風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合參與電力現(xiàn)貨市場(chǎng)的優(yōu)化策略

陳康婷

（長(zhǎng)江三峽集團(tuán)重慶能源投資有限公司，重慶 400000）

2020年，在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論會(huì)議上，我國(guó)正式提出了2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年實(shí)現(xiàn)碳中和的遠(yuǎn)景目標(biāo)[1]。在上述背景下，風(fēng)電和光伏發(fā)電等可再生能源發(fā)電進(jìn)入了高速發(fā)展軌道。然而，因其隨機(jī)性與用戶負(fù)荷需求的動(dòng)態(tài)波動(dòng)性，二者在時(shí)間尺度上往往具有不一致性和非匹配性，導(dǎo)致棄風(fēng)和棄光問(wèn)題[2]。由于能夠抑制風(fēng)電和光伏發(fā)電的出力波動(dòng)，儲(chǔ)能設(shè)備往往與風(fēng)電和光伏發(fā)電配套，與此同時(shí)，作為新一輪電力體制改革的重點(diǎn)任務(wù)，我國(guó)各省的電力現(xiàn)貨市場(chǎng)已經(jīng)基本建設(shè)完成，大部分省份的電力現(xiàn)貨市場(chǎng)處于試運(yùn)行和調(diào)試階段。未來(lái)，風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)將聯(lián)合參與電力現(xiàn)貨市場(chǎng)，如何推進(jìn)風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)聯(lián)合參與電力現(xiàn)貨市場(chǎng)，提升系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)風(fēng)電和光伏發(fā)電等可再生能源的消納，是當(dāng)前面臨的難題。為解決上述問(wèn)題，本文圍繞風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合參與電力現(xiàn)貨市場(chǎng)的優(yōu)化策略展開(kāi)深入研究。首先提出建立了風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)出力模型，包括風(fēng)電和光伏發(fā)電隨機(jī)出力模型、儲(chǔ)能設(shè)備充放電模型、小型燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組出力模型和電力用戶需求響應(yīng)模型；其次提出風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)參與電力現(xiàn)貨市場(chǎng)的優(yōu)化策略，其包括風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)參與日前市場(chǎng)的優(yōu)化策略和參與實(shí)時(shí)市場(chǎng)的優(yōu)化策略；最后對(duì)全文進(jìn)行總結(jié)。

一、風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)出力模型

（一）風(fēng)電和光伏發(fā)電隨機(jī)出力模型

1.風(fēng)電隨機(jī)出力模型

受不同時(shí)段風(fēng)能質(zhì)量的影響，風(fēng)電機(jī)組的輸出功率往往具有一定間歇性和波動(dòng)性，經(jīng)過(guò)對(duì)大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)研究，目前普遍采用雙參數(shù)Weibull分布對(duì)實(shí)際風(fēng)速的分布情況進(jìn)行擬合，概率密度函數(shù)可表示如下：

式中：v為風(fēng)速；k為形狀參數(shù)；c為尺度參數(shù)，反映時(shí)段的平均風(fēng)速。風(fēng)機(jī)的輸出功率與實(shí)際風(fēng)速v關(guān)系如下：

式中：PWT為風(fēng)電機(jī)組輸出功率；vci、vco分別為切入風(fēng)速和切出風(fēng)速；pr為風(fēng)機(jī)的額定功率；vr為額定風(fēng)速。

2.光伏發(fā)電隨機(jī)出力模型

受太陽(yáng)輻射分布特點(diǎn)的影響，光伏機(jī)組所接收的光照和溫度會(huì)不斷產(chǎn)生變化，導(dǎo)致其出力也呈現(xiàn)出很大的不確定性。相關(guān)研究表明，某一特定時(shí)間段內(nèi)，太陽(yáng)光照強(qiáng)度近似服從Beta分布，其概率密度函數(shù)可表示為：

式中：l為太陽(yáng)輻照度；Γ 為函數(shù)；la、lb為形狀參數(shù)；lmax為輻照度的最大值。光伏組件的輸出功率與太陽(yáng)輻照度的關(guān)系式為：

式中：PPV為光伏組件輸出功率；S為光伏組件總面積；η為該組件的光電轉(zhuǎn)換效率。

（二）儲(chǔ)能設(shè)備充放電模型

儲(chǔ)能設(shè)備通過(guò)對(duì)電能的存儲(chǔ)與釋放可實(shí)現(xiàn)風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)移，優(yōu)化電源出力曲線，以適應(yīng)電力現(xiàn)貨市場(chǎng)價(jià)格變化，保證風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。在當(dāng)前儲(chǔ)能技術(shù)條件下，綜合考慮成本性能等因素，儲(chǔ)能設(shè)備仍以電池儲(chǔ)能為主，其荷電狀態(tài)為：

