考慮替代效應(yīng)的電動(dòng)汽車負(fù)荷參與調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)出清方式

崔 楊，周飛杰，趙鈺婷，劉新元，韓傳鼎

（1. 東北電力大學(xué)現(xiàn)代電力系統(tǒng)仿真控制與綠色電能新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林吉林 132012；2. 國(guó)網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西太原 030001；3. 中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司，廣東廣州 510000）

0 引言

新能源滲透率不斷提高是當(dāng)前電網(wǎng)結(jié)構(gòu)最顯著的變化特征之一，隨之而來的是更加頻繁且劇烈的凈負(fù)荷波動(dòng)，給電網(wǎng)頻率穩(wěn)定帶來了新的挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對(duì)不斷擴(kuò)大的調(diào)頻需求，我國(guó)從“9 號(hào)文”出臺(tái)后開啟了市場(chǎng)化探索調(diào)頻輔助服務(wù)的新階段。

建設(shè)調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)是我國(guó)電力市場(chǎng)化改革中的重要組成部分，對(duì)于降低電力供應(yīng)成本、理順價(jià)格形成機(jī)制具有重要意義［1］。與澳大利亞、美國(guó)等國(guó)相比，我國(guó)電力市場(chǎng)化改革起步較晚，亟需對(duì)運(yùn)營(yíng)實(shí)踐進(jìn)行總結(jié)并提出后續(xù)的改進(jìn)方向。相關(guān)學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究：文獻(xiàn)［2］梳理了美國(guó)賓夕法尼亞-新澤西-馬里蘭州聯(lián)合電力系統(tǒng)（PJM）、加利福尼亞州獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商（CAISO）、美國(guó)德克薩斯州電力可靠性委員會(huì)（ERCOT）的調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)定價(jià)機(jī)制，提出了不同市場(chǎng)階段下調(diào)頻輔助服務(wù)的可行建議；文獻(xiàn)［3］總結(jié)山西省調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)的運(yùn)營(yíng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)得出，山西省調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)的準(zhǔn)入主體種類單一，競(jìng)爭(zhēng)同質(zhì)化問題開始顯現(xiàn)，僅有火電與儲(chǔ)能被允許參與輔助服務(wù)市場(chǎng)，對(duì)機(jī)組調(diào)頻性能改造的積極性不高，與我國(guó)市場(chǎng)化改革的目標(biāo)不符，需要擴(kuò)大調(diào)頻輔助服務(wù)的參與主體。與此同時(shí)，我國(guó)出臺(tái)的相關(guān)政策文件也正在倡導(dǎo)“按需擴(kuò)大電力輔助服務(wù)提供主體”。而需求側(cè)的可調(diào)度資源如空調(diào)、電采暖以及電動(dòng)汽車EV（Electric Vehicle）等可控負(fù)荷參與調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)的具體形式仍有待研究。

EV 作為解決能源枯竭、實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的重要方式［4］，正在全球范圍內(nèi)得到大力推廣。截至2020年，我國(guó)EV 保有量達(dá)到414 萬(wàn)輛。已有研究表明，雙向EV 充電器［5］及EV 內(nèi)部的電力電子設(shè)備［6］能夠通過充放電很好地響應(yīng)電網(wǎng)的頻率偏差?；跀?shù)據(jù)庫(kù)的EV充電監(jiān)管系統(tǒng)［7］及充電樁的遠(yuǎn)程控制［8］取得的成果也為EV參與調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)提供了技術(shù)支撐。EV 參與調(diào)頻從本質(zhì)上而言是電池儲(chǔ)能參與調(diào)頻。與傳統(tǒng)的火電調(diào)頻機(jī)組相比，EV 參與調(diào)頻具有響應(yīng)速度更快、調(diào)節(jié)精度更高、頻率跟隨性更好等優(yōu)勢(shì)［9］；與新建火儲(chǔ)調(diào)頻電站相比，EV 參與調(diào)頻具有接入地點(diǎn)靈活、投資成本低等優(yōu)勢(shì)。如果補(bǔ)償?shù)卯?dāng)，則能夠?qū)崿F(xiàn)電網(wǎng)與EV 用戶的雙贏，并進(jìn)一步促進(jìn)EV的推廣。

目前，已有較多關(guān)于EV參與電力系統(tǒng)輔助服務(wù)市場(chǎng)的研究：文獻(xiàn)［10］提出了在EV大量普及后可以形成電動(dòng)汽車聚合商（EVA）與傳統(tǒng)發(fā)電廠共同參與電力系統(tǒng)調(diào)控，并指出可以在競(jìng)價(jià)上優(yōu)先對(duì)待EVA；文獻(xiàn)［11］提出了一種時(shí)滯環(huán)境下應(yīng)用EV 和電熱泵協(xié)同參與系統(tǒng)負(fù)荷頻率控制的調(diào)控策略；文獻(xiàn)［12］建立了基于電動(dòng)汽車入網(wǎng)（V2G）技術(shù)提供輔助服務(wù)的2 層配電網(wǎng)最優(yōu)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型。但上述研究大多從策略角度入手，所提高昂補(bǔ)償費(fèi)用并未考慮實(shí)際電網(wǎng)的運(yùn)營(yíng)規(guī)范，不符合現(xiàn)行市場(chǎng)細(xì)則，而從實(shí)際電網(wǎng)的運(yùn)行細(xì)則及運(yùn)行數(shù)據(jù)入手研究EV 參與調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)具體形式的文獻(xiàn)尚鮮有報(bào)道。

