馮胤鑫,韓 冬

(上海理工大學(xué)電氣工程系,上海市 楊浦區(qū) 200093)

0 引言

化石能源逐漸枯竭和引發(fā)環(huán)境惡化等問題,諸多國家已經(jīng)減少對傳統(tǒng)能源的依賴,大力發(fā)展風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電,導(dǎo)致可再生能源在電網(wǎng)中滲透率迅速上升[1-4]?？稍偕茉窗l(fā)電具有不確定性和波動性[5],大規(guī)?？稍偕茉床⒕W(wǎng)會造成線路阻塞等問題[6-7]。當(dāng)發(fā)生線路阻塞時(shí),會導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)邊際電價(jià)波動,為市場參與者增添了不確定性風(fēng)險(xiǎn)[8-10]。

已有眾多國內(nèi)外學(xué)者對電力現(xiàn)貨市場風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避機(jī)制及方法展開研究。一方面,通過建立基于差價(jià)合約[11-13]、結(jié)算權(quán)轉(zhuǎn)讓[14]、金融輸電權(quán)[15-16]、金融儲能權(quán)[17]等的交易機(jī)制,幫助市場參與者規(guī)避阻塞風(fēng)險(xiǎn)。發(fā)電企業(yè)可以通過發(fā)電權(quán)交易實(shí)現(xiàn)可再生能源發(fā)電消納,降低阻塞風(fēng)險(xiǎn)[18-19]。針對我國電力現(xiàn)貨市場結(jié)算機(jī)制特征,文獻(xiàn)[14]提出結(jié)算權(quán)轉(zhuǎn)讓交易機(jī)制實(shí)現(xiàn)阻塞風(fēng)險(xiǎn)管理。金融輸電權(quán)可以幫助市場參與者在發(fā)生線路阻塞時(shí)獲得補(bǔ)償,規(guī)避節(jié)點(diǎn)電價(jià)波動風(fēng)險(xiǎn)[16,20]。儲能對解決電力系統(tǒng)引入可再生能源造成的阻塞問題十分重要[2,21-22],文獻(xiàn)[17]提出金融儲能權(quán)的概念,可以幫助市場用戶利用儲能實(shí)現(xiàn)阻塞風(fēng)險(xiǎn)管理,但只提出并驗(yàn)證了金融儲能權(quán)基本原理,并未將金融儲能權(quán)與電力市場交易結(jié)合。文獻(xiàn)[23]提出了一種基于金融輸電權(quán)和金融儲能權(quán)的混合拍賣機(jī)制,幫助用戶同時(shí)避免輸電阻塞和儲能阻塞引起的節(jié)點(diǎn)電價(jià)波動風(fēng)險(xiǎn),但只基于多主體之間交易進(jìn)行仿真驗(yàn)證,未將模型拓展至實(shí)際網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中。

另一方面,通過建立考慮運(yùn)行成本及風(fēng)險(xiǎn)的最優(yōu)模型,求解得到市場主體在電力市場中的最優(yōu)策略以規(guī)避不確定性風(fēng)險(xiǎn)[24-27]。文獻(xiàn)[24]建立了一個(gè)有風(fēng)險(xiǎn)約束的兩階段模型,以規(guī)避可再生能源導(dǎo)致電價(jià)波動的不確定風(fēng)險(xiǎn)。為盡可能降低用戶負(fù)荷成本,文獻(xiàn)[25]提出考慮可再生能源發(fā)電不確定性以及負(fù)荷需求的優(yōu)化模型。文獻(xiàn)[26]提出通過灰色頂權(quán)聚類對負(fù)荷聚合商進(jìn)行分類的方法,建立考慮分布式電源發(fā)電不確定性的阻塞管理模型。文獻(xiàn)[27]提出交直流柔性配電網(wǎng)協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度的方法,解決線路阻塞問題。

現(xiàn)有文獻(xiàn)對各類型市場主體參與電力現(xiàn)貨市場的決策優(yōu)化研究已較為全面[28-30],但針對處于發(fā)展初期的我國電力現(xiàn)貨市場而展開的阻塞風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避機(jī)制研究仍不充分[31]。因此,本文針對中國電力現(xiàn)貨市場特征,提出基于金融儲能權(quán)的阻塞風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避機(jī)制。構(gòu)建基于金融儲能權(quán)的阻塞風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避模型,使金融儲能權(quán)收益最大化,并在拓展的IEEE 33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)中進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

1 基于金融儲能權(quán)的阻塞風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避機(jī)制

1.1 金融儲能權(quán)

