基于成本和效益的風電提供旋轉備用服務定價模型

趙新剛，楊亞會

(華北電力大學 經濟與管理學院， 北京　102206)

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基于成本和效益的風電提供旋轉備用服務定價模型

趙新剛，楊亞會

(華北電力大學 經濟與管理學院， 北京102206)

大規模風電接入給電力系統運行帶來很大的不確定性，為維持系統的穩定，保證和擴大風能滲透率，風電提供備用變得至關重要。為調動風力發電企業參與旋轉備用服務的積極性，須對其提供補償。合理的旋轉備用定價可以引導風電場和用戶合理決策，提高電網運行經濟性。基于成本和效益評估的備用服務定價方法，結合我國初級電力市場的情況，提出了風電提供旋轉備用服務的機會成本、系統失負荷價值及系統可靠性指標相結合的定價模型，最后通過算例分析驗證了上述模型的合理性與有效性。

風力發電；旋轉備用；成本和效益；定價模型

我國電力系統中的風電比重正不斷攀升，2012年以來，我國風電并網容量連續兩年居全球第一，2012年發電量超過1000億千瓦時，占全國總發電量的2%，成為第三大主力電源，預計到2014年底，中國風電并網裝機容量將超過9000萬千瓦。風電的接入可替代常規電源，提供電網可靠性，并取得節能減排的環保效益。風電出力具有一定的不確定性，為了保證系統的安全穩定，須為其提供足夠的備用，提高了風電的消納成本提高，導致嚴重的棄風限電問題，阻礙了風電產業的可持續發展。因此，風電能否提供旋轉備用服務具有重要意義。

一、基于成本和效益的定價問題

在選取備用成本和效益的評估和分攤法進行定價時，不僅要計算旋轉備用的供給成本，還要評估旋轉備用所創造的效益價值。本文合理計算風電提供旋轉備用服務的供給成本，同時對備用的效益價值進行量化評估，兼顧可靠性，提出適合風光互補系統的旋轉備用定價模型。

旋轉備用的成本包括電量成本和容量成本兩部分，電量成本主要指機組的變動成本，而容量成本包則括固定資產成本和機會成本。由于風電的特性，其變動成本幾乎為零，又因為在實施兩部制電價競價機制的電力市場中，機組所有的固定成本已計入容量電價中，所以在分析風電提供旋轉備用服務的成本時可以只考慮機會成本。旋轉備用所創造的效益可理解為降低停運事故帶來的損失，由失負荷價值VOLL表示。旋轉備用的最終定價需具有激勵作用，在制定價格的過程中將LOLP權重，將考慮系統可靠性考慮在內，對發電商的旋轉備用成本進行合理補償。

二、系統備用的定價模型

(一)供給成本分析

由于風電變動成本很小，同時機組所有的固定成本已計入容量電價中，所以機組提供旋轉備用的供給成本可以用變動成本機會成本來衡量，也就是機組因為提供旋轉備用而使得發電量減少，從而使其收益減少，減少的這部分收益就是機組提供旋轉被用的機會成本。本文對電力系統的某一具體時段進行分析，并用市場電價衡量旋轉備用的機會成本，如式(1)。

CR=P0R

(1)

式中，CR為旋轉備用機組成本；P0為k時段的市場電價；R為該時段所需的備用容量。

(二)發電系統可靠性分析

計算旋轉備用的效益價值，首先需根據系統各機組(包括風電和火電)的強迫停運率計算出系統不同停運狀態的概率，形成機組停運容量概率分布表COPT，然后考慮負荷預測的不確定性概率分布。根據COPT 與負荷預測不確定性概率分布，可以形成系統缺出力的狀態概率分布，據此算出系統備用的期望價值。

首先根據機組的特定參數計算得出該機組的停運表(COPT)。設某臺發電機組的運行容量為ci，強迫停運率FOR為qi，則其停運表如表1所示：

表1發電機組的停運表

運行容量X(MW)停運容量X-(MW)確切概率P積累概率P*確切頻率F積累頻率F*ci0pi1piλi00ciqiqiqiμiqiμi

(3)

利用以上公式可以逐步形成整個發電系統的停運表。

(三)備用價值的分析

效益的評估將運用失負荷價值計算事故停運成本，也就是停電對經濟造成的損失。

文獻[7]提出了基于消費者剩余理論求備用服務中效益的失負荷價值的方法。無備用情況下，系統出現出力缺額g的失負荷價值VOLL 為

(4)

式中，g為缺出力量或失負荷量；P0為k時段的電能電價；ε為電力需求價格彈性系數(一般為0.22-0.25)；Q0為k時段的電力需求。

根據系統缺出力的狀態概率分布可以得到系統缺出力狀態向量(g1,g2,…,gi,…,gM)，以及狀態概率向量[p(g1),p(g2),…,p(gi),…,p(gM)]。經過比較缺出力與備用容量值，可以得出系統缺出力水平小于R的狀態向量(S1,S2,…,Si,…,SN1)，及其出現的概率向量[p(S1),p(S2),…,p(Si),…,p(SN1)]；系統缺出力水平大于等于R的狀態向量(B1,B2,…,Bj,…,BN2)，及其出現的概率向量[p(B1),p(B2),…,p(Bj),…,p(BN2)]。由此可計算出系統備用R的期望價值為：

