基于新能源品質(zhì)量化的電力現(xiàn)貨市場模式設(shè)計(jì)

雷 霞，楊 健，蔡長林

(西華大學(xué) 電氣與電子信息學(xué)院，四川 成都 610065)

隨著全球能源向更加綠色低碳的未來邁進(jìn)，新能源發(fā)電作為促進(jìn)能源轉(zhuǎn)型和節(jié)能減排的重要途徑得到迅速發(fā)展。新能源具有對環(huán)境友好的正外部性價(jià)值且邊際成本較低，有利于中國實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)[1–2]。近年來，中國相繼出臺(tái)政策大力發(fā)展新能源，如對新能源發(fā)電補(bǔ)貼、可再生能源消納責(zé)任制，以及增設(shè)綠電交易市場，但這些政策不利于新能源市場化，無法實(shí)現(xiàn)資源最優(yōu)配置，因此，研究適應(yīng)新能源參與的市場交易機(jī)制十分必要，也是推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

傳統(tǒng)的市場出清是以邊際機(jī)組的報(bào)價(jià)出清所有機(jī)組，該機(jī)制激勵(lì)相容的特性引導(dǎo)常規(guī)火電按自身邊際運(yùn)行成本進(jìn)行報(bào)價(jià)。由于常規(guī)機(jī)組出力可控，以邊際成本報(bào)價(jià)可以增大社會(huì)福利且避免市場主體策略報(bào)價(jià)。當(dāng)新能源與常規(guī)機(jī)組一同參與市場時(shí)，因其邊際運(yùn)行成本近于0，按邊際價(jià)格統(tǒng)一出清將使新能源機(jī)組具有較大的策略報(bào)價(jià)優(yōu)勢并減少社會(huì)福利，還會(huì)降低系統(tǒng)的出清電價(jià)導(dǎo)致更多常規(guī)機(jī)組出現(xiàn)虧損。由于新能源受氣象因素影響，具有較大的不確定性[3–5]，隨著未來新能源滲透率增高，系統(tǒng)需要更多的備用容量，但常規(guī)機(jī)組的發(fā)電利用小時(shí)數(shù)較低致使投資動(dòng)力不足，這將反過來限制新能源的并網(wǎng)消納[6]。此外，在日前確定的機(jī)組組合下，如果新能源預(yù)測偏差較大，會(huì)在日內(nèi)為系統(tǒng)帶來較大的調(diào)整和備用成本[7]，不利于系統(tǒng)安全運(yùn)行。因此，當(dāng)新能源參與市場時(shí)，需要能反映其特性的市場機(jī)制以保證所有市場主體公平競爭。

考慮大規(guī)模新能源參與的全國統(tǒng)一電力市場建設(shè)是目前面臨的重大問題，許多學(xué)者針對市場機(jī)制設(shè)計(jì)和出清模型等方面進(jìn)行了深入研究。陳啟鑫等[8]提出市場出清發(fā)生可再生能源棄能時(shí)，通過修正棄能機(jī)組投標(biāo)價(jià)格進(jìn)行2次出清來保障可再生能源的消納機(jī)制。陳振寰等[9]采用兩階段二次規(guī)劃均衡比例模型解決大量新能源機(jī)組申報(bào)同一價(jià)格時(shí)出清的隨機(jī)性問題。陳藝華等[10]通過銜接省間和省內(nèi)兩級現(xiàn)貨市場以促進(jìn)新能源消納和調(diào)峰資源的有效利用。肖云鵬等[11]提出一種計(jì)及爬坡成本競價(jià)的兩部復(fù)合競價(jià)機(jī)制，能夠提升可再生能源市場競爭力并合理分?jǐn)偵鐣?huì)效益。聶涌泉等[12]提出基于VCG（Vickrey–Clarke–Groves）的機(jī)制設(shè)計(jì)理論，建立一種含風(fēng)電機(jī)組競標(biāo)的日前市場出清電價(jià)機(jī)制。Ghaffari等[13]設(shè)計(jì)了一個(gè)日內(nèi)二級市場，風(fēng)電商可以與備用服務(wù)提供商簽訂期權(quán)合約。Khazaei[14]和Morales[15]等提出適應(yīng)可再生能源的市場出清模型，同時(shí)出清日前市場和實(shí)時(shí)市場。上述研究以促進(jìn)新能源消納為目標(biāo)，為新能源參與電力市場提供有益思路，但都未深入分析新能源電力品質(zhì)對系統(tǒng)運(yùn)行的影響，且以邊際運(yùn)行成本報(bào)價(jià)不能反映新能源引起的系統(tǒng)性成本，因此傳統(tǒng)的市場交易模式不適合高比例新能源參與。

