陳 青，吳明興，劉英琪，王 一，謝 敏，劉明波

（1. 廣東電力交易中心有限責(zé)任公司，廣東 廣州510080；2. 華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州510640）

0 引言

隨著全球能源向更加綠色低碳的未來(lái)邁進(jìn)，以風(fēng)電為代表的可再生能源發(fā)電作為促進(jìn)能源轉(zhuǎn)型、節(jié)能減排的重要途徑得到了迅速發(fā)展。截至2018年底，我國(guó)新增并網(wǎng)風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)2.1143×107kW，累計(jì)并網(wǎng)裝機(jī)容量達(dá)2.09×108kW，均居世界首位［1］。未來(lái)我國(guó)風(fēng)電將保持高速發(fā)展態(tài)勢(shì)，預(yù)計(jì)到2030 年我國(guó)風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量將達(dá)到4.9×108kW［2］。國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局發(fā)布的《清潔能源消納行動(dòng)計(jì)劃（2018—2020 年）》也提出在2020 年盡量將棄風(fēng)率降低到5% 的目標(biāo)［3］。2020 年前三季度，全國(guó)棄風(fēng)電量約1.16×1010kW·h，平均棄風(fēng)率為3.4%，較2019 年同期同比下降0.8 個(gè)百分點(diǎn)，棄風(fēng)率大幅改善。

然而，受隨機(jī)氣象因素的影響，風(fēng)電出力具有強(qiáng)隨機(jī)性和波動(dòng)性，給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)，需要系統(tǒng)具有快速調(diào)配資源響應(yīng)凈負(fù)荷（即負(fù)荷需求減去風(fēng)電出力）變化的能力，即系統(tǒng)靈活性［4-5］。與此同時(shí)，大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)所面臨的消納問(wèn)題也日益凸顯，不僅造成資源的浪費(fèi)，也阻礙了風(fēng)電開(kāi)發(fā)利用的進(jìn)程。隨著我國(guó)電力體制改革的深入開(kāi)展，如何以市場(chǎng)的方式確保系統(tǒng)靈活性充裕，是在保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下實(shí)現(xiàn)大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)、解決消納問(wèn)題的關(guān)鍵。

目前，國(guó)內(nèi)各省份應(yīng)對(duì)系統(tǒng)靈活性不足的市場(chǎng)化輔助服務(wù)主要是調(diào)頻［6］和調(diào)峰（包括深度調(diào)峰和啟停調(diào)峰）［7-8］。調(diào)頻服務(wù)通過(guò)中標(biāo)者預(yù)留調(diào)頻容量，并在實(shí)時(shí)調(diào)用時(shí)調(diào)整發(fā)電出力的方式，處理預(yù)測(cè)與實(shí)際凈負(fù)荷的實(shí)時(shí)差異，其響應(yīng)時(shí)間短，對(duì)提供者的調(diào)頻性能要求較高。調(diào)峰服務(wù)通過(guò)機(jī)組調(diào)減出力至基準(zhǔn)負(fù)荷率以下或停運(yùn)的方式，在負(fù)荷低谷而風(fēng)電出力較高的時(shí)段為系統(tǒng)提供下調(diào)靈活性，以擴(kuò)大風(fēng)電的消納空間，但其無(wú)法適用于系統(tǒng)上調(diào)靈活性不足的情況；而機(jī)組出力在基準(zhǔn)負(fù)荷率以上跟隨負(fù)荷峰谷變化的調(diào)峰服務(wù)屬于市場(chǎng)范疇以外的無(wú)償基本調(diào)峰，缺乏相應(yīng)的市場(chǎng)激勵(lì)機(jī)制。隨著風(fēng)電并網(wǎng)規(guī)模不斷增大，現(xiàn)有輔助服務(wù)市場(chǎng)將越來(lái)越難以適應(yīng)系統(tǒng)的靈活性需求，有必要在借鑒國(guó)外電力市場(chǎng)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上對(duì)我國(guó)輔助服務(wù)市場(chǎng)進(jìn)行完善。

