美國電力目前市場中可靠性機(jī)組組合機(jī)制研究

劉煜， 荊朝霞， 劉潤澤， 黃寧馨

(華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州 510640)

0 引 言

我國電力現(xiàn)貨市場建設(shè)正處于深入推進(jìn)和推廣階段，目前市場是現(xiàn)貨市場的重要環(huán)節(jié)，產(chǎn)生時間和空間的價格信號，引導(dǎo)電力資源優(yōu)化配置?，F(xiàn)階段，國內(nèi)關(guān)于市場的研究集中在兩個方面：①適應(yīng)我國改革現(xiàn)狀的目前市場建設(shè)路徑探索[1-3]；②基于我國電力系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀對現(xiàn)有市場出清方式的改進(jìn)[4]。相關(guān)研究較少關(guān)注目前市場價格形成機(jī)制。

市場均衡是電力市場機(jī)制設(shè)計(jì)的核心，因此市場價格須由購售雙方共同決定。我國部分現(xiàn)貨試點(diǎn)地區(qū)允許用戶側(cè)市場報價，但調(diào)度機(jī)構(gòu)采用負(fù)荷預(yù)測作為購電需求進(jìn)行目前市場出清[5-7]，導(dǎo)致出清價格未完全反映市場真實(shí)供需。為此，我國目前市場需向雙邊市場轉(zhuǎn)變，即：基于購售雙方報價進(jìn)行出清，但由此獲得的開機(jī)方式可能在部分時段無法滿足負(fù)荷預(yù)測。美國目前市場是典型雙邊市場，其在市場出清后開展可靠性機(jī)組組合(reliability unit commitment, RUC)，新增機(jī)組提供發(fā)電容量以滿足負(fù)荷預(yù)測與市場出清電量間的偏差[8-9]。但不同地區(qū)的RUC機(jī)制設(shè)計(jì)有差異，對市場運(yùn)營結(jié)果造成不同影響，因此，研究美國RUC機(jī)制并進(jìn)行市場影響性分析，對我國雙邊市場建設(shè)具有重要的理論價值和現(xiàn)實(shí)意義。

本文首先以廣東為例，分析我國部分現(xiàn)貨試點(diǎn)省份在目前市場出清方面存在的問題。隨后介紹美國目前市場框架，介紹市場出清和RUC二者的市場功能和銜接方式，重點(diǎn)研究RUC機(jī)制設(shè)計(jì)的差異，并通過IEEE 118節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行市場運(yùn)營結(jié)果影響性對比，為我國雙邊目前市場建設(shè)提供借鑒。

1 雙邊目前市場建設(shè)必要性

1.1 廣東目前市場價格形成機(jī)制分析

圖1 目前市場出清示意圖

以廣東為例，分析我國部分現(xiàn)貨試點(diǎn)省份采用負(fù)荷預(yù)測進(jìn)行目前市場出清，用戶側(cè)申報需求用于目前市場結(jié)算，造成的價格信號扭曲和結(jié)算不平衡資金問題，如圖1所示。圖1中：QB和QF分別為用戶側(cè)申報需求和負(fù)荷預(yù)測；PF為市場出清價格，PB為非供需均衡價格。出清價格扭曲未完全反映購售雙方真實(shí)供需。同時，申報需求用于目前市場結(jié)算，導(dǎo)致目前市場存在結(jié)算不平衡資金，可通過式(1)表示。

(1)

式中：RU、RG、RD分別為目前市場中結(jié)算不平衡資金、發(fā)電側(cè)電能量收入和用戶側(cè)電能量電費(fèi)。

建立雙邊目前市場是解決上述價格信號扭曲和結(jié)算不平衡資金問題的根本方法。

1.2 美國雙邊目前市場框架概述

美國目前市場包含目前市場出清和RUC。目前市場出清是基于申報需求進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，獲得出清結(jié)果；RUC在出清結(jié)果基礎(chǔ)上，新增機(jī)組提供可用發(fā)電容量以滿足負(fù)荷預(yù)測與目前出清電量間的偏差。圖2展示了美國絕大部分獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營商(independent system operator, ISO)采用目前市場出清和RUC銜接方式，并以目前市場出清和RUC為順序開展。

圖2 目前市場出清與RUC的銜接方式

2 雙邊目前市場框架研究

2.1 目前市場出清

目前市場出清是在滿足各項(xiàng)安全穩(wěn)定約束情況下，按最優(yōu)經(jīng)濟(jì)調(diào)度原則滿足負(fù)荷申報需求。

1) 目標(biāo)函數(shù)