在出清方式上，我國(guó)大多數(shù)省份目前仍實(shí)行輔助服務(wù)市場(chǎng)與電能量市場(chǎng)順次出清［3，13］，在結(jié)算中需要補(bǔ)償機(jī)組的機(jī)會(huì)成本，而這增加了調(diào)頻支出。研究調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)與電能量市場(chǎng)聯(lián)合出清有助于減少總調(diào)度支出，文獻(xiàn)［14］提出了一種區(qū)域電網(wǎng)下能量與備用服務(wù)聯(lián)合出清模型，為探索輔助服務(wù)市場(chǎng)與電能量市場(chǎng)聯(lián)合出清提供了參考。在此基礎(chǔ)上，本文梳理了順次出清、聯(lián)合出清2 種方式的具體運(yùn)行步驟，對(duì)其成本構(gòu)成進(jìn)行分析，量化了所減少的購(gòu)電成本。

本文以我國(guó)某電網(wǎng)現(xiàn)行調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)細(xì)則為依據(jù)，給出了含EV參與的調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)與電能量市場(chǎng)聯(lián)合出清模型，考慮EV 電池充放電成本，對(duì)現(xiàn)行補(bǔ)償價(jià)格下EV 參與調(diào)頻輔助服務(wù)的可行性進(jìn)行分析，提出了考慮快速調(diào)頻資源替代效應(yīng)的報(bào)價(jià)修正方式，并基于IEEE 39 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)對(duì)所提方案的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 EV聚合及補(bǔ)償價(jià)格響應(yīng)模型構(gòu)建

1.1 含EV參與的日前調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)組織流程

EV 具有自身容量小、調(diào)節(jié)效果差等特點(diǎn)，通常通過聚合形成EVA 的形式參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)。EV 用戶將自身車輛狀態(tài)以及可以接受的充放電價(jià)格上傳給EVA；EVA 經(jīng)過聚合后得到實(shí)時(shí)可調(diào)節(jié)容量，以報(bào)價(jià)、報(bào)量的形式參與調(diào)頻輔助服務(wù)等電力市場(chǎng)；電網(wǎng)調(diào)控中心綜合考慮各參與方的報(bào)價(jià)、歷史性能等參數(shù)進(jìn)行排序，由低到高購(gòu)買輔助服務(wù)直至滿足各時(shí)段需求。EVA 參與電力市場(chǎng)的組織流程如圖1 所示。圖中：M為EVA聚合的EV數(shù)量。

圖1 EVA參與電力市場(chǎng)的組織流程Fig.1 Organization process of EVA participating in electricity market

本文以山西省電力輔助服務(wù)市場(chǎng)實(shí)施細(xì)則為依據(jù)，給出了如下含EV參與的日前調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)的實(shí)施流程：

1）競(jìng)價(jià)日09:00前，電網(wǎng)調(diào)控中心公布次日可參與調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)的主體、次日調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)需求、負(fù)荷預(yù)測(cè)曲線（以15 min 為時(shí)間間隔，將1 d分為96個(gè)時(shí)段）；

2）競(jìng)價(jià)日09:00—09:30 各參與方進(jìn)行報(bào)價(jià)，現(xiàn)行市場(chǎng)規(guī)定報(bào)價(jià)上、下限分別為10、5元／MW，報(bào)價(jià)可選擇的最小單位為0.1 元／MW，EVA 采取適當(dāng)報(bào)價(jià)策略參與此階段的報(bào)價(jià)；

3）競(jìng)價(jià)日09:30—10:00 進(jìn)行日前市場(chǎng)出清，結(jié)合市場(chǎng)需求、各方申報(bào)數(shù)據(jù)及歷史調(diào)頻性能等，以調(diào)頻輔助服務(wù)購(gòu)買成本最小為目標(biāo)得到各機(jī)組的中標(biāo)容量及調(diào)頻容量收益，其中調(diào)頻容量?jī)r(jià)格無(wú)需申報(bào)，統(tǒng)一取為10元／（MW·h）。

1.2 基于實(shí)際出行數(shù)據(jù)的EV聚合

EV 出行數(shù)據(jù)主要包括離網(wǎng)時(shí)刻、入網(wǎng)時(shí)刻以及日行駛里程。

1.2.1 離網(wǎng)時(shí)刻分布

美國(guó)聯(lián)邦交通管理局FHWA（Federal HighWay Administration）統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)顯示，EV 第一次出行時(shí)刻（即離網(wǎng)時(shí)刻Tleave）大致符合式（1）所示正態(tài)分布。

