于 娜，何遠(yuǎn)艦，黃大為，崔 晗，張志鵬，姜明磊

（1.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（東北電力大學(xué)）,吉林省吉林市 132012；2.國(guó)網(wǎng)吉林省電力有限公司計(jì)量中心,吉林省長(zhǎng)春市 130021；3.國(guó)網(wǎng)吉林省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,吉林省長(zhǎng)春市 130000）

0 引言

2020 年,國(guó)家能源局《關(guān)于建立健全清潔能源消納長(zhǎng)效機(jī)制的指導(dǎo)意見》中指出,應(yīng)鼓勵(lì)推動(dòng)電儲(chǔ)能建設(shè),提升風(fēng)電的調(diào)節(jié)能力以促進(jìn)清潔能源高質(zhì)量發(fā)展［1-2］?！笆奈濉睍r(shí)期將增加可再生能源上網(wǎng)電量比例,降低碳排放強(qiáng)度,在2030 年達(dá)到碳排放峰值［3］。在可再生能源比例不斷增加的前景下,伴隨著中國(guó)現(xiàn)貨電力市場(chǎng)改革的推進(jìn),輔助服務(wù)市場(chǎng)改革也得到快速發(fā)展,中國(guó)正在逐步通過(guò)市場(chǎng)機(jī)制引導(dǎo)儲(chǔ)能等快速調(diào)節(jié)資源來(lái)維護(hù)系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行,建設(shè)支撐源荷兩側(cè)協(xié)同互動(dòng)運(yùn)行的交易模式［4］。

在美國(guó)調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)中,將調(diào)頻需求按負(fù)荷比例分?jǐn)偨o負(fù)荷服務(wù)商,利用自身調(diào)頻資源或與第三方簽訂合同來(lái)履行其調(diào)頻責(zé)任,輔助服務(wù)責(zé)任正在由負(fù)荷側(cè)向電源側(cè)轉(zhuǎn)移［5］。文獻(xiàn)［6］在風(fēng)電與蓄熱電采暖聯(lián)合運(yùn)行模式下,構(gòu)建了蓄熱電采暖負(fù)荷聚合商的需求響應(yīng)策略。結(jié)果表明,負(fù)荷側(cè)資源提高了風(fēng)電企業(yè)的調(diào)節(jié)能力,使可再生能源企業(yè)承擔(dān)一定的輔助服務(wù)責(zé)任,減少了可再生能源出力波動(dòng)性。目前,中國(guó)的輔助服務(wù)費(fèi)用在發(fā)電企業(yè)間按各發(fā)電廠上網(wǎng)電量或電費(fèi)的比例進(jìn)行分?jǐn)偅?-9］。文獻(xiàn)［10］指出,用戶側(cè)電儲(chǔ)能設(shè)施可與風(fēng)電、光伏企業(yè)協(xié)商開展雙邊交易為電網(wǎng)提供輔助服務(wù),促進(jìn)可再生能源企業(yè)履行其輔助服務(wù)責(zé)任。文獻(xiàn)［11］設(shè)計(jì)了儲(chǔ)能與電采暖用戶參與調(diào)峰輔助服務(wù)市場(chǎng)的規(guī)則,提出了負(fù)荷側(cè)資源參與調(diào)峰市場(chǎng)出清、結(jié)算和分?jǐn)偟脑瓌t與方法。結(jié)果表明,負(fù)荷側(cè)資源在有效的市場(chǎng)機(jī)制下改善了風(fēng)電的反調(diào)峰特性,促進(jìn)了新能源消納。電極式電鍋爐具備響應(yīng)速度快、可頻繁調(diào)節(jié)的能力［12］。文獻(xiàn)［13］闡述了電極式蓄熱電鍋爐的快速響應(yīng)特性,表明電極式蓄熱電鍋爐可參與電網(wǎng)調(diào)頻。文獻(xiàn)［14］設(shè)計(jì)了電極式電鍋爐參與電網(wǎng)調(diào)頻的日前優(yōu)化調(diào)度方法,電極式電鍋爐參與電網(wǎng)調(diào)頻可有效提高運(yùn)營(yíng)商收益,對(duì)推進(jìn)電熱綜合能源系統(tǒng)發(fā)展具有重要意義。在清潔能源政策下,風(fēng)電與蓄熱電采暖用戶聯(lián)合運(yùn)營(yíng)成為研究熱點(diǎn)［15］。文獻(xiàn)［16］分析了蓄熱電采暖運(yùn)行特性,設(shè)計(jì)了風(fēng)電與蓄熱電采暖用戶聯(lián)合運(yùn)營(yíng)模式。結(jié)果表明,蓄熱電采暖用戶為風(fēng)電企業(yè)提供輔助服務(wù),實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電的高效、安全、綠色消費(fèi)。

