劉政，雷少鋒，王清亮，李云達(dá)，任惠，盧錦玲

(1.河北電力交易中心有限公司, 石家莊市 050011；2.華北電力大學(xué)(保定)電力工程系，河北省保定市 071003；3.國網(wǎng)河北省電力有限公司檢修分公司, 石家莊市 050070)

0 引 言

由于風(fēng)電等新能源裝機容量和用電負(fù)荷的跨越式增長，以及源荷逆向分布的國情，能源富集省份“三棄”問題嚴(yán)重，電力緊缺省份缺電深度不斷提高，我國現(xiàn)行跨省區(qū)電力交易存在省間壁壘難以打破、資源配置低效的問題[1-2]。2015年國務(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》(中發(fā)〔2015〕9號文)，文件提出要促使電力富余地區(qū)更好地向缺電地區(qū)輸送電力，充分發(fā)揮市場配置資源、調(diào)劑余缺的作用，促進(jìn)電力資源在更大范圍優(yōu)化配置。為了解決上述問題并落實電改政策，可基于現(xiàn)有區(qū)域電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)建設(shè)區(qū)域電力現(xiàn)貨市場。

區(qū)域電力現(xiàn)貨市場通過統(tǒng)一管理、統(tǒng)一運營、統(tǒng)一出清，可以打破因經(jīng)濟和體制差異而存在的交易壁壘，促進(jìn)可再生能源跨區(qū)消納，并且解決部分省份的電力短缺問題，提高電力富余省份的設(shè)備利用效率，降低系統(tǒng)的運行成本，從而整體上保障系統(tǒng)運行的可靠性和經(jīng)濟性，促進(jìn)區(qū)域電力資源的優(yōu)化配置。同時電力市場出清結(jié)果是電力市場交易與電力系統(tǒng)調(diào)度運行的基礎(chǔ)，而現(xiàn)貨市場出清模型對于得到精確合理的市場出清結(jié)果十分重要，因此，現(xiàn)貨市場出清模型是建設(shè)區(qū)域電力現(xiàn)貨市場的關(guān)鍵。

備用輔助服務(wù)市場作為現(xiàn)貨市場的重要組成部分，具有保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行、電能可靠供應(yīng)的重要作用?，F(xiàn)階段我國備用輔助服務(wù)市場在出清過程中主要存在兩個問題：第一，電能量市場與備用輔助服務(wù)市場沒有實現(xiàn)緊密銜接，兩者相互獨立，分步出清，并未考慮電能量與備用的耦合特性，難以實現(xiàn)系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性與可靠性；第二，大部分地區(qū)均采用分省預(yù)留備用的模式，省間難以實現(xiàn)備用容量的相互支援，造成備用容量匱乏地區(qū)棄風(fēng)或失負(fù)荷問題嚴(yán)重，而備用容量充足地區(qū)存在備用閑置的現(xiàn)象。因此在出清過程中，一方面需要通過電能量與備用的聯(lián)合出清實現(xiàn)系統(tǒng)整體效益的最大化，另一方面需要引入備用共享機制，通過省間備用的互補互濟實現(xiàn)備用資源的優(yōu)化配置。

對于現(xiàn)貨市場出清模型國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[3]分別構(gòu)建了單區(qū)域、多區(qū)域互聯(lián)兩種情況下的電能與備用聯(lián)合優(yōu)化出清的數(shù)學(xué)模型，但并未考慮風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)對出清模型的影響；文獻(xiàn)[4]分別建立并對比了電能量交易和備用交易聯(lián)合出清、分別出清的數(shù)學(xué)模型，但所建立的模型僅針對省內(nèi)市場出清，未從區(qū)域電力市場角度進(jìn)行全面考慮；文獻(xiàn)[5]建立了計及共享備用容量的區(qū)域互聯(lián)系統(tǒng)備用容量分配模型，制定了系統(tǒng)備用容量分配策略，但未從電力市場出清的角度量化共享備用容量；文獻(xiàn)[6]給出了計及備用共享的含高比例風(fēng)電的多區(qū)域協(xié)調(diào)調(diào)度模型，但未對機組組合情況進(jìn)行分析。

