電力市場環(huán)境下燃?xì)廨啓C(jī)調(diào)峰交易模式研究

王娟娟，呂 泉，李衛(wèi)東，趙聞蕾

（1.大連交通大學(xué) 電氣信息學(xué)院，遼寧 大連 116028；2.大連理工大學(xué) 電氣工程學(xué)院，遼寧 大連 116024）

0 引言

受風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)等多重因素的影響，我國電力系統(tǒng)峰谷差逐年增大已成為不爭的事實(shí)[1-2]。世界范圍內(nèi)常用的調(diào)峰電源之一為先進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)，其不僅啟停迅速，且具有體積小、成本低、效率高等特性，故已成為目前最成熟、最有商業(yè)競爭力的發(fā)電設(shè)備之一[3]。然而，與之形成明顯反差的是，我國早期建設(shè)的燃?xì)廨啓C(jī)卻多處于運(yùn)行困難、經(jīng)營艱難的境地[4]，急需技術(shù)改造以發(fā)展成為先進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)，但機(jī)組的改造需要一定的時(shí)間和合適的時(shí)機(jī)。

然而，在被改造之前，上述機(jī)組仍具有啟?？焖?、出力易于調(diào)節(jié)、啟停成本較低的特性。若采取合理方式使其參與系統(tǒng)調(diào)峰，則既可增加電網(wǎng)的調(diào)峰容量，維持電網(wǎng)的安全運(yùn)行，又可合理利用電網(wǎng)現(xiàn)有資源，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)；且可使上述燃?xì)廨啓C(jī)憑借其調(diào)峰優(yōu)勢獲得一定收益，長期生存，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)、用戶及燃?xì)廨啓C(jī)企業(yè)的共贏。

目前，為了調(diào)動電源參與調(diào)峰的積極性，我國部分省網(wǎng)試行了峰谷分時(shí)電價(jià)制度[5]，但峰谷電價(jià)間差額力度不足，故削峰填谷的效果并不理想。而實(shí)時(shí)電價(jià)可以體現(xiàn)電量在不同時(shí)段的不同價(jià)值[6]，對調(diào)峰電源有較好的激勵(lì)作用，故常被英美等國采用。

據(jù)此，本文研究了電力市場環(huán)境下燃?xì)廨啓C(jī)基于障礙期權(quán)合約參與啟停調(diào)峰、基于中長期雙邊合約參與深度調(diào)峰的交易模式。在該模式下，以實(shí)現(xiàn)交易公平為目標(biāo)，利用市場機(jī)制發(fā)現(xiàn)調(diào)峰服務(wù)的價(jià)值，既有效提高了系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和可靠性，又降低了交易雙方的交易風(fēng)險(xiǎn)。

1 燃?xì)廨啓C(jī)參與調(diào)峰交易的交易特性

1.1 電力市場的交易模式及交易內(nèi)容

在實(shí)時(shí)電價(jià)機(jī)制下，以市場交易的形式進(jìn)行調(diào)峰服務(wù)的買賣是激勵(lì)調(diào)峰電源積極提供調(diào)峰容量最有效的手段之一。但調(diào)峰交易會影響系統(tǒng)調(diào)度計(jì)劃的制定，即啟停調(diào)峰交易將影響機(jī)組的啟停計(jì)劃，而深度調(diào)峰交易將影響經(jīng)濟(jì)調(diào)度計(jì)劃。為了減小上述影響，約定在調(diào)度部門實(shí)施主能量交易之前組織調(diào)峰服務(wù)的交易，設(shè)交易采用聯(lián)營體模式，則電力調(diào)度機(jī)構(gòu)將代表用戶進(jìn)行調(diào)峰容量的交易。

我國現(xiàn)行的《并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理暫行辦法》中將機(jī)組提供的調(diào)峰服務(wù)劃分為基本調(diào)峰、啟停調(diào)峰與深度調(diào)峰3種，其中對基本調(diào)峰不單獨(dú)進(jìn)行補(bǔ)償，認(rèn)為其應(yīng)得的報(bào)酬已包含在相應(yīng)機(jī)組的上網(wǎng)電量中，故調(diào)峰交易中可交易的調(diào)峰服務(wù)為啟停調(diào)峰與深度調(diào)峰。本文所研究的燃?xì)廨啓C(jī)均可提供這2種調(diào)峰服務(wù)，不過與我國最常用的調(diào)峰電源——火電機(jī)組相比，燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行成本較高，并不適合長時(shí)間運(yùn)行；但其啟停迅速，且啟停費(fèi)用較低[7]，故更適宜參與啟停調(diào)峰交易。燃?xì)廨啓C(jī)提供啟停服務(wù)則可避免火電機(jī)組的頻繁啟停，提高其運(yùn)行效率且有利于電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。當(dāng)然，在火電機(jī)組突然停運(yùn)等極端情況下，燃?xì)廨啓C(jī)也可提供調(diào)峰容量，基于鼓勵(lì)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展的考慮，可設(shè)此時(shí)其參與的為深度調(diào)峰交易。