式中：SOCτ為第τ時(shí)段電池儲(chǔ)能的荷電狀態(tài)；Qb,τ為第τ時(shí)段儲(chǔ)能設(shè)備的充放電電量，Q b,τ為正表示電池放電，Qb,τ為負(fù)表示電池充電；inη、ηout分別為充放電效率；bW為電池儲(chǔ)能的容量。儲(chǔ)能裝置的充放電約束與電量約束為：

式中：SOCmin為荷電狀態(tài)下限，可取為0.2；SOCmax為荷電狀態(tài)上限，可取為0.9。儲(chǔ)能的運(yùn)行成本為：

式中：Cb為電池儲(chǔ)能充放電產(chǎn)生的折舊損耗成本；bμ為電池?fù)p耗系數(shù)。

（三）小型燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組出力模型

小型燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組具有啟停速度快、穩(wěn)定不間斷等優(yōu)點(diǎn)，常在可再生能源機(jī)組及儲(chǔ)能設(shè)備無(wú)法滿足電力負(fù)荷需求時(shí)為系統(tǒng)提供備用發(fā)電。利用線性函數(shù)簡(jiǎn)化處理小型燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組運(yùn)行成本，建立如下成本函數(shù)及約束條件：

式中：?為電力現(xiàn)貨市場(chǎng)全天時(shí)段數(shù)；Cc為小型燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組運(yùn)行成本；S為分段線性運(yùn)行成本總段數(shù)；n為可控機(jī)組總數(shù)；為k機(jī)組在第s段的平均發(fā)電成本；Qc,k,s,τ為第τ時(shí)段k機(jī)組在第s段的發(fā)電量；為k機(jī)組在第s段的額定發(fā)電量。

（四）電力用戶需求響應(yīng)模型

為規(guī)避電力現(xiàn)貨市場(chǎng)帶來(lái)的不確定風(fēng)險(xiǎn)，風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)可借助需求側(cè)管理激勵(lì)用戶調(diào)整用電行為，優(yōu)化電力負(fù)荷曲線。其中，分時(shí)電價(jià)是引導(dǎo)用戶參與負(fù)荷調(diào)節(jié)最有效的方式之一。用戶因分時(shí)電價(jià)參與需求響應(yīng)所發(fā)生的用電量轉(zhuǎn)移可表示為：

二、風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)參與電力現(xiàn)貨市場(chǎng)的優(yōu)化策略

（一）參與日前市場(chǎng)的優(yōu)化策略

1.日前市場(chǎng)出清價(jià)格預(yù)測(cè)

由于市場(chǎng)出清電價(jià)可以呈等間隔時(shí)間序列形式，故引入自回歸AR（p）模型對(duì)電力現(xiàn)貨市場(chǎng)價(jià)格進(jìn)行預(yù)測(cè)，日前市場(chǎng)（電力系統(tǒng)專用學(xué)術(shù)用語(yǔ)，是指現(xiàn)貨市場(chǎng)中的主要交易平臺(tái)，以一天作為時(shí)間提前量組織市場(chǎng)，形成與系統(tǒng)運(yùn)行情況相適應(yīng)的、可執(zhí)行的交易計(jì)劃。）預(yù)測(cè)出清電價(jià)可表示為：

2.風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)參與日前市場(chǎng)的優(yōu)化策略

風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)參與電力現(xiàn)貨市場(chǎng)交易需綜合考慮多種不確定因素以實(shí)現(xiàn)調(diào)度優(yōu)化，機(jī)會(huì)約束規(guī)劃作為隨機(jī)規(guī)劃理論的重要分支，能夠利用置信水平柔化約束條件，從而處理風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)調(diào)度優(yōu)化過(guò)程中的隨機(jī)變量，其常見(jiàn)形式可表示為：

式中：x、ε分別為決策向量和隨機(jī)變量；f(x,ε)為目標(biāo)函數(shù)；g m(x,ε)為隨機(jī)機(jī)會(huì)約束條件；g n(x,ε)≤ 0為常規(guī)約束條件；α、β為置信水平；為目標(biāo)函數(shù)期望值，即目標(biāo)函數(shù)在概率不低于α?xí)r的最小值。