近年來(lái)，美國(guó)加州獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商CAISO（CAlifornia Independent System Operator）和中部獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商MISO（Midcontinent Independent System Operator）提出一種靈活爬坡輔助服務(wù)［9］，以確保預(yù)留足夠的爬坡容量跟蹤隨機(jī)波動(dòng)的凈負(fù)荷，增強(qiáng)系統(tǒng)靈活性。文獻(xiàn)［10］評(píng)估靈活爬坡輔助服務(wù)對(duì)環(huán)境、系統(tǒng)與經(jīng)濟(jì)的影響，指出在市場(chǎng)中引入靈活爬坡輔助服務(wù)有利于減少碳排放、提高系統(tǒng)靈活性以及降低稀缺電價(jià)發(fā)生的概率。文獻(xiàn)［11-14］分別研究風(fēng)電、儲(chǔ)能、需求響應(yīng)以及電動(dòng)汽車(chē)提供靈活爬坡服務(wù)，并與電能量進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化的市場(chǎng)出清模型。靈活爬坡輔助服務(wù)為風(fēng)電不確定性所引起的系統(tǒng)靈活性不足問(wèn)題提供了一種解決方案，但現(xiàn)有研究通常采取電能量與靈活爬坡輔助服務(wù)市場(chǎng)協(xié)同優(yōu)化的出清模式，而實(shí)際上系統(tǒng)并非在每個(gè)時(shí)段都有向上／向下爬坡容量需求，且在運(yùn)行過(guò)程中系統(tǒng)本身就具有一定的向上／向下爬坡能力，可以滿(mǎn)足一些時(shí)段的爬坡容量需求。另一方面，現(xiàn)階段我國(guó)電力現(xiàn)貨市場(chǎng)正處于試運(yùn)行的初級(jí)階段，大多省份現(xiàn)貨電能量-輔助服務(wù)聯(lián)合運(yùn)營(yíng)仍采用分階段出清的模式，直接將靈活爬坡加入市場(chǎng)出清模型進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化將大幅增加求解難度，不利于其在現(xiàn)貨市場(chǎng)的應(yīng)用。

針對(duì)以上不足，本文綜合考慮靈活爬坡輔助服務(wù)以及國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的市場(chǎng)化調(diào)頻、調(diào)峰服務(wù)，提出面向高比例風(fēng)電的現(xiàn)貨電能量-輔助服務(wù)聯(lián)合運(yùn)營(yíng)機(jī)制。首先，針對(duì)系統(tǒng)在各時(shí)間尺度上的靈活性需求，構(gòu)建現(xiàn)貨電能量-輔助服務(wù)聯(lián)合運(yùn)營(yíng)的總體框架；然后，建立基于調(diào)頻性能指標(biāo)的調(diào)頻出清模型、考慮機(jī)組能耗特性的深度調(diào)峰出清模型以及含靈活爬坡校驗(yàn)的電能量市場(chǎng)出清模型，梳理現(xiàn)貨電能量與輔助服務(wù)市場(chǎng)分階段出清的具體流程，并運(yùn)用等價(jià)線性化的方法將非線性模型轉(zhuǎn)換為線性模型，降低求解難度；最后采用某省級(jí)實(shí)際系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證所提市場(chǎng)機(jī)制和模型的有效性。

1 現(xiàn)貨電能量?輔助服務(wù)市場(chǎng)聯(lián)合運(yùn)營(yíng)機(jī)制設(shè)計(jì)

在含高比例風(fēng)電的電力系統(tǒng)中，靈活的電力市場(chǎng)設(shè)計(jì)應(yīng)保證其在所有時(shí)間尺度上能夠經(jīng)濟(jì)可靠運(yùn)營(yíng)，具體表現(xiàn)在：秒級(jí)的頻率調(diào)節(jié)能力，以始終保持系統(tǒng)的供需平衡；分鐘級(jí)的爬坡能力和調(diào)峰能力，以應(yīng)對(duì)峰谷時(shí)段凈負(fù)荷的變化性和不確定性，同時(shí)盡可能消納風(fēng)電。本文提出現(xiàn)貨電能量-輔助服務(wù)市場(chǎng)聯(lián)合運(yùn)營(yíng)機(jī)制，總體市場(chǎng)框架如圖1 所示，其設(shè)計(jì)思路在于：通過(guò)調(diào)頻服務(wù)解決系統(tǒng)的實(shí)時(shí)平衡問(wèn)題，通過(guò)深度調(diào)峰服務(wù)解決風(fēng)電在負(fù)荷低谷時(shí)期的消納問(wèn)題，通過(guò)靈活爬坡服務(wù)解決風(fēng)電不確定性引起的系統(tǒng)爬坡能力不足問(wèn)題，增強(qiáng)系統(tǒng)靈活性以適應(yīng)高比例風(fēng)電的接入。同時(shí)，基于現(xiàn)有現(xiàn)貨電能量與輔助服務(wù)分階段出清的模式，以確保改進(jìn)與現(xiàn)狀的有序銜接。

電能量市場(chǎng)采取集中優(yōu)化出清的模式，并假設(shè)負(fù)荷無(wú)彈性，即只有發(fā)電側(cè)單邊報(bào)價(jià)，其中火電機(jī)組申報(bào)運(yùn)行日的電能量?jī)r(jià)格及機(jī)組運(yùn)行參數(shù)；風(fēng)電場(chǎng)作為價(jià)格接受者，僅申報(bào)運(yùn)行日的有功功率預(yù)測(cè)曲線及預(yù)測(cè)誤差，不申報(bào)價(jià)格。系統(tǒng)綜合考慮電網(wǎng)與機(jī)組運(yùn)行約束，以總運(yùn)營(yíng)成本最小為優(yōu)化目標(biāo)，構(gòu)建安全約束機(jī)組組合SCUC（Security Constrained Unit Commitment）模型進(jìn)行出清計(jì)算，得到火電機(jī)組組合及其出力曲線、風(fēng)電場(chǎng)調(diào)度出力曲線。

