美國(guó)電力市場(chǎng)環(huán)境下抽水蓄能調(diào)度模式分析及啟示

關(guān)玉衡，張經(jīng)緯，張 軒，荊朝霞，白 楊，陳柏柯

（1. 華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東省廣州市510640；2. 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力調(diào)度控制中心，廣東省廣州市510600）

0 引言

近十幾年來(lái)，全球電力工業(yè)面臨的2 個(gè)重要轉(zhuǎn)變是能源轉(zhuǎn)型和電力體制改革。在能源轉(zhuǎn)型的背景下，風(fēng)電、光伏等可再生電源在電網(wǎng)中日益滲透，風(fēng)電、光伏的出力具有間歇性和波動(dòng)性，給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了更大的挑戰(zhàn)［1］。抽水蓄能具有快速、靈活的啟停特性，在負(fù)荷低谷時(shí)吸收系統(tǒng)富余電能，在負(fù)荷高峰時(shí)向系統(tǒng)送電，具有獨(dú)特的削峰填谷和調(diào)節(jié)作用［2-4］。在電力體制改革的背景下，歐美許多國(guó)家和地區(qū)已經(jīng)建立了較為完善的電力市場(chǎng)機(jī)制，包括電能量市場(chǎng)、輔助服務(wù)市場(chǎng)、容量市場(chǎng)和期貨期權(quán)市場(chǎng)等［5-7］。抽水蓄能在系統(tǒng)中的價(jià)值逐漸得到量化，設(shè)計(jì)合理的抽水蓄能調(diào)度模式，能夠有效激勵(lì)抽水蓄能在系統(tǒng)中發(fā)揮作用。

美國(guó)電力市場(chǎng)建設(shè)起步較早，聯(lián)邦能源管理委員 會(huì)（Federal Energy Regulatory Commission，F(xiàn)ERC）在1996 年發(fā)布了888 和889 號(hào)法令，要求開(kāi)放輸電接入，拆分電力公司業(yè)務(wù)，并成立獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營(yíng) 商（independent system operator，ISO）。 經(jīng) 過(guò)20 多年的建設(shè)，目前美國(guó)擁有7 個(gè)競(jìng)爭(zhēng)性電力交易的ISO，覆蓋了2/3 的人口區(qū)域，剩余1/3 人口的區(qū)域仍采用管制模式［8］。

在管制模式下，抽水蓄能與其他發(fā)電機(jī)組都屬于電網(wǎng)統(tǒng)一資產(chǎn)，由電網(wǎng)調(diào)度機(jī)構(gòu)根據(jù)機(jī)組運(yùn)行成本進(jìn)行統(tǒng)一優(yōu)化調(diào)度；在競(jìng)爭(zhēng)性電力市場(chǎng)環(huán)境下，抽水蓄能可以選擇自調(diào)度模式，也可以選擇向運(yùn)營(yíng)商提交報(bào)價(jià)數(shù)據(jù)，由ISO 進(jìn)行調(diào)度［9-10］。根據(jù)調(diào)度權(quán)限的不同，抽水蓄能的ISO 調(diào)度模式又可以分為全調(diào)度和半調(diào)度2 種，調(diào)度模式的選擇與市場(chǎng)環(huán)境、出清軟件關(guān)系較大，不同ISO 在抽水蓄能調(diào)度模式方面的做法不完全相同，抽水蓄能在不同調(diào)度模式下也有著不同的運(yùn)行效果。

中國(guó)電力市場(chǎng)建設(shè)正處于不斷深化的關(guān)鍵階段。在當(dāng)前現(xiàn)貨市場(chǎng)環(huán)境下，抽水蓄能機(jī)組通常與水電機(jī)組、新能源機(jī)組和核電機(jī)組等同屬于非市場(chǎng)化機(jī)組。在日前市場(chǎng)開(kāi)始前，由調(diào)度機(jī)構(gòu)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)事先確定其在運(yùn)行日的出力曲線［11-12］，并作為日前市場(chǎng)出清的邊界條件。在日前出清流程中，調(diào)度機(jī)構(gòu)對(duì)市場(chǎng)化機(jī)組的報(bào)價(jià)進(jìn)行優(yōu)化，得到所有機(jī)組的出力結(jié)果。抽水蓄能這一調(diào)度模式嚴(yán)重依賴(lài)運(yùn)行人員的經(jīng)驗(yàn)，未能實(shí)現(xiàn)抽水蓄能機(jī)組與常規(guī)機(jī)組的高效協(xié)調(diào)運(yùn)行與精細(xì)化管理，容易造成社會(huì)整體效益的損失［13］。

促進(jìn)新能源消納也是中國(guó)面臨的一個(gè)較為嚴(yán)重的問(wèn)題。目前，中國(guó)的風(fēng)電、光伏發(fā)電的裝機(jī)容量和發(fā)電量均位居世界前列，但由于新能源資源遠(yuǎn)離負(fù)荷中心、難以就地消納，抽水蓄能機(jī)組和燃?xì)鈾C(jī)組等靈活調(diào)節(jié)電源的比例較低，且缺乏高效的運(yùn)行方式，加之近幾年電力負(fù)荷增速減慢，在多種因素共同作用下，新能源消納矛盾更加突出［14］。如何設(shè)計(jì)合理的抽水蓄能調(diào)度模式，實(shí)現(xiàn)其與火電機(jī)組的高效協(xié)調(diào)運(yùn)行并有效促進(jìn)新能源的消納是中國(guó)當(dāng)前需要解決的問(wèn)題之一。在此背景下，對(duì)美國(guó)電力市場(chǎng)環(huán)境下抽水蓄能的調(diào)度模式進(jìn)行分析，希望對(duì)中國(guó)電力市場(chǎng)的建設(shè)有所幫助。

1 美國(guó)電力現(xiàn)貨市場(chǎng)典型交易機(jī)制

1.1 電力現(xiàn)貨市場(chǎng)交易品種

美國(guó)電力現(xiàn)貨市場(chǎng)的交易品種主要包括電能量和輔助服務(wù)，輔助服務(wù)交易品種又細(xì)分為調(diào)頻和備用。不同ISO 對(duì)參與現(xiàn)貨市場(chǎng)的備用產(chǎn)品描述存在區(qū) 別，其 中，PJM（Pennsylvania-New Jersey-Maryland）市場(chǎng)將備用分為同步備用和非同步備用，中西部ISO（mid-west independent system operator，MISO）將備用分為旋轉(zhuǎn)備用和補(bǔ)充備用［15］。盡管命名不同，但備用定義大同小異，以MISO 為例，對(duì)3 種輔助服務(wù)的定義進(jìn)行說(shuō)明，如表1 所示。

表1 美國(guó)MISO 的3 種輔助服務(wù)品種對(duì)比Table 1 Comparison of three kinds of ancillary services in MISO，USA

3 種輔助服務(wù)的區(qū)別主要在于在線狀態(tài)和響應(yīng)時(shí)間。其中，調(diào)頻是最高級(jí)的輔助服務(wù)，能夠用于替代另外2 種備用；旋轉(zhuǎn)備用又能替代補(bǔ)充備用；補(bǔ)充備用在市場(chǎng)中的成本和需求量最低，日前市場(chǎng)平均出清電價(jià)僅為1 美元/MW，本文在出清模型中不再考慮補(bǔ)充備用產(chǎn)品。