1.2 燃?xì)廨啓C(jī)參與調(diào)峰的交易方式

調(diào)峰容量的交易方式可以有多種。理想情況下基于自由競價(jià)的交易可使市場的運(yùn)行效率更高，但為了保障調(diào)峰容量的充足可靠供應(yīng)，調(diào)峰服務(wù)通常具有一定的計(jì)劃性[8]，故部分調(diào)峰容量參與自由競價(jià)，其余調(diào)峰容量以中長期合約的形式獲取更為可行。

期權(quán)交易也是中長期交易的一種，這種交易方式既可保障交易商品的可靠供應(yīng)，又可維持交易價(jià)格的穩(wěn)定。目前已有眾多學(xué)者將期權(quán)交易引入電力市場，如以期權(quán)交易形式進(jìn)行的可中斷負(fù)荷合約的簽訂[9]，針對輔助服務(wù)和實(shí)時(shí)平衡市場中存在的市場運(yùn)行效率低、發(fā)電企業(yè)市場力大等問題而進(jìn)行發(fā)電容量期權(quán)交易[10]，以及研究價(jià)格型需求響應(yīng)期權(quán)及風(fēng)電型需求響應(yīng)期權(quán)以量化智能電網(wǎng)中需求響應(yīng)產(chǎn)生的效益[11]等。

但就上述燃?xì)廨啓C(jī)而言，其參與系統(tǒng)啟停調(diào)峰交易具有一定的特殊性，即調(diào)度中心與之交易的目的是為了在滿足系統(tǒng)調(diào)峰需求的同時(shí)節(jié)約調(diào)度費(fèi)用。故為了兼顧此目的，本文制定了基于障礙期權(quán)的燃?xì)廨啓C(jī)的啟停調(diào)峰參與模式。

障礙期權(quán)的實(shí)質(zhì)與普通期權(quán)相同，即買方預(yù)先支付期權(quán)價(jià)格費(fèi)用，以獲得在指定時(shí)段以固定的期權(quán)執(zhí)行價(jià)格購買某種商品的權(quán)利，因此這種交易方式具有規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)這一普通期權(quán)合約所具有的主要優(yōu)點(diǎn)。但障礙期權(quán)又具有一定特殊性，即其在生效過程中受到一定的限制，此限制即期權(quán)障礙，依據(jù)期權(quán)障礙可設(shè)定合約的執(zhí)行條件，即合約在滿足一定條件時(shí)才會被執(zhí)行，否則無效。執(zhí)行條件的設(shè)定使得簽約調(diào)度中心在調(diào)度調(diào)峰容量時(shí)可兼顧調(diào)度的經(jīng)濟(jì)性，且為簽約雙方成交價(jià)格的確定提供了很好的依據(jù)，避免了協(xié)商定價(jià)的隨意性。

另一方面，因上述燃?xì)廨啓C(jī)提供深度調(diào)峰的幾率很小，故本文中燃?xì)廨啓C(jī)與系統(tǒng)調(diào)度中心以簽訂普通中長期合約的形式在極端情況下提供深度調(diào)峰服務(wù)，以避免調(diào)度中心支付過多的定金。

2 調(diào)峰交易機(jī)制

根據(jù)以上分析，本文制定調(diào)峰交易機(jī)制如下。

a.擬參與啟停調(diào)峰期權(quán)交易的燃?xì)廨啓C(jī)提前較長時(shí)間向調(diào)度中心提交未來一段時(shí)間內(nèi)（如1個(gè)月或1個(gè)季度）的期權(quán)執(zhí)行價(jià)格、調(diào)峰性能等數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)電價(jià)模型確定的前提下，可求得各機(jī)組在不同時(shí)段的期權(quán)價(jià)格。調(diào)度中心以各時(shí)段符合系統(tǒng)調(diào)峰要求的各機(jī)組的期權(quán)執(zhí)行價(jià)格與期權(quán)價(jià)格之和由低到高的原則將機(jī)組排序。

同時(shí)，在上述擬簽約機(jī)組中，擬參與深度調(diào)峰交易的燃?xì)廨啓C(jī)提交其可提供的深度調(diào)峰容量、相應(yīng)的容量單價(jià)及可提供的時(shí)段等信息。調(diào)度中心根據(jù)機(jī)組報(bào)價(jià)高低、系統(tǒng)可能的調(diào)峰缺額等因素確定簽約機(jī)組。

b.在各交易日系統(tǒng)啟停調(diào)峰需求已知的前提下，調(diào)度中心以滿足系統(tǒng)需求為目的，按上述排序與相應(yīng)機(jī)組簽訂期權(quán)合約，確定各燃?xì)廨啓C(jī)可提供的啟停調(diào)峰容量及提供容量的時(shí)段，簽約機(jī)組隨即獲得以期權(quán)價(jià)格形式體現(xiàn)的定金。在各實(shí)時(shí)交易時(shí)段，滿足期權(quán)障礙約束時(shí)，調(diào)度者通過執(zhí)行調(diào)峰期權(quán)，即對機(jī)組進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)度，獲得調(diào)峰電量，此時(shí)機(jī)組相應(yīng)獲得期權(quán)執(zhí)行價(jià)格費(fèi)用。

