川渝電網(wǎng)聯(lián)合跨省調(diào)峰模式研究

王 浩，夏遠洋，吳智宇，陳英豪

(雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610051)

近年來，四川、重慶負荷增長較快，峰谷差逐步增大。隨著新能源裝機的快速增長，系統(tǒng)調(diào)峰困難問題進一步加劇[1]。川渝電網(wǎng)中，重慶裝機以火電為主，電力供應(yīng)呈現(xiàn)“冬夏偏緊，其余寬松”態(tài)勢；四川裝機以水電為主，枯水期電力供應(yīng)不足，豐水期大量棄水，清潔能源消納困難。為充分利用電力資源，促進電力平衡和清潔能源消納，有必要對川渝電網(wǎng)聯(lián)合跨省調(diào)峰進行研究。

我國學者對區(qū)域電力系統(tǒng)調(diào)峰機制進行了深入的研究。文獻[2]研究了網(wǎng)省兩級調(diào)度模式下常規(guī)水電、火電、核電、抽水蓄能等多種電源聯(lián)合調(diào)峰的方法，使用該方法進行了實例分析，結(jié)果表明可大幅度削減各電網(wǎng)負荷峰谷差。文獻[3]分析了東北電網(wǎng)調(diào)峰輔助服務(wù)市場設(shè)計的原則、理念，介紹了市場規(guī)則、運作流程，對市場運行效果進行了分析。文獻[4]介紹了華東電網(wǎng)調(diào)峰輔助服務(wù)市場運營規(guī)則，對市場出清機制、費用分攤方式等問題進行了探討。文獻[5-6]研究了區(qū)域電網(wǎng)的調(diào)峰輔助服務(wù)交易機制，對市場出清模型進行了研究。

目前的研究文獻對區(qū)域電網(wǎng)聯(lián)合調(diào)峰的模型、調(diào)峰輔助服務(wù)的出清定價機制等做了較為深入的研究，但對省間調(diào)峰輔助服務(wù)的交易方案、出清定價、結(jié)算方式等完整的交易模式的研究較少。本文分析了川渝電網(wǎng)的裝機構(gòu)成和電力平衡現(xiàn)狀，針對性的提出了川渝電網(wǎng)的省間調(diào)峰輔助服務(wù)交易模式，構(gòu)建了出清模型，給出了省間調(diào)峰市場方案，算例表明所提模型和方案是有效的。

1 川渝電網(wǎng)基本現(xiàn)狀

1.1 四川電網(wǎng)基本現(xiàn)狀

1.1.1 裝機容量

四川省水力資源豐富，是我國重要的水電基地。截至2020年底，全省裝機容量101 050 MW。從調(diào)度層級來看，國調(diào)機組23 100 MW，網(wǎng)調(diào)機組3 300 MW，省調(diào)機組60 924 MW，地調(diào)機組13 726 MW。省調(diào)機組中：水電41 926 MW、火電12 460 MW、風電4 260 MW、太陽能1 690 MW。2020年四川省發(fā)電裝機結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 2020年四川省發(fā)電裝機結(jié)構(gòu)圖

1.1.2 電力平衡情況

四川電網(wǎng)呈現(xiàn)“豐余枯缺”的供需形態(tài)，豐水期電力外送后仍有富余，水電大量棄水，枯水期電力供應(yīng)不足，需要外購電以滿足省內(nèi)用電需求，夏季尖峰時段電力供應(yīng)緊張，須增開火電機組頂峰。

2020年四川電網(wǎng)最高用電負荷47 010 MW，平均峰谷差約17 000 MW，平均峰谷差率37%。

1.2 重慶電網(wǎng)基本現(xiàn)狀

1.2.1 裝機容量

重慶裝機以火電為主。截至2020年底，重慶統(tǒng)調(diào)裝機容量為20 043 MW，其中水電4 834 MW、火電13 647 MW、新能源1 561 MW。2020年重慶統(tǒng)調(diào)發(fā)電裝機結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 2020年重慶發(fā)電裝機結(jié)構(gòu)圖

1.2.2 電力平衡情況

重慶跨省區(qū)電力交易以外購為主，電力供需呈現(xiàn)“冬夏偏緊，其余寬松”態(tài)勢，局部時段電力供應(yīng)緊張，高峰時段備用不足，電網(wǎng)峰谷差較大，低谷調(diào)峰困難。

