基于獨立建模的分軸燃機參與電力現貨市場機制

林孫奔，唐琦雯，徐立中，趙一琰

（國網浙江省電力有限公司，杭州 310007）

0 引言

在“30·60”雙碳目標背景下，電力系統從以化石能源為主體向以新能源為主體的新型電力系統轉變，能源結構面臨深度調整。燃氣-蒸汽聯合循環發電機組具有清潔環保、綜合效率高、調節性能好、調峰響應快等特點，在緩解以新能源為主體的新型電力系統的調節壓力、促進可再生能源消納等方面發揮著重要作用。同時，受制于國內少油貧氣的現狀和國際不穩定環境的影響，天然氣氣價大幅波動，亟需通過現貨市場進行有效的成本疏導。建立有效的市場化氣-電價聯動機制，首要關鍵是建立分軸燃氣-蒸汽聯合循環發電機組（以下簡稱“分軸燃機”）參與電力現貨市場的可靠運行機制。

目前，現貨市場中建立的機組與電網調度D5000系統中SCADA（數據采集與監控）及狀態估計中物理模型機組一一對應，市場申報、市場出清及市場發布均以單機為最小單元。然而，傳統模式下，分軸燃機的AGC（自動發電控制）控制單元為全廠一個控制單元，即按照套機的方式進行控制［1-4］。傳統模式與現貨環境下對分軸燃機控制方式的偏差，限制了其參與現貨市場的可行性，具體體現在以下幾個方面：

1）以單機為最小單元的現貨市場系統數據無法與以套機方式進行控制的AGC系統數據進行直接對接，中間需要通過數據轉化。

2）分軸燃機中的燃氣輪機（以下簡稱“燃機”）、蒸汽輪機（以下簡稱“汽機”）啟停和出力均存在依賴關系，傳統的市場規則無法處理單機組建模方式中的依賴關系。

3）套機運行方式多變，若采用分軸燃機運行方式轉移來建模，即針對不同運行模式分別進行申報和出清，規則、模型及優化算法十分復雜。而目前已有的簡化算法是將套機的每一種運行方式視為獨立事件，即在每次優化計算時只能選定一種模式，具有排他性，無法做到不同模式間的狀態轉換，也無法得到最優的出清結果。

在此背景下如何設計一種考慮分軸燃機參與的電力現貨市場運行模型，最小化出清模型變動，保證系統的平穩過渡和穩定運行，成為影響電力系統運行安全、電力用戶經濟效益的重要挑戰。本文在對比分析國內外分軸燃機市場機制的基礎上，結合浙江省電力現貨市場建設經驗，重點介紹基于獨立建模的分軸燃機參與電力現貨市場的機制。

1 國內外分軸燃機參與電力市場的機制

1.1 美國PJM市場分軸燃機參與機制

分軸燃機在物理上以高壓蒸汽熱管聯結，燃機和汽機分別帶動各自獨立的發電單元實現并網發電。國內外在分軸燃機參與電力現貨市場上采用各具特色的差異性方案。

國外市場上，以美國PJM（賓夕法尼亞-新澤西-馬里蘭）電力市場為例，分軸燃機有兩種報價方式可供選擇。第一種是總負荷報價模式。該模式下燃機和汽機組合為一個發電單元參與市場，允許在日前申報次日不同套機模式的報價。但由于“二拖一”的邊際成本較“一拖一”要低，意味著雙拖總負荷的報價反而要比單拖負荷的低，報價曲線會出現一個斷崖式的下降，如圖1 所示。因此，總負荷報價模式無法通過一次出清選出最優的套機運行模式。該方案下，出清程序只能將套機的每一種運行方式視為獨立的事件，由市場運營人員手動切換套機模式，無法做到不同模式間自動切換。

圖1 總負荷報價模式

第二種是固定搭配模式。每臺燃機均可選擇固定比例的汽機容量聯合組成獨立的虛擬發電單元參與市場，市場出清程序對每個發電單元獨立出清計算。以一個有2臺燃機和1臺汽機的聯合循環電廠為例，將這3 臺機組分為兩個發電單元，1臺燃機帶1/2容量的汽機做為一個發電單元，市場主體在日前申報時選擇具體套機模式，以單元為單位進行市場申報。每個單元的出清、結算、指令下發與普通機組相同。實際指令按單元下發，由電廠自行分配給燃機和汽機。該方式亦無法實現不同模式間自動切換。