平衡成本通常是指系統(tǒng)為發(fā)用電偏差量提供的調(diào)節(jié)成本，是體現(xiàn)電力商品價(jià)值的直接參數(shù)。新能源具有較大的不確定性，是產(chǎn)生發(fā)電偏差的主要因素，如何將新能源的隨機(jī)性和波動(dòng)性內(nèi)化于商品價(jià)值中是其參與電力市場的重要前提。Zhang等[16]考慮可再生能源不確定性約束，通過交替方向乘子法（alternating direction method of multipliers，ADMM）進(jìn)行分布式出清，以求解大規(guī)?？烧{(diào)度負(fù)荷問題。陳曉榕等[17]分析了風(fēng)電波動(dòng)性引起的系統(tǒng)成本，提出基于波形相似理論的成本分?jǐn)偡椒?。Swinand等[18]研究了英國風(fēng)力發(fā)電對系統(tǒng)平衡成本的影響，其結(jié)果表明風(fēng)電并網(wǎng)容量越大，系統(tǒng)平衡成本越高。Milligan等[19]提出構(gòu)造無風(fēng)電等效場景將風(fēng)電能源價(jià)值從系統(tǒng)平衡成本中剝離，以此分析風(fēng)電波動(dòng)對系統(tǒng)的影響。耿建等[20]分季節(jié)對不同風(fēng)電滲透率下系統(tǒng)的平衡成本進(jìn)行測算。魯宗相等[21]提出多時(shí)間尺度靈活性供給需求平衡的數(shù)學(xué)方法和靈活性度量指標(biāo)，應(yīng)對高比例可再生能源的不確定性。王晛等[22]引入風(fēng)電投標(biāo)偏差懲罰機(jī)制，激勵(lì)風(fēng)電商減少投標(biāo)出力與實(shí)際出力之間的偏差。以上文獻(xiàn)在反映新能源隨機(jī)性方面多以模擬場景及機(jī)會(huì)約束進(jìn)行分析，這種通過事前概率預(yù)測和松弛運(yùn)行條件的方式難以準(zhǔn)確體現(xiàn)新能源并網(wǎng)產(chǎn)生的系統(tǒng)成本，也無法量化不同新能源預(yù)測精度差異。其中部分文獻(xiàn)雖然考慮了新能源并網(wǎng)產(chǎn)生的不確定性成本，但并未在市場競爭中體現(xiàn)不確定性程度對系統(tǒng)運(yùn)行的影響，無法保證新能源之間以及與常規(guī)機(jī)組間的競爭公平。

針對以上問題，本文提出一種品質(zhì)指數(shù)來量化新能源特性對系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生的影響，并將其內(nèi)化在新能源電力的商品價(jià)值中；對傳統(tǒng)市場出清模式進(jìn)行改進(jìn)，以品質(zhì)價(jià)格體現(xiàn)不同新能源機(jī)組提供的電力品質(zhì)差異，考慮到該部分價(jià)格不屬于商品自身價(jià)值，因此根據(jù)中標(biāo)機(jī)組類別分別結(jié)算。以改進(jìn)的IEEE 30節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行算例分析，驗(yàn)證了所提方法的有效性。結(jié)果表明，所提市場模式可以實(shí)現(xiàn)新能源優(yōu)質(zhì)優(yōu)價(jià)，有利于新能源提高自身品質(zhì)并降低策略報(bào)價(jià)現(xiàn)象。

1 新能源電力品質(zhì)分析及量化方法

新能源電力具有與常規(guī)火電一樣平衡負(fù)荷需求的作用，是新能源的電源屬性，但其固有的隨機(jī)性和波動(dòng)性帶有負(fù)荷的不可控屬性，可稱之為新能源的負(fù)荷屬性，這會(huì)導(dǎo)致新能源并網(wǎng)后產(chǎn)生額外成本，而傳統(tǒng)市場出清規(guī)則無法反映這部分成本。隨著新能源發(fā)電從保量保價(jià)到市場化消納的轉(zhuǎn)變，合理的市場機(jī)制需要將新能源的負(fù)荷屬性量化并反映在市場競爭中。本文將新能源電源屬性及負(fù)荷屬性綜合定義為新能源的電力品質(zhì)，并在市場中將其量化為電力品質(zhì)價(jià)格。

本文將系統(tǒng)為平衡新能源發(fā)電偏差所付出的成本定義為平衡成本。考慮新能源機(jī)組之間預(yù)測偏差和波動(dòng)趨勢存在互補(bǔ)性[23–24]，分別計(jì)算各機(jī)組的發(fā)電偏差產(chǎn)生的平衡成本來確定新能源的品質(zhì)價(jià)格是不合理的。因此，先計(jì)算由新能源發(fā)電引起的系統(tǒng)平衡成本；分析新能源負(fù)荷屬性對系統(tǒng)平衡成本的影響機(jī)理，從而挖掘主要影響因素；以主要因素確定新能源品質(zhì)指數(shù)；以該指數(shù)分?jǐn)傁到y(tǒng)平衡成本至各新能源機(jī)組，從而形成新能源的電力品質(zhì)價(jià)格。

