張 揚(yáng),申建建*,趙啟浩,謝蒙飛,賈澤斌

(1.大連理工大學(xué)水電與水信息研究所,遼寧 大連 116024;2.昆明電力交易中心有限責(zé)任公司,云南 昆明 650011)

現(xiàn)貨市場是中國當(dāng)前多層級統(tǒng)一電力市場建設(shè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和重點(diǎn)任務(wù),不同區(qū)域、不同省份因電源構(gòu)成、規(guī)模、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、負(fù)荷需求等因素差異,面臨的問題與難點(diǎn)也不盡相同[1-4]。對于西南高比例水電省份或區(qū)域,大規(guī)模水電參與電力市場時因極其復(fù)雜的時空耦合水力特性[5-6]帶來了現(xiàn)貨市場出清困難、交易結(jié)果難執(zhí)行、競爭性棄水等一系列新問題、新挑戰(zhàn),是西南高比例水電省份現(xiàn)貨市場建設(shè)面臨的關(guān)鍵問題,關(guān)系到中國水電現(xiàn)貨市場的進(jìn)一步深入推進(jìn)。

關(guān)于高比例水電電力現(xiàn)貨市場出清問題,國內(nèi)外學(xué)者已有關(guān)注并開展了相關(guān)研究。針對梯級水電上下游匹配問題,主要形成以下解決思路:①由電網(wǎng)調(diào)度中心集中開展水電發(fā)電優(yōu)化,可參考巴西電力市場[7-8];②水電發(fā)電商制定自發(fā)電計劃決策,從而降低出清模型復(fù)雜程度,參考北歐電力市場[9-10];③復(fù)雜水力約束線性化處理[11-12],將原非線性問題簡化為線性問題,從而將水電特性有效引入模型。針對梯級上、下游電站獨(dú)立參與市場競價導(dǎo)致的競爭性棄水問題,國內(nèi)外學(xué)者從出清模型、水電特性建模等方面入手,提出了多種不同的解決思路:①添加棄水懲罰因子[13];②將水電站等效為火電單元[14-15],引入不產(chǎn)生棄水條件下最小發(fā)電量約束;③調(diào)整棄水電站報價、出力約束等邊界條件,通過多階段出清迭代消減棄水[16]。

上述思路和方法在一定程度上為解決現(xiàn)貨出清效率、避免競爭性棄水、保證梯級上下游水量和電量匹配問題提供了有效的技術(shù)途徑,但應(yīng)用于大規(guī)模、高比例水電電力市場現(xiàn)貨市場出清時,由于新增大量非線性水力聯(lián)系和約束條件,導(dǎo)致模型求解難度成倍增加,如何高效率、高精度實現(xiàn)水電為主市場現(xiàn)貨出清一直面臨很大困難。

為此,本文從市場運(yùn)營機(jī)構(gòu)角度出發(fā),提出了一種高比例水電電力市場日前現(xiàn)貨出清方法。該方法以事后水力校核環(huán)節(jié)替代出清模型中的水力約束;將棄水、欠發(fā)原因作為啟發(fā)信息,結(jié)合梯級水電復(fù)雜特性,構(gòu)建了包括梯級電站日電量約束、棄水約束在內(nèi)的條件約束集及相應(yīng)觸發(fā)條件集;上述問題發(fā)生時,引入、更新相關(guān)邊界控制約束,逐步處理出清過程中的棄能、上下游匹配失衡問題,實現(xiàn)模型的高效求解;針對棄水處理對其他電站造成的影響,設(shè)計了結(jié)算補(bǔ)償策略。以云南電網(wǎng)實際發(fā)電數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),對參與省調(diào)平衡的131座水電站和11座火電站進(jìn)行模擬計算,結(jié)果表明所提方法能夠有效解決不同利益主體梯級水電站獨(dú)立參與現(xiàn)貨交易面臨的發(fā)電量匹配失衡、競爭性棄水問題,同時保證較高的求解效率。