本文提出一種風(fēng)電企業(yè)與蓄熱電采暖用戶聯(lián)合參與調(diào)頻市場(chǎng)的運(yùn)營(yíng)模式,構(gòu)建了風(fēng)電與蓄熱電采暖用戶聯(lián)合優(yōu)化決策模型,并通過(guò)算例分析了模型的帕累托解集,論證了所提運(yùn)營(yíng)模式的可行性,同時(shí)分析了合同簽訂電能與調(diào)頻容量?jī)r(jià)格對(duì)運(yùn)營(yíng)策略的影響。本文所述模式對(duì)建立電力市場(chǎng)源荷雙邊交易模式起到了銜接和過(guò)渡作用,有助于清潔能源消納與負(fù)荷側(cè)資源參與調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng),促進(jìn)調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)主體培育與輔助服務(wù)市場(chǎng)的良性發(fā)展。

1 構(gòu)建聯(lián)合運(yùn)營(yíng)模式的基本思路

目前,中國(guó)的東北地區(qū)已經(jīng)實(shí)施了風(fēng)電企業(yè)與電采暖用戶之間的分時(shí)段電能雙邊交易,電采暖用戶可與風(fēng)電企業(yè)協(xié)商開展雙邊交易,在一定程度上為蓄熱電采暖用戶提供了發(fā)揮其靈活調(diào)節(jié)能力并獲取利潤(rùn)的機(jī)會(huì)。本文在已有的電能雙邊交易模式基礎(chǔ)上,擴(kuò)展到調(diào)頻輔助服務(wù)雙邊交易,以每15 min為一個(gè)交易時(shí)段,風(fēng)電企業(yè)與電采暖用戶協(xié)商各時(shí)段的電能價(jià)格,以及電采暖用戶為風(fēng)電企業(yè)提供調(diào)頻備用的價(jià)格。確定每日各時(shí)段的交易電量與蓄熱電采暖用戶提供的調(diào)頻備用容量,由風(fēng)電企業(yè)代理參與調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)。聯(lián)合運(yùn)營(yíng)模式如圖1 所示,其中風(fēng)電企業(yè)配置了電儲(chǔ)能,蓄熱電采暖由電鍋爐與蓄熱罐組成,如下方紅色虛線框所示,二者構(gòu)成聯(lián)合主體參與調(diào)頻市場(chǎng)。

圖1 風(fēng)電企業(yè)與蓄熱電采暖用戶聯(lián)合運(yùn)營(yíng)模式Fig.1 Combined operation mode of wind power enterprises and regenerative electric heating users

2 風(fēng)電與蓄熱電采暖用戶聯(lián)合運(yùn)營(yíng)優(yōu)化模型

2.1 電采暖用戶獨(dú)立參與調(diào)頻市場(chǎng)運(yùn)行成本分析

在清潔能源供暖政策下,蓄熱電采暖用戶以分時(shí)電價(jià)的方式從風(fēng)電企業(yè)處購(gòu)電,同時(shí)蓄熱電采暖用戶獨(dú)立參與調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng),以運(yùn)行成本最小為優(yōu)化目標(biāo)。

2.1.1 獨(dú)立運(yùn)營(yíng)模式下的目標(biāo)函數(shù)

2.1.2 獨(dú)立運(yùn)營(yíng)模式下的約束條件

1）電功率約束

蓄熱電采暖用戶運(yùn)行功率應(yīng)在額定范圍之內(nèi)。蓄熱電采暖屬于一類可轉(zhuǎn)移負(fù)荷,只需改變電能使用的時(shí)間,保持周期內(nèi)總用電量不變,從而使熱負(fù)荷需求不受影響。

3）功率平衡約束

蓄熱電采暖用戶的運(yùn)行應(yīng)確保各時(shí)段的熱負(fù)荷需求。

5）調(diào)用調(diào)頻備用時(shí)的功率平衡約束

當(dāng)蓄熱電采暖用戶申報(bào)的調(diào)頻備用全部被調(diào)用時(shí),蓄熱電采暖用戶應(yīng)保證各時(shí)段的供暖需求。

2.2 聯(lián)合運(yùn)營(yíng)模式下電采暖的運(yùn)行成本

在聯(lián)合運(yùn)營(yíng)模式下,蓄熱電采暖用戶與風(fēng)電企業(yè)簽訂雙邊合同,風(fēng)電企業(yè)在低谷時(shí)段降低其電能價(jià)格,促使電采暖用戶向風(fēng)電企業(yè)提供調(diào)頻服務(wù)。