圖1 現(xiàn)貨電能量-輔助服務(wù)聯(lián)合運(yùn)營(yíng)機(jī)制的總體框架Fig.1 Overall framework of combined operation mechanism of spot electric energy and auxiliary service

在調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)中，系統(tǒng)根據(jù)運(yùn)行日的調(diào)頻需求在基于電能量市場(chǎng)所得機(jī)組組合的基礎(chǔ)上，基于各機(jī)組調(diào)頻性能指標(biāo)對(duì)其申報(bào)的調(diào)頻容量?jī)r(jià)格進(jìn)行調(diào)整排序，并進(jìn)行集中出清，得到各時(shí)段火電機(jī)組調(diào)頻中標(biāo)容量及價(jià)格，火電機(jī)組根據(jù)調(diào)頻中標(biāo)容量對(duì)出力上下限進(jìn)行修改。

在深度調(diào)峰輔助服務(wù)市場(chǎng)中，若電能量市場(chǎng)出清結(jié)果存在棄風(fēng)現(xiàn)象，則將運(yùn)行日中各時(shí)段棄風(fēng)電量作為深度調(diào)峰輔助服務(wù)需求，并以火電機(jī)組核定最小技術(shù)出力作為深度調(diào)峰基準(zhǔn)值?；痣姍C(jī)組對(duì)深度調(diào)峰基準(zhǔn)值以下的調(diào)峰容量進(jìn)行分段報(bào)價(jià)。系統(tǒng)根據(jù)深度調(diào)峰需求對(duì)調(diào)頻市場(chǎng)中標(biāo)以外的火電機(jī)組進(jìn)行集中出清，得到各棄風(fēng)時(shí)段火電機(jī)組調(diào)峰容量及價(jià)格，并根據(jù)調(diào)峰中標(biāo)容量固定火電機(jī)組出力。

在調(diào)頻、調(diào)峰進(jìn)行出清以后，根據(jù)電能量市場(chǎng)機(jī)組組合結(jié)果將火電機(jī)組在各個(gè)時(shí)段的啟停狀態(tài)固定，此時(shí)的出清模型為一個(gè)安全約束經(jīng)濟(jì)調(diào)度SCED（Security Constrained Economic Dispatch）模型，求解得出各發(fā)電機(jī)組的出力水平，在此基礎(chǔ)上可以計(jì)算得到各機(jī)組在各時(shí)段出力水平下所能夠自然提供的爬坡能力。通過(guò)將各時(shí)段系統(tǒng)的爬坡容量需求與自然可提供爬坡能力相減，可以得到各時(shí)段系統(tǒng)的爬坡容量缺額。當(dāng)某時(shí)段的爬坡容量缺額大于0時(shí)，說(shuō)明系統(tǒng)在該時(shí)段的向上／向下爬坡能力不足以跟隨下一時(shí)段可能出現(xiàn)的凈負(fù)荷波動(dòng)。為此，本文采用“反復(fù)校驗(yàn)-添加約束”的思想，提出一種靈活爬坡容量校驗(yàn)機(jī)制，即對(duì)求解SCED 模型所得結(jié)果進(jìn)行靈活爬坡容量校驗(yàn)，若存在爬坡容量缺額，則在SCUC 模型和SCED 模型中引入靈活爬坡約束，并再次運(yùn)行出清程序，若所得出清結(jié)果中仍存在爬坡容量缺額，則繼續(xù)加入靈活爬坡輔助服務(wù)約束進(jìn)行反復(fù)求解，直到滿(mǎn)足收斂條件，最后得出各時(shí)段的靈活爬坡出清容量及價(jià)格、火電出力曲線、風(fēng)電場(chǎng)調(diào)度出力曲線以及各時(shí)段的市場(chǎng)電價(jià)。

2 現(xiàn)貨電能量?輔助服務(wù)市場(chǎng)分階段出清模型

2.1 電能量市場(chǎng)

本文使用直流潮流構(gòu)建電能量市場(chǎng)出清的SCUC模型，目標(biāo)函數(shù)為最小化系統(tǒng)總運(yùn)營(yíng)成本：

約束條件如下。

（1）電網(wǎng)運(yùn)行約束。

（2）火電機(jī)組約束。

（3）風(fēng)電場(chǎng)出力約束。

2.2 調(diào)頻輔助服務(wù)

2.2.1 調(diào)頻容量報(bào)價(jià)調(diào)整

由于不同火電機(jī)組的調(diào)頻性能存在差異，因此其提供調(diào)頻服務(wù)的質(zhì)量也存在差異，本文采用響應(yīng)時(shí)間、調(diào)節(jié)速率以及調(diào)節(jié)誤差這3 個(gè)指標(biāo)對(duì)機(jī)組的綜合調(diào)頻性能進(jìn)行衡量：