1.1 系統(tǒng)平衡成本計(jì)算

借鑒美國PJM市場結(jié)算方式[25]，日前市場出清僅確定日內(nèi)的機(jī)組啟停計(jì)劃，出清結(jié)果作為金融結(jié)算依據(jù)，實(shí)時(shí)市場進(jìn)行全電量優(yōu)化得到實(shí)時(shí)電價(jià)及各機(jī)組實(shí)際出力，出清結(jié)果物理執(zhí)行。在該市場模式下，本文忽略實(shí)際執(zhí)行量與實(shí)時(shí)市場出清量的偏差，將實(shí)時(shí)市場與日前市場的結(jié)算差額認(rèn)為是系統(tǒng)平衡偏差所付出的成本。由于系統(tǒng)在負(fù)荷峰平谷時(shí)段下安全裕度不同，因此本文仍以此為時(shí)間分段分別計(jì)算各時(shí)段下新能源引起的系統(tǒng)平衡成本。此外，新能源和負(fù)荷都不可控，為了剝離僅由新能源引起的平衡成本，在日內(nèi)設(shè)置假設(shè)性場景，即假設(shè)日內(nèi)超短期負(fù)荷預(yù)測與日前預(yù)測相同，僅更新新能源超短期預(yù)測數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)市場出清。系統(tǒng)平衡成本為：

1.2 新能源負(fù)荷屬性對系統(tǒng)平衡成本的影響機(jī)理

由式（1）可知，系統(tǒng)平衡成本主要取決于日內(nèi)相對日前市場的出清量價(jià)差額，建立運(yùn)行成本最小的日內(nèi)主能量市場出清模型以進(jìn)行分析，利用拉格朗日乘子法將約束條件并入目標(biāo)函數(shù)[26]，具體如式（2）所示：

新能源的不確定性主要體現(xiàn)在其預(yù)測上限的不確定，影響出力上限的影子價(jià)格如下：

1.3 新能源電力品質(zhì)指數(shù)

本文將新能源預(yù)測準(zhǔn)確程度用準(zhǔn)確性指數(shù)描述，跟蹤負(fù)荷能力以相關(guān)性指數(shù)反映，兩者均通過歷史發(fā)電數(shù)據(jù)經(jīng)假設(shè)性出清后統(tǒng)計(jì)分析獲得。式中， σ 和 υ分別為準(zhǔn)確性指數(shù)和相關(guān)性指數(shù)的權(quán)重，σ+υ=1。指標(biāo)權(quán)重大小取決于該指標(biāo)對系統(tǒng)平衡成本的影響程度。在分析新能源預(yù)測準(zhǔn)確度對平衡成本的影響時(shí)，對每個(gè)中標(biāo)日構(gòu)建日內(nèi)新能源出力與負(fù)荷曲線變化趨勢完全相同（即無相關(guān)性影響）場景，構(gòu)造曲線如式（10）所示，此時(shí)平衡成本是由新能源預(yù)測準(zhǔn)確度產(chǎn)生；分析相關(guān)性指標(biāo)對平衡成本的影響時(shí)，對每個(gè)中標(biāo)日構(gòu)建日內(nèi)新能源出力與日前申報(bào)出力完全一致（即無預(yù)測偏差影響）場景，構(gòu)造曲線如式（11）所示，此時(shí)平衡成本由新能源出力與負(fù)荷曲線趨勢差異性產(chǎn)生。

將兩種場景下的平衡成本作為輸入，利用改進(jìn)最小叉熵法[27]即可求出 σ 和 υ。新能源的電力品質(zhì)指數(shù)和兩個(gè)指標(biāo)權(quán)重隨新能源的中標(biāo)次數(shù)增加不斷進(jìn)行更新，以準(zhǔn)確反映新能源的電力品質(zhì)。

1.4 新能源電力品質(zhì)價(jià)格

2 新能源與常規(guī)火電同臺(tái)競爭市場模式

本文設(shè)計(jì)的新能源與常規(guī)能源同臺(tái)競爭的交易模式采用主能量和備用聯(lián)合優(yōu)化方式[28]，結(jié)合新能源品質(zhì)價(jià)格，在以邊際電價(jià)統(tǒng)一出清的結(jié)算方式上進(jìn)行改進(jìn)，確保各市場主體收益合理，并符合激勵(lì)相容原則。