式中：f1(Tleave)為離網(wǎng)時(shí)刻的概率密度函數(shù)；μ1、σ1分別為均值、標(biāo)準(zhǔn)差，取值分別為8.92、3.24。

1.2.2 入網(wǎng)時(shí)刻分布

為了簡(jiǎn)化分析，本文假設(shè)EV用戶在回家后即將EV 接入電網(wǎng)，并根據(jù)文獻(xiàn)［15］所得結(jié)論，認(rèn)為EV 最后一次出行結(jié)束時(shí)刻（即入網(wǎng)時(shí)刻Tin）滿足式（2）所示的對(duì)數(shù)正態(tài)分布。

式中：f2(Tin)為入網(wǎng)時(shí)刻的概率密度函數(shù)；μ2、σ2分別為均值、標(biāo)準(zhǔn)差，取值分別為17、1。

1.2.3 日行駛里程分布

日行駛里程數(shù)據(jù)取自我國(guó)某地EV 的實(shí)際行駛數(shù)據(jù)，其分布見附錄A 圖A1。本文認(rèn)為日行駛里程l在各分段內(nèi)服從均勻分布，繪制其累積分布函數(shù)f(l)（表達(dá)式如式（3）所示），并對(duì)累積分布函數(shù)的反函數(shù)進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果見附錄A圖A2。

式中：pi為擬合參數(shù)，具體取值見附錄A表A1。

1.2.4 EV負(fù)荷的聚合

本文選用比亞迪e6 型純EV 為研究對(duì)象，該型號(hào)EV 電池容量約為80 kW·h，每行駛100 km 的耗電量約為19.5 kW·h?，F(xiàn)有充電樁包含8 h 慢充及1.5 h 快充2 種充電模式，為了簡(jiǎn)化分析，本文假設(shè)EV 用戶從第一次離網(wǎng)出發(fā)后直至最后一次行程結(jié)束才會(huì)再一次接入電網(wǎng)接受調(diào)度，即認(rèn)為在用戶辦公期間EV不接入電網(wǎng)，可調(diào)度時(shí)段主要在夜間。由于快充充電樁的普及率低，可認(rèn)為EV用戶在家中均采用慢充模式與電網(wǎng)進(jìn)行功率交換。采用蒙特卡羅方法對(duì)上述離網(wǎng)時(shí)刻、入網(wǎng)時(shí)刻、日行駛里程分布進(jìn)行模擬，得到2000輛EV的出行數(shù)據(jù)。結(jié)合日行駛里程耗電量、離網(wǎng)時(shí)刻、出行前荷電狀態(tài)（SOC）約束，根據(jù)式（4）計(jì)算EV退出調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)的時(shí)刻。

1.3 基于充放電成本的補(bǔ)償價(jià)格響應(yīng)模型

比亞迪e6 型純EV 搭載的磷酸鐵鋰電池為鋰電池的一種，本文假設(shè)電池購(gòu)置成本為80000元，未來該成本有望低廉化。按照比亞迪官方公布的電池測(cè)試數(shù)據(jù)，該電池在進(jìn)行了10 000 次充放電后的容量下降為初始容量的70%，但仍能繼續(xù)使用，同時(shí)結(jié)合文獻(xiàn)［16］得到的電池循環(huán)壽命與放電深度之間的關(guān)系，本文所提以成本為基礎(chǔ)的報(bào)價(jià)確定方法如下。

1）確定各時(shí)段EV 參與調(diào)頻輔助服務(wù)的充放電功率（EV調(diào)頻出力）PEVt。

2）設(shè)定參與調(diào)頻輔助服務(wù)的調(diào)頻里程-調(diào)頻容量比n。

3）基于電池在該調(diào)頻容量下的調(diào)頻里程-調(diào)頻容量比n及電池購(gòu)置成本，根據(jù)式（5）確定各時(shí)段EV 用戶提供單位調(diào)頻容量造成的電池壽命損失成本。

式中：SSOC，t-1、SSOC，t分別為t-1、t時(shí)段EV 電池的荷電狀態(tài)；QEV為EV電池容量。

4）結(jié)合輔助服務(wù)市場(chǎng)實(shí)施細(xì)則中規(guī)定的容量補(bǔ)償及里程補(bǔ)償機(jī)制確定以成本為基礎(chǔ)的報(bào)價(jià)，并將其記為基準(zhǔn)補(bǔ)償價(jià)格W，如式（7）所示。

式中：Ccap為市場(chǎng)機(jī)制下的容量補(bǔ)償；Kf為EV電池的綜合調(diào)頻性能指標(biāo)。

對(duì)于不同補(bǔ)償價(jià)格下的EV響應(yīng)情況：假設(shè)當(dāng)補(bǔ)償價(jià)格達(dá)到1.2W時(shí)，開始有EV 用戶參與調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)；當(dāng)補(bǔ)償價(jià)格達(dá)到2W時(shí)，幾乎所有EV用戶參與調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)；當(dāng)補(bǔ)償價(jià)格位于（1.2W，2W）范圍內(nèi)時(shí)，參與輔助服務(wù)市場(chǎng)的EV 用戶數(shù)量采用線性函數(shù)表示。上述構(gòu)建思路參考不同激勵(lì)水平下的激勵(lì)型需求響應(yīng)［17］。

