基于单元机组燃料效益的调峰辅助服务市场机制评估

第３７卷ꎬ总第２１８期２０１９年１１月ꎬ第６期

«节能技术»

ＥＮＥＲＧＹＣＯＮＳＥＲＶＡＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＶｏｌ􀆰３７ꎬＳｕｍ􀆰Ｎｏ􀆰２１８

Ｎｏｖ􀆰２０１９ꎬＮｏ􀆰６

基于单元机组燃料效益的调峰辅助服务市场机制评估

田雪沁１ꎬ潘梦琪２ꎬ徐　彤１ꎬ宋崇明１ꎬ郭玉杰１ꎬ王新雷１ꎬ郭钰锋２

(１.北京华建网源电力设计研究院有限公司ꎬ北京　１０２２０９ꎻ２.哈尔滨工业大学

电气工程及自动化学院ꎬ黑龙江　哈尔滨　１５０００１)

摘　要:针对固定补偿模式、一段出清模式和多段出清模式的调峰辅助服务市场机制ꎬ为了比较三种机制在不同调峰需求下机组的经济性和环保性ꎬ本文定义了单元机组燃料效益的概念ꎮ从交易机构的角度出发ꎬ基于目标函数为机组费用最低的假设和统一出清电价理论ꎬ对三种交易机制进行了数学刻画ꎬ模拟了有６台火电机组参与的调峰辅助服务市场交易ꎮ实验结果表明:多段出清交易机制下ꎬ机组中标的调峰电量较为分散ꎻ当调峰需求较大时ꎬ单元机组燃料效益较好ꎮ多段出清交易机制有利于提高单元机组的经济性和环保性ꎬ能有效促进电力系统对新能源的消纳ꎮ

关键词:调峰辅助服务市场ꎻ交易机制ꎻ能源效率ꎻ火电机组ꎻ市场出清

中图分类号:ＴＫ０１８　　文献标识码:Ａ　　文章编号:１００２－６３３９(２０１９)０６－０５６６－０５

ＭａｒｋｅｔＭｅｃｈａｎｉｓｍｏｆＰｅａｋ－ｒｅｇｕｌａｔｉｎｇＡｎｃｉｌｌａｒｙＳｅｒｖｉｃｅｂａｓｅｄｏｎ

ＦｕｅｌＢｅｎｅｆｉｔｓｏｆＵｎｉｔＰｌａｎｔ

ＴＩＡＮＸｕｅ－ｑｉｎ１ꎬＰＡＮＭｅｎｇ－ｑｉ２ꎬＸＵＴｏｎｇ１ꎬＳＯＮＧＣｈｏｎｇ－ｍｉｎｇ１ꎬＧＵＯＹｕ－ｊｉｅ１ꎬＷＡＮＧＸｉｎ－ｌｅｉ１ꎬＧＵＯＹｕ－ｆｅｎｇ２

(１.ＨｕａｊｉａｎＰｏｗｅｒＤｅｓｉｇｎａｎｄＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅꎬＢｅｉｊｉｎｇ１０２２０９ꎬＣｈｉｎａꎻ２.ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ

ａｎｄＡｕｔｏｍａｔｉｏｎꎬＨａｒｂｉｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＨａｒｂｉｎ１５０００１ꎬＣｈｉｎａ)

Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｔｈｅｒｅａｒｅｆｉｘｅｄｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｍｏｄｅｌꎬｏｎｅ－ｓｔａｇｅｃｌｅａｒｉｎｇｍａｒｋｅｔｍｏｄｅｌａｎｄｔｗｏ－ｓｔａｇｅｃｌｅａｒ￣ｉｎｇｍａｒｋｅｔｍｏｄｅｌｏｆｍａｒｋｅｔｍｅｃｈａｎｉｓｍｓｏｆｐｅａｋ－ｒｅｇｕｌａｔｉｎｇａｎｃｉｌｌａｒｙｓｅｒｖｉｃｅｓ.Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｃｏｍｐａｒｅｔｈｅｅ￣ｃｏｎｏｍｉｃａｎｄｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｉｍｐａｃｔｏｆｔｈｅｓｅｔｈｒｅｅｍａｒｋｅｔｍｅｃｈａｎｉｓｍｓｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｅａｋｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｄｅｍａｎｄꎬａｎｏｔｉｏｎｎａｍｅｄｆｕｅｌｂｅｎｅｆｉｔｓｏｆｕｎｉｔｐｌａｎｔｉｓｄｅｆｉｎｅｄ.Ｆｒｏｍｔｈｅｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅｏｆｔｈｅｔｒａｄｉｎｇｉｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎꎬｔｈｒｅｅｍａｒｋｅｔｍｅｃｈａｎｉｓｍｓａｒｅｄｅｓｃｒｉｂｅｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｈｙｐｏｔｈｅｓｉｓｏｆｕｓｉｎｇｌｏｗｅｓｔｕｎｉｔｃｏｓｔｓａｓｏｂｊｅｃｔｉｖｅｆｕｎｃｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｔｈｅｏｒｙｏｆｕｎｉｆｏｒｍｍａｒｋｅｔｃｌｅａｒｉｎｇｐｒｉｃｅ.Ａｎｄｐｅａｋ－ｒｅｇｕｌａｔｉｎｇａｎｃｉｌｌａｒｙｓｅｒｖｉｃｅｓｍａｒｋｅｔｗｈｉｃｈｃｏｎｓｉｓｔｓｏｆｓｉｘｔｈｅｒｍａｌｐｏｗｅｒｕｎｉｔｓｉｓｓｉｍｕｌａｔｅｄ.Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔ:ｕｎｄｅｒｔｈｅｍａｒｋｅｔｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｔｗｏ－ｓｔａｇｅｃｌｅａｒｉｎｇｍａｒｋｅｔｍｏｄｅｌꎬｂｉｄｅｄｖｏｌｕｍｅｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙｉｓｍｏｒｅｄｉｓｐｅｒｓｅｄ.Ｔｈｅｈｉｇｈｅｒｔｈｅｖａｌｕｅｏｆｐｅａｋｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｄｅｍａｎｄꎬｔｈｅｂｅｔｔｅｒｔｈｅｆｕｅｌｂｅｎｅｆｉｔｓｏｆｕｎｉｔｐｌａｎｔｗｉｌｌｂｅ.Ｔｈｅｍａｒｋｅｔｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｔｗｏ－ｓｔａｇｅｃｌｅａｒｉｎｇｍａｒｋｅｔｍｏｄｅｌｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｏｕｓｔｏｉｍｐｒｏｖｅｅｃｏｎｏｍｙａｎｄｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ.Ａｎｄｉｔｃａｎａｌｓｏｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｐｒｏｍｏｔｅｗｉｎｄｐｏｗｅｒａｃｃｏｍｍｏｄａｔｉｏｎ.

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｐｅａｋ－ｒｅｇｕｌａｔｉｎｇａｎｃｉｌｌａｒｙｓｅｒｖｉｃｅｍａｒｋｅｔꎻｍａｒｋｅｔｍｅｃｈａｎｉｓｍꎻｅｎｅｒｇｙｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙꎻｔｈｅｒｍａｌｐｏｗｅｒｕｎｉｔꎻｍａｒｋｅｔｃｌｅａｒｉｎｇ

收稿日期　２０１９－０３－１２　　修订稿日期　２０１９－０４－０９基金项目:国家自然科学基金(５１６７６０５４)

作者简介:田雪沁(１９８５~)ꎬ男ꎬ硕士ꎬ高级工程师ꎬ从事高比例可再生能源并网、高灵活性电力系统的研究、规划与设计工作ꎮ

􀅰５６６􀅰

　　风电在具有清洁、可持续发展等特点的同

时[１]ꎬ其出力具有随机性、波动性和间歇性[２－４]ꎮ且由于大风期与用电低谷时期相重合ꎬ风电具有“反调峰”特性[５]ꎮ若不采取弃风手段ꎬ低谷时期大规模风电并网会造成电力系统向下调峰需求大幅度增长

[６]

式中　ρＢＧ———发电机组ｉ所在省的标杆电价/

元􀅰(ＭＷｈ)－１ꎻ

Ｐｉ———发电机组ｉ的出力/ＭＷꎻＴ———一个交易周期/ｍｉｎꎮ

Ｒ１ｉ＝ρＢＧＰｉＴ

(１)

而影响火电机组的经济性ꎮ因此ꎬ需要引入调峰辅

ꎬ迫使火电机组出让发电空间给风电机组ꎬ从

偿调峰基准形成的未发电量所获得的补偿性收益ꎬ可以表示为

Ｒ２ｉ＝ρＰＧｉＴ

(２)(３)