1 出清方法介紹

1.1 總體出清框架

區(qū)別于常規(guī)高比例水電市場日前現(xiàn)貨出清方法,為避免復(fù)雜水力非線性約束導(dǎo)致模型難以求解,本方法參考作者前期研究成果[14],剝離模型中水力約束,引入事后水力校核環(huán)節(jié),并基于梯級上下游水力聯(lián)系、棄水產(chǎn)生原因構(gòu)建了條件約束集及相應(yīng)觸發(fā)條件集,當(dāng)事后水力校核結(jié)果觸發(fā)相應(yīng)判斷條件時,引入或更新條件約束至原出清模型,實現(xiàn)對欠發(fā)、棄水問題的逐步處理,從而形成高比例水電市場日前現(xiàn)貨出清框架,見圖1。

1.2 條件約束集

1.2.1梯級電站日電量聯(lián)動控制約束

參考文獻(xiàn)[14]中水力約束處理思路,引入梯級電站日電量聯(lián)動控制約束,從電量角度保證梯級上、下游成交電量相匹配。

(1)

1.2.2棄水處理約束

1.2.2.1棄水電站時段出力控制約束

參考文獻(xiàn)[16]中棄水處理策略(一),賦予棄水優(yōu)先出清資格,并引入時段出力控制約束如下:

(2)

1.2.2.2非棄水電站日電量控制約束

為提高求解效率,避免原非棄水電站產(chǎn)生新的棄水,文獻(xiàn)[16]引入了非棄能電站棄能控制約束。然而,本方法出清模型中未直接考慮相關(guān)水力約束,無法直接參考其處理方式,故通過綜合考慮非棄水電站區(qū)間入庫流量、上游電站下泄流量、日均耗水率及其自身最大可用庫容,計算其不產(chǎn)生棄水情況下理論最小日發(fā)電量,從“電量”角度避免棄水問題發(fā)生。確定性條件下,可按式(3)計算不產(chǎn)生棄水情況下的最小發(fā)電量。

(3)

為避免實際出清過程中上游電站下泄水量減少,導(dǎo)致原日發(fā)電量邊界失準(zhǔn),構(gòu)建非棄水電站日電量控制約束及相應(yīng)更新策略如下:

(4)

非棄水電站日電量控制約束添加至出清模型后,重新組織市場出清,并開展事后水力校核。當(dāng)事后水力校核結(jié)果顯示非棄水電站出現(xiàn)棄水問題時,基于逐時段定出力水力精細(xì)化校核計算所得日內(nèi)96點(diǎn)實際出力過程、發(fā)電流量、棄水流量等相關(guān)結(jié)果,按照以下步驟重新計算日電量邊界。

步驟一根據(jù)電站i棄水時段實際發(fā)電流量、發(fā)電量計算時段耗水率。由于本方法中總交易時段為1 d,各子交易時段為15 min,故需要根據(jù)電站15 min發(fā)電流量、發(fā)電量計算時段平均耗水率,見式(5):

(5)

步驟二根據(jù)水力校核所得各棄水時段棄水流量,按照式(6)計算相應(yīng)時段棄水電量。

(6)

步驟三事后水力校核結(jié)果顯示電站i存在棄水過程,即表明初始不產(chǎn)生棄水情況下理論最小日發(fā)電量偏低,需要結(jié)合式(6)得到的各時段棄水電量,按式(7)更新非棄水電站理論自身最小日發(fā)電量邊界。

(7)

1.2.2.3上游梯級電站出力控制約束

根據(jù)梯級上下游水流滯時關(guān)系,削減棄水電站上游一或多級電站時段出力,充分挖掘梯級水電棄水消納能力,實現(xiàn)對棄水問題的處理。上游梯級電站出力削減流程見圖2,首先根據(jù)棄水情況、梯級水流滯時關(guān)系計算上游電站時段出力控制序列,并據(jù)此開展定出力計算;若上游電站產(chǎn)生棄水,則將其作為新的棄水電站,繼續(xù)向上遞推開展新一輪的出力削減;梯級棄水消納能力不足情況下,對上游電站時段出力控制序列進(jìn)行松弛,保證其不產(chǎn)生新的棄水,據(jù)此構(gòu)建上游梯級電站出力控制約束,實現(xiàn)對棄水問題最大程度處理。

上游梯級電站出力控制約束構(gòu)建步驟如下。

步驟一根據(jù)棄水電站i棄水情況,結(jié)合梯級上、下游電站水流滯時關(guān)系,推算上游電站i-1出力削減時段集合Γi-1,并按式(8)計算相應(yīng)時段最大可中標(biāo)出力。