1.2 電力現(xiàn)貨市場(chǎng)出清機(jī)制

目前，美國(guó)各ISO 主要采用現(xiàn)貨電能量與輔助服務(wù)的聯(lián)合出清機(jī)制。以MISO 為例，在日前市場(chǎng)，市場(chǎng)參與者向ISO 提交電能量、輔助服務(wù)報(bào)價(jià)及運(yùn)行參數(shù)。ISO 基于市場(chǎng)參與者的報(bào)價(jià)和系統(tǒng)運(yùn)行邊界條件，以全社會(huì)效益最大（即火電機(jī)組成本最?。槟繕?biāo)進(jìn)行優(yōu)化，確定日前市場(chǎng)中標(biāo)情況。在實(shí)時(shí)市場(chǎng)，ISO 根據(jù)實(shí)時(shí)響應(yīng)結(jié)果進(jìn)行偏差結(jié)算。

日前市場(chǎng)出清模型包括安全約束機(jī)組組合（security-constrained unit commitment，SCUC）、安全約束經(jīng)濟(jì)調(diào)度（security-constrained economic dispatch，SCED）和節(jié)點(diǎn)電價(jià)計(jì)算（locational pricing calculator，LPC）［16］。不考慮抽水蓄能機(jī)組等特殊機(jī)組時(shí)，SCUC 模型以最小化火電機(jī)組的運(yùn)行成本和啟動(dòng)成本為優(yōu)化目標(biāo)。運(yùn)行成本包括電能量、調(diào)頻和旋轉(zhuǎn)備用成本，具體表達(dá)式為:

式中:G為全體火電機(jī)組集；T為調(diào)度時(shí)段集；qe，i，t為火電機(jī)組i在時(shí)段t的中標(biāo)電量；fi(·)為火電機(jī)組i的電能量運(yùn)行成本函數(shù)，是與機(jī)組申報(bào)的各段出力區(qū)間和對(duì)應(yīng)能量?jī)r(jià)格有關(guān)的多段線性函數(shù)；CU，i為火 電 機(jī) 組i的 單 次 啟 動(dòng) 成 本；yi，t和si，t分 別 為 火 電 機(jī)組i在 時(shí) 段t的 工 作 狀 態(tài) 變 量 和 啟 動(dòng) 狀 態(tài) 變 量；Cr，i，t和qr，i，t分別為火電機(jī)組i在時(shí)段t的調(diào)頻報(bào)價(jià)和調(diào)頻市 場(chǎng) 中 標(biāo) 電 量；Cs，i，t和qs，i，t分 別 為 火 電 機(jī) 組i在 時(shí)段t的旋轉(zhuǎn)備用報(bào)價(jià)和旋轉(zhuǎn)備用市場(chǎng)的中標(biāo)電量。

約束條件主要考慮了系統(tǒng)層面和火電機(jī)組資源層面的約束，系統(tǒng)層面約束為:

式 中:N為 系 統(tǒng) 中 包 含 的 節(jié) 點(diǎn) 總 數(shù)；Pl，max為 線 路l的功率傳輸限定值；Gl_k為節(jié)點(diǎn)k對(duì)線路l的功率傳輸分布因子；qk，t為位于節(jié)點(diǎn)k的機(jī)組在時(shí)段t的總輸出 功 率；De，k，t為節(jié)點(diǎn)k在 時(shí) 段t的負(fù)荷需求；Qe，t為自調(diào)度機(jī)組在時(shí)段t的總出力；De，t為系統(tǒng)在時(shí)段t的負(fù) 荷 需 求；Dr，t和Ds，t分 別 為 系 統(tǒng) 在 時(shí) 段t的 調(diào) 頻 需求和旋轉(zhuǎn)備用需求。

式（2）為線路的潮流約束；式（3）—式（5）分別為系統(tǒng)的負(fù)荷平衡約束、調(diào)頻需求約束和旋轉(zhuǎn)備用需求約束。

火電機(jī)組資源層面約束為:

式 中:qˉr，i，t和qˉs，i，t分 別 為 火 電 機(jī) 組i在 時(shí) 段t的 調(diào) 頻市 場(chǎng) 和 旋 轉(zhuǎn) 備 用 市 場(chǎng) 的 申 報(bào) 量；qe，i，max和qe，i，min分 別為 火 電 機(jī) 組i的 最 大 和 最 小 技 術(shù) 出 力；ru，i和rd，i分 別為火電機(jī)組i的爬坡速率和滑坡速率。

式（6）—式（9）分別為火電機(jī)組調(diào)頻和旋轉(zhuǎn)備用中標(biāo)電量需滿(mǎn)足的上下限約束；式（10）和式（11）分別為火電機(jī)組的爬坡和滑坡速率約束；式（12）為火電機(jī)組啟動(dòng)狀態(tài)變量和工作狀態(tài)變量的關(guān)系約束［17-18］。

在SCUC 模型確定開(kāi)機(jī)方式后，將與開(kāi)機(jī)狀態(tài)相關(guān)的狀態(tài)變量修改為確定值，進(jìn)行SCED 模型求解，得到發(fā)電機(jī)組的出力計(jì)劃，并通過(guò)LPC 模型計(jì)算系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)的電能量、調(diào)頻和旋轉(zhuǎn)備用市場(chǎng)的出清價(jià)格。

1.3 電力現(xiàn)貨市場(chǎng)出清算法

在美國(guó)電力現(xiàn)貨市場(chǎng)成立之初，市場(chǎng)出清模型往往經(jīng)過(guò)一定簡(jiǎn)化后采用拉格朗日松弛和線性規(guī)劃的方法求解，盡管求解速度較快，但造成了優(yōu)化結(jié)果的次優(yōu)性。

隨著優(yōu)化算法的進(jìn)一步發(fā)展和成熟，美國(guó)各ISO 開(kāi)始采用混合整數(shù)規(guī)劃的方法求解市場(chǎng)出清問(wèn)題，此時(shí)出清模型更貼近實(shí)際的物理模型，因此也能夠得到更優(yōu)的出清結(jié)果，減少系統(tǒng)的總發(fā)電成本。據(jù)測(cè)算，采用混合整數(shù)規(guī)劃方法后，PJM 市場(chǎng)每年能夠節(jié)省1 億美元的發(fā)電成本支出［19］。

2 抽水蓄能運(yùn)營(yíng)商3 種調(diào)度模式分析

2.1 抽水蓄能參與的市場(chǎng)交易品種

抽水蓄能可以參與的交易品種類(lèi)型與機(jī)組類(lèi)型相關(guān)。目前，抽水蓄能機(jī)組以傳統(tǒng)不可變速機(jī)組為主，其在發(fā)電工況下，可在最大功率范圍內(nèi)調(diào)整輸出功率，但在抽水工況下，只能運(yùn)行在給定最大功率。不同工況下抽水蓄能各自能夠提供的服務(wù)品種如表2 所示。表2 中:“+”表示可以提供服務(wù)；“-”表示不能提供服務(wù)。

表2 不同工況下抽水蓄能提供的服務(wù)品種Table 2 Types of service provided by pumped storage in different operation conditions

發(fā)電工況下，抽水蓄能可以參與所有品種的交易。抽水蓄能工況下，由于功率不可調(diào)節(jié)，因此，不能提供調(diào)頻服務(wù)。停機(jī)狀態(tài)下，可以通過(guò)快速啟停實(shí)現(xiàn)補(bǔ)充備用，但不能提供其他服務(wù)。