其中，KiR為機(jī)組i 的綜合調(diào)頻性能指標(biāo)；TiR、SRi和ARi分別為機(jī)組i響應(yīng)調(diào)頻歷史控制指令的響應(yīng)時(shí)間（s）、調(diào)節(jié)速率（MW／min）和調(diào)節(jié)誤差（MW）；Ts、Ss和As分別為標(biāo)準(zhǔn)響應(yīng)時(shí)間、標(biāo)準(zhǔn)調(diào)節(jié)速率和標(biāo)準(zhǔn)調(diào)節(jié)誤差。為了在調(diào)頻市場(chǎng)出清中體現(xiàn)機(jī)組的調(diào)頻性能差異，本文提出基于綜合調(diào)頻性能歷史指標(biāo)的均值歸一化方法，并以此為基礎(chǔ)調(diào)整機(jī)組申報(bào)的調(diào)頻容量?jī)r(jià)格。

歸一化處理公式為：

其中，KiC為機(jī)組i 的歸一化綜合調(diào)頻性能指標(biāo)；和分別為所有機(jī)組綜合調(diào)頻性能指標(biāo)的最大值和最小值為所有機(jī)組綜合調(diào)頻性能指標(biāo)的平均值，也是調(diào)頻市場(chǎng)的準(zhǔn)入門(mén)檻值。歸一化處理后的綜合調(diào)頻性能指標(biāo)范圍為-1～1，且僅當(dāng)機(jī)組綜合調(diào)頻性能指標(biāo)超過(guò)或等于平均水平時(shí)，KiC≥0，否則，KiC<0。

調(diào)整調(diào)頻容量報(bào)價(jià)：

2.2.2 調(diào)頻市場(chǎng)模型

調(diào)頻市場(chǎng)以最小化調(diào)頻服務(wù)費(fèi)用為目標(biāo)函數(shù)：

約束條件如下。

（1）調(diào)頻需求約束。

（2）調(diào)頻速率約束。

（3）調(diào)頻穩(wěn)定運(yùn)行約束。機(jī)組必須達(dá)到穩(wěn)定出力后才能進(jìn)行調(diào)頻，即：

（4）調(diào)頻與電能量市場(chǎng)耦合約束。只有在電能量市場(chǎng)中標(biāo)的火電機(jī)組才可以參與調(diào)頻市場(chǎng)，即：

調(diào)頻市場(chǎng)出清后，根據(jù)調(diào)頻市場(chǎng)出清結(jié)果修改中標(biāo)機(jī)組的出力上、下限，可得：

2.3 深度調(diào)峰輔助服務(wù)

在電能量市場(chǎng)中無(wú)法完全消納風(fēng)電的時(shí)段，需要啟動(dòng)深度調(diào)峰輔助服務(wù)為風(fēng)電提供消納空間?；痣姍C(jī)組在提供深度調(diào)峰服務(wù)時(shí)，根據(jù)其調(diào)峰深度可分為不投油深度調(diào)峰DPR（Deep Peak Regulation without oil）和投油深度調(diào)峰DPRO（Deep Peak Regulation with Oil）階段［16］，不同階段下機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)與能耗特性存在差異，所產(chǎn)生的調(diào)峰成本也有所不同。因此，本文在調(diào)峰市場(chǎng)中根據(jù)火電機(jī)組深度調(diào)峰成本特性采取分段報(bào)價(jià)方式，其報(bào)價(jià)曲線為圖2所示的階梯曲線。

圖2 深度調(diào)峰報(bào)價(jià)曲線Fig.2 Offer curve for deep peaking

深度調(diào)峰市場(chǎng)的目標(biāo)函數(shù)為購(gòu)買(mǎi)調(diào)峰輔助服務(wù)費(fèi)用最?。?/p>

約束條件如下。

（1）調(diào)峰需求約束。

（2）調(diào)峰深度約束。

（3）調(diào)峰速率約束。

（4）調(diào)峰穩(wěn)定運(yùn)行約束。機(jī)組在開(kāi)機(jī)后必須達(dá)到穩(wěn)定出力后才能進(jìn)行調(diào)峰，且不能頻繁進(jìn)入調(diào)峰狀態(tài)，即：

其中，Ni為機(jī)組i在運(yùn)行日內(nèi)的調(diào)峰最大調(diào)用次數(shù)。

（5）調(diào)峰與調(diào)頻、電能量市場(chǎng)耦合約束。只有電能量市場(chǎng)中標(biāo)且調(diào)頻市場(chǎng)不中標(biāo)的火電機(jī)組才可以參與深度調(diào)峰市場(chǎng)，即：

2.4 靈活爬坡輔助服務(wù)