2020，重慶統(tǒng)調(diào)最高負荷21 880 MW，平均峰谷差約5 000 MW，平均峰谷差率40%。

2 川渝電網(wǎng)聯(lián)合調(diào)峰分析

2.1 川渝電網(wǎng)調(diào)峰現(xiàn)狀

四川電網(wǎng)汛期調(diào)峰較為困難，夏季尖峰時段電力供應(yīng)緊張，低谷時段電力嚴重富余，水電由于參與調(diào)峰損失較大。四川目前仍采用“兩個細則”進行調(diào)峰輔助服務(wù)的考核和補償，調(diào)峰資源調(diào)配的公平性和有效性不高，水電調(diào)峰棄水電量高居不下，汛期清潔能源難以消納。

重慶電網(wǎng)深度調(diào)峰比較困難，低谷調(diào)峰問題嚴重。目前已建立了調(diào)峰輔助服務(wù)市場，2019-06-01日正式啟動運行。從運行的效果來看，采用市場化的方式調(diào)配市內(nèi)調(diào)峰資源，激勵了火電機組充分挖掘調(diào)峰潛力，火電申報的調(diào)峰能力較市場啟動前大為提高，一定程度上緩解了電網(wǎng)低谷調(diào)峰的壓力。

2.2 調(diào)峰問題原因分析

四川電網(wǎng)水電裝機占比大，由于水電機組啟停迅速、調(diào)節(jié)靈活，調(diào)峰問題總體并不嚴重，但汛期水電調(diào)峰就要棄水，水電參與調(diào)峰的損失較大。

重慶電網(wǎng)以火電為主，主要燃煤機組調(diào)峰幅度在37%～45%額定出力，調(diào)峰能力普遍不高，而電網(wǎng)峰谷差大，近年平均峰谷差率在40%左右，最大峰谷差超過50%，加上水電來水比較集中，外購電基本不參與調(diào)峰，所以調(diào)峰比較困難。

目前，重慶和四川的調(diào)峰資源沒有實現(xiàn)跨省調(diào)劑，一定程度上加重了川渝電網(wǎng)調(diào)峰問題的嚴重性。

2.3 聯(lián)合調(diào)峰的可行性

從政策層面看，國家能源局在積極推進跨省跨區(qū)電力輔助服務(wù)補償機制建設(shè)，明確跨省區(qū)電網(wǎng)可探索建立省間電力輔助服務(wù)市場。目前，國內(nèi)東北、華東等地已建成了區(qū)域電網(wǎng)調(diào)峰輔助服務(wù)市場，運行情況良好，為跨省區(qū)聯(lián)合調(diào)峰積累了寶貴經(jīng)驗[3-4]。

四川電網(wǎng)、重慶電網(wǎng)均屬于國網(wǎng)西南分部管轄范圍，通過6回500 kV交流輸電線路相連，電力聯(lián)系緊密，具備聯(lián)合調(diào)峰的條件。裝機結(jié)構(gòu)上，四川電網(wǎng)火電、水電、新能源的裝機占比分別為16%、78%、6%，重慶電網(wǎng)火電、水電、新能源的裝機占比分別為68%、24%、8%，兩者剛好可以互補。

綜合所述，四川、重慶兩地可通過川渝聯(lián)絡(luò)線跨省調(diào)劑調(diào)峰資源，促進系統(tǒng)電力平衡，川渝聯(lián)合調(diào)峰具備可行性。

3 川渝電網(wǎng)聯(lián)合調(diào)峰模式構(gòu)建

3.1 聯(lián)合調(diào)峰機制

探索采用市場化方式聯(lián)合調(diào)峰，實現(xiàn)川渝地區(qū)調(diào)峰資源省間互濟。西南調(diào)控分中心負責開展跨省調(diào)峰，各省級調(diào)控中心負責開展省內(nèi)調(diào)峰?？缡≌{(diào)峰交易品種為省間降荷調(diào)峰交易，以機組調(diào)減出力為標的，可在日前和日內(nèi)開展。買方為備用不足省的發(fā)電企業(yè)，由省級電力調(diào)控中心代理申報[6]，賣方為調(diào)峰能力充裕省的燃煤火電及其他具備調(diào)峰能力的發(fā)電企業(yè)[7]。

買方省級調(diào)控中心申報富余外送需求曲線，賣方發(fā)電企業(yè)申報電力電價調(diào)峰曲線，電力為可以提供的下調(diào)幅度，電價為期望獲得的補償價格。采用分時段集中競價、統(tǒng)一邊際價格出清機制，形成出清價格及中標調(diào)峰電力。當存在多個發(fā)電企業(yè)申報價格等于邊際出清價格時，中標調(diào)峰電力按該價格下各發(fā)電企業(yè)的申報電力比例分配。當省間聯(lián)絡(luò)線輸送能力小于需求時，調(diào)峰需求電力按省間聯(lián)絡(luò)線最大輸送能力修正[6]。出清結(jié)果經(jīng)安全校核后下發(fā)執(zhí)行。賣方機組調(diào)減出力提供調(diào)峰輔助服務(wù)獲取補償費用，扣除相應(yīng)的發(fā)電計劃。該補償費用由買方電網(wǎng)公司相關(guān)發(fā)電企業(yè)按照交易時段內(nèi)調(diào)峰不足而多發(fā)電量的比例分攤[8]。

