電力現(xiàn)貨市場下激勵(lì)型需求響應(yīng)交易機(jī)制及出清模型

段秦剛, 陳永椿，王一, 吳明興, 別佩, 董萍

(1.廣東電力交易中心有限責(zé)任公司，廣州市 510600；2.華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣州市 510640)

0 引 言

隨著我國第一批電力現(xiàn)貨市場建設(shè)試點(diǎn)工作的順利進(jìn)行，8個(gè)省市的市場建設(shè)模式、市場交易機(jī)制和政策規(guī)則逐步完善[1-4]?，F(xiàn)貨市場的發(fā)展使得電力交易的模式和手段不斷豐富，交易的形式更加靈活，這為需求側(cè)主動(dòng)參與市場互動(dòng)提供了可能[5]。

需求響應(yīng)(demand response, DR)作為中國電力市場改革的核心內(nèi)容之一[6]，通過經(jīng)濟(jì)激勵(lì)方式引導(dǎo)用戶調(diào)整用電模式，協(xié)調(diào)電源側(cè)和需求側(cè)間的互動(dòng)作用，有效地提高了系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。國外電力市場實(shí)踐表明[7]，需求響應(yīng)資源為市場運(yùn)營帶來顯著效益，如降低市場電價(jià)的波動(dòng)、抑制市場力的作用、增強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、提高電力投資收益等[8]。由于種種原因，我國當(dāng)前需求響應(yīng)研究和實(shí)踐剛起步，用戶負(fù)荷參與系統(tǒng)運(yùn)行的效益潛力未能被真正發(fā)現(xiàn)，許多需求側(cè)資源未能被充分發(fā)掘[9]。在新一輪售電側(cè)市場改革背景下，需求側(cè)負(fù)荷將以一種更加靈活又主動(dòng)的方式參與市場互動(dòng)，為我國現(xiàn)貨電力市場下需求響應(yīng)的實(shí)施提供了新的契機(jī)。

根據(jù)響應(yīng)信號的不同，需求響應(yīng)分為價(jià)格型和激勵(lì)型2種[10]。激勵(lì)型需求響應(yīng)(incentive demand response,IDR)采用直接經(jīng)濟(jì)激勵(lì)方式引導(dǎo)用戶調(diào)整和優(yōu)化自身用電行為，為市場的成本管理和可靠性分析提供了一種可靈活調(diào)度的資源，受到各個(gè)市場的青睞[11]。激勵(lì)型需求響應(yīng)的研究由來已久，早期的文獻(xiàn)基于激勵(lì)兼容設(shè)計(jì)理論[12-14]，為電網(wǎng)公司設(shè)計(jì)了有效的削減型需求響應(yīng)項(xiàng)目激勵(lì)補(bǔ)償方案。需求響應(yīng)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)目標(biāo)主要是降低系統(tǒng)失電風(fēng)險(xiǎn)，并給出最優(yōu)削減電量及補(bǔ)償價(jià)格的確定原則。文獻(xiàn)[15]利用期權(quán)的思想建立可中斷負(fù)荷市場，對有意規(guī)避電價(jià)風(fēng)險(xiǎn)的參與用戶提供了電價(jià)折扣優(yōu)惠。文獻(xiàn)[16]對電力市場下可中斷負(fù)荷合同模型展開研究，在較長的時(shí)間尺度下提出了電力公司購買可中斷負(fù)荷的最優(yōu)模型。近些年，電力市場化運(yùn)營逐步走向成熟，需求響應(yīng)的設(shè)計(jì)開始向市場化機(jī)制方向發(fā)展。文獻(xiàn)[17]設(shè)計(jì)了4類需求響應(yīng)負(fù)荷參與日前能量市場的競價(jià)模型，充分考慮了用戶側(cè)的參與意愿和響應(yīng)特性。文獻(xiàn)[18]將用戶側(cè)需求響應(yīng)互換模型融入到日前隨機(jī)調(diào)度問題中，以預(yù)防系統(tǒng)的隨機(jī)事故和新能源預(yù)測誤差導(dǎo)致的利潤損失。

然而，現(xiàn)有的激勵(lì)型需求響應(yīng)研究多在電力壟斷背景下開展，缺乏對現(xiàn)貨市場環(huán)境下交易模式變化的考慮。此外，國內(nèi)現(xiàn)貨市場需求響應(yīng)的研究尚處于起步階段[19]，且國外的需求響應(yīng)項(xiàng)目并不完全適用于我國的市場情況[20]。因此，要以本國的電力市場運(yùn)營規(guī)則(包括電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)的市場組織規(guī)則)為基礎(chǔ)，考慮涉及公平的交易機(jī)制、實(shí)時(shí)出清方法等核心問題。目前國內(nèi)對于激勵(lì)型需求響應(yīng)應(yīng)用于實(shí)際電力現(xiàn)貨市場的研究尚欠缺。