(8)

步驟二根據(jù)步驟一中所得出力控制序列,開展逐時段定出力計算,驗證出力削減是否會導(dǎo)致上游電站產(chǎn)生新的棄水。若無棄水,轉(zhuǎn)步驟四;反之,轉(zhuǎn)步驟三。

步驟三若電站i-1上游不為空且上游電站i-2不存在棄水問題,則取電站i-1為新的棄水電站,轉(zhuǎn)步驟一繼續(xù)執(zhí)行;反之,根據(jù)電站i-1棄水情況,按照式(9)對其中標(biāo)出力約束進(jìn)行松弛,獲得不產(chǎn)生棄水情況下最大程度出力削減序列,并向下游重復(fù)此步驟至原棄水電站i為止。

(9)

步驟四構(gòu)建上游梯級電站時段出力控制約束。

(10)

1.3 狀態(tài)指標(biāo)及觸發(fā)條件集

1.3.1狀態(tài)指標(biāo)

針對高比例水電日前現(xiàn)貨市場出清需求及本方法中棄水、欠發(fā)問題處理特點(diǎn),對事后水力校核結(jié)果、模型狀態(tài)進(jìn)行劃分,構(gòu)建階段性指標(biāo),并對其進(jìn)行優(yōu)先級排序見表1。

表1 狀態(tài)指標(biāo)

具體來說,以欠發(fā)指標(biāo)作為第一優(yōu)先級指標(biāo),保障高比例水電日前現(xiàn)貨市場出清結(jié)果的合理性,同時為后續(xù)棄水處理提供合理基準(zhǔn)。此外,基于本方法中棄水處理策略執(zhí)行方式,分別構(gòu)建棄水指標(biāo)、報價調(diào)整指標(biāo)為第二、第三優(yōu)先級指標(biāo)。其中,棄水指標(biāo)用于標(biāo)志出清結(jié)果中是否存在棄水問題,決定是否進(jìn)入棄水處理環(huán)節(jié),調(diào)用棄水處理策略,并重新組織市場出清;報價調(diào)整指標(biāo)用于標(biāo)志棄能電站報價修正策略是否執(zhí)行,由于本方法中棄水處理策略分別針對棄水電站及其上游電站制定,其間存在先后次序,需確保棄能電站報價修正策略執(zhí)行完畢后,再進(jìn)入下一環(huán)節(jié),故構(gòu)建報價調(diào)整指標(biāo)為第三優(yōu)先級指標(biāo)。

1.3.2觸發(fā)條件集

基于上述狀態(tài)指標(biāo)及優(yōu)先級次序?qū)φw出清流程進(jìn)行劃分,構(gòu)建觸發(fā)條件集見表2。

表2 條件集

1.4 結(jié)算補(bǔ)償策略

針對棄水處理過程中各階段出清結(jié)果偏差電量,提出了一種結(jié)算補(bǔ)償策略,對棄水、非棄水電站增發(fā)收益進(jìn)行結(jié)算、重分配,保障市場公平性。具體來說,常規(guī)出清結(jié)果由市場供需關(guān)系決定,故作為后續(xù)階段結(jié)算補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ);階段1棄水電站增發(fā)收益按照棄水電量收益懲罰結(jié)算策略進(jìn)行結(jié)算處理;各階段非棄水電站增發(fā)收益按照凈收益公平分享結(jié)算策略進(jìn)行結(jié)算;按照補(bǔ)償費(fèi)用公平分配策略,對各階段減發(fā)電站進(jìn)行補(bǔ)償。

1.4.1棄水電量收益懲罰結(jié)算策略

階段1中低價棄水電量優(yōu)先消納,必然會導(dǎo)致部分發(fā)電商市場份額減少、收益受損,即補(bǔ)償對象為中標(biāo)出力增大的棄水電站,被補(bǔ)償對象為其他中標(biāo)出力減少的電站。本階段中大量低價棄水電量進(jìn)入市場,原高價電量將被擠出,所得出清電價勢必會低于常規(guī)出清環(huán)節(jié),故棄水電站新增中標(biāo)出力按該階段得到的較低節(jié)點(diǎn)電價結(jié)算。同時,為保障市場公平性,引導(dǎo)棄水電站優(yōu)化申報策略,根據(jù)當(dāng)前出清結(jié)果節(jié)點(diǎn)電價與棄水電站原始申報價格的偏差確定懲罰系數(shù)(式(11)),對棄水電站增發(fā)收益進(jìn)行懲罰,并按式(12)計算補(bǔ)償金額用于補(bǔ)償減發(fā)電站受損收益。

