考虑中长期电量合约分解的调频备用市场机制

董 力, 高赐威, 喻 洁, 滕贤亮, 涂孟夫, 丁 恰

(1. 江苏省智能电网技术与装备重点实验室(东南大学), 江苏省南京市 210096;2. 国电南瑞科技股份有限公司, 江苏省南京市 211106)

0 引言

2015年初至今,新一轮电改政策文件相继出台,加快了中国电力体制改革的进程。电改相关文件充分体现了中国电力体制改革将不同于国外市场化较为成熟国家的改革进程,中国电改需要在结合自身特点的基础上,以较长时期的递进式改革路线推进,逐渐扩大市场化规模。为保证电力体制改革的平稳过渡,部分计划发电现已向发电商签订中长期电量合同的方式转变,时间尺度较长的交易模式可以有效降低市场风险。

国内调频辅助服务补偿机制存在问题,不能有效引导资源配置。新电改开始前,调频辅助服务依据原国家电监会颁布的《发电机组并网安全性评价管理办法》和《并网发电厂辅助服务管理暂行办法》文件以考核制度开展,由于调频备用一般由调度部门预留,机组出力与调频容量的大小无法体现系统需求,且政策文件对于自动发电控制(AGC)服务补偿的具体标准与计量方法较为粗糙,补偿机制的额度长期固定使得调频服务的价值无法体现,补偿水平甚至较大程度地偏离成本。除此以外,补偿机制无法体现机组性能差异性,系统中性能较好的机组往往提供了更多的服务,但在结算时却无法充分体现性能差异性,影响了机组提供调频辅助服务的积极性,不利于系统资源的优化配置和机组自身的性能升级。若调频辅助服务通过市场手段获取,则市场出清价格能够反映机组提供服务的机会成本与性能价值,现行调频辅助服务的实施问题能够得以解决。

电力体制改革深化后,计划电量份额将不断缩小,调峰调频机组备用能否足量保障是电力调度部门担心的问题。调峰调频主要用于满足电力供需平衡、频率质量等要求,对于维持电力系统安全稳定运行具有非常重要的作用[1]。在现行电力系统运行的管理模式下,机组每日的发电计划由调度部门制定下发,由于大部分现役机组都装有AGC装置,因此,剩余的机组备用可直接视为调频备用容量。市场化放开后,机组的发电出力由市场成员竞价决定,机组组合与剩余容量的可控性减弱,调频指令的完成率将受到威胁。

国外的电力市场改革发展已经较为成熟,为保障电力市场AGC的有效实施,美国加州建立了与电能交易市场并行的AGC竞价市场,美国新英格兰电力市场则将AGC与电能交易统一考虑[2]。国外电能交易与调频辅助服务市场时间尺度较短,以日前与日内市场居多,而国内市场化改革进程与国外有所差异,较长时期以中长期电量为主,缺乏成熟的现货市场建设,且各省发展路径多元,未来调频辅助服务市场可以等待现货市场成熟后再进行建设,也可以探索不依赖于现货市场的辅助服务市场实施路径的可能性,目前东北地区、广东省、山东省等一些地区已对建设辅助服务市场做出了尝试。

关于AGC机组参与调频辅助服务市场,已有一些文献进行了相关研究。文献[3-5]研究了系统调频辅助服务需求容量的预测方法,其中,文献[4]提出了以性能指标对机组报价进行修正的调频市场出清模式,文献[6]以购买量成本最低确定了AGC市场交易目标。文献[7-8]建立了能量市场与AGC市场联合考虑的竞价模式,但均为现货市场时间尺度。文献[9-10]研究了AGC机组提供调频辅助服务的性能考核指标。

已有文献均未结合中国现行的中长期电量合约模式,研究能够解决调频辅助服务实施问题并满足系统调频需求的市场交易机制。基于以上叙述,本文基于一种新的有效容量和性能门槛值概念,提出了适应于国内中长期电量合约分解的调频市场解耦设计。

1 基本思路

由于机组的基本出力与所能提供的调频辅助服务备用容量存在制约关系,解决电量合约的分解与调频市场容量申报的时序问题至关重要。目前电力市场中有三种较为典型的调频市场交易模式,根据与能量市场的耦合关系可分为联合出清、调频市场先于和后于能量市场三类。调频市场先于能量市场出清的模式能够促进调频资源被充分调用,考虑中国现货市场尚未建立的国情,为保证系统的调频需求容量,文中选择了此种交易模式作为初探路径,总体框架流程图如图1所示。

图1 调频市场与电量合约分解整体框架Fig.1 General framework of frequency regulation market and electricity contract decomposition

由图1可知,考虑中长期电量合约的调频辅助服务市场的具体实现步骤如下。

步骤①:预测系统整体的调频需求容量,发电商考虑机组的备用容量机会成本、出力范围,以及参与调频市场的预期收益等因素,申报调频备用容量和价格。

步骤②:调频市场依据申报信息、调节性能等设置准入门槛,满足要求的机组进入调频市场,并根据调频市场的交易机制和系统调频需求预测容量,出清调频备用市场,对成功中标的机组进行费用结算,本文将在第2节详述。