基于當(dāng)前國內(nèi)電力市場改革現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)一種激勵(lì)型需求響應(yīng)參與現(xiàn)貨市場的交易機(jī)制，建立一個(gè)與國內(nèi)電力市場發(fā)電側(cè)競價(jià)模型一一對應(yīng)的用戶側(cè)需求響應(yīng)模型。將需求側(cè)資源融入市場出清機(jī)制，提出一個(gè)綜合發(fā)電側(cè)和用戶側(cè)、源荷互動(dòng)式的電力市場交易出清方法。該機(jī)制下源荷資源被同等對待、一并出清，避免對現(xiàn)有市場規(guī)則的擾亂，實(shí)現(xiàn)電力資源的最優(yōu)配置。整合后的出清模型與現(xiàn)有市場模型同屬于一種數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用當(dāng)前成熟的市場計(jì)算工具就可以在實(shí)際電力市場中組織實(shí)施需求側(cè)響應(yīng)。這既降低了工程應(yīng)用計(jì)算的復(fù)雜性，也避免了市場出清程序的重新開發(fā)。本文的研究適應(yīng)于當(dāng)前中國電力現(xiàn)貨市場交易機(jī)制[21]。關(guān)于需求響應(yīng)效益評估、激勵(lì)補(bǔ)償資金來源確定、交易結(jié)算規(guī)則設(shè)計(jì)等關(guān)鍵性問題的研究，為中國電力現(xiàn)貨市場開展需求側(cè)響應(yīng)邁出有力的一步。本文的研究可以為建立公平高效的源荷互動(dòng)中國電力市場提供有益的參考。

1 激勵(lì)型需求響應(yīng)的市場參與方式

1.1 批發(fā)市場下的激勵(lì)型需求響應(yīng)

在現(xiàn)貨市場建設(shè)初期，基于批發(fā)市場的激勵(lì)型需求響應(yīng)項(xiàng)目設(shè)計(jì)是需求響應(yīng)市場化交易機(jī)制建設(shè)的首要任務(wù)，成功制定批發(fā)市場需求響應(yīng)交易機(jī)制將對后續(xù)的零售市場需求響應(yīng)交易機(jī)制建立起到積極的輻射作用。建立適應(yīng)我國的批發(fā)市場需求響應(yīng)交易機(jī)制，整合需求側(cè)資源同發(fā)電資源和其他市場資源同臺競爭，可以提高系統(tǒng)“源-網(wǎng)-荷”協(xié)調(diào)互動(dòng)性，促進(jìn)我國電力現(xiàn)貨市場的全面建設(shè)。

在批發(fā)市場中，激勵(lì)型需求側(cè)響應(yīng)成功實(shí)施的關(guān)鍵在于參與用戶是否能夠充分利用自身的可控負(fù)荷進(jìn)行響應(yīng)。比如，美國PJM電力市場成功實(shí)施需求側(cè)響應(yīng)項(xiàng)目的用戶幾乎是市場特定的工業(yè)和商業(yè)負(fù)荷[22-23]。針對居民用戶參與批發(fā)市場需求響應(yīng)項(xiàng)目，研究表明[24]：通過中間代理方式，采用智能用電技術(shù)的負(fù)荷控制將用戶負(fù)荷的能量管理系統(tǒng)與需求響應(yīng)系統(tǒng)連接，是其參與批發(fā)市場激勵(lì)型需求響應(yīng)的關(guān)鍵。

1.2 適應(yīng)我國的需求響應(yīng)市場框架

在我國電力現(xiàn)貨市場建設(shè)初期，為了節(jié)省終端用戶設(shè)備的投資成本和市場交易組織的管理成本，終端負(fù)荷資源由售電公司代理并參與批發(fā)市場。對應(yīng)地，終端負(fù)荷用戶也應(yīng)該通過中間代理方式整合一體參與批發(fā)市場。而對于滿足市場準(zhǔn)入容量要求的電力大用戶，可以選擇以獨(dú)立市場主體身份參與批發(fā)市場。用戶側(cè)激勵(lì)型需求響應(yīng)資源參與批發(fā)市場如圖1所示。激勵(lì)型需求響應(yīng)的市場主體包括：售電公司、電力批發(fā)大用戶以及負(fù)荷削減提供商(load curtailment provider, LCP)，它們共同組成了批發(fā)市場下需求響應(yīng)代理商(demand response provider, DRP)。售電公司或批發(fā)用戶負(fù)責(zé)向交易中心申報(bào)其代理區(qū)域的次日負(fù)荷購買量和可接受電價(jià)，而激勵(lì)型需求響應(yīng)代理商負(fù)責(zé)向交易中心申報(bào)其代理用戶的削減負(fù)荷電量和削減成本。激勵(lì)型需求響應(yīng)代理商可以是售電公司或電力大用戶，也可以是第三方中間代理機(jī)構(gòu)，專門收集終端用戶的可削減負(fù)荷資源并上報(bào)給交易中心，從中賺取管理費(fèi)用。

圖1 用戶側(cè)激勵(lì)型需求響應(yīng)資源參與批發(fā)市場Fig.1 User-side IDR participating into the wholesale market

2 現(xiàn)貨市場下激勵(lì)型需求響應(yīng)交易機(jī)制

需求側(cè)資源參與現(xiàn)貨市場能帶來顯著的短期經(jīng)濟(jì)效益[25]，并促進(jìn)系統(tǒng)的長期運(yùn)行效率[26]。市場管理者(交易中心)應(yīng)當(dāng)開放市場接納需求響應(yīng)資源，結(jié)合現(xiàn)有電力市場規(guī)則[3]制定可行的交易機(jī)制，融入需求響應(yīng)，促進(jìn)現(xiàn)貨市場的公平競價(jià)。激勵(lì)型需求響應(yīng)的交易機(jī)制包括市場成員注冊、削減潛力測試、經(jīng)濟(jì)激勵(lì)原則設(shè)計(jì)、響應(yīng)效益評估、補(bǔ)償資金來源確定和基線考核等步驟。