(11)

Ci,t=θi,t×ΔBi,t

(12)

式中θi,t、Ci,t——階段1中棄水電站i在時段t的增發(fā)收益懲罰系數(shù)、所需提供的補(bǔ)償金額;Fi,*——電站i當(dāng)前中標(biāo)出力所對應(yīng)的原始申報電價;LMPi,t——當(dāng)前階段電站i時段t節(jié)點(diǎn)電價;m——常數(shù),由市場運(yùn)營機(jī)構(gòu)確定,且0

圖3為棄水電站報價與懲罰金相關(guān)關(guān)系。一般情況下,棄水電站報價與棄水量呈正相關(guān)關(guān)系,同時本方法中低價棄水電量優(yōu)先消納會拉低節(jié)點(diǎn)電價,導(dǎo)致棄水電站原始申報價格與節(jié)點(diǎn)電價偏差越大,即懲罰系數(shù)越大,相應(yīng)所需提供的懲罰金額越高。由上述分析可知,通過對棄水電量增發(fā)收益重處罰的方式,將棄水電站新增收益懲罰金額補(bǔ)償給減發(fā)電站,激勵其主動參與棄水處理,保障棄水處理順利執(zhí)行,同時引導(dǎo)棄水電站優(yōu)化報價策略,促進(jìn)市場健康發(fā)展。

圖3 棄水電站報價、懲罰金額相關(guān)關(guān)系

1.4.2凈收益公平分享結(jié)算策略

階段2通過削減棄水電站上游電站時段出力繼續(xù)對棄水問題進(jìn)行處理,上游電站中標(biāo)出力將減少,相應(yīng)時段其他非棄水電站中標(biāo)出力增大,即補(bǔ)償對象為增發(fā)電站,被補(bǔ)償對象為中標(biāo)出力減少的上游電站。該過程本質(zhì)等同于增發(fā)電站新增收益與上游電站之間的公平性分享,保證了電站之間的公平性。具體執(zhí)行方式參考文獻(xiàn)[16]中凈收益公平分享結(jié)算補(bǔ)償策略。

1.4.3補(bǔ)償費(fèi)用公平分配策略

遵從公平性原則,對所得補(bǔ)償資金進(jìn)行分配,分別以各階段中標(biāo)電量減少電站的減發(fā)收益為權(quán)重計算被補(bǔ)償金額,即滿足式(13):

(13)

式中Ri,t——當(dāng)前階段中標(biāo)出力減少電站i在時段t所接受的補(bǔ)償金額;Iinc、Idecr——增發(fā)、減發(fā)電站集合。

2 出清模型介紹

2.1 目標(biāo)函數(shù)

鑒于中國電力現(xiàn)貨市場目前普遍采用單邊市場模式,故采用系統(tǒng)總購電成本最小為目標(biāo),見式(14):

(14)

2.2 約束條件

負(fù)荷平衡、系統(tǒng)備用、線路潮流約束、出力邊界、備用容量留存、上下爬坡速率、最小連續(xù)開機(jī)時長、最小連續(xù)停機(jī)時長等約束,參考文獻(xiàn)[17]。條件約束集見式(1)、(2)、(4)、(10)。

3 實例分析

3.1 算例設(shè)置

本文以云南電網(wǎng)為工程背景。云南是中國第二大水電省份,水電裝機(jī)超8 000萬kW,超過全網(wǎng)總裝機(jī)容量的70%,本文主要考慮參與省調(diào)平衡的131座水電站和11座火電站進(jìn)行出清計算,重點(diǎn)關(guān)注瀾滄江、金沙江梯級電量匹配及棄水消納情況。