3.1.1 目標函數(shù)

市場報價為調(diào)峰輔助服務(wù)提供方期望獲得的補償價格，報價低的機組優(yōu)先中標，目標函數(shù)為系統(tǒng)產(chǎn)生的調(diào)峰補償費用最?。?/p>

(1)

式中：Ci,s為機組i申報的分段s的補償價格；Bi,t,s為機組i在時段t內(nèi)分段s的中標調(diào)峰電力；N為調(diào)峰輔助服務(wù)申報機組總臺數(shù)；T為總時段數(shù)；M為報價的總段數(shù)[6]。

3.1.2 約束條件

(2)

式中，Dt為在t時段系統(tǒng)的調(diào)峰需求。

2)機組調(diào)峰能力約束。機組的調(diào)峰幅度不能超過其調(diào)峰能力：

(3)

3)爬坡滑坡約束。機組爬坡滑坡速率需滿足要求：

(4)

(5)

4)斷面潮流約束。調(diào)峰輔助服務(wù)市場出清后，中標機組的發(fā)電出力和省間聯(lián)絡(luò)線的交換功率會在原始計劃的基礎(chǔ)上發(fā)生調(diào)整，功率調(diào)整量會對網(wǎng)絡(luò)潮流分布產(chǎn)生影響[6]。斷面潮流約束可表示為

(6)

3.1.3 模型求解

省間調(diào)峰市場出清模型為線性模型，可選用成熟的數(shù)學軟件進行該模型的求解，本文采用Cplex軟件進行計算。

3.2 川渝省間調(diào)峰市場方案

3.2.1 市場成員

市場成員包括市場運營機構(gòu)和市場主體。市場運營機構(gòu)為西南分中心和有關(guān)省級電力調(diào)度機構(gòu)，市場主體包括西南分中心直調(diào)發(fā)電企業(yè)、省調(diào)直調(diào)發(fā)電企業(yè)和有關(guān)電網(wǎng)企業(yè)。

西南分中心負責管理和運營西南電力調(diào)峰輔助服務(wù)市場，依據(jù)市場規(guī)則組織跨省調(diào)峰輔助服務(wù)交易，開展跨省調(diào)峰輔助服務(wù)結(jié)算服務(wù)，并對省間斷面輸電能力開展安全校核。

省級電力調(diào)度機構(gòu)配合西南分中心運營西南電力調(diào)峰輔助服務(wù)市場，開展本省發(fā)用電平衡預測，及時申報調(diào)峰購買需求，開展省內(nèi)斷面輸電能力安全校核，合理安排電網(wǎng)運行方式，保障交易結(jié)果執(zhí)行。

省級電力交易機構(gòu)負責提供交易結(jié)算依據(jù)，開展省內(nèi)調(diào)峰輔助服務(wù)結(jié)算服務(wù)。

發(fā)電企業(yè)按市場規(guī)則參與西南電力調(diào)峰輔助服務(wù)市場，根據(jù)市場出清結(jié)果履行合同。

省級電網(wǎng)企業(yè)按照市場規(guī)則參與西南電力調(diào)峰輔助服務(wù)市場，提供輸電服務(wù)，按照結(jié)算依據(jù)與有關(guān)市場主體進行結(jié)算。

3.2.2 交易流程

川渝電網(wǎng)省間調(diào)峰輔助服務(wù)市場設(shè)計為包含日前市場和日內(nèi)市場。日前由省級調(diào)控中心申報次日96點調(diào)峰需求曲線，日內(nèi)由省級調(diào)控中心分時間段集中申報日內(nèi)調(diào)峰增量需求。報價可合理分檔并設(shè)置報價上限。

買方在西南調(diào)峰輔助服務(wù)市場申報調(diào)峰需求電力。賣方根據(jù)自身能力申報調(diào)峰電力電價。系統(tǒng)按照市場規(guī)則出清，西南分中心將出清結(jié)果納入省間聯(lián)絡(luò)線日前(實時調(diào)整)計劃，下發(fā)各省調(diào)度機構(gòu)。買方、賣方調(diào)度機構(gòu)接收西南分中心下發(fā)的省間聯(lián)絡(luò)線日前(實時調(diào)整)計劃、調(diào)峰輔助服務(wù)市場出清結(jié)果等數(shù)據(jù)，編制省內(nèi)機組日前(實時調(diào)整)計劃，經(jīng)安全校核后下發(fā)執(zhí)行[9]。交易流程圖如圖3所示。