(2)

2) 系統(tǒng)供需平衡約束

(3)

式中:Pi,t為機(jī)組i在t時段的出力；D為負(fù)荷集合；Qj,t為負(fù)荷j在目前市場t時段的申報需求。

3) 機(jī)組運(yùn)行約束

機(jī)組運(yùn)行約束包括出力上下限約束、上爬坡約束、下爬坡約束、啟停狀態(tài)約束和開停機(jī)動作約束，分別由式(4)～式(8)表示。

(4)

(5)

(6)

si,t-zi,t=μi,t-μi,t-1

(7)

si,t+zi,t≤1

(8)

4) 網(wǎng)絡(luò)約束

(9)

2.2 RUC概述

2.2.1 RUC機(jī)制

RUC旨在目前市場出清結(jié)果基礎(chǔ)上獲取可用發(fā)電容量以保障系統(tǒng)發(fā)電充裕度，滿足負(fù)荷預(yù)測需求。在美國RUC實(shí)踐中，可用發(fā)電容量獲取方式有兩種：①啟動服務(wù)：ISO通過啟動機(jī)組獲取可用發(fā)電容量；②可用發(fā)電容量拍賣：機(jī)組為其可用發(fā)電容量申報RUC容量報價，并由ISO進(jìn)行集中拍賣。

由于節(jié)點(diǎn)電價的計(jì)算未考慮機(jī)組離散運(yùn)行的空載成本和啟停成本，導(dǎo)致在部分時段按節(jié)點(diǎn)電價支付的收入無法覆蓋機(jī)組的總報價成本[10]。為此，ISO會對機(jī)組進(jìn)行全成本補(bǔ)償，以保障其參與現(xiàn)貨市場不會承擔(dān)經(jīng)濟(jì)損失，實(shí)現(xiàn)報價成本回收。全成本補(bǔ)償費(fèi)用一般為總報價成本中未完全由現(xiàn)貨市場收入覆蓋的那部分成本，如式(10)～式(11)表示。

(10)

(11)

2.2.2 RUC模型

1) 啟動服務(wù)

(1) 目標(biāo)函數(shù)。啟動服務(wù)的優(yōu)化目標(biāo)為新增機(jī)組的啟動成本和空載成本最小化。

(12)

(13)

(14)

(15)

(3) 功率平衡約束

(16)

式中:Dt為t時段的系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測。

(4) 網(wǎng)絡(luò)約束

(17)

式中:Gl-k為節(jié)點(diǎn)k對線路l的發(fā)電轉(zhuǎn)移分布因子;Dk,t為t時段節(jié)點(diǎn)k的負(fù)荷預(yù)測值;K為系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)集合。

推薦理由:南山發(fā)展和變遷是中國改革開放的一個縮影，南山的成功之道蘊(yùn)含了中國崛起的內(nèi)在邏輯。南山經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展及基層治理取得的成就，反映了中國崛起的內(nèi)在邏輯。南山經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展及基層治理取得的成就，反映了中國模式的一個側(cè)面。它向世界展示了中國特色社會主義蓬勃生機(jī)活力和光明前景，證明了改革開放，是中國實(shí)現(xiàn)工業(yè)化、現(xiàn)代化，實(shí)現(xiàn)人民富裕、國家強(qiáng)盛的必由之路。本書分六章介紹了南山治理的經(jīng)驗(yàn)，分析總結(jié)了南山治理模式成功的原因。

(5) 機(jī)組運(yùn)行約束。機(jī)組運(yùn)行約束滿足式(4)～式(8)。

2) 可用發(fā)電容量拍賣

(1) 目標(biāo)函數(shù)。可用發(fā)電容量拍賣以RUC容量成本、新開機(jī)組的啟動成本與空載成本最小化為優(yōu)化目標(biāo)。

(18)

(2) 必開機(jī)組約束。必開機(jī)組約束如式(13)～式(15)所示。

(3) 功率平衡約束

(19)

(4) 網(wǎng)絡(luò)約束

(20)

(5) 機(jī)組運(yùn)行約束。機(jī)組運(yùn)行約束在式(7)～式(8)的基礎(chǔ)上，還考慮RUC容量提供范圍約束，如式(21)所示。

(21)

3 算例分析

3.1 算例設(shè)計(jì)