2.1 出清流程

在日前市場，調(diào)度機(jī)構(gòu)根據(jù)負(fù)荷預(yù)測發(fā)布電能需求和備用輔助服務(wù)需求，所有發(fā)電主體申報(bào)電能量價(jià)格及機(jī)組物理信息，同時(shí)，常規(guī)機(jī)組還需要申報(bào)正負(fù)備用價(jià)格。交易中心根據(jù)市場主體申報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行電能量與備用的聯(lián)合優(yōu)化出清，得到各機(jī)組啟停狀態(tài)、出力計(jì)劃、備用計(jì)劃、節(jié)點(diǎn)電價(jià)和備用價(jià)格，出清結(jié)果經(jīng)安全校核后公布給各市場主體。

市場出清具體流程如圖1所示。在日前市場還未開啟前，交易中心根據(jù)歷史交易信息更新參與市場交易的新能源電力品質(zhì)指數(shù)，計(jì)算出其需要附加的電力品質(zhì)價(jià)格。在接收到各市場主體報(bào)價(jià)后，通過附加新能源電力品質(zhì)價(jià)格對新能源報(bào)價(jià)進(jìn)行修正。采用安全約束機(jī)組組合（security constrained unit commitment，SCUC）和安全約束經(jīng)濟(jì)調(diào)度（security constrained economic dispatch，SCED）模型出清日前市場。在日內(nèi)實(shí)時(shí)市場中，新能源機(jī)組及負(fù)荷提交超短期預(yù)測數(shù)據(jù)，機(jī)組運(yùn)行參數(shù)及報(bào)價(jià)信息與日前申報(bào)相同。交易中心在日前備用出清結(jié)果下重新計(jì)算常規(guī)機(jī)組出力范圍，再進(jìn)行逐時(shí)刻出清，出清流程與日前市場相同。

圖1 新能源與常規(guī)機(jī)組同一市場下出清流程Fig. 1 Clearing flow between new energy and conventional units on the same market

2.2 結(jié)算方式

日前市場出清結(jié)果僅作為結(jié)算依據(jù)不實(shí)際執(zhí)行，實(shí)時(shí)市場通過全電量出清確定各機(jī)組出力，并物理執(zhí)行。實(shí)時(shí)中標(biāo)量在日前中標(biāo)范圍內(nèi)的部分按照日前出清價(jià)格進(jìn)行結(jié)算，出力超過日前中標(biāo)范圍外的部分按實(shí)時(shí)電價(jià)進(jìn)行結(jié)算。此外，由于新能源品質(zhì)價(jià)格是為了區(qū)分不同新能源之間的預(yù)測差異及自身與負(fù)荷變化的相關(guān)性，并非反映自身價(jià)值，所以在市場出清后，對于新能源主體的結(jié)算價(jià)格為出清電價(jià)減去各自附加的品質(zhì)價(jià)格，常規(guī)機(jī)組仍按市場出清電價(jià)結(jié)算。不同類型機(jī)組的具體結(jié)算過程如式（13）～（14）所示。

1）常規(guī)機(jī)組結(jié)算為：

在集中競價(jià)模式下，新能源附加品質(zhì)價(jià)格后完整反映出新能源電力商品屬性，改變機(jī)組中標(biāo)排序結(jié)果，因此，邊際機(jī)組相應(yīng)發(fā)生改變，進(jìn)而影響市場出清電價(jià)。新能源的電力品質(zhì)越好，其附加品質(zhì)價(jià)格后的價(jià)格越具有優(yōu)先中標(biāo)的優(yōu)勢。此時(shí)，若其為非邊際機(jī)組，按照所提結(jié)算規(guī)則該新能源將獲得更多收益，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)優(yōu)價(jià)的機(jī)制效果。

3 考慮新能源電力品質(zhì)的市場出清模型

根據(jù)第2節(jié)設(shè)計(jì)的市場出清流程和結(jié)算方式，建立日前市場出清模型，確定機(jī)組組合和備用安排；實(shí)時(shí)市場建立全電量優(yōu)化的出清模型，調(diào)整機(jī)組出力。

3.1 日前市場出清模型

日前市場出清模型是在滿足負(fù)荷及系統(tǒng)安全運(yùn)行約束的前提下，同時(shí)優(yōu)化常規(guī)機(jī)組啟停、各機(jī)組出力及正負(fù)備用，使調(diào)度周期內(nèi)的系統(tǒng)總運(yùn)行成本最小。

3.1.1 日前市場出清模型目標(biāo)函數(shù)

日前市場出清模型目標(biāo)函數(shù)為：

新能源機(jī)組發(fā)電成本以各市場主體的報(bào)價(jià)函數(shù)表示，如式（18）所示：

2）出力約束

常規(guī)火電機(jī)組和新能源機(jī)組出力限值約束如式（21）～（22）所示：

3）備用約束

系統(tǒng)備用容量約束如式（23）～（25）所示。其中，式（23）表示考慮備用后機(jī)組上下限值約束，式（24）表示系統(tǒng)備用容量需求約束，式（25）表示正負(fù)備用互斥約束。