2.2.1 聯(lián)合運(yùn)營(yíng)模式下的目標(biāo)函數(shù)

2.2.2 聯(lián)合運(yùn)營(yíng)模式下的約束條件

聯(lián)合運(yùn)營(yíng)模式下的蓄熱電采暖用戶運(yùn)行約束條件與獨(dú)立參與調(diào)頻市場(chǎng)時(shí)相同。

2.3 聯(lián)合運(yùn)營(yíng)優(yōu)化模型

2.3.1 優(yōu)化模型目標(biāo)函數(shù)

聯(lián)合運(yùn)營(yíng)優(yōu)化模型的主要目標(biāo)是最大化減少蓄熱電采暖用戶的運(yùn)行成本與增加風(fēng)電企業(yè)利潤(rùn)。根據(jù)文獻(xiàn)［17］,該目標(biāo)可視為基于多目標(biāo)的帕累托最優(yōu)規(guī)劃,子目標(biāo)分別為風(fēng)電企業(yè)利潤(rùn)與蓄熱電采暖用戶的成本減少最大化。若兩個(gè)子目標(biāo)函數(shù)值均優(yōu)于電采暖用戶獨(dú)立參與調(diào)頻市場(chǎng)時(shí)的風(fēng)電企業(yè)利潤(rùn)與電采暖用戶成本,則此時(shí)的解稱為可行解,對(duì)應(yīng)的解集構(gòu)成聯(lián)合運(yùn)營(yíng)模式下的帕累托前沿,建立如式（15）所示的目標(biāo)函數(shù)。

式中:α為權(quán)重因子；Be為風(fēng)電企業(yè)的電量收益；Br為風(fēng)電企業(yè)的調(diào)頻收益；Cc為調(diào)用儲(chǔ)能的壽命折損費(fèi)用；Cd為風(fēng)電企業(yè)承擔(dān)的出力偏差懲罰；Cf為蓄熱電采暖用戶運(yùn)行成本減少程度。各項(xiàng)表達(dá)式如下所示。

1）風(fēng)電企業(yè)的電量收益

風(fēng)電企業(yè)除了向蓄熱電采暖用戶售電、為電儲(chǔ)能充電外,剩余電量上網(wǎng)并被電網(wǎng)接受。

5）蓄熱電采暖用戶成本效益

聯(lián)合運(yùn)營(yíng)模式下,蓄熱電采暖用戶運(yùn)行成本得到減少是聯(lián)合運(yùn)營(yíng)模式可行的必要條件。

2.3.2 優(yōu)化模型約束條件

約束由式（2）—式（13）以及儲(chǔ)能約束與調(diào)頻備用約束組成。

1）儲(chǔ)能充放電約束:

4）調(diào)頻備用需求約束:風(fēng)電企業(yè)需要承擔(dān)調(diào)度中心下發(fā)的調(diào)頻備用責(zé)任。

3 算例分析

3.1 算例設(shè)置

建立風(fēng)電企業(yè)和蓄熱電采暖用戶1 天內(nèi)96 時(shí)段提交的輸出功率和熱負(fù)荷需求數(shù)據(jù),見附錄B圖B1。風(fēng)電企業(yè)配置電儲(chǔ)能參數(shù)見表B1。蓄熱電采暖用戶的運(yùn)行參數(shù)見表B2。兩種運(yùn)營(yíng)模式下的電采暖用戶電能使用價(jià)格及時(shí)段劃分見表B3。模型中的調(diào)頻市場(chǎng)每15 min 出清一次,設(shè)各時(shí)段出清的調(diào)頻容量?jī)r(jià)格均為20 元/MW,調(diào)頻里程價(jià)格為15 元/MW,單位調(diào)頻備用容量的調(diào)頻里程因子取2.75,雙方協(xié)商的各時(shí)段調(diào)頻備用容量?jī)r(jià)格為40 元/MW。風(fēng)電上網(wǎng)電量?jī)r(jià)格可參考國(guó)內(nèi)風(fēng)電上網(wǎng)電價(jià)520 元/（MW·h）,偏差懲罰價(jià)格為980 元/（MW·h）,權(quán)重因子取0.4。