自調(diào)度、全調(diào)度和半調(diào)度是美國(guó)各ISO 主要采用的抽水蓄能調(diào)度模式。自調(diào)度模式下，抽水蓄能的日前出力曲線由ISO 自行優(yōu)化確定和申報(bào)，并作為日前市場(chǎng)出清的邊界條件；全調(diào)度模式下，抽水蓄能向ISO 提交運(yùn)行參數(shù)，由ISO 統(tǒng)一出清確定日前出力曲線；半調(diào)度模式下，抽水蓄能自行優(yōu)化確定發(fā)電或抽水窗口，并向ISO 提交發(fā)電或抽水報(bào)價(jià)，由ISO 出清確定具體的發(fā)電或抽水功率。不同調(diào)度模式下抽水蓄能參與各品種市場(chǎng)交易有不同的調(diào)度模型，也有不同的運(yùn)行收益和社會(huì)效益。

2.2 自調(diào)度模式

美國(guó)電力市場(chǎng)將只申報(bào)電量和不申報(bào)電價(jià)的發(fā)電投標(biāo)稱(chēng)為自調(diào)度投標(biāo)，對(duì)應(yīng)的機(jī)組調(diào)度模式為自調(diào)度［20］。對(duì)于抽水蓄能，自調(diào)度模式指抽水蓄能的日前出力曲線由運(yùn)營(yíng)商自行確定，并作為邊界條件輸入到ISO 的日前市場(chǎng)出清模型，不再參與優(yōu)化。在實(shí)時(shí)運(yùn)行中，抽水蓄能需要按照自定的功率曲線執(zhí)行，并根據(jù)日前市場(chǎng)電價(jià)進(jìn)行結(jié)算。

在自調(diào)度模式下，抽水蓄能參與電能量和輔助服務(wù)市場(chǎng)獲得的收益包括容量收益和電量收益。容量收益指按照自定發(fā)電、抽水和輔助服務(wù)容量運(yùn)行時(shí)獲得的收益，與輔助服務(wù)實(shí)際調(diào)用結(jié)果無(wú)關(guān)；電量收益指輔助服務(wù)實(shí)際調(diào)用電量對(duì)應(yīng)的收益，其中，調(diào)頻電量和旋轉(zhuǎn)備用電量收益分別按照調(diào)頻里程價(jià)格和旋轉(zhuǎn)備用電量?jī)r(jià)格結(jié)算，這一收益主要取決于ISO 的實(shí)時(shí)調(diào)度行為，具有不確定性。理論上，這一不確定性會(huì)進(jìn)一步影響各時(shí)段水庫(kù)的實(shí)際庫(kù)容，但實(shí)際上，由于調(diào)頻電量的方向有正有負(fù)，每一調(diào)度時(shí)段內(nèi)凈調(diào)頻電量趨向于0，而旋轉(zhuǎn)備用實(shí)際調(diào)用可能性較小，因此可以認(rèn)為水庫(kù)庫(kù)容不受輔助服務(wù)實(shí)際調(diào)用電量的影響。換而言之，電量收益與抽水蓄能的優(yōu)化運(yùn)行策略互相影響較小，在建立抽水蓄能優(yōu)化運(yùn)行模型時(shí)，運(yùn)營(yíng)商通常會(huì)忽略電量收益，僅考慮容量收益部分［21］。

根據(jù)抽水蓄能機(jī)組出力曲線和系統(tǒng)電價(jià)的關(guān)系，可以將抽水蓄能自調(diào)度模型進(jìn)一步劃分為價(jià)格接受者模型和價(jià)格決定者模型。當(dāng)抽水蓄能參與市場(chǎng)后對(duì)系統(tǒng)電價(jià)影響較小時(shí)，認(rèn)為其在市場(chǎng)中作為價(jià)格接受者，反之認(rèn)為其在市場(chǎng)中作為價(jià)格決定者［22］。由于系統(tǒng)負(fù)荷需求往往較大，輔助服務(wù)需求較小，通常認(rèn)為抽水蓄能在電能量市場(chǎng)中作為價(jià)格接受者，在輔助服務(wù)市場(chǎng)中作為價(jià)格決定者。價(jià)格決定者模型較為復(fù)雜，常用的建模思路是尋找輔助服務(wù)市場(chǎng)電價(jià)和抽水蓄能出力之間的函數(shù)關(guān)系，進(jìn)而通過(guò)雙層優(yōu)化的方法進(jìn)行求解，由于價(jià)格決定者模型較為復(fù)雜，也容易帶來(lái)較大的誤差，運(yùn)營(yíng)商也常采用價(jià)格接受者模型進(jìn)行建模［23-24］。

基于上述分析，以抽水蓄能日前出力曲線作為決策變量，建立抽水蓄能的自調(diào)度模型，模型以抽水蓄能參與電能量、調(diào)頻和旋轉(zhuǎn)備用市場(chǎng)的容量收益最大為目標(biāo)函數(shù)，具體表達(dá)式為:

式 中:ge，t和pe，t分 別 為 抽 水 蓄 能 機(jī) 組 在 時(shí) 段t的 發(fā) 電功率和抽水功率；gr，t為抽水蓄能機(jī)組在時(shí)段t的調(diào)頻 容 量；gs，t和ps，t分 別 為 發(fā) 電 工 況 和 抽 水 工 況 下 抽水 蓄 能 機(jī) 組 在 時(shí) 段t的 旋 轉(zhuǎn) 備 用 容 量；λe，t、λr，t和λs，t分別為電能量市場(chǎng)、調(diào)頻市場(chǎng)和旋轉(zhuǎn)備用市場(chǎng)在時(shí)段t的容量?jī)r(jià)格。

容量?jī)r(jià)格預(yù)先通過(guò)預(yù)測(cè)確定，不受抽水蓄能機(jī)組自身決策行為的影響。由于抽水蓄能機(jī)組的啟動(dòng)成本遠(yuǎn)低于運(yùn)行收益，因此，模型中目標(biāo)函數(shù)不考慮啟動(dòng)成本［25］。

自調(diào)度模型綜合考慮了抽水蓄能機(jī)組容量約束、庫(kù)容上下限約束、始末庫(kù)容約束和工況狀態(tài)轉(zhuǎn)換約束等［26-28］，具體表達(dá)式為:

式 中:ge，min和ge，max分 別 為 抽 水 蓄 能 機(jī) 組 在 發(fā) 電 工 況下的最小出力和最大出力；pe，N為抽水蓄能機(jī)組在抽 水 工 況 下 的 額 定 功 率；yg，t和yp，t分 別 為 抽 水 蓄 能機(jī)組在時(shí)段t的發(fā)電工況狀態(tài)變量和抽水工況狀態(tài)變 量；Vt為 時(shí) 段t開(kāi) 始 時(shí) 的 庫(kù) 容；Vmin和Vmax分 別 為最小和最大庫(kù)容限制；To為一個(gè)調(diào)度時(shí)段的長(zhǎng)度；η為發(fā)電/抽水循環(huán)效率；Vst和Vend分別為調(diào)度周期始、末的庫(kù)容。

式（14）—式（19）為抽水蓄能機(jī)組電能量、調(diào)頻容量和旋轉(zhuǎn)備用容量的約束；式（20）—式（22）為抽水蓄能機(jī)組的運(yùn)行工況約束，抽水蓄能機(jī)組不能同時(shí)運(yùn)行在發(fā)電工況和抽水工況，并且2 個(gè)工況不能直接切換，需要有停機(jī)緩沖時(shí)間［29-30］；式（23）—式（25）為庫(kù)容的上下限約束、相鄰時(shí)段庫(kù)容關(guān)系約束和始末庫(kù)容約束。