2 調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)的出清方案

2.1 調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)與電能量市場(chǎng)順次出清

2.1.1 調(diào)頻輔助市場(chǎng)的出清方案

以山西省調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)流程為例，調(diào)頻容量?jī)r(jià)格統(tǒng)一規(guī)定為10 元／（MW·h），各參與主體需要在日前申報(bào)各時(shí)段的調(diào)頻容量及調(diào)頻里程價(jià)格，電網(wǎng)調(diào)控中心參考各參與主體的歷史調(diào)頻性能歸一化指標(biāo)λi對(duì)報(bào)價(jià)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，如式（8）所示。在非聯(lián)合出清模式下，需計(jì)算機(jī)組因提供調(diào)頻輔助服務(wù)偏離經(jīng)濟(jì)運(yùn)行點(diǎn)而造成的經(jīng)濟(jì)損失（即機(jī)會(huì)成本），如式（9）所示。

式中：Ca，mili，t為t時(shí)段機(jī)組i調(diào)整后的調(diào)頻里程報(bào)價(jià)；λi為機(jī)組i的歸一化綜合調(diào)頻性能指標(biāo)；為t時(shí)段機(jī)組i的機(jī)會(huì)成本；Wchuqing為出清電價(jià)；為機(jī)組i的單位容量運(yùn)行成本為機(jī)組i的中標(biāo)容量；Ts、Te分別為輔助服務(wù)開始、結(jié)束時(shí)段。

考慮價(jià)格、調(diào)頻效果對(duì)修正后的報(bào)價(jià)進(jìn)行重新排序得到新的報(bào)價(jià)曲線，在滿足系統(tǒng)調(diào)頻容量需求及調(diào)頻里程需求的前提下，以調(diào)頻輔助服務(wù)總支出最小為目標(biāo)函數(shù)，如式（10）所示。需滿足的約束條件如式（11）—（13）所示。

機(jī)組在調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)的收益分為調(diào)頻容量收益、調(diào)頻里程收益兩部分，日前市場(chǎng)均只執(zhí)行預(yù)出清，而在實(shí)時(shí)市場(chǎng)按照實(shí)際貢獻(xiàn)進(jìn)行正式出清，其中考慮機(jī)組i綜合調(diào)頻性能指標(biāo)Ki的總收益為：

式中：Lregi為機(jī)組i在調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)的總收益；為t時(shí)段調(diào)頻里程的出清價(jià)格。

對(duì)于EV調(diào)頻出力PEVt，其除了需滿足式（6）所示約束外，還需滿足不同補(bǔ)償價(jià)格下的響應(yīng)上限約束：

式中：W′為實(shí)際補(bǔ)償價(jià)格；為EV 集群可調(diào)度容量上限。

2.1.2 現(xiàn)貨電能量市場(chǎng)的出清方案

在日前，首先通過機(jī)組組合優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)式（16）確定次日的機(jī)組開機(jī)方式；然后，進(jìn)行日前經(jīng)濟(jì)預(yù)調(diào)度，為調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)確定節(jié)點(diǎn)電價(jià)；最后，進(jìn)行調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)日前出清，確定次日提供調(diào)頻服務(wù)的機(jī)組及其出力，各機(jī)組在各自剩余容量下進(jìn)行次日經(jīng)濟(jì)調(diào)度以確定電能量市場(chǎng)的邊際價(jià)格。

需滿足的約束條件如下。

各段出力下的中標(biāo)容量Pi，k，t不得超過該段出力上限，即滿足：

機(jī)組各段出力下的中標(biāo)容量總和如式（21）所示，其不能超過機(jī)組出力上限，即滿足式（22）；且滿足式（23）所示功率平衡約束。

機(jī)組爬坡約束如式（24）所示，假設(shè)下爬坡與上爬坡功率相等，均為Rup，i。

機(jī)組最小啟停機(jī)時(shí)間約束為：

傳輸線路容量約束為：

2.2 調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)與電能量市場(chǎng)的聯(lián)合出清方案

聯(lián)合出清方式下以電能量市場(chǎng)的購(gòu)置成本與調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)的購(gòu)置成本之和F′最小為目標(biāo)函數(shù)確定機(jī)組開機(jī)計(jì)劃以及承擔(dān)調(diào)頻輔助服務(wù)的機(jī)組，如式（29）所示。

求解目標(biāo)函數(shù)式（29）后機(jī)組組合中最后1 臺(tái)機(jī)組的報(bào)價(jià)即為出清電價(jià)。約束條件除了需滿足式（12）、（13）、（20）、（22）—（27）外，還需滿足電能量市場(chǎng)出力與調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)出力協(xié)調(diào)情況下調(diào)頻容量約束，如式（30）所示。

3 快速調(diào)頻資源的替代效應(yīng)

