基于單元機組燃料效益的調(diào)峰輔助服務(wù)市場機制評估

田雪沁1，潘夢琪，徐 彤1，宋崇明1，郭玉杰1，王新雷1，郭鈺鋒

(1.北京華建網(wǎng)源電力設(shè)計研究院有限公司，北京 102209; 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電氣工程及自動化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

風(fēng)電在具有清潔、可持續(xù)發(fā)展等特點的同時[1]，其出力具有隨機性、波動性和間歇性[2-4]。且由于大風(fēng)期與用電低谷時期相重合，風(fēng)電具有“反調(diào)峰”特性[5]。若不采取棄風(fēng)手段，低谷時期大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)會造成電力系統(tǒng)向下調(diào)峰需求大幅度增長[6]，迫使火電機組出讓發(fā)電空間給風(fēng)電機組，從而影響火電機組的經(jīng)濟性。因此，需要引入調(diào)峰輔助服務(wù)市場對火電機組進行有償調(diào)峰補償。建立良好的交易機制能有效促進火電機組積極參與調(diào)峰，從而提高電力系統(tǒng)調(diào)峰能力，達到提升風(fēng)電等清潔能源的并網(wǎng)比例的目的。

近年來，國外率先引入電力市場的概念，將電能和輔助服務(wù)當(dāng)作可競爭的商品[7]。對比國外僅包含調(diào)頻、備用、無功補償和黑啟動的輔助服務(wù)市場，我國由于調(diào)峰問題突出，在此基礎(chǔ)上考慮了調(diào)峰輔助服務(wù)市場的應(yīng)用[8]。2008年我國六大區(qū)域發(fā)布的《并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理細則》中所提到的“固定補償機制”是我國最早期的輔助服務(wù)市場建設(shè)。2015年《關(guān)于進一步深化電力體制改革的若干意見》[中發(fā)〔2015〕9號](簡稱“9號文”)發(fā)布后，我國輔助服務(wù)市場蓬勃發(fā)展。文獻[9]詳細分析了東北電力調(diào)峰輔助服務(wù)市場機制，其中東北市場的實時深度調(diào)峰是分段出清模式的典型代表。文獻[10]描述了基于貢獻度的調(diào)峰補償模式，設(shè)計了可再生能源參與的調(diào)峰市場機制。文獻[11]定義了調(diào)峰權(quán)及調(diào)峰權(quán)交易的概念，提出調(diào)峰容量交易市場。通過調(diào)峰權(quán)交易，調(diào)峰能力不足的發(fā)電機組可以購買調(diào)峰權(quán)提升機組運行的經(jīng)濟性[12-13]。文獻[14]從調(diào)峰能力角度提出一種省間調(diào)峰互濟交易機制和調(diào)峰能力評估方法。上述研究的側(cè)重點在于如何提高系統(tǒng)調(diào)峰能力和機組經(jīng)濟性，但未能說明交易機制對促進節(jié)能減排的影響。我國各地區(qū)調(diào)峰輔助服務(wù)市場機制差異較大，因此，對交易機制的綜合評估就顯得非常重要。

本文在綜合考慮系統(tǒng)運行經(jīng)濟性和環(huán)保性的基礎(chǔ)上，基于機組費用最低的目標和統(tǒng)一出清電價理論，建立三種典型交易模式下的調(diào)峰輔助服務(wù)市場交易模型；通過單元機組燃料效益這一指標，對三種類型的調(diào)峰輔助服務(wù)市場機制進行了評估。

1 單元機組燃料效益指標

對于參與調(diào)峰輔助服務(wù)市場的單元機組而言，其收益由售電收益R1i和調(diào)峰收益R2i兩部分組成。售電收益R1i是指發(fā)電機組i通過承擔(dān)低谷時段的用電需求所獲得的正常收益，可以表示為

R1i=ρBGPiT

(1)

式中ρBG——發(fā)電機組i所在省的標桿電價/元·(MWh)-1;

Pi——發(fā)電機組i的出力/MW;

