基于Shaapplleeyy 值法的发电侧现货市场运营研究

杨嫄嫄，习雨同，龚文凯，姬德森 ，汤振华

（1.国网江西省电力有限公司建设分公司，江西 南昌 330077；2.国网江西省电力有限公司供电服务管理中心，江西 南昌 330001）

0 引言

在清洁低碳能源革命背景下，高比例可再生能源成为电力系统未来发展的一个突出特征。随着高比例可再生能源融入电网，参与电力市场交易，将带来以下难题：一是技术进步使得新能源发电成本不断降低，竞争优势不断增强，但可再生能源间歇性对电网安全稳定运行构成威胁；二是传统火电水电技术成熟，但其成本受一次能源影响明显，成本下降空间有限。现货市场中如何构建联盟运营机制，发挥各市场主体优势，确保电网安全稳定，是国内外学者研究的重点之一。

国内外学者对该主题做了相关研究。文献[1]基于多种能源协调运营、发电成本、上网电价及辅助服务收益，并计及电压偏差和频率稳定性，构建包含风电、光伏及抽水蓄能电站收益的多目标函数，研究市场环境下的风光水联合运营。不足是缺乏时间、出力配比的动态分析。文献[2]提出了市场化情况下风水火联合运营模式，火电将发电空间转让给风电、水电并提供辅助服务，以夏普利值分配策略作为联盟效用分配方案，以实现联盟效益最大化。不足是缺乏动态出力配比的论证。文献[3]提出在热电联合运营机制上，可以通过调整调峰补偿基准的方式，改变市场主体间的利益分配比例，使各市场主体间存在共同获利空间，从而保证合作的稳定和持续。侧重利益分配比例，不足是缺乏动态出力配比的论证。文献[4]构建计及资源禀赋指标的多能互补综合指标体系，提出可再生能源资源禀赋与系统评价结果存在正相关性。根据地区气候差异选取五个代表性城市进行算例分析，不足是缺乏普适性论证。文献[5]考虑到新能源出力波动和负载的不确定性，应用区间理论建立区间线性规划，构建多能互补投资业务综合收益标准评价模型。不足是缺乏对多能互补参与主体的量化分析。文献[6]考虑光伏和风电间歇性和随机性，提出建立水-风-光多能互补系统的数学模型和优化模型。将不稳定的风能光伏与水能捆绑并网的方式提高发电量。不足是未考虑风能光伏意愿及各主体的出力配比。文献[7]考虑风电实际出力与电网负荷波形相似度，提出基于负荷跟踪程度与波动成本分摊系数的改进Shapley 值法进行联盟成本分摊。

以上研究共性问题在于对不同发电主体出力配比关系分析存在欠缺。因此，文中运用shapley 值法分析多能互补联盟效益，分析某一负荷曲线下各发电主体的出力配比，采用基尼系数法评估分配公平程度，使得联盟效益与个体间效益平衡。

1 研究假设

文中做出以下合理假设：

1）出力能力假设。假设“风电、光伏、水电、火电”出力能力能够满足联盟运营需求。光伏发电在每日07 点至19 点能够正常出力[8]。现货交易时间很短，认为风电、水电、火电不会受到水文、自然气候及燃煤价格变化影响。

2）参与联盟意愿假设。任意多个主体联盟合作效益值不低于各主体单干的效益值，即确保合作利益不低于独立个体利益，才能确保联盟稳定持续。

3）电网无阻塞，发电侧可以正常并网输送电能到用户侧。

4）现货市场内，用电侧负荷功率缺口不会突发极端奇异值。

2 基于Shapley值法的联盟收益

Shapley 值法提出，联盟总收益等于成员总收益之和，成员参与联盟分配得到的收益高于不参与联盟的收益。Shapley公式[9-10]如下。

联盟内某主体i的shapley值为

式中：s表示成员i参与到的联盟集合；Yi为主体i的shapley 值；y（s）是联盟s的收益；y（s/i）是值为子集s中去除主体i后所取得的效益；N为集合个数；ω（s）是加权因子。

式中：n是大联盟成员个数，s′是联盟中子集s所含成员个数，s′≤n。

3 联盟收益平衡分析

能源独立运营的收益为

式中：fi为能源i的售电收益，元；Pi为能源i功率，kW；ui为能源i单位功率收益，为上网电价与发电成本之差，元/kW·h。

考虑出力配比的收益为

式中：λi为不同能源的出力比例，且满足：

采用基尼系数表征分配均衡程度。基尼系数越接近0 表明分配越是趋向平等。不少学者认为基尼系数0.2～0.3 之间时较为平均，0.3～0.4 之间时比较合理，0.4～0.5 时差距过大，大于0.5 时差距悬殊。基尼系数计算方法见文献[11]，文中不再列出。

4 算例

4.1 单位收益

燃煤火力发电成本受到煤炭价格波动明显，抽水蓄能成本主要为抽水电量，风电、光伏成本受到场站建设土地、人工、设备、利息、运维、税费等因素影响较大。发电侧单位收益数据[1，12-14]如表1所示。

表1 单位收益 元/kW·h

4.2 负荷曲线

文中采用某地日负荷曲线数据，功率缺口如图1所示。

图1 功率缺口

4.3 联盟收益

根据式（1）至式（5），运用Matlab 展开仿真计算，求出联盟收益，如图2所示。

图2 联盟收益

图2 中，由于在不同时间段的功率缺口及联盟成员出力配比存在差异，各时间段现货交易的联盟收益存在上限值及下限值，表现为时变特性。功率缺口为0时，联盟收益为0；功率缺口最高时，联盟收益达到最高。

4.4 基尼系数

联盟成员出力配比组合不同，导致收益分配的基尼系数有差异，如图3所示。

图3 基尼系数

图3 中，存在部分组合方式，使得联盟利益分配较为平均，或者比较合理，占比如表2所示。

表2 占比

表2 中，合理平均占比67.86%，说明在shapley 模式下，很大程度能够实现联盟利益分配趋于均衡。调节出力配比，实现公平合理分配。分配公平性及不同发电主体典型出力配比寻优如表3所示。

表3 出力配比寻优

表3 中，由于光伏出力能力受到太阳辐照度影响，因此在24 h 内存在一些时间段无太阳光照，使得光伏出力为0，此时光伏出力配比为0。所以实现相同公平性分配模式，存在两组出力配比组合，一种是考虑光伏有出力，另外一种是光伏无出力。

5 结语

文中提出合理假设，采用shapley 值法分析了发电侧“风电、光伏、水电、火电”在现货市场不同时间段不同出力配比下联盟收益，以及运用基尼系数评估利益分配公平性。运用Matlab 分析展开仿真计算，分析日负荷曲线24 h 内的功率缺口下联盟收益分布及基尼系数分布与占比，求出实现联盟公平合理分配的发电侧出力配比。要实现联盟利益分配公平合理，需要根据时间、各发电主体出力能力做决定。

通过以上研究分析，得出以下结论，在实际运营中值得借鉴。

1）Shapley值法可以实现发电侧“风电、光伏、水电、火电”联盟收益分配相对的公平合理，总体上可实现分配公平合理。但总存在分配不均或者偏差大的组合方式。

2）不同发电主体资源禀赋存在差异，出力特性和出力能力区别很大，导致联盟利益分配有差异。而且存在不同的出力配比组合模式，可实现相同的利益分配均衡性。