基于外部成本內(nèi)置法的備用市場(chǎng)競(jìng)價(jià)模型

李士動(dòng)，張孝君，張立柱，李魯燕，許行，施泉生

(1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司泰安供電公司，山東省泰安市 271000；2.上海電力學(xué)院，上海市 200090)

基于外部成本內(nèi)置法的備用市場(chǎng)競(jìng)價(jià)模型

李士動(dòng)1，張孝君1，張立柱1，李魯燕1，許行1，施泉生2

(1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司泰安供電公司，山東省泰安市 271000；2.上海電力學(xué)院，上海市 200090)

針對(duì)多因素下多種備用資源的優(yōu)化配置問(wèn)題，提出基于外部成本內(nèi)置法的備用市場(chǎng)競(jìng)價(jià)模型。以需求響應(yīng)為機(jī)會(huì)成本，同時(shí)考慮容量事故的不確定性，采用風(fēng)險(xiǎn)管理方法建立發(fā)電側(cè)備用需求曲線，實(shí)現(xiàn)需求側(cè)與發(fā)電側(cè)兩類備用資源的協(xié)調(diào)。量化分析發(fā)電側(cè)備用可靠性與碳排放因素的邊際外部成本，并將該成本內(nèi)置到發(fā)電側(cè)備用的內(nèi)部成本報(bào)價(jià)中，以所得邊際綜合成本作為競(jìng)價(jià)依據(jù)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了發(fā)電側(cè)備用資源的內(nèi)部協(xié)調(diào)。最后，通過(guò)供需理論得到備用最優(yōu)點(diǎn)。算例仿真結(jié)果證明所提方法能夠從社會(huì)角度實(shí)現(xiàn)備用資源的優(yōu)化配置，具有可靠性與碳減排激勵(lì)作用。

備用市場(chǎng)；競(jìng)價(jià)；風(fēng)險(xiǎn)管理；發(fā)電側(cè)備用；協(xié)調(diào)優(yōu)化；外部成本內(nèi)置

0 引 言

市場(chǎng)環(huán)境下，大都采用競(jìng)價(jià)方式獲取備用服務(wù)，然而傳統(tǒng)競(jìng)價(jià)模型一般僅單一地追求經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)，備用服務(wù)也主要由傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組提供。2015年3月，中共中央、國(guó)務(wù)院印發(fā)了《關(guān)于進(jìn)一步深化電力體制改革的若干意見(jiàn)》(中發(fā)[2015]9號(hào))，明確指出要堅(jiān)持市場(chǎng)化改革和節(jié)能減排，同時(shí)也提到建立輔助服務(wù)分擔(dān)共享機(jī)制，鼓勵(lì)多方參與提供輔助服務(wù)。因此，電力市場(chǎng)建設(shè)對(duì)系統(tǒng)備用優(yōu)化配置提出了更高的要求，體現(xiàn)在以下2個(gè)方面[1]：兼顧多個(gè)目標(biāo)或因素的協(xié)調(diào)；利用更多種類的備用服務(wù)資源。

根據(jù)電力供給與需求實(shí)時(shí)平衡的特性，備用服務(wù)來(lái)源可以分為2類：一類是增加供給側(cè)電源出力(稱為發(fā)電側(cè)備用)，除了傳統(tǒng)上的各類發(fā)電機(jī)組外，電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)(vehicle-to-grid，V2G)及可控分布式發(fā)電(distributed generation，DG)等也可以通過(guò)反向放電或供電為系統(tǒng)提供備用服務(wù)[2]；另一類則是減少需求側(cè)用戶負(fù)荷(稱為需求側(cè)備用)，電力市場(chǎng)環(huán)境下主要通過(guò)需求響應(yīng)方式實(shí)現(xiàn)，包括基于價(jià)格的需求響應(yīng)(price-based demand response，PBDR)和基于激勵(lì)的需求響應(yīng)(incentive-based demand response，IBDR)[3]。不同備用資源之間存在互補(bǔ)性，通過(guò)多種資源的協(xié)調(diào)優(yōu)化，能夠有效提高備用服務(wù)的配置效率。