2.1 市場成員注冊

具備需求響應(yīng)能力的負(fù)荷用戶按照市場規(guī)則有序參與到現(xiàn)貨市場進(jìn)行交易?；趨⑴c用戶的負(fù)荷削減能力不同，市場成員的注冊流程也不同。對于獨(dú)立削減負(fù)荷量達(dá)到能量市場準(zhǔn)入容量要求的用戶，既能夠獨(dú)立注冊為一個(gè)市場成員，也可以聯(lián)合其他用戶共同注冊為一個(gè)市場成員；對于削減負(fù)荷量較小的用戶，則必須聯(lián)合其他用戶在滿足市場準(zhǔn)入容量前提下注冊為激勵(lì)型需求響應(yīng)市場成員。在注冊時(shí)，還需要填寫控制區(qū)域內(nèi)終端用戶的所在分區(qū)及電價(jià)節(jié)點(diǎn)、參與市場類型(包括能量市場/輔助服務(wù)市場/能量及輔助服務(wù)市場)等信息。

2.2 削減潛力測試

注冊為參與能量及輔助服務(wù)市場的激勵(lì)型需求響應(yīng)用戶須進(jìn)行削減潛力測試。削減潛力測試主要對市場注冊用戶的負(fù)荷類型、可削減容量、可削減時(shí)間及削減速率等方面提出技術(shù)要求。一般只要是高峰時(shí)段的工商業(yè)負(fù)荷，其用電設(shè)備具備可靠調(diào)停性能，且削減容量能滿足市場準(zhǔn)入容量要求，即滿足測試要求。但是，考慮電力系統(tǒng)的輔助服務(wù)往往涉及系統(tǒng)運(yùn)行的安全性問題，市場對于輔助服務(wù)資源的削減潛力測試要求將高于能量資源。為了更好地引導(dǎo)負(fù)荷資源提供輔助服務(wù)，系統(tǒng)調(diào)度部門事先對預(yù)參與用戶進(jìn)行適當(dāng)培訓(xùn)，明確負(fù)荷資源提供輔助服務(wù)的技術(shù)要求，并對進(jìn)入市場的需求響應(yīng)成員執(zhí)行模擬削減測試。只有測試合格的用戶才能進(jìn)入輔助服務(wù)市場參與競價(jià)。

2.3 激勵(lì)原則設(shè)計(jì)

在公平的市場交易機(jī)制下，系統(tǒng)的“源-荷”資源作為市場買賣方代表，處于同等重要的地位，需求側(cè)資源理應(yīng)享有與發(fā)電側(cè)資源同等的市場競價(jià)權(quán)利和經(jīng)濟(jì)激勵(lì)回報(bào)?；谄降仍瓌t設(shè)立激勵(lì)機(jī)制：在市場成功出清的激勵(lì)型需求響應(yīng)，只要滿足響應(yīng)效益評估和基線考核標(biāo)準(zhǔn)，即可獲得削減后市場原始出清價(jià)格的經(jīng)濟(jì)激勵(lì)補(bǔ)償。比如，一個(gè)激勵(lì)型需求響應(yīng)用戶在日前市場11點(diǎn)成功出清了1.5 MW·h的需求響應(yīng)資源，實(shí)際削減的結(jié)果滿足市場考核標(biāo)準(zhǔn)，日前市場11點(diǎn)的出清電價(jià)為600元/(MW·h)，則該用戶將獲得900元的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償。

2.4 響應(yīng)效益測試

實(shí)施激勵(lì)型需求響應(yīng)將提高系統(tǒng)的市場運(yùn)行效益，同時(shí)也產(chǎn)生削減補(bǔ)償成本。合理平衡實(shí)施效益與成本間關(guān)系，成為激勵(lì)型需求響應(yīng)參與能量市場的關(guān)鍵。在現(xiàn)貨市場運(yùn)營之前，市場管理者(交易中心)預(yù)先評估系統(tǒng)的需求響應(yīng)效益，然后綜合分析實(shí)施的效益與成本，設(shè)立現(xiàn)貨能量市場激勵(lì)型需求響應(yīng)的觸發(fā)電價(jià)。

響應(yīng)效益評估主要分析激勵(lì)型需求響應(yīng)實(shí)施后市場電價(jià)的下降程度，實(shí)施的成本與激勵(lì)型需求響應(yīng)的補(bǔ)償方式有關(guān)。如圖2所示，f(Q)為能量市場在某時(shí)段的供應(yīng)成本曲線；Q0為市場的原始負(fù)荷需求；ΔQ為激勵(lì)型需求響應(yīng)的削減負(fù)荷量；P0為市場的原始出清電價(jià)；ΔP為實(shí)施需求響應(yīng)后市場出清電價(jià)的下降部分。激勵(lì)型需求響應(yīng)的實(shí)施成本由圖中藍(lán)色區(qū)域面積表示，實(shí)施后的效益由圖中綠色區(qū)域面積表示。當(dāng)實(shí)施的效益大于成本時(shí)，市場就有必要重新調(diào)整供需平衡關(guān)系，提高資源的利用效率，這也是現(xiàn)貨能量市場下激勵(lì)型需求響應(yīng)的實(shí)施前提。

圖2 激勵(lì)型需求響應(yīng)的實(shí)施效益評估Fig.2 Implementation benefit assessment of IDR

市場需求側(cè)響應(yīng)觸發(fā)價(jià)格的設(shè)定與日平均供電成本曲線緊密相關(guān)，而市場的日平均供應(yīng)成本曲線可以由歷史機(jī)組競價(jià)信息近似擬合生成。在供應(yīng)成本曲線上，存在著一個(gè)激勵(lì)型需求響應(yīng)實(shí)施效益等于成本的臨界點(diǎn)，如圖2中T點(diǎn)，該點(diǎn)的縱坐標(biāo)為實(shí)施激勵(lì)型需求響應(yīng)的基準(zhǔn)電價(jià)。此時(shí)ΔPQ0=P0ΔQ，即(ΔQ/Q0)/(ΔP/P0)=1，所以臨界點(diǎn)對應(yīng)供應(yīng)成本曲線上價(jià)格彈性系數(shù)等于1的點(diǎn)?？紤]到實(shí)際機(jī)組的報(bào)價(jià)曲線與近似供應(yīng)成本曲線間的誤差，激勵(lì)型需求響應(yīng)的觸發(fā)電價(jià)將略高于基準(zhǔn)電價(jià)，一般取基準(zhǔn)電價(jià)的1.2～1.5倍。

