虛擬電廠參與靈活性輔助服務(wù)市場報價策略

王俊翔，左菲昂，高佳運(yùn)

（國網(wǎng)上海市電力公司 市北供電公司，上海 200072）

0 引言

隨著可再生能源并網(wǎng)占比越來越高，系統(tǒng)隨機(jī)波動與反調(diào)峰情況愈發(fā)嚴(yán)重。傳統(tǒng)調(diào)頻、備用輔助服務(wù)無法滿足大規(guī)模新能源并網(wǎng)所產(chǎn)生凈負(fù)荷要求的情況急劇增加[1-3]。在這種情況下，為了將系統(tǒng)凈負(fù)荷變化控制在一定范圍內(nèi)，只能進(jìn)行棄風(fēng)、棄光處理[4,5]。風(fēng)電、光伏因其波動性而無法被充分消納，這使得解決棄風(fēng)、棄光問題依舊是當(dāng)今新能源發(fā)展的重要課題。

虛擬電廠（Virtual power plant，VPP）是一種資源整合模式[6,7]。將VPP 應(yīng)用在能源系統(tǒng)中，可打破分布式能源的區(qū)域限制，可實(shí)現(xiàn)利用先進(jìn)的計(jì)量、通信、控制等技術(shù)對可控負(fù)荷、儲能、電動汽車等不同類型的分布式能源進(jìn)行聚合，通過先進(jìn)的軟件架構(gòu)技術(shù)實(shí)現(xiàn)分布式能源協(xié)調(diào)優(yōu)化，可使分布式能源出力被合理利用。虛擬電廠的出現(xiàn)，打破了可再生能源僅能參與能源市場供給的限制，使可再生能源也可以參與靈活性輔助服務(wù)的市場調(diào)節(jié)[8]。

為了解決爬坡和滑坡問題，電力系統(tǒng)運(yùn)營商MISO（Midcontinent independent system operator）[9]與獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營商CAISO（California independent system operator）分別設(shè)計(jì)了相應(yīng)的參與靈活性市場的調(diào)節(jié)服務(wù)，提供調(diào)節(jié)靈活性爬坡產(chǎn)品（Flexible ramping products，F(xiàn)RP）。CAISO 在設(shè)計(jì)FRP 規(guī)則時，曾試圖采用能量與輔助服務(wù)報價形式進(jìn)行出清，但是最終未使用該方案，而是通過測量機(jī)會成本的方式對中標(biāo)量進(jìn)行定價出清[10]。其原因是，F(xiàn)RP 在實(shí)際提供輔助過程中有可能并不出力，而是具有出力可能性，如果采用與能量和輔助服務(wù)同樣報價形式，則有可能會出現(xiàn)市場投機(jī)行為。CAISO 以社會福利最大化和運(yùn)行總成本最小化為目標(biāo)函數(shù)，對市場中的能量、FPR 以及輔助服務(wù)市場進(jìn)行聯(lián)合出清，計(jì)算了各個市場成員參與多能源市場的價格與投標(biāo)量。

目前國內(nèi)關(guān)于靈活性調(diào)節(jié)的研究只是處于理論階段。一些學(xué)者針對大規(guī)模新能源發(fā)電的隨機(jī)性和不確定性問題，提出不同的解決方案。文獻(xiàn)[11]提出將風(fēng)電參與市場輔助服務(wù)。文獻(xiàn)[12]考慮可再生電源出力的不確定性，構(gòu)建了隨機(jī)容量優(yōu)化配置模型，確定了一組最優(yōu)的發(fā)電容量投標(biāo)，以滿足未來負(fù)荷的需求。文獻(xiàn)[13]提出將儲能電池應(yīng)用于電力市場輔助服務(wù)。在設(shè)定輔助服務(wù)的參與者、提供方式和交易規(guī)則的情況下，提出用儲能電池彌補(bǔ)風(fēng)電不確定偏差，構(gòu)建了儲能電池參與風(fēng)電輔助服務(wù)綜合經(jīng)濟(jì)效益模型。文獻(xiàn)[14]構(gòu)建了含儲能機(jī)組組合模型，提出一種考慮次小時尺度的靈活性調(diào)節(jié)方式。

