微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行的市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)機(jī)制設(shè)計(jì)

劉皓明，李柵柵，陸丹，葉季蕾(.河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，南京市00;.中國電力科學(xué)研究院，南京市0003)

微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行的市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)機(jī)制設(shè)計(jì)

劉皓明1，李柵柵1，陸丹1，葉季蕾2
(1.河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，南京市211100;2.中國電力科學(xué)研究院，南京市210003)

在輸配分開的電力市場(chǎng)環(huán)境下，為了實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的智能化市場(chǎng)運(yùn)作，需要結(jié)合微電網(wǎng)自身特點(diǎn)設(shè)計(jì)一套可行的市場(chǎng)運(yùn)行機(jī)制。提出“發(fā)電驅(qū)動(dòng)負(fù)荷”模式，在保證與主網(wǎng)電力市場(chǎng)相容的基礎(chǔ)上，基于多代理系統(tǒng)的市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)控制體系，計(jì)及可中斷負(fù)荷和儲(chǔ)能裝置的靈活市場(chǎng)行為，融入需求側(cè)響應(yīng)機(jī)制，負(fù)荷用戶可根據(jù)自身相對(duì)需求向微電網(wǎng)市場(chǎng)控制平臺(tái)提交需求報(bào)價(jià)信息，構(gòu)建微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行的合同市場(chǎng)和實(shí)時(shí)平衡市場(chǎng)，設(shè)計(jì)了競(jìng)價(jià)規(guī)則和模型，并針對(duì)幾個(gè)關(guān)鍵問題進(jìn)行了討論。

微電網(wǎng);電力市場(chǎng);發(fā)電驅(qū)動(dòng)負(fù)荷;市場(chǎng)機(jī)制;儲(chǔ)能裝置

0 引言

微電網(wǎng)是將分布式電源、負(fù)荷用戶及儲(chǔ)能裝置等結(jié)合在一起，通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)接入配電網(wǎng)，在用戶終端側(cè)形成的智能可控的網(wǎng)絡(luò)供需單元。作為主網(wǎng)的有效補(bǔ)充，微電網(wǎng)能有效實(shí)現(xiàn)分布式能源的梯級(jí)利用，迅速響應(yīng)主網(wǎng)功率平衡，在提高供電可靠性、改善電能質(zhì)量、緩解電力供應(yīng)壓力、實(shí)現(xiàn)能源高效利用等方面具有重要作用。

目前針對(duì)微電網(wǎng)電力市場(chǎng)的研究方向，可概括為4個(gè)方面:在微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方面，文獻(xiàn)［1-2］介紹了微電網(wǎng)功率優(yōu)化、運(yùn)行控制策略、能量?jī)?yōu)化調(diào)度等;在發(fā)電配置方面，文獻(xiàn)［3-4］分析討論了發(fā)電備用配置優(yōu)化、不可再生分布式發(fā)電備用的優(yōu)化配置、儲(chǔ)能優(yōu)化配置等;在微電網(wǎng)市場(chǎng)方面，文獻(xiàn)［5-7］設(shè)計(jì)了電力市場(chǎng)交易模型、競(jìng)價(jià)優(yōu)化策略等;在微電網(wǎng)效益分析方面，文獻(xiàn)［8］進(jìn)行了低碳綜合效益分析。

歐洲是世界上最早實(shí)現(xiàn)電力市場(chǎng)化的地區(qū)之一，就其目前市場(chǎng)成熟度及市場(chǎng)規(guī)模而言，歐洲仍然處于領(lǐng)先地位，文獻(xiàn)［9］研究了歐洲混合電力市場(chǎng)的融合設(shè)計(jì)，取代原有的當(dāng)?shù)厥袌?chǎng)和全國市場(chǎng)的二級(jí)電力市場(chǎng)，并采用集中式的市場(chǎng)分割方法，考慮日前市場(chǎng)出清時(shí)間上限是1 h。在電力市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)營(yíng)中，更準(zhǔn)確的短期負(fù)荷預(yù)測(cè)能夠加強(qiáng)對(duì)可再生能源和傳統(tǒng)資源的管理。微電網(wǎng)和傳統(tǒng)大電網(wǎng)相比，市場(chǎng)規(guī)模小，更靠近負(fù)荷側(cè)，針對(duì)微電網(wǎng)中的短期負(fù)荷預(yù)測(cè)問題，文獻(xiàn)［10］研究了一個(gè)典型的微電網(wǎng)負(fù)荷時(shí)間序列特征，對(duì)比分析了其與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的負(fù)荷時(shí)間序列的差異，提出兩層式的預(yù)測(cè)方法。