不滿足激勵(lì)型需求響應(yīng)實(shí)施前提的當(dāng)作價(jià)格型需求響應(yīng)資源，不享有額外激勵(lì)補(bǔ)償，削減負(fù)荷后也無須通過基線考核。

需求響應(yīng)的效益測試實(shí)質(zhì)上是市場組織者對市場運(yùn)行效益的一種評估方法，通過該項(xiàng)測試結(jié)果所確定的市場觸發(fā)電價(jià)，可以作為引導(dǎo)用戶參與電力現(xiàn)貨市場需求側(cè)響應(yīng)交易的指引信號，有效地告訴用戶參與市場需求響應(yīng)的前提條件：只有在滿足觸發(fā)電價(jià)情況下(即市場電價(jià)過高時(shí))，才有實(shí)施激勵(lì)型需求響應(yīng)的必要。因此，該參數(shù)直接影響著市場負(fù)荷用戶的參與意愿，也作為市場成員結(jié)算的依據(jù)之一，必須要提前給出，才能有效地引導(dǎo)需求響應(yīng)用戶參與市場互動(dòng)，保證市場交易信息公開透明、交易過程公平公正。

2.5 補(bǔ)償資金來源確定

遵循著“誰受益，誰承擔(dān)”的市場原則，激勵(lì)型需求響應(yīng)費(fèi)用應(yīng)由能量市場的最大受益方繳納，即由其他同時(shí)段出清的負(fù)荷均攤。計(jì)及激勵(lì)型需求響應(yīng)的費(fèi)用后，用戶的購電成本為市場出清電價(jià)與激勵(lì)型需求響應(yīng)費(fèi)用系數(shù)分?jǐn)傠妰r(jià)之和。

(1)

2.6 基線考核

激勵(lì)型需求響應(yīng)通過經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償?shù)姆绞睫D(zhuǎn)化為可調(diào)度資源，實(shí)際的執(zhí)行結(jié)果將受到電力調(diào)度部門的考核，通常采用與用戶基準(zhǔn)負(fù)荷曲線(簡稱“基線”)對比的方式進(jìn)行考核。市場成功出清的激勵(lì)型需求響應(yīng)若未滿足考核標(biāo)準(zhǔn)，將面臨市場違約懲罰，懲罰規(guī)則也等同于發(fā)電機(jī)組。

基線的計(jì)算方法通過相對根均方誤差(relative root mean squared error, RRMSE)進(jìn)行衡量。基線計(jì)算方法的根均方誤差越小，越具有代表性，如美國PJM市場規(guī)定：只有RRMSE小于等于20%的需求響應(yīng)負(fù)荷才具有結(jié)算意義。

值得注意的是，參與激勵(lì)型需求響應(yīng)的用戶負(fù)荷，只有同時(shí)滿足基線考核標(biāo)準(zhǔn)和響應(yīng)效益測試要求，才能算是成功地實(shí)施了需求側(cè)響應(yīng)。

3 激勵(lì)型需求響應(yīng)的交易競價(jià)模型

激勵(lì)型需求響應(yīng)作為批發(fā)市場的一種可調(diào)度資源，類似于發(fā)電資源，在參與市場競爭前也要向交易中心提交自身的投標(biāo)競價(jià)信息，市場調(diào)度部門據(jù)此建立激勵(lì)型需求響應(yīng)資源的市場競價(jià)模型，聯(lián)合其他資源共同完成市場出清。

3.1 激勵(lì)型需求響應(yīng)競價(jià)信息

激勵(lì)型需求響應(yīng)代理商需要向交易中心申報(bào)的競價(jià)信息包括：

1) 代理用戶編號：用于標(biāo)識出代理商代理的所有終端用戶，該信息在注冊階段即已確定。

2) 代理用戶所在節(jié)點(diǎn)：用于確定負(fù)荷調(diào)度和市場結(jié)算，用戶所在節(jié)點(diǎn)必須屬于交易中心預(yù)先設(shè)定的市場電價(jià)節(jié)點(diǎn)集合。

3) 最小削減時(shí)間：受實(shí)際用電設(shè)備限制，用戶削減負(fù)荷可能需要連續(xù)削減一定時(shí)長，如果代理商沒報(bào)該信息，則默認(rèn)最小削減時(shí)間為0。

4) 停機(jī)成本：表示用戶在削減負(fù)荷時(shí)造成的固定費(fèi)用，如停機(jī)損耗成本，單位為元/次。

5) 分段削減負(fù)荷：表示用戶的削減負(fù)荷能力，最多不超過機(jī)組的競價(jià)段數(shù)。

6) 分段削減補(bǔ)償：表示用戶的削減負(fù)荷損失，因?yàn)橐粋€(gè)用戶如果參與了激勵(lì)型需求響應(yīng)項(xiàng)目，則該用戶的負(fù)荷可能在市場出清電價(jià)較高時(shí)被削減，從而造成消費(fèi)利潤的損失(用戶的消費(fèi)利潤等于用電收益減去購電成本)，為了鼓勵(lì)激勵(lì)型需求響應(yīng)參與現(xiàn)貨能量市場，市場補(bǔ)償參與用戶的削減損失。在滿足激勵(lì)型需求響應(yīng)的效益測試要求下，才能有效優(yōu)化市場資源的配置。為了保證激勵(lì)型需求響應(yīng)的市場實(shí)施效益，要求用戶側(cè)的分段削減補(bǔ)償報(bào)價(jià)必須大于等于市場的觸發(fā)電價(jià)，否則就視為價(jià)格型需求響應(yīng)不享有激勵(lì)補(bǔ)償。