自調(diào)度模型由抽水蓄能運(yùn)營(yíng)商建立和求解，優(yōu)化結(jié)果作為邊界條件輸入到日前市場(chǎng)出清模型中，即作為式（3）中Qe，t的一部分，簡(jiǎn)化了日前市場(chǎng)出清程序的復(fù)雜性，能夠有效縮短日前市場(chǎng)出清時(shí)間，但對(duì)抽水蓄能運(yùn)營(yíng)商的電價(jià)預(yù)測(cè)提出了較高的要求，若運(yùn)營(yíng)商無(wú)法精確預(yù)測(cè)日前市場(chǎng)電價(jià)，容易面臨收益損失的風(fēng)險(xiǎn)。

此外，由于抽水蓄能日前出力曲線完全由運(yùn)營(yíng)商自行確定，沒(méi)有與其他機(jī)組進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化，這一調(diào)度模式無(wú)法實(shí)現(xiàn)社會(huì)效益的最大化。

2.3 全調(diào)度模式

與自調(diào)度模式不同，全調(diào)度模式通過(guò)聯(lián)合優(yōu)化常規(guī)火電機(jī)組和抽水蓄能機(jī)組，實(shí)現(xiàn)全社會(huì)效益最大的優(yōu)化目標(biāo)。在具體實(shí)施中，抽水蓄能運(yùn)營(yíng)商向ISO 提交抽水蓄能機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)，即庫(kù)容數(shù)據(jù)和機(jī)組數(shù)據(jù)，其中，庫(kù)容數(shù)據(jù)包括始末庫(kù)容、最大/最小庫(kù)容，機(jī)組數(shù)據(jù)包括發(fā)電、抽水功率的上下限和發(fā)電/抽水循環(huán)效率。ISO 基于常規(guī)火電機(jī)組報(bào)價(jià)數(shù)據(jù)和抽水蓄能機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)，以火電機(jī)組總發(fā)電成本最小為目標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)一優(yōu)化出清，得到抽水蓄能機(jī)組的日前出力曲線，并按日前市場(chǎng)電價(jià)進(jìn)行日前結(jié)算。

抽水蓄能的全調(diào)度模型建立在1.2 節(jié)現(xiàn)貨市場(chǎng)出清模型的基礎(chǔ)上，目標(biāo)函數(shù)為火電機(jī)組的運(yùn)行成本和啟動(dòng)成本，如式（1）所示，約束條件包含系統(tǒng)、火電機(jī)組和抽水蓄能機(jī)組資源層面的約束，其中火電機(jī)組資源層面約束為式（6）—式（12），抽水蓄能機(jī)組資源層面約束為式（14）—式（25），并面向每一臺(tái)抽水蓄能機(jī)組。

系統(tǒng)層面約束中，線路潮流約束式（2）保持不變，對(duì)負(fù)荷平衡約束、調(diào)頻需求約束和旋轉(zhuǎn)備用需求約束進(jìn)行了修改，補(bǔ)充了抽水蓄能機(jī)組提供電能量、調(diào)頻和旋轉(zhuǎn)備用服務(wù)的情形，具體表達(dá)式為:

式 中:H為 全 體 抽 水 蓄 能 機(jī) 組 集；ge，i，t和pe，i，t分 別 為抽水蓄能機(jī)組i在時(shí)段t的發(fā)電功率和抽水功率；gr，i，t為 抽 水 蓄 能 機(jī) 組i在 時(shí) 段t的 調(diào) 頻 容 量；gs，i，t和ps，i，t分 別 為 抽 水 蓄 能 機(jī) 組i在 發(fā) 電 工 況 和 抽 水 工 況下的旋轉(zhuǎn)備用容量。

ISO 全調(diào)度模式是一種較為理想的調(diào)度模式，能夠充分發(fā)揮抽水蓄能提供削峰填谷的作用，實(shí)現(xiàn)全社會(huì)發(fā)電成本的最小化。但由于抽水蓄能運(yùn)行工況較為復(fù)雜，在日前市場(chǎng)出清模型中引入抽水蓄能將會(huì)極大地增加模型的復(fù)雜性，造成仿真時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，難以滿(mǎn)足實(shí)際需求。目前，美國(guó)各市場(chǎng)中僅有PJM市場(chǎng)采用這一調(diào)度模式［31］。

此外，由于全調(diào)度模式僅考慮了全社會(huì)效益最大這一目標(biāo)，未考慮抽水蓄能運(yùn)營(yíng)商自身的運(yùn)行收益。如何保障全調(diào)度模式下運(yùn)營(yíng)商的收益，是需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。

2.4 半調(diào)度模式

ISO 半調(diào)度模式是自調(diào)度模式和ISO 全調(diào)度模式間的一種折中，既允許了運(yùn)營(yíng)商自行優(yōu)化確定發(fā)電窗口和抽水窗口，又通過(guò)設(shè)置發(fā)電報(bào)價(jià)和抽水報(bào)價(jià)的形式將抽水蓄能機(jī)組和火電機(jī)組聯(lián)合優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)總成本最小的目標(biāo)［32-33］。其中，在發(fā)電窗口，運(yùn)營(yíng)商只能申報(bào)發(fā)電報(bào)價(jià)；在抽水窗口，運(yùn)營(yíng)商只能申報(bào)抽水報(bào)價(jià)，若報(bào)價(jià)在日前市場(chǎng)中未中標(biāo)，則機(jī)組運(yùn)行在停機(jī)狀態(tài)。

這一調(diào)度模式在本質(zhì)上是將抽水蓄能機(jī)組看成是火電機(jī)組（發(fā)電窗口）和負(fù)荷（抽水窗口），通過(guò)發(fā)電報(bào)價(jià)和負(fù)荷報(bào)價(jià)分別反映機(jī)組發(fā)電成本和抽水用電價(jià)值。發(fā)電報(bào)價(jià)包括多段電能量發(fā)電報(bào)價(jià)、調(diào)頻報(bào)價(jià)和旋轉(zhuǎn)備用報(bào)價(jià)；抽水報(bào)價(jià)包括單段電能量抽水報(bào)價(jià)和旋轉(zhuǎn)備用報(bào)價(jià)，其中，抽水報(bào)價(jià)表示水泵以額定功率運(yùn)行時(shí)的小時(shí)成本，由于抽水工況下功率不可調(diào)，因此報(bào)價(jià)只有一段；非發(fā)電/抽水窗口期抽水蓄能機(jī)組處于停機(jī)狀態(tài)。除報(bào)價(jià)數(shù)據(jù)外，抽水蓄能運(yùn)營(yíng)商還需要向ISO 提供庫(kù)容的上下限和始末庫(kù)容等信息。

在日前市場(chǎng)出清中，ISO 基于抽水蓄能和常規(guī)火電機(jī)組的報(bào)價(jià)數(shù)據(jù)和運(yùn)行參數(shù)，以總報(bào)價(jià)成本最小為目標(biāo)，對(duì)常規(guī)火電機(jī)組和抽水蓄能機(jī)組進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化出清，確定抽水蓄能在發(fā)電窗口和抽水窗口的具體出力曲線和調(diào)頻、備用容量。半調(diào)度模型的目標(biāo)函數(shù)為:

式 中:Tg，i和Tp，i分 別 為 抽 水 蓄 能 機(jī) 組i的 發(fā) 電 窗 口集 和 抽 水 窗 口 集；yg，i，t和yp，i，t分 別 為 抽 水 蓄 能 機(jī) 組i在時(shí)段t的發(fā)電工況狀態(tài)變量和抽水工況狀態(tài)變量；Fg，i(·)和Fp，i(·)分別為抽水蓄能機(jī)組i的發(fā)電報(bào)價(jià)成本和抽水報(bào)價(jià)成本函數(shù)，是與機(jī)組申報(bào)的各段出力區(qū)間和對(duì)應(yīng)能量?jī)r(jià)格有關(guān)的多段線性函數(shù)；Cg，r，i，t和Cg，s，i，t分 別 為 抽 水 蓄 能 機(jī) 組i在 發(fā) 電 窗 口 時(shí)段t的 調(diào) 頻 報(bào) 價(jià) 和 旋 轉(zhuǎn) 備 用 報(bào) 價(jià)；Cp，s，i，t為 抽 水 蓄 能機(jī)組i在抽水窗口時(shí)段t的旋轉(zhuǎn)備用報(bào)價(jià)。

約束條件包含系統(tǒng)層面、火電機(jī)組和抽水蓄能機(jī)組資源層面的約束。其中，系統(tǒng)層面約束包括式（2）、式（26）—式（28），火電機(jī)組資源層面約束包括式（6）—式（12），抽水蓄能機(jī)組資源層面約束包括式（14）—式（19）、式（23）—式（25），并面向每一臺(tái)抽水蓄能機(jī)組；機(jī)組的運(yùn)行工況約束通過(guò)獨(dú)立的發(fā)電窗口和抽水窗口設(shè)定實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)滿(mǎn)足，因此，模型中不再考慮；除上述約束外，抽水蓄能機(jī)組還需考慮電能量、調(diào)頻和旋轉(zhuǎn)備用中標(biāo)量的上下限約束，具體表達(dá)式為:

式 中:gˉr，i，t和gˉs，i，t分 別 為 抽 水 蓄 能 機(jī) 組i在 發(fā) 電 窗 口時(shí) 段t的 調(diào) 頻 申 報(bào) 電 量 和 旋 轉(zhuǎn) 備 用 申 報(bào) 電 量；pˉs，i，t為抽水蓄能機(jī)組i在抽水窗口時(shí)段t的旋轉(zhuǎn)備用申報(bào)電量。

相比于自調(diào)度模式，ISO 半調(diào)度模式在抽水蓄能出力曲線優(yōu)化中考慮了火電機(jī)組的成本報(bào)價(jià)，有助于實(shí)現(xiàn)更大的社會(huì)效益，但也可能會(huì)降低抽水蓄能機(jī)組自身的運(yùn)行收益。相比于ISO 全調(diào)度模式，半調(diào)度模式無(wú)須考慮抽水蓄能機(jī)組的運(yùn)行工況約束，簡(jiǎn)化了出清模型的復(fù)雜性，提高了出清速度，但由于抽水蓄能機(jī)組的發(fā)電、抽水報(bào)價(jià)并不能夠反映真實(shí)的成本，因此，優(yōu)化得到的最小成本也不代表系統(tǒng)實(shí)際的最小發(fā)電成本。目前，半調(diào)度模式在美國(guó)除PJM 外的所有ISO 中都得到了廣泛應(yīng)用。

3 算例分析

3.1 模型介紹

以某地區(qū)抽水蓄能和火電機(jī)組聯(lián)合調(diào)度為例，設(shè)調(diào)度周期為24 h，日前優(yōu)化時(shí)間尺度為1 h。該地區(qū)包含5 臺(tái)火電機(jī)組和1 臺(tái)抽水蓄能機(jī)組?；痣姍C(jī)組總裝機(jī)容量為1 530 MW，在日前市場(chǎng)中，提交5 段電能量報(bào)價(jià)和單段調(diào)頻、旋轉(zhuǎn)備用報(bào)價(jià)，報(bào)價(jià)參數(shù)如附錄A 表A1 和表A2 所示，并假設(shè)機(jī)組報(bào)價(jià)反映了真實(shí)成本；抽水蓄能機(jī)組的最大發(fā)電容量為60 MW，最小發(fā)電容量為24 MW，抽水容量恒為60 MW，發(fā)電和抽水循環(huán)效率為0.8，最大和最小庫(kù)容分別為1 GW·h 和100 MW·h；該地區(qū)日前預(yù)測(cè)最高負(fù)荷為1 060 MW；最低負(fù)荷為628 MW；調(diào)頻需求和運(yùn)行備用需求分別取日前預(yù)測(cè)負(fù)荷的3%和5%。

仿真計(jì)算機(jī)的CPU 型號(hào)為Intel Core（TM）i5，主頻為1.6 GHz，內(nèi)存為8 GB，在MATLAB 平臺(tái)調(diào)用GUROBI 優(yōu)化軟件求解優(yōu)化模型。

以抽水蓄能未參與時(shí)的場(chǎng)景作為參考場(chǎng)景，求解1.2 節(jié)所建立的現(xiàn)貨市場(chǎng)日前出清模型，得到火電機(jī)組電能量和輔助服務(wù)出力安排和市場(chǎng)電價(jià)，其中日前市場(chǎng)電價(jià)和負(fù)荷預(yù)測(cè)曲線如圖1 所示，電能量?jī)r(jià)格曲線和負(fù)荷預(yù)測(cè)曲線呈現(xiàn)高度的吻合性，峰谷價(jià)差為24 美元/MW。

圖1 抽水蓄能參與前的日前市場(chǎng)電價(jià)及負(fù)荷預(yù)測(cè)曲線Fig.1 Curves of day-ahead electricity price and load forecasting before pumped storage participation

系統(tǒng)總成本（即火電機(jī)組運(yùn)行總成本）為530 290 美元，其中，啟動(dòng)成本為0，空載成本、發(fā)電成本、調(diào)頻成本和旋轉(zhuǎn)備用成本分別為34 800、489 147、4 258 和2 085 美元。由于火電機(jī)組單次啟動(dòng)成本較高，因此，即使在負(fù)荷低谷期，火電機(jī)組仍會(huì)避免停機(jī)，而選擇運(yùn)行在最小技術(shù)出力水平，使得優(yōu)化周期內(nèi)空載成本較高，而啟動(dòng)成本始終為0。

3.2 抽水蓄能不同調(diào)度模式下的結(jié)果分析

3.2.1 全調(diào)度模式下優(yōu)化結(jié)果分析

全調(diào)度模式下，求解2.3 節(jié)所建立的含抽水蓄能的現(xiàn)貨市場(chǎng)日前出清模型，抽水蓄能優(yōu)化出力及日前市場(chǎng)電價(jià)曲線如圖2 所示。

圖2 全調(diào)度模式下抽水蓄能優(yōu)化出力和日前市場(chǎng)電價(jià)曲線Fig.2 Curves of optimized output of pumped storage and day-ahead electricity price in full-dispatch mode

抽水蓄能在08:00 至18:00 發(fā)電，在01:00 至05:00 和21:00 至24:00 抽水。發(fā)電時(shí)段和抽水時(shí)段分別為負(fù)荷最高和最低的時(shí)段，且發(fā)電功率與負(fù)荷值呈正相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明全調(diào)度模式下抽水蓄能的電能量?jī)?yōu)化出力與負(fù)荷預(yù)測(cè)曲線有高度的相關(guān)性。抽水蓄能的參與能夠有效發(fā)揮削峰填谷的作用，降低系統(tǒng)的峰谷價(jià)差，由抽水蓄能參與前的24 美元/MW 降 為23 美元/MW。