《能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃》提出，加快推進(jìn)電價(jià)改革，逐步形成發(fā)電和售電價(jià)格由市場(chǎng)決定、輸配電價(jià)由政府制定的價(jià)格機(jī)制。在輸配分開的市場(chǎng)環(huán)境下，主網(wǎng)通過電力市場(chǎng)機(jī)制引入競(jìng)爭(zhēng)，優(yōu)化資源配置，而微電網(wǎng)需要在市場(chǎng)環(huán)境下和主網(wǎng)相配合才能更好地融入到主網(wǎng)運(yùn)營(yíng)體系中。因此，為微電網(wǎng)設(shè)計(jì)一套公平有效的市場(chǎng)機(jī)制，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)各成員的運(yùn)行，具有重要意義。

本文在電力市場(chǎng)輸配分開環(huán)境下，提出了微電網(wǎng)電力市場(chǎng)的“發(fā)電驅(qū)動(dòng)負(fù)荷”運(yùn)行模式，設(shè)計(jì)了市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)控制體系和市場(chǎng)框架，研究了并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的合同市場(chǎng)和實(shí)時(shí)平衡市場(chǎng)運(yùn)行機(jī)制，并針對(duì)幾個(gè)關(guān)鍵問題展開討論。

1 微電網(wǎng)電力市場(chǎng)分析

1.1 前提假設(shè)

為便于研究，對(duì)微電網(wǎng)市場(chǎng)進(jìn)行了如下假設(shè):

(1)以電能作為主要產(chǎn)品，不涉及熱能供應(yīng)的市場(chǎng)化運(yùn)作;

(2)微電網(wǎng)差額容量相對(duì)主網(wǎng)容量可忽略，對(duì)主網(wǎng)市場(chǎng)出清無影響;

(3)以單個(gè)微電網(wǎng)為研究對(duì)象，不研究微電網(wǎng)高滲透下市場(chǎng)行為的相互影響;

(4)以配電網(wǎng)的實(shí)時(shí)電價(jià)作為信息指導(dǎo)，進(jìn)行實(shí)時(shí)響應(yīng);

(5)假定在國家新能源政策扶持下，如電價(jià)補(bǔ)貼等，分布式電源的電能產(chǎn)品價(jià)格具有足夠的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

1.2 發(fā)電驅(qū)動(dòng)負(fù)荷模式

傳統(tǒng)的主網(wǎng)電力市場(chǎng)運(yùn)行的必要條件之一是發(fā)電量大于負(fù)荷，發(fā)電側(cè)的電源裝機(jī)容量通常大于總負(fù)荷需求，因此存在著大量備用發(fā)電容量。在負(fù)荷側(cè)，終端負(fù)荷用電呈現(xiàn)一定分布規(guī)律，可進(jìn)行精確的短期負(fù)荷預(yù)測(cè)，市場(chǎng)運(yùn)行人員能夠依據(jù)預(yù)測(cè)負(fù)荷結(jié)果，結(jié)合機(jī)組發(fā)電容量和報(bào)價(jià)，確定機(jī)組的啟停及出清信息。這種運(yùn)行模式可概括為“負(fù)荷驅(qū)動(dòng)發(fā)電”模式［11-12］，即市場(chǎng)交易量基本由負(fù)荷預(yù)測(cè)需求量大小決定。

和主網(wǎng)不同的是，在微電網(wǎng)電力市場(chǎng)中，考慮到并網(wǎng)運(yùn)行是常態(tài)，分布式電源及儲(chǔ)能裝置的單機(jī)容量較小，總設(shè)計(jì)裝機(jī)容量通常只能維持微電網(wǎng)內(nèi)的重要需求，無法滿足所有負(fù)荷，即實(shí)際可調(diào)用發(fā)電容量與負(fù)荷需求量存在一定差額。在負(fù)荷側(cè)，負(fù)荷總數(shù)量不大、結(jié)構(gòu)比較單一，存在用電規(guī)律不明顯、負(fù)荷用戶用電策略隨機(jī)性強(qiáng)等特點(diǎn)，短期負(fù)荷預(yù)測(cè)可能存在較大誤差。在這樣的環(huán)境下，主網(wǎng)的“負(fù)荷驅(qū)動(dòng)發(fā)電”模式可行性不強(qiáng)。

因此，本文提出“發(fā)電驅(qū)動(dòng)負(fù)荷”模式，依據(jù)發(fā)電預(yù)測(cè)量大小來確定微電網(wǎng)市場(chǎng)交易量。此種模式下，分布式電源的發(fā)電量可以結(jié)合其自身?xiàng)l件和自然因素進(jìn)行預(yù)測(cè)，用戶根據(jù)實(shí)時(shí)電價(jià)自主選擇用電策略。主網(wǎng)和微電網(wǎng)運(yùn)行模式的差異可簡(jiǎn)要?dú)w納為表1所示。

微電網(wǎng)市場(chǎng)采用“發(fā)電驅(qū)動(dòng)負(fù)荷”模式的優(yōu)點(diǎn)在于:

(1)在一定程度上避免了短期負(fù)荷預(yù)測(cè)環(huán)節(jié)，增加了發(fā)電預(yù)測(cè)環(huán)節(jié)，減少了負(fù)荷預(yù)測(cè)信息量的交換和處理，降低了預(yù)測(cè)的難度和精度;

(2)負(fù)荷用戶作為市場(chǎng)競(jìng)價(jià)的參與者，需要結(jié)合市場(chǎng)供需情況調(diào)整競(jìng)價(jià)，充分調(diào)動(dòng)了用戶參與市場(chǎng)的積極性，改善終端用戶對(duì)電價(jià)的響應(yīng)程度;

(3)儲(chǔ)能裝置在市場(chǎng)機(jī)制的引導(dǎo)下可靈活轉(zhuǎn)換運(yùn)行狀態(tài)，在市場(chǎng)供小于求時(shí)，儲(chǔ)能裝置可作為微電源向用戶供電，在市場(chǎng)供大于求時(shí)，儲(chǔ)能裝置可作為負(fù)荷吸納多余電能，調(diào)節(jié)市場(chǎng)供需。

1.3 微電網(wǎng)與主網(wǎng)市場(chǎng)的配合

輸配分開的主網(wǎng)電力市場(chǎng)分為遠(yuǎn)期市場(chǎng)、日前市場(chǎng)和實(shí)時(shí)平衡市場(chǎng)。從能量交易來考慮，首先通過遠(yuǎn)期的電力交易合同方式鎖定容量和電價(jià)，在合同容量分解的基礎(chǔ)上，由日前拍賣進(jìn)行交易，最后用實(shí)時(shí)平衡市場(chǎng)來保證實(shí)時(shí)需求與供應(yīng)的平衡。日前市場(chǎng)面對(duì)次日預(yù)測(cè)負(fù)荷，通常提前24 h開啟;實(shí)時(shí)平衡市場(chǎng)為一滾動(dòng)市場(chǎng)，針對(duì)實(shí)時(shí)負(fù)荷需求差額，提前1 h或更短的時(shí)間開啟。

微電網(wǎng)通常情況下并網(wǎng)運(yùn)行，由于假定微電網(wǎng)對(duì)主網(wǎng)市場(chǎng)出清無影響，因此主網(wǎng)出清和微電網(wǎng)出清是相對(duì)獨(dú)立的。當(dāng)主網(wǎng)實(shí)時(shí)電價(jià)較低時(shí)，微電網(wǎng)分布式電源及儲(chǔ)能裝置的電價(jià)可能不具有競(jìng)爭(zhēng)力，負(fù)荷用戶主要從主網(wǎng)購買電力;相反，當(dāng)主網(wǎng)電價(jià)偏高，微電網(wǎng)內(nèi)部電價(jià)具有優(yōu)勢(shì)時(shí)，負(fù)荷用戶會(huì)更青睞購買網(wǎng)內(nèi)電力。微電網(wǎng)需要和主網(wǎng)協(xié)調(diào)運(yùn)行，在遵循主網(wǎng)電力市場(chǎng)的既定規(guī)則基礎(chǔ)上，配合主網(wǎng)市場(chǎng)的時(shí)間安排及市場(chǎng)劃分，啟動(dòng)微電網(wǎng)市場(chǎng)運(yùn)行。

本文根據(jù)前述的微電網(wǎng)市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)特點(diǎn)，設(shè)定為兩級(jí)能量市場(chǎng)，如圖1所示，分別為微電網(wǎng)合同市場(chǎng)和實(shí)時(shí)平衡市場(chǎng)。在合同市場(chǎng)中，根據(jù)市場(chǎng)需要，可以簽訂年前合同、月前合同、周前合同或日前合同等，通過鎖定一部分市場(chǎng)成交電價(jià)和電量，規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，剩余容量進(jìn)入實(shí)時(shí)平衡市場(chǎng)進(jìn)行交易。在實(shí)時(shí)平衡市場(chǎng)中，每一個(gè)市場(chǎng)運(yùn)行周期可設(shè)定為1 h或者30 min，具體應(yīng)與主網(wǎng)保持一致，用T表示;在開啟一個(gè)實(shí)時(shí)平衡市場(chǎng)運(yùn)行周期之前需要提前T0市場(chǎng)出清，例如30 min或者15 min。微電網(wǎng)市場(chǎng)控制平臺(tái)(microgrid power exchange controller，MPEC)接收主網(wǎng)公布的競(jìng)價(jià)信息，結(jié)合微電網(wǎng)內(nèi)分布式電源和負(fù)荷用戶的競(jìng)價(jià)信息，提前開啟實(shí)時(shí)平衡市場(chǎng)，在時(shí)間上與主網(wǎng)市場(chǎng)相契合。

