基于合作博弈模型的新能源參與電力交易的調(diào)控策略

田海青，郭金輝，周瑜，苑蕓蕓，趙得瑋，楊智，劉敦楠，王玲湘

（1.青海電力交易中心有限公司,青海省西寧市 810000；2.華北電力大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院,北京市昌平區(qū) 102206）

0 引言

2022年3月22日國(guó)家發(fā)改委、國(guó)家能源局發(fā)布《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》，規(guī)劃十分重視新型電力系統(tǒng)中新能源發(fā)展的重要性，在2060年實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)中，風(fēng)電和太陽(yáng)能等新能源發(fā)電將成為電力系統(tǒng)電能供應(yīng)主體。新能源具有運(yùn)營(yíng)成本低、綠色清潔等優(yōu)點(diǎn)[1-3]，但同時(shí)也具有較高的初始投資、較大的出力波動(dòng)性、不穩(wěn)定性等缺點(diǎn)，使得新能源并網(wǎng)過(guò)程中存在供需不平衡、電力通道堵塞、電力輔助服務(wù)成本過(guò)高等問題[4-6]。高占比的新能源并網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)我國(guó)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的重要途徑，但同時(shí)也對(duì)新型電力系統(tǒng)中新能源的并網(wǎng)和消納提出了新的挑戰(zhàn)。

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者針對(duì)新能源并網(wǎng)過(guò)程中的出力波動(dòng)性較大、供需不匹配等物理問題展開了研究，目前的主要解決方案可分為兩類：一是通過(guò)建立配套設(shè)施或者提供配套服務(wù)以中和新能源的出力波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)新能源的并網(wǎng)消納[7-9]。例如，文獻(xiàn)[10]通過(guò)儲(chǔ)能在源–網(wǎng)側(cè)的優(yōu)化配置實(shí)現(xiàn)新能源的并網(wǎng)消納，但是要達(dá)到較好的新能源協(xié)調(diào)調(diào)度效果，需要有較高的投資建設(shè)成本和儲(chǔ)能利用效率；文獻(xiàn)[11]則提出通過(guò)輔助服務(wù)市場(chǎng)實(shí)現(xiàn)高比例新能源的消納，但是各類型市場(chǎng)主體之間的杠桿效益平衡，特別是在現(xiàn)階段中長(zhǎng)期發(fā)用雙側(cè)解耦的條件下的效益分配關(guān)系需要進(jìn)一步梳理。二是通過(guò)源網(wǎng)荷儲(chǔ)之間的協(xié)調(diào)互補(bǔ)以平抑新能源的負(fù)荷波動(dòng)，促進(jìn)新能源的并網(wǎng)消納[12-14]。文獻(xiàn)[15]考慮電力系統(tǒng)中的棄風(fēng)現(xiàn)象，通過(guò)對(duì)燃煤電廠進(jìn)行改造有效消納了風(fēng)力棄電節(jié)約了生產(chǎn)成本；文獻(xiàn)[16]則考慮到我國(guó)“三北”地區(qū)的棄風(fēng)問題，通過(guò)對(duì)柔性負(fù)荷進(jìn)行電能替代改造有效提高了風(fēng)電對(duì)電網(wǎng)滲透率提升了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行能力?？梢?，通過(guò)源網(wǎng)荷儲(chǔ)互動(dòng)能夠有效提升新能源的并網(wǎng)能力，但是現(xiàn)有研究未充分考慮到電力市場(chǎng)中的主體效益問題和合作方效益分配問題。因此，本文主要考慮基于源網(wǎng)荷儲(chǔ)互動(dòng)的新能源消納策略，將其劃分為基于多能互補(bǔ)的新能源消納策略和基于源荷互動(dòng)的新能源消納策略，并結(jié)合電力市場(chǎng)的發(fā)展情況做充分的討論。

考慮到中長(zhǎng)期市場(chǎng)和現(xiàn)貨市場(chǎng)中新能源的分時(shí)段交易和考核各類型資源在與新能源進(jìn)行協(xié)調(diào)調(diào)度的同時(shí)應(yīng)充分考慮電力市場(chǎng)的履約情況進(jìn)行設(shè)計(jì)[17-18]，因此應(yīng)充分考慮分時(shí)段電力耦合需求進(jìn)行優(yōu)化調(diào)控模型設(shè)計(jì)。目前針對(duì)新能源消納問題主要