傉{(diào)峰費(fèi)用，各項(xiàng)分?jǐn)傊笜?biāo)為零。風(fēng)電機(jī)組1前兩項(xiàng)指標(biāo)都低于新增消納空間比例，降低了分?jǐn)傁禂?shù)，所以修正后光伏機(jī)組1分?jǐn)傎M(fèi)用減少；而風(fēng)電機(jī)組2和光伏機(jī)組2前兩項(xiàng)指標(biāo)都高于新增消納空間比例，抬高了分?jǐn)傁禂?shù)，分?jǐn)傎M(fèi)用隨之上升，其中風(fēng)電機(jī)組在11：00—12：00時(shí)段內(nèi)的波形反調(diào)峰性質(zhì)更嚴(yán)重，且報(bào)高價(jià)的目的更強(qiáng)烈，上升幅度達(dá)到5.60%，高于光伏機(jī)組2.68%的上升幅度?？梢姡疚姆?jǐn)偛呗宰寳夒娦履茉礊槠淅谜{(diào)峰資源的程度付費(fèi)，保證了各機(jī)組分?jǐn)偣健⑹找婧侠怼?/p>

反調(diào)峰性質(zhì)強(qiáng)的光伏機(jī)組波形相似度指標(biāo)高于風(fēng)電機(jī)組，所以光伏機(jī)組如果想要減小分?jǐn)傁禂?shù)，應(yīng)申報(bào)較低價(jià)格減小不合理報(bào)價(jià)指標(biāo)。可見本分?jǐn)倷C(jī)制可有效抑制機(jī)組博弈高價(jià)的沖動(dòng)，指導(dǎo)機(jī)組合理報(bào)價(jià)從而減少棄電量和分?jǐn)傎M(fèi)用。

5 結(jié) 論

本文從新能源市場化消納和補(bǔ)償火電機(jī)組調(diào)峰費(fèi)用的角度出發(fā)，在新能源和火電機(jī)組共同參與市場競價(jià)的交易環(huán)境下提出了出現(xiàn)棄風(fēng)棄光時(shí)觸發(fā)的發(fā)電替代機(jī)制：火電機(jī)組下調(diào)出力，由新能源替代火電機(jī)組出力并給予火電機(jī)組調(diào)峰補(bǔ)償費(fèi)用，并由此構(gòu)建了市場出清、發(fā)電替代、結(jié)算模型，通過研究得到如下結(jié)論：

1）發(fā)電替代機(jī)制通過市場化的手段可深度挖掘系統(tǒng)的調(diào)峰潛力，解決了因新能源競價(jià)上網(wǎng)帶來的新增棄風(fēng)棄光問題，保障新能源消納水平。

2）在新能源與火電機(jī)組共同參與市場競價(jià)的市場交易環(huán)境下，采用激勵(lì)相容的調(diào)峰費(fèi)用分?jǐn)傄?guī)則可引導(dǎo)新能源合理報(bào)價(jià)，保證各市場主體競爭公平、收益合理。

3）補(bǔ)償火電機(jī)組的調(diào)峰費(fèi)用，可提高火電機(jī)組調(diào)峰的積極性，實(shí)現(xiàn)調(diào)峰輔助服務(wù)市場和電力現(xiàn)貨市場的融合，為高比例新能源并網(wǎng)提供調(diào)節(jié)資源容量保障。

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DESIGN OF ELECTRICITY SPOT MARKET TRADING MECHANISM CONSIDERING HIGH PROPORTION OF NEW ENERGY

CONSUMPTION AND PEAK LOAD ADJUSTMENT COMPENSATION OF

THERMAL POWER UNITS

Zhao Shuqiang，Song Jinli，Wang Aoer，Liao Yiming，Li Zhiwei

（State Key Laboratory of New Energy Power System， North China Electric Power University， Baoding 071003， China）

Abstract：Aiming at the contradiction between new energy’s participation in market competition and guaranteed absorption， the spot market trading mechanism of high proportion of new energy power system is designed. First of all， considering the market absorption of new energy， the existing clearing mechanism of the spot market of electricity is improved. Under the trading environment of new energy and thermal power units participating in market bidding， a power generation substitution model triggered when wind and light abandonment occurs is established to mobilize the peak regulating capacity of thermal power units and replace thermal power with new energy. Secondly， an incentive compatible settlement mechanism is proposed to compensate thermal power units for peak load balancing by new energy sources with new absorption space. Finally， the simulation calculation of different dispatching scenarios shows that the proposed mechanism can match the supply and demand of peak regulating resources in the power spot market， promote the market consumption of new energy， and compensate the thermal power unit peak regulating costs， so as to ensure fair competition and reasonable income of market players.

Keywords：renewable energy； power market； mechanism； power generation substitution； consumption； peak shaving