7) 最小削減負(fù)荷：表示參與用戶的最小削減負(fù)荷，要求大于等于能量市場的準(zhǔn)入容量，如0.1 MW。

本研究在查閱大量相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)試驗(yàn)的目的和計(jì)劃，著重探討大花序桉莖段外植體消毒及其芽誘導(dǎo)組織培養(yǎng)技術(shù)，采用正交設(shè)計(jì)或完全組合設(shè)計(jì)安排試驗(yàn)，探討外源激素的添加效果，篩選最有利的內(nèi)外源激素的組合和比例，篩選出最優(yōu)技術(shù)參數(shù)組合，從外源激素的協(xié)調(diào)上建立大花序桉最優(yōu)組培快繁體系。

8) 參與市場類型：激勵(lì)型需求響應(yīng)既可以參與日前市場，也可以參與實(shí)時(shí)市場，但為了調(diào)度的可靠性，一旦激勵(lì)型需求響應(yīng)在日前市場出清成功，就不能再參與實(shí)時(shí)市場。

3.2 激勵(lì)型需求響應(yīng)競價(jià)模型

根據(jù)代理商申報(bào)的競價(jià)信息，市場調(diào)度部門建立激勵(lì)型需求應(yīng)競價(jià)模型參與市場出清，具體如下：

1) 代理商d的削減負(fù)荷量：

(2)

2) 代理商d的削減補(bǔ)償成本：

(3)

3) 代理商d的停機(jī)成本：

(4)

(5)

這里建立了一個(gè)與國內(nèi)電力市場發(fā)電資源競價(jià)模型一一對應(yīng)的用戶側(cè)需求響應(yīng)負(fù)荷模型，該模型將源荷資源同等對待，一并出清，避免了對現(xiàn)有市場規(guī)則的擾亂，同時(shí)實(shí)現(xiàn)市場資源的有效配置。

4 聯(lián)合優(yōu)化模式下含激勵(lì)型需求響應(yīng)的市場出清模型

一些靈活可調(diào)度且響應(yīng)速度快的負(fù)荷資源具備提供旋轉(zhuǎn)備用輔助服務(wù)的能力，在給予適當(dāng)經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償?shù)募?lì)下可轉(zhuǎn)換為激勵(lì)型需求響應(yīng)資源[27]。代理商負(fù)責(zé)代理激勵(lì)型需求響應(yīng)資源，包括能量產(chǎn)品和旋轉(zhuǎn)備用產(chǎn)品，參與現(xiàn)貨市場交易。值得注意的是，鑒于市場結(jié)算時(shí)需要對每個(gè)需求響應(yīng)用戶的削減負(fù)荷進(jìn)行實(shí)施效果考核和激勵(lì)資金補(bǔ)償，因此單個(gè)需求響應(yīng)用戶在同一時(shí)段內(nèi)所申報(bào)的削減負(fù)荷量與旋轉(zhuǎn)備用容量之間存在著互斥關(guān)系，即：每個(gè)用戶單個(gè)時(shí)段內(nèi)至多僅能參與一種需求響應(yīng)。這一約束可以在需求響應(yīng)用戶信息輸入窗口的程序流程實(shí)現(xiàn)，通過限定每個(gè)用戶單個(gè)時(shí)段只能選擇申報(bào)一種需求響應(yīng)信息，減少出清模型中間變量的引入。

在聯(lián)合優(yōu)化模式下，激勵(lì)型需求響應(yīng)參與現(xiàn)貨市場后的市場出清模型將作一定調(diào)整，下文將作具體介紹。

4.1 日前市場出清模型

1)目標(biāo)函數(shù)。

聯(lián)合模式下，日前市場出清模型是一個(gè)安全約束機(jī)組組合模型，目標(biāo)為在滿足系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用需求前提下最大化系統(tǒng)的社會(huì)用電福利，可以表示為：

(6)

(7)

2)約束條件。

聯(lián)合電能量和旋轉(zhuǎn)備用資源的日前市場出清模型的約束條件整體分為4類，分別是系統(tǒng)約束、發(fā)電側(cè)機(jī)組約束、激勵(lì)型需求響應(yīng)負(fù)荷約束和潮流約束。其中，系統(tǒng)約束包括功率平衡約束、旋轉(zhuǎn)備用容量約束；機(jī)組約束包括出力上下限約束、爬坡約束和最小連續(xù)開停時(shí)間約束；需求響應(yīng)負(fù)荷約束包括最小削減時(shí)間約束；潮流約束包括線路傳輸容量約束和斷面?zhèn)鬏斎萘考s束。其中，需要做修改的約束條件詳述于后。

(1)系統(tǒng)功率平衡約束。

激勵(lì)型需求響應(yīng)參與能量市場后，系統(tǒng)的負(fù)荷需求將發(fā)生變化，含有激勵(lì)型需求響應(yīng)的負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，等同于接入一臺虛擬發(fā)電機(jī)，此時(shí)的系統(tǒng)功率平衡約束表達(dá)式為：

(8)