模式1：目前市場出清與RUC為順序開展，RUC購買啟動服務(wù)。

模式2：目前市場出清與RUC為順序開展，RUC開展可用發(fā)電容量拍賣。

圖3 目前市場系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測與用戶申報量

3.2 算例分析

1) RUC開機(jī)方式分析

RUC開機(jī)情況如表1所示，模式1的RUC會優(yōu)先啟動空載成本和啟動成本低的機(jī)組，因此模式1的RUC新增機(jī)組的全天的空載成本與啟動成本會小于模式2。但由于模式2的RUC目標(biāo)函數(shù)計(jì)及RUC容量報價，該報價從一定程度反映機(jī)組的電能量成本。因此模式2的RUC新增機(jī)組的電能量成本報價會低于模式1，如編號44機(jī)組的能量成本報價低于模式1和模式2中任意RUC新增機(jī)組。

表1 不同市場模式下RUC開機(jī)情況

2) 供電成本分析

供電成本情況如圖4所示。模式1和模式2由于目前市場出清模型一致，因此兩種模式的目前市場供電成本相同。

由于RUC容量報價從一定程度反映機(jī)組的電能量成本，因此模式2的實(shí)時市場供電成本總體低于模式1，減少9.4萬元。

圖4 不同市場模式下的各時刻系統(tǒng)總供電成本

3) 價格分析

市場出清價格如圖5所示。模式1和模式2的目前市場出清模型一致，且RUC不影響目前市場出清結(jié)果，因此二者目前市場價格相同。模式2的RUC新增機(jī)組的電能量成本報價低于模式1，因此模式2的實(shí)時市場價格總體低于模式1，價格低的時段都是模式2和模式1的RUC新增機(jī)組存在差異的時段，在表1中為10∶00—17∶00，而在其他時段，模式1和模式2的RUC新增機(jī)組一致，因此該時段實(shí)時市場價格也一致。

圖5 不同市場出清模式下的各時刻市場出清價格

4) 全成本補(bǔ)償費(fèi)用分析

發(fā)電側(cè)的市場收入及全成本補(bǔ)償費(fèi)用情況如表2所示。模式1和模式2目前市場出清模型一致，因此目前市場收入相同。但模式2的實(shí)時市場價格整體低于模式1，因此模式2實(shí)時市場收入低于模式1。

由于模式1的RUC優(yōu)化目標(biāo)為新增機(jī)組的啟動成本與空載成本最小化，并且模式1的實(shí)時市場收入高于模式2，因此模式1通過全成本補(bǔ)償回收機(jī)組的空載成本和啟停成本的補(bǔ)償費(fèi)用低于模式2，即：模式1的市場主體為保障系統(tǒng)發(fā)電充裕度而承擔(dān)的系統(tǒng)可靠性相關(guān)費(fèi)用低于模式2。

表2 不同市場出清模式下發(fā)電側(cè)收入情況

綜上所述，RUC機(jī)制設(shè)計(jì)差異主要影響實(shí)時市場結(jié)果和全成本補(bǔ)償費(fèi)用，不影響市場結(jié)果。模式1的RUC將優(yōu)先啟動空載成本和啟動成本低的機(jī)組，此時RUC新增機(jī)組的全天空載成本和啟動成本之和低于模式2，因此全成本補(bǔ)償費(fèi)用也低于模式2。模式2的RUC優(yōu)化目標(biāo)計(jì)及RUC容量成本，間接反映機(jī)組電能量成本，因此模式2的實(shí)時市場價格和運(yùn)行成本均低于模式1。

4 結(jié)束語

雙邊目前市場的建設(shè)是還原電力商品屬性的重要舉措。通過對比美國兩種RUC，獲取可用發(fā)電容量的方式。結(jié)果表明，兩種方式無絕對優(yōu)劣之分，而在于設(shè)計(jì)理念是實(shí)現(xiàn)市場成員為可靠性機(jī)組組合承擔(dān)的全成本補(bǔ)償費(fèi)用最小化，還是保障電力系統(tǒng)資源優(yōu)化配置。啟停服務(wù)方式造成的系統(tǒng)全成本補(bǔ)償費(fèi)用相比拍賣方式更低，利于降低市場主體承擔(dān)的與系統(tǒng)可靠性相關(guān)的費(fèi)用。拍賣方式的實(shí)時市場供電成本相比啟停服務(wù)方式更低，利于實(shí)現(xiàn)電力資源優(yōu)化配置。