針對(duì)風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)而言，日前最優(yōu)策略體現(xiàn)為綜合預(yù)期收益最大，即通過(guò)精準(zhǔn)預(yù)測(cè)負(fù)荷及日前出清價(jià)格，優(yōu)化各系統(tǒng)出力，進(jìn)而形成最優(yōu)的各時(shí)段電量需求曲線，以在日前市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中實(shí)現(xiàn)最大利潤(rùn)，故可構(gòu)建如下機(jī)會(huì)約束規(guī)劃模型：

（1）目標(biāo)函數(shù)

式中：為風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)日前市場(chǎng)出清收益；Ps,τ、分別為第τ時(shí)段用戶的用電價(jià)格和預(yù)測(cè)響應(yīng)電量；、分別為第τ時(shí)段日前市場(chǎng)出清電價(jià)和風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)日前申報(bào)電量；Pon、分別為風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)上網(wǎng)電價(jià)和第τ時(shí)段的預(yù)測(cè)上網(wǎng)電量。

（2）約束條件

①風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)功率平衡約束。

式中：、分別為風(fēng)電和光伏機(jī)組在第τ時(shí)段的日前預(yù)測(cè)功率；為每一時(shí)段時(shí)長(zhǎng)。受風(fēng)光出力隨機(jī)性及電力現(xiàn)貨價(jià)格不確定性等因素影響，風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)在日前預(yù)測(cè)時(shí)無(wú)法保證申報(bào)電量與需求電量完全一致，但需滿足一定置信水平，故功率平衡約束可轉(zhuǎn)化為機(jī)會(huì)約束：

式中：σ為不平衡功率允許偏差。

②風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)交互功率約束（上網(wǎng)賣電和購(gòu)電無(wú)法同時(shí)進(jìn)行）。

③風(fēng)電和光伏發(fā)電出力約束。

式中：、分別為風(fēng)電和光伏機(jī)組的額定功率。

④電池儲(chǔ)能荷電狀態(tài)及充放電速率約束。

具體見(jiàn)公式（6）和公式（7）。

⑤小型燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組出力。

具體見(jiàn)公式（9）和公式（10）。

⑥需求響應(yīng)電量約束。

（二）參與實(shí)時(shí)市場(chǎng)的優(yōu)化策略

在實(shí)時(shí)市場(chǎng)階段，為激勵(lì)用戶側(cè)合理申報(bào)日前需求曲線，防止其利用市場(chǎng)規(guī)則漏洞賺取收益，會(huì)對(duì)實(shí)時(shí)市場(chǎng)實(shí)際購(gòu)入電量與日前市場(chǎng)申報(bào)電量之間的偏差電量收取懲罰費(fèi)用。因此，風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)參與實(shí)時(shí)市場(chǎng)過(guò)程中，需在預(yù)測(cè)實(shí)時(shí)市場(chǎng)電價(jià)之外，綜合考慮偏差電量懲罰費(fèi)用，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)策略。優(yōu)化策略可表示為：

式中：為日前市場(chǎng)收益基礎(chǔ)上的實(shí)時(shí)市場(chǎng)收益；為偏差電量懲罰費(fèi)用；為第τ時(shí)段用戶參與需求響應(yīng)后的實(shí)際用電量；為第τ時(shí)段風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)的上網(wǎng)電量；為第τ時(shí)段風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)的實(shí)際購(gòu)入電量；為第τ時(shí)段的實(shí)時(shí)市場(chǎng)電價(jià)；pP為單位電量懲罰費(fèi)用。

三、主要結(jié)論

本文針對(duì)風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合參與電力現(xiàn)貨市場(chǎng)的優(yōu)化策略展開(kāi)了深入研究，研究成果概述如下：

（一）構(gòu)建了風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)出力模型

首先，分別基于風(fēng)速和光照強(qiáng)度的概率密度函數(shù)，構(gòu)建了風(fēng)電出力模型和光伏出力模型；其次，考慮電池儲(chǔ)能的容量和荷電狀態(tài)，建立了儲(chǔ)能設(shè)備充放電模型；再次，利用線性函數(shù)簡(jiǎn)化小型燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組運(yùn)行成本，構(gòu)建了小型燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組出力模型；最后，引入分時(shí)電價(jià)理論，建立了用戶需求響應(yīng)模型。

（二）提出了風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)參與電力現(xiàn)貨市場(chǎng)的優(yōu)化策略

首先，基于日前市場(chǎng)出清價(jià)格預(yù)測(cè)，提出了風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)參與日前市場(chǎng)的優(yōu)化策略；其次，綜合考慮偏差電量懲罰費(fèi)用，提出了風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)參與實(shí)時(shí)市場(chǎng)的優(yōu)化策略。