傳統(tǒng)非市場化的靈活性調(diào)節(jié)服務(wù)在實(shí)際執(zhí)行和補(bǔ)償過程中存在分?jǐn)偛幻鞔_現(xiàn)象，無法提高用戶參與靈活性調(diào)節(jié)的積極性。

鑒于此，本文提出VPP 參與靈活性輔助服務(wù)市場報價策略。首先，構(gòu)建VPP 內(nèi)部分布式能源模型；然后，給出日前靈活性市場成員的報價策略。ISO 根據(jù)市場成員報價信息進(jìn)行統(tǒng)一市場初始出清，并以市場出清社會總成本最小為目標(biāo)函數(shù)。VPP 為了獲益最大，可以通過市場成員靈活性初始報價策略自由選擇最優(yōu)報價策略并向ISO進(jìn)行申報；市場其他成員為了使自己獲利，可以重新報價，直到最后市場成員不改變報價策略為止。ISO 將市場成員最終報價策略進(jìn)行統(tǒng)一出清并發(fā)布。

1 虛擬電廠組成

國內(nèi)外學(xué)者對VPP 的定義各不相同，尚未產(chǎn)生明確統(tǒng)一的定義方式[15]。本文給出分布式能源組成的VPP 如圖1 所示。

圖1 分布式能源組成的VPPFig.1 VPP composed of distributed energy

圖1 中，VPP 并沒有改變各個分布式能源的并網(wǎng)方式，而是通過先進(jìn)的計(jì)量、通信、控制等技術(shù)對風(fēng)電、儲能、燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行聚合，并通過先進(jìn)的軟件架構(gòu)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)分布式能源協(xié)調(diào)優(yōu)化，使分布式能源出力合理地被利用。

由于隨機(jī)性和波動性較大且受到天氣影響嚴(yán)重[16]，本文不推薦光伏參與靈活性輔助服務(wù)。

2 日前市場報價策略

2.1 市場報價機(jī)制

具有靈活性資質(zhì)的市場成員在參與靈活性日前市場時，由于受運(yùn)行成本與機(jī)制運(yùn)行能力限制，其市場報價策略也各不相同。

在T日的日前市場，ISO 根據(jù)需求響應(yīng)發(fā)布T日靈活性需求量。具有靈活性資質(zhì)的市場成員預(yù)測其次日的靈活性投標(biāo)量，并提交給ISO 第T天24 個時段的投標(biāo)信息（價格-靈活性投標(biāo)量）[17]。ISO 根據(jù)市場成員申報信息進(jìn)行統(tǒng)一出清，并將結(jié)果發(fā)布給各個市場成員。市場成員對ISO 發(fā)布出清價格和調(diào)度策略產(chǎn)生異議時，可以繼續(xù)申請報價策略，直到最后市場成員不改變自身報價策略為止。ISO 將市場成員最終報價策略進(jìn)行統(tǒng)一出清并發(fā)布。

目前，現(xiàn)有的日前靈活性市場競價模式主要為分段報價。對于日前具有靈活性資質(zhì)的市場N個成員來說，其靈活性分段報價模式如圖2 表示。

圖2 日前市場靈活性容量分段報價曲線Fig.2 Piecewise quotation curve of day-ahead market flexibility capacity

由圖2 可知，參與日前靈活性市場成員X的報價策略由自身靈活性中標(biāo)容量成本以及ISO 所給定的靈活性報價上限曲線所確定。市場成員X可以通過上述報價空間，以自身最優(yōu)參與日前靈活性市場投標(biāo)，并將最優(yōu)投標(biāo)策略向ISO 進(jìn)行申報。

圖2 中，ΔQ為ISO 給定靈活性申報容量間隔，ΔT為調(diào)度時間間隔。市場其他成員也按照ΔQ為基準(zhǔn)將自身靈活性申報容量分為不同的等份，并按照不同等份以自身利益最優(yōu)原則進(jìn)行申報報價，確定日前市場靈活性報價策略。令uX={λX,1,λX,2,…,λX,m,…,λX,n}。λX,m為市場成員X的靈活性報價曲線的第m段最優(yōu)靈活性價格策略。n為市場成員X最多靈活性報價數(shù)量等份，由市場成員X發(fā)電容量所確定。