1.2 美國ERCOT市場分軸燃機參與機制

美國ERCOT 電力市場中［5-6］，分軸燃機針對不同的運行模式分別進行報價，出清程序通過模式轉換矩陣能夠實現模式間的自動切換，進而選擇最優的運行方案。下面以“二拖一”分軸燃機為例介紹ERCOT套機模式切換思路。

分軸燃機分別申報“一拖一”和“一拖二”（如表1 所示）等不同模式的三部式電能報價、輔助服務報價和物理參數（最小開關機時間、爬坡率、最大最小技術出力等）。

表1 套機模式類型

根據分軸燃機初始狀態以及模式轉換矩陣（如表2所示），出清程序會開啟可以直接開機的模式，關停可以直接關停的模式，每個模式的開機/關機時間都滿足其提交的最小開機/關機時間。從一個模式轉換到另一個模式的成本，如果是上升轉換，則認為是后一個模式的啟動成本與前一個模式的啟動成本之差；如果是下降轉換，則認為是0。

表2 模式轉換矩陣

在潮流計算時，將某一模式的出清電力按照模式內每個物理機組的最大可靠出力為比例分配到各物理機組，進行潮流計算和安全校核。在出清計算時，再按照每個物理機組的最大可靠出力為權重將物理機組的靈敏度系數整合到模式的靈敏度系數，進行機組組合和經濟調度計算。

該方案的優點在于系統可以在考慮分軸燃機“一拖一”和“二拖一”不同工況下的報價成本，做到不同運行模式間的順利切換。但該方案對程序開發要求高，開發耗時較長，且由于不同模式切換的復雜性，一旦電網含多組分軸燃機，出清總耗時將成倍增長。

綜合對比美國PJM 和ERCOT 中分軸燃機參與方式可知，兩者均考慮了分軸燃機多模式轉化的問題，給予市場主體在日前申報中更多模式的選擇。ERCOT采用聯合循環機組運行方式轉移來建模，能實現不同模式的自由切換，同時也極大增加了規則、模型及優化算法的復雜性；PJM 算法較為簡便，但難以實現不同模式間狀態自由轉換。

1.3 國內分軸燃機參與市場現狀

當前，國內正在推動建設全國統一電力市場體系，引導省際、區域和省（市）各層次電力市場協同運行。不同層次現貨市場之間相互耦合，對時序銜接提出了很高的要求，尤其是省級現貨市場出清的高效性和及時性。因此，國內分軸燃機市場方案及出清算法應盡可能簡化處理，同時要實現分軸燃機不同模式之間的自由切換。

廣東現貨市場中，由于分軸燃機僅“一拖一”一種機型，其出清算法進行了簡化處理，即燃機和汽機單獨申報并出清，同時要求兩者開停機狀態保持一致，但該簡化機制不適用于“一拖二”等復雜的運行工況。浙江現貨市場在借鑒國外分軸燃機運營實踐的基礎上，結合國內實際情況，針對分軸燃機“一拖一”“二拖一”等不同工況，形成了獨具創新性的分軸燃機參與市場模式［7］。本文結合浙江電力現貨市場建設經驗，重點介紹基于獨立建模的分軸燃機參與電力現貨市場的機制。

2 分軸燃機參與浙江電力現貨市場機制設計

浙江電力現貨市場將分軸燃機按照單機形式建模，解決了機組建模方式中的依賴關系；將燃機報價納入目標函數，套機內燃機和汽機出力比例納入約束條件，解決燃氣-蒸汽聯合循環機組套機運行方式多變的問題。通過創新機制設計，在保證套機參與市場的同時，實現系統的平穩過渡和穩定運行。

