基于現貨實時平衡的新能源微電網調峰激勵機制

馬喜平 沈渭程 楊 臣 杜松懷* 蘇 娟 趙鳳展 董彥君

(1.國家電網甘肅省電力公司 電力科學研究院，蘭州 730070； 2.中國農業大學 信息與電氣工程學院，北京 100083)

隨著大規模的新能源并網，系統隨機與波動性的增加對穩定性和峰谷調節會產生較大影響。關于新能源消納[1-3]、資源配置及管理控制[4-6]已有部分研究，但針對新能源微電網參與調峰的市場研究仍較少。現貨實時平衡的市場交易可根據電網調度員依據報價調整發電出力或用戶負荷，維持系統的能量平衡和安全運行，可采用建立現貨實時平衡的市場交易機制來處理新能源微電網并網的調峰問題。在市場環境下的調峰過程中，需要建立相應的激勵機制，以達到激發調峰市場的目的。

新能源微電網并網給電網調峰帶來一些技術問題，現有研究提出了相應的解決方案，大規模新能源的調峰優化方案[7-8]、新能源聯合調峰[9]、調峰深度及容量配置[10]、聯合儲能調峰性能[11-13]，但關于新能源微電網參與調峰市場機制的研究較少。在市場方面如市場模式[14-17]、現貨交易機制[18-21]、峰值調節電價補償[22-24]，也存在一定的研究，但關于新能源微電網的調峰市場激勵機制研究仍處于起步階段。新能源微電網并網背景下，需要研究其參與調峰的市場模式及激勵機制，實現激發調峰市場主體積極參與的目的。

為達到市場模式下，新能源微電網并網多種資源聯合調峰的目的，本研究擬在現貨實時平衡市場機制下，考慮并網發電機組提供調峰輔助服務的考核指標，采用基于現貨實時市場的新能源微電網參與調峰輔助服務的激勵模型。擬增加調峰考核與補償激勵環節，引入競爭的正向激勵機制，以期獲得更大程度激發市場各調峰主體的潛能與意愿，緩解各類電源間矛盾，達到有效保障電網的安全穩定運營的目的。

1 現貨實時平衡交易機制

波動性新能源大規模并網與系統負荷峰谷差不斷增加，調峰維持實時供需平衡越來越重要?，F貨實時平衡交易能夠依據電網調度員依據增減出力(負荷)報價，調整發電出力或用戶負荷，維持系統的能量平衡和安全運行，可建立現貨實時平衡的市場交易機制來處理系統調峰問題。結合國際經驗，實時平衡市場應包括：超短期負荷預測、上調與下調出力競價、安全校核、市場結算等。各部分的設計方案如下。

1)超短期負荷預測：為實時平衡交易的基礎，需要高精度的負荷預測。

2)上調與下調出力競價：當市場交易調度中預測到存在較大負荷增加或發電計劃過大，交易機構可以組織愿意參與市場調度的發電廠申報上下調節范圍與價格。系統調度員根據總不平衡量及報價順序，調度機組滿足不平衡量。機組出力調節的日內平衡市場交易競價曲線見圖1[18]。

圖1 機組出力調節的日內平衡市場交易競價曲線
Fig.1 Bidding curve of intra-day equilibrium market for unit output regulation

3)安全校核：對實時平衡的市場交易計劃需要校驗線路潮流是否越限、是否存在阻塞，進行兩端平衡調節，修正交易結果，滿足電網安全約束。

4)市場出清結算：對交易進行機組調整電量與不平衡電量進行結算。目前電價機制主要有3種[18]：以北歐市場為代表的統一邊際上調、下調價格；以英國市場為代表的一機一價定價；以美國 PJM市場為代表節點邊際電價。我國目前的電價體制下，可結合政府批復電價，發掘電廠的邊際上調價格和邊際下調價格采用節點邊際電價，也可采用相對簡單的一機一價定價原則。

上述基于現貨平衡市場下的交易機制，屬于傳統調峰輔助服務的交易形式。為增加交易中市場主體的積極性，本研究結合新能源微電網并網調峰性能指標，增加考核與激勵環節，激發調峰市場主體的潛能。最后將其交易結果與未采用激勵機制(傳統交易機制)的交易結果進行對比分析。

2 新能源微電網并網的調峰性能指標

高比例新能源大規模并網必然會加劇電網功率平衡的壓力，市場模式下的新能源以補貼的電價或合約政策進行交易，能夠達到多種資源協調聯合、需求側管理手段進行調峰的目的。但需要對系統參與調峰的資源進行性能評估，因此，新能源微電網并網背景下，對提供輔助服務的機組進行指標考核。本研究擬選取調峰參與度、調峰容量、調峰速率、調峰精度4個調峰指標，在調峰過程中，前2項指標、后2項指標分別能夠真實反映機組參與調峰的可調控范圍、調控響應時間，與調峰輔助服務衡量標準基本一致。

1)調峰參與度R。新能源微電網機組的調峰參與度R指新能源微電網機組參與調峰實際運行時間占要求運行時間的百分比，采用式(1)計算：

(1)