调峰收益Ｒ２ｉ是指发电机组ｉ平均负荷率低于有

助服务市场对火电机组进行有偿调峰补偿ꎮ建立良好的交易机制能有效促进火电机组积极参与调峰ꎬ从而提高电力系统调峰能力ꎬ达到提升风电等清洁能源的并网比例的目的ꎮ

式中　ρ———对欠发电量的补偿电价/Ｐｉ＝νＰＮｉ－ＰＧｉ

近年来ꎬ国外率先引入电力市场的概念ꎬ将电能

和辅助服务当作可竞争的商品[７]含调频、备用、无功补偿和黑启动的辅助服务市场ꎮ对比国外仅包ꎬ

我国由于调峰问题突出ꎬ在此基础上考虑了调峰辅助服务市场的应用

[８]

的«并网发电厂辅助服务管理细则ꎮ２００８年我国六大区域发布

»中所提到的“固２０１５定补偿机制»[年中发«关于进一步深化电力改革的若干意”是我国最早期的辅助服务市场建设ꎮ见〔２０１５〕９号](简称“９号文”)发布后ꎬ我国辅助服务市场蓬勃发展ꎮ文献[９]详细分析了东北电力调峰辅助服务市场机制ꎬ其中东北市场的实时深[１０]度调峰是分段出清模式的典型代表ꎮ文献再生能源参与的调峰市场机制描述了基于贡献度的调峰补偿模式ꎮ文献[１１]ꎬ设计了可定义了调峰权及调峰权交易的概念ꎬ提出调峰容量交易市场ꎮ通过调峰权交易ꎬ调峰能力不足的发电机组可以购买调峰权提升机组运行的经济性[１２－１３][１４]ꎮ文献机制和调峰能力评估方法从调峰能力角度提出一种省间调峰互济交易ꎮ上述研究的侧重点在于如何提高系统调峰能力和机组经济性ꎬ但未能说明交易机制对促进节能减排的影响ꎮ我国各地区调峰辅助服务市场机制差异较大ꎬ因此ꎬ对交易机制的综合评估就显得非常重要ꎮ

本文在综合考虑系统运行经济性和环保性的基础上ꎬ基于机组费用最低的目标和统一出清电价理论ꎬ建立三种典型交易模式下的调峰辅助服务市场交易模型ꎻ通过单元机组燃料效益这一指标ꎬ对三种类型的调峰辅助服务市场机制进行了评估ꎮ

１　单元机组燃料效益指标

对于参与调峰辅助服务市场的单元机组而言ꎬ其收益由售电收益Ｒ售电收益Ｒ１ｉ和调峰收益Ｒ２ｉ两部分组成ꎮ１ｉ是指发电机组ｉ通过承担低谷时段的用电需求所获得的正常收益ꎬ可以表示为

元􀅰(ＭＷｈ)－１ν———有偿调峰基准ꎻꎻ

ＰＰＮｉ———发电机组ｉ的额定容量的向下销售/ＭＷꎻＧｉ量/—ＭＷꎮ

——发电机组ｉ发电容在某一固定调峰需求下ꎬ通过计算调峰市场收益可以直观比较不同交易机制下机组的经济性ꎮ但在不同调峰需求下ꎬ若要比较机组的经济性ꎬ仅考虑调峰收益无法直观地得出结论ꎮ因此ꎬ本文定义单元机组燃料效益ηｉ评估不同调峰需求下交易机制的经济性和环保性ꎮ单元机组燃料效益是指单元机组在一个交易周期内燃烧一单位燃料所获得的机组收益ꎮ设在实时深度调峰交易时段内ꎬ发电机组ｉ向下销售发电容量为ＰＧｉꎬ单元机组燃料效益ηｉ可以表示为

ηｉ＝

Ｒ１ｉＦ＋Ｒ２ｉ

ＦｉＴ

(４)ｉ(Ｐｉ)＝ａｉＰｉ式中　Ｆ２＋ｂｉＰｉ＋ｃｉ

(５)

ｔ􀅰ｉａｈ——－—１或燃煤机组或燃气机组ｍ３􀅰ｈ－１ꎻ

ｉ的耗量特性/

ｔ􀅰ｉꎬ(ＭＷｂｉꎬｃｉ２———发电􀅰(ＭＷｈ)－１２ｈ)ꎬ－１ｔꎬｍ􀅰(ＭＷｈ)机组ｉ－的１３􀅰(ＭＷｈ)ꎬ耗－ｔ􀅰量１ꎬｍｈ－特１或性系数/ｍ３３􀅰ｈ－１ꎮ

(１)由上式可知ꎬ单元机组燃料效益具有如下特点:

η对于燃煤机组ꎬηｉ的单位为元/ｔꎬ对于燃气机组ꎬｉ的单位为元/ｍ３单元机组获得相同的收益所消耗的燃烧单位燃料越

ꎻ(２)ηｉ是一个非负值ꎬηｉ越大ꎬ则少ꎬ机组更节能环保ꎻ(３)ηｉ的数值大小和机组在调峰辅助服务市场中的中标情况密切相关ꎬ若合理的机制可以使机组的ηｉ在相同调峰需求下增大ꎬ则表明该机制能有效激励机组参与调峰辅助服务市场(４)通过计算ηꎻｉ可以在不同调峰需求下对同一台机组进行较为清晰直观的收益比较ꎮ

􀅰５６７􀅰

２　低谷实时深度调峰市场类型

根据现已颁布的各省份调峰辅助服务管理实施细则ꎬ可以将低谷实时深度调峰市场机制分为固定补偿模式、一段出清模式和多段出清模式ꎮ三种不２.１　固定补偿模式

同模式的交易机制数学模型刻画如下ꎮ

在固定补偿模式下ꎬ发电企业在各个时段的发

２.３　多段出清模式

实际的实时深度调峰交易通常采用“阶梯式”

报价方式和价格机制ꎬ发电企业在不同时期分两档浮动报价ꎬ每段报价均有上下限ꎮ暂不考虑网络约束ꎬ对于多段出清模式的第一段ꎬ交易机制的目标函数和约束条件可以表示为

ｍｉｎｐＴ１ＰＧ１

(１２)(１３)(１４)电量由交易机构确定ꎮ交易机构以经济成本最低为目标函数ꎬ对少发电量按照５０元/ＭＷｈ进行补偿ꎬ交易机制目标函数和约束条件可以表示为

ｓ.ｔ.ｅＰＧ１＝

Ｔ

{

ＰｒｅｑꎬＰｒｅｑ≤Ｐｒｅｑ１

ＰＧ１≤ＰＧ１≤ＰＧ１

Ｐｒｅｑ１ꎬＰｒｅｑ>Ｐｒｅｑ１

ｍｉｎ∑２ｉ

ａｉＰｉ

＋ｂｉＰｉ＋ｃｉ

(６)ｓ.ｔ.∑ｉＰＧｉ＝Ｐｒｅｑ

(７)式中　Ｐ—某时刻的系统调峰需求ＰＧｉ≤ＰＧｉ≤Ｐ－

Ｇｉ

Ｐ/ＭＷꎻ(８)

ｒｅｑ——Ｇｉ２.２　一段出清模式

Ｐ—————发电机组发电机组ｉｉ向下调峰容量向上调峰容量//ＭＷꎻＧｉ—ＭＷꎮ

目前ꎬ各国电力市场有不同的机构设置方式ꎮ

以美国ＰＪＭ为例ꎬ市场交易和系统运行为一体ꎬ输电公司ꎬ如图１所示ꎮ

图１　ＰＪＭ电力市场机构设置

在电力市场中ꎬ暂不考虑网络约束ꎬ统一出清电价模型由目标函数、功率平衡约束和机组功率约束构成ꎬ通常调度中心会选择机组报价和申报电量的乘积最小ꎬ即机组生产总成本最小ꎬ进行经济调度或有安全约束的经济调度ꎮ

应用于调峰辅助服务市场ꎬ对少发电量按照出清电价进行补偿ꎬ交易机制的目标函数和约束条件可以表示为

ｓ.ｔ.ｍｉｎｅＴＰｐＴＰＧ

(９)

ＰＧ＝Ｐｒｅｑ

(１０)Ｇ式中　ｐ———所有机组的报价≤ＰＧ≤Ｇ

/Ｐ元􀅰(ＭＷｈ)

－１

Ｐꎻ(１１)

ＰＧ———所有机组向下销售发电容量Ｐ——所有机组向下调峰容量/ＭＷꎻ/ＭＷꎻＧ—􀅰５６８􀅰

Ｇ———所有机组向上调峰容量/ＭＷꎮ

对于多段出清模式的第ｊ段ꎬ可以表示为

ｍｉｎìｐＴｊＰＧｊ

ｓ.ｔ.ｅＴＰïï

０ꎬ０<Ｐ(１５)ｒｅｑ≤ＡＧｊ＝íïＰïｒｅｑ－ＡꎬＡ<Ｐｒｅｑ≤Ｂ

(１６)îＰｒｅｑｊꎬＢ∑ｊ－<１

Ｐｒｅｑ

Ａ＝Ｐｒｅｑ１＋ｋ＝２

Ｐｒｅｑｋ(１７)Ｂ＝Ｐ∑ｊｒｅｑ１＋

ｋ＝２

Ｐｒｅｑｋ(１８)ＰＧｊ≤ＰＧｊ≤ＰＧｊ

(１９)Ｐ＝νＰＮｉ－ＰＧ１－

——所有机组的出力/ＭＷꎮ

∑ｊ

ｋ＝１

ＰＧｊ(２０)