金融儲能權(quán)即將儲能容量的產(chǎn)權(quán)貨幣化,使儲能設(shè)備的所有權(quán)與其物理屬性完全解耦。持有儲能權(quán)的用戶擁有分配系統(tǒng)運(yùn)營商在最優(yōu)調(diào)度下收取的儲能阻塞費(fèi)用的權(quán)力,即分配儲能堵塞盈余的權(quán)力。系統(tǒng)運(yùn)營商整合儲能資源集中調(diào)度,按照一定價(jià)格向市場參與者出售金融儲能權(quán)。市場參與者可以通過其交易獲得儲能阻塞補(bǔ)償,實(shí)現(xiàn)跨時(shí)期套利和規(guī)避價(jià)格波動風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)線路發(fā)生阻塞,市場參與者i可以通過金融儲能權(quán)獲得儲能向用電用戶j供電的收益為

1.2 基于金融儲能權(quán)的阻塞風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避機(jī)制

目前,我國電力現(xiàn)貨市場先按照中長期合同價(jià)格對中長期合同電量進(jìn)行交易,對于需求電量不足部分的現(xiàn)貨電量再根據(jù)現(xiàn)貨電價(jià)進(jìn)行交易[14]。假定節(jié)點(diǎn)i處有1臺機(jī)組與用戶簽訂了t時(shí)刻電價(jià)為λK、交易電量為的中長期合同,交割點(diǎn)為用戶側(cè)統(tǒng)一結(jié)算點(diǎn)。考慮到交易中的阻塞費(fèi)用,不同節(jié)點(diǎn)機(jī)組因所處位置不同應(yīng)該具有不同的價(jià)值,節(jié)點(diǎn)i處機(jī)組收益和用戶用電成本分別如下:

1) 節(jié)點(diǎn)i處機(jī)組收益為

2) 用戶購電成本為

式中:λi,t和分別為節(jié)點(diǎn)i在時(shí)段t內(nèi)的現(xiàn)貨電價(jià)和用戶側(cè)統(tǒng)一結(jié)算點(diǎn)的現(xiàn)貨電價(jià);Pi,t和分別為節(jié)點(diǎn)i在時(shí)段t內(nèi)的現(xiàn)貨出清電量和用戶在時(shí)段t的用電量。

根據(jù)所提出的考慮阻塞費(fèi)用的我國電力現(xiàn)貨市場結(jié)算機(jī)制,機(jī)組可以通過金融儲能權(quán)實(shí)現(xiàn)阻塞風(fēng)險(xiǎn)管理。

節(jié)點(diǎn)i處機(jī)組可以通過支付固定費(fèi)用E購買節(jié)點(diǎn)j處的容量為X的金融儲能權(quán),以獲得分配儲能阻塞盈余的權(quán)力。此時(shí),節(jié)點(diǎn)i處機(jī)組收益為

當(dāng)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)用電阻塞情況時(shí),節(jié)點(diǎn)電價(jià)會相應(yīng)提高。通過上式我們可以發(fā)現(xiàn),購買金融儲能權(quán)可以增加機(jī)組以節(jié)點(diǎn)電價(jià)交易的電量,減少其以合約電價(jià)交易的電量,提高其在發(fā)生用電阻塞時(shí)的收益。

用戶也可以通過支付固定費(fèi)用F購買節(jié)點(diǎn)j處的金融儲能權(quán),以獲得分配儲能阻塞盈余的權(quán)力。此時(shí),用戶收益為

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生用電阻塞時(shí),用戶側(cè)統(tǒng)一結(jié)算點(diǎn)的現(xiàn)貨電價(jià)也會相應(yīng)提高。對于用電用戶而言,購買金融儲能權(quán)可以增加其以合約電價(jià)交易的電量,減少其以現(xiàn)貨電價(jià)交易的電量,進(jìn)而降低其在發(fā)生用電阻塞時(shí)的用電成本。

綜上所述,金融儲能權(quán)交易在系統(tǒng)發(fā)生阻塞時(shí),既可以提高發(fā)電機(jī)組的收益,又可以降低用電用戶的成本,幫助電力市場參與者規(guī)避節(jié)點(diǎn)邊際電價(jià)波動的風(fēng)險(xiǎn)。

2 基于金融儲能權(quán)的風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避模型

本文將儲能設(shè)備與含有高比例可再生能源發(fā)電的配電網(wǎng)結(jié)合,提出基于金融儲能權(quán)的配電網(wǎng)收益優(yōu)化模型。

鑒于本文研究內(nèi)容側(cè)重研究因負(fù)荷的波動性和可再生能源發(fā)電的不確定性引起的儲能充放電功率變化而造成金融儲能權(quán)交易變化,故不考慮各發(fā)電機(jī)組及儲能設(shè)備的建設(shè)成本。

該模型的目標(biāo)函數(shù)為系統(tǒng)收益最大化,Rgrid為向上級電網(wǎng)售電收益,RBESS為儲能收益,RCON為系統(tǒng)的阻塞收益,Cgrid為向上級電網(wǎng)購電成本,即目標(biāo)函數(shù)為