為了保證市場成員在靈活性分段報價時的單調(diào)遞增性，各個分段靈活性報價信息都需要滿足λX,n＞λX,n-1。

日前市場靈活性出清價格曲線如圖3 所示。

圖3 日前市場靈活性出清價格曲線Fig.3 Clearing price curve of day-ahead market flexibility

由圖3 可知，具有靈活性資質(zhì)的市場成員根據(jù)日前市場靈活性容量分段報價規(guī)則形成各自的日前市場靈活性報價策略，并在相應(yīng)的時間內(nèi)向ISO 進(jìn)行申報。假定具有靈活性資質(zhì)的市場成員有X個參與日前靈活性市場，ISO 所收集的日前靈活性市場成員申報靈活性報價信息集為UX，則UX有X個報價策略，UX={u1,u2,…,uX}。ISO 根據(jù)市場成員申報靈活性價格信息分別按照從低到高進(jìn)行排序，對系統(tǒng)靈活性需求價格按照從高到低進(jìn)行排序，并將兩者的交集設(shè)定為出清點(diǎn)，出清點(diǎn)即為邊際價格。如果市場成員申請報價信息低于或等于邊際價格信息，則說明該市場成員中標(biāo)；反之，該市場成員未中標(biāo)。

2.2 靈活性輔助服務(wù)日前市場出清機(jī)制

ISO 根據(jù)市場成員靈活性報價信息進(jìn)行統(tǒng)一市場出清，并以市場出清社會總成本最小為目標(biāo)函數(shù)，其目標(biāo)函數(shù)如公式（1）所示：

由上式可知，當(dāng)日前市場成員X在t時刻第m分段報價信息大于日前靈活性市場出清價格時，該市場成員在該時段未中標(biāo)，(t) = 0；反之，當(dāng)在t時刻第m個分段報價信息小于或等于日前靈活性市場出清價格時未中標(biāo)，(t) = 1。同理可推導(dǎo)出市場成員X參與向下靈活性市場中標(biāo)結(jié)果，如公式（2）所示。

ISO 進(jìn)行市場靈活性統(tǒng)一出清時，需要滿足系統(tǒng)靈活性平衡約束，其約束如公式（3）所示。

式中：DRU(t)、DRD(t)分別為t時刻ISO 發(fā)布上行和下行靈活性的需求量；、分別為市場成員X在t時刻靈活性中標(biāo)容量。

對于市場各個成員中標(biāo)出清結(jié)果計(jì)算，可以分為2 種情況：一種為以邊際電價進(jìn)行出清；另一種為以非邊際電價進(jìn)行出清。

1）當(dāng)市場成員以邊際電價進(jìn)行出清時，需要以ISO 發(fā)布靈活性需求量為依據(jù)，其計(jì)算結(jié)果如公式（4）所示。

式中：C表示邊際價格的市場成員。

2）市場成員X不以邊際電價出清時，其靈活性出清結(jié)果為報價策略uX中低于靈活性邊際電價的中標(biāo)分段出力累加值，如公式（5）所示。

VPP 與其他市場成員機(jī)組靈活性調(diào)節(jié)過程都需要滿足機(jī)組出力約束條件，如公式（6）所示。

2.3 虛擬電廠報價策略

市場成員X通過圖2 靈活性中標(biāo)成本與報價曲線形成各自的靈活性報價空間策略uX。VPP 為了獲益最大，可以通過市場成員靈活性初始報價策略uX自由選擇最優(yōu)報價策略uX?UX，并向ISO進(jìn)行申報。ISO 根據(jù)各個市場成員申報的信息進(jìn)行統(tǒng)一市場出清。市場成員對ISO 發(fā)布靈活性出清價格和調(diào)度策略產(chǎn)生異議時，可以繼續(xù)申請報價策略，直到最后市場成員不改變自身報價策略為止。ISO 將市場成員最終報價策略進(jìn)行統(tǒng)一出清并發(fā)布。

本文假定能量與靈活性市場為先后出清。當(dāng)能量初次出清完畢之后，再進(jìn)行靈活性出清。因此，VPP 在t時刻以日前靈活性獲益最大進(jìn)行報價，其目標(biāo)函數(shù)為：