現(xiàn)有研究大都關(guān)注系統(tǒng)備用配置的經(jīng)濟(jì)性，而并未在更廣泛的因素上區(qū)分不同備用資源之間的特性差異。為此，文獻(xiàn)[4-5]構(gòu)建了考慮備用服務(wù)經(jīng)濟(jì)性、可靠性與碳排放因素的多目標(biāo)競(jìng)價(jià)數(shù)學(xué)模型，并采用遺傳算法與粒子群算法求解，但傳統(tǒng)求解方法普遍存在著以下2個(gè)問(wèn)題：(1)不同類目標(biāo)或因素之間的關(guān)系較難協(xié)調(diào)；(2)智能算法的求解效率較低，且較難實(shí)現(xiàn)全局尋優(yōu)。文獻(xiàn)[6-7]構(gòu)建了含可調(diào)度負(fù)荷、電動(dòng)汽車及微網(wǎng)等備用資源的優(yōu)化模型，同時(shí)考慮了備用服務(wù)的碳排放問(wèn)題。文獻(xiàn)[8]則研究了V2G備用市場(chǎng)的交易模式，考慮了備用服務(wù)的可靠性問(wèn)題。文獻(xiàn)[9-10]從經(jīng)濟(jì)性角度驗(yàn)證了由電動(dòng)汽車提供備用服務(wù)的可行性。文獻(xiàn)[11-13]探討了電動(dòng)汽車代理商提供備用服務(wù)的最優(yōu)競(jìng)價(jià)策略問(wèn)題。文獻(xiàn)[14-16]則構(gòu)建了需求響應(yīng)參與系統(tǒng)備用優(yōu)化的機(jī)組組合模型。

此外，傳統(tǒng)上的備用容量決策大都采用確定性與概率性方法[17]。確定性方法由于沒(méi)有考慮不確定性(包括事故概率與事故損失)，往往使決策結(jié)果趨于保守。概率性方法雖然計(jì)及了事故概率，但卻沒(méi)有反映事故損失。風(fēng)險(xiǎn)是事故概率與事故后果的乘積，反映了損失的數(shù)學(xué)期望，采用風(fēng)險(xiǎn)理念能夠有效處理容量事故的不確定性[18]。

綜上所述，對(duì)于系統(tǒng)備用的優(yōu)化配置，需要兼顧多方面影響因素，利用多種備用服務(wù)資源，同時(shí)反映系統(tǒng)備用需求的不確定性。為此，本文針對(duì)在考慮備用服務(wù)的經(jīng)濟(jì)性、可靠性與碳排放多因素下，如何實(shí)現(xiàn)IBDR、傳統(tǒng)機(jī)組備用與V2G多種備用資源的協(xié)調(diào)優(yōu)化問(wèn)題，提出了備用市場(chǎng)競(jìng)價(jià)的外部成本內(nèi)置法。該方法主要包括：(1)建立發(fā)電側(cè)備用需求曲線，實(shí)現(xiàn)需求側(cè)與發(fā)電側(cè)備用的外部協(xié)調(diào)；(2)發(fā)電側(cè)備用外部成本的量化與內(nèi)置，實(shí)現(xiàn)發(fā)電側(cè)備用的內(nèi)部協(xié)調(diào)。

1 問(wèn)題分析

1.1 前提條件

由IBDR、發(fā)電商、電動(dòng)汽車代理商及調(diào)度機(jī)構(gòu)組成備用容量服務(wù)市場(chǎng)。假定采用順序投標(biāo)的日前電力市場(chǎng)模式，電能市場(chǎng)出清后，發(fā)電側(cè)競(jìng)價(jià)機(jī)構(gòu)可申報(bào)其次日每時(shí)段(1 h)備用服務(wù)的容量?jī)r(jià)格與電量?jī)r(jià)格，IBDR則申報(bào)其負(fù)荷削減賠償，并采用按報(bào)價(jià)支付(pay-as-bid，PAB)方式結(jié)算。

受用電功率大小限制，多數(shù)需求響應(yīng)用戶不具備直接參與市場(chǎng)交易的權(quán)利，同時(shí)考慮到用戶數(shù)量眾多，不便于調(diào)度機(jī)構(gòu)統(tǒng)一調(diào)度或控制，因此本文引入基于負(fù)荷聚合商的IBDR[15]，即由負(fù)荷聚合商在整合用戶容量資源基礎(chǔ)上參與市場(chǎng)交易。電動(dòng)汽車充/放電功率更小，數(shù)量也更為龐大，因此采用代理商模式[11-13]，由代理商代理一定數(shù)量的電動(dòng)汽車以便獲取充足的充/放電容量，進(jìn)而作為獨(dú)立競(jìng)價(jià)機(jī)構(gòu)參與市場(chǎng)交易，并在容量事故發(fā)生后協(xié)調(diào)、控制其所管理的電動(dòng)汽車放電為系統(tǒng)提供備用服務(wù)。