(2)旋轉(zhuǎn)備用容量約束。

激勵(lì)型需求響應(yīng)提供旋轉(zhuǎn)備用服務(wù)后，系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)備用資源將包含發(fā)電機(jī)組和需求響應(yīng)負(fù)荷，此時(shí)的旋轉(zhuǎn)備用容量約束表達(dá)式為：

(9)

(10)

激勵(lì)型需求響應(yīng)提供的旋轉(zhuǎn)備用還要滿足實(shí)際削減容量約束，表達(dá)式為：

(11)

為了均衡發(fā)電側(cè)和需求側(cè)提供旋轉(zhuǎn)備用的容量，限制需求側(cè)資源提供的旋轉(zhuǎn)備用服務(wù)在系統(tǒng)總旋轉(zhuǎn)備用需求的占比，如PJM電力市場要求需求側(cè)資源提供的旋轉(zhuǎn)備用容量不得超過總需求的33%。在此增加負(fù)荷提供旋轉(zhuǎn)備用約束，表達(dá)式為：

(12)

式中：γ為市場設(shè)定的激勵(lì)型需求響應(yīng)提供旋轉(zhuǎn)備用容量的最大提供系數(shù)。

(3)旋轉(zhuǎn)備用機(jī)組爬坡約束。

當(dāng)機(jī)組提供旋轉(zhuǎn)備用服務(wù)時(shí)，它在能量市場的交易電量將受到爬坡速率的限制，如圖3所示，在此對旋轉(zhuǎn)備用機(jī)組增加爬坡速率約束，表達(dá)式為：

圖3 旋轉(zhuǎn)備用機(jī)組爬坡速率約束Fig.3 Ramp rate limitation of spinning reserve units

(13)

(4)出清時(shí)間粒度約束。

在聯(lián)合出清模型中，能量市場和旋轉(zhuǎn)備用輔助服務(wù)的出清時(shí)間尺度可能不一致，比如能量市場采用15 min,而旋轉(zhuǎn)備用為60 min，在此增加時(shí)間尺度約束，表達(dá)式為：

(14)

式中：κ為旋轉(zhuǎn)備用與能量市場出清時(shí)間尺度之比。

(5)線路潮流約束。

激勵(lì)型需求響應(yīng)一旦出清成功，系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)負(fù)荷需求將扣除已削減的負(fù)荷量，此時(shí)線路有功潮流約束表達(dá)式如下：

(15)

綜上，計(jì)及需求側(cè)響應(yīng)的日前市場出清模型本質(zhì)上還是一個(gè)混合整數(shù)線性規(guī)劃問題，可以應(yīng)用現(xiàn)有的成熟求解器(如CPLEX)進(jìn)行求解。其中，0-1變量包括：發(fā)電機(jī)組的啟停狀態(tài)和需求響應(yīng)代理商的削減標(biāo)記量；連續(xù)變量包括：售電公司或批發(fā)用戶負(fù)荷需求量、發(fā)電機(jī)組的有功出力、需求響應(yīng)用戶代理商的削減負(fù)荷量、發(fā)電機(jī)組和需求響應(yīng)用戶提供的旋轉(zhuǎn)備用容量等。且在實(shí)際模型中，各連續(xù)變量由相應(yīng)分段變量累加得到，具體的累加變量可參考文獻(xiàn)[3]。

4.2 實(shí)時(shí)市場調(diào)節(jié)模型

實(shí)時(shí)市場是一個(gè)功率平衡市場，通過調(diào)節(jié)實(shí)時(shí)市場機(jī)組出力和調(diào)度實(shí)時(shí)激勵(lì)型需求響應(yīng)負(fù)荷來平衡實(shí)際負(fù)荷需求。售電公司和批發(fā)用戶不參與實(shí)時(shí)市場競價(jià)，而是采用雙結(jié)算機(jī)制確定實(shí)時(shí)市場的偏差負(fù)荷。實(shí)時(shí)市場的機(jī)組啟停狀態(tài)和激勵(lì)型需求響應(yīng)削減狀態(tài)將由一個(gè)短時(shí)(預(yù)先2～4 h)的安全約束機(jī)組組合模型確定，但此時(shí)實(shí)際系統(tǒng)的負(fù)荷需求將根據(jù)調(diào)度部門的超短期預(yù)測負(fù)荷確定。實(shí)時(shí)市場調(diào)節(jié)模型不考慮機(jī)組的啟停成本，也不包含最小連續(xù)開停時(shí)間約束(具體可見附錄A)，這些與0-1相關(guān)的變量均通過求解短時(shí)的安全約束機(jī)組組合模型得到。短時(shí)的安全約束機(jī)組組合模型和日前的安全約束機(jī)組組合模型是一樣的實(shí)時(shí)市場調(diào)節(jié)模型，屬于安全約束經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型。

1)目標(biāo)函數(shù)。

聯(lián)合模式下，實(shí)時(shí)市場調(diào)節(jié)的目標(biāo)為在滿足系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用需求前提下最小化系統(tǒng)的運(yùn)行成本，可以表示為：

(16)

2)約束條件。

聯(lián)合電能量和旋轉(zhuǎn)備用資源的實(shí)時(shí)市場調(diào)節(jié)模型的約束條件與日前市場出清模型基本相同(除最小連續(xù)開停時(shí)間約束外)，此時(shí)實(shí)際系統(tǒng)的負(fù)荷需求將根據(jù)調(diào)度部門的超短期負(fù)荷預(yù)測進(jìn)行確定。