3.1 當(dāng)前調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)的價(jià)格排序方式

目前，我國(guó)調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)采取的報(bào)價(jià)修正指標(biāo)包括調(diào)節(jié)速率、調(diào)節(jié)精度及響應(yīng)時(shí)間，計(jì)算式分別為：

計(jì)算所有調(diào)頻資源供應(yīng)商提供輔助服務(wù)時(shí)的上述3 種指標(biāo)，以修正各資源的報(bào)價(jià)并用于結(jié)算。為了使不同的資源具有可比性，需要對(duì)3 個(gè)指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理，得到各調(diào)頻資源歸一化后的綜合調(diào)頻性能指標(biāo)，如式（34）所示。

式中：Kmin為市場(chǎng)最小準(zhǔn)入指標(biāo)，本文中取值為1；Ksaturation為設(shè)定的最高性能指標(biāo)值，本文中取值為4。最后，基于式（8）決定考慮機(jī)組綜合調(diào)頻性能指標(biāo)的價(jià)格排序。

3.2 考慮替代效應(yīng)的EV價(jià)格排序方式

雖然目前我國(guó)調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)的價(jià)格排序方式已為調(diào)節(jié)速度快、調(diào)節(jié)性能高的調(diào)頻資源提供了更易中標(biāo)的政策環(huán)境，但仍缺少對(duì)快速調(diào)頻資源的合理補(bǔ)償。

美國(guó)PJM 市場(chǎng)發(fā)展較早，機(jī)制也比較完善，其針對(duì)調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)設(shè)定了常規(guī)調(diào)頻信號(hào)（RegA）與快速調(diào)頻信號(hào)（RegD），分別采購(gòu)用于常規(guī)調(diào)頻的火電機(jī)組資源與調(diào)頻速度較快的儲(chǔ)能及需求側(cè)快速調(diào)頻資源。研究結(jié)果表明：在自動(dòng)發(fā)電控制評(píng)價(jià)指標(biāo)CPS（Control Performance Standard）下，在達(dá)到相同的調(diào)頻效果的條件下，快速調(diào)頻資源參與調(diào)節(jié)時(shí)能夠產(chǎn)生不同于傳統(tǒng)調(diào)頻資源的效果，被稱為效益因子（benefit factor），本文將其稱之為替代效應(yīng)。具體計(jì)算過程為：在仿真軟件中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模以觀測(cè)頻率響應(yīng)，得出達(dá)到相同調(diào)頻效果時(shí)快速調(diào)頻資源與傳統(tǒng)調(diào)頻資源所占比例，具體的調(diào)頻效果取決于快速調(diào)頻資源所占比例［18］。當(dāng)前調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)僅包含傳統(tǒng)調(diào)頻機(jī)組，EV 負(fù)荷的引入必然會(huì)顯著減少系統(tǒng)總調(diào)頻容量的購(gòu)買量。本文提出采用替代指標(biāo)修正當(dāng)前價(jià)格排序方式下的報(bào)價(jià)，從而得到考慮替代效應(yīng)的價(jià)格排序，如式（35）所示。

引入式（34）能夠在原有報(bào)價(jià)順序的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步計(jì)及替代效應(yīng)進(jìn)行再排序，這樣能夠使調(diào)頻能力強(qiáng)的快速調(diào)頻資源（如EV、儲(chǔ)能等）在價(jià)格修正后更具有競(jìng)爭(zhēng)力，使市場(chǎng)規(guī)則更能體現(xiàn)對(duì)不同調(diào)節(jié)能力調(diào)頻資源的“優(yōu)勝劣汰”。

3.3 求解流程

本文選用商用優(yōu)化軟件CPLEX 對(duì)含EV 參與的不同出清方案下的市場(chǎng)模型進(jìn)行求解，分析EV的具體調(diào)度結(jié)果。

4 算例分析

4.1 基礎(chǔ)參數(shù)介紹及場(chǎng)景構(gòu)建

本文采用改進(jìn)的IEEE 39 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)計(jì)算EV 參與調(diào)頻輔助服務(wù)可能獲得的收益及其降低電網(wǎng)購(gòu)電成本的潛力。IEEE 39 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)取自文獻(xiàn)［19］，為了模擬實(shí)際數(shù)據(jù)所在地區(qū)的風(fēng)電滲透率，在節(jié)點(diǎn)9、19 分別接入300 MW 風(fēng)電場(chǎng)，機(jī)組運(yùn)行參數(shù)見附錄A 表A3，申報(bào)信息見附錄A 表A4，改進(jìn)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見附錄A 圖A4。改進(jìn)系統(tǒng)的總裝機(jī)容量為2 262 MW，機(jī)組啟停機(jī)成本的最小值、最大值分別為210、35000元。