目前，東北、華東、南方等區(qū)域電力市場處于電力改革的起步階段，跨省區(qū)電力交易仍是“以中長期交易為主，現(xiàn)貨交易為補充”的市場模式[7-8]，加上我國以“省為實體”的政治經(jīng)濟體制，使得電力交易的省間壁壘難以打破，區(qū)域內(nèi)省間電力互濟共享的特性沒有充分發(fā)揮，且備用市場等輔助市場建設(shè)有待完善。因此，建立區(qū)域電力現(xiàn)貨市場出清模型勢必要綜合考慮電能和備用聯(lián)合優(yōu)化、跨省區(qū)備用共享、省間聯(lián)絡(luò)線參與協(xié)調(diào)調(diào)度等關(guān)鍵問題。鑒于此，文章建立考慮備用共享的區(qū)域電力現(xiàn)貨市場電能與備用聯(lián)合出清模型，以兩個互聯(lián)的IEEE 30節(jié)點系統(tǒng)模擬區(qū)域電力現(xiàn)貨市場交易，并驗證模型的有效性。

1 區(qū)域電力現(xiàn)貨市場出清模型的關(guān)鍵問題

建立區(qū)域電力現(xiàn)貨市場出清模型之前要解決好如下幾個關(guān)鍵問題：市場模式的選擇、棄風(fēng)和失負(fù)荷問題的緩解、聯(lián)絡(luò)線的運行方式以及備用共享和跨省購電的合理實現(xiàn)。

市場模式的選擇是建立區(qū)域電力現(xiàn)貨市場的關(guān)鍵。為了向構(gòu)建“統(tǒng)一開放，競爭有序”的全國統(tǒng)一的電力市場[6]的最終目標(biāo)過渡，本文中區(qū)域電力市場將采用區(qū)域統(tǒng)一集中式現(xiàn)貨市場模式，并相應(yīng)建立集中式的區(qū)域統(tǒng)一現(xiàn)貨市場出清模型。為此，文章借鑒了美國賓夕法尼亞-新澤西-馬里蘭(Pennsylvania-New Jersey-Maryland, PJM)區(qū)域電力市場。PJM是一個典型的整個區(qū)域統(tǒng)一平衡的集中式市場，現(xiàn)貨交易時采用全電量集中競價并由市場運營機構(gòu)統(tǒng)一出清的市場模式。在考慮系統(tǒng)安全約束的基礎(chǔ)上，確定機組組合和發(fā)電計劃，資源配置效率極高[9-10]。為了應(yīng)對緊急狀況，PJM加入了弗吉尼亞-南北卡羅萊納州(Virginia-Carolinas , VACAR)備用共享小組，與南部的弗吉尼亞與南北卡羅萊納州共享備用，3個區(qū)域系統(tǒng)運營商(regional transmission organization, RTO)可以共同激活部分10 min備用來緩解系統(tǒng)的壓力。備用共享機制的應(yīng)用減少了輸電網(wǎng)運營商購買備用的容量和運營成本，提高了潛在的可用備用的總?cè)萘?，提高了系統(tǒng)的魯棒性[11]。類似地，當(dāng)我國不同地區(qū)各方面差異逐步縮小時，將逐步建成統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一建設(shè)、統(tǒng)一調(diào)度、統(tǒng)一核算、統(tǒng)一管理的以區(qū)域交易中心為交易平臺的區(qū)域統(tǒng)一集中式現(xiàn)貨電力市場[12]。