圖3 省間調(diào)峰輔助服務(wù)交易流程圖

3.2.3 交易執(zhí)行

發(fā)電企業(yè)實際出力與市場出清結(jié)果出現(xiàn)偏差，所在省級調(diào)度機構(gòu)應(yīng)調(diào)整其他發(fā)電企業(yè)發(fā)電計劃，確保省間聯(lián)絡(luò)線上本市場交易結(jié)果嚴格執(zhí)行。提供調(diào)峰輔助服務(wù)的發(fā)電企業(yè)因機組缺陷等自身原因發(fā)電偏差超過發(fā)電計劃一定的標準時，可按以下原則處理：當調(diào)峰實際電量大于調(diào)峰中標電量時，按照市場出清結(jié)果結(jié)算，多調(diào)部分不予補償；當調(diào)峰實際電量小于調(diào)峰中標電量時，對調(diào)峰缺額電量部分進行考核，處以考核罰金；調(diào)峰缺額電量由其他發(fā)電企業(yè)提供，電網(wǎng)企業(yè)將考核罰金補償給參與聯(lián)絡(luò)線功率調(diào)整的其他發(fā)電企業(yè)。

3.2.4 交易結(jié)算

西南分中心負責提供調(diào)峰輔助服務(wù)市場出清結(jié)果、交易執(zhí)行情況，出具聯(lián)絡(luò)線和直調(diào)電廠結(jié)算依據(jù)，電網(wǎng)企業(yè)按電費結(jié)算關(guān)系對發(fā)電企業(yè)開展電費結(jié)算。調(diào)峰輔助服務(wù)費用實行日清月結(jié)、優(yōu)先結(jié)算，與當月電費結(jié)算同步進行。

4 算例分析

4.1 基本信息

以西南電網(wǎng)實際情況為基礎(chǔ)，暫不考慮西藏，將四川電網(wǎng)、重慶電網(wǎng)及相關(guān)斷面作等值簡化處理，電網(wǎng)簡化結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 川渝電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

川渝電網(wǎng)最大輸電能力按6 000 MW考慮。調(diào)峰輔助服務(wù)提供方機組的申報價格分為3檔，每個檔位的負荷率如表1所示。

某時段四川跨省調(diào)峰需求為260 MW，重慶調(diào)峰能力富余燃煤機組的申報信息如表2所示。

4.2 計算結(jié)果

采用CPLEX軟件求解，進行無約束優(yōu)化計算，出清結(jié)果如表3所示。

表3 出清結(jié)果

第1檔的邊際出清價格為160元/MW，第2檔的邊際出清價格為210元/MW，出清結(jié)果經(jīng)安全校核可以通過。

4.3 結(jié)果分析

由于調(diào)峰需求為260 MW，而申報的調(diào)峰輔助服務(wù)提供方機組第1檔的調(diào)峰能力為200 MW，第1、2檔的調(diào)峰能力合計為350 MW，報價較低的機組B、C可以中標第2檔，機組A僅可中標第1檔。由于機組B、C第2檔報價相同，中標的調(diào)峰電力按其在該檔位的調(diào)峰容量分配，分別為40、20 MW。該時段出清結(jié)果中標調(diào)峰電力的平均補償價格為171.5元/MW。

5 結(jié) 語

川渝電網(wǎng)峰谷差大，低谷調(diào)峰困難，隨著新能源裝機規(guī)模的快速增長，系統(tǒng)調(diào)峰和清潔能源消納的壓力進一步增大，現(xiàn)行僅以各自省(市)為主體的調(diào)峰機制已難以適應(yīng)實際需要，有必要建設(shè)川渝電網(wǎng)聯(lián)合調(diào)峰輔助服務(wù)市場[10]。

本文設(shè)計了川渝電網(wǎng)聯(lián)合調(diào)峰的實現(xiàn)機制和方案，賣方發(fā)電企業(yè)降低出力提供調(diào)峰服務(wù)，按市場價格獲取合理補償，買方電網(wǎng)公司支付調(diào)峰補償費用，由相關(guān)發(fā)電企業(yè)按照交易時段內(nèi)調(diào)峰不足而多發(fā)電量的比例分攤，分攤方式科學合理，算例表明所提方案可行。