現(xiàn)貨電能量市場(chǎng)采取分段報(bào)價(jià)方式，設(shè)定分段數(shù)量為3，綜合報(bào)價(jià)曲線見圖2。預(yù)測(cè)負(fù)荷采用山西省某地區(qū)2019 年某日實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷數(shù)據(jù)，負(fù)荷曲線見附錄A 圖A5，負(fù)荷峰值為1 327.02 MW。風(fēng)電場(chǎng)的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)采用該地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，出力曲線見附錄A 圖A6。參考文獻(xiàn)［20］確定日前市場(chǎng)所需調(diào)頻容量，求得本文所需96 個(gè)時(shí)段的調(diào)頻容量需求見附錄A圖A7。假設(shè)該地區(qū)共有2000輛EV形成EVA。

圖2 綜合報(bào)價(jià)曲線圖Fig.2 Comprehensive quotation curve

根據(jù)輔助服務(wù)市場(chǎng)與電能量市場(chǎng)的出清方案以及調(diào)用EV 負(fù)荷的價(jià)格排序方式設(shè)定以下4 種場(chǎng)景。需要說明的是，山西省電力輔助服務(wù)市場(chǎng)實(shí)施細(xì)則規(guī)定在市場(chǎng)建設(shè)初期不允許1 臺(tái)機(jī)組同時(shí)參與任意輔助服務(wù)市場(chǎng)與電能量市場(chǎng)，本文假設(shè)已度過初期階段，即允許機(jī)組同時(shí)參與2個(gè)市場(chǎng)。場(chǎng)景1為調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)與電能量市場(chǎng)順次出清（基礎(chǔ)場(chǎng)景）；場(chǎng)景2 為調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)與電能量市場(chǎng)聯(lián)合出清；場(chǎng)景3 為調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)與電能量市場(chǎng)聯(lián)合出清，同時(shí)以當(dāng)前價(jià)格排序方式調(diào)用EV參與調(diào)頻輔助服務(wù)；場(chǎng)景4 為調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)與電能量市場(chǎng)聯(lián)合出清，同時(shí)以計(jì)及EV作為快速調(diào)頻資源替代效應(yīng)的價(jià)格排序方式調(diào)用EV參與調(diào)頻輔助服務(wù)。

4.2 算例結(jié)果及分析

各場(chǎng)景下的購(gòu)電成本如表1所示。

表1 各場(chǎng)景下的購(gòu)電成本Table 1 Electricity purchase cost of each scenario

4.2.1 基礎(chǔ)場(chǎng)景分析

場(chǎng)景1 是對(duì)我國(guó)當(dāng)前已開啟的大多數(shù)調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)的模擬。先執(zhí)行一次日前機(jī)組組合得到各機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行點(diǎn)，出清電價(jià)與凈負(fù)荷如圖3 所示。由圖可以看出，電能量市場(chǎng)的出清電價(jià)與凈負(fù)荷的變化情況基本一致。得到出清電價(jià)之后，計(jì)算機(jī)組在提供調(diào)頻輔助服務(wù)時(shí)需要補(bǔ)償?shù)臋C(jī)會(huì)成本，最終得到調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)和電能量市場(chǎng)中各機(jī)組的中標(biāo)容量見附錄A 圖A8。由附錄A 表A4 中修正后各機(jī)組報(bào)價(jià)與圖A8（a）所示調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)中各機(jī)組實(shí)際中標(biāo)容量可以發(fā)現(xiàn)，G1作為一臺(tái)報(bào)價(jià)與性能均比較良好的機(jī)組，其在所有時(shí)段均未中標(biāo)，這是因?yàn)槠浒l(fā)電成本參數(shù)b較小，使得在同一時(shí)段相同出清電價(jià)情況下調(diào)用其需要更加高昂的機(jī)會(huì)成本，綜合考慮調(diào)頻性能與機(jī)會(huì)成本后，G1無(wú)法中標(biāo)。

圖3 電能量市場(chǎng)的出清電價(jià)與凈負(fù)荷Fig.3 Clearing price and net load of electricity energy market

4.2.2 場(chǎng)景2分析

場(chǎng)景2 是電力市場(chǎng)化進(jìn)行到一定的階段、市場(chǎng)成員具有較高的市場(chǎng)意識(shí)之后必然會(huì)采取的出清方案，山西省電力輔助服務(wù)市場(chǎng)實(shí)施細(xì)則中亦有如此規(guī)劃。本文設(shè)置場(chǎng)景2 以量化區(qū)域級(jí)電網(wǎng)采取調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)與電能量市場(chǎng)聯(lián)合出清方案后能減少的購(gòu)電成本，場(chǎng)景2 的出清結(jié)果見圖4。由圖可看出，調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)與電能量市場(chǎng)聯(lián)合出清后，基本基于各機(jī)組的容量報(bào)價(jià)及其性能決定承擔(dān)調(diào)頻任務(wù)的機(jī)組。由于機(jī)組G2、G8—G10考慮綜合性能修正后的調(diào)頻容量報(bào)價(jià)過高而無(wú)法被調(diào)用參與調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)。聯(lián)合出清后由于不需要補(bǔ)償機(jī)組的機(jī)會(huì)成本，其綜合購(gòu)電成本相比場(chǎng)景1降低了11.5%。