步骤③:调度部门根据调频市场出清结果,获取中标机组的剩余出力范围和未中标机组的全部中标范围,优先保证中标机组的基本出力,并结合中长期电量合约和安全校核要求,在考虑平衡机制的基础上,安排次日的发电计划曲线,本文将在第3节详述。

2 调频备用市场机制设计

2.1 现有调频市场机制分析

为激励机组改善调频性能,提高性能优机组的市场竞争力,在设计调频市场机制时考虑机组性能的差异性。国内外已做出一些尝试,美国PJM电力市场结合历史性能指标和效益因子对机组报价进行修正,影响机组在市场竞价中的排序情况,并以临界机组的排序指标值进行出清。国内广东省出台的《广东调频辅助服务市场建设试点方案》中以机组报价与历史性能参数作商,且市场出清价是临界机组的申报价格。这两种做法均是以调频性能对机组报价进行调整,能够体现性能优机组的竞争优势,但由于市场出清顺序并非是机组实际报价的排序,因此,市场成员需要在充分了解和认可机制设计的前提下,制定相应的策略参与市场竞争。文中提出了新的调频市场交易机制,以纯经济学报价模式统一出清,在结算机制中以性能指标门槛值衡量中标备用容量的有效性,体现机组的性能差异。

2.2 数学建模

根据发电商申报容量和价格,市场以最小化购买成本为出清目标,表示为:

(1)

同时满足如下约束。

1)系统调频需求约束

为保证系统安全可靠运行,机组提供的调频辅助服务必须满足系统的总调频需求,包括调频容量和性能两个方面,即向上调频需求约束表示为:

(2)

向下调频需求约束表示为:

(3)

(4)

式中:Lpeak为某日峰荷值;r为调频需求容量所占固定比例。

2)爬坡速率约束

(5)

(6)

式中:Δi为机组i每时段的爬坡速率最大值。

3)中长期电量约束

为防止机组超额完成某考核周期内合约电量的发电任务,需满足:

(7)

式中:Qi,d-1为机组i的已完成发电量;Qi为机组i某考核周期内的合约电量;Pi,max和Pi,min分别为机组i的最大出力和最小出力。当不满足式(7)时,机组i在调频市场中的中标结果无效。

以机组报价进行排序直至满足系统调频需求时,调频市场以边际机组报价确定向上调频和向下调频的统一出清价分别为πup和πdown。

受机组调频性能影响,中标机组调频备用容量能够实际承担调度指令的能力存在差异,因此,文中以有效容量概念反映机组备用容量的性能价值,体现不同调节水平机组的中标备用容量能够实际承担调度指令的能力。美国PJM调频市场以机组性能指标和中标容量的乘积反映有效容量,由于性能指标范围为0～1[12-14],因此,有效容量上限即为机组的中标容量,而性能优机组的中标容量在指令周期内往往能够响应多条调频指令,在已有的容量结算机制中无法充分体现其容量补偿优势。

门槛值是针对机组性能指标的标准化处理,表征了系统对调频容量的性能需求。为合理补偿机组的调频备用容量,充分考虑对性能优机组的奖励,结合性能指标门槛值设计调频市场结算机制。

中标机组的结算收益为:

(8)

性能指标门槛值的设定与系统调频需求、机组中标容量和结算收益都有紧密联系,有利于激励机组改善调频性能,合理配置和调用调频资源。

2.3 与现有调频市场机制的比较

本文在调频市场排序、出清机制、结算机制3个方面与美国PJM和广东省规则存在差异,如表1所示。

表1 调频市场机制对比Table 1 Comparison of frequency regulation market mechanism

由表1可知,本文的调频市场机制特点如下。

1)设计了基于有效容量的调频市场报价与出清机制,尊重市场参与者的报价意愿出清市场,购买符合市场调频性能要求的辅助服务,物理概念明确,有利于市场参与者的理解。

2)以性能指标门槛值对系统调频需求、机组中标容量和结算机制进行设计,对机组性能标准化处理,满足系统调频需求,充分调用系统调频资源,合理奖惩性能差异的机组,向市场主体提供明确的性能改造目标,激发机组改善调频性能的积极性。

3 中长期电量合约分解

国内中长期电量合约的分解多由电力调度部门承担,日常运行中按机组可发容量等比例进行分配,操作灵活简便。由于本文的重点研究为适应于国内中长期电量合约分解的调频市场解耦设计,为保证调频辅助服务市场化的平稳过渡,因此电量合约分解仍然沿用传统的分解机制。调频辅助服务市场出清后,调度部门依据机组中标情况和中长期电量合约约束,按照传统的合约电量分解方式,以安全校核要求安排机组次日的发电计划曲线,电量合约分解的细化流程图如图2所示。

图2 电量合约分解细化框图Fig.2 Detailed flow chart of electricity contract decomposition

以机组剩余发电容量等比例法安排机组发电,具体方法如下。

调度部门可安排的机组剩余总容量为:

(9)

式中:Ptotal为机组剩余总容量。

利用等比例法计算机组的发电出力Pi为:

(10)

式中:L为次日发电负荷预测量。

检验该发电出力是否能够满足调频市场中标机组的基本出力要求:

(11)

剩余机组重新以等比例法调整未中标机组的基本出力:

(12)

确定初始发电曲线后,调度部门以调节未中标机组出力的最小化成本为目标,使得发电计划曲线满足安全校核要求,目标表达式为:

(13)

1)机组出力范围约束

(14)

(15)

2)机组爬坡速率约束

机组发电曲线上相邻时段的出力变化值必须保证在机组的爬坡速率限值范围内,即

(16)

3)系统负荷平衡约束

为满足系统发用双方曲线的匹配性,发用电功率平衡约束为:

(17)

4)系统旋转备用约束

为留有一部分的系统安全裕度,系统中所有机组提供的旋转备用必须满足系统总需求:

(18)

式中:ri为机组i提供的旋转备用;Rs为系统旋转备用总需求。

5)线路潮流约束

检验系统中各条线路的潮流值是否越界,防止发生线路阻塞问题,有

Ij≤Ij,max

(19)

式中:Ij,max为系统内线路j的潮流上限值;Ij为系统内线路j上的计算潮流值。

优先保证中标机组的基本出力,调整未中标机组的发电计划满足系统安全校核要求,可激发机组参与调频市场并理性报价的积极性。

4 算例分析

本算例以IEEE 14节点系统模拟了5台机组考虑中长期电量合约分解的调频备用市场参与情况,机组参数如表2所示。

假设某周每日的负荷情况如图3中实线所示,根据式(4)调频容量占峰荷固定比例的计算方法,将比例值设为1%(美国PJM电力市场设为0.7%),则每日的向上、向下调频容量用柱形图表示。

由于发电商申报市场数据时已知系统调频需求容量,故文中发电商参与调频市场的申报容量由rand(0,Rf)函数随机生成,根据表2中各发电商申报价格出清调频市场,机组中标容量见附录A表A1和表A2。

表2 发电机组参数Table 2 Parameters of generation units

图3 某周调频容量预测情况Fig.3 Forecasting result of frequency regulation capacity in a certain week

调频市场由申报价格单一排序,易于机组确定报价策略,价格信号明确。由于机组在调频市场中能否中标很大程度取决于机组的报价情况,因此,各机组应结合自身机会成本、市场竞争力等因素确定报价策略,理性报价。例如机组5报价不合理,导致其市场成功中标率较低,仅在系统调频需求较大时能够竞标成功,虽性能最优却未获得理想收益。

文中提出的调频市场结算机制能够体现性能差异,将调频市场的性能指标门槛值设为0.7,虽然机组1能够在市场中频繁中标,但受调节性能影响,其有效容量较小,单位中标容量的收益较低,仅为机组5单位容量收益的37.3%,此调频市场机制可以有效激励机组改善性能。

调频市场出清后,根据第3节建立的模型,调度部门保证调频市场成功中标机组的基本出力,且考虑电量合约和安全校核约束,分解电量合约确定各机组次日的发电曲线,图4为该周第7日各机组的发电曲线。由图4可知,由于机组1和机组2的合约电量较少,而这2台机组在调频市场中频繁中标的基本出力必须保证,导致其合约提前完成。

就系统整体而言,调频市场优先于电量合约的分解可以有效保证系统调频需求,并激发机组参与市场的积极性;且调频辅助服务市场化能够以市场手段体现实际供需和价值,解决了当前补偿机制的不合理问题,有效引导资源配置。调度部门仅需额外考虑调频市场中标机组的基本出力约束,其他诸如平衡机制的要求并未发生变化,满足系统的安全可靠性要求。

图4 该周第7日机组发电曲线Fig.4 Generation curves of the 7th day in the week

5 结语

当前,中国电力体制改革步入快车道,中长期电量合约交易方式已基本在全国范围内实现,但由于此次电改要求有序放开,因此,由中长期交易到现货交易的转变并不是一蹴而就的。现行调频辅助服务的实施机制存在不合理性,无法有效体现供需和补偿价值,需要结合市场化手段加以解决。考虑到国内电改的特殊性,调频辅助服务市场机制的设计需要结合中长期交易进行研究。

本文明确了调频辅助服务市场与中长期电量合约的衔接关系,优先出清调频市场并在安排机组发电计划时保证中标机组的基本出力,可以充分满足系统的调频需求,激励机组参与调频市场竞价。通过对比了美国PJM电力市场和国内广东省的现有市场机制,提出了一种新的调频市场机制,基于性能指标门槛值对机组中标容量标准化处理,以有效容量概念体现了机组性能差异性,并以边际机组报价统一出清反映了机组的报价意愿,结合算例分析了性能优机组的补偿优势,能够激发机组改善性能的积极性。而发电商参与调频市场的策略分析,以及中国由电量市场向未来现货市场的过渡将是今后研究的方向。

本文研究得到智能电网保护和运行控制国家重点实验室开放课题项目“调频辅助服务市场运行机制研究”的资助，谨此致谢！

附录见本刊网络版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。