(1) 潮流約束。

式中:θi,j,t表示在t時(shí)刻,母線i和母線j之間的相位差;分別表示在t時(shí)刻,從節(jié)點(diǎn)i輸出的有功功率和無功功率;表示在t時(shí)刻,節(jié)點(diǎn)i的無功功率負(fù)荷;Si,j,t,Pi,j,t和Qi,j,t分別表示在t時(shí)刻,從節(jié)點(diǎn)i流向節(jié)點(diǎn)j的視在功率,有功功率和無功功率;Ui,t表示在t時(shí)刻,節(jié)點(diǎn)i的電壓幅值;Gi,j和Bi,j分別表示節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣中從節(jié)點(diǎn)i到節(jié)點(diǎn)j支路的元素的實(shí)部和虛部;Yi,j,0表示從節(jié)點(diǎn)i到節(jié)點(diǎn)j支路的支路電納的標(biāo)幺值。

式(12)—(16)均為配電網(wǎng)潮流平衡方程式,式(12)(13)保證節(jié)點(diǎn)功率平衡;式(14)(15)說明支路有功潮流和無功潮流與節(jié)點(diǎn)電壓之間的關(guān)系;式(16)說明支路視在功率與支路有功功率和無功功率之間的關(guān)系。

(2) 系統(tǒng)安全運(yùn)行約束。

不等式(17)限制了電壓幅值的范圍;不等式(18)—(19)為發(fā)電機(jī)組功率約束,不等式(18)限制了發(fā)電機(jī)組輸出有功功率的范圍,不等式(19)限制了發(fā)電機(jī)組輸出無功功率的范圍;不等式(20)為支路容量約束,限制了支路視在功率的范圍;不等式(21)限制了配電網(wǎng)首端節(jié)點(diǎn)注入功率波動范圍,以控制系統(tǒng)功率波動對上級電網(wǎng)的影響。

(3) 儲能運(yùn)行約束。

式(22)定義了儲能系統(tǒng)充放電過程的能量平衡;式(23)(24)定義了荷電狀態(tài),并限制了荷電狀態(tài)取值范圍;式(25)—(27)限制了儲能系統(tǒng)充放電功率范圍;式(28)定義了儲能系統(tǒng)的初始狀態(tài)。式(29)限制了儲能總充放電功率,保證儲能在下一周期穩(wěn)定運(yùn)行。

(4) 金融儲能權(quán)交易約束。

式中:τ為金融儲能權(quán)交易限制系數(shù),用戶可根據(jù)日前阻塞價(jià)格決定其上限,優(yōu)化金融儲能權(quán)交易收益。

式(30)—(32)限制了金融儲能權(quán)在某一時(shí)刻的交易范圍以及總交易量,避免出現(xiàn)市場產(chǎn)生的總阻塞盈余無法償付FSR持有者收益的情況。

3 仿真

為驗(yàn)證本文所提出的經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型的有效性,以IEEE 33節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)作為算例,配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)見文獻(xiàn)[15]。所建立的模型通過Yalmip 工具箱在MATLAB中實(shí)現(xiàn),并利用GUROBI10.0求解器解決模型中的線性規(guī)劃問題,上述操作均在配備Intel Core i7-10875H 處理器以及16GB RAM 的計(jì)算機(jī)上完成。

本算例中,首先對IEEE 33節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行拓展,在第8、14和24節(jié)點(diǎn)接入光伏發(fā)電機(jī)組PV1、PV2、PV3,在第7、18、30節(jié)點(diǎn)分別接入風(fēng)力發(fā)電機(jī)組WT1、WT2、WT3,發(fā)電機(jī)組的輸出功率如圖1所示。風(fēng)電出力的峰谷特性與傳統(tǒng)峰谷電價(jià)的特性形成互補(bǔ),為儲能權(quán)交易市場參與者實(shí)現(xiàn)峰谷套利提供了條件。為平抑風(fēng)光發(fā)電出力的波動,保證負(fù)荷正常供電,儲能設(shè)備主要安裝在風(fēng)光發(fā)電機(jī)組節(jié)點(diǎn)和風(fēng)光發(fā)電機(jī)組相鄰的節(jié)點(diǎn),在本算例中將其接入第8節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)基準(zhǔn)容量為100MV·A,基準(zhǔn)電壓為1kV,仿真單位時(shí)間為1h。節(jié)點(diǎn)電壓限制范圍為0.9～1.1kV 風(fēng)電、光伏發(fā)電機(jī)組輸出的有功功率和無功功率的上限為10MW,上級電網(wǎng)輸出功率的波動范圍為8MW。儲能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)初始值、上限值、下限值分別為0.50、0.10、0.90,儲能系統(tǒng)充放電最大功率為3MW,金融儲能權(quán)交易限制系數(shù)上限為0.3。