3.2 計(jì)算結(jié)果與分析

3.2.1 聯(lián)合運(yùn)營(yíng)模式的合理性分析

計(jì)算在電采暖用戶獨(dú)立參與和聯(lián)合風(fēng)電企業(yè)參與調(diào)頻市場(chǎng)兩種情況下,蓄熱電采暖用戶的運(yùn)行成本與風(fēng)電企業(yè)的利潤(rùn),分別如表1 和表2 所示。

表1 不同運(yùn)營(yíng)模式下的蓄熱電采暖用戶運(yùn)行成本Table 1 Operation cost of regenerative electric heating users in different operation modes

表2 不同運(yùn)營(yíng)模式下的風(fēng)電企業(yè)利潤(rùn)Table 2 Profit of wind power enterprises in different operation modes

由表1 可知,蓄熱電采暖用戶獨(dú)立參與調(diào)頻市場(chǎng)時(shí)會(huì)獲得較高的調(diào)頻收入,同時(shí)用電成本較高；在聯(lián)合運(yùn)營(yíng)模式下,蓄熱電采暖用戶用電成本降低,但獲得的調(diào)頻收入有限,總體上聯(lián)合運(yùn)營(yíng)模式下蓄熱電采暖用戶的運(yùn)行成本得到減少。

由表2 可知,在聯(lián)合運(yùn)營(yíng)模式下,風(fēng)電企業(yè)的利潤(rùn)提高,會(huì)犧牲部分售電收入來(lái)置換蓄熱電采暖用戶提供的調(diào)頻備用,而風(fēng)電企業(yè)在調(diào)頻市場(chǎng)上提供的調(diào)頻備用增加,調(diào)頻收入提高,減少了由儲(chǔ)能承擔(dān)的調(diào)頻備用責(zé)任,從而儲(chǔ)能壽命損耗降低,其留有更多容量跟蹤風(fēng)電出力。如圖2 所示,聯(lián)合運(yùn)營(yíng)模式下,風(fēng)電并網(wǎng)功率在大部分時(shí)段逼近所提交的輸出功率,承擔(dān)的偏差懲罰費(fèi)用減少。綜上所述,聯(lián)合運(yùn)營(yíng)模式可使雙方達(dá)到互利互贏。

圖2 聯(lián)合運(yùn)營(yíng)模式下的風(fēng)電出力Fig.2 Wind power output in combined operation mode

取權(quán)重因子為0～1,得到風(fēng)電企業(yè)利潤(rùn)增加量與電采暖用戶成本減少量如圖3 所示。可見,權(quán)重因子在0.20～0.54 時(shí),風(fēng)電企業(yè)利潤(rùn)增加量與電采暖用戶成本減少量均大于0,即可認(rèn)為二者的效益均得到提升,此時(shí)各權(quán)重因子對(duì)應(yīng)的各時(shí)段成交電量與調(diào)頻備用容量組成聯(lián)合運(yùn)營(yíng)策略的帕累托前沿。由此可以證明,存在一定的運(yùn)營(yíng)策略使得聯(lián)合雙方效益增加,驗(yàn)證了所提運(yùn)營(yíng)模式的有效性。

圖3 蓄熱電采暖用戶成本和風(fēng)電企業(yè)利潤(rùn)對(duì)比Fig.3 Comparison of cost of regenerative electric heating users and profit of wind power enterprises

3.2.2 價(jià)格對(duì)運(yùn)營(yíng)策略的影響分析

聯(lián)合運(yùn)營(yíng)模式下,通過(guò)設(shè)置不同的電能價(jià)格ρ?ebt與調(diào)頻備用容量?jī)r(jià)格γt,分析其對(duì)聯(lián)合運(yùn)營(yíng)模式的影響,取低谷時(shí)段的電能協(xié)商價(jià)格變化區(qū)間為0～540 元/（MW·h）,調(diào)頻容量協(xié)商價(jià)格變化區(qū)間為0～70 元/MW。

風(fēng)電企業(yè)利潤(rùn)增加量和電采暖用戶成本減少量隨兩個(gè)價(jià)格變化的關(guān)系分別如圖4 和圖5 所示。找出使二者效益均提高的公共電價(jià)區(qū)間,定義聯(lián)合運(yùn)營(yíng)模式的效益為二者效益在公共電價(jià)區(qū)間內(nèi)的和,聯(lián)合運(yùn)營(yíng)效益如附錄B 圖B2 所示,圖中的黃色區(qū)域在價(jià)格平面上的映射即為聯(lián)合運(yùn)營(yíng)模式的可行價(jià)格區(qū)間,具體映射部分如附錄B 圖B3 所示?？梢?在黃色區(qū)域內(nèi)聯(lián)合運(yùn)營(yíng)模式可行,在兩條虛線的交點(diǎn)處為電采暖用戶獨(dú)立參與調(diào)頻市場(chǎng)的運(yùn)營(yíng)模式,而在虛線區(qū)域之外,聯(lián)合運(yùn)營(yíng)模式不可行。

