美國電力目前市場中可靠性機組組合機制研究

劉煜， 荊朝霞， 劉潤澤， 黃寧馨

(華南理工大學 電力學院，廣東 廣州 510640)

0 引 言

我國電力現貨市場建設正處于深入推進和推廣階段，目前市場是現貨市場的重要環節，產生時間和空間的價格信號，引導電力資源優化配置。現階段，國內關于市場的研究集中在兩個方面：①適應我國改革現狀的目前市場建設路徑探索[1-3]；②基于我國電力系統運行現狀對現有市場出清方式的改進[4]。相關研究較少關注目前市場價格形成機制。

市場均衡是電力市場機制設計的核心，因此市場價格須由購售雙方共同決定。我國部分現貨試點地區允許用戶側市場報價，但調度機構采用負荷預測作為購電需求進行目前市場出清[5-7]，導致出清價格未完全反映市場真實供需。為此，我國目前市場需向雙邊市場轉變，即：基于購售雙方報價進行出清，但由此獲得的開機方式可能在部分時段無法滿足負荷預測。美國目前市場是典型雙邊市場，其在市場出清后開展可靠性機組組合(reliability unit commitment, RUC)，新增機組提供發電容量以滿足負荷預測與市場出清電量間的偏差[8-9]。但不同地區的RUC機制設計有差異，對市場運營結果造成不同影響，因此，研究美國RUC機制并進行市場影響性分析，對我國雙邊市場建設具有重要的理論價值和現實意義。

本文首先以廣東為例，分析我國部分現貨試點省份在目前市場出清方面存在的問題。隨后介紹美國目前市場框架，介紹市場出清和RUC二者的市場功能和銜接方式，重點研究RUC機制設計的差異，并通過IEEE 118節點系統進行市場運營結果影響性對比，為我國雙邊目前市場建設提供借鑒。

1 雙邊目前市場建設必要性

1.1 廣東目前市場價格形成機制分析

圖1 目前市場出清示意圖

以廣東為例，分析我國部分現貨試點省份采用負荷預測進行目前市場出清，用戶側申報需求用于目前市場結算，造成的價格信號扭曲和結算不平衡資金問題，如圖1所示。圖1中：QB和QF分別為用戶側申報需求和負荷預測；PF為市場出清價格，PB為非供需均衡價格。出清價格扭曲未完全反映購售雙方真實供需。同時，申報需求用于目前市場結算，導致目前市場存在結算不平衡資金，可通過式(1)表示。

(1)

式中：RU、RG、RD分別為目前市場中結算不平衡資金、發電側電能量收入和用戶側電能量電費。

建立雙邊目前市場是解決上述價格信號扭曲和結算不平衡資金問題的根本方法。

1.2 美國雙邊目前市場框架概述

美國目前市場包含目前市場出清和RUC。目前市場出清是基于申報需求進行優化計算，獲得出清結果；RUC在出清結果基礎上，新增機組提供可用發電容量以滿足負荷預測與目前出清電量間的偏差。圖2展示了美國絕大部分獨立系統運營商(independent system operator, ISO)采用目前市場出清和RUC銜接方式，并以目前市場出清和RUC為順序開展。

圖2 目前市場出清與RUC的銜接方式

2 雙邊目前市場框架研究

2.1 目前市場出清

目前市場出清是在滿足各項安全穩定約束情況下，按最優經濟調度原則滿足負荷申報需求。

1) 目標函數

(2)

2) 系統供需平衡約束

(3)

式中:Pi,t為機組i在t時段的出力；D為負荷集合；Qj,t為負荷j在目前市場t時段的申報需求。

3) 機組運行約束

機組運行約束包括出力上下限約束、上爬坡約束、下爬坡約束、啟停狀態約束和開停機動作約束，分別由式(4)～式(8)表示。

(4)

(5)

(6)

si,t-zi,t=μi,t-μi,t-1

(7)

si,t+zi,t≤1

(8)

4) 網絡約束

(9)

2.2 RUC概述

2.2.1 RUC機制

RUC旨在目前市場出清結果基礎上獲取可用發電容量以保障系統發電充裕度，滿足負荷預測需求。在美國RUC實踐中，可用發電容量獲取方式有兩種：①啟動服務：ISO通過啟動機組獲取可用發電容量；②可用發電容量拍賣：機組為其可用發電容量申報RUC容量報價，并由ISO進行集中拍賣。

由于節點電價的計算未考慮機組離散運行的空載成本和啟停成本，導致在部分時段按節點電價支付的收入無法覆蓋機組的總報價成本[10]。為此，ISO會對機組進行全成本補償，以保障其參與現貨市場不會承擔經濟損失，實現報價成本回收。全成本補償費用一般為總報價成本中未完全由現貨市場收入覆蓋的那部分成本，如式(10)～式(11)表示。