c.某些極端情況下，系統(tǒng)需燃?xì)廨啓C(jī)提供深度調(diào)峰時(shí)，可直接調(diào)用已簽約機(jī)組，此時(shí)向燃?xì)廨啓C(jī)支付的費(fèi)用為其申報(bào)費(fèi)用。但需注意機(jī)組參與深度調(diào)峰的時(shí)段不得與機(jī)組參與啟停調(diào)峰的時(shí)段相重合。

d.若調(diào)度中心實(shí)時(shí)調(diào)度調(diào)峰服務(wù)時(shí)機(jī)組不能按時(shí)提供服務(wù)，則機(jī)組需向調(diào)度中心支付一定的賠償費(fèi)用。此賠償費(fèi)用大于上述支付費(fèi)用，以規(guī)范約束燃?xì)廨啓C(jī)的行為。

3 調(diào)峰合約的實(shí)施

假設(shè)前述某燃?xì)廨啓C(jī)i與調(diào)度中心簽訂了未來第T時(shí)段的單位啟停調(diào)容量峰障礙期權(quán)合約及第t時(shí)段的單位深度調(diào)峰電量雙邊合約，則機(jī)組獲得以期權(quán)價(jià)格形式體現(xiàn)的定金OPi，T。該機(jī)組申報(bào)的單位啟停調(diào)峰容量期權(quán)執(zhí)行價(jià)格為SPi，T，提供單位深度調(diào)峰電量的報(bào)價(jià)為DPi，t。對應(yīng)于啟停調(diào)峰和深度調(diào)峰，調(diào)度中心支付的實(shí)際費(fèi)用分別為GT和Gt，而燃?xì)廨啓C(jī)獲得的總報(bào)酬分別為 Oi，T及 Oi，t。假設(shè)相應(yīng)時(shí)段調(diào)度中心直接調(diào)用市場中的火電機(jī)組單位啟停調(diào)峰容量所需的費(fèi)用為ρT。

3.1 燃?xì)廨啓C(jī)參與系統(tǒng)啟停調(diào)峰

電力市場環(huán)境下市場電價(jià)為實(shí)時(shí)變化的量，故系統(tǒng)有啟停調(diào)峰需求而調(diào)度中心在執(zhí)行與機(jī)組i的合約之前，將比較調(diào)用機(jī)組i與調(diào)用市場中火電機(jī)組提供相應(yīng)調(diào)峰容量所需的費(fèi)用。

若 SPi，T＞ ρT，則調(diào)度中心可選擇不執(zhí)行與機(jī)組i簽訂的合約，而直接調(diào)用火電機(jī)組，此時(shí)GT=ρT+OPi，T，而 Oi，T=OPi，T，即使調(diào)度中心不執(zhí)行合約，簽約機(jī)組i仍可獲得期權(quán)價(jià)格費(fèi)用，規(guī)避了其簽訂合約而無盈利的風(fēng)險(xiǎn)。若 SPi，T＜ρT，則調(diào)度中心執(zhí)行該合約，此時(shí) GT=OPi，T+SPi，T，Oi，T=OPi，T+SPi，T。

由此可見，只有當(dāng)支付給燃?xì)廨啓C(jī)的期權(quán)執(zhí)行價(jià)格費(fèi)用低于ρT時(shí)該期權(quán)合約才真正發(fā)揮作用，否則調(diào)度中心并未通過執(zhí)行合約獲利，合約無效。因此在任一時(shí)段T直接調(diào)用火電機(jī)組提供的單位啟停調(diào)峰容量所需的費(fèi)用ρT為該期權(quán)的障礙，該障礙使得調(diào)度中心具有了執(zhí)行合約與否的靈活選擇權(quán)，且其在該時(shí)段所需支付的調(diào)度單位啟停調(diào)峰電量價(jià)格始終為 min[（ρT+OPi，T），（SPi，T+OPi，T）]，避免了支付高額調(diào)度費(fèi)用的風(fēng)險(xiǎn)，即調(diào)度中心可在保障調(diào)峰電量充足供應(yīng)的同時(shí)節(jié)約調(diào)度費(fèi)用。

3.2 燃?xì)廨啓C(jī)參與系統(tǒng)深度調(diào)峰

當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)深度調(diào)峰缺額時(shí)，為了緩解系統(tǒng)的供需不平衡，調(diào)度中心可直接調(diào)用簽約燃?xì)廨啓C(jī)，此時(shí) Gt與 Oi，t均為 DPi，t與被調(diào)用深度調(diào)峰電量的乘積，即借助雙邊合約可以用固定價(jià)格彌補(bǔ)系統(tǒng)的調(diào)峰缺額，規(guī)避燃?xì)廨啓C(jī)隨意報(bào)價(jià)的風(fēng)險(xiǎn)。

