促進(jìn)自備電廠參與風(fēng)電替代的撮合模式研究

王丹東，李鳳婷，李義巖，蘇常勝，張高航

(1.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047;2.國(guó)網(wǎng)新疆電力科學(xué)研究院，新疆 烏魯木齊 830011;3.國(guó)網(wǎng)新疆電力調(diào)度控制中心，新疆 烏魯木齊 830006)

0 引言

近年來國(guó)內(nèi)風(fēng)電發(fā)展形勢(shì)迅猛，棄風(fēng)問題日益突出。以新疆為例，2016年度棄風(fēng)電量137億kW·h，棄風(fēng)率達(dá)38%。因此尋找促進(jìn)風(fēng)電消納的途徑已成為亟待解決的問題。

“十二五”以來，新疆自備電廠“噴井式”發(fā)展，截至2016年底，新疆燃煤自備電廠裝機(jī)已達(dá)2 493萬kW，位居全國(guó)第一。新疆燃煤自備電廠的迅速發(fā)展不僅威脅到電網(wǎng)運(yùn)行安全，而且影響新疆冬季供暖工作和新能源消納。新一輪電力市場(chǎng)改革明確提出推進(jìn)自備電廠和公用電廠同等管理，參與促進(jìn)清潔能源消納、維護(hù)市場(chǎng)公平競(jìng)爭(zhēng)等方面的要求。因此，如何激勵(lì)自備電廠在市場(chǎng)機(jī)制的調(diào)節(jié)下更公平地參與就地消納風(fēng)電就顯得特別重要。

目前，針對(duì)發(fā)電側(cè)的替代交易還處于探索階段，交易模式和組織流程不完善。文獻(xiàn)［1～3］提出了在節(jié)能減排政策下的發(fā)電權(quán)交易的開展情況，設(shè)計(jì)了不同約束下的目標(biāo)函數(shù)的算法，建立了能耗與效率優(yōu)先的發(fā)電權(quán)交易模型。文獻(xiàn)［4］對(duì)自備電廠參與有償替代交易的理論進(jìn)行了分析，建立了考慮煤耗和社會(huì)效益的發(fā)電權(quán)交易模型。文獻(xiàn)［5］分析了新能源企業(yè)與自備電廠替代交易的可行性。但是，新能源替代交易的研究并不成熟，特別是考慮網(wǎng)損的替代交易的模式更亟須研究。

本文借助傳統(tǒng)撮合交易的基礎(chǔ)上，考慮替代交易對(duì)網(wǎng)損的影響，構(gòu)建以社會(huì)效益最大和網(wǎng)損最小為目標(biāo)的自備電廠替代交易模型，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了適應(yīng)自備電廠與風(fēng)電企業(yè)的替代交易流程。通過簡(jiǎn)單算例驗(yàn)證該撮合模式能在兼顧電網(wǎng)安全穩(wěn)定和市場(chǎng)機(jī)制的調(diào)節(jié)作用的前提下，推動(dòng)新能源企業(yè)與自備電廠更加公平、有序的開展替代交易。

1 自備電廠參與風(fēng)電替代的交易模式

1.1 自備電廠與風(fēng)電企業(yè)替代交易思路

自備電廠與風(fēng)電企業(yè)替代交易是指在市場(chǎng)機(jī)制下，符合準(zhǔn)入市場(chǎng)條件的自備電廠與風(fēng)電企業(yè)在平等自愿的前提下，保證電網(wǎng)運(yùn)行安全穩(wěn)定、新能源全額保障性收購(gòu)、滿足某區(qū)域用電需求和外送電的基礎(chǔ)上，通過雙方競(jìng)價(jià)，將風(fēng)電企業(yè)全額保障性收購(gòu)電量以外的多發(fā)電量替代給自備電廠的用電負(fù)荷，切實(shí)提高風(fēng)電企業(yè)的發(fā)電量。自備電廠申報(bào)電價(jià)是其自愿為購(gòu)買風(fēng)電企業(yè)電量而支付的發(fā)電價(jià)格，而風(fēng)電企業(yè)申報(bào)電價(jià)是其希望自身發(fā)電而獲得的回報(bào)價(jià)格。