2.3.1 VPP 參與投標(biāo)出力約束條件

1）系統(tǒng)功率平衡約束。

式中：、為燃?xì)廨啓C(jī)i在日前市場t時刻向上和向下靈活調(diào)節(jié)量；、分別為儲能設(shè)備j在日前市場t時刻向上和向下靈活性調(diào)節(jié)量；、分別為風(fēng)電機(jī)組在日前靈活性市場t時刻向上和向下靈活性調(diào)節(jié)量。

2）燃?xì)廨啓C(jī)的靈活性調(diào)度成本約束。

3）儲能靈活性調(diào)度成本約束。

4）風(fēng)電靈活性調(diào)度成本約束。

式中：cW(t)為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組向上靈活性中標(biāo)和向下靈活性中標(biāo)成本。

2.3.2 VPP 靈活性投標(biāo)量

考慮風(fēng)電出力不確定性，VPP 需要通過歷史風(fēng)電數(shù)據(jù)確定日前風(fēng)電出力{QW,k(t)}。VPP 在t時刻靈活性投標(biāo)量被分為m段時，其計(jì)算過程如式（12）所示。

當(dāng)m數(shù)值有小數(shù)部分時，進(jìn)行向上取整，則有m=[m]。

VPP 在t時刻第m段靈活性中標(biāo)成本為VPP內(nèi)部分布式能源在t時刻m段靈活性容量總成本減去m-1 段靈活性容量總成本，如（13）所示。

在參與市場競標(biāo)過程中，VPP 報價策略需要大于等于中標(biāo)成本，且不能大于ISO 發(fā)布報價上限，即：

λVPP,m為第m段VPP 靈活性報價策略。為滿足階梯電價，故有λVPP,m＞λVPP,m-1。

σ為靈活性報價區(qū)間，滿足0 ≤σ≤。為ISO 發(fā)布的靈活性報價上限。

傳統(tǒng)發(fā)電商的報價策略也可通過上式得出。

3 算例分析

建立如圖4 所示VPP 參與具有靈活性資質(zhì)市場成員的靈活性輔助服務(wù)日前市場競價模型。

圖4 市場成員參與靈活性市場競價模型Fig.4 Model of participation of market members in flexible market bidding

在圖4 中，為了不失一般性，參與靈活性輔助服務(wù)市場成員除VPP 外，還包括2 個傳統(tǒng)發(fā)電商。各傳統(tǒng)發(fā)電商分別擁有2 臺傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組。VPP 包含2 臺風(fēng)電機(jī)組、1 臺儲能和1 臺燃?xì)廨啓C(jī)。

假設(shè)VPP 在參與t+1 時刻靈活性市場競價過程中，已知t時刻VPP 的能量值。VPP 通過整合內(nèi)部分布式能源風(fēng)電、儲能、燃?xì)廨啓C(jī)參與靈活性輔助日前市場的競價，并根據(jù)競標(biāo)結(jié)果來制定分布式能源出力的調(diào)度方案。風(fēng)電機(jī)組靈活性調(diào)節(jié)成本系數(shù)都設(shè)置為cW(t)=42。由于靈活性調(diào)節(jié)時段為5 min～15 min，為了降低計(jì)算量和復(fù)雜度，將調(diào)節(jié)時間設(shè)置為15 min。因此，可以將每天分為96 個時段。

VPP與2個傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 VPP 與傳統(tǒng)機(jī)組運(yùn)行參數(shù)Tab.1 VPP and traditional unit operating parameters

基于ISO 參與的日前靈活性輔助服務(wù)市場報價規(guī)則，市場成員能量以單位時間內(nèi)ΔQ=10 MW為靈活性申報間隔進(jìn)行分段報價。

根據(jù)2.2 節(jié)的出清機(jī)制，給定VPP 與各機(jī)組發(fā)電成本系數(shù)，用角標(biāo)RU、RD 分別表示向上靈活性、向下靈活性，如表2 所示。

表2 VPP 與傳統(tǒng)機(jī)組1、2 發(fā)電成本系數(shù)Tab.2 VPP and power generation cost factor of traditional unit 1,2

為了使模擬具有真實(shí)性，基于某地的歷史風(fēng)機(jī)功率數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M。首先生成一組輸出功率場景作為輸出功率的預(yù)測值，以協(xié)助VPP 參與日前市場靈活性輔助服務(wù)競價與調(diào)度。