綜上所述，基于啟停調(diào)峰障礙期權(quán)合約與深度調(diào)峰雙邊合約，調(diào)度中心在系統(tǒng)需要啟停調(diào)峰容量時(shí)具有靈活選擇性，可以用較低費(fèi)用調(diào)度所需容量；而系統(tǒng)深度調(diào)峰電量缺乏時(shí)則可以用固定費(fèi)用填補(bǔ)調(diào)峰容量缺額，規(guī)避支付不合理費(fèi)用的風(fēng)險(xiǎn)；燃?xì)廨啓C(jī)則可憑借其調(diào)峰優(yōu)勢獲利。

4 調(diào)峰合約相關(guān)價(jià)格的確定

對調(diào)峰機(jī)組調(diào)峰性能要求的不同會對機(jī)組的安全性和經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生不同程度的影響[12]。市場機(jī)制下發(fā)電企業(yè)為獨(dú)立的經(jīng)營實(shí)體，必須對其提供的調(diào)峰服務(wù)進(jìn)行遵循市場規(guī)律的補(bǔ)償才可調(diào)動其參與調(diào)峰交易的積極性。

4.1 啟停調(diào)峰期權(quán)合約相關(guān)價(jià)格的確定

在啟停調(diào)峰期權(quán)交易模式下，期權(quán)執(zhí)行價(jià)格、期權(quán)價(jià)格及期權(quán)障礙是決定期權(quán)交易雙方支出和收益的主要因素，也是該交易機(jī)制得以順利進(jìn)行的基本保障。

4.1.1 期權(quán)價(jià)格的確定

期權(quán)價(jià)格反映的是合約所賦予期權(quán)執(zhí)行者執(zhí)行期權(quán)的權(quán)利，常由期權(quán)的價(jià)值決定。參與期權(quán)交易的第i臺燃?xì)廨啓C(jī)在第T時(shí)段提供啟停調(diào)峰容量的價(jià)值為：

其中，P為該時(shí)段該機(jī)組提供的啟停調(diào)峰容量。

若直接依據(jù)式（1）確定期權(quán)價(jià)格，即：

則機(jī)組i單位啟停調(diào)峰期權(quán)的期權(quán)價(jià)格為：

若ρT與SPi，T相差較小，則電網(wǎng)調(diào)度者支付較少的定金即可獲得在約定時(shí)段內(nèi)對燃?xì)廨啓C(jī)的實(shí)時(shí)調(diào)度權(quán)，且機(jī)組的期權(quán)執(zhí)行價(jià)格越高，其期權(quán)價(jià)格越低。

此外，還需保證OPi，T為正，否則勢必挫傷燃?xì)廨啓C(jī)企業(yè)參與調(diào)峰的積極性，影響期權(quán)合約的順利實(shí)施，即需滿足以下約束：

若式（4）成立，則不僅 OPi，T為正，合約的期權(quán)障礙約束也一定被滿足，此時(shí)合約一定有效，在系統(tǒng)需要時(shí)即可被執(zhí)行。

鑒于ρT是隨機(jī)波動的，故可應(yīng)用Monte Carlo隨機(jī)模擬法[13]，將式（3）修正為：

其中，OPi，T（j）為第 T 時(shí)段第 j次 Monte Carlo 模擬時(shí)的調(diào)峰期權(quán)價(jià)格；ρT（j）為第 T時(shí)段第 j次 Monte Carlo模擬時(shí)的市場電價(jià)；M為模擬次數(shù)。

ρT的確定方法有多種，如基于復(fù)合電價(jià)模型確定調(diào)峰電價(jià)[13]、按購電平均成本定價(jià)[14]等。 設(shè)本文所研究的調(diào)峰電價(jià)模型具有與文獻(xiàn)[11]的電價(jià)模型類似的變化特性，即其表達(dá)式為：

其中，ρT為第T時(shí)段的調(diào)峰電價(jià)；ρT為電價(jià)的平均值；Δ ρT為第T時(shí)段電價(jià)的微小隨機(jī)變化；等式右邊第3項(xiàng)為電價(jià)波動的跳躍模型，α（t）為負(fù)荷率，N（295，100）表示均值為295、方差為100的正態(tài)分布。

4.1.2 期權(quán)執(zhí)行價(jià)格的確定

期權(quán)執(zhí)行價(jià)格是指期權(quán)所有者執(zhí)行期權(quán)時(shí)支付的使用期權(quán)的費(fèi)用，該價(jià)格通常由期權(quán)合約規(guī)定，也即由供需雙方自主協(xié)商確定。本文將該價(jià)格規(guī)定為燃?xì)廨啓C(jī)在參與啟停調(diào)峰時(shí)段的報(bào)價(jià)，則不同機(jī)組簽訂的同一時(shí)段的啟停調(diào)峰期權(quán)合約的期權(quán)執(zhí)行價(jià)格各異，這可充分體現(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)所有者的價(jià)格意愿，也可充分調(diào)動燃?xì)廨啓C(jī)參與期權(quán)交易的主動性和積極性。