主要參數(shù)為:交易周期取24 h,時段長度取15 min;采用分段階梯型報價,共計5段,通過對各電站中長期月度交易數(shù)據(jù)處理得到;棄水電站增發(fā)收益懲罰系數(shù)上限設(shè)為0.35;增發(fā)收益分配系數(shù)取0.1。選取瀾滄江流域苗尾、功果橋及金沙江流域梨園、阿海、金安橋等電站為研究對象,并分別設(shè)置下游低報價、高報價2種報價場景。具體報價信息見表3。

表3 發(fā)電商報價參數(shù)

3.2 結(jié)果分析

圖4為本方法得到的全網(wǎng)負(fù)荷平衡,其中陰影部分表示火電整體出力過程,其余部分為水電出力過程,可以清晰地觀察到,日內(nèi)各時段均實現(xiàn)了全網(wǎng)電力電量平衡,且水電作為云南電網(wǎng)主要電源,全時段均中標(biāo)較多出力。圖5為本方法各階段出清所得到的平均節(jié)點(diǎn)電價過程,由圖可知,云南省購電側(cè)平均節(jié)點(diǎn)電價變化趨勢與全網(wǎng)負(fù)荷變化過程基本一致,呈現(xiàn)明顯的雙峰特點(diǎn),最高價出現(xiàn)在用電高峰時段9:00—11:00。此外,階段1低價棄水電量進(jìn)入市場后,所得平均節(jié)點(diǎn)電價過程與預(yù)期相符,低于常規(guī)出清環(huán)節(jié);階段2由于限制上游低報價電站中標(biāo)出力,導(dǎo)致部分時段節(jié)點(diǎn)電價升高。

圖4 全網(wǎng)負(fù)荷平衡

圖5 平均節(jié)點(diǎn)電價過程

為突出本方法解決高比例水電市場競爭性棄水、欠發(fā)問題有效性,在相同條件設(shè)定下,采用常規(guī)方法(即不考慮水電特性約束,下稱方法1)進(jìn)行出清計算,并將所得出清結(jié)果與本方法(下稱方法2)進(jìn)行對比,表4為2種方法所得出清結(jié)果。由表中數(shù)據(jù)可知,方法1中未考慮水電特性約束,部分電站出現(xiàn)發(fā)電能力不足問題,且出清結(jié)果中存在大量棄水,造成水電資源嚴(yán)重浪費(fèi)。相比之下,方法2通過引入事后水力校核、條件約束集等方式,充分保證梯級上下游電量、水量相匹配,避免下游調(diào)節(jié)能力較差電站遭遇無水可發(fā)的局面,且最大程度減少棄水問題的發(fā)生,提高了水電資源利用效率。

表4 出清結(jié)果對比

3.2.1欠發(fā)、棄水問題處理效果分析

以方法1中出現(xiàn)欠發(fā)問題的功果橋電站為例,分析方法2對欠發(fā)問題的處理效果,圖6為功果橋電站水位、中標(biāo)出力變化過程。方法1中,功果橋電站報價低、中標(biāo)多,但其上游苗尾電站報價高、中標(biāo)少、下泄水量少,導(dǎo)致功果橋需依靠自身存蓄水量進(jìn)行發(fā)電,庫水位迅速下降至死水位,故無法如約完成后續(xù)時段發(fā)電計劃。相比之下,方法2出清結(jié)果中出現(xiàn)欠發(fā)問題時,觸發(fā)第一優(yōu)先級指標(biāo),引入梯級電站日電量聯(lián)動控制約束,從而保證功果橋與其上游苗尾電站中標(biāo)電量相匹配,從圖中可觀察到功果橋庫水位在交易時段末恰好消落至死水位,日中標(biāo)發(fā)電計劃可如約完成。

a)水位

以方法1出清結(jié)果中阿海電站為例,分析方法2對棄水問題的處理效果。圖7為阿海電站棄水流量、中標(biāo)出力變化過程。

方法1中,由于阿海電站初始水位接近水位上限、自身調(diào)節(jié)能力差,且報價較高,前幾個時段均未中標(biāo),無法儲存或消耗上游來水,其庫水位迅速上升至正常高水位,最終被迫棄水,最大棄水流量達(dá)到1 316.67 m3/s。相比之下,方法2通過引入棄水處理約束,釋放阿海電站棄水時段空閑發(fā)電能力,有效解決了棄水問題。