輔助服務(wù)電價(jià)較低的主要原因是系統(tǒng)的剩余輔助服務(wù)容量需求在抽水蓄能參與后顯著降低，使得輔助服務(wù)容量?jī)r(jià)格由供應(yīng)成本較低的邊際火電機(jī)組決定。對(duì)于旋轉(zhuǎn)備用服務(wù)，由于部分時(shí)段抽水蓄能機(jī)組能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)全部旋轉(zhuǎn)備用容量需求，因此，在對(duì)應(yīng)時(shí)段中旋轉(zhuǎn)備用市場(chǎng)出清價(jià)格為0。

全調(diào)度模式下，抽水蓄能機(jī)組按照日前市場(chǎng)電價(jià)結(jié)算的運(yùn)行收益為2 772 美元。其中，電能量市場(chǎng)、調(diào)頻市場(chǎng)和旋轉(zhuǎn)備用市場(chǎng)容量收益分別為1 992、648 和132 美元。系統(tǒng)總成本為525 070 美元，較抽水蓄能參與前減少了5 220 美元，說(shuō)明抽水蓄能可以帶來(lái)5 220 美元的系統(tǒng)效益。

3.2.2 自調(diào)度模式下優(yōu)化結(jié)果分析

以全調(diào)度模式下的電價(jià)作為自調(diào)度模式下抽水蓄能運(yùn)營(yíng)商的預(yù)測(cè)電價(jià)，以運(yùn)營(yíng)商的電能量、輔助服務(wù)預(yù)測(cè)收益最大為目標(biāo)，求解2.2 節(jié)建立的抽水蓄能自調(diào)度模型，得到抽水蓄能電能量和輔助服務(wù)的優(yōu)化出力安排。此時(shí)，運(yùn)營(yíng)商的預(yù)測(cè)運(yùn)行收益將達(dá)到3 384 美元，遠(yuǎn)高于全調(diào)度模式下的運(yùn)行收益。

將優(yōu)化得到的抽水蓄能出力安排作為日前市場(chǎng)出清的邊界條件，代入求解1.2 節(jié)的現(xiàn)貨市場(chǎng)出清模型，得到火電機(jī)組日前出力安排和實(shí)際電價(jià)曲線?；谙到y(tǒng)實(shí)際電價(jià)曲線，計(jì)算可知抽水蓄能的實(shí)際運(yùn)行收益僅有1 140 美元，其中，電能量收益為636 美元，較預(yù)測(cè)收益降低了1 884 美元，主要原因是實(shí)際電能量?jī)r(jià)格和預(yù)測(cè)價(jià)格存在較大誤差，電價(jià)曲線對(duì)比如圖3 所示，預(yù)測(cè)電價(jià)和實(shí)際電價(jià)的平均絕對(duì)百分比誤差（mean absolute percentage error，MAPE）達(dá)到14.9%［34］。

圖3 自調(diào)度模式下電能量預(yù)測(cè)價(jià)格和實(shí)際價(jià)格曲線Fig.3 Curves of predicted energy price and actual price in self-dispatch mode

抽水蓄能運(yùn)營(yíng)商的電價(jià)預(yù)測(cè)誤差不但影響著抽水蓄能自身的運(yùn)行收益，也影響著系統(tǒng)的運(yùn)行成本。在自調(diào)度模式下，系統(tǒng)總成本為532 451 美元，較抽水蓄能未參與時(shí)的系統(tǒng)成本仍要高2 161 美元。這是因?yàn)殡妰r(jià)信號(hào)近似反映了系統(tǒng)的實(shí)際供需情況，電價(jià)預(yù)測(cè)誤差較大時(shí)，運(yùn)營(yíng)商做出的抽水蓄能出力決策不但無(wú)法充分發(fā)揮抽水蓄能削峰填谷的作用，還減少了火電機(jī)組可行的出力曲線優(yōu)化空間，造成系統(tǒng)成本的增加。

3.2.3 半調(diào)度模式下優(yōu)化結(jié)果分析

基于自調(diào)度模式下抽水蓄能的優(yōu)化出力曲線設(shè)置半調(diào)度模式下的電能量和輔助服務(wù)報(bào)價(jià)。針對(duì)電能量報(bào)價(jià)，將自調(diào)度模式下優(yōu)化確定的發(fā)電時(shí)段設(shè)置為半調(diào)度模式下的發(fā)電窗口，發(fā)電報(bào)價(jià)取全調(diào)度模式下峰值電價(jià)的80%，即32.8 美元/MW；將自調(diào)度模式下優(yōu)化確定的抽水時(shí)段設(shè)置為半調(diào)度模式下的抽水窗口，抽水報(bào)價(jià)取全調(diào)度模式下谷值電價(jià)的1.2 倍，即21.6 美元/MW。針對(duì)輔助服務(wù)報(bào)價(jià)，將自調(diào)度模式下優(yōu)化確定的調(diào)頻時(shí)段、旋轉(zhuǎn)備用時(shí)段設(shè)置為半調(diào)度模式下的申報(bào)時(shí)段，申報(bào)容量與自調(diào)度中標(biāo)結(jié)果保持一致，調(diào)頻和旋轉(zhuǎn)備用申報(bào)價(jià)格分別設(shè)置為4 美元/MW 和2 美元/MW。

以火電機(jī)組、抽水蓄能機(jī)組的總報(bào)價(jià)成本最小為目標(biāo)，求解2.4 節(jié)所建立的含抽水蓄能的現(xiàn)貨市場(chǎng)日前出清模型。計(jì)算可知，抽水蓄能機(jī)組按照日前市場(chǎng)電價(jià)結(jié)算的運(yùn)行收益為3 102 美元，系統(tǒng)帶來(lái)的效益為4 316 美元，遠(yuǎn)高于自調(diào)度模式下的運(yùn)行收益和系統(tǒng)效益值，說(shuō)明半調(diào)度模式能夠修正自調(diào)度模式下運(yùn)營(yíng)商電價(jià)預(yù)測(cè)誤差導(dǎo)致的不合理的優(yōu)化出力結(jié)果，從而為運(yùn)營(yíng)商和整個(gè)系統(tǒng)帶來(lái)更大的效益。與全調(diào)度模式相比，半調(diào)度模式下抽水蓄能運(yùn)營(yíng)商的運(yùn)行收益更高，但為系統(tǒng)帶來(lái)的運(yùn)行效益較低，這一結(jié)果也由調(diào)度模型的優(yōu)化目標(biāo)所決定。

3.2.4 不同調(diào)度模式下系統(tǒng)運(yùn)行指標(biāo)對(duì)比分析

對(duì)抽水蓄能不同調(diào)度模式下系統(tǒng)的運(yùn)行指標(biāo)進(jìn)行匯總，如表3 所示，表中仿真時(shí)間指程序執(zhí)行機(jī)組組合的時(shí)間，不包括數(shù)據(jù)導(dǎo)入、輸出及處理的時(shí)間。

表3 抽水蓄能不同調(diào)度模式下的系統(tǒng)運(yùn)行指標(biāo)Table 3 System operation indices in different dispatch modes of pumped storage