2.4.1 靈活爬坡容量需求

由于風(fēng)電隨機(jī)性和波動(dòng)性的存在，凈負(fù)荷具有變化性和不確定性，具體表現(xiàn)為凈負(fù)荷隨時(shí)間不斷發(fā)生變化，且實(shí)際與預(yù)測(cè)凈負(fù)荷之間存在一個(gè)隨機(jī)波動(dòng)的范圍，從而產(chǎn)生對(duì)系統(tǒng)向上、向下爬坡能力的需求，需要通過(guò)發(fā)電機(jī)組提前預(yù)留一定的容量來(lái)滿(mǎn)足，以避免系統(tǒng)在下一個(gè)運(yùn)行時(shí)段內(nèi)因爬坡能力不足而無(wú)法保證供需平衡。以圖3 為例說(shuō)明系統(tǒng)向上、向下爬坡容量需求的確定方式，系統(tǒng)在t0—t3時(shí)段內(nèi)預(yù)測(cè)的凈負(fù)荷分別為L(zhǎng)0—L3，假設(shè)在t1時(shí)刻的風(fēng)電向上、向下預(yù)測(cè)偏差功率分別為u1和d1，則t1時(shí)刻凈負(fù)荷波動(dòng)范圍為L(zhǎng)1?d1～L1+u1，因此，系統(tǒng)在t1時(shí)刻的向上、向下爬坡容量需求分別為L(zhǎng)1?L0+u1和L0?L1+d1；t2時(shí)刻凈負(fù)荷波動(dòng)范圍為L(zhǎng)2?d2～L2+u2，則系統(tǒng)在t2時(shí)刻的向上爬坡容量需求為L(zhǎng)2?L1+u2，由于凈負(fù)荷波動(dòng)區(qū)間下限高于t1時(shí)刻的凈負(fù)荷，故系統(tǒng)在t1時(shí)刻沒(méi)有向下爬坡容量需求。

圖3 系統(tǒng)向上、向下爬坡容量需求Fig.3 System up and down ramping capacity requirements

由上述分析可知，對(duì)爬坡容量的需求分為變化性和不確定性?xún)刹糠?，即?/p>

2.4.2 靈活爬坡容量校驗(yàn)

在進(jìn)行靈活爬坡容量校驗(yàn)前，首先需要計(jì)算出清結(jié)果中系統(tǒng)在各時(shí)段的爬坡容量缺額，即：

其中，γ 為爬坡容量?jī)r(jià)格上限，反映了系統(tǒng)愿意為風(fēng)電不確定性導(dǎo)致的功率不平衡所引發(fā)的切負(fù)荷／棄風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)所支付的預(yù)期成本。

（1）靈活爬坡需求約束。

（2）靈活爬坡上下限約束。

（3）靈活爬坡速率約束。

當(dāng)進(jìn)行第k 次靈活爬坡容量校驗(yàn)時(shí)滿(mǎn)足式（34）和式（35）所示條件之一，則認(rèn)為通過(guò)校驗(yàn)。

其中，F(xiàn)IU，k、FID，k分別為第k 次校驗(yàn)中系統(tǒng)的向上、向下爬坡容量缺額總量；QU、QD分別為市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)人員所設(shè)置的系統(tǒng)向上、向下爬坡容量缺額接受值，反映了系統(tǒng)在爬坡容量不足所引發(fā)的切負(fù)荷／棄風(fēng)成本與運(yùn)營(yíng)成本之間的權(quán)衡。式（34）表示系統(tǒng)向上、向下爬坡容量缺額均小于接受值；式（35）表示第k 次與第k-1 次校驗(yàn)中向上爬坡容量缺額變化率小于設(shè)定值ε1，向下爬坡容量缺額變化率小于設(shè)定值ε2。

為了準(zhǔn)確地對(duì)機(jī)組因提供靈活爬坡容量而損失的機(jī)會(huì)成本進(jìn)行補(bǔ)償，本文對(duì)靈活爬坡輔助服務(wù)采取機(jī)會(huì)成本定價(jià)機(jī)制［17］，式（31）所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)拉格朗日乘子即為該時(shí)段邊際機(jī)組提供靈活爬坡容量的機(jī)會(huì)成本。此外，當(dāng)火電機(jī)組預(yù)留爬坡容量所損失的機(jī)會(huì)成本高于價(jià)格上限時(shí)，即使存在爬坡容量缺額，系統(tǒng)也不會(huì)再繼續(xù)投入爬坡容量，這是由于在實(shí)際運(yùn)行與預(yù)測(cè)結(jié)果之間可能會(huì)存在一定的差異，系統(tǒng)不需要為此投入過(guò)高的額外成本［18］。

2.5 模型求解

2.5.1 等價(jià)線性化

在本文建立的市場(chǎng)出清模型中，電能量市場(chǎng)SCUC 模型屬于混合整數(shù)線性規(guī)劃問(wèn)題，SCED 模型屬于線性規(guī)劃問(wèn)題，相對(duì)易于求解；而調(diào)頻與深度調(diào)峰市場(chǎng)出清模型的目標(biāo)函數(shù)中含有0-1 變量x 與連續(xù)變量y 的相乘項(xiàng)，屬于求解復(fù)雜的混合整數(shù)非線性規(guī)劃問(wèn)題，因此考慮采用一個(gè)新的變量z 代替目標(biāo)函數(shù)中的相乘項(xiàng)，即令z=xy，并引入如下約束對(duì)其進(jìn)行等價(jià)線性化［19］：