式中　Ｐ—３　应用实例

本文选择供热期的燃煤、燃气发电机组作为研究对象ꎬ基于单元机组燃料效益指标评估在不同调

峰需求下三种调峰辅助服务市场机制的经济性和环保性ꎮ其中ꎬ多段报价机制以两段出清模式作为典型模式进行仿真实验ꎮ假设某地区某时段内系统向下调峰需求为Ｐ元/ＭＷｈꎬ一个交易周期为ｒｅｑꎬ该地１５区ｍｉｎꎬ标固定补偿机制按杆电价为４３２照５０元/ＭＷｈ的标准进行补偿ꎻ区域内６台机组依次编号为Ａ－Ｆꎬ其中Ｂ机组为燃气机组ꎬ其余均为燃煤机组ꎻＡ－Ｄ机组参与调峰市场ꎻＥ和Ｆ机组承担系统基荷ꎬ分别固定出力５００ＭＷꎻ各台机组装机容量、出力上下限申报电量和报价如表１至表３所示ꎮ利用ＧＡＭＳ中的Ｃｏｎｏｐｔ求解器求解ꎬ三种机制下单位机组燃料效益随调峰需求的变化曲线如图２所示ꎮ

通过求取单元机组燃料效益能够清晰地比较不同调峰需求下各机组每燃烧一单位燃料所产生的收益:(１)当调峰需求增大至某一定值后ꎬＡ机组和Ｂ机组两段出清机制下的单元机组燃料效益最高ꎬ其

次是一段出清机制下的单元机组燃料效益ꎬ而固定补偿机制下的单元机组燃料效益最低ꎻ(２)Ｃ、Ｄ机组两段出清机制下的单元机组燃料效益最高ꎬ其次是一段出清机制下的单元机组燃料效益ꎬ而固定补偿机制下的单元机组燃料效益最低ꎻ(３)随着调峰需求的增加ꎬ不同机制的单元机组燃料效益差值也会增大ꎮ

　　表１　机组基本情况

机组编号

机组类型装机容量/ＭＷ

出力下限/ＭＷ

ＡＢ燃煤６００１８０Ｃ燃气燃煤３００９０ＥＤ燃煤３００３００５０Ｆ

燃煤一段出清机组报价和申报电量

燃煤

５００５００

５００５０

　　表２　５００

机组编号

申报电量/ＭＷ

机组报价/元􀅰(ＭＷｈ)

－１

ＡＢ１０８Ｃ

５４２５０Ｄ

９４３７０　　表３　两段出清机组报价和申报电量

９４

３００２７０

机组第一段申报电第二段申报电第一段机组第二段机组编号量/ＭＷ量/ＭＷ报价报价ＡＢ４８６０/元􀅰(ＭＷｈ)－１２５０/元􀅰(ＭＷｈ)－１

Ｃ

２４２４３０３７０９００８００Ｄ

２４

７０７０

３００２７０

８６０６５０

４　结(１)　调峰收益是一个评估机组经济性的指标论

但其具有局限性ꎮ本文将调峰机组单位时间内总收ꎬ

益与机组耗量相比从而提出单元机组燃料效益的概念ꎬ该指标可以解决机组参与调峰市场后在不同调峰需求下的经济性评估问题ꎬ同时该指标也可以体现单元机组的环保性(２)描述了固定补偿模式ꎮ

段出清模式的区别ꎬ基于机组费用最低为目标函数、一段出清模式和多

的基本假设和统一出清电价理论ꎬ对三种模式下的调峰辅助服务机制进行建模(３)对不同调峰需求下的三种调峰辅助服务机

ꎮ

制交易结果进行了比较ꎬ结果表明:两段出清交易机制下ꎬ机组中标的调峰电量较为分散ꎻ当调峰需求较

图２　不同交易机制下单位机组燃料效益

随调峰需求变化曲线

大时ꎬ两段出清交易机制的单元机组燃料效益最高ꎬ其次是一段出清交易机制的单元机组燃料效益ꎬ而固定补偿机制的单元机组燃料效益最低ꎮ因此ꎬ对于调峰需求较大的地区ꎬ可以实行多段出清交易机制以提高单元机组经济性和环保性ꎮ

􀅰５６９􀅰

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