市場環(huán)境下備用容量的定價與確定

柴愛軍，吳江

（1.華北電力大學(xué)，北京 102206；2.西安交通大學(xué)，陜西西安 710049）

市場環(huán)境下備用容量的定價與確定

柴愛軍1，吳江2

（1.華北電力大學(xué)，北京 102206；2.西安交通大學(xué)，陜西西安 710049）

輔助服務(wù)在維持電力系統(tǒng)的安全可靠性，提高系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量，緩解高峰負(fù)荷電價等方面具有舉足輕重的作用。

在壟斷環(huán)境下，整個電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電、配電是統(tǒng)一管理和統(tǒng)一調(diào)度的，運(yùn)行方式安排相對比較簡單，系統(tǒng)運(yùn)行的安全、可靠容易得到保證；而在電力市場環(huán)境下，發(fā)電商是以盈利為目的，在考慮系統(tǒng)安全性的同時更要考慮到系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，電力企業(yè)所提供的輔助服務(wù)成為了有償服務(wù)，這就是電力市場當(dāng)中的輔助服務(wù)市場。在電力市場環(huán)境下，輔助服務(wù)的定價與確定遇到了許多新的挑戰(zhàn)，本文選取輔助服務(wù)中的備用市場進(jìn)行研究。

在市場環(huán)境下，備用容量的選取和定價是備用市場設(shè)計的2個關(guān)鍵性問題。本文從國際上實際運(yùn)行的輔助服務(wù)市場出發(fā)，研究了備用容量的確定與定價方法，建立了以電能和容量總購買成本最小為目標(biāo)的備用服務(wù)價格和分配模型。最后對以此模型為基礎(chǔ)的市場模式進(jìn)行了討論。

1 備用服務(wù)的容量確定

系統(tǒng)運(yùn)行涉及的備用主要有負(fù)荷備用和事故備用。在傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)中，負(fù)荷備用容量的大小應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷的大小、運(yùn)行經(jīng)驗并考慮系統(tǒng)中各類用電的比重確定，一般為最大負(fù)荷的2%～5%，大系統(tǒng)采用較小數(shù)值，小系統(tǒng)采用較大數(shù)值。事故備用的容量大小應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)容量、發(fā)電機(jī)臺數(shù)、單位機(jī)組容量、機(jī)組的事故概率、系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)等確定，一般為最大負(fù)荷的5%～10%，但不得小于系統(tǒng)中最大機(jī)組的容量[1]。

在市場環(huán)境下，輔助服務(wù)成為發(fā)電商提供的有償服務(wù)，備用容量的選取必須考慮到系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的問題。過高的備用比例，就需要支付過多的服務(wù)費(fèi)用，提高電網(wǎng)的運(yùn)營成本，損害用戶的經(jīng)濟(jì)利益；而如果備用過低，將不能保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行，在負(fù)荷波動過大或出現(xiàn)突發(fā)事件時，將不得不切斷部分電力供應(yīng)，同樣會對用戶的經(jīng)濟(jì)利益造成損害。國內(nèi)外學(xué)者對于這方面問題做了許多研究。

文獻(xiàn)[2]提出運(yùn)用模糊邏輯調(diào)整系統(tǒng)備用需求的方法，指出清晰化處理往往會導(dǎo)致保守結(jié)果。在文獻(xiàn)[2]方法的基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[3]提出了旋轉(zhuǎn)備用需求隨著相應(yīng)價格變化自適應(yīng)調(diào)節(jié)的方法，最終結(jié)果由旋轉(zhuǎn)備用價格和旋轉(zhuǎn)備用比例之間的迭代得到。

文獻(xiàn)[4]認(rèn)為，在市場條件下，為供需雙方所接受的供電中斷不應(yīng)認(rèn)為是對系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的破壞，提出在綜合考慮保留備用容量費(fèi)用和切負(fù)荷賠償費(fèi)用的基礎(chǔ)上，求取經(jīng)濟(jì)上最優(yōu)的事故備用容量。對于參與市場的多數(shù)用戶來說，用電成本只是生產(chǎn)成本的一小部分，切負(fù)荷賠償費(fèi)用將會遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出容量費(fèi)用，這樣使得容量備用只存在很小的需求彈性，對備用市場的調(diào)節(jié)意義不大。