圖1 可再生能源發(fā)電量Fig.1 Renewable energy generation

為探索金融儲能權(quán)交易在中國電力市場的有效性,以及節(jié)點(diǎn)邊際價(jià)格不同對金融儲能權(quán)收益的影響。本算例邊際節(jié)點(diǎn)電價(jià)和阻塞價(jià)格分別采用美國PJM 市場5月31日的日前邊際節(jié)點(diǎn)電價(jià)和日前阻塞價(jià)格,PJM 市場的邊際節(jié)點(diǎn)電價(jià)和阻塞價(jià)格如圖2—3所示。當(dāng)向上級電網(wǎng)購電價(jià)格和節(jié)點(diǎn)邊際價(jià)格相同時(shí),考慮到傳輸過程的電能損耗,系統(tǒng)優(yōu)先調(diào)用儲能設(shè)備彌補(bǔ)用電高峰的電力缺失。

圖2 節(jié)點(diǎn)邊際電價(jià)Fig.2 Locational marginal price

圖3 阻塞價(jià)格Fig.3 Congestion price

通過算例仿真,配電網(wǎng)系統(tǒng)向上級電網(wǎng)購電量如圖4所示。當(dāng)系統(tǒng)風(fēng)力和光伏發(fā)電以及儲能設(shè)備注入功率沒法滿足系統(tǒng)需求或向上級電網(wǎng)購電的成本比向儲能設(shè)備購電的成本低時(shí),配電網(wǎng)系統(tǒng)會選擇向上級電網(wǎng)購電。

圖4 配電網(wǎng)負(fù)荷及向上級電網(wǎng)購電量Fig.4 Distribution network load and purchase of electricity from the upper grid

通過算例仿真,配電網(wǎng)系統(tǒng)儲能荷電狀態(tài)、充放電功率及金融儲能權(quán)交易量如圖5所示。

圖5 儲能荷電狀態(tài)及充放電功率Fig.5 State of charge and charge/discharge power of energy storage

由圖5可知:(1) 儲能選擇在00:00—07:00和21:00—24:00日前邊際節(jié)點(diǎn)電價(jià)較低時(shí)充電,在12:00—21:00日前邊際節(jié)點(diǎn)電價(jià)較高時(shí)放電。通過觀察07:00、22:00時(shí)刻的充電電量,可以發(fā)現(xiàn)總充電功率受到限制時(shí)儲能優(yōu)先在節(jié)點(diǎn)電價(jià)較低的時(shí)刻充電。由此也可以得出,當(dāng)總放電功率受到限制時(shí)儲能優(yōu)先在節(jié)點(diǎn)電價(jià)較高的時(shí)刻放電。

(2) 用戶可以選擇在13:00—21:00日前阻塞價(jià)格較高時(shí)購買金融儲能權(quán)。通過觀察21:00時(shí)刻金融儲能權(quán)交易量可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)交易量受到限制時(shí)用戶優(yōu)先在阻塞價(jià)格較高時(shí)購買金融儲能權(quán)。

根據(jù)日前邊際節(jié)點(diǎn)電價(jià)和實(shí)時(shí)邊際節(jié)點(diǎn)電價(jià),發(fā)生阻塞時(shí)的金融儲能權(quán)收益情況如圖6所示。

圖6 金融儲能權(quán)收益Fig.6 Revenue of Financial Storage Rights

由圖6可以發(fā)現(xiàn),本文所提出的模型根據(jù)日前邊際節(jié)點(diǎn)電價(jià)和阻塞價(jià)格所做出的金融儲能權(quán)購買決策,可以在實(shí)時(shí)交易階段獲得比日前階段預(yù)測收益更高的收益。

4 結(jié)論

針對高比例可再生能源配電網(wǎng)阻塞風(fēng)險(xiǎn)管理的難題,本文提出一種基于金融儲能權(quán)的阻塞風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避機(jī)制,并建立了基于金融儲能權(quán)的阻塞風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避模型。通過建模和仿真分析,得出的研究結(jié)論如下:

1) 本文提出的阻塞風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避機(jī)制可以提高發(fā)電機(jī)組在系統(tǒng)發(fā)生阻塞時(shí)的收益,降低用電用戶在系統(tǒng)發(fā)生阻塞時(shí)的成本。

2) 本文所提出的阻塞風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避模型可以根據(jù)日前邊際節(jié)點(diǎn)電價(jià)優(yōu)化儲能充放電方案,使儲能收益最大化。

3) 本文所提出的阻塞風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避模型可以根據(jù)日前阻塞價(jià)格優(yōu)化金融儲能權(quán)交易策略,使金融儲能權(quán)交易收益最大化。

4) 根據(jù)本文所提出的阻塞風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避模型得出的金融儲能權(quán)交易策略,可以在實(shí)時(shí)市場獲得超過日前預(yù)期的收益。