機(jī)組的報(bào)價(jià)常由成本與利潤兩部分組成。因本文所研究的燃?xì)廨啓C(jī)在參與調(diào)峰交易前常處于停機(jī)狀態(tài)，且雖然理論上可實(shí)現(xiàn)快速頻繁啟停，但實(shí)際中1 d之內(nèi)最多啟停1次，故在系統(tǒng)需要啟停調(diào)峰的開始時(shí)段即進(jìn)行機(jī)組的開停，則其等效啟停成本的計(jì)算公式為[7]：

其中，coff為燃?xì)廨啓C(jī)的單位啟停成本；ng為燃?xì)廨啓C(jī)在關(guān)停前的等效發(fā)電時(shí)間；Δcoff為燃?xì)廨啓C(jī)與火電機(jī)組單位電量發(fā)電成本的差值；ntv為需投入有償調(diào)峰的時(shí)段總數(shù)。

因期權(quán)執(zhí)行價(jià)格需滿足式（4）所示的不等式約束，則此時(shí)機(jī)組報(bào)價(jià)中的利潤一定小于期權(quán)障礙與其相應(yīng)等效啟停成本之差，故式（4）為燃?xì)廨啓C(jī)的報(bào)價(jià)提供了參考依據(jù)，而期權(quán)障礙規(guī)范了燃?xì)廨啓C(jī)的報(bào)價(jià)行為。

4.2 燃?xì)廨啓C(jī)深度調(diào)峰服務(wù)的報(bào)價(jià)

市場機(jī)制下，商品的價(jià)格一般為成本與利潤之和，故當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)提供深度調(diào)峰服務(wù)時(shí)，其申報(bào)費(fèi)用也規(guī)定為其成本與利潤之和。其中成本主要包含固定成本和可變成本兩大類，前者包括機(jī)組的投資成本，后者包括燃料成本、啟停成本、運(yùn)行維護(hù)成本和環(huán)境保護(hù)成本等。投資成本即ISO工況下典型標(biāo)準(zhǔn)配置的造價(jià)，在工程采購中燃?xì)廨啓C(jī)通常是按固定組成整機(jī)出售，所以一般基于整機(jī)投資成本模型確定燃?xì)廨啓C(jī)的投資成本[15]。燃料成本是指燃?xì)廨啓C(jī)消耗的天然氣的成本，燃機(jī)類電廠的成本核算中燃料成本所占比例較大。機(jī)組的啟動和停機(jī)過程比平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)需要更多的物力和人力，此即啟停成本。運(yùn)行維護(hù)成本與燃?xì)廨啓C(jī)消耗的水費(fèi)、材料費(fèi)、大修基金等費(fèi)用有關(guān)。

燃料價(jià)格較高使得燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電成本偏高，不利于其參與市場競爭。實(shí)際上，使用天然氣為燃料發(fā)電可降低污染氣體的排放量，有利于保護(hù)環(huán)境。有資料顯示，與燃煤機(jī)組相比，除了碳氧化合物，燃?xì)廨啓C(jī)的其余污染氣體排放量均較低。因此，在分析燃?xì)廨啓C(jī)的成本時(shí)應(yīng)計(jì)及這部分成本，即環(huán)境保護(hù)成本。這里將此成本定義為生產(chǎn)單位電能時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)與燃煤機(jī)組相比減少的污染氣體排放量所節(jié)約的環(huán)境污染費(fèi)用，根據(jù)文獻(xiàn)[16]，其表達(dá)式為：

其中，Vek為第k類污染物的環(huán)境價(jià)值；ΔQk為燃?xì)廨啓C(jī)與燃煤機(jī)組生產(chǎn)單位電能時(shí)該類污染物的排放量之差；K為發(fā)電排放污染物的種類數(shù)量。

燃?xì)廨啓C(jī)的總發(fā)電成本應(yīng)為上述成本之和。

雖然理論上各燃?xì)廨啓C(jī)的利潤可由其自行確定，但為了規(guī)范調(diào)峰服務(wù)市場，規(guī)定此利潤與機(jī)組參與啟停調(diào)峰交易時(shí)可獲得的利潤一致。

5 算例分析

設(shè)某地區(qū)有3臺燃?xì)廨啓C(jī)擬與系統(tǒng)簽訂未來某日始于第T時(shí)段的啟停調(diào)峰障礙期權(quán)合約和第t時(shí)段的深度調(diào)峰雙邊合約。由上文分析可知，機(jī)組成本在確定合約價(jià)格中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，因此需先確定相關(guān)機(jī)組的運(yùn)行成本和等效啟停成本。

