田雪沁，劉壯壯，王 茜，王瑛瑋，王新雷，郭鈺鋒

(1.國網(wǎng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)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(dòng)化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

近年來，隨著新能源機(jī)組大量接入電力系統(tǒng)，部分種類電力市場價(jià)格以及市場主體的收入受到不同程度的影響并降低[1-2]。以火電機(jī)組為例，“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的推進(jìn)使其發(fā)電空間不斷受到擠占，與新能源機(jī)組極低的邊際成本相比，市場收入逐漸難以覆蓋其發(fā)電成本，亟需引入容量市場機(jī)制及相應(yīng)的競標(biāo)策略，通過容量市場與能源市場的協(xié)同運(yùn)作，產(chǎn)生額外收入以支持發(fā)電商的短期運(yùn)營和長期投資。

作為世界各國容量市場的建設(shè)標(biāo)桿，PJM(Pennsylvania-New Jersey-Maryland Interconnection)容量市場機(jī)制受到學(xué)者的廣泛關(guān)注。文獻(xiàn)[3]借鑒了PJM容量市場容量需求曲線，并對市場機(jī)制的實(shí)施效果進(jìn)行了量化分析。文獻(xiàn)[4]總結(jié)了PJM容量保障機(jī)制，并提出國外電力市場容量機(jī)制設(shè)計(jì)要素。文獻(xiàn)[5]對比了PJM容量市場機(jī)制以及其他國際上建設(shè)成功的容量補(bǔ)償機(jī)制，并分析了其在中國實(shí)施的合理性。文獻(xiàn)[6]介紹了現(xiàn)階段儲能參與PJM容量市場的局限性，并驗(yàn)證了儲能具有參與容量補(bǔ)償機(jī)制的容量價(jià)值。文獻(xiàn)[7]提出了需求響應(yīng)資源在PJM容量市場中獲取報(bào)酬的具體補(bǔ)償規(guī)則。文獻(xiàn)[8]總結(jié)了包括PJM在內(nèi)的獨(dú)立運(yùn)營商如何設(shè)計(jì)市場規(guī)則來優(yōu)化市場配置。但是，目前立足我國國情、順應(yīng)我國電力系統(tǒng)節(jié)能降碳發(fā)展趨勢的容量市場機(jī)制與競標(biāo)策略的研究尚未出現(xiàn)。

本文首先基于我國電力市場節(jié)能降碳的發(fā)展趨勢提出了容量市場機(jī)制設(shè)計(jì)方案，隨后從發(fā)電商的角度提出了相應(yīng)的容量市場競標(biāo)策略，最后通過算例仿真驗(yàn)證了機(jī)制及競標(biāo)策略的合理性，并通過與純能量市場運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行對比，探究容量市場的重要意義。

1 順應(yīng)節(jié)能降碳發(fā)展趨勢的容量市場機(jī)制設(shè)計(jì)

為滿足系統(tǒng)充裕性靈活性要求、保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，2007年P(guān)JM容量市場在美國初次建成。容量市場的實(shí)施是為了確保未來有足夠的電力供應(yīng)，以滿足負(fù)荷峰值需求，滿足可靠性目標(biāo)(預(yù)測需求峰值加上儲備裕度)，從而保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

在本文設(shè)計(jì)的容量市場機(jī)制下，參與容量市場的主體首先提前一年在年度容量市場中參與統(tǒng)一競標(biāo)，獲取容量電價(jià)與合約電量信息。隨后，在交付時(shí)段的合約能量市場參與統(tǒng)一競標(biāo)，保證電量供給充足[9]，容量市場獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營商(Independent System Operator，ISO)將根據(jù)機(jī)組的實(shí)際貢獻(xiàn)額外支付容量報(bào)酬。因此，ISO設(shè)計(jì)容量市場機(jī)制時(shí)應(yīng)分別以“兩個(gè)階段市場購電成本最小”為目標(biāo)，將“儲備具有一定裕度的足量電源”及“滿足負(fù)荷需求”作為出清約束，并限制機(jī)組報(bào)價(jià)報(bào)量。容量市場機(jī)制模型如式(1)～式(8)所示

minQ1=p1k1

(1)

minQ2=p2k2

(2)

s.t. ∑k1=(1+μ)Dpre,max

(3)

s.t. ∑k2=D2

(4)

p1,min≤p1≤p1,max

(5)

p2,min≤p2≤p2,max

(6)

k1,min≤k1≤k1,max

(7)

k2,min≤k2≤k2,max

(8)