1.2 自備電廠參與風(fēng)電替代對(duì)網(wǎng)損的影響

自備電廠與風(fēng)電企業(yè)替代交易的實(shí)施，必然改變系統(tǒng)的潮流分布，導(dǎo)致網(wǎng)損的變化，影響電網(wǎng)及交易雙方的效益。因此，替代交易時(shí)應(yīng)將替代交易對(duì)網(wǎng)損的影響考慮在內(nèi)，導(dǎo)致網(wǎng)損增量較小甚至降低的交易優(yōu)先考慮，對(duì)網(wǎng)損增加較大，影響到系統(tǒng)安全穩(wěn)定性的交易應(yīng)適當(dāng)降低其優(yōu)先級(jí)或加以約束。

本文采用邊際網(wǎng)損系數(shù)法［7］計(jì)算替代交易時(shí)的網(wǎng)損，系統(tǒng)網(wǎng)損的微增成本信息作為網(wǎng)損變化的經(jīng)濟(jì)信號(hào)，使替代交易向減少網(wǎng)損的方向進(jìn)行配對(duì)撮合，以達(dá)到優(yōu)化系統(tǒng)潮流，提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。

對(duì)系統(tǒng)任意節(jié)點(diǎn)k，其有功邊際網(wǎng)損系數(shù)為

無功網(wǎng)損系數(shù)為

式中，L為系統(tǒng)的總網(wǎng)損;Pk是節(jié)點(diǎn)k注入的有功功率;Qk為節(jié)點(diǎn)k注入的無功功率。

系統(tǒng)的無功用于系統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)，因此不考慮其無功功率的網(wǎng)損費(fèi)用;同理，在系統(tǒng)的平衡節(jié)點(diǎn)S的有功和無功也不考慮其網(wǎng)損費(fèi)用。

設(shè)系統(tǒng)總網(wǎng)損為L(zhǎng)，則式中，k、l分別為任意節(jié)點(diǎn);N是節(jié)點(diǎn)數(shù);Gkl是任意節(jié)點(diǎn)k、l之間的電導(dǎo);Vk、Vl分別代表節(jié)點(diǎn)k、l的電壓幅值;θk、θl分別代表節(jié)點(diǎn)k、l的電壓相角。

對(duì)式(3)求偏導(dǎo)，可得

因?yàn)榫W(wǎng)損是各節(jié)點(diǎn)注入功率的函數(shù)，故可得

計(jì)算得到的邊際網(wǎng)損系數(shù)L/Pk，L/Qk，進(jìn)而計(jì)算系統(tǒng)實(shí)際總網(wǎng)損為

本文把邊際網(wǎng)損系數(shù)法應(yīng)用于自備電廠參與風(fēng)電替代的交易中，系統(tǒng)實(shí)施替代交易前總網(wǎng)損為

無功損耗相對(duì)于有功損耗來說很小，所以忽略無功損耗后系統(tǒng)總網(wǎng)損為

當(dāng)處于節(jié)點(diǎn)Sj的自備電廠向節(jié)點(diǎn)Ri的風(fēng)電企業(yè)出售單位發(fā)電權(quán)數(shù)量，交易實(shí)施后，系統(tǒng)總網(wǎng)損將變?yōu)?/p>

交易前，自備電廠為本企業(yè)供電，不向電網(wǎng)中供電。替代交易對(duì)整個(gè)系統(tǒng)來說，只是增加了節(jié)點(diǎn)Ri的輸出功率。

網(wǎng)損變化量為

因此，自備電廠參與風(fēng)電替代引起的網(wǎng)損變化為

式中，Ct為電力公司單位購(gòu)電價(jià)，元/MW。

2 計(jì)及網(wǎng)損的自備電廠參與風(fēng)電替代的撮合模型

設(shè)WRi和WSj分別代表風(fēng)電企業(yè)i與自備電廠j的申報(bào)電量;Cij為雙方的成交價(jià)格Cij=(CRi+CSj)/2，風(fēng)電企業(yè)煤耗為0。

構(gòu)建以社會(huì)效益最大和網(wǎng)損最小為目標(biāo)函數(shù)的自備電廠參與替代的撮合交易模型，約束條件包括交易雙方申報(bào)發(fā)電權(quán)數(shù)量的約束，電網(wǎng)支路功率極限的約束，節(jié)點(diǎn)電壓約束以及供電質(zhì)量約束。