5.1 燃?xì)廨啓C(jī)單位成本的計(jì)算

5.1.1 單位運(yùn)行成本的計(jì)算

為便于分析比較，設(shè)所研究時(shí)段各燃?xì)廨啓C(jī)的單位運(yùn)行成本相同。與該成本相關(guān)的各成本分量的已知數(shù)據(jù)[3，7，16-17]如下：投資成本為 2500 元 /kW，天然氣價(jià)格為1.3元/m3，單位啟停成本為520元/MW，年運(yùn)行維護(hù)成本為年設(shè)備成本的6%（單位為元/a），氣耗率為 0.22 m3/（kW·h）；服務(wù)年限為 10 a，年運(yùn)行小時(shí)為1000 h。

依據(jù)上述數(shù)據(jù)，已知機(jī)組容量，即可求得各機(jī)組的年固定成本、燃料成本、維護(hù)成本和啟停成本，本文采用等額支付折算法計(jì)算其中的固定成本。

而燃?xì)廨啓C(jī)的成本還應(yīng)計(jì)及如式（8）所示的環(huán)境保護(hù)成本，涉及的相關(guān)數(shù)據(jù)[16]如表1所示。

表1 燃煤/燃?xì)鈾C(jī)組的相關(guān)污染物排放數(shù)據(jù)Tab.1 Emission data of coal-fired/gas unit

綜上所述，各燃?xì)廨啓C(jī)的容量及相關(guān)成本的計(jì)算結(jié)果如表2所示。

由計(jì)算結(jié)果可見，由于各機(jī)組的年運(yùn)行小時(shí)和服務(wù)年限相對較短，故單位運(yùn)行成本較高。

5.1.2 單位等效啟停成本的計(jì)算

上述燃?xì)廨啓C(jī)在參與交易之前常處于停機(jī)狀態(tài)，故各機(jī)組容量即為其參與交易的容量。設(shè)各機(jī)組在關(guān)停前的等效發(fā)電時(shí)間均為3 h，而該日需投入有償調(diào)峰的時(shí)段為6 h，燃?xì)廨啓C(jī)與火電機(jī)組單位電量發(fā)電成本的差值為 0.267 元/（kW·h），由式（7）可得等效啟停調(diào)峰成本為0.249元/kW。

5.2 合約價(jià)格的確定

5.2.1 期權(quán)執(zhí)行價(jià)格的確定

因規(guī)定啟停調(diào)峰期權(quán)合約的期權(quán)執(zhí)行價(jià)格為各機(jī)組的報(bào)價(jià)，若第T時(shí)段機(jī)組1—3的申報(bào)價(jià)分別為其等效啟停成本的110%、115%和120%，則期權(quán)執(zhí)行價(jià)格分別為 0.274 元/kW、0.286 元/kW、0.299元/kW。

要使期權(quán)合約可行且有效，則應(yīng)使各機(jī)組申報(bào)的期權(quán)執(zhí)行價(jià)格滿足式（4）所示的約束。由此則需確定該時(shí)段火電機(jī)組提供啟停調(diào)峰容量所需的費(fèi)用。調(diào)峰實(shí)時(shí)電價(jià)的計(jì)算公式如式（6）所示。而本算例假設(shè)系統(tǒng)在第T時(shí)段開始的一段時(shí)間內(nèi)需要啟停調(diào)峰服務(wù)，故α較小，若ρT及ΔρT的變化規(guī)律已知，則基于上述模型即可求得ρT，這里設(shè)該時(shí)刻火電機(jī)組提供啟停調(diào)峰容量的價(jià)格的Monte Carlo模擬結(jié)果為0.310元/kW，則期權(quán)障礙為0.310元/kW?？芍?臺機(jī)組的報(bào)價(jià)均滿足式（4）所示的約束，則上述報(bào)價(jià)即這3臺燃?xì)廨啓C(jī)參與啟停調(diào)峰期權(quán)交易的期權(quán)執(zhí)行價(jià)格。

表2 各機(jī)組的競價(jià)容量及相關(guān)成本Tab.2 Bidding capacity and related cost of units

5.2.2 期權(quán)價(jià)格的確定

若期權(quán)執(zhí)行價(jià)格已確定，由式（5）即可求得該時(shí)段3臺機(jī)組的期權(quán)價(jià)格分別為0.018元/kW、0.012元/kW 和 0.0055 元/kW。

由此可見：不同機(jī)組的期權(quán)價(jià)格各不相同，反映了不同機(jī)組在同一時(shí)段提供啟停調(diào)峰期權(quán)所產(chǎn)生的價(jià)值之間的差異；本例中3臺機(jī)組的期權(quán)價(jià)格均為正，表明燃?xì)廨啓C(jī)提供啟停調(diào)峰所需的成本較低；期權(quán)價(jià)格的實(shí)質(zhì)為定金，本例中該金額較小，故調(diào)度中心簽約之后即使不執(zhí)行合約，也不會有太大的經(jīng)濟(jì)損失。