(5)

(四)價格的確定

基于式(1)確定旋轉備用成本電價為：

(6)

式中，r%為成本利潤率水平。

基于式(5)得到旋轉備用效益的平均價值

(7)

根據旋轉備用的成本電價和備用效益平均價值，可以建立基于成本、效益及系統可靠性指標相結合的備用服務補償定價模型[9]：

PR=(1-LOLP)×PRC+LOLP×VR

(8)

式中，LOLP表示電力不足概率，即失負荷的狀態概率。

該模型不僅能夠對發電商的旋轉備用成本進行合理補償，而且備用服務的成本和效益相結合得出的價格，比以往單方面考慮成本或價值，能更好的體現旋轉備用服務的價值。同時，電力不足概率LOLP的引入使得該模型能夠反映系統的可靠性水平及對旋轉備用的需求。

三、算例分析

由于風電機組裝機容量數量級較小，為方便技術和減少誤差，本算例將單個風電場作為一個并聯機組單位進行計算。設系統中有10個200MW相同的風電場全部參與電力市場競爭，某時段電力需求為2000MW，各電廠強迫停運率為0.05，風電上網電價為540元/MWh。系統容量停運概率分布如表2所示。

假設預測負荷的不確定性概率為0，則可直接得出系統缺出力的狀態概率。由此得出無備用時對應的失負荷價值V(g)，并且通過式(5)可以得到不同備用水平的期望價值，如表3所示(ε取-0.25)。以需要的旋轉備用容量為400MW為例，設電廠要求的成本利潤率為10%，基于式(6)、(7)、(8)，最終計算該備用水平下，旋轉備用的補償價格PR為552.53元/MWh。

表2系統容量停運概率分布表

狀態i停運容量(MW)運行容量(MW)狀態概率累積概率1020000.5987369391220018000.3151247050.401263061340016000.0746347990.086138356460014000.0104750590.011503557580012000.0009648080.0010284986100010006.09352E-056.36898E-05712008002.6726E-062.75458E-06814006008.03789E-088.1984E-08916004001.58643E-091.60508E-091018002001.85547E-111.86523E-1111200009.76563E-149.76563E-14

表3旋轉備用容量期望價值

狀態i備用容量(MW)狀態概率備用期望價值100.598736939022000.31512470512932.717934000.07463479915337.565246000.01047505915633.347158000.00096480815658.4367610006.09352E-0515659.935712002.6726E-0615659.9981814008.03789E-0815660916001.58643E-09156601018001.85547E-11156601120009.76563E-1415660

四、結論

合理的風電旋轉備用定價對引導風電資源的優化配置、調動風電場參與的積極性、提高電力市場的運行效率具有重要作用。本文將旋轉備用的成本和效益定價方法應用于風電這一新的研究對象，基于前人的研究成果，結合風電特性提出了適用于風電提供旋轉備用的定價模型。模型中，供給成本由機會成本表示，效益則根據消費者剩余理論由服務效益的失負荷價值(VOLL)計算，并通過可靠性指標失負荷概率(LOLP)作為權重，綜合并且合理地確定了風電提供輔助服務的補償價格。該定價模型綜合反映了旋轉備用的相關成本和效益價值，對成本和價值進行補償的同時，也考慮了系統的可靠性水平，能夠合理地引導與激勵相應市場。這種風電提供旋轉備用服務的定價方法具有一定的可行性，適用于當前的中國電力市場。

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(責任編輯：王荻)

Pricing Model of Spinning Reserve Provided by Wind Power Based on Cost and Benefit

ZHAO Xin-gang，YANG Ya-hui

(School of Economics and Management，North China Electric Power University，Beijing 102206，China)

Large scale wind power access has brought great uncertainty to the operation of the power system. To maintain the system stability and ensure wind power penetration, reserve service provided by wind power becomes critical. Wind power as the power supply has the ability to offer spinning reserve. For the enthusiasm of wind power generation enterprises to participate in the spinning reserve service, the enterprises should be given compensation. Reasonable price of spinning reserve can improve the operation economy of power network. In this paper, based on the reserve service pricing method of cost and benefit evaluation, combined with the primary power market in China, a new pricing model is put forward which colligates opportunity cost, VOLL and reliability index of system. Then, an example is given to show the practicability and rationality of the model.

wind power; spinning reserve; cost and benefit; pricing method

2014-12-20

國家自然科學基金面上項目(項目編號：71273088, 71471058)； 遼寧省電力有限公司科技項目(項目編號：FZJS1400829)。

趙新剛，男，華北電力大學經濟與管理學院教授；楊亞會，女，華北電力大學經濟與管理學院碩士研究生。

F206

A

1008-2603(2015)02-0024-04