其中，M 為一個(gè)非常大的正常數(shù)，本文將其設(shè)定為連續(xù)變量x 值的上限。等價(jià)線性化后的調(diào)頻、調(diào)峰市場(chǎng)出清模型如附錄A所示。

2.5.2 出清流程

面向高比例風(fēng)電的靈活輔助服務(wù)市場(chǎng)總體出清流程如圖4所示。

3 算例分析

采用某省級(jí)電網(wǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，該系統(tǒng)有179 臺(tái)火電機(jī)組，裝機(jī)容量為68 905 MW。火電機(jī)組基于發(fā)電成本對(duì)電能量進(jìn)行報(bào)價(jià)，調(diào)頻和調(diào)峰分別參考山西調(diào)頻輔助服務(wù)與安徽調(diào)峰輔助服務(wù)市場(chǎng)中的容量報(bào)價(jià)。假設(shè)機(jī)組報(bào)價(jià)在所有出清時(shí)段不變。設(shè)置機(jī)組不投油調(diào)峰最低穩(wěn)燃出力為最大技術(shù)出力的45%，投油深度調(diào)峰穩(wěn)燃極限出力為最大技術(shù)出力的30%［20］。根據(jù)目前國(guó)內(nèi)電力市場(chǎng)現(xiàn)狀設(shè)定出清時(shí)段總數(shù)T=96，即以15 min為一個(gè)出清時(shí)段。該系統(tǒng)接入20座風(fēng)電場(chǎng)，裝機(jī)容量為27250 MW，占系統(tǒng)總裝機(jī)容量的28.34%。選取該省級(jí)電網(wǎng)2017年典型工作日（6月27日）的負(fù)荷曲線。負(fù)荷需求和風(fēng)電出力預(yù)測(cè)曲線如附錄B 圖B1 所示，風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差為25%，調(diào)頻報(bào)價(jià)調(diào)整因子β = 4，棄風(fēng)懲罰費(fèi)用λ=1 000 元／（MW·h），爬坡容量?jī)r(jià)格上限γ=100元／（MW·h）。各時(shí)段調(diào)頻需求量按照峰谷負(fù)荷的0.7%計(jì)算［21］。

圖4 市場(chǎng)出清流程圖Fig.4 Flowchart of market clearing

圖5 調(diào)頻輔助服務(wù)出清結(jié)果Fig.5 Clearing results of frequency regulation auxiliary service

火電機(jī)組綜合調(diào)頻性能指標(biāo)及調(diào)整后容量報(bào)價(jià)分別如附錄B 圖B2 和B3 所示。調(diào)頻輔助服務(wù)出清結(jié)果如圖5 所示。從圖中可以看出，根據(jù)調(diào)頻綜合性能指標(biāo)調(diào)整后報(bào)價(jià)較低的機(jī)組60、61 提供的所有調(diào)頻容量在調(diào)頻市場(chǎng)中均可以?xún)?yōu)先出清，而綜合性能指標(biāo)較低的機(jī)組147、148 由于調(diào)整后報(bào)價(jià)較高，僅中標(biāo)少數(shù)調(diào)頻容量，而大部分綜合性能指標(biāo)在均值以下的機(jī)組無(wú)法在調(diào)頻市場(chǎng)中標(biāo)，因此實(shí)際運(yùn)行中可在確保系統(tǒng)滿(mǎn)足調(diào)頻容量需求的前提下，選取調(diào)頻綜合性能更優(yōu)的機(jī)組提供調(diào)頻服務(wù)以保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)平衡。

考慮深度調(diào)峰前后火電機(jī)組與風(fēng)電場(chǎng)出力如圖6 所示。由圖可見(jiàn)，深度調(diào)峰市場(chǎng)啟動(dòng)前，在負(fù)荷水平較低的時(shí)段（04:00—06:00），風(fēng)電預(yù)測(cè)出力較高，而火電機(jī)組受到最小技術(shù)出力以及最小連續(xù)開(kāi)停機(jī)時(shí)間的限制，無(wú)法為風(fēng)電留出多余的消納空間，由此產(chǎn)生了1 289.07 MW·h 的棄風(fēng)電量。在深度調(diào)峰輔助服務(wù)出清后，棄風(fēng)時(shí)段內(nèi)火電機(jī)組通過(guò)市場(chǎng)競(jìng)價(jià)獲取提供深度調(diào)峰容量的資格，將出力壓低至最小技術(shù)出力以下，為風(fēng)電預(yù)留消納空間，使得風(fēng)電可以達(dá)到滿(mǎn)發(fā)狀態(tài)。深度調(diào)峰容量與出清價(jià)格如附錄B圖B4所示。由圖可見(jiàn)，調(diào)峰容量出清價(jià)格與其容量需求呈正相關(guān)，一方面可以激勵(lì)火電機(jī)組提供深度調(diào)峰服務(wù)，提高系統(tǒng)的靈活性，另一方面也可以通過(guò)市場(chǎng)化方式來(lái)補(bǔ)償火電機(jī)組進(jìn)行深度調(diào)峰所產(chǎn)生的損耗成本以及降出力所損失的電量成本，體現(xiàn)市場(chǎng)的資源優(yōu)化配置作用。