微電網(wǎng)參加輔助服務(wù)市場(chǎng)，可以向主網(wǎng)提供無功支撐、調(diào)頻控制、黑啟動(dòng)、電壓穩(wěn)定及備用容量等服務(wù)［13］，需要與主網(wǎng)配合，參與輔助服務(wù)競(jìng)價(jià)。微電網(wǎng)的參與可降低主網(wǎng)在輔助服務(wù)方面的資本投入。微電網(wǎng)需要對(duì)自身可調(diào)用發(fā)電容量進(jìn)行相應(yīng)的規(guī)劃，確定容量市場(chǎng)與輔助市場(chǎng)的份額。本文對(duì)輔助服務(wù)市場(chǎng)不做展開。

2 并網(wǎng)運(yùn)行的微電網(wǎng)市場(chǎng)機(jī)制

2.1 市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)控制體系和市場(chǎng)框架

在輸配分開的環(huán)境下，微電網(wǎng)是一個(gè)可控又自治的系統(tǒng)，一方面接受主網(wǎng)的調(diào)度，另一方面匯集市場(chǎng)成員的交易信息，通過內(nèi)部?jī)?yōu)化控制實(shí)現(xiàn)自身市場(chǎng)的運(yùn)行。本文選擇基于多代理系統(tǒng)的分布式控制體系，將控制權(quán)分散給微電網(wǎng)市場(chǎng)成員，在經(jīng)濟(jì)杠桿的作用下，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)效益最大化。

微電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)控制體系分為3層，如圖2所示。

(1)配電網(wǎng)運(yùn)行中心(distribution system operator，DSO)負(fù)責(zé)該低壓區(qū)域微電網(wǎng)的市場(chǎng)運(yùn)行，與MPEC靈活雙向通信，實(shí)時(shí)傳遞配電網(wǎng)購電和售電電價(jià)、電量等市場(chǎng)信息。

(2)MPEC是微電網(wǎng)市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)控制體系的核心，代表整個(gè)微電網(wǎng)。對(duì)上層而言，MPEC是微電網(wǎng)與DSO的交互代理;對(duì)下層而言，MPEC是微電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)的管理員。

(3)負(fù)荷控制器(load controller，LC)、分布式電源控制器(distribution generator controller，DGC)、儲(chǔ)能裝置控制器(energy storage device controller，ESDC)賦予了市場(chǎng)成員控制權(quán)，根據(jù)市場(chǎng)信息調(diào)整各自運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)分布式協(xié)調(diào)控制方式。

在并網(wǎng)環(huán)境下，主網(wǎng)出清后，MPEC接受DSO傳遞的主網(wǎng)售電和購電信息，同時(shí)接受網(wǎng)內(nèi)各控制器上報(bào)的市場(chǎng)競(jìng)價(jià)信息，以經(jīng)濟(jì)為杠桿，組織市場(chǎng)競(jìng)價(jià)。市場(chǎng)競(jìng)價(jià)優(yōu)化出清后，MPEC將競(jìng)價(jià)優(yōu)化反饋給DSO，同時(shí)進(jìn)行安全校核，將出清信息傳遞給各控制器，最終實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行。

在微電網(wǎng)兩級(jí)能量市場(chǎng)的調(diào)控下，基于需求側(cè)競(jìng)價(jià)和可中斷負(fù)荷管理，負(fù)荷用戶可根據(jù)其自身相對(duì)需求分別或同時(shí)進(jìn)入合同市場(chǎng)和實(shí)時(shí)平衡市場(chǎng)，按照規(guī)定的市場(chǎng)競(jìng)價(jià)機(jī)制向MPEC提交需求報(bào)價(jià)信息。

2.2 合同市場(chǎng)

合同市場(chǎng)主要用于保障微電網(wǎng)內(nèi)重要負(fù)荷供電可靠性，通過微電網(wǎng)合同市場(chǎng)的價(jià)格鎖定及容量鎖定，規(guī)避和防范用戶直接在并網(wǎng)環(huán)境下與配網(wǎng)交易實(shí)時(shí)電價(jià)波動(dòng)帶來的高額電價(jià)及配網(wǎng)的中斷供電風(fēng)險(xiǎn)。

合同市場(chǎng)的出清可類比于傳統(tǒng)的“任務(wù)指派”問題，不同人員有不同的工作效率，需要解決如何將“任務(wù)”與“人員”進(jìn)行匹配，使總體效率最大，所需時(shí)間或費(fèi)用最少［14］。在“發(fā)電驅(qū)動(dòng)負(fù)荷”模式下，把電能合同類比于“任務(wù)”，把用戶代理類比于“人員”，通過“電能合同—用戶代理”指派方式來調(diào)動(dòng)用戶對(duì)重要負(fù)荷的需求響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)合同市場(chǎng)價(jià)格出清。

2.2.1 合同市場(chǎng)競(jìng)價(jià)規(guī)則

(1)競(jìng)價(jià)形式:采用動(dòng)態(tài)競(jìng)價(jià)，允許買方對(duì)賣方不斷修改報(bào)價(jià)直至競(jìng)價(jià)結(jié)束;