1.2 3種備用資源異同的比較

考慮多方面影響因素時(shí)，IBDR、機(jī)組備用與V2G備用3者之間差異顯著，不同的備用容量分配結(jié)果對(duì)系統(tǒng)的效用也是不同的。

(1)相同點(diǎn)。

IBDR屬于需求側(cè)備用，機(jī)組備用與V2G備用屬于發(fā)電側(cè)備用，從提高發(fā)電容量充裕性角度來(lái)看，削減用戶負(fù)荷與增加供給側(cè)電源出力都可以為系統(tǒng)提供備用服務(wù)，三者是等效的，因此可以選擇其中一種或多種。

(2)不同點(diǎn)。

1)從交易對(duì)象角度，IBDR交易的是實(shí)時(shí)削減用戶負(fù)荷的權(quán)利，而機(jī)組備用、V2G備用交易的則是發(fā)電、放電的容量與電量。

2)從經(jīng)濟(jì)性角度，要求用戶削減負(fù)荷至少需要彌補(bǔ)其斷電損失，因此IBDR成本較高，而機(jī)組備用與V2G備用一般要求支付容量成本、電量成本及電池?fù)p耗成本。

3)從可靠性角度，由于備用交易的時(shí)間點(diǎn)要提前于備用的實(shí)際調(diào)用，當(dāng)需要實(shí)時(shí)調(diào)用備用服務(wù)時(shí)，發(fā)電機(jī)組強(qiáng)迫停運(yùn)、電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)的隨機(jī)性都將會(huì)影響機(jī)組備用、V2G備用服務(wù)的可靠性。IBDR則因具有“反向懲罰”特性，不確定性較小，并且在引入負(fù)荷聚合商后，通過(guò)聚合商自身內(nèi)部協(xié)調(diào)能夠進(jìn)一步降低響應(yīng)的不確定性，因此一般認(rèn)為IBDR能夠可靠地響應(yīng)系統(tǒng)調(diào)度。

4)從環(huán)保角度，傳統(tǒng)火電機(jī)組在提供備用服務(wù)時(shí)也不可避免地會(huì)產(chǎn)生CO2、SO2等污染氣體排放，而IBDR、V2G備用則是清潔的備用服務(wù)資源。

5)從響應(yīng)速度角度，電動(dòng)汽車放電可近似瞬間完成，而削減用戶負(fù)荷需要一定的提前通知時(shí)間或調(diào)整時(shí)間，機(jī)組備用則受機(jī)組開(kāi)停機(jī)及爬坡速率影響，因此兩者都存在一定的響應(yīng)時(shí)滯。

由上述對(duì)比分析可以看出，若僅以經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)為決策目標(biāo)將會(huì)產(chǎn)生其他負(fù)外部性影響，備用配置應(yīng)實(shí)現(xiàn)考慮多因素下的綜合優(yōu)化。本文主要針對(duì)備用服務(wù)的經(jīng)濟(jì)性、可靠性與碳排放因素進(jìn)行分析。

2 發(fā)電側(cè)備用需求曲線

2.1 場(chǎng)景分析

備用服務(wù)主要用于化解電力系統(tǒng)運(yùn)行中面臨的不確定性。其中，發(fā)電機(jī)組、輸電線路故障等小概率離散事件和間歇性電源、負(fù)荷波動(dòng)是影響系統(tǒng)安全運(yùn)行的兩類主要不確定性因素。

場(chǎng)景分析通過(guò)模擬系統(tǒng)可能出現(xiàn)的場(chǎng)景，將不確定性問(wèn)題轉(zhuǎn)化為多個(gè)確定性場(chǎng)景處理，從而降低隨機(jī)性問(wèn)題的求解難度[16]。對(duì)于第1類不確定性，可以通過(guò)馬爾可夫鏈預(yù)測(cè)得到設(shè)備元件各調(diào)度時(shí)段的狀態(tài)概率；對(duì)于第2類不確定性，則一般根據(jù)歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到相應(yīng)概率分布模型，進(jìn)而通過(guò)隨機(jī)模擬產(chǎn)生出力狀態(tài)概率，當(dāng)抽樣規(guī)模較大時(shí)，為了平衡求解的速度與精度，可以采用縮減場(chǎng)景方法來(lái)降低求解規(guī)模[19]。