文獻(xiàn)[5-6]將保險理論引入電力市場的備用容量選擇，利用用戶對備用容量的投保金額來決定備用容量大小及切負(fù)荷的分配，這樣采用分散決策方法，將備用容量的選擇權(quán)下放到了用戶，增加了交易的靈活性。

文獻(xiàn)[7]針對美國新英格蘭地區(qū)備用市場的設(shè)計，著重分析了運(yùn)行備用調(diào)配引起的機(jī)會成本問題。文獻(xiàn)[8]則從系統(tǒng)運(yùn)營機(jī)構(gòu)，如ISO的角度出發(fā)，研究了如何同時處理能量交易和運(yùn)行備用交易的聯(lián)合調(diào)度問題。

應(yīng)該指出的是，既便在市場環(huán)境下，保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性也是首要問題。如果使電力系統(tǒng)長期運(yùn)行在邊界點附近，將會引發(fā)一系列問題，往往會造成難以估量的損失。對于備用容量的經(jīng)濟(jì)性考慮，還有待進(jìn)一步研究。

2 備用服務(wù)的獲取與定價

備用容量的價格往往由兩部分組成，即容量成本和電量成本[9]。其中，前者是不論該部分備用是否被實際調(diào)用，其成本均應(yīng)被支付；后者是一旦備用容量被實際調(diào)用，ISO為其所支付的購買電量的價格。

由于提供大部分輔助服務(wù)的設(shè)備同時也為電力市場提供電量，能量價格和容量價格是緊密相關(guān)的，因此ISO應(yīng)將能量市場與容量市場統(tǒng)一調(diào)度，實現(xiàn)全局優(yōu)化。問題可描述為[10-11]

式（1）滿足如下約束

式中，ri（,）為時刻k機(jī)組i的旋轉(zhuǎn)儲備量是時刻k的系統(tǒng)需求。

其他單機(jī)組約束（容量約束、啟停狀態(tài)、最大最小開關(guān)機(jī)時間、爬升約束等）見文獻(xiàn)[11]。

運(yùn)用拉格朗日松弛法求解機(jī)組調(diào)度問題的主要思想是用拉格朗日乘子松弛系統(tǒng)需求和儲備需求，以形成兩層結(jié)構(gòu)。

由式（1）和約束式（2）、（3），拉格朗日函數(shù)可寫為

λk，μk為拉格朗日乘子

用對偶定理，分析方程（4）的可分解結(jié)構(gòu)，形成兩層極大-極小優(yōu)化問題。

利用λ和μ傳遞參數(shù)，兩層問題經(jīng)反復(fù)迭代，構(gòu)造可行解，即可得到最優(yōu)的負(fù)荷和備用分配。

根據(jù)實時電價理論，邊際價格等于相應(yīng)的系統(tǒng)約束的拉格朗日松弛算子值，故λ和μ就分別相當(dāng)于系統(tǒng)滿足能量需求和備用需求的邊際容量成本，即可作為電能市場的能量價格和備用市場的容量價格。

對于備用服務(wù)的能量價格，由于表示的是當(dāng)備用容量被實際調(diào)用，ISO為其所支付的購買電量的價格，這與電能市場的交易屬同類商品，其價格應(yīng)由電能市場決定，即實時電能市場的價格。

3 算例分析

在本算例中，利用IEEE-10Unit System[12]的機(jī)組參數(shù)進(jìn)行求解。

日前市場：假設(shè)某天系統(tǒng)負(fù)荷如圖1所示，備用容量比例為8%。利用調(diào)度算法，可得到日前市場的電量價格和備用容量價格，以及各機(jī)組的電量和容量分配。

實時市場a：在實時市場出現(xiàn)負(fù)荷波動（見圖1），則需要實時調(diào)度得到市場的實時電量價格和備用價格，而某些備用容量將被實際調(diào)用，得到能量收入。

圖1 預(yù)測負(fù)荷與實際負(fù)荷Fig.1 Forecast demand and real-time demand

實時市場b：假設(shè)機(jī)組U400b出現(xiàn)故障，退出市場交易，實時市場也需要重新運(yùn)行調(diào)度算法，投入備用容量進(jìn)行實時平衡，并增加新的備用。