2.1 分軸燃機的獨立建模

分軸燃機有“一拖一”“二拖一”等不同模式下的汽機驅動方式［8-12］，如圖2、圖3所示。

圖2 分軸燃機“一拖一”驅動方式

圖3 分軸燃機“二拖一”驅動方式

無論分軸燃機以何種模式驅動運行，都可實現燃機和汽機分別獨立驅動發電單元并網發電。目前成熟運行的電網調度D5000 系統上已按實際運行方式構建了每個發電單位對應的機組模型。浙江電力現貨市場出清系統在D5000 物理模型基礎上，快速建立市場出清和安全校核所需的分軸燃機獨立發電單元模型。同時從圖4曲線變化趨勢可知，汽機以燃機的余熱鍋爐加熱蒸汽驅動，在實際運行中存在相對穩定的比例關系，以此可抽象兩者物理模型間的耦合關系，建立比例系數Rt模型參數。

圖4 不同型號分軸燃機實際運行的比例系數Rt

式中：Rt為分軸燃機在時段t汽機和燃機出力比例系 數；Ps，t和Pg，t分別為時段t汽機和燃機的出力值。

分軸燃機發電單元完成獨立建模后，市場主體在日前申報時，可將聯合循環套機整體發電成本折算至單獨燃機發電單元報價中，以此作為報價策略來決定套機啟停和出力，其中汽機發電單元不參與報價，按固定比例系數Rt跟隨燃機出力。在燃機申報過程中將汽機的發電成本折算在內，同時汽機作為決策變量之一，和燃機一起參與發用電平衡約束，既保證了電網的發用電平衡，又確保聯合循環分軸燃機與同軸燃機能夠同臺競價。

2.2 分軸燃機的市場出清模型

浙江電力現貨市場出清系統中將分軸燃機按獨立模型建模后，機組約束中需增加以耦合比例參數Rt為基礎的套機約束。通過套機約束解決機組獨立建模方式中的依賴關系，并將燃機報價納入市場出清目標函數，套機內的燃機和汽機出力比例納入負荷平衡約束條件，以解決分軸燃機套機運行方式多變的問題。

日前市場出清SCUC（安全約束機組組合）的目標函數調整為：

式中：N表示機組的總臺數；T表示所考慮的總時段數，假設一天考慮96時段，則T為96；Pi，t表示機組i在t時段的出力；分別為機組i在時段t的運行費用、啟動費用和空載費用，其中機組運行費用Ci，t是與機組申報的各段出力區間和對應能量價格有關的多段線性函數，套機僅燃機報價納入目標函數；M為用于市場出清優化的網絡潮流約束松弛罰因子，目標函數SCUC 中該值為1×108；分別為線路l在t時段的正、反向潮流松弛變量；L為線路總數；分別為斷面s在時段t的正、反向潮流松弛變量；S為斷面總數。

對于每個時段t，系統負荷平衡約束調整為：

分軸燃機中燃機和汽機出力比例關系可進一步表達為：

式中：SKit表示套機集合；Sk，st表示套機k內固定模式下的汽機機組集合；Sk，gs表示套機k內固定模式下的燃機機組集合；Pk，i，t表示套機k內燃機i在時段t的出力，是決策變量；Pk，j，t表示套機k內汽機j在時段t的出力，是決策變量；表示套機k內汽機與燃機的出力配比。

從調整后的現貨市場出清模型函數可知，若分軸燃機作為邊際機組，當系統增加Δn的用電需求時，由燃機和汽機按照比例承擔，雖然汽機不報價，但燃機申報過程中將汽機的發電成本折算在內，故系統邊際價格相當于由燃機和汽機共同（已考慮折算汽機發電成本）決定；由于汽機出力同樣為決策變量，在發用電平衡中體現，故汽機和燃機一起參與了發用電平衡約束，這樣既保證了電網的發用電平衡，又確保了分軸燃機與同軸燃機能夠同臺競價。同時，為滿足分軸燃機不同運行工況需要，市場出清程序可根據市場主體對每臺燃機價格的差異化申報，做到“一拖一”和“二拖一”模式的自由靈活切換。

2.3 分軸燃機的控制模式

為保證市場出清結果與實際運行結果一致，需建立現貨市場申報發電單元與AGC系統廠級控制單元的一對一映射關系（如圖5所示）。現貨市場出清系統根據分軸燃機內發電機組映射關系進行相關數據的分解和整合，將燃機的出清結果下發到對應的AGC系統廠級控制單元進行機組發電控制，汽機發電單元根據實際管道蒸汽壓力跟隨發電。