圖4 風(fēng)電企業(yè)利潤(rùn)增加量變化Fig.4 Changes in profit increments of wind power enterprises

圖5 蓄熱電采暖用戶成本減少量變化Fig.5 Changes in cost reduction of regenerative electric heating users

儲(chǔ)能主要參與調(diào)頻還是減少出力偏差取決于調(diào)頻市場(chǎng)出清價(jià)格和風(fēng)電出力偏差懲罰價(jià)格。添加調(diào)頻輔助服務(wù)出清價(jià)格因子λr與偏差懲罰價(jià)格因子λd,分別表示調(diào)頻輔助服務(wù)出清價(jià)格與偏差懲罰價(jià)格的變化比值。目標(biāo)函數(shù)式（17）改為:

改變?chǔ)藃的變化范圍為0～8,λd為1 不變。從附錄B 圖B4（a）與（b）中可以看出,儲(chǔ)能參與調(diào)頻的總電量共有3 種情況:調(diào)頻價(jià)格因子在0～3 時(shí),儲(chǔ)能參與調(diào)頻的運(yùn)行策略存在兩組不同的最優(yōu)解,主要用于減少風(fēng)電出力偏差；調(diào)頻價(jià)格因子在3～6 時(shí),儲(chǔ)能可同時(shí)用于減少出力偏差和參與調(diào)頻；調(diào)頻價(jià)格因子大于6 時(shí),儲(chǔ)能參與的調(diào)頻電量增加,此時(shí)風(fēng)電企業(yè)受到的偏差懲罰較大。

取偏差懲罰價(jià)格因子為0～4,調(diào)頻價(jià)格因子為0～8,如附錄B 圖B5（a）所示,偏差懲罰對(duì)風(fēng)電企業(yè)收益影響較小,調(diào)頻市場(chǎng)的出清價(jià)格比偏差懲罰價(jià)格對(duì)風(fēng)電收益的影響大；如圖B5（b）所示,隨著偏差懲罰價(jià)格的增加,儲(chǔ)能參與調(diào)頻電量的下降趨勢(shì)更為明顯,偏差懲罰價(jià)格對(duì)儲(chǔ)能參與調(diào)頻電量的影響更大。

4 結(jié)語(yǔ)

本文從風(fēng)電與蓄熱電采暖用戶的成本效益角度出發(fā),建立了風(fēng)電與蓄熱電采暖用戶聯(lián)合運(yùn)營(yíng)優(yōu)化模型。算例分析結(jié)果表明:

1）在聯(lián)合運(yùn)營(yíng)模式下,蓄熱電采暖用戶為風(fēng)電企業(yè)提供了調(diào)頻備用,減少了儲(chǔ)能參與調(diào)頻的電量,降低了儲(chǔ)能壽命損耗,風(fēng)電出力偏差懲罰減少,風(fēng)電企業(yè)的利潤(rùn)提高；蓄熱電采暖用戶為風(fēng)電企業(yè)提供調(diào)頻備用,運(yùn)行成本減少,雙方可實(shí)現(xiàn)互利共贏。

2）通過(guò)價(jià)格對(duì)運(yùn)營(yíng)策略的影響分析,驗(yàn)證了存在使雙方效益增加的電能與調(diào)頻容量協(xié)商價(jià)格區(qū)間,明確了協(xié)商價(jià)格與市場(chǎng)價(jià)格關(guān)系,為雙方協(xié)商合同電價(jià)提供了必要的技術(shù)支持。

如何求出聯(lián)合運(yùn)營(yíng)雙方效益最優(yōu)均衡解是本文下一步的研究方向。后續(xù)研究工作中,將采用合作博弈模型分析風(fēng)電企業(yè)與蓄熱電采暖用戶的博弈關(guān)系,以確定其均衡解。

本文研究工作在國(guó)網(wǎng)吉林省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院“2020 年清潔能源戰(zhàn)略下電力市場(chǎng)交易機(jī)制研究”項(xiàng)目的支持下完成，在此表示衷心的感謝！

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版（http：//www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx），掃英文摘要后二維碼可以閱讀網(wǎng)絡(luò)全文。