含高比例風(fēng)電地區(qū)為應(yīng)對大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)帶來的不確定性問題，需預(yù)留足夠的備用容量，當(dāng)現(xiàn)有負(fù)備用難以滿足風(fēng)電全額消納的需求便會棄風(fēng)。電力緊缺省份用電高峰期電力不足現(xiàn)象嚴(yán)重，當(dāng)正備用容量短缺時，為實現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定運行則被迫限電。區(qū)域電力現(xiàn)貨市場協(xié)調(diào)出清能實現(xiàn)資源互濟，并在出清模型中引入棄風(fēng)懲罰系數(shù)和失負(fù)荷懲罰系數(shù)來緩解棄風(fēng)和失負(fù)荷問題[13-14]。

傳統(tǒng)的省間聯(lián)絡(luò)線多從電力市場交易出發(fā)采用分段恒功率模式運行，與機組發(fā)電計劃和新能源消納處于松耦合狀態(tài)，難以真正實現(xiàn)互聯(lián)電網(wǎng)的資源互濟。在區(qū)域電力市場中要優(yōu)化聯(lián)絡(luò)線編制，需要實現(xiàn)聯(lián)絡(luò)線功率與機組出力的協(xié)調(diào)優(yōu)化，從而實現(xiàn)電力資源在全網(wǎng)的優(yōu)化配置。

通過省間聯(lián)絡(luò)線實現(xiàn)備用共享和跨省購電，可以增強系統(tǒng)抗風(fēng)險能力，減少系統(tǒng)運行成本[15-16]。但是，不考慮備用共享的代價，單純?yōu)闇p小系統(tǒng)備用容量總量而大量共享備用，會造成提供備用的機組分布不合理，若聯(lián)絡(luò)線發(fā)生阻塞或故障，備用容量將無法實現(xiàn)跨區(qū)調(diào)度；不考慮跨省購電的代價，僅為實現(xiàn)全網(wǎng)發(fā)電成本最小化而無限制跨省調(diào)用低成本機組，將損害本地區(qū)發(fā)電機組利益，并帶來嚴(yán)重的阻塞問題。因此，提出的區(qū)域電力現(xiàn)貨市場的出清模型中引入了備用共享代價和跨省購電代價，二者源于輸電費用、系統(tǒng)損耗、系統(tǒng)安全和調(diào)度管理等產(chǎn)生的成本[17]。

2 區(qū)域電力現(xiàn)貨市場電能與備用聯(lián)合出清模型

電力現(xiàn)貨市場出清模型主要包括安全約束機組組合(security constrained unit commitment, SCUC)模型、安全約束經(jīng)濟調(diào)度(security constrained economic dispatch, SCED)模型和節(jié)點邊際電價(locational marginal price, LMP)計算模型三部分[18-20]。LMP主要用于價格結(jié)算，文中只作簡單介紹。區(qū)域電力現(xiàn)貨市場出清模型是在省級電力現(xiàn)貨市場出清模型基礎(chǔ)上進(jìn)行的修改和拓展，二者區(qū)別關(guān)鍵在于區(qū)域電力現(xiàn)貨市場中需考慮備用共享機制和聯(lián)絡(luò)線運行方式對出清結(jié)果的影響。

2.1 安全約束機組組合模型

2.1.1 目標(biāo)函數(shù)

區(qū)域電力現(xiàn)貨市場SCUC模型以區(qū)域系統(tǒng)運行成本最小化為目標(biāo)，綜合考慮發(fā)電成本、啟停成本、備用成本、棄風(fēng)懲罰成本和失負(fù)荷懲罰成本，以及備用共享代價和跨省購電代價。模型如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

2.1.2 約束條件

1)區(qū)域功率平衡約束。

(5)

2)區(qū)域備用容量約束。

在實行備用共享機制情況下，省內(nèi)機組提供備用容量與通過省間聯(lián)絡(luò)線共享的備用容量之和需滿足該省備用容量需求。

(6)

(7)

3)各省最小當(dāng)?shù)貍溆萌萘考s束。

實際調(diào)度過程中，當(dāng)某省發(fā)生緊急情況時會優(yōu)先調(diào)用本省的部分備用容量，這部分備用的極限值為最小當(dāng)?shù)貍溆萌萘?。若最小?dāng)?shù)貍溆萌萘咳詿o法滿足需求，再調(diào)用本省其他備用容量或通過備用共享機制調(diào)用其他省份的備用容量。這樣能夠維護(hù)本省機組利益，有利于電力市場的初期建設(shè)。