通過(guò)對(duì)比可知，全調(diào)度模式下抽水蓄能有最高的系統(tǒng)效益，運(yùn)行收益也處于較高水平，說(shuō)明這一模式能夠在保障運(yùn)營(yíng)商收益的同時(shí)實(shí)現(xiàn)全社會(huì)福利的最大化，但全調(diào)度模式對(duì)系統(tǒng)出清軟件提出了較高的技術(shù)要求。在所有調(diào)度模式中運(yùn)行的仿真時(shí)間最長(zhǎng)，當(dāng)抽水蓄能機(jī)組數(shù)量較多時(shí)，運(yùn)行時(shí)間將成倍增加。

自調(diào)度模式下抽水蓄能的運(yùn)行收益和系統(tǒng)效益最低，這是因?yàn)檫\(yùn)營(yíng)商的預(yù)測(cè)電價(jià)存在一定誤差，無(wú)法實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)商在優(yōu)化模型中確定的運(yùn)行收益最高的目標(biāo)。由于自調(diào)度模型下抽水蓄能出力曲線作為日前市場(chǎng)出清的邊界條件，市場(chǎng)出清難度較低，因此，仿真時(shí)間較短，與抽水蓄能未參與時(shí)的時(shí)間基本相同。當(dāng)運(yùn)營(yíng)商的電價(jià)預(yù)測(cè)精度較高時(shí)，可考慮使用抽水蓄能的自調(diào)度模型。

半調(diào)度模式下運(yùn)營(yíng)商的運(yùn)行收益最高，說(shuō)明其能有效修正自調(diào)度模式下的電價(jià)預(yù)測(cè)誤差問(wèn)題，在為運(yùn)營(yíng)商帶來(lái)更高收益的同時(shí)也為系統(tǒng)帶來(lái)了較高的運(yùn)行效益。由于半調(diào)度模式相比于全調(diào)度模式而言減少了抽水蓄能決策變量和相關(guān)約束的數(shù)量，因此，仿真時(shí)間也明顯降低。

此外，全調(diào)度和半調(diào)度模式下抽水蓄能的運(yùn)行收益都低于系統(tǒng)效益，即抽水蓄能參與市場(chǎng)獲得的收益低于其為系統(tǒng)帶來(lái)的真實(shí)價(jià)值。從電能量市場(chǎng)分析，這是因?yàn)槌樗钅艿南鞣逄罟刃?yīng)在降低市場(chǎng)峰谷電價(jià)差的同時(shí)，也減少了抽水蓄能通過(guò)峰谷電價(jià)差進(jìn)行套利獲得的收益。在抽水蓄能容量較大的極端情況下，還可能造成市場(chǎng)峰谷電價(jià)相等的情況。

3.3 電價(jià)預(yù)測(cè)精度對(duì)調(diào)度結(jié)果的影響分析

在自調(diào)度模式和半調(diào)度模式下，運(yùn)營(yíng)商的電價(jià)預(yù)測(cè)精度會(huì)影響抽水蓄能的優(yōu)化出力安排，進(jìn)而影響抽水蓄能的運(yùn)行收益和系統(tǒng)效益。本節(jié)基于運(yùn)營(yíng)商對(duì)電能量?jī)r(jià)格的預(yù)測(cè)，計(jì)算分析2 種模式下不同預(yù)測(cè)精度對(duì)運(yùn)行結(jié)果的具體影響。由于輔助服務(wù)收益規(guī)模較小，在本小節(jié)中不做考慮，即調(diào)度模型中不考慮輔助服務(wù)交易品種。

以全調(diào)度模式下的電能量?jī)r(jià)格作為自調(diào)度模式下的預(yù)測(cè)基準(zhǔn)電能量?jī)r(jià)格，并采用如下方法構(gòu)造多種預(yù)測(cè)電價(jià)場(chǎng)景:①設(shè)各時(shí)段預(yù)測(cè)電價(jià)服從正態(tài)分布，均值為預(yù)測(cè)基準(zhǔn)電價(jià)，標(biāo)準(zhǔn)差為基準(zhǔn)電價(jià)的15%，用拉丁超立方抽樣法生成10 000 種場(chǎng)景；②計(jì)算每種預(yù)測(cè)電價(jià)場(chǎng)景的基準(zhǔn)預(yù)測(cè)誤差，用以預(yù)測(cè)電價(jià)與基準(zhǔn)電價(jià)的MAPE；③將MAPE 值由小到大排列，等比例選取4 個(gè)預(yù)測(cè)電價(jià)場(chǎng)景進(jìn)行分析，基準(zhǔn)預(yù)測(cè)誤差分別為5%、10%、15%和20%。

僅考慮電能量市場(chǎng)時(shí)，由于抽水蓄能容量在總發(fā)電量中的比例較小，可以認(rèn)為抽水蓄能在市場(chǎng)中作為理想的價(jià)格接受者，即預(yù)測(cè)基準(zhǔn)場(chǎng)景下實(shí)際電價(jià)預(yù)測(cè)誤差為0。分別計(jì)算不同電價(jià)預(yù)測(cè)場(chǎng)景下運(yùn)營(yíng)商在自調(diào)度模式和半調(diào)度模式中的優(yōu)化運(yùn)行結(jié)果，如表4 所示。

表4 不同預(yù)測(cè)場(chǎng)景下自調(diào)度和半調(diào)度的結(jié)果對(duì)比Table 4 Comparison of self-dispatch and semidispatch results in different prediction scenarios

通過(guò)對(duì)比可知，在同一個(gè)電價(jià)預(yù)測(cè)場(chǎng)景中，半調(diào)度模式下抽水蓄能的運(yùn)行收益和系統(tǒng)效益較自調(diào)度模式均有所提高。若運(yùn)營(yíng)商的電價(jià)預(yù)測(cè)誤差較大，2 種調(diào)度模式下運(yùn)營(yíng)商都面臨著較大的收益損失風(fēng)險(xiǎn)，為系統(tǒng)帶來(lái)的運(yùn)行效益也易偏低，因此，通過(guò)提高電價(jià)預(yù)測(cè)精度，能夠?yàn)檫\(yùn)營(yíng)商和系統(tǒng)帶來(lái)更高的收益和效益。

4 總結(jié)和啟示

4.1 美國(guó)抽水蓄能調(diào)度模式總結(jié)

美國(guó)電力市場(chǎng)環(huán)境下抽水蓄能3 種調(diào)度模式的區(qū)別主要體現(xiàn)在運(yùn)營(yíng)商申報(bào)量、出力曲線優(yōu)化目標(biāo)和出清技術(shù)難度。其中，優(yōu)化目標(biāo)又決定了抽水蓄能運(yùn)行收益和系統(tǒng)效益的高低。3 種模式的總結(jié)和比較如表5 所示。

表5 美國(guó)抽水蓄能3 種調(diào)度模式比較Table 5 Comparison of three scheduling modes of pumped storage in USA