3種情況下的市場價格如表1所示。

表13 種情況下的市場能量及容量電價$/（MW·h）Tab.1 Energy and capacity price in three cases

由于大部分提供備用服務(wù)的設(shè)備同時也為電能市場提供電量，因此能量價格與備用價格有很大的相關(guān)性。當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷出現(xiàn)較大變化時，各機(jī)組出力點發(fā)生變化，電能價格也隨之波動，同時也導(dǎo)致了容量市場價格的改變（見圖1、圖2和圖3）。

在實時市場b的情況下，由于一臺較大機(jī)組（U400b）的停機(jī)，導(dǎo)致了在負(fù)荷高峰期購電價格的大幅上升；同時，系統(tǒng)整體備用的減少，備用的容量價格也提高較多。

下面拿出一個具體機(jī)組（U155a）的出力及備用情況進(jìn)行分析（見圖4）。

圖2 3種情況下的電量電價Fig.2 Energy prices in three cases

圖3 3種情況下的容量電價Fig.3 Capacity prices in three cases

圖4 U155a日前與實時市場比較Fig.4 Compared between day-ahead and real-time market of unit U155a

在日前市場，機(jī)組確定發(fā)電計劃，并提供一定量的旋轉(zhuǎn)備用。由于實際的負(fù)荷波動（情況a）或出現(xiàn)突然的設(shè)備故障（情況b），在實時市場中將有一部分旋轉(zhuǎn)備用加入發(fā)電計劃，獲得備用的能量收入。

按照PJM電力市場的結(jié)算方法，發(fā)電商在日前市場按日前市場價格獲得能量與備用收入，對于在實時市場的調(diào)整部分，按照實時電價結(jié)算，這部分就是備用的能量收入。表2給出了U155a的結(jié)算收入。

在機(jī)組運(yùn)行時，提供備用容量幾乎是不需要成本的，但仍能得到備用容量收入，而且實時調(diào)整出力時，這部分備用容量還有可能被調(diào)度，得到能量收入。當(dāng)然，在一般情況下，由于實時負(fù)荷的波動同預(yù)測相比有正有負(fù)，機(jī)組有可能增加出力，也有可能減少出力，因此在實時市場得到的收入有限（有時甚至為負(fù)）。但當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)大的波動時（如實時b），備用容量將大量投入發(fā)電計劃，獲得發(fā)電收入。

表2 U155a的結(jié)算收入Tab.2 Settlement revenue of Unit U155a

因此，對于發(fā)電企業(yè)來說，備用市場雖然絕對收入較少，但利潤是相當(dāng)驚人的。對于備用市場的競標(biāo)，也應(yīng)得到足夠的重視。

4 結(jié)論

本文討論了在新的電力市場環(huán)境下，電力系統(tǒng)的安全性問題。引入了輔助服務(wù)市場后，系統(tǒng)中的各種安全服務(wù)成為了有償服務(wù)，系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性被統(tǒng)一考慮。本文著重介紹了輔助服務(wù)中的容量備用市場，及其容量確定和服務(wù)定價。由于備用市場和電能市場的相關(guān)性，備用市場的定價和調(diào)度應(yīng)該與電能市場一起進(jìn)行，利用拉格朗日松弛算法和實時電價理論，對備用服務(wù)進(jìn)行分配和定價。

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Pricing and Determination of the Reserved Capacity in Power Market

CHAI Ai-jun1，WU Jiang2

（1.North China Electric Power University,Beijing 102206,China;2.Xi’an Jiaotong University,Xi’an 710049,Shaanxi Province,China）

With focus on the reserve market in the ancillary service,this paper analyzes the existing determination method for the reserved capacity,and presents a spot pricing method which is based on the purchase cost minimization model to determine the price and allocation of the reserve service.Finally,verification by an IEEE-10unit case shows the effectiveness and efficiency of the method.

electricity market;reserved capacity;spot pricing theory;Lagrange relaxation

選取輔助服務(wù)中的備用市場為研究對象，分析了現(xiàn)有的備用容量確定方法，并以電能和容量總購買成本最小為目標(biāo)，以實時電價理論為基礎(chǔ)，確定備用服務(wù)的價格和分配。最后通過IEEE-10機(jī)組算例說明了該方法的有效性。

電力市場；備用容量；實時電價理論；拉格朗日松弛法

1674-3814（2011）12-0072-07

TM 715

A

2011-10-26。

柴愛軍（1972—），男，碩士，從事電力市場建設(shè)及監(jiān)管研究。

（編輯 馮露）