3.2 實(shí)時(shí)市場出清模型

實(shí)時(shí)市場是在日前機(jī)組啟停狀態(tài)及備用安排確定的基礎(chǔ)上進(jìn)行逐時(shí)刻出清，目標(biāo)函數(shù)為逐時(shí)刻下的總成本最小。

3.2.1 實(shí)時(shí)市場出清模型目標(biāo)函數(shù)

實(shí)時(shí)市場出清模型目標(biāo)函數(shù)為：

3.2.2 實(shí)時(shí)市場出清模型約束條件

實(shí)時(shí)市場出清模型中需要根據(jù)日前出清的備用容量調(diào)整火電機(jī)組出力上下限，并提交新能源和負(fù)荷的超短期預(yù)測數(shù)據(jù)，如式（32）～（34）所示：

其余約束條件還包括機(jī)組爬坡約束式（26）及線路潮流約束式（30）。

將火電機(jī)組能耗成本函數(shù)分段線性化，備用約束經(jīng)大M法處理后，本文市場出清模型為混合整數(shù)線性規(guī)劃（mixed-integer linear programming，MILP）模型，可采用CPLEX求解器獲取最優(yōu)解。

4 算例分析

為了驗(yàn)證本文所提新能源參與市場模式和模型的有效性，本文基于改進(jìn)的IEEE 30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，如圖2所示。算例共設(shè)置5臺(tái)常規(guī)火電機(jī)組和3臺(tái)風(fēng)機(jī)，詳細(xì)參數(shù)見表1，并設(shè)峰時(shí)段為08：00—11：00及17：00—23：00，平時(shí)段為12：00—16：00，谷時(shí)段為24：00—07：00。

圖2 改進(jìn)的IEEE 30節(jié)點(diǎn)測試系統(tǒng)Fig. 2 Improved IEEE 30-bus test system

4.1 風(fēng)電平衡成本及電力品質(zhì)價(jià)格

根據(jù)表1的運(yùn)行參數(shù)結(jié)合IEEE 30節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)算例數(shù)據(jù)，計(jì)算系統(tǒng)平衡成本。以D日為交易日，按本文所述平衡成本定義，根據(jù)歷史交易數(shù)據(jù)，計(jì)算出D–3、D–2和D–1日峰平谷時(shí)段下風(fēng)電并網(wǎng)引起的平衡成本，如表2所示。

表1 機(jī)組運(yùn)行參數(shù)Tab. 1 Operation parameters of units

由表2可知，在D–3和D–2的谷時(shí)段平衡成本為0，說明這兩日的日前電價(jià)與實(shí)時(shí)電價(jià)相同，即盡管風(fēng)電預(yù)測存在偏差，但系統(tǒng)邊際機(jī)組未發(fā)生改變。根據(jù)假設(shè)場景出清下的風(fēng)電數(shù)據(jù)，計(jì)算得到各風(fēng)電的品質(zhì)指數(shù)，如圖3所示。

表2 系統(tǒng)平衡成本Tab. 2 System balance cost

由圖3可以看出，在峰時(shí)段和平時(shí)段下，W2的品質(zhì)最好，在谷時(shí)段下W1的電力品質(zhì)最好。將不同時(shí)段下的風(fēng)電品質(zhì)指數(shù)結(jié)合D–1日的系統(tǒng)平衡成本進(jìn)行分?jǐn)?，得到用于D日市場交易時(shí)各風(fēng)電的附加品質(zhì)價(jià)格如表3所示。

圖3 風(fēng)電品質(zhì)指數(shù)Fig. 3 Wind power quality index

根據(jù)表3可知：由于峰平時(shí)段W2的品質(zhì)最好，因此其附加的品質(zhì)價(jià)格最低；在谷時(shí)段W1的品質(zhì)最好，且該時(shí)段系統(tǒng)平衡成本為負(fù)，因此對其分?jǐn)偤蟮慕Y(jié)果使其在該時(shí)段內(nèi)市場出清中更具優(yōu)先中標(biāo)優(yōu)勢。

表3 風(fēng)電品質(zhì)價(jià)格Tab. 3 Quality price of wind generation

4.2 附加品質(zhì)價(jià)格對機(jī)組中標(biāo)量的影響

通過對比傳統(tǒng)出清模式和本文所提附加品質(zhì)價(jià)格后出清兩種不同模式下的中標(biāo)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)在常規(guī)機(jī)組的啟停狀態(tài)上有所不同，如圖4所示。從圖4可以看出：當(dāng)對風(fēng)電機(jī)組附加電力品質(zhì)價(jià)格后，兩種出清方式下的機(jī)組啟停狀態(tài)在16：00發(fā)生變化，如圖4中虛線對比所示；相比于傳統(tǒng)出清結(jié)果，本文所提出清模式下G5機(jī)組在17：00才開機(jī)運(yùn)行。