綜合上述計(jì)算結(jié)果，可知3臺機(jī)組若被實(shí)時(shí)調(diào)度，調(diào)度中心向其單位啟停調(diào)峰容量支付的總費(fèi)用分別為 0.292元/kW、0.298元/kW、0.3045元/kW，因此上述機(jī)組被調(diào)度的順序依次為機(jī)組1、機(jī)組2、機(jī)組3。

5.2.3 深度調(diào)峰費(fèi)用的確定

根據(jù)上文的計(jì)算結(jié)果，可知機(jī)組1、2、3被實(shí)時(shí)調(diào)度后，其利潤率分別為17.27%，19.68%和22.29%。依據(jù)前述規(guī)則，則各機(jī)組參與深度調(diào)峰交易的報(bào)價(jià)應(yīng)分別為其運(yùn)行成本的117.27%、119.68%和122.29%，則機(jī)組的報(bào)價(jià)及相關(guān)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 各機(jī)組的相關(guān)申報(bào)數(shù)據(jù)Tab.3 Bidding data of units

機(jī)組參與深度調(diào)峰可獲利，故設(shè)本例中的3臺機(jī)組均愿意在一天的任何時(shí)段提供調(diào)峰容量。依據(jù)報(bào)價(jià)的高低，機(jī)組被實(shí)時(shí)調(diào)度的順序依次為機(jī)組1、機(jī)組2、機(jī)組3。

5.3 調(diào)峰合約執(zhí)行情況分析

5.3.1 啟停調(diào)峰障礙期權(quán)合約執(zhí)行情況分析

a.第T時(shí)段系統(tǒng)的啟停調(diào)峰需求為500 MW。

表4 交易雙方的相關(guān)交易信息Tab.4 Transaction information of both sides

根據(jù)前述分析結(jié)果，機(jī)組1—3的期權(quán)執(zhí)行價(jià)格均小于期權(quán)障礙，且其可提供的啟停調(diào)峰容量之和小于系統(tǒng)需求，故調(diào)度中心與3臺機(jī)組均簽訂期權(quán)合約，且合約均有效，機(jī)組的申報(bào)容量均被實(shí)時(shí)調(diào)度，此時(shí)各機(jī)組的收益等如表4所示，其中機(jī)組盈利率定義為機(jī)組盈利與其成本之比。

此時(shí)，3臺機(jī)組均可獲得定金與被調(diào)度費(fèi)用兩部分收益。與直接調(diào)用火電機(jī)組相比，節(jié)約費(fèi)用0.368萬元，且ρT越大，合約可節(jié)約的費(fèi)用越多。

由計(jì)算結(jié)果還可知，機(jī)組的期權(quán)價(jià)格與期權(quán)執(zhí)行價(jià)格相比較小，這是因?yàn)槠跈?quán)價(jià)格僅起定金的作用；而機(jī)組是否獲得較高利潤取決于其是否被調(diào)度，且機(jī)組的期權(quán)執(zhí)行價(jià)格中申報(bào)的利潤越大，機(jī)組的盈利率越高，但機(jī)組不被調(diào)度的風(fēng)險(xiǎn)也越大；機(jī)組的期權(quán)執(zhí)行費(fèi)用越高，被調(diào)度容量越多，其盈利越多。由于3臺機(jī)組的成本相同，且均低于期權(quán)障礙，故機(jī)組被實(shí)時(shí)調(diào)度的容量越多，與調(diào)度火電機(jī)組容量相比，為調(diào)度中心節(jié)約的費(fèi)用越多。

b.第T時(shí)段系統(tǒng)的啟停調(diào)峰需求為200 MW。

此時(shí)，僅機(jī)組1、2與系統(tǒng)簽訂啟停調(diào)峰合約，且機(jī)組1的全部競價(jià)容量與機(jī)組2的部分競價(jià)容量被實(shí)時(shí)調(diào)用，此時(shí)各機(jī)組的收益等如表5所示。

由上述結(jié)果可知，對于簽訂了期權(quán)合約而合約只有部分被執(zhí)行的機(jī)組，系統(tǒng)雖然對未被實(shí)時(shí)調(diào)度容量多支付了定金，但一般情況下，機(jī)組所提供的調(diào)峰容量所產(chǎn)生的價(jià)值將大于此定金。而在被調(diào)度容量相同的情況下，被調(diào)度優(yōu)先級越高的機(jī)組為調(diào)度中心節(jié)約的費(fèi)用越多。

c.第T時(shí)段系統(tǒng)的啟停調(diào)峰需求為200 MW，且期權(quán)障礙為 0.280 元/（kW·h）。

此時(shí)調(diào)度中心雖與機(jī)組1和2簽訂了調(diào)峰期權(quán)，但2臺機(jī)組均不會被實(shí)時(shí)調(diào)用，則各機(jī)組的收益等信息如表6所示。