T——一個交易周期/min。

調(diào)峰收益R2i是指發(fā)電機組i平均負荷率低于有償調(diào)峰基準形成的未發(fā)電量所獲得的補償性收益，可以表示為

R2i=ρPGiT

(2)

Pi=νPNi-PGi

(3)

式中ρ——對欠發(fā)電量的補償電價/元·(MWh)-1;

ν——有償調(diào)峰基準;

PNi——發(fā)電機組i的額定容量/MW;

PGi——發(fā)電機組i的向下銷售發(fā)電容量/MW。

在某一固定調(diào)峰需求下，通過計算調(diào)峰市場收益可以直觀比較不同交易機制下機組的經(jīng)濟性。但在不同調(diào)峰需求下，若要比較機組的經(jīng)濟性，僅考慮調(diào)峰收益無法直觀地得出結(jié)論。因此，本文定義單元機組燃料效益ηi評估不同調(diào)峰需求下交易機制的經(jīng)濟性和環(huán)保性。單元機組燃料效益是指單元機組在一個交易周期內(nèi)燃燒一單位燃料所獲得的機組收益。設(shè)在實時深度調(diào)峰交易時段內(nèi)，發(fā)電機組i向下銷售發(fā)電容量為PGi，單元機組燃料效益ηi可以表示為

(4)

Fi(Pi)=aiPi2+biPi+ci

(5)

式中Fi——燃煤機組或燃氣機組i的耗量特性/t·h-1或m3·h-1;

ai，bi，ci——發(fā)電機組i的耗量特性系數(shù)/t·(MW2h)-1, t·(MWh)-1, t·h-1或

m3·(MW2h)-1,m3·(MWh)-1,m3·h-1。

由上式可知，單元機組燃料效益具有如下特點：(1)對于燃煤機組，ηi的單位為元/t，對于燃氣機組，ηi的單位為元/m3；(2)ηi是一個非負值，ηi越大，則單元機組獲得相同的收益所消耗的燃燒單位燃料越少，機組更節(jié)能環(huán)保；(3)ηi的數(shù)值大小和機組在調(diào)峰輔助服務(wù)市場中的中標情況密切相關(guān)，若合理的機制可以使機組的ηi在相同調(diào)峰需求下增大，則表明該機制能有效激勵機組參與調(diào)峰輔助服務(wù)市場；(4)通過計算ηi可以在不同調(diào)峰需求下對同一臺機組進行較為清晰直觀的收益比較。

2 低谷實時深度調(diào)峰市場類型

根據(jù)現(xiàn)已頒布的各省份調(diào)峰輔助服務(wù)管理實施細則，可以將低谷實時深度調(diào)峰市場機制分為固定補償模式、一段出清模式和多段出清模式。三種不同模式的交易機制數(shù)學(xué)模型刻畫如下。

2.1 固定補償模式

在固定補償模式下，發(fā)電企業(yè)在各個時段的發(fā)電量由交易機構(gòu)確定。交易機構(gòu)以經(jīng)濟成本最低為目標函數(shù)，對少發(fā)電量按照50元/MWh進行補償，交易機制目標函數(shù)和約束條件可以表示為

(6)

(7)

(8)

式中Preq——某時刻的系統(tǒng)調(diào)峰需求/MW;

2.2 一段出清模式

目前，各國電力市場有不同的機構(gòu)設(shè)置方式。以美國PJM為例，市場交易和系統(tǒng)運行為一體，輸電公司獨立，如圖1所示。

在電力市場中，暫不考慮網(wǎng)絡(luò)約束，統(tǒng)一出清電價模型由目標函數(shù)、功率平衡約束和機組功率約束構(gòu)成，通常調(diào)度中心會選擇機組報價和申報電量的乘積最小，即機組生產(chǎn)總成本最小，進行經(jīng)濟調(diào)度或有安全約束的經(jīng)濟調(diào)度。

應(yīng)用于調(diào)峰輔助服務(wù)市場，對少發(fā)電量按照出清電價進行補償，交易機制的目標函數(shù)和約束條件可以表示為

minpTPG

(9)

s.t.eTPG=Preq

(10)