(2)報(bào)價(jià)規(guī)則:采用單一報(bào)價(jià)，只要求市場(chǎng)交易方給出某時(shí)段的電價(jià)及電量對(duì);

(3)出清結(jié)算規(guī)則:采用按報(bào)價(jià)支付(pay as bid，PAB)方式，市場(chǎng)成員按照最終成交價(jià)進(jìn)行交易。

2.2.2 合同市場(chǎng)數(shù)學(xué)模型

合同市場(chǎng)中，將用戶的用電需求按要求拆分成單位容量塊，設(shè)置一定數(shù)量的用戶代理;同理，將分布式電源提供的發(fā)電量拆分成單位容量塊，設(shè)置一定數(shù)量的合同，每份合同上報(bào)自己的合同電價(jià)和中斷補(bǔ)償系數(shù)，中斷補(bǔ)償系數(shù)是合同期內(nèi)分布式電源未履行合同時(shí)，向用戶提供的中斷賠償單價(jià)與合同約定的單位電價(jià)的比值。如對(duì)于第j份電能合同，合同電價(jià)為fj，中斷補(bǔ)償系數(shù)為kj，在合同期內(nèi)，對(duì)用戶用電實(shí)施中斷后，將按照單位電量中斷補(bǔ)償價(jià)格kjfj給予用戶補(bǔ)償。

每個(gè)效用函數(shù)uij是用戶代理i通過對(duì)第j份電能合同的消費(fèi)所得到的主觀效益，其值大小通常與價(jià)格高低及合同所允諾的高價(jià)中斷補(bǔ)償系數(shù)相關(guān)。通常，用戶希望合同的初始電價(jià)越低越好，中斷補(bǔ)償系數(shù)越高越好，具體表達(dá)式如下:

式中:βi為用戶代理i的效用價(jià)值評(píng)估系數(shù)，增大βi時(shí)，用戶代理對(duì)所有合同的效用值會(huì)得到整體增大; αi為用戶代理i的權(quán)值系數(shù)，其值表現(xiàn)了用戶對(duì)于電價(jià)和中斷補(bǔ)償?shù)膬A向性;M和N分別是用戶代理和合同的總數(shù)。

定義sij為指派變量，如果第j份電能合同指派給第i用戶代理，達(dá)成合作，sij=1，否則為0，同時(shí)每份合同、每個(gè)用戶代理至多存在1種指派方式，保證合同的唯一性。合同市場(chǎng)數(shù)學(xué)模型的優(yōu)化目標(biāo)是用戶方簽訂合同后產(chǎn)生的效用值之和最大，可描述為

該模型中，首先每份電能合同j上報(bào)合同電價(jià)fj和中斷補(bǔ)償系數(shù)kj，用戶代理i根據(jù)合同情況確定自己的報(bào)價(jià)策略，即效用價(jià)值評(píng)估系數(shù)βi和權(quán)值系數(shù)αi。效用值uij大小直接決定著用戶代理i對(duì)電能合同j的競(jìng)拍傾向，可理解為用戶能接受的心理價(jià)位。當(dāng)uij＜fj時(shí)，說明用戶代理i對(duì)該合同的效用值低于合同單價(jià)，即合同性價(jià)比不足，用戶沒有競(jìng)拍意向。

求解該模型，可得到所有用戶簽訂合同效用總值最大的合同匹配結(jié)果，旨在全局進(jìn)行最大效用價(jià)值尋優(yōu)，即微電網(wǎng)用戶側(cè)整體效益最大。在模型求解中，給定約束條件，讓合同側(cè)或用戶側(cè)數(shù)目相對(duì)少的一方全部有所匹配，允許用戶修改報(bào)價(jià)，實(shí)現(xiàn)合同市場(chǎng)提前鎖定價(jià)格、穩(wěn)定市場(chǎng)價(jià)格的目的。

2.3 實(shí)時(shí)平衡市場(chǎng)

隨著大量分布式電源的接入，給配電網(wǎng)運(yùn)行帶來諸多影響，如短路水平、設(shè)備選型、無功功率和電壓分布等。近年來，主動(dòng)配電網(wǎng)(active distribution network，ADN)的概念得到越來越多的認(rèn)可［15-16］。從本質(zhì)上來說，主動(dòng)配電網(wǎng)基于先進(jìn)的信息通信和電力電子技術(shù)，主動(dòng)管理規(guī)模化接入的分布式能源，自主協(xié)調(diào)控制間歇式新能源與儲(chǔ)能裝置等分布式發(fā)電單元，積極消納可再生能源，確保網(wǎng)絡(luò)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，這與微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)平衡市場(chǎng)核心思想是一致的。