由計(jì)算結(jié)果可見，雖然對機(jī)組支付了定金，但調(diào)度中心并未因此而獲利。這主要是因?yàn)樯鲜鋈細(xì)廨啓C(jī)簽訂啟停調(diào)峰障礙期權(quán)合約的原因在于其啟停調(diào)峰性能好且價(jià)格存在優(yōu)勢。若在某些情況下這些優(yōu)勢不再存在，則調(diào)度中心無執(zhí)行合約的必要。由此也表明了電網(wǎng)調(diào)度中心簽訂調(diào)峰期權(quán)合約具有決定是否執(zhí)行合約的靈活選擇性。此時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)雖然仍獲得一定的利潤，但數(shù)額較低，因此燃?xì)廨啓C(jī)為了其長遠(yuǎn)發(fā)展，受制于期權(quán)障礙約束，很少會隨意高利潤報(bào)價(jià)。

表5 交易雙方的相關(guān)交易信息Tab.5 Transaction information of both sides

表6 交易雙方的相關(guān)交易信息Tab.6 Transaction information of both sides

綜合上述3種典型情況，可知在電價(jià)實(shí)時(shí)變化的調(diào)峰市場中，啟停調(diào)峰的交易方式體現(xiàn)了期權(quán)交易規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)的重要作用，即調(diào)度中心總可以以較低的調(diào)度費(fèi)用獲得所需要的啟停調(diào)峰容量，而燃?xì)廨啓C(jī)可避免簽訂合約而無報(bào)酬的風(fēng)險(xiǎn)。期權(quán)執(zhí)行價(jià)格不同的機(jī)組被調(diào)用的幾率各異，這同樣體現(xiàn)了將障礙期權(quán)應(yīng)用于調(diào)峰交易的優(yōu)勢：一方面限制了機(jī)組參與調(diào)峰交易時(shí)報(bào)價(jià)的隨意性和不合理性，避免交易雙方的反復(fù)競價(jià)，提升了交易的執(zhí)行效率；另一方面，充分保障了買方的利益，即只有當(dāng)某期權(quán)所產(chǎn)生的價(jià)值足夠大，該期權(quán)才會被執(zhí)行；同時(shí)，也使得報(bào)價(jià)合理的機(jī)組可獲得合理收益。

5.3.2 深度調(diào)峰雙邊合約執(zhí)行情況分析

設(shè)第t時(shí)段系統(tǒng)出現(xiàn)深度調(diào)峰缺額200 MW且該時(shí)段簽約機(jī)組不參與啟停調(diào)峰。為了避免系統(tǒng)的不穩(wěn)定運(yùn)行，調(diào)度中心選擇執(zhí)行深度調(diào)峰雙邊合約。設(shè)經(jīng)Monte Carlo模擬，火電機(jī)組在該時(shí)段提供深度調(diào)峰電量的價(jià)格為0.55元/（kW·h），則各機(jī)組的收益等結(jié)果如表7所示。

表7 各機(jī)組的競價(jià)容量及相關(guān)成本Tab.7 Bidding capacity and related cost of units

由結(jié)果可見，即使燃?xì)廨啓C(jī)提供深度調(diào)峰的費(fèi)用高于火電機(jī)組的相應(yīng)費(fèi)用，此雙邊合約仍有可能被執(zhí)行，以在短時(shí)內(nèi)彌補(bǔ)系統(tǒng)調(diào)峰缺額，維持系統(tǒng)的安全運(yùn)行，即調(diào)度中心在必要時(shí)可以犧牲經(jīng)濟(jì)性以確保系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

6 結(jié)語

電力市場環(huán)境下，可使常處于停機(jī)停運(yùn)狀態(tài)的小型燃?xì)廨啓C(jī)通過與調(diào)度中心簽訂障礙期權(quán)合約為系統(tǒng)提供啟停調(diào)峰容量，簽訂普通中長期雙邊合約為系統(tǒng)提供深度調(diào)峰電量，以節(jié)約系統(tǒng)的調(diào)度費(fèi)用及緩解系統(tǒng)調(diào)峰容量緊缺的狀況。

基于障礙期權(quán)風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避及可選擇性的特點(diǎn)，本文所設(shè)計(jì)的啟停調(diào)峰交易模式既可使調(diào)度中心在滿足電網(wǎng)啟停調(diào)峰需求的同時(shí)實(shí)現(xiàn)調(diào)峰容量的經(jīng)濟(jì)調(diào)度，有效規(guī)避實(shí)時(shí)調(diào)峰市場的電價(jià)波動，也可使燃?xì)廨啓C(jī)積極發(fā)揮其啟停調(diào)峰優(yōu)勢，持續(xù)發(fā)展。而基于中長期雙邊合約的深度調(diào)峰交易簡單易行，在某些極端情況下可有效利用系統(tǒng)現(xiàn)有資源減少調(diào)峰缺額；合約的定價(jià)方法簡單，定價(jià)依據(jù)明確，可操作性強(qiáng)。文中以算例證明了合約的有效性和可行性。