得到每時(shí)段系統(tǒng)元件、間歇性電源出力及負(fù)荷的狀態(tài)概率后，可進(jìn)一步通過(guò)解析法或模擬法確定該時(shí)刻系統(tǒng)可能的運(yùn)行場(chǎng)景及相應(yīng)發(fā)生概率。

2.2 需求曲線的計(jì)算

容量事故發(fā)生后，如果發(fā)電側(cè)備用容量不足，為了保證系統(tǒng)安全，往往需要削減用戶負(fù)荷。市場(chǎng)環(huán)境下，IBDR將成為用戶負(fù)荷削減的主要實(shí)現(xiàn)形式，其中可中斷負(fù)荷與直接負(fù)荷控制是IBDR的2種具體實(shí)施措施。則某容量事故場(chǎng)景s下，系統(tǒng)最小負(fù)荷削減損失模型為：

(1)

(2)

(3)

由式(3)可以看出，購(gòu)買的發(fā)電側(cè)備用容量R不同，則系統(tǒng)損失期望EC(R)不同，通過(guò)數(shù)據(jù)擬合多個(gè)點(diǎn)(R,EC(R))可以得到EC(R)的函數(shù)解析式，而其負(fù)導(dǎo)函數(shù)MB(R)則為發(fā)電側(cè)備用的邊際價(jià)值曲線，由經(jīng)濟(jì)學(xué)理論知，該邊際價(jià)值曲線可以作為發(fā)電側(cè)備用的需求曲線[20]。

需求曲線衡量了發(fā)電側(cè)備用不足的經(jīng)濟(jì)代價(jià)，能夠有效協(xié)調(diào)需求側(cè)與發(fā)電側(cè)2種備用資源，實(shí)際上也同時(shí)實(shí)現(xiàn)了發(fā)電側(cè)備用的成本與效益之間的平衡。

依據(jù)上述方法，調(diào)度機(jī)構(gòu)計(jì)算出次日每時(shí)段的發(fā)電側(cè)備用需求曲線，在聚合相應(yīng)時(shí)段發(fā)電側(cè)備用報(bào)價(jià)基礎(chǔ)上得到供給曲線，兩者交點(diǎn)即為該時(shí)段備用決策最優(yōu)點(diǎn)。

3 內(nèi)置外部成本的發(fā)電側(cè)備用競(jìng)價(jià)模型

3.1 模型理論思想

發(fā)電側(cè)備用機(jī)構(gòu)在報(bào)價(jià)時(shí)僅考慮其提供備用服務(wù)的內(nèi)部成本(包括容量成本與電量成本)，而不考慮因提供備用服務(wù)而造成的外部影響。因此，傳統(tǒng)模型并不能夠?qū)崿F(xiàn)社會(huì)綜合成本的最小化。為此，本文提出備用市場(chǎng)競(jìng)價(jià)的外部成本內(nèi)置法。

該方法的思想來(lái)源于環(huán)境經(jīng)濟(jì)學(xué)中的外部性理論[21]，具體到本文的實(shí)現(xiàn)方式為：調(diào)度機(jī)構(gòu)通過(guò)修正發(fā)電側(cè)備用競(jìng)價(jià)機(jī)構(gòu)報(bào)價(jià)，將其提供備用服務(wù)的邊際外部成本內(nèi)置到內(nèi)部成本報(bào)價(jià)中，然后按照所得邊際綜合成本競(jìng)價(jià)出清備用服務(wù)市場(chǎng)。最后結(jié)算時(shí)需要在競(jìng)價(jià)機(jī)構(gòu)收益中扣除其外部成本分量。

由此，定義發(fā)電側(cè)備用服務(wù)的邊際綜合成本：

MC=MI+ME

(4)

其中

(5)

容量?jī)r(jià)格在備用中標(biāo)后就要支付，屬于確定性成本，而電量?jī)r(jià)格則是在備用被實(shí)際調(diào)用后才會(huì)支付，屬于風(fēng)險(xiǎn)性成本，所以應(yīng)計(jì)及事故場(chǎng)景的發(fā)生概率。