(10)

(11)

2.2.2 RUC模型

1) 啟動服務

(1) 目標函數。啟動服務的優化目標為新增機組的啟動成本和空載成本最小化。

(12)

(13)

(14)

(15)

(3) 功率平衡約束

(16)

式中:Dt為t時段的系統負荷預測。

(4) 網絡約束

(17)

式中:Gl-k為節點k對線路l的發電轉移分布因子;Dk,t為t時段節點k的負荷預測值;K為系統節點集合。

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(5) 機組運行約束。機組運行約束滿足式(4)～式(8)。

2) 可用發電容量拍賣

(1) 目標函數。可用發電容量拍賣以RUC容量成本、新開機組的啟動成本與空載成本最小化為優化目標。

(18)

(2) 必開機組約束。必開機組約束如式(13)～式(15)所示。

(3) 功率平衡約束

(19)

(4) 網絡約束

(20)

(5) 機組運行約束。機組運行約束在式(7)～式(8)的基礎上，還考慮RUC容量提供范圍約束，如式(21)所示。

(21)

3 算例分析

3.1 算例設計

模式1：目前市場出清與RUC為順序開展，RUC購買啟動服務。

模式2：目前市場出清與RUC為順序開展，RUC開展可用發電容量拍賣。

圖3 目前市場系統負荷預測與用戶申報量

3.2 算例分析

1) RUC開機方式分析

RUC開機情況如表1所示，模式1的RUC會優先啟動空載成本和啟動成本低的機組，因此模式1的RUC新增機組的全天的空載成本與啟動成本會小于模式2。但由于模式2的RUC目標函數計及RUC容量報價，該報價從一定程度反映機組的電能量成本。因此模式2的RUC新增機組的電能量成本報價會低于模式1，如編號44機組的能量成本報價低于模式1和模式2中任意RUC新增機組。

表1 不同市場模式下RUC開機情況

2) 供電成本分析

供電成本情況如圖4所示。模式1和模式2由于目前市場出清模型一致，因此兩種模式的目前市場供電成本相同。

由于RUC容量報價從一定程度反映機組的電能量成本，因此模式2的實時市場供電成本總體低于模式1，減少9.4萬元。

圖4 不同市場模式下的各時刻系統總供電成本

3) 價格分析

市場出清價格如圖5所示。模式1和模式2的目前市場出清模型一致，且RUC不影響目前市場出清結果，因此二者目前市場價格相同。模式2的RUC新增機組的電能量成本報價低于模式1，因此模式2的實時市場價格總體低于模式1，價格低的時段都是模式2和模式1的RUC新增機組存在差異的時段，在表1中為10∶00—17∶00，而在其他時段，模式1和模式2的RUC新增機組一致，因此該時段實時市場價格也一致。

圖5 不同市場出清模式下的各時刻市場出清價格

4) 全成本補償費用分析

發電側的市場收入及全成本補償費用情況如表2所示。模式1和模式2目前市場出清模型一致，因此目前市場收入相同。但模式2的實時市場價格整體低于模式1，因此模式2實時市場收入低于模式1。

由于模式1的RUC優化目標為新增機組的啟動成本與空載成本最小化，并且模式1的實時市場收入高于模式2，因此模式1通過全成本補償回收機組的空載成本和啟停成本的補償費用低于模式2，即：模式1的市場主體為保障系統發電充裕度而承擔的系統可靠性相關費用低于模式2。

表2 不同市場出清模式下發電側收入情況

綜上所述，RUC機制設計差異主要影響實時市場結果和全成本補償費用，不影響市場結果。模式1的RUC將優先啟動空載成本和啟動成本低的機組，此時RUC新增機組的全天空載成本和啟動成本之和低于模式2，因此全成本補償費用也低于模式2。模式2的RUC優化目標計及RUC容量成本，間接反映機組電能量成本，因此模式2的實時市場價格和運行成本均低于模式1。

4 結束語

雙邊目前市場的建設是還原電力商品屬性的重要舉措。通過對比美國兩種RUC，獲取可用發電容量的方式。結果表明，兩種方式無絕對優劣之分，而在于設計理念是實現市場成員為可靠性機組組合承擔的全成本補償費用最小化，還是保障電力系統資源優化配置。啟停服務方式造成的系統全成本補償費用相比拍賣方式更低，利于降低市場主體承擔的與系統可靠性相關的費用。拍賣方式的實時市場供電成本相比啟停服務方式更低，利于實現電力資源優化配置。