式中Q1——ISO年度容量市場購電成本/元;

Q2——ISO合約能量市場購電成本/元;

p1——年度容量市場機(jī)組報(bào)價(jià)/元·MW-1;

p2——合約能量市場機(jī)組報(bào)價(jià)/元·MW-1;

k1——年度容量市場機(jī)組申報(bào)容量/MW;

k2——合約能量市場機(jī)組申報(bào)電量/MW;

μ——容量儲備系數(shù);

Dpre,max——合約規(guī)定期間的負(fù)荷需求預(yù)測峰值/MW;

D2——合約規(guī)定期間的負(fù)荷需求/MW;

p1,min,p1,max——年度容量市場機(jī)組報(bào)價(jià)上下限值/元·MW-1;

p2,min,p2,max——合約能量市場機(jī)組報(bào)價(jià)上下限值/元·MW-1;

k1,min,k1,max——年度容量市場機(jī)組申報(bào)容量上下限值/MW;

k2,min,k2,max——合約能量市場機(jī)組申報(bào)電量上下限值/MW。

為順應(yīng)我國電力市場未來節(jié)能降碳的發(fā)展形勢，本文提出的容量市場機(jī)制針對火電、風(fēng)電和儲能三類代表性機(jī)組設(shè)計(jì)了相應(yīng)的容量市場準(zhǔn)入規(guī)則。

1.1 火電機(jī)組容量市場準(zhǔn)入規(guī)則

在碳達(dá)峰、碳中和號召的指引下，為使火電機(jī)組在即將大規(guī)模退役或改造的過渡時(shí)期保障其收益，又能為電力系統(tǒng)儲備充足的穩(wěn)定能源，容量市場機(jī)制為火電預(yù)留了最大的利潤空間，以激勵(lì)火電機(jī)組大規(guī)模投資。因此，容量市場機(jī)制允許火電機(jī)組投資的容量大于其他兩類機(jī)組。

1.2 風(fēng)電機(jī)組容量市場準(zhǔn)入規(guī)則

以風(fēng)電機(jī)組為代表的新能源機(jī)組發(fā)電間歇性較大,可能與容量市場“保證電力供給充足”的本質(zhì)沖突。然而，根據(jù)我國電力系統(tǒng)節(jié)能降碳的發(fā)展趨勢，未來各類電力市場中將不斷滲透清潔環(huán)保特性顯著的新能源機(jī)組。另外，目前發(fā)展較為成熟的美國PJM容量市場也已允許風(fēng)電光伏等新能源機(jī)組加入容量市場，且市場運(yùn)行結(jié)果良好。

綜合考慮以上因素，容量市場機(jī)制規(guī)定風(fēng)電機(jī)組的允許投資容量最少，并需采取措施提高自身發(fā)電穩(wěn)定性(例如配備一定比例的儲能機(jī)組)后方可參加容量市場。同時(shí)，考慮到風(fēng)電機(jī)組的邊際成本較火電儲能低很多，相對而言更容易中標(biāo)。為保證發(fā)電穩(wěn)定的機(jī)組在容量市場中具有更大的利益空間，容量市場機(jī)制針對風(fēng)電機(jī)組額外設(shè)置了容量市場準(zhǔn)入成本CONEwind，風(fēng)電機(jī)組在計(jì)算參與容量市場的成本時(shí)需額外考慮容量市場準(zhǔn)入成本的影響。通過以上措施，容量市場將吸引更多發(fā)電穩(wěn)定的機(jī)組投資，在接納新能源機(jī)組的同時(shí)為未來儲備充足的能源。

1.3 儲能機(jī)組容量市場準(zhǔn)入規(guī)則

基于節(jié)能降碳的目標(biāo)，未來各類儲能機(jī)組也將大規(guī)模加入容量市場。與火電機(jī)組類似，儲能機(jī)組也屬于發(fā)電穩(wěn)定性較高的一類機(jī)組。然而，儲能機(jī)組的成本較火電和風(fēng)電而言更高，目前針對儲能參與容量市場的機(jī)制研究尚未完善。因此，本文設(shè)計(jì)的容量市場機(jī)制允許儲能機(jī)組占據(jù)中等的市場份額，允許其投資中等數(shù)量的容量。