3.2 邊際可靠性外部成本的計(jì)算

3.2.1 機(jī)組備用

實(shí)時(shí)運(yùn)行時(shí)，若日前中標(biāo)的備用機(jī)組因強(qiáng)迫停運(yùn)而無(wú)法提供預(yù)先中標(biāo)的備用容量，則會(huì)威脅系統(tǒng)安全，因此有必要考慮機(jī)組備用的可靠性問(wèn)題。

發(fā)電機(jī)組提供備用服務(wù)的可靠性外部成本與其實(shí)時(shí)停運(yùn)概率有關(guān)。對(duì)于某一機(jī)組j，其邊際可靠性外部成本可以表示為

(6)

式中：Sj為容量事故場(chǎng)景集S的子集，即Sj?S，且Sj是由所有包含機(jī)組j停運(yùn)的事故場(chǎng)景構(gòu)成；Loss為因機(jī)組無(wú)法提供備用服務(wù)而導(dǎo)致的單位甩負(fù)荷損失，$/(MW·h)；機(jī)組停運(yùn)后其預(yù)先中標(biāo)的備用容量也就無(wú)法調(diào)度，此時(shí)不必再支付電量電價(jià)，故應(yīng)減去PeG,j。

3.2.2V2G備用

由于電動(dòng)汽車的首要功能仍是用于滿足車主的行駛需求，即使電動(dòng)汽車日前中標(biāo)，如果車主有實(shí)時(shí)的行駛需求，代理商也沒(méi)有權(quán)力強(qiáng)制要求車主將車輛接入電網(wǎng)提供備用服務(wù)[22]，因此V2G備用服務(wù)的可靠性必然受車主出行行為隨機(jī)性的影響。如果某時(shí)段電動(dòng)汽車多處于行駛狀態(tài)而導(dǎo)致接入電網(wǎng)數(shù)量過(guò)少，則代理商的V2G可實(shí)時(shí)調(diào)度容量(achievablepowercapacity，APC)可能無(wú)法滿足其日前備用中標(biāo)量要求。

針對(duì)V2G充/放電容量的這一不確定性，文獻(xiàn)[22-23]分別利用概率學(xué)理論與模擬仿真的方法證明了APC服從通過(guò)正態(tài)分布模型?；谠撗芯拷Y(jié)論，本文假設(shè)某競(jìng)價(jià)時(shí)段APC服從正態(tài)分布N(μ,φ2)。若假設(shè)代理商該時(shí)段的V2G備用報(bào)價(jià)為(PrV, l,PeV, l,RV,l) (l=1，…，L)，則當(dāng)V2G備用日前中標(biāo)量為RV,l時(shí)，通過(guò)積分得到該時(shí)段的V2G備用不足期望值為

(7)

式中：x表示APC值;μ、φ2為均值與方差。

則代理商V2G備用服務(wù)的第1段報(bào)價(jià)附加的邊際可靠性外部成本可以表示為

(8)

第l(l>1)段報(bào)價(jià)的邊際可靠性外部成本為

(9)

3.3 邊際碳排放外部成本的計(jì)算

碳排放也是傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組提供備用服務(wù)的外部影響之一。對(duì)于某機(jī)組j，其備用服務(wù)的邊際碳排放外部成本可以表示為

(10)

V2G備用服務(wù)并不會(huì)直接產(chǎn)生碳排放，因此本文認(rèn)為其邊際碳排放外部成本為0。

應(yīng)指出，上述2種外部成本與事故場(chǎng)景發(fā)生概率有關(guān)，都屬于風(fēng)險(xiǎn)性成本。此外，由于發(fā)電機(jī)組既是容量事故擾動(dòng)來(lái)源又是備用服務(wù)提供者，因此發(fā)電機(jī)組備用服務(wù)外部成本的計(jì)算需要細(xì)分事故場(chǎng)景的構(gòu)成。

此外，在考慮外部成本的競(jìng)價(jià)機(jī)制下，上文涉及到的可靠性與碳排放數(shù)據(jù)將作為公開(kāi)信息加入市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，具體數(shù)據(jù)應(yīng)根據(jù)機(jī)組設(shè)計(jì)參數(shù)或由市場(chǎng)中立機(jī)構(gòu)實(shí)測(cè)確定[21]。

3.4 模型特征分析

根據(jù)式(4)、(5)得到機(jī)組備用與V2G備用的邊際綜合成本分別為:

(11)

(12)

3.1節(jié)指出調(diào)度機(jī)構(gòu)通過(guò)修正發(fā)電側(cè)備用報(bào)價(jià)，可以直接實(shí)現(xiàn)外部成本的內(nèi)置，這屬于顯性內(nèi)置法，其優(yōu)點(diǎn)是便于理論的說(shuō)明與分析。實(shí)際上，外部成本內(nèi)置法的關(guān)鍵在于市場(chǎng)結(jié)算方式的改變，即在結(jié)算時(shí)根據(jù)發(fā)電側(cè)備用容量的實(shí)際調(diào)用情況征收對(duì)應(yīng)外部成本，此時(shí)便可促使競(jìng)價(jià)機(jī)構(gòu)在日前報(bào)價(jià)中主動(dòng)地內(nèi)置其邊際外部成本。因此，調(diào)度機(jī)構(gòu)不必修正備用報(bào)價(jià)，而代以修正結(jié)算方式，此為外部成本的隱性內(nèi)置法。

外部成本內(nèi)置法特點(diǎn)為：

(1) 基于風(fēng)險(xiǎn)管理理念，將備用服務(wù)的可靠性與碳排放因素貨幣化處理，以成本的形式有效地考慮外部因素的影響；

(2)內(nèi)部成本能夠有效地反映競(jìng)價(jià)機(jī)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)意愿，外部成本則有效地兼顧了備用服務(wù)的外部影響。

外部成本內(nèi)置法的優(yōu)勢(shì)在于以邊際綜合成本作為競(jìng)價(jià)依據(jù)，提高了高可靠性、低排放備用競(jìng)價(jià)機(jī)構(gòu)的競(jìng)爭(zhēng)力。

4 備用最優(yōu)點(diǎn)

由供給與需求理論可知，發(fā)電側(cè)備用的邊際綜合成本MC(MCG或MCV)等于其邊際價(jià)值MB的點(diǎn)為備用最優(yōu)點(diǎn)，即最優(yōu)點(diǎn)條件為

MC(R*)=MB(R*)

(13)

式中R*為發(fā)電側(cè)備用容量最優(yōu)值。

如圖1所示，點(diǎn)A(R*，MB(R*))為備用最優(yōu)點(diǎn)，位于A點(diǎn)之下的發(fā)電側(cè)備用投標(biāo)將會(huì)中標(biāo)。對(duì)于需求側(cè)備用IBDR，可以根據(jù)實(shí)際發(fā)生的容量事故場(chǎng)景由式(1)、(2)加以確定，但此時(shí)的負(fù)荷削減需求應(yīng)變?yōu)?Qs-R*)。對(duì)于圖1中所示備用供給曲線，需要考慮發(fā)電側(cè)備用的容量、爬坡速率及分區(qū)備用約束，可采用排隊(duì)法求解。

在最優(yōu)點(diǎn)A處，系統(tǒng)備用服務(wù)的綜合成本為最小，實(shí)現(xiàn)了多因素下多種備用資源的協(xié)調(diào)優(yōu)化。

圖1 備用最優(yōu)點(diǎn)Fig.1 Optimal point of reserves

5 算例分析

5.1 算例描述

采用MATLAB編制本文競(jìng)價(jià)程序。假設(shè)某日前電力市場(chǎng)中包括10臺(tái)火電機(jī)組，其中5臺(tái)機(jī)組、4個(gè)IBDR及1個(gè)V2G備用代理商參與了日前備用容量服務(wù)市場(chǎng)競(jìng)價(jià)，附錄A給出了基本數(shù)據(jù)。所研究時(shí)段的負(fù)荷預(yù)測(cè)值為3 000 MW，APC(MW)服從正態(tài)分布N(40，20)。假設(shè)電量電價(jià)與電能市場(chǎng)出清電價(jià)聯(lián)動(dòng)，取50 $/(MW·h)，單位甩負(fù)荷成本Loss為290 $/(MW·h)，碳排放價(jià)格ν為30 $/t。

本文以發(fā)電機(jī)組強(qiáng)迫停運(yùn)作為容量事故擾動(dòng)，進(jìn)行10 000次隨機(jī)模擬以確定本文仿真的容量事故場(chǎng)景集S，模擬結(jié)果顯示S共包含62個(gè)場(chǎng)景。