自調(diào)度模式是抽水蓄能運(yùn)營(yíng)商可以自主選擇的一種調(diào)度模式。這一模式將抽水蓄能出力曲線作為日前市場(chǎng)出清邊界條件處理，簡(jiǎn)化了ISO 的出清工作，也有利于運(yùn)營(yíng)商發(fā)揮主觀能動(dòng)性。通過(guò)精確預(yù)測(cè)電價(jià)制定最優(yōu)出力曲線，實(shí)現(xiàn)最高的市場(chǎng)收益，但自調(diào)度模式無(wú)法實(shí)現(xiàn)社會(huì)福利的最大化，并且電價(jià)預(yù)測(cè)精度也直接影響著運(yùn)營(yíng)商的收益。預(yù)測(cè)精度既與運(yùn)營(yíng)商的預(yù)測(cè)技術(shù)相關(guān)，又與電網(wǎng)企業(yè)披露的信息范圍相關(guān)。若電網(wǎng)企業(yè)向抽水蓄能運(yùn)營(yíng)商披露的交易信息和運(yùn)行信息較為充分，長(zhǎng)期而言能夠激勵(lì)運(yùn)營(yíng)商投資和運(yùn)營(yíng)抽水蓄能電站。

與自調(diào)度模式相反，全調(diào)度模式下抽水蓄能出力曲線完全由ISO 優(yōu)化確定，能夠?qū)崿F(xiàn)社會(huì)福利的最大化，同時(shí)避免了抽水蓄能運(yùn)營(yíng)商由于電價(jià)預(yù)測(cè)誤差導(dǎo)致的收益損失風(fēng)險(xiǎn)，但出清技術(shù)難度增大。目前，美國(guó)僅有PJM 市場(chǎng)采用這一調(diào)度模式，其他ISO 主要采用半調(diào)度模式，將抽水蓄能機(jī)組看成是特定時(shí)段的發(fā)電機(jī)組和負(fù)荷，以總報(bào)價(jià)成本最小進(jìn)行優(yōu)化出清，能夠有效減低出清技術(shù)難度，同時(shí)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行收益和系統(tǒng)效益的較優(yōu)。

綜上所述，半調(diào)度模式和全調(diào)度模式間的選擇主要取決于ISO 的優(yōu)化目標(biāo)及市場(chǎng)出清技術(shù)的成熟度。若ISO 希望同時(shí)兼顧運(yùn)營(yíng)商的運(yùn)行收益和系統(tǒng)效益，半調(diào)度模式是更為合適的選擇；若ISO 有較為成熟的出清軟件支撐，希望實(shí)現(xiàn)全社會(huì)效益最大化，則可以考慮全調(diào)度模式。自調(diào)度模式作為運(yùn)營(yíng)商可以自主選擇的一種調(diào)度模式，與全調(diào)度模式、半調(diào)度模式相兼容，若運(yùn)營(yíng)商的電價(jià)預(yù)測(cè)較為精確，采用自調(diào)度模式可以獲得更高的收益，但也面臨較大的收益損失風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 中國(guó)抽水蓄能調(diào)度模式啟示

目前，中國(guó)抽水蓄能主要由電網(wǎng)投資和運(yùn)營(yíng)，服務(wù)于電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，由電網(wǎng)企業(yè)根據(jù)調(diào)度經(jīng)驗(yàn)安排抽發(fā)行為。抽水蓄能采取兩部制電價(jià)機(jī)制:容量電價(jià)主要彌補(bǔ)電站建設(shè)和運(yùn)行固定成本以及準(zhǔn)許收益；電量電價(jià)主要彌補(bǔ)運(yùn)行抽發(fā)損耗等變動(dòng)成本，容量電費(fèi)和運(yùn)行抽發(fā)損耗費(fèi)用納入受益省級(jí)電網(wǎng)（或區(qū)域電網(wǎng)）運(yùn)行費(fèi)用統(tǒng)一核算，并作為銷(xiāo)售電價(jià)調(diào)整因素統(tǒng)籌考慮。

由于現(xiàn)階段中國(guó)電力現(xiàn)貨市場(chǎng)機(jī)制尚不成熟，抽水蓄能采用電網(wǎng)統(tǒng)一運(yùn)營(yíng)模式和兩部制電價(jià)機(jī)制是一種權(quán)宜之計(jì)。隨著電能量現(xiàn)貨市場(chǎng)和輔助服務(wù)市場(chǎng)的成熟運(yùn)行，電力電量的商品屬性逐步體現(xiàn)，抽水蓄能以獨(dú)立主體參與電力市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)并獲得相應(yīng)收入是運(yùn)營(yíng)的新常態(tài)。

在抽水蓄能參與市場(chǎng)的環(huán)境下，抽水蓄能調(diào)度模式的設(shè)計(jì)取決于市場(chǎng)機(jī)制的成熟度。一個(gè)成熟的電力市場(chǎng)通常具有多樣化的電力交易品種、反映真實(shí)供需關(guān)系的市場(chǎng)電價(jià)、充分的信息披露體系和高效的市場(chǎng)出清技術(shù)，市場(chǎng)成員對(duì)市場(chǎng)的認(rèn)知程度也足夠高。由于抽水蓄能的投資建設(shè)周期較長(zhǎng)，結(jié)合中國(guó)電力市場(chǎng)的建設(shè)進(jìn)程，有理由認(rèn)為待第三方市場(chǎng)成員投資的抽水蓄能投入運(yùn)營(yíng)后，中國(guó)已經(jīng)建立了較為完善的電力市場(chǎng)機(jī)制，抽水蓄能可采用全調(diào)度或半調(diào)度模式進(jìn)行出力曲線的優(yōu)化確定，實(shí)現(xiàn)較高的運(yùn)行收益和系統(tǒng)效益。

此外，隨著可再生能源的滲透日益普及，系統(tǒng)對(duì)抽水蓄能等靈活調(diào)節(jié)資源的需求也日益增大。抽水蓄能機(jī)組在利用峰谷價(jià)差進(jìn)行套利的同時(shí)也降低了峰谷價(jià)差，因此，抽水蓄能收益低于真實(shí)系統(tǒng)效益，為更好地激勵(lì)抽水蓄能參與市場(chǎng)，電網(wǎng)企業(yè)還需設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的激勵(lì)機(jī)制，例如:將抽水蓄能為系統(tǒng)帶來(lái)的系統(tǒng)效益返還部分給抽水蓄能運(yùn)營(yíng)商，實(shí)現(xiàn)抽水蓄能的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)。

5 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前中國(guó)抽水蓄能主要由電網(wǎng)負(fù)責(zé)運(yùn)營(yíng)，在能源轉(zhuǎn)型和電力體制改革的背景下，抽水蓄能參與電力市場(chǎng)是一種新的趨勢(shì)。研究抽水蓄能參與市場(chǎng)后的調(diào)度模式，是中國(guó)抽水蓄能運(yùn)營(yíng)發(fā)展的一項(xiàng)重要任務(wù)。論文分別介紹了美國(guó)抽水蓄能參與市場(chǎng)的自調(diào)度、全調(diào)度和半調(diào)度模型，分析了3 種調(diào)度模式的優(yōu)缺點(diǎn)，并用算例對(duì)比了3 種調(diào)度模式在運(yùn)營(yíng)商運(yùn)行收益、系統(tǒng)效益和仿真時(shí)間的區(qū)別。最后，基于美國(guó)抽水蓄能調(diào)度模式的總結(jié)，提出了中國(guó)電力市場(chǎng)環(huán)境下抽水蓄能調(diào)度模式的啟示。

通過(guò)學(xué)習(xí)美國(guó)電力市場(chǎng)的成功經(jīng)驗(yàn)，希望能給中國(guó)抽水蓄能的市場(chǎng)建設(shè)提供有益的幫助，歐洲許多國(guó)家也已經(jīng)建立了較為完善的抽水蓄能調(diào)度模式，研究并總結(jié)其對(duì)中國(guó)抽水蓄能調(diào)度模式的啟示是后續(xù)研究的方向。

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