2 順應(yīng)節(jié)能降碳發(fā)展趨勢的容量市場競標(biāo)策略研究

在容量市場機(jī)制約束下，以最大化容量市場收益為目標(biāo)，發(fā)電商應(yīng)綜合考慮在年度容量市場中動(dòng)態(tài)投入的確保機(jī)組運(yùn)作正常、從而可以按期按量在合約能量市場中交付的運(yùn)維成本，以及合約能量市場中的發(fā)電邊際成本等影響因素，合理決策以最大化收益。容量市場競標(biāo)決策模型如式(9)-式(17)所示

maxWi=(p1,i-wi)k1,i+(p2,i-ciT)k2,i

(9)

minQ1,i=p1,ik1,i

(10)

minQ2,i=p2,ik2,i

(11)

(12)

(13)

p1,i,min≤p1,i≤p1,i,max

(14)

p2,i,min≤p2,i≤p2,i,max

(15)

k1,i,min≤k1,i≤k1,i,max

(16)

k2,i,min≤k2,i≤k2,i,max

(17)

式中Wi——機(jī)組i容量市場預(yù)期收益/元;

wi——機(jī)組i運(yùn)維成本/元·MW-1;

ci——機(jī)組i發(fā)電邊際成本/元·MWh-1;

T——容量市場合約時(shí)長/h;

Q1,i——ISO在年度容量市場對于機(jī)組i的購電成本/元;

Q2,i——ISO在合約能量市場對于機(jī)組i的購電成本/元;

p1,i——機(jī)組i的年度容量市場報(bào)價(jià)/元·MW-1;

p2,i——機(jī)組i的合約能量市場報(bào)價(jià)/元·MW-1;

由式(5)和式(6)可知權(quán)重系數(shù)在偏好父節(jié)點(diǎn)的選擇過程中尤為關(guān)鍵。不同的權(quán)重系數(shù)可導(dǎo)致不同的選擇結(jié)果?，F(xiàn)有的關(guān)于復(fù)合度量的權(quán)重系數(shù)的確定多是基于專家的個(gè)人經(jīng)驗(yàn),主觀性太強(qiáng)。為此本文提出的RPL-FAHP協(xié)議采用模糊層次分析法確定復(fù)合度量中各個(gè)路由度量的權(quán)重系數(shù)。RPL-FAHP結(jié)合各候選父節(jié)點(diǎn)評價(jià)的層次結(jié)構(gòu)、模糊一致性矩陣及層次分析法對各個(gè)路由度量的權(quán)重因子進(jìn)行定性和定量的分析,實(shí)現(xiàn)各個(gè)路由度量最優(yōu)的權(quán)重分配方案,進(jìn)而選擇最優(yōu)的候選父節(jié)點(diǎn)為偏好父節(jié)點(diǎn),有效地改善網(wǎng)絡(luò)性能。

k1,i——機(jī)組i的年度容量市場申報(bào)容量/MW;

k2,i——機(jī)組i的合約能量市場申報(bào)電量/MW;

p1,i,min,p1,i,max——機(jī)組i的年度容量市場報(bào)價(jià)上下限值/元·MW-1;

p2,i,min,p2,i,max——機(jī)組i的合約能量市場報(bào)價(jià)上下限值/元·MW-1;

k1,i,min,k1,i,max——機(jī)組i的年度容量市場申報(bào)容量上下限值/MW;

k2,i,min,k2,i,max——機(jī)組i的合約能量市場申報(bào)電量上下限值/MW。

3 算例仿真

3.1 基本參數(shù)

結(jié)合我國電力市場未來發(fā)展形勢，研究幾類具有代表性的機(jī)組參與容量市場的競標(biāo)結(jié)果，并與純能量市場運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行對比，以驗(yàn)證容量市場機(jī)制及競標(biāo)策略設(shè)計(jì)的合理性及重要意義。算例選取4臺火電機(jī)組、2臺風(fēng)電機(jī)組及2臺儲能機(jī)組參與容量市場，參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 容量市場機(jī)制下各類機(jī)組參數(shù)