5.2 發(fā)電側(cè)備用需求曲線分析

根據(jù)2.2節(jié)所述方法計(jì)算得到發(fā)電側(cè)備用需求曲線。如圖1所示，曲線隨發(fā)電側(cè)備用容量的增加而遞減，表明每單位發(fā)電側(cè)備用容量的邊際價(jià)值或效益彼此間是不相同的，其價(jià)值或效益是逐漸降低的。

5.3 外部成本內(nèi)置法特點(diǎn)分析

圖1中，僅考慮在內(nèi)部成本的傳統(tǒng)競(jìng)價(jià)模式下，備用最優(yōu)點(diǎn)位于B處，R*為275 MW，預(yù)期總成本為14 699$；本文所提外部成本內(nèi)置法改進(jìn)模式下，備用最優(yōu)點(diǎn)位于A處，R*為230 MW，預(yù)期總成本為 12 652$。

因此，傳統(tǒng)競(jìng)價(jià)模式是無(wú)效率的，不能夠?qū)崿F(xiàn)社會(huì)總成本的最小化，由于沒(méi)有計(jì)及外部成本，發(fā)電側(cè)備用被過(guò)量配置。由表1中各成本分量可以看出，改進(jìn)競(jìng)價(jià)模式下能夠顯著降低備用服務(wù)的可靠性與碳排放外部成本。圖1中，2條供給曲線之間的區(qū)域即為本文外部成本。 圖2為2種模式下各競(jìng)價(jià)機(jī)構(gòu)的備用中標(biāo)值。

表1 備用成本分量
Table 1 Components of reserve cost $

圖2 備用中標(biāo)結(jié)果對(duì)比Fig.2 Comparison of bidding results in reserves

計(jì)及外部成本后，可靠性高、排放低機(jī)組(G8、G9)疊加的外部成本較小，邊際綜合成本較小，競(jìng)價(jià)序位前移，從而會(huì)優(yōu)先中標(biāo)；可靠性低、排放高機(jī)組(G2、G4、G6)疊加的外部成本較大，邊際綜合成本較大，從而較少中標(biāo)或不再中標(biāo)。因此，改進(jìn)模式對(duì)發(fā)電商具有可靠性激勵(lì)與碳減排激勵(lì)作用。

對(duì)于V2G備用而言，在傳統(tǒng)模式下并不會(huì)中標(biāo)，但在改進(jìn)模式下，由于V2G備用不產(chǎn)生碳排放，并且第1段投標(biāo)容量RV,1值較小，APC能夠以較高的可靠性滿足這部分備用需求，所以第1段報(bào)價(jià)也不存在附加邊際可靠性外部成本，因此V2G備用V1段將會(huì)中標(biāo)。而V2G備用第2、3段報(bào)價(jià)附加的邊際可靠性外部成本很高，也就不會(huì)中標(biāo)。

進(jìn)一步分析本文方法下的V2G備用服務(wù)特性，以第1段投標(biāo)為例，圖3給出了V2G備用可靠性外部成本與RV,1、APC方差φ2之間的關(guān)系曲線。

圖3 可靠性外部成本與φ2、RV,1的關(guān)系曲線Fig.3 Relation curves of reliability external cost and φ2’s, RV,1’s

分析圖3知，V2G備用可靠性外部成本隨RV,1增大而加速遞增，說(shuō)明其邊際可靠性外部成本隨RV,1增加而增大，因此對(duì)于代理商而言，需要合理的確定其投標(biāo)策略；可靠性外部成本隨APC方差增大而增大，說(shuō)明APC不確定性對(duì)于V2G備用的競(jìng)價(jià)有負(fù)面影響，因此為了充分利用V2G備用資源，需要建立合適的市場(chǎng)機(jī)制保證電動(dòng)汽車提供備用服務(wù)的可靠性。

5.4 備用資源的協(xié)調(diào)優(yōu)化

如圖4所示為不同發(fā)電側(cè)備用容量下的成本曲線。預(yù)期備用總成本包括IBDR成本與發(fā)電側(cè)備用成本，其中發(fā)電側(cè)備用成本又包括備用內(nèi)部成本、可靠性外部成本與碳排放外部成本。由曲線變化趨勢(shì)可以看出：IBDR成本隨購(gòu)買的發(fā)電側(cè)備用容量增加而降低，發(fā)電側(cè)備用成本則隨之增加；過(guò)多或過(guò)少地配置發(fā)電側(cè)備用，都將導(dǎo)致較高的預(yù)期備用總成本，需求側(cè)與發(fā)電側(cè)備用的協(xié)調(diào)優(yōu)化，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期總成本的最小化。