綜上，計(jì)及需求側(cè)響應(yīng)的實(shí)時(shí)市場調(diào)節(jié)模型本質(zhì)上還是一個(gè)線性規(guī)劃問題。其中，連續(xù)變量包括：日前市場出清的機(jī)組在實(shí)時(shí)市場的調(diào)整出力、日前市場未出清的機(jī)組在實(shí)時(shí)市場的調(diào)度出力、參與實(shí)時(shí)市場需求響應(yīng)的負(fù)荷削減量、發(fā)電機(jī)組和需求響應(yīng)用戶提供的旋轉(zhuǎn)備用容量等。

5 算例分析

5.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)說明

由于實(shí)際系統(tǒng)的算例分析需要用到各個(gè)市場成員的競價(jià)數(shù)據(jù)、實(shí)際電網(wǎng)參數(shù)、實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行邊界條件等信息，涉及市場成員和電網(wǎng)公司的隱私。因此，本文基于IEEE-30節(jié)點(diǎn)測試系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析?？紤]需求響應(yīng)后的IEEE-30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D4所示，機(jī)組參數(shù)和報(bào)價(jià)信息參考文獻(xiàn)[28]，選取實(shí)際市場運(yùn)營數(shù)據(jù)，見附錄B表B1和B2。

圖4 IEEE-30節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)圖Fig.4 IEEE-30 node standard test system

設(shè)每個(gè)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)均由一個(gè)負(fù)荷實(shí)體代理，共20個(gè)市場負(fù)荷主體，并考慮負(fù)荷節(jié)點(diǎn)5、7、21和30的代理商參與市場激勵(lì)型需求響應(yīng)交易，提供5%的負(fù)荷參與旋轉(zhuǎn)備用服務(wù)、10%的負(fù)荷參與日前能量市場競價(jià)，假定激勵(lì)型需求響應(yīng)的市場準(zhǔn)入容量為1 MW，負(fù)荷投標(biāo)信息見附錄B表B3。本算例的用戶側(cè)日前負(fù)荷參數(shù)取自某省2017年8月22日的實(shí)際負(fù)荷值，并按照原測試系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)有功負(fù)荷進(jìn)行等比例縮小，負(fù)荷需求曲線見圖5。

圖5 日前市場負(fù)荷需求曲線Fig.5 Demand curve in day-ahead market

5.2 市場觸發(fā)電價(jià)分析

根據(jù)日前市場的機(jī)組報(bào)價(jià)參數(shù)，得到測試系統(tǒng)的市場供應(yīng)成本曲線，如圖6所示。

圖6 市場供電成本曲線Fig.6 Curve of market supply cost

基于對原始機(jī)組報(bào)價(jià)數(shù)據(jù)的分析，電價(jià)高于500元/(MW·h)以后，需求響應(yīng)效益系數(shù)開始穩(wěn)定大于1，因此本算例設(shè)計(jì)能量市場的激勵(lì)型需求響應(yīng)觸發(fā)電價(jià)為500元/(MW·h)。市場的供給成本曲線是基于所有機(jī)組的分段報(bào)價(jià)參數(shù)，原始報(bào)價(jià)曲線在電價(jià)集中區(qū)呈階梯式遞增，該段不適宜設(shè)立觸發(fā)電價(jià)，存在損害其他負(fù)荷用戶利益的風(fēng)險(xiǎn)。進(jìn)一步地，市場觸發(fā)電價(jià)所對應(yīng)的供應(yīng)成本曲線供應(yīng)量(約270 MW)，即激勵(lì)型需求響應(yīng)的觸發(fā)負(fù)荷水平，表明在系統(tǒng)用電達(dá)到該負(fù)荷水平以上，開始實(shí)施激勵(lì)型需求響應(yīng)，削減高峰，減低用戶購電成本，促進(jìn)市場經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

為了研究市場觸發(fā)電價(jià)對系統(tǒng)運(yùn)營成本和用戶購電收益的影響，以系統(tǒng)高峰負(fù)荷為270 MW對市場觸發(fā)電價(jià)作敏感性分析，如圖7所示。表1給出了系統(tǒng)總運(yùn)營成本變化。

表1 系統(tǒng)總運(yùn)營成本Table 1 Total operation cost of the system

圖7 不同觸發(fā)價(jià)格下市場出清電價(jià)Fig.7 Market clearing price under different MTPs

仿真結(jié)果表明：隨著觸發(fā)電價(jià)逐步降低，市場激勵(lì)型需求響應(yīng)出清量逐漸增加，系統(tǒng)的總運(yùn)營成本逐漸減少。即，激勵(lì)型需求響應(yīng)的市場需求與觸發(fā)電價(jià)呈負(fù)相關(guān)，與系統(tǒng)運(yùn)營成本呈正相關(guān)。在現(xiàn)貨能量市場中，激勵(lì)型需求響應(yīng)的功能類似于一個(gè)“負(fù)電源”的作用，采用削減負(fù)荷的手段增加系統(tǒng)的凈輸入功率，而需求響應(yīng)的觸發(fā)電價(jià)類似于該“負(fù)電源”的市場報(bào)價(jià)。市場觸發(fā)電價(jià)設(shè)置得越低，即意味著擁有更多的低報(bào)價(jià)“電源”參與市場，在增強(qiáng)市場競價(jià)性的同時(shí)提高了市場運(yùn)營效益。

然而，市場觸發(fā)電價(jià)的大小又和負(fù)荷用戶的利益緊密相關(guān)。隨著市場觸發(fā)電價(jià)的降低，用戶的結(jié)算電價(jià)開始是減少的，因?yàn)榧?lì)型需求響應(yīng)的作用正在逐漸加強(qiáng)；但是一旦低于某一水平(如本算例中490元/(MW·h))以后，能量市場的出清電價(jià)不降反升，損害了其他負(fù)荷用戶的購電收益，使得利益不合理地從非需求響應(yīng)用戶參與者手中轉(zhuǎn)移到參與者手中，因?yàn)榇藭r(shí)的能量市場激勵(lì)型需求響應(yīng)已經(jīng)違反了響應(yīng)效益測試的前提要求。