2.1 目標(biāo)函數(shù)

式中，Ri，Sj(i=1，2，…，n;j=1，2，…，m)分別代表風(fēng)電企業(yè)i和自備電廠j;CRi、CSj分別代表風(fēng)電企業(yè)i和自備電廠j的申報(bào)電價(jià);Wij為自備電廠與風(fēng)電企業(yè)成交電量。

2.2 約束條件

替代交易模型的約束條件為

2.3 計(jì)及網(wǎng)損的替代撮合交易組織流程

(1)電力交易中心在規(guī)定時(shí)間內(nèi)發(fā)布替代交易信息。

(2)替代交易雙方申報(bào)。根據(jù)電力交易中心發(fā)布的信息，參與交易的企業(yè)按照規(guī)定時(shí)間進(jìn)行申報(bào)。申報(bào)內(nèi)容包括交易電量與申報(bào)電價(jià)。

(3)電力交易中心以網(wǎng)損最小為目標(biāo)對(duì)交易雙方進(jìn)行配對(duì)排序，公布撮合結(jié)果。

(4)電力交易中心撮合交易。交易中心根據(jù)排序結(jié)果，按照優(yōu)先級(jí)進(jìn)行撮合交易。當(dāng)達(dá)到以下兩個(gè)條件之一時(shí)，交易撮合終止:報(bào)價(jià)差小于零;風(fēng)電企業(yè)或自備電廠電量都已進(jìn)行撮合。

(5)電網(wǎng)安全校核。調(diào)度控制中心對(duì)撮合結(jié)果應(yīng)進(jìn)行電網(wǎng)安全校核，如若無法通過安全校核，則應(yīng)減少或取消導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)阻塞的交易對(duì)的交易量，對(duì)交易撮合的結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。

(6)替代交易的確認(rèn)。在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，對(duì)交易的結(jié)果將進(jìn)行確認(rèn)公布，內(nèi)容包括:成交的交易對(duì)、成交的電量及價(jià)格。

(7)簽訂交易協(xié)議并執(zhí)行。

3 算例驗(yàn)證

采用IEEE-14節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)模型，假設(shè)在該系統(tǒng)中1、2、3、6節(jié)點(diǎn)有出售電量的風(fēng)電企業(yè)，在1、3、8節(jié)點(diǎn)有購(gòu)買電量的自備電廠，且雙方交易電力申報(bào)數(shù)據(jù)均以小時(shí)計(jì)。如表1所示。

表1 交易雙方的申報(bào)數(shù)據(jù)

表1中1-1表示1節(jié)點(diǎn)的風(fēng)電企業(yè)，1-2表示1節(jié)點(diǎn)的自備電廠，其他節(jié)點(diǎn)相似。

由于標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)的負(fù)荷數(shù)據(jù)已知，利用邊際網(wǎng)損系數(shù)法對(duì)網(wǎng)損變化進(jìn)行計(jì)算。以替代交易的總交易成本矩陣作為經(jīng)濟(jì)信號(hào)對(duì)替代交易的配對(duì)方向?qū)嵤┝苏_的引導(dǎo)，得出計(jì)及網(wǎng)損的成交結(jié)果并與傳統(tǒng)撮合比較如表2所示。

表2 計(jì)及網(wǎng)損的撮合方式與傳統(tǒng)撮合對(duì)比情況 MW·h

表2可知，1節(jié)點(diǎn)的風(fēng)電企業(yè)未實(shí)現(xiàn)欲出售電量，8節(jié)點(diǎn)自備電廠未完成欲購(gòu)買電量，采用計(jì)及網(wǎng)損的撮合模式后的交易不僅減輕了系統(tǒng)潮流，而且使電力市場(chǎng)更加公平、有序，交易結(jié)果更具可行性。

4 結(jié)論

本文借助傳統(tǒng)撮合交易模式，提出計(jì)及網(wǎng)損的促進(jìn)自備電廠參與替代交易的撮合方案，通過對(duì)比分析驗(yàn)證該模型能在兼顧促進(jìn)清潔能源消納和市場(chǎng)機(jī)制的調(diào)節(jié)作用的前提下，推動(dòng)可再生能源高滲透地區(qū)的自備電廠與風(fēng)電企業(yè)更加公 平、有序的開展替代交易。

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