(8)

(9)

4)風(fēng)電場出力約束。

(10)

5)失負(fù)荷約束。

(11)

6)機組出力上下限約束。

(12)

7)備用容量限制約束。

各時段機組提供的正、負(fù)備用同時受機組調(diào)整速率和機組出力上下限約束。

(13)

(14)

8)機組爬坡約束。

(15)

(16)

9)機組最小連續(xù)開停時間約束。

(17)

(18)

(19)

(20)

10)省內(nèi)支路潮流約束。

(21)

11)省間聯(lián)絡(luò)線約束。

PT,z,max,?z,?t

(22)

式中：PT,z,max為省間聯(lián)絡(luò)線z的傳輸功率極限；NG、NW、ND分別為系統(tǒng)火電機組、風(fēng)電場和負(fù)荷節(jié)點的總數(shù)；NH為區(qū)域外聯(lián)絡(luò)線總數(shù)；Gz-i為火電機組i所在節(jié)點對省間聯(lián)絡(luò)線z的發(fā)電機輸出功率轉(zhuǎn)移分布因子；Gz-j為風(fēng)電場j所在節(jié)點對省間聯(lián)絡(luò)線z的發(fā)電機輸出功率轉(zhuǎn)移分布因子；Gz-h為區(qū)域外聯(lián)絡(luò)線h所在節(jié)點對省間聯(lián)絡(luò)線z的發(fā)電機輸出功率轉(zhuǎn)移分布因子；PT,h,t為區(qū)域外聯(lián)絡(luò)線h的傳輸功率；Gz-n為負(fù)荷節(jié)點n對省間聯(lián)絡(luò)線z的發(fā)電機輸出功率轉(zhuǎn)移分布因子。

2.2 安全約束經(jīng)濟調(diào)度模型

2.2.1 目標(biāo)函數(shù)

區(qū)域電力現(xiàn)貨市場SCED模型是在SCUC模型已確定的機組組合計劃基礎(chǔ)上編制的更精細(xì)化的發(fā)電調(diào)度計劃。因此，SCED模型的目標(biāo)函數(shù)相較于SCUC模型的目標(biāo)函數(shù)不考慮機組啟停成本。

(23)

2.2.2 約束條件

SCED模型的約束條件不考慮機組最小連續(xù)開停機時間，且機組爬坡約束要修改，其他約束同SCUC模型。機組爬坡約束可描述為：

(24)

(25)

根據(jù)上述安全約束經(jīng)濟調(diào)度模型的目標(biāo)函數(shù)和約束條件構(gòu)造拉格朗日函數(shù)，并對各節(jié)點處的負(fù)荷求偏導(dǎo)，并根據(jù)Karush-Kuhn-Tucker(KKT)條件求解即可求得節(jié)點邊際電價。

3 算例分析

3.1 仿真參數(shù)

基于兩個互聯(lián)的IEEE 30節(jié)點系統(tǒng)進(jìn)行測試，設(shè)兩個系統(tǒng)分別為A省和B省，二者構(gòu)成區(qū)域電力市場?；痣姍C組詳細(xì)參數(shù)見附錄表A1，機組1—6屬于A省，機組7—12屬于B省，風(fēng)電場位于A省節(jié)點20處，出清周期T為24 h。棄風(fēng)懲罰成本系數(shù)取100 美元/(MW·h)，失負(fù)荷懲罰成本系數(shù)取100美元/(MW·h)，共享備用代價系數(shù)取10美元/(MW·h)，跨省購電代價系數(shù)取40美元/(MW·h)。風(fēng)電功率和負(fù)荷預(yù)測曲線如圖1所示。在MATLAB環(huán)境下使用專業(yè)建模軟件Yalmip進(jìn)行建模，并調(diào)用CPLEX求解器對模型進(jìn)行求解。