微電網(wǎng)實(shí)時(shí)平衡市場(chǎng)在時(shí)間上滯后于配電網(wǎng)實(shí)時(shí)平衡市場(chǎng)，提前1個(gè)時(shí)間段針對(duì)普通負(fù)荷及剩余重要負(fù)荷開啟，主要用于保證微電網(wǎng)實(shí)時(shí)供需平衡。參加實(shí)時(shí)平衡市場(chǎng)的負(fù)荷可根據(jù)實(shí)時(shí)電價(jià)優(yōu)化用電方式。

MPEC追求效益最大，即從供用電兩側(cè)賺取差價(jià)，所得收益作為微電網(wǎng)的運(yùn)營(yíng)收入，可用于整個(gè)市場(chǎng)的正常運(yùn)作，如微電網(wǎng)維護(hù)、電能質(zhì)量管理設(shè)備、穩(wěn)定控制設(shè)備、無功補(bǔ)償設(shè)備等，保證用戶安全可靠的電能供應(yīng)。

2.3.1 實(shí)時(shí)平衡市場(chǎng)競(jìng)價(jià)規(guī)則

(1)競(jìng)價(jià)形式:采用靜態(tài)競(jìng)價(jià)，即交易方單輪投標(biāo)后不得修改競(jìng)標(biāo)信息;

(2)報(bào)價(jià)規(guī)則:采用單一報(bào)價(jià)，只要求市場(chǎng)交易方給出某時(shí)段的電價(jià)及電量對(duì);

(3)出清結(jié)算規(guī)則:采用按報(bào)價(jià)支付方式，市場(chǎng)成員按照最終成交價(jià)進(jìn)行交易。

2.3.2 儲(chǔ)能裝置模型

儲(chǔ)能裝置具有電源和負(fù)荷角色可轉(zhuǎn)換的特性，和其他分布式電源類似，儲(chǔ)能可以作為微電源發(fā)電，提供網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷功率支持，同時(shí)可以更靈活地作為備用容量，在微電網(wǎng)供大于求時(shí)轉(zhuǎn)換成負(fù)荷角色，吸納網(wǎng)內(nèi)多余清潔能源發(fā)電，同時(shí)可進(jìn)一步參與削峰填谷，平抑功率波動(dòng)。因此儲(chǔ)能參與實(shí)時(shí)平衡市場(chǎng)時(shí)，其競(jìng)價(jià)模型和其他分布式電源不同。

在儲(chǔ)能裝置的建模方面，有文獻(xiàn)指出其收益是由備用容量收益和備用發(fā)電收益2部分組成［17］，無論電網(wǎng)是否發(fā)生故障，微電網(wǎng)內(nèi)的重要負(fù)荷用戶如果選擇了發(fā)電備用服務(wù)，都要承擔(dān)備用容量費(fèi)用;有文獻(xiàn)針對(duì)儲(chǔ)能的容量配置和模型，通過規(guī)劃中心級(jí)的負(fù)荷平衡、服務(wù)器配置和蓄電池管理，在保證終端用戶服務(wù)質(zhì)量的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)節(jié)約成本和儲(chǔ)能容量之間的均衡，降低電力整體成本［18］。

總的來說，儲(chǔ)能裝置的數(shù)學(xué)模型可由充電成本Cc、放電收益Bd、備用發(fā)電收益Bb這3部分組成，即

式中:備用發(fā)電收益Bb涉及輔助服務(wù)市場(chǎng)，本文不對(duì)此展開研究。

2.3.3 實(shí)時(shí)平衡市場(chǎng)數(shù)學(xué)模型

微電網(wǎng)和主網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)電能雙向流動(dòng)，微電網(wǎng)既可以向主網(wǎng)購電，又可以將電能反饋給主網(wǎng)。MPEC收益主要包括主網(wǎng)對(duì)可中斷負(fù)荷的高額補(bǔ)償Bp和MPEC的售電收入Bs，成本包括微電網(wǎng)對(duì)可中斷負(fù)荷的高額補(bǔ)償Cp和MPEC的購電成本Cb。

MPEC的售電收入包括3個(gè)方面:微電網(wǎng)向用戶的售電收入、向儲(chǔ)能裝置實(shí)際售電收入、向主網(wǎng)的實(shí)際售電收入:

式中:qBj，qbl分別為用戶交易容量和獨(dú)立儲(chǔ)能裝置充電容量;fBj，fbl分別為用戶報(bào)價(jià)和獨(dú)立儲(chǔ)能裝置充電報(bào)價(jià);qBZ，fB分別為主網(wǎng)向微電網(wǎng)購電的容量和報(bào)價(jià);M和L分別為用戶總數(shù)和獨(dú)立儲(chǔ)能裝置總數(shù)。

相應(yīng)地，MPEC的購電成本也包括3個(gè)方面:微電網(wǎng)向分布式電源的實(shí)際購電成本、向儲(chǔ)能裝置的實(shí)際購電成本、向主網(wǎng)的實(shí)際購電成本:

式中:qSi，qsl分別為分布式電源交易容量和獨(dú)立儲(chǔ)能裝置放電容量;fSi，fsl分別為分布式電源報(bào)價(jià)和獨(dú)立儲(chǔ)能裝置放電報(bào)價(jià);qSZ，fS分別為微電網(wǎng)向主網(wǎng)購電的容量和報(bào)價(jià)，N為微電網(wǎng)內(nèi)分布式電源總數(shù)。

對(duì)于用戶的可中斷負(fù)荷，主網(wǎng)向MPEC提供的中斷補(bǔ)償為

式中:fp為主網(wǎng)向MPEC提供的可中斷容量的單位補(bǔ)償價(jià);qpj為用戶j的實(shí)際中斷容量，M'為受到中斷供電影響的用戶總數(shù);γ為0-1決策變量，當(dāng)微電網(wǎng)市場(chǎng)負(fù)荷上報(bào)容量大于電源上報(bào)容量時(shí)，其值為1，否則為0。

相應(yīng)地，MPEC向用戶提供的中斷補(bǔ)償為

式中:fpj為微電網(wǎng)提供給可中斷用戶的中斷容量單位補(bǔ)償價(jià)。

根據(jù)上述信息，建立下述實(shí)時(shí)平衡市場(chǎng)模型:

模型的約束條件首先需要考慮功率平衡，忽略網(wǎng)絡(luò)損耗時(shí)為

其次，分布式電源、儲(chǔ)能裝置和負(fù)荷用戶的實(shí)際交易容量都應(yīng)滿足相應(yīng)的約束，具體公式不再展開。儲(chǔ)能裝置在同一個(gè)實(shí)時(shí)平衡市場(chǎng)運(yùn)行周期內(nèi)，不允許既作為電源又作為用戶，只能為單一角色，這點(diǎn)在模型求解中需要注意。

3 幾個(gè)關(guān)鍵問題的討論

3.1 儲(chǔ)能的市場(chǎng)行為

本文主要研究了微電網(wǎng)能量市場(chǎng)機(jī)制，沒有對(duì)輔助服務(wù)市場(chǎng)進(jìn)行討論。事實(shí)上，儲(chǔ)能裝置可以提供多種電力市場(chǎng)輔助服務(wù)支撐，例如可用于削峰填谷，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)中發(fā)電與用電的解耦;抑制可再生能源注入功率的波動(dòng)，降低對(duì)微電網(wǎng)的沖擊;可用于解決微電網(wǎng)中諸如諧波、電壓閃變等電能質(zhì)量問題。儲(chǔ)能裝置不能簡(jiǎn)單作為一種可充電可放電的市場(chǎng)成員來看待。一種合理的假設(shè)是，儲(chǔ)能系統(tǒng)將按一定比例的容量分別參與輔助服務(wù)市場(chǎng)、合同市場(chǎng)和實(shí)時(shí)平衡市場(chǎng)。如何實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)在3個(gè)市場(chǎng)中的最優(yōu)容量配比是一個(gè)值得研究的重要問題。

3.2 可再生能源的間歇性

微電網(wǎng)分布式電源大致可分為兩類，一類是可再生能源發(fā)電，如風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等，另一類是非可再生能源發(fā)電，如微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電、燃料電池發(fā)電等。風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電有一個(gè)共性，就是受自然環(huán)境因素影響比較大，在發(fā)電功率輸出上存在一定的不確定性和波動(dòng)性。如果在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，具有輸出功率隨機(jī)波動(dòng)特性的可再生分布式電源的輸出功率與其競(jìng)價(jià)容量不一致，簡(jiǎn)單按照規(guī)則進(jìn)行懲罰既不公平也不合理。如何盡可能發(fā)揮可再生能源的優(yōu)勢(shì)，降低可再生能源間歇性引起的電力市場(chǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)是亟待解決的關(guān)鍵問題。

3.3 價(jià)格帽設(shè)置與兩級(jí)能量市場(chǎng)的配合

在微電網(wǎng)兩級(jí)能量市場(chǎng)中，合同市場(chǎng)用戶根據(jù)微電源報(bào)價(jià)進(jìn)行喊價(jià)。如果微電源利用其存在的市場(chǎng)力哄抬電價(jià)，將使得用戶不得不在高額底價(jià)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步喊價(jià)，會(huì)給用戶利益帶來損害，尤其是在微電網(wǎng)供小于求的關(guān)系下。另一方面，由于合同市場(chǎng)未匹配的剩余重要負(fù)荷和發(fā)電容量可進(jìn)入實(shí)時(shí)平衡市場(chǎng)，存在微電源進(jìn)入不同市場(chǎng)的容量劃分問題。