圖4 場(chǎng)景2下調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)、電能量市場(chǎng)中各機(jī)組的中標(biāo)容量Fig.4 Bidding capacity of each unit in frequency regulation service market and electricity energy market under Scenario 2

4.2.3 場(chǎng)景3分析

場(chǎng)景3 考慮EV 參與調(diào)頻輔助服務(wù)報(bào)價(jià)并與電能量市場(chǎng)聯(lián)合出清。本文認(rèn)為EV 參與調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)時(shí)的調(diào)頻里程-容量比n的值也為10，EV 參與調(diào)頻輔助服務(wù)的綜合調(diào)頻性能指標(biāo)歸一化數(shù)值為1，則可以計(jì)算得到慢充方式下補(bǔ)償電池?fù)p耗的EV基準(zhǔn)補(bǔ)償價(jià)格W=5.660 元／MW。結(jié)合前文的假設(shè)分析可知，在不計(jì)及用戶響應(yīng)不確定性的情況下，當(dāng)補(bǔ)償價(jià)格達(dá)到1.2W，即6.792 元／MW 時(shí)，開始有EV用戶響應(yīng)調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)；當(dāng)補(bǔ)償價(jià)格達(dá)到2W，即11.320 元／MW 時(shí)，幾乎全部EV 用戶響應(yīng)調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)且其間滿足線性變化關(guān)系。定義EV 參與調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)的容量與可調(diào)度容量之比為EV 調(diào)頻容量利用率，可得到不同補(bǔ)償價(jià)格下EV 調(diào)頻容量利用率如圖5所示。

圖5 EV調(diào)頻容量利用率隨補(bǔ)償價(jià)格的變化曲線Fig.5 Change curve of EV frequency regulation capacity utilization rate vs. compensation price

由圖5 可以看出，當(dāng)市場(chǎng)機(jī)制對(duì)參與其中的EV使用與火電機(jī)組相同的出清規(guī)則時(shí)，EV 并沒有太大的優(yōu)勢(shì)。具體地，當(dāng)補(bǔ)償價(jià)格在1.2W～1.35W范圍內(nèi)時(shí)，由于補(bǔ)償價(jià)格較低，與火電機(jī)組相比，EV 有報(bào)價(jià)上的優(yōu)勢(shì)，故隨著補(bǔ)償價(jià)格的增大，用戶響應(yīng)度（即可調(diào)度EV容量）增大且這部分廉價(jià)容量均會(huì)被優(yōu)先調(diào)用，EV 調(diào)頻容量利用率呈現(xiàn)恒定斜率的上升趨勢(shì)；當(dāng)補(bǔ)償價(jià)格超過1.35W后，出現(xiàn)了調(diào)頻容量利用率大幅度下降的情況，主要是因?yàn)榇藭r(shí)的補(bǔ)償價(jià)格已經(jīng)超過了一部分火電機(jī)組的報(bào)價(jià)。其中當(dāng)補(bǔ)償價(jià)格在1.37W～1.39W范圍內(nèi)時(shí)，EV 調(diào)頻容量利用率有小幅度的回升，這主要是因?yàn)椋弘S著補(bǔ)償價(jià)格的增大，各時(shí)段可調(diào)度EV 容量均增大，部分時(shí)段可能存在高調(diào)頻需求而仍需要調(diào)用價(jià)格不算太高的EV 容量的情況，從而使整體EV調(diào)頻容量利用率表現(xiàn)出緩慢的上升趨勢(shì)。總體而言，若EVA 以火電機(jī)組的價(jià)格排序方式參與調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)，則存在因補(bǔ)償價(jià)格過低而無(wú)法調(diào)動(dòng)用戶積極性以及因補(bǔ)償價(jià)格過高而無(wú)法在競(jìng)價(jià)中勝出的矛盾。

由圖5 可以看出EV 調(diào)頻容量利用率最大值僅約為20%，該情況下調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)與電能量市場(chǎng)各機(jī)組的中標(biāo)容量如圖6 所示。由于EV 報(bào)價(jià)與傳統(tǒng)火電相比相差不大，調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)僅減少了0.253%的支出。

圖6 場(chǎng)景3下調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)、電能量市場(chǎng)中各機(jī)組的中標(biāo)容量Fig.6 Bidding capacity of each unit in frequency regulation service market and electricity energy market under Scenario 3

4.2.4 場(chǎng)景4分析

場(chǎng)景4 中將快速調(diào)頻資源對(duì)傳統(tǒng)自動(dòng)發(fā)電控制（AGC）機(jī)組的替代作用量化為替代指標(biāo)，并用現(xiàn)行各調(diào)頻資源排序方式修改后的報(bào)價(jià)除以替代指標(biāo)得到綜合考慮快速調(diào)頻資源替代效應(yīng)的調(diào)頻資源排序。場(chǎng)景4 下調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)中各機(jī)組的中標(biāo)容量如圖7所示。

圖7 場(chǎng)景4下調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)中各機(jī)組的中標(biāo)容量Fig.7 Bidding capacity of each unit in frequency regulation service market under Scenario 4