式中：Tr為新能源微電網機組參與調峰實際運行時間；TN為要求運行時間。

2)調峰容量。新能源微電網機組的調峰容量是指機組調峰范圍上限和下限值之差的絕對值或者該絕對值所占機組額定容量的百分數。

3)調峰速率V。新能源微電網機組的調峰速率V是調解過程的調峰幅度與調峰時間之間的比值的絕對值，采用式(2)計算：

V=|ΔP/ΔT|

(2)

式中：ΔP為調解過程的調峰幅度；ΔT為機組的調峰時間。

4)調峰精度e。新能源微電網機組的調峰精度e采用式(3)計算：

(3)

式中：t2為機組調峰過程結束的時刻；PN為機組的額定容量；z為機組的目標指令；T0為精度統計計算時間；P為機組或電廠實際出力。若z>P，開始功率升高調峰，開始時刻計為t1，初始功率P1。直到z

圖2 新能源微電網參與調峰的調峰過程示意
Fig.2 Schematic diagram of peak regulation process of new energy microgrid

3 基于現貨實時平衡的調峰激勵

現貨實時平衡交易的市場交易下，結合并網發電機組提供調峰輔助服務的考核指標，采用基于現貨實時市場的新能源微電網參與調峰輔助服務的激勵模型。該模型考慮提供輔助服務電廠的經濟利益，充分肯定其實際貢獻，以考核系數和激勵系數，激勵電廠改進技術設備，為電網提供經濟、優質、高效的輔助服務。本研究在現貨平衡交易機制的基礎上，增加考核與補償激勵2部分。

3.1 考核與補償規則

1)考核規則。依據現行調峰輔助服務規則，對于電廠每日平均調峰速度或精度不滿足要求的，當日進行考核。各項指標應達到新能源微電網參與調峰的指標考核標準(表1)[22]。

表1 新能源微電網參與調峰的指標考核標準Table 1 Index assessment standard of new energy microgrid peak regulation

注：PN為機組的額定容量。

Notes：PNis the rated capacity of the unit.

2)補償規則。對于提供調峰輔助服務的機組，且機組性能指標滿足新能源微電網參與調峰的指標考核標準，對其調峰過程進行補償，補償費用的大小取決于機組調峰過程的貢獻量，并計算調峰輔助服務補償的總費用，采用式(4)和(5)計算：

(4)

F=∑MR

(5)

式中：M為調峰過程貢獻量；ΔP為調峰過程的調峰幅度；T0為統計精度計算時間，ΔT為機組調峰過程結束后，進入了穩態，進行調峰精度統計計算的時間段長短；F為總補償費用；M為調峰過程貢獻量；R為每MWh應補償的費用。對于調峰性能不滿足新能源微電網參與調峰的指標考核標準的調峰過程不予補償。

在考核指標中，主要考慮后2項指標，以此判斷機組是否符合參與調峰的標準或對性能不合格的機組進行扣罰。針對前2項指標，擬考慮在激勵機制中，對一些容量小，但實際參與了調峰的進行激勵，期望達到：1)盡可能鼓勵機組根據調度計劃提供調峰輔助服務，維持電力系統的安全穩定運行。2)對于調峰性能不合格的機組給予扣罰，同時又不否定其做出的調峰貢獻；既有懲罰，又肯定電廠的貢獻，更為靈活。

3.2 考核補償激勵模型

上述考核與補償標準規則，計算簡單，但不夠靈活。補償規則中對于性能不滿足要求的調峰過程不予補償，同時受到考核，無法真實反映發電廠機組的實際貢獻，對電廠會造成經濟損失，不利于激勵各電廠機組提供輔助服務。為彌補此缺陷，本研究采用基于現貨實時平衡的調峰激勵考核與補償模型。

基于現貨實時市場的新能源微電網參與調峰輔助服務激勵模型建立的基本思想見圖3。1)在現貨實時平衡交易的基礎上，評估各機組調峰性能。2)對性能不合格的機組依據考核規則進行電量考核，考核結果乘以考核系數，得到最終的考核扣罰結果，其中考核系數大小由機組調峰性能好壞決定。3)依據考核結果和超短期負荷預測結果計算機組的調峰貢獻量，根據機組調峰性能對貢獻量乘以激勵系數，得到最終貢獻量，按最終貢獻量大小進行費用補償。4)進行交易和出清計算。

該模型在調峰過程中，只要機組參與調峰，都需進行調峰貢獻量計算，貢獻量大小跟機組的調峰性能存在直接關系，性能越好，貢獻量越大，反之亦然。機組扣罰電量與調峰貢獻量進行核算方法如下。

1)機組扣罰電量采用式(6)和(7)計算：

(6)

(7)

圖3 新能源微電網調峰的實時平衡交易流程
Fig.3 Real time equilibrium transaction flow chart of new energy micro grid peak regulation

式中：C為n天總的扣罰電量，n為調峰天數；Ci為日平均調峰速度或精度不滿足要求時，應扣罰的電量；ki為考核系數，機組調峰性能偏離考核標準的程度，偏離越大，ki越大，考核電量也越多；vi和ei分別為機組的實際第i天平均調峰速度和平均調峰精度，vN和eN為機組調峰速度和調峰精度考核標準。