表A1 火電機組參數(shù)Table A1 Parameters of thermal units

圖1 風(fēng)電功率和負(fù)荷預(yù)測值Fig.1 Prediction of wind power output and loads

下面設(shè)置3種場景進(jìn)行分析：場景一，區(qū)域內(nèi)省間聯(lián)絡(luò)線傳輸計劃固定且不計備用共享，各省級電力市場獨立出清；場景二，區(qū)域內(nèi)省間聯(lián)絡(luò)線協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度，不計備用共享區(qū)域電力市場協(xié)調(diào)出清；場景三為本文所提模型，區(qū)域內(nèi)省間聯(lián)絡(luò)線協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度，計及備用共享區(qū)域電力市場協(xié)調(diào)出清。

3.2 出清結(jié)果及分析

省級電力市場和區(qū)域電力市場出清的機組組合情況如圖2所示。B省機組8—12始終處于啟動狀態(tài)，圖中不再顯示。通過對比可知，區(qū)域電力市場協(xié)調(diào)出清相較于省級電力市場獨立出清，A省部分低價機組開機時段增多，特別是時段19—24，B省機組7開機時段減少。這是由于區(qū)域電力市場協(xié)調(diào)出清使得A省的大量風(fēng)電資源通過聯(lián)絡(luò)線送往B省，為滿足A省的負(fù)荷需求，原本為了促進(jìn)風(fēng)電消納而出力較小或關(guān)停的常規(guī)機組出力增加或開機運行。同時為實現(xiàn)系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性，B省為滿足負(fù)荷需求，將優(yōu)先調(diào)用運行成本相對較低的A省機組。

圖2 省級電力市場和區(qū)域電力市場的機組組合Fig.2 Unit commitment of provincial and regionalelectricity market

省級電力市場和考慮備用共享的區(qū)域電力市場的安全約束經(jīng)濟調(diào)度結(jié)果分別如圖3和圖4所示。場景一中A省在時段21—24存在棄風(fēng)現(xiàn)象，B省在時段18—22存在失負(fù)荷現(xiàn)象，棄風(fēng)和失負(fù)荷的具體情況如表1和表2所示。這是因為，在時段21—24，為實現(xiàn)風(fēng)電的充分消納，A省火電機組出力較低，受最小出力和調(diào)節(jié)速率的影響，可提供的負(fù)備用容量無法滿足省級系統(tǒng)的負(fù)備用需求，此時通過棄風(fēng)可減少這部分風(fēng)電對應(yīng)的負(fù)備用需求，火電機組的備用能力才能滿足規(guī)定可靠性水平下的要求。在時段18—22，B省負(fù)荷需求量大，火電機組接近甚至處于滿負(fù)荷運行狀態(tài)，受最大出力和調(diào)節(jié)速率的影響，可提供的正備用容量無法滿足省級系統(tǒng)正備用需求，此時切除引起正備用需求的部分負(fù)荷可緩解正備用供給緊張問題。場景三中A省的棄風(fēng)情況得到緩解，B省無失負(fù)荷現(xiàn)象，棄風(fēng)的具體情況如表3所示。原因是基于備用共享和聯(lián)絡(luò)線協(xié)調(diào)優(yōu)化的機制，區(qū)域電力市場中不同省份可通過資源互濟在滿足負(fù)荷需求的情況下實現(xiàn)風(fēng)電的充分消納。

表1 省級電力市場獨立出清A省棄風(fēng)情況Table 1 Wind curtailment in province A under the independent clearing of provincial electricity market MW

表2 省級電力市場獨立出清B省失負(fù)荷情況Table 2 Loss of load in province B under the independent clearing of provincial electricity market MW

圖3 省級電力市場的安全約束經(jīng)濟調(diào)度Fig.3 SCED of provincial electricity market

圖4 考慮備用共享的區(qū)域電力市場的安全約束經(jīng)濟調(diào)度Fig.4 SCED of regional electricity market considering reserve sharing