圖6 考慮深度調(diào)峰輔助服務(wù)前、后火電與風(fēng)電出力Fig.6 Thermal power and wind power output before and after considering deep peaking auxiliary service

表1 爬坡容量缺額總量隨校驗(yàn)次數(shù)的變化Table 1 Variation of total ramping capacity shortage with verification times

靈活爬坡容量缺額總量隨爬坡容量校驗(yàn)次數(shù)的變化如表1 所示。由表可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)4 次校驗(yàn)后，系統(tǒng)向上、向下爬坡容量缺額總量不再變化。其中，向上爬坡容量缺額總量降低至0，說(shuō)明系統(tǒng)具有足夠的向上爬坡能力以應(yīng)對(duì)實(shí)際運(yùn)行中風(fēng)電驟降所引發(fā)的切負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn)；向下爬坡容量缺額總量與爬坡容量校驗(yàn)前相比降低了72.03%，若風(fēng)電出力突然增加，系統(tǒng)也具有一定的向下爬坡能力為風(fēng)電留出消納空間，大幅降低了風(fēng)電不確定性所產(chǎn)生的棄風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)。

考慮靈活爬坡輔助服務(wù)前后系統(tǒng)的爬坡容量缺額如附錄B 圖B5 所示。由圖可見(jiàn)：引入靈活爬坡輔助服務(wù)前，在負(fù)荷高峰和低谷時(shí)段系統(tǒng)靈活性不足，分別產(chǎn)生了向上和向下爬坡容量缺額，無(wú)法跟隨實(shí)際運(yùn)行中風(fēng)電不確定性引起的凈負(fù)荷波動(dòng)；引入靈活爬坡輔助服務(wù)后，僅04:00—06:00 中少數(shù)時(shí)段存在向下爬坡容量缺額。

靈活爬坡容量?jī)r(jià)格如圖7 所示。由圖可見(jiàn)，除引入靈活爬坡輔助服務(wù)的時(shí)段外，其余時(shí)段的容量?jī)r(jià)格為0，可以清晰地反映出系統(tǒng)爬坡容量供求關(guān)系之間的變化。此外，在引入靈活爬坡輔助服務(wù)后仍存在爬坡容量缺額的時(shí)段，其靈活爬坡容量?jī)r(jià)格達(dá)到價(jià)格上限，說(shuō)明此時(shí)火電機(jī)組預(yù)留爬坡容量所損失的機(jī)會(huì)成本高于價(jià)格上限。在實(shí)際運(yùn)行中，系統(tǒng)可以根據(jù)歷史爬坡容量缺額情況對(duì)價(jià)格上限進(jìn)行合理設(shè)置，在激勵(lì)火電機(jī)組提供靈活爬坡容量的同時(shí)，也可以避免為風(fēng)電不確定性所導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)支付過(guò)高的額外成本。

圖7 靈活爬坡容量?jī)r(jià)格Fig.7 Price of flexible ramping capacity

將靈活爬坡輔助服務(wù)與以風(fēng)電偏差功率（即25%的風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差乘以風(fēng)電預(yù)測(cè)功率）作為需求容量的傳統(tǒng)備用方式進(jìn)行對(duì)比，火電機(jī)組所提供的向上、向下靈活爬坡容量與傳統(tǒng)備用容量如圖8 所示。由圖可見(jiàn)，與傳統(tǒng)備用相比，靈活爬坡輔助服務(wù)預(yù)留容量更集中于系統(tǒng)需求較高的時(shí)段，具有較強(qiáng)的靈活性。以20元／（MW·h）作為傳統(tǒng)備用補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)［22］，傳統(tǒng)備用總費(fèi)用為837.28萬(wàn)元，而靈活爬坡輔助服務(wù)費(fèi)用為605.11萬(wàn)元，可見(jiàn)，采用靈活爬坡輔助服務(wù)時(shí)系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)性顯著提升。

對(duì)比不同棄風(fēng)懲罰費(fèi)用下系統(tǒng)所產(chǎn)生的棄風(fēng)電量以及系統(tǒng)總運(yùn)營(yíng)成本如表2 所示。由表可見(jiàn)，隨著棄風(fēng)懲罰費(fèi)用的增加，全天的棄風(fēng)電量呈下降趨勢(shì)，然而系統(tǒng)運(yùn)行成本隨之增加。在實(shí)際運(yùn)行中，系統(tǒng)運(yùn)行人員可以根據(jù)需要設(shè)置合適的棄風(fēng)懲罰費(fèi)用，以獲得兼具可靠性和經(jīng)濟(jì)性的市場(chǎng)出清結(jié)果。