2)機組調峰貢獻量采用式(8)計算：

(8)

(9)

式中：M為機組n天總的調峰貢獻量；n為調峰天數；m為1天中完整的調峰過程次數；ΔPij為第i天第j個調峰過程的調峰幅度；T0為統計精度計算時間；ΔTij為第i天第j個調峰過程的調峰時間；kij為機組的激勵系數，表明機組的綜合調峰性能的高低，kij<1，表示懲罰機組，kij>1，表示獎勵機組；vij和eij分別為機組的實際調峰速度和調峰精度；vN和eN分別為機組調峰速度和調峰精度考核標準。

4 算例分析

依照新能源微電網調峰的實時平衡交易流程，結合電網輔助服務相關補償規則，測算當前發電機組現貨實時平衡市場下調峰輔助服務的考核與補償水平，將其交易結果與未采用激勵機制(傳統交易機制)的交易結果進行對比。本研究算例以電網實際發用電數據為基礎，對電網機組進行簡化等效，新能源微電網的發電機組基本情況見表2。

表2 新能源微電網的發電機組基本情況Table 2 Basic situation of generator set in new energy microgrid

4.1 峰平谷時段的確定

根據不同季節的負荷特點，算例選取秋冬季(09—12月)時段。

首先確定系統峰平谷時段。負荷高峰時段為09：30—11：30和16：30—19：30，總計5 h；負荷低谷時段為00：00—05：00，總計5 h；其余為平時段。根據當前峰平谷時段劃分，以火電機組和新能源機組的出力總和，計算火電機組在發電空間未收到新能源擠占條件下，在峰平谷時段平均出力。

4.2 扣罰電量核算對比

根據電網實測數據，對機組分別進行未采用激勵機制的標準場景和采用激勵機制的激勵場景進行機組考核和補償的計算并比較，考核采用9—12月的數據。不同場景下機組調峰的扣罰電量對比計算結果見表3。基于激勵機制的扣罰電量平均比標準扣罰少51.84%，說明激勵機制一方面鼓勵電廠根據調度計劃提供調峰輔助服務，另一方面對調峰性能不合格的機組給予扣罰，但不否定其做出的調峰貢獻，間接增加機組參與調峰輔助服務的貢獻量。

表3 不同場景下機組調峰的扣罰電量對比Table 3 Comparison of the power penalty for peak load regulation in different scenarios MWh

4.3 調峰貢獻量核算對比

根據電網實測數據，補償采用的是9月份的數據，標準場景與激勵場景下的新能源微電網的調峰貢獻量對比結果見圖4。9月份基于激勵機制的機組調峰貢獻量普遍高于未采用激勵機制的調峰貢獻量，計算發現激勵作用的機組調峰貢獻量增加46.82%，說明基于激勵機制的補償細化了傳統機組調峰機制，根據機組的調峰性能好壞進行補償，機組性能越好，貢獻量越大，補償費用就越多；性能較差的機組，補償費用相對越少，能夠達到激勵電廠改進技術，為電網提供優質的調峰輔助服務的目的，同時為電廠帶來更多經濟效益，實現雙贏。

圖4 不同場景下新能源微電網的調峰貢獻量對比
Fig.4 Comparison of peak load regulation contribution of new energy microgrid in different scenarios

4.4 市場出清結果

根據不同場景下新能源微電網調峰的考核和補償數據，確定機組各時段參與調峰的考核電量和調峰貢獻量。結合新能源微電網機組參與調峰的平衡交易市場報價，核算實時平衡交易的市場出清結果見表4?？梢?，合計當天調峰補償與考核費用，標準場景下共22.98萬元調峰收入，激勵場景下共35.68萬元調峰收入；相比標準場景，基于現貨平衡的激勵機制降低了新能源機組參與調峰的部分考核費用，提高了補償費用，調峰收入增加55.27%。

表4 新能源微電網調峰的實時平衡交易市場出清結果Table 4 Clearing results of real-time equilibrium trading market for peak load regulation of new energy microgrid

5 結 論

高比例新能源并入大型配電網或農村電網會增加電網的波動性與隨機性，市場模式下以新能源補貼電價或合約政策等需求側管理手段，能夠達到多種資源協調聯合進行調峰的目的。本研究在現貨實時平衡的市場機制下，結合機組提供調峰輔助服務的調峰參與度、調峰容量、調峰速率、調峰精度考核指標，采用基于現貨實時市場的新能源微電網參與調峰輔助服務的激勵模型對新能源微電網參與調峰進行激勵。該模型增加考核與補償激勵環節，考慮提供輔助服務電廠的經濟利益，充分肯定電廠實際調峰貢獻，激勵其提供經濟、優質、高效的輔助服務。最后采用算例，驗證激勵機制的可行性與有效性，引入競爭的正向激勵機制，更大程度的激發市場各調峰主體的潛能與意愿，緩解各類電源間矛盾的同時，有效的保障電網的安全穩定運營，但對運行調度的要求也有所提高，需要更加準確、及時的調度。