圖4 備用成本曲線Fig.4 Reserve cost curve

6 結(jié) 語(yǔ)

在備用資源的優(yōu)化配置中兼顧備用服務(wù)的可靠性與碳減排因素，同時(shí)考慮多種備用資源的參與，對(duì)于保證系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要意義。

本文方法能夠計(jì)及影響備用服務(wù)的多種因素，從社會(huì)成本最小化的角度優(yōu)化備用資源配置；能夠充分利用需求側(cè)與發(fā)電側(cè)多種資源，實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)優(yōu)化；能夠有效反映備用需求的不確定性，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)可靠性與經(jīng)濟(jì)性的協(xié)調(diào)。不同于傳統(tǒng)的多目標(biāo)建模方法，本文方法具有明確的經(jīng)濟(jì)學(xué)含義，是一種高效的求解方法。另外，基于外部成本內(nèi)置法的競(jìng)價(jià)方式能夠有效容納多個(gè)競(jìng)價(jià)目標(biāo)，能夠適應(yīng)未來(lái)建設(shè)安全可靠、經(jīng)濟(jì)及低碳的電力市場(chǎng)綜合發(fā)展要求，不僅適用于備用輔助服務(wù)市場(chǎng)，也可同樣推廣至電能主市場(chǎng)競(jìng)價(jià)機(jī)制的設(shè)計(jì)，有較大應(yīng)用前景。

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(編輯 劉文瑩)

附錄A

表A1 機(jī)組數(shù)據(jù)
Table A1 Dates of the generators

注：本文采用平均分配發(fā)電容量利用小時(shí)數(shù)的方式模擬機(jī)組在電能市場(chǎng)中的中標(biāo)結(jié)果。

表A2 機(jī)組備用投標(biāo)數(shù)據(jù)
Table A2 Reserve bidding datas of generators

A Reserve Market Bidding Model Based on Internalization of External Cost

LI Shidong1, ZHANG Xiaojun1, ZHANG Lizhu1, LI Luyan1, XU Hang1, SHI Quansheng2

(1.Taian Power Supply Company, State Grid Shandong Electric Power Company, Taian 271000, Shandong Province, China；2.Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China)

According to the optimal allocation of diverse reserve resources under multiple factors, this paper proposes a reserve market bidding model based on internalization method of external cost. Taking demand response as opportunity cost and considering the uncertainty of contingencies, we adopt risk management method to build generation-side reserve demand curve, in order to realize the coordination of the reserve resources between demand side and generation side. Then, the marginal external cost of generation-side reserve reliability and carbon emission factors are quantified and internalized into the internal cost quotation of generation side reserve, which is taken as the bidding criterion to further achieve the internal coordination of generation side reserve. Finally, the optimal decision point is obtained according to supply and demand theory. The simulation results show that the proposed method can realize the optimal allocation of reserve from social perspective, and possess the incentive of reliability and carbon emission reduction.

reserve market; bidding; risk management; generation side reserve; coordinative optimization; internalization of external cost

表A3 IBDR投標(biāo)數(shù)據(jù)Table A3 Reserve bidding datas of IBDR

表A4 代理商投標(biāo)數(shù)據(jù)Table A4 Reserve bidding datas of aggregator

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(71403163);上海高校人文社會(huì)科學(xué)重點(diǎn)研究基地(WKJD15004)

TM 732

A

1000-7229(2016)03-0063-08

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.03.010

2015-11-17

李士動(dòng)(1989)，男，碩士，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化、電力市場(chǎng)；

張孝君(1988)，男，助理工程師，技師，主要從事電網(wǎng)運(yùn)行技術(shù)工作；

張立柱(1990)，男，助理工程師，主要從事電力系統(tǒng)自動(dòng)化研究工作；

李魯燕(1987)，女，助理工程師，技師，主要從事繼電保護(hù)專業(yè)工作；

許行(1987)，男，碩士，主要從事繼電保護(hù)專業(yè)工作；

施泉生(1961)，男，教授，主要從事電力經(jīng)濟(jì)與管理科學(xué)研究工作。

Project supported by National Natural Science Foundation of China (71403163)