圖5示出了市場成員日前能量輸出功率情況。由于能量與靈活性市場為先后預(yù)出清，因此當(dāng)市場成員參與靈活性市場輔助服務(wù)時，已經(jīng)知道如圖5 所示的市場成員日前能量輸出功率。

圖5 市場成員日前能量輸出功率Fig.5 Day-ahead energy output power of market members

市場成員2 日前向上最大靈活性下調(diào)節(jié)出力和向下最大靈活性下調(diào)節(jié)出力曲線如圖6 所示。

圖6 市場成員2 日前向上和向下最大靈活性調(diào)節(jié)出力Fig.6 Day-ahead upward and downward maximum flexibility regulation output of market member 2

由圖6 可知，市場成員在每一時刻都可以以自身最大爬坡率進(jìn)行靈活性輔助服務(wù)市場投標(biāo)。市場成員參與靈活性向下最大靈活性調(diào)節(jié)出力時，會受到市場成員內(nèi)部機(jī)組最小出力約束，使靈活性調(diào)節(jié)出力出現(xiàn)水平線情況。

ISO 發(fā)布靈活性需求量如圖7 所示。

根據(jù)圖7 所示需求量，得到市場成員單位時間內(nèi)靈活性中標(biāo)量與成本關(guān)系，如圖8 所示。圖中，VPP 考慮到實(shí)時風(fēng)電偏差，需要預(yù)留一定的爬坡率來彌補(bǔ)風(fēng)電不確定性，因此，VPP 也以30 MW 爬坡率進(jìn)行爬坡。

圖8 市場成員單位時間內(nèi)靈活性中標(biāo)量與成本關(guān)系Fig.8 Relationship scalar and cost in market members'unit-time flexibility

市場成員為了使自身經(jīng)濟(jì)最優(yōu)，在報價過程中都趨向于中標(biāo)成本。當(dāng)靈活性申報量大于需求量情況下，傳統(tǒng)發(fā)電商在某段報價趨向成本時還未中標(biāo)，傳統(tǒng)發(fā)電商可以向前一個靈活性申報間隔進(jìn)行上報。直至市場成員不改變報價為止，ISO 出清市場靈活性價格和市場成員靈活性中標(biāo)容量。

市場成員向上和向下報價結(jié)果分別如圖9、圖10 所示。

圖9 市場成員向上靈活性報價Fig.9 Upward flexibility bidding of market members

圖10 市場成員向下靈活性報價Fig.10 Downward flexibility bidding of market members

ISO 將市場成員向上、向下靈活性報價信息按從低到高進(jìn)行排列，并按照順序統(tǒng)一出清，并將出清價格與市場成員靈活性中標(biāo)量發(fā)布出來。基于上述參數(shù)設(shè)置靈活性報價規(guī)則，VPP 在分布式能源參數(shù)相同情況下，可通過增加風(fēng)電機(jī)組數(shù)來設(shè)置風(fēng)機(jī)在不同機(jī)組場景下的市場輔助服務(wù)競價優(yōu)勢。

4 結(jié)論

本文創(chuàng)新點(diǎn)在于建立了由分布式能源組成VPP 參與靈活性輔助服務(wù)市場競價模型。

1）由于考慮了風(fēng)電實(shí)時出力的不確定性，所以利用該模型進(jìn)行相應(yīng)風(fēng)電優(yōu)化可使VPP 在市場投標(biāo)獲益最大。

2）VPP 參與靈活性輔助服務(wù)可降低靈活性購買成本，使不確定的可再生能源不局限于參與能量市場，還可以參與其他輔助服務(wù)市場。

展望：

1）可再生能源發(fā)電主要分布在我國西部地區(qū)。對各類資源設(shè)置準(zhǔn)入原則，使可再生能源不受地理限制，進(jìn)而使靈活爬坡資源得到充分利用，這是未來一個研究方向。

2）對于我國電力現(xiàn)貨市場而言，研究獲取各類靈活爬坡資源的可行性和必要性，需要通過實(shí)際模擬對各類市場成員的引入合理性加以驗(yàn)證。

隨著國家對新能源發(fā)展的促進(jìn)和電力市場建設(shè)的逐步完善，電力市場相關(guān)機(jī)制也將更加系統(tǒng)化。電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和多方面市場化成員的參與，都將促進(jìn)新能源的發(fā)展。