圖8 靈活爬坡容量與傳統(tǒng)備用容量對(duì)比Fig.8 Comparison of flexible ramping capacity and traditional reserve capacity

表2 不同棄風(fēng)懲罰費(fèi)用下棄風(fēng)電量與系統(tǒng)總運(yùn)營(yíng)成本對(duì)比Table 2 Comparison of wind curtailment and total system operating cost among different wind curtailment penalties

表3 不同風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差下的靈活爬坡輔助服務(wù)出清結(jié)果Table 3 Clearing results of flexible ramping auxiliary service under different wind power prediction errors

不同風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差下考慮靈活爬坡輔助服務(wù)前后的爬坡容量缺額總量以及爬坡容量平均價(jià)格如表3 所示。從表中可看出，當(dāng)風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差為5%和15% 時(shí)，由于凈負(fù)荷波動(dòng)范圍較小，因此全天所產(chǎn)生的靈活爬坡容量缺額總量較小，且通過(guò)引入靈活爬坡輔助服務(wù)后均不再產(chǎn)生靈活爬坡容量缺額，說(shuō)明系統(tǒng)在該預(yù)測(cè)誤差下將不會(huì)產(chǎn)生切負(fù)荷／棄風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)；而風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差上升至25%和35%時(shí)，系統(tǒng)所產(chǎn)生的爬坡容量缺額總量大幅上升，經(jīng)過(guò)靈活爬坡輔助服務(wù)后，系統(tǒng)的爬坡容量缺額總量顯著下降。此外，隨著風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差的增大，系統(tǒng)爬坡容量缺額總量不斷上升，全天的爬坡容量平均價(jià)格也隨之提高。

進(jìn)一步分析不同負(fù)荷波動(dòng)特性對(duì)靈活爬坡輔助服務(wù)出清結(jié)果的影響，選取該電網(wǎng)2017 年典型節(jié)假日（1 月28 日）、全年峰谷差最大日（5 月31 日）的負(fù)荷曲線進(jìn)行仿真分析，負(fù)荷曲線如附錄B 圖B6 所示，仿真結(jié)果如附錄B 表B1 所示。由表B1 可以看出，系統(tǒng)靈活爬坡輔助服務(wù)需求量與負(fù)荷具有一定的相關(guān)性：典型節(jié)假日的全天負(fù)荷水平較低，在線機(jī)組較少，系統(tǒng)向下調(diào)節(jié)空間不足，因此產(chǎn)生的向下爬坡容量缺額較大，向下靈活爬坡輔助服務(wù)需求量較大；而在峰谷差最大日中，由負(fù)荷低谷到高峰的轉(zhuǎn)變所需的向上爬坡容量較大，因此對(duì)于向上靈活爬坡輔助服務(wù)需求量較大。此外，引入靈活爬坡輔助服務(wù)后系統(tǒng)的爬坡容量缺額總量均大幅下降，降低了系統(tǒng)在運(yùn)行日的切負(fù)荷／棄風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論

本文提出面向風(fēng)電市場(chǎng)化消納的現(xiàn)貨電能量-輔助服務(wù)聯(lián)合運(yùn)營(yíng)機(jī)制，并構(gòu)建電能量與輔助服務(wù)市場(chǎng)的分階段出清模型，采用某省級(jí)實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真分析，得到如下結(jié)論。

（1）通過(guò)在求解電能量市場(chǎng)SCUC 模型所得機(jī)組組合結(jié)果的基礎(chǔ)上對(duì)調(diào)頻輔助服務(wù)進(jìn)行優(yōu)先出清，可以充分滿(mǎn)足系統(tǒng)的調(diào)頻容量需求。此外，基于機(jī)組綜合調(diào)頻性能均值歸一化方法的調(diào)整報(bào)價(jià)機(jī)制為機(jī)組參與調(diào)頻市場(chǎng)提供了門(mén)檻值，可以激勵(lì)機(jī)組改善自身調(diào)頻性能。

（2）以棄風(fēng)電量為需求的深度調(diào)峰有效解決了系統(tǒng)在負(fù)荷低谷而風(fēng)電出力較高時(shí)段的風(fēng)電消納問(wèn)題，其分段報(bào)價(jià)機(jī)制與購(gòu)買(mǎi)成本最小的集中出清方式可以促使機(jī)組基于提供深度調(diào)峰的能耗特性進(jìn)行申報(bào)，體現(xiàn)了市場(chǎng)優(yōu)化資源配置的作用。

（3）基于爬坡容量校驗(yàn)的靈活爬坡輔助服務(wù)只需在系統(tǒng)產(chǎn)生爬坡容量缺額的時(shí)段添加相應(yīng)約束，通過(guò)4 次爬坡容量校驗(yàn)后，系統(tǒng)的靈活性大幅提高。與傳統(tǒng)備用方式的對(duì)比，進(jìn)一步體現(xiàn)了靈活爬坡輔助服務(wù)的經(jīng)濟(jì)性和靈活性。

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