考慮到合同市場(chǎng)和實(shí)時(shí)平衡市場(chǎng)的電價(jià)不同，如果實(shí)時(shí)平衡市場(chǎng)價(jià)格偏高，則微電源可能為了獲取更大的利潤(rùn)空間而將大部分容量進(jìn)入實(shí)時(shí)市場(chǎng)中進(jìn)行交易，導(dǎo)致合同市場(chǎng)中發(fā)電容量短缺加大，用戶的重要負(fù)荷無法得到優(yōu)先保證。因此，在兩級(jí)能量市場(chǎng)配合中應(yīng)當(dāng)有相應(yīng)管制，比如設(shè)置價(jià)格帽，要求微電源在實(shí)時(shí)平衡市場(chǎng)中的報(bào)價(jià)不得高于合同市場(chǎng)的平均價(jià)格的一個(gè)固定倍數(shù)，這樣能在一定程度上遏止微電源在實(shí)時(shí)平衡市場(chǎng)內(nèi)哄抬電價(jià)的行為。

3.4 微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估

微電網(wǎng)電力市場(chǎng)化運(yùn)行所獲得的經(jīng)濟(jì)效益不能僅僅從MPEC所獲得的經(jīng)濟(jì)效益來衡量。一方面，通過實(shí)時(shí)平衡市場(chǎng)，MPEC獲得一定的凈收益;另一方面，微電網(wǎng)能夠充分利用分布式清潔能源，由此產(chǎn)生的節(jié)能減排會(huì)帶來一定的社會(huì)環(huán)境效益，這部分環(huán)境效益可以通過諸如政府環(huán)境補(bǔ)貼或碳交易等轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)效益。微電網(wǎng)在獲得這些經(jīng)濟(jì)效益之后，有責(zé)任也有義務(wù)更新微電網(wǎng)設(shè)備和維護(hù)運(yùn)行安全，提供更優(yōu)質(zhì)的電能服務(wù)，完善更公平合理的交易平臺(tái)，同時(shí)積極響應(yīng)主網(wǎng)的市場(chǎng)需求，以期實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)的良性運(yùn)作。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了合同市場(chǎng)和實(shí)時(shí)平衡市場(chǎng)的微電網(wǎng)兩級(jí)能量市場(chǎng)，提出了“發(fā)電驅(qū)動(dòng)負(fù)荷”運(yùn)行模式，以價(jià)格為杠桿，引導(dǎo)微電網(wǎng)市場(chǎng)透明化運(yùn)行，充分體現(xiàn)了電力系統(tǒng)微型“細(xì)胞”響應(yīng)配電網(wǎng)市場(chǎng)的“電源/負(fù)荷”功能，拓展了配電網(wǎng)在用戶終端側(cè)的負(fù)荷管理，有力的支撐了電力市場(chǎng)在用戶端的滲透。

在設(shè)計(jì)的兩級(jí)能量市場(chǎng)中，用戶能夠自主報(bào)價(jià)，與供電方直接交易，充分提高了用戶參與市場(chǎng)實(shí)現(xiàn)自身利益最大化的積極性。此外，在配電網(wǎng)故障時(shí)，所設(shè)計(jì)的市場(chǎng)模式能夠應(yīng)用到微電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行狀態(tài)，微電網(wǎng)市場(chǎng)能夠繼續(xù)以合同鎖定容量對(duì)用戶進(jìn)行供電，并實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷的平衡。

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(編輯:張媛媛)

Market Operation Mechanism Design for Grid-Connected Microgrid

LIU Haom ing1，LIShanshan1，LU Dan1，YE Jilei2
(1.College of Energy and Electrical Engineering，Hohai University，Nanjing 211100，China; 2.China Electric Power Research Institute，Nanjing 210003，China)

An operablemarketoperationmechanism considering the fundamental characteristics ofmicrogrid was designed to realize the intelligentoperation ofmicrogrid under transmission and distribution separated electricitymarkets."Load Driven by Generation"mode was proposed.On the premise of ensuring the compatibility with themain grid electricitymarket，based on themarket operation control system of multi-agent systems，customers could submit the bidding information to Microgrid power exchange controller(MPEC)in the multi-agentmarket operation control system according to their relative demands，with considering the flexible market behavior of interruptible load and energy storage devices，as well as the demand-side responsemechanism.The contractmarket and the real-time balance market were constructed for grid-connected Microgrid，together with the bidding rules and themathematicalmodels.Finally，several key questionswere discussed.

Microgrid;electricity market;load driven by generation;marketmechanisms;energy storage device

TM 73

A

1000－7229(2014)11－0013－06

10.3969/j.issn.1000－7229.2014.11.003

2014-07-01

2014-07-29

劉皓明(1977)，男，博士，副教授，研究方向?yàn)橹悄芘潆娋W(wǎng)、微電網(wǎng)和電力市場(chǎng);

李柵柵(1990)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)槲㈦娋W(wǎng)和電力市場(chǎng);

陸丹(1991)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)槲㈦娋W(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行;

葉季蕾(1983)，女，博士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡姵貎?chǔ)能應(yīng)用技術(shù)與電力市場(chǎng)。

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51207044)。