5.3 需求響應(yīng)效益分析

如圖8所示，不同負(fù)荷水平下，激勵(lì)型需求響應(yīng)實(shí)施后的市場出清電價(jià)下降程度不同。出清結(jié)果表明：激勵(lì)型需求響應(yīng)的觸發(fā)負(fù)荷水平服從市場觸發(fā)電價(jià)的設(shè)計(jì)原理，只在尖峰時(shí)段削減負(fù)荷，其他時(shí)段的能量市場交易不受影響。雖然補(bǔ)償資金來自于其他負(fù)荷，但是用戶自身還是市場的最大受益群體。并且，隨著尖峰負(fù)荷水平的提高，市場的出清電價(jià)開始呈現(xiàn)2次方關(guān)系增長，激勵(lì)型需求響應(yīng)的補(bǔ)償費(fèi)用也快速增加，這恰恰吸引了更多負(fù)荷用戶參與其中。當(dāng)算例中的尖峰負(fù)荷需求達(dá)290 MW時(shí)，用戶的電價(jià)下降顯著，驗(yàn)證了尖峰時(shí)段實(shí)施需求響應(yīng)的市場效益最佳。

圖8 不同負(fù)荷水平下電價(jià)下降幅度Fig.8 Decline gratitude of electricity price under different load levels

進(jìn)一步地，激勵(lì)型需求響應(yīng)負(fù)荷提供旋轉(zhuǎn)備用服務(wù)時(shí)，系統(tǒng)總的日運(yùn)行成本變化規(guī)律如圖9所示。整體上，提供旋轉(zhuǎn)備用服務(wù)的負(fù)荷資源增加可使系統(tǒng)的總運(yùn)營成本減少。當(dāng)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用需求較高時(shí)，負(fù)荷帶給系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益越加明顯。如本算例中，旋轉(zhuǎn)備用系數(shù)取為9%時(shí)，總的運(yùn)營成本下降了9 500元，效果十分顯著，這也是旋轉(zhuǎn)備用負(fù)荷帶給市場的最大經(jīng)濟(jì)效益。但是隨著系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)備用需求減少，效益開始慢慢減少。旋轉(zhuǎn)備用系數(shù)從7%降低到3%過程中，經(jīng)濟(jì)效益從3 400元降到1 200元，再降到300元，呈非線性變化。因此對于旋轉(zhuǎn)備用需求較大的市場，管理者更應(yīng)當(dāng)秉持中性原則，接納負(fù)荷資源，提高市場運(yùn)行效益。

圖9 旋轉(zhuǎn)備用負(fù)荷出清和系統(tǒng)總運(yùn)行成本變化Fig.9 Variation of load spinning reserve in market clearing and total operation cost of the system

值得注意的是，負(fù)荷提供的旋轉(zhuǎn)備用資源并非越多越好。因?yàn)殡娔芰渴袌鲈诔銮鍟r(shí)，系統(tǒng)就存在著部分機(jī)組留有一定發(fā)電容量，這是一個(gè)偶然的調(diào)度結(jié)果。從最優(yōu)化角度出清市場資源，此時(shí)系統(tǒng)僅僅需要額外購買未滿足系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用容量需求的剩余部分即可。因此當(dāng)負(fù)荷提供的旋轉(zhuǎn)備用過剩時(shí)，市場不再出清多余的負(fù)荷資源。

6 結(jié) 論

基于電力市場建設(shè)初期的背景，本文提出了一種激勵(lì)型需求響應(yīng)參與現(xiàn)貨市場的交易方法。從交易機(jī)制的設(shè)計(jì)到出清模型的提出，詳細(xì)研究了電力市場環(huán)境下需求響應(yīng)效益評估方法、激勵(lì)補(bǔ)償資金來源、交易結(jié)算規(guī)則等關(guān)鍵性問題。最后，通過具體的算例模擬分析激勵(lì)型需求響應(yīng)的市場實(shí)施情況。測試系統(tǒng)的仿真結(jié)果表明：激勵(lì)型需求響應(yīng)參與現(xiàn)貨市場能給市場和用戶帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)雙贏的最佳市場設(shè)計(jì)目標(biāo)。通過本文的研究，得出如下結(jié)論：

1) 市場觸發(fā)價(jià)格的合理設(shè)計(jì)是成功實(shí)施需求響應(yīng)的重要前提，市場管理者(交易中心)在考慮充分吸引用戶側(cè)負(fù)荷資源參與的同時(shí)要注意避免損害其他成員的利益，實(shí)現(xiàn) “公平競爭、高效運(yùn)營”的市場設(shè)計(jì)目標(biāo)；

2)需求側(cè)資源在參與旋轉(zhuǎn)備用市場時(shí)能進(jìn)一步提高市場的出清效益，市場管理者需要秉持中立原則，協(xié)調(diào)“源-荷”資源互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的能量與備用市場聯(lián)合優(yōu)化效果；

3)激勵(lì)型需求響應(yīng)能有效地帶動(dòng)用戶側(cè)柔性負(fù)荷資源參與市場互動(dòng)，市場管理者應(yīng)充分利用負(fù)荷資源與發(fā)電資源固有的協(xié)調(diào)互補(bǔ)關(guān)系，實(shí)施現(xiàn)貨市場需求響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)最大程度的市場資源配置優(yōu)化。