圖5 分軸燃機的執行控制模式

從圖6 所示9F 型分軸燃機的執行情況來看，機組在啟機階段存在明顯的曲線偏離，主要因為機組啟機過程中是以固定出力方式參與市場，出清系統讀取當前值作為計算邊界，造成實際曲線與出清曲線存在系統計算時間的偏移；進入穩定運行階段后，機組出力按市場出清結果執行，市場出清曲線和實際執行曲線變動趨勢吻合度很高，偶有偏差波動是因機組參與調頻市場引起。

圖6 9F型分軸燃機的市場出清和執行曲線

3 分軸燃機的收益合理性分析

浙江電力現貨市場的機組收益結算遵循“日前基準，合約差價，實時差量”的原則。為簡化收益測算模型，僅對分軸燃機在現貨市場上的電能量收益部分開展測算，不涉及其合約收益部分。

選取6F型分軸燃機A為測算對象，機組結構為燃氣-蒸汽“一拖一”分軸聯合循環機組，燃機額定容量80 MW，汽機額定容量40 MW，總容量120 MW，燃機和汽機負荷配比1∶0.5。算例中主要測算電能量收益，暫不考慮啟動成本和空載成本等補償。

分軸燃機A 內燃機發電單元申報的價格已考慮對應汽機發電成本，汽機不報價不報量，具體申報如表3所示。

表3 分軸機組A的電力-成本申報

日前市場分軸燃機A 電能量收益主要由出清電量收益和成本補償收益兩部分組成，具體明細如表4所示。

表4 分軸機組A的日前市場電能量收益

實時市場分軸燃機A 電能量收益主要由出清偏差電量收益和成本補償收益兩部分組成，具體明細如表5所示。

表5 分軸機組A的實時市場電能量收益

根據分軸燃機的運行收益情況可知，通過計算燃機和汽機獨立發電單元的電量收益來獲得套機的整體電量收益，當節點價格低于燃機申報價格時，可由發電成本補償來保證套機的運行利益。因此，調整燃機獨立申報策略，將汽機的發電成本折算至燃機發電成本內，構建經濟模型和物理模型中燃機和汽機相同的依賴關系，可有效保障分軸燃機在電力現貨市場的合理收益。

4 結語

本文首先對比分析了國內外分軸燃機參與市場不同機制的特點及適用性，進而從浙江電力現貨市場實際探索經驗出發，對分軸燃機如何高效、穩定地參與現貨市場運行開展了深入分析和研究。結合多次現貨市場結算試運行實踐數據，進一步論證了基于獨立建模的分軸燃機參與電力現貨市場機制的合理性和可靠性。

1）通過研究分軸燃機中燃機和汽機發電單元的內在聯系，在電力現貨市場系統中對每個發電單元進行獨立建模，與調度體系中運行的D5000系統內物理模型保持一致，高效實現了市場出清和安全校核過程中與D5000系統的實時數據交互，避免了復雜的數據轉化和特殊處理。

2）通過調整燃機獨立申報策略，將汽機的發電成本折算至燃機發電成本內，以此來決定套機在電力現貨市場內的啟停和出力曲線，構建了經濟模型和物理模型中燃機和汽機相同的依賴關系。同時，汽機作為決策變量和燃機一起參與發用電平衡約束，既保證了電網的發用電平衡，又確保了聯合循環分軸燃機與同軸燃機能夠同臺競價。

3）構建包含分軸燃機的電力市場出清模型，僅將燃機報價納入目標函數，通過預置的燃機和汽機比例關系，將汽機作為決策變量體現在發用電平衡約束中，將套機多種運行模式之間復雜的轉換模型簡化為兩臺獨立機組的優化算法，在滿足平衡約束的基礎上通過目標最優化自動篩選出最優的套機運行模式，既大幅簡化了模型算法，又避免了傳統優化算法一天只能選擇一種運行模式的排他性，解決了燃氣聯合循環機組套機運行方式多變的問題。