圖4 不同出清方式下機(jī)組啟停狀態(tài)結(jié)果Fig. 4 Results of the start and stop status of the unit between different clearing methods

由于在16：00時(shí)G5機(jī)組的啟停狀態(tài)不同，因此后續(xù)各機(jī)組的中標(biāo)電量也發(fā)生改變，如圖5所示。從圖5可以看出：G1、G3因備用中標(biāo)量或出力限值影響未產(chǎn)生較大變化，后續(xù)時(shí)刻中標(biāo)量改變主要發(fā)生在G2和G5。在16：00，本文出清模式下G5未開機(jī)，G1邊際發(fā)電成本最低，G2最高，G1受預(yù)留正備用容量限值達(dá)到最大出力，G3處于滿發(fā)狀態(tài)。相較于傳統(tǒng)出清下的負(fù)備用由G3獲得，本文出清下由價(jià)格更低的G2中標(biāo)，因而G2在預(yù)留負(fù)備用容量外獲得更多發(fā)電量。在16：00后，G5開機(jī)，其邊際發(fā)電成本最低可以中標(biāo)更多電量，但受爬坡率限制，只能逐漸增發(fā)電量直到滿發(fā)狀態(tài)。

圖5 不同出清方式下G2機(jī)組和G5機(jī)組出力情況Fig. 5 Output of G2 and G5 units between different clearing methods

以谷時(shí)段02：00和平時(shí)段16：00為例，分析附加品質(zhì)價(jià)格對機(jī)組中標(biāo)排序的影響。圖6為兩種出清模式下各機(jī)組中標(biāo)電量對比情況。

由圖6可知：本文算例中風(fēng)電市場申報(bào)價(jià)格由低到高排序依次是W1、W2和W3；由于谷時(shí)段各風(fēng)電的電力品質(zhì)價(jià)格為負(fù)，當(dāng)附加品質(zhì)價(jià)格后，風(fēng)電價(jià)格由低到高排序變?yōu)閃1、W3和W2。谷時(shí)段下傳統(tǒng)出清的邊際機(jī)組為W3，本文出清的邊際機(jī)組為W2，即品質(zhì)更好的風(fēng)電優(yōu)先中標(biāo)。在平時(shí)段16：00，由于機(jī)組啟停狀態(tài)不同，因此各機(jī)組中標(biāo)電量有較大區(qū)別。

圖6 兩種出清方式下機(jī)組中標(biāo)量變化情況Fig. 6 Changes in the bid-winning output of units between two clearing methods

4.3 附加品質(zhì)價(jià)格對電價(jià)及棄風(fēng)的影響

本文所提模式改變了各機(jī)組中標(biāo)電量，同時(shí)因?yàn)楦郊悠焚|(zhì)價(jià)格的影響，系統(tǒng)的邊際機(jī)組也會(huì)發(fā)生相應(yīng)改變，進(jìn)而對出清電價(jià)產(chǎn)生影響。圖7展示了兩種出清方式下日前和實(shí)時(shí)電價(jià)變化情況。

圖7 不同出清方式下日前及實(shí)時(shí)電價(jià)對比Fig. 7 Comparison of day-ahead and real-time electricity prices between different methods

由圖7可知：在16：00，本文出清電價(jià)在兩個(gè)市場均高于傳統(tǒng)出清電價(jià)，這是因?yàn)楸疚某銮迥Ｊ较逻呺H機(jī)組為G2，傳統(tǒng)出清方式下為G5，在開機(jī)運(yùn)行情況下，G2邊際發(fā)電成本高于G5，從而影響出清電價(jià)。在21：00和23：00風(fēng)電作為邊際機(jī)組，此時(shí)風(fēng)電的附加品質(zhì)價(jià)格為正，因此本文出清價(jià)格也高于傳統(tǒng)出清價(jià)格。在谷時(shí)段，風(fēng)電機(jī)組常作為邊際機(jī)組，且該時(shí)段品質(zhì)價(jià)格為負(fù)，因此本文出清電價(jià)低于傳統(tǒng)出清電價(jià)，最終導(dǎo)致本文的日前購電成本低于傳統(tǒng)出清的日前購電成本。此外，兩種出清方式下實(shí)時(shí)電價(jià)在大部分時(shí)刻均低于日前電價(jià)，是因?yàn)槿涨笆袌鍪请娔芰亢蛡溆寐?lián)合出清，部分中標(biāo)機(jī)組需留存?zhèn)溆萌萘繉?dǎo)致在負(fù)荷高峰時(shí)期邊際電價(jià)較高。在實(shí)時(shí)市場出清時(shí)雖不考慮備用容量，但風(fēng)電的超短期預(yù)測數(shù)據(jù)相比日前可能存在較大波動(dòng)，導(dǎo)致某些時(shí)刻系統(tǒng)可用發(fā)電資源緊張，從而影響實(shí)時(shí)電價(jià)。在17：00時(shí)，常規(guī)機(jī)組作為邊際機(jī)組，按本文出清方式下的實(shí)時(shí)市場出清價(jià)格高于傳統(tǒng)出清價(jià)格。這是由于日內(nèi)新能源波動(dòng)導(dǎo)致常規(guī)火電需要多出力，而附加品質(zhì)價(jià)格會(huì)導(dǎo)致較高的實(shí)時(shí)電價(jià)，更能體現(xiàn)電能的稀缺性，合理反映市場當(dāng)前的供需關(guān)系。此外，在本文出清方式下，實(shí)時(shí)電價(jià)波動(dòng)小于傳統(tǒng)出清，反映出附加品質(zhì)價(jià)格根據(jù)風(fēng)電預(yù)測精度進(jìn)行篩選，相較于傳統(tǒng)出清僅憑報(bào)價(jià)篩選更具優(yōu)勢。