表3 考慮備用共享的區(qū)域電力市場協(xié)調(diào)出清A省棄風(fēng)情況Table 3 Wind curtailment in province A under the coordinated clearing of regional electricity market considering reserve sharing MW

圖5為場景二和場景三區(qū)域電力市場協(xié)調(diào)出清的跨省購電情況，聯(lián)絡(luò)線傳輸功率方向以流入B省為正。時段1—10跨省購電代價大于跨省調(diào)用省外機組帶來的經(jīng)濟性，省間聯(lián)絡(luò)線傳輸功率為0，時段11—24跨省購電代價小于跨省調(diào)用省外機組帶來的經(jīng)濟性，省間聯(lián)絡(luò)線存在功率交換，且時段18—22省間聯(lián)絡(luò)線傳輸功率較多，這是由于在A省原本棄風(fēng)的時段，B省通過省間聯(lián)絡(luò)線從A省購得大量風(fēng)電，緩解了B省在相應(yīng)時段的失負(fù)荷問題。在部分時段，場景三相較于場景二聯(lián)絡(luò)線傳輸功率較多，這是因為備用共享機制使得預(yù)留備用總?cè)萘拷档?，A省低價機組出力空間增大，可以向B省提供更多的電力援助。

圖5 區(qū)域電力市場的跨省購電情況Fig.5 Cross-provincial electricity purchasing of regional electricity market

圖6為場景三區(qū)域電力市場協(xié)調(diào)出清的備用共享情況。時段18—24備用共享尤為頻繁，對應(yīng)A省備用不足的時段21—24的棄風(fēng)時段，B省備用不足的時段18—22的失負(fù)荷時段。其他時段的備用共享結(jié)果是為了滿足系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性。因此，區(qū)域電力市場中不同省份通過聯(lián)絡(luò)線進(jìn)行備用容量的相互支援能夠有效緩解各自備用需求不足的問題。

圖6 區(qū)域電力市場的備用共享情況Fig.6 Reserve sharing of regional electricity market

對比分析表4中不同出清模式的優(yōu)化結(jié)果可以看出，考慮備用共享的區(qū)域電力市場協(xié)調(diào)出清時，全系統(tǒng)全天的機組發(fā)電成本與懲罰成本較場景一和場景二均有所減少。場景三提供備用總?cè)萘亢统杀据^場景一分別提升了1.1%和4.07%，這是因為與獨立出清時比較，隨著風(fēng)電的充分消納和負(fù)荷的全部滿足，備用容量需求將有所增加，但場景三相較于場景二提供備用總?cè)萘坑兴鶞p少，這是因為備用共享機制使得兩個省份在遇到突發(fā)狀況時可以互相提供備用支援。場景三全系統(tǒng)全天的總成本是所有出清模式中最少的。

表4 不同出清模式的優(yōu)化結(jié)果對比Table 2 Comparison of optimization results of different clearing modes

4 結(jié) 論

本文針對部分地區(qū)存在的電力緊缺或“三棄”問題，綜合考慮跨省區(qū)備用共享和省間聯(lián)絡(luò)線參與協(xié)調(diào)調(diào)度等機制，提出考慮備用共享的區(qū)域電力現(xiàn)貨市場電能與備用聯(lián)合出清模型。通過算例分析，得出以下結(jié)論：

1)區(qū)域電力市場協(xié)調(diào)出清能夠優(yōu)化機組組合情況，使低成本機組得到充分利用；

2)區(qū)域電力市場出清過程中，通過省間電能和備用資源的互補互濟，能夠緩解部分省份的棄風(fēng)或失負(fù)荷問題，提高系統(tǒng)運行的可靠性；

3)考慮備用共享的區(qū)域電力市場協(xié)調(diào)出清，能夠降低系統(tǒng)的總運行成本。

接下來的研究將把柔性負(fù)荷等其他類型能源納入出清范疇，推動區(qū)域電力現(xiàn)貨市場的發(fā)展。