3.2 容量市場機(jī)制及競標(biāo)策略分析結(jié)果

采用競標(biāo)策略模擬多次容量市場競標(biāo)過程后，每臺機(jī)組利潤最大時(shí)的競標(biāo)方案如表2所示。由于數(shù)據(jù)運(yùn)算過程中存在微小誤差，因此對若干次實(shí)驗(yàn)結(jié)果中的預(yù)期收益以“基準(zhǔn)平均值+偏差”的方式表示，為發(fā)電商提供容量市場競標(biāo)方案的參考值。

表2 容量市場機(jī)制下每臺機(jī)組利潤最大時(shí)的競標(biāo)方案

如圖1所示，根據(jù)出清規(guī)則的約束，火電機(jī)組#1的裝機(jī)容量無法全部中標(biāo)。之所以無法全部中標(biāo)的機(jī)組是火電機(jī)組，是因?yàn)樗憷谢痣姍C(jī)組的(預(yù)計(jì))裝機(jī)容量最大，收益空間最大，理論上中標(biāo)概率最大；風(fēng)電、儲能機(jī)組的(預(yù)計(jì))裝機(jī)容量少，成本高，理論上中標(biāo)概率更小。競標(biāo)策略模型中優(yōu)化問題的目標(biāo)是使每臺機(jī)組競標(biāo)時(shí)最大化自身收益，需要兼顧使用該模型的各種類別機(jī)組，具有普適意義。因此，從公平層面出發(fā)，未完全中標(biāo)機(jī)組為火電機(jī)組更加合理?；痣姍C(jī)組實(shí)際競標(biāo)時(shí)參考#2、#3、#4機(jī)組即可。

圖1 容量市場機(jī)制下每臺機(jī)組利潤最大時(shí)的報(bào)量與(預(yù)計(jì))裝機(jī)容量對比

根據(jù)圖1與圖2的描述，除火電機(jī)組#1外，每臺機(jī)組利潤最大化時(shí)的各種競標(biāo)方案中，報(bào)價(jià)與報(bào)量存在相同規(guī)律：報(bào)價(jià)等于市場出清電價(jià)，報(bào)量等于(預(yù)計(jì))裝機(jī)容量。一臺機(jī)組若以容量市場總收益最大為目標(biāo)，應(yīng)成為邊際機(jī)組，使自己全部的(預(yù)計(jì))裝機(jī)容量出清。機(jī)組提交報(bào)價(jià)與報(bào)量后，ISO將各臺機(jī)組報(bào)價(jià)從低到高排列，直至滿足負(fù)荷需求量，最后一臺中標(biāo)的機(jī)組報(bào)價(jià)作為出清電價(jià)，并將出清電價(jià)與中標(biāo)電量的乘積作為支付給機(jī)組的報(bào)酬。因此，如果要實(shí)現(xiàn)利益最大化，應(yīng)成為邊際機(jī)組，掌握出清電價(jià)的決定權(quán)，盡可能抬高出清電價(jià)，同時(shí)使自己的(預(yù)計(jì))裝機(jī)容量全部出清。

圖2 容量市場機(jī)制下每臺機(jī)組利潤最大時(shí)的報(bào)價(jià)與出清電價(jià)對比

根據(jù)算例設(shè)置，容量市場機(jī)制為火電機(jī)組預(yù)留了最大的利潤空間，儲能次之，風(fēng)電最少，如圖3所示。目前發(fā)電穩(wěn)定的火電機(jī)組使用較為廣泛，在以儲備充足穩(wěn)定能源為目標(biāo)的容量市場中收益空間最大。儲能發(fā)電也較為穩(wěn)定，但是其成本較高，在電力市場中占據(jù)的份額較少，與火電機(jī)組相比，收益空間中等。以風(fēng)電為代表的通過配備儲能等方式提高自身發(fā)電穩(wěn)定性的新能源機(jī)組普遍邊際成本很低，但是其發(fā)電穩(wěn)定性相較于前兩者更低，進(jìn)入容量市場將對其施加CONEwind的準(zhǔn)入成本，因此收益空間最小。