3.2.2棄水處理過程分析

由于方法2常規(guī)出清結(jié)果中存在棄水,故觸發(fā)第二優(yōu)先級指標(biāo),進(jìn)入階段1出清流程,表5為階段1金沙江梯級各電站中標(biāo)電量、棄水量變化情況,圖8為階段1金沙江梯級各電站中標(biāo)出力變化情況,圖9為階段1金沙江梯級棄水電站棄水流量變化過程。由圖表可知,階段1出清結(jié)果中棄水電站原棄水時段中標(biāo)大幅增加,為保證系統(tǒng)負(fù)荷平衡,梨園、魯?shù)乩袠?biāo)出力出現(xiàn)不同程度的減少。此外,階段1出清結(jié)果中金沙江梯級總棄水量減少至15.8萬m3,較常規(guī)出清環(huán)節(jié)減少99.9%,其中阿海、觀音巖電站棄水實現(xiàn)完全消納。

表5 階段1中標(biāo)、棄水變化情況

a)梨園

由于階段1出清結(jié)果中仍有棄水存在,故觸發(fā)第三優(yōu)先級指標(biāo),進(jìn)入階段2出清流程,表6為阿海電站時段出力控制詳情,圖10為相應(yīng)時段各電站出力變化過程。由圖表可知,本輪出清結(jié)果中阿海電站在49、50時段中標(biāo)出力恰好等于最大可中標(biāo)出力控制約束,相應(yīng)時段梨園、龍開口電站中標(biāo)出力均有不同程度的增加。至此,棄水處理完畢,返回最終出清結(jié)果。

表6 阿海電站時段出力控制情況 單位:MW

a)梨園

3.2.3結(jié)算補(bǔ)償分析

以金沙江梯級為例,基于常規(guī)出清結(jié)果量價信息,結(jié)合階段1、2出清結(jié)果,確定各市場主體結(jié)算補(bǔ)償收益,具體見表7。表中所示,階段1中阿海、金安橋等棄水電站優(yōu)先出清,中標(biāo)出力大幅增加,總計增發(fā)收益為656.1萬元,而其需要提供的補(bǔ)償費(fèi)用為206.4萬元,約占棄水電站全部增發(fā)收益的31.4%。其中,金安橋、觀音巖提供補(bǔ)償費(fèi)用占自身增發(fā)收益的比例分別為33.8%、34.6%,接近設(shè)定補(bǔ)償費(fèi)用比例上限(35%),表明棄水電量越多、自身報價越高,所需提供補(bǔ)償費(fèi)用越多,越能夠激勵其他電站參與棄水處理。同時,重處罰的方式能夠引導(dǎo)發(fā)電商優(yōu)化報價策略、科學(xué)參與市場交易。

表7 各階段結(jié)算補(bǔ)償結(jié)果

階段2,阿海部分時段中標(biāo)出力減少,該部分出力由報價略高一些的梨園、龍開口電站承擔(dān)。基于公平原則,上述增發(fā)電站需按約定向阿海電站提供補(bǔ)償,總計補(bǔ)償費(fèi)用約200元。

4 結(jié)論

針對高比例水電省份日前現(xiàn)貨市場出清需求,提出一種高比例水電系統(tǒng)日前現(xiàn)貨出清方法,并依托云南電網(wǎng)真實日前發(fā)電計劃數(shù)據(jù),進(jìn)行了模擬驗證,得出如下結(jié)論。

a)通過逐步引入棄水、欠發(fā)處理約束,能夠有效解決梯級水電上、下游獨(dú)立競價導(dǎo)致的發(fā)電量匹配失衡、競爭性棄水問題,同時保證求解效率,滿足高比例水電日前現(xiàn)貨市場出清需求。

b)通過設(shè)計合理的結(jié)算補(bǔ)償策略,能夠最大程度保證市場公平性,激勵市場主體積極參與棄水消納,同時指導(dǎo)發(fā)電商優(yōu)化報價策略,促進(jìn)市場健康發(fā)展。

c)本文方法適用于大規(guī)模、高比例水電電力市場日前現(xiàn)貨出清,可根據(jù)實際需求對本方法進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整,操作簡便,場景適應(yīng)性強(qiáng)。