對(duì)比圖7 與圖6（a）可以看出：在采用計(jì)及快速調(diào)頻資源替代效應(yīng)的排序方式下，EV 表現(xiàn)出強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)力，圖7 為最高報(bào)價(jià)下調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)中各機(jī)組的中標(biāo)容量結(jié)果，可見EV 負(fù)荷幾乎全部被調(diào)用；在調(diào)用EV 負(fù)荷的時(shí)段，調(diào)頻容量購(gòu)置量有一定程度的減少，體現(xiàn)了替代效應(yīng)為電網(wǎng)購(gòu)置調(diào)頻容量的貢獻(xiàn)，調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)減少了6.3%的支出；由于調(diào)頻容量購(gòu)置量減少及EV負(fù)荷中標(biāo)容量增加，部分在場(chǎng)景3 下能中標(biāo)的火電機(jī)組在場(chǎng)景4 下無(wú)法中標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)調(diào)頻性能差的火電機(jī)組的篩選，迫使其采用聯(lián)合儲(chǔ)能等措施以提高機(jī)組的調(diào)頻性能。

4.2.5 EVA規(guī)模對(duì)出清結(jié)果的影響分析

由于替代效應(yīng)與提供調(diào)頻輔助服務(wù)主體中快速調(diào)頻資源的占比強(qiáng)相關(guān)，且EVA 的規(guī)模對(duì)本文所提策略而言是一個(gè)無(wú)法回避的問題，所以通過改變EVA規(guī)模進(jìn)行敏感性分析。本文的負(fù)荷數(shù)據(jù)來源于某市級(jí)電網(wǎng)的實(shí)際數(shù)據(jù)，因此從一個(gè)城市包含的EV數(shù)量角度出發(fā)，對(duì)500、1 000、3 000、5 000 輛EV 進(jìn)行聚合模擬，得到不同EVA 規(guī)模下調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)中各機(jī)組的中標(biāo)容量結(jié)果分別如附錄A圖A9—A12所示。不同EVA規(guī)模下的購(gòu)電成本如表2所示。

表2 不同EVA規(guī)模下的購(gòu)電成本Table 2 Electricity purchase costs with different EVA scales

由上述結(jié)果可以看出：隨著EVA 規(guī)模的增大，各時(shí)段可調(diào)度容量不斷增加，但當(dāng)EV 數(shù)量達(dá)到2 000 輛左右后，夜間的調(diào)頻需求達(dá)到飽和；隨著EVA 規(guī)模的增大，調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)的成本不斷降低，但降低的幅度不斷減小，當(dāng)EV數(shù)量超過2 000輛后，只是在白天調(diào)度容量緊缺的時(shí)段調(diào)用容量增大。因此，在計(jì)及替代效應(yīng)下，快速調(diào)頻資源的需求容量也是有限的，利用儲(chǔ)能提供調(diào)頻容量也不應(yīng)過量投資，國(guó)家政策應(yīng)該向著引導(dǎo)投資合理的調(diào)頻資源比例傾斜。

5 結(jié)論

我國(guó)調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)起步晚，需要對(duì)運(yùn)營(yíng)實(shí)踐進(jìn)行總結(jié)并對(duì)其中存在的問題進(jìn)行總結(jié)改進(jìn)。本文從出清方式及擴(kuò)大準(zhǔn)入主體的角度出發(fā)，分別對(duì)調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)與電能量市場(chǎng)順次出清及聯(lián)合出清方式進(jìn)行建模，對(duì)EV負(fù)荷采取當(dāng)前報(bào)價(jià)排序方式及考慮快速調(diào)頻資源替代效應(yīng)的報(bào)價(jià)排序方式的可行性進(jìn)行了分析，所得結(jié)論如下：

1）與順次出清方式相比，調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)與電能量市場(chǎng)聯(lián)合出清可顯著降低購(gòu)電成本，以某區(qū)域級(jí)電網(wǎng)為例，能大約降低11.5%的綜合購(gòu)電成本；

2）山西省現(xiàn)行調(diào)頻出清方式仍不能合理補(bǔ)償EV 等快速調(diào)頻資源對(duì)頻率調(diào)節(jié)的貢獻(xiàn)，且未在出清方式中考慮快速調(diào)頻資源減少調(diào)頻容量購(gòu)置量的作用，補(bǔ)償價(jià)格亦不能很好地調(diào)動(dòng)EV用戶的積極性；

3）若能引入計(jì)及替代效應(yīng)的調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)出清方式，則能夠通過適量采購(gòu)快速調(diào)頻資源，在降低調(diào)頻支出的同時(shí)為EV用戶帶來盈利；

4）當(dāng)參與調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)時(shí)，應(yīng)對(duì)EVA 的規(guī)模以及構(gòu)成特點(diǎn)加以考慮，若聚合的EV 用戶過多，則可能會(huì)導(dǎo)致夜間調(diào)頻容量過剩，所以在聚合時(shí)可以考慮選擇不同用車方式的EV用戶，以此彌補(bǔ)白天調(diào)頻容量不足的缺陷。

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