圖3 容量市場機(jī)制下每臺機(jī)組預(yù)期收益

3.3 容量與純能量市場機(jī)制及競標(biāo)策略對比分析結(jié)果

在純能量市場機(jī)制及競標(biāo)策略研究的模型及算例中，不包含與年度容量市場有關(guān)的任何參數(shù)，其余所有模型及參數(shù)的設(shè)置與容量市場機(jī)制及競標(biāo)策略完全相同。采用競標(biāo)策略模擬多次純能量市場競標(biāo)過程后，每臺機(jī)組利潤最大時(shí)的競標(biāo)方案如表3所示。

表3 純能量市場機(jī)制下每臺機(jī)組利潤最大時(shí)的競標(biāo)方案

對比圖1、圖2和圖4可知，容量市場機(jī)制下，火電機(jī)組#1的合約能量市場競標(biāo)電量是500 MW，是唯一無法出清全部電量的機(jī)組。在純能量市場機(jī)制下，火電機(jī)組#1的競標(biāo)電量是700 MW，并非唯一無法全部中標(biāo)的機(jī)組，同時(shí)其報(bào)價(jià)等于出清電價(jià)，成為邊際機(jī)組。這是由于純能量市場機(jī)制下，火電機(jī)組#1沒有在年度容量市場中回收發(fā)電成本的機(jī)會，其在純能量市場中的“競爭意識”強(qiáng)于容量市場，需要成為邊際機(jī)組，盡可能抬高市場電價(jià)，中標(biāo)電量也要盡可能高，才能最大化自身收益。

圖4 純能量市場機(jī)制下每臺機(jī)組利潤最大時(shí)的報(bào)價(jià)與報(bào)量情況

由圖5可知，各類機(jī)組在容量市場中的收益均高于純能量市場，這與容量市場的建設(shè)初衷一致。與純能量市場相比，容量市場為機(jī)組帶來的額外收益可以覆蓋在其他市場中無法完全回收的發(fā)電成本。另外，對比可得火電機(jī)組的收益增幅最大。為大量吸引火電等穩(wěn)定機(jī)組加入容量市場、在“碳達(dá)峰，碳中和”號召下為正在計(jì)劃退役或改造的火電機(jī)組提供額外的盈利機(jī)會，設(shè)計(jì)容量市場機(jī)制時(shí)的參數(shù)選取給火電機(jī)組預(yù)留了最大的盈利空間，同時(shí)火電機(jī)組的穩(wěn)定供電也將為電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供又一重保障。此外，可以觀察到，即使容量市場機(jī)制對風(fēng)電機(jī)組的價(jià)格約束最為嚴(yán)格、給風(fēng)電機(jī)組預(yù)留的利潤空間最小，風(fēng)電機(jī)組參加容量市場的收益仍然大于純能量市場，這也體現(xiàn)了容量市場可以為機(jī)組帶來額外收益的重要作用。

圖5 容量及純能量市場機(jī)制下每臺機(jī)組預(yù)期收益對比

由圖6可知，容量及純能量市場機(jī)制下，不同類別機(jī)組預(yù)期收益之間的對比規(guī)律相同，即火電大于儲能大于風(fēng)電。

圖6 純能量市場機(jī)制下每臺機(jī)組預(yù)期收益

4 結(jié)論

本文借鑒美國PJM容量市場建設(shè)成功經(jīng)驗(yàn)，分析了容量市場建設(shè)的必要性及其對發(fā)電商、ISO與電力系統(tǒng)的重要作用。對于發(fā)電商，容量市場機(jī)制可以為其帶去額外收益，幫助其回收在其他市場的發(fā)電成本。對于ISO與電力系統(tǒng)，建設(shè)容量市場可以為未來提供充足的容量儲備，從而保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。構(gòu)建了容量市場機(jī)制模型以及發(fā)電商用容量市場競標(biāo)策略模型，旨在為發(fā)電商提供收益最大化時(shí)的競標(biāo)策略。此外，將純能量市場與容量市場的運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行對比，體現(xiàn)容量市場的重要價(jià)值。

本文在機(jī)組類型的選擇上僅限于火電、風(fēng)電及儲能，接下來的研究可進(jìn)一步擴(kuò)展到更多類型的機(jī)組。同時(shí)，在容量市場機(jī)制設(shè)計(jì)方面，可以結(jié)合我國電力市場發(fā)展實(shí)際情況增加更多規(guī)范約束，促進(jìn)市場公平競爭。