為準(zhǔn)確評價(jià)本文所提出清模式對日前市場及實(shí)時(shí)市場出清電價(jià)產(chǎn)生的影響，通過對比傳統(tǒng)出清與本文出清的平均電價(jià)、日前與實(shí)時(shí)的偏差調(diào)整量，以及傳統(tǒng)出清與本文出清的系統(tǒng)成本變化，分析所提出清方式下的具體影響大小，結(jié)果如表4、5所示。

由表4可知，本文出清模式下日前平均電價(jià)和實(shí)時(shí)平均電價(jià)均低于傳統(tǒng)出清。這是因?yàn)楣葧r(shí)段新能源為邊際機(jī)組時(shí)，附加的品質(zhì)價(jià)格為負(fù)，降低了谷時(shí)段的出清電價(jià)。此外，由于品質(zhì)價(jià)格反映了新能源的預(yù)測準(zhǔn)確性，本文出清方式下實(shí)時(shí)新能源的發(fā)電波動(dòng)降低，使得實(shí)時(shí)電價(jià)較為平穩(wěn)，且全電量優(yōu)化下整體調(diào)整量更小（見表4），平衡成本更低（見表5）。綜上可知，本文出清方式降低了實(shí)時(shí)市場風(fēng)險(xiǎn)，促進(jìn)新能源市場化消納。傳統(tǒng)出清與本文出清的棄風(fēng)對比結(jié)果如圖8所示。

表4 傳統(tǒng)出清與本文出清下電價(jià)對比Tab. 4 Comparison of electricity price between traditional clearing and improved clearing

表5 傳統(tǒng)出清與本文出清下系統(tǒng)成本對比Tab. 5 Comparison of system cost between traditional clearing and improved clearing

圖8 不同出清方式下棄風(fēng)對比Fig. 8 Comparison of abandoned wind between different clearing methods

通過圖8可以發(fā)現(xiàn)：谷時(shí)段W1優(yōu)先消納，傳統(tǒng)出清下棄風(fēng)最多為W3，本文出清下棄風(fēng)最多為W2，因?yàn)閃2品質(zhì)最差，附加品質(zhì)價(jià)格后價(jià)格最高。在峰平時(shí)段不存在棄風(fēng)，這是因?yàn)樵摃r(shí)段負(fù)荷較大，附加品質(zhì)價(jià)格后的風(fēng)電機(jī)組報(bào)價(jià)仍低于常規(guī)火電，因此風(fēng)電基本全額消納。在21：00和23：00存在棄風(fēng)，這是由于風(fēng)電發(fā)電量增加，火電機(jī)組在預(yù)留備用后已處于最低出力，系統(tǒng)調(diào)節(jié)資源不足所導(dǎo)致。綜上，本文提出的附加電力品質(zhì)價(jià)格出清的方式使得風(fēng)電等新能源之間的競爭更加公平。

4.4 附加品質(zhì)價(jià)格對風(fēng)電報(bào)價(jià)的影響

假設(shè)風(fēng)電W1在市場競爭中采取策略報(bào)價(jià)，根據(jù)市場出清結(jié)果分析其獲利情況。表6反映了在傳統(tǒng)出清模式下W1采取不同報(bào)價(jià)策略的收益情況。

表6 傳統(tǒng)出清下風(fēng)電不同報(bào)價(jià)策略收益對比Tab. 6 Income comparison of different bidding strategies of wind power under traditional clearing