(11)

式中p——所有機組的報價/元·(MWh)-1;

PG——所有機組向下銷售發(fā)電容量/MW;

2.3 多段出清模式

實際的實時深度調(diào)峰交易通常采用“階梯式”報價方式和價格機制，發(fā)電企業(yè)在不同時期分兩檔浮動報價，每段報價均有上下限。暫不考慮網(wǎng)絡(luò)約束，對于多段出清模式的第一段，交易機制的目標函數(shù)和約束條件可以表示為

minpT1PG1

(12)

(13)

(14)

對于多段出清模式的第j段，可以表示為

minpTjPGj

(15)

(16)

(17)

(18)

(19)

(20)

式中P——所有機組的出力/MW。

3 應(yīng)用實例

本文選擇供熱期的燃煤、燃氣發(fā)電機組作為研究對象，基于單元機組燃料效益指標評估在不同調(diào)峰需求下三種調(diào)峰輔助服務(wù)市場機制的經(jīng)濟性和環(huán)保性。其中，多段報價機制以兩段出清模式作為典型模式進行仿真實驗。假設(shè)某地區(qū)某時段內(nèi)系統(tǒng)向下調(diào)峰需求為Preq，該地區(qū)標桿電價為432元/MWh，一個交易周期為15 min，固定補償機制按照50元/MWh的標準進行補償；區(qū)域內(nèi)6臺機組依次編號為A-F，其中B機組為燃氣機組，其余均為燃煤機組；A-D機組參與調(diào)峰市場；E和F機組承擔(dān)系統(tǒng)基荷，分別固定出力500 MW；各臺機組裝機容量、出力上下限申報電量和報價如表1至表3所示。利用GAMS中的Conopt求解器求解，三種機制下單位機組燃料效益隨調(diào)峰需求的變化曲線如圖2所示。

通過求取單元機組燃料效益能夠清晰地比較不同調(diào)峰需求下各機組每燃燒一單位燃料所產(chǎn)生的收益：(1)當(dāng)調(diào)峰需求增大至某一定值后，A機組和B機組兩段出清機制下的單元機組燃料效益最高，其次是一段出清機制下的單元機組燃料效益，而固定補償機制下的單元機組燃料效益最低；(2)C、D機組兩段出清機制下的單元機組燃料效益最高，其次是一段出清機制下的單元機組燃料效益，而固定補償機制下的單元機組燃料效益最低；(3)隨著調(diào)峰需求的增加，不同機制的單元機組燃料效益差值也會增大。

表1 機組基本情況

表2 一段出清機組報價和申報電量

表3 兩段出清機組報價和申報電量

4 結(jié) 論

(1)調(diào)峰收益是一個評估機組經(jīng)濟性的指標，但其具有局限性。本文將調(diào)峰機組單位時間內(nèi)總收益與機組耗量相比從而提出單元機組燃料效益的概念，該指標可以解決機組參與調(diào)峰市場后在不同調(diào)峰需求下的經(jīng)濟性評估問題，同時該指標也可以體現(xiàn)單元機組的環(huán)保性。

(2)描述了固定補償模式、一段出清模式和多段出清模式的區(qū)別，基于機組費用最低為目標函數(shù)的基本假設(shè)和統(tǒng)一出清電價理論，對三種模式下的調(diào)峰輔助服務(wù)機制進行建模。

(3)對不同調(diào)峰需求下的三種調(diào)峰輔助服務(wù)機制交易結(jié)果進行了比較，結(jié)果表明：兩段出清交易機制下，機組中標的調(diào)峰電量較為分散；當(dāng)調(diào)峰需求較大時，兩段出清交易機制的單元機組燃料效益最高，其次是一段出清交易機制的單元機組燃料效益，而固定補償機制的單元機組燃料效益最低。因此，對于調(diào)峰需求較大的地區(qū)，可以實行多段出清交易機制以提高單元機組經(jīng)濟性和環(huán)保性。