由表6可知，真實(shí)報(bào)價(jià)即按自身邊際成本報(bào)價(jià)所獲收益最大。假設(shè)W1采取策略報(bào)價(jià)時(shí)，其余風(fēng)電仍按自身邊際成本報(bào)價(jià)。當(dāng)W1選擇以高于自身邊際成本一定比例（本文取50%）的價(jià)格申報(bào)時(shí)，中標(biāo)量小于真實(shí)報(bào)價(jià)情況，因此獲利降低。當(dāng)W1選擇以低于自身邊際成本50%的價(jià)格申報(bào)時(shí)，低價(jià)的優(yōu)勢中標(biāo)更多發(fā)電量，但在部分時(shí)段W1作為邊際機(jī)組，因此出清電價(jià)也隨之降低，從而獲利仍低于真實(shí)報(bào)價(jià)。策略報(bào)價(jià)時(shí)長即為W1的策略報(bào)價(jià)時(shí)段數(shù)占總交易時(shí)段的比例，隨著比例增加，獲益也相應(yīng)減少。傳統(tǒng)出清方式下，申報(bào)高價(jià)降低收益11%，申報(bào)低價(jià)降低收益6%。

表7為本文出清模式下，W1不同報(bào)價(jià)策略帶來的收益對比。

表7 本文出清下風(fēng)電不同報(bào)價(jià)策略收益對比Tab. 7 Income comparison of different bidding strategies of wind power under improved clearing

由表7可知：由于W1在峰時(shí)段品質(zhì)并非最優(yōu)，而本文附加品質(zhì)價(jià)格出清的方式可以篩選出風(fēng)電品質(zhì)優(yōu)先出清優(yōu)質(zhì)風(fēng)電，因此在晚高峰時(shí)段因系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力不足引起的棄風(fēng)由W1承擔(dān)，導(dǎo)致其真實(shí)報(bào)價(jià)收益低于傳統(tǒng)出清。當(dāng)W1選擇申報(bào)高價(jià)時(shí)，附加品質(zhì)價(jià)格后出清的中標(biāo)量低于W2和W3，且在不同策略報(bào)價(jià)時(shí)長占比中，高價(jià)申報(bào)導(dǎo)致W1優(yōu)先被棄用且邊際機(jī)組未發(fā)生改變，因此高價(jià)申報(bào)收益不變。當(dāng)W1選擇低價(jià)申報(bào)時(shí)，作為邊際機(jī)組降低出清價(jià)格，導(dǎo)致收益更低。本文所提出清方式下，申報(bào)高價(jià)降低收益22%，申報(bào)低價(jià)降低收益13%。

結(jié)合表6和7可知：在本文所提交易模式下新能源采取策略報(bào)價(jià)將會(huì)導(dǎo)致其虧損平均增加9%，當(dāng)新能源選擇長期策略報(bào)價(jià)時(shí)，本文出清方式具有更好的限制作用。以上僅分析了W1的策略報(bào)價(jià)行為對W1產(chǎn)生的利益影響，W1的利益變化一定會(huì)影響其他風(fēng)電的市場利益。當(dāng)W1、W2和W3同時(shí)考慮策略報(bào)價(jià)時(shí)，在本文所提出清方式下，各自的電力品質(zhì)才是影響收益的關(guān)鍵因素。

5 結(jié) 論

隨著新能源發(fā)電迅速發(fā)展，期望高比例新能源與常規(guī)能源機(jī)組共同參與市場同臺(tái)競爭，以減輕參與主體的選擇困難和多市場的交叉混補(bǔ)現(xiàn)象。本文通過新能源品質(zhì)指數(shù)量化出新能源特性對系統(tǒng)成本的影響，將其內(nèi)嵌在新能源市場報(bào)價(jià)中表現(xiàn)出新能源的真實(shí)成本，為常規(guī)火電與新能源同臺(tái)競爭提供基礎(chǔ)；在同臺(tái)競爭模式下，提出激勵(lì)相容的結(jié)算規(guī)則，保證各市場主體競爭公平、收益合理。本文所提交易模式可以引導(dǎo)新能源精準(zhǔn)報(bào)量報(bào)價(jià)，從算例結(jié)果可以看出，附加電力品質(zhì)價(jià)格出清可以實(shí)現(xiàn)電力品質(zhì)越高的新能源優(yōu)先獲得更多中標(biāo)量，降低日前實(shí)時(shí)偏差調(diào)整電量，減少系統(tǒng)平衡成本，使得實(shí)時(shí)電價(jià)更加平穩(wěn)，對新能源的策略報(bào)價(jià)具有較強(qiáng)約束。電力品質(zhì)價(jià)格通過市場手段解決新能源預(yù)測偏差大及同臺(tái)競爭下市場公平問題，部分時(shí)段邊際電價(jià)的提升還可以提高常規(guī)機(jī)組同臺(tái)競爭的積極性，這為高比例新能源并網(wǎng)提供容量保障，引導(dǎo)未來常規(guī)機(jī)組投資容量建設(shè)。同臺(tái)競爭下的新能源綠證分配問題及獲得綠證的市場用戶如何分?jǐn)傒o助服務(wù)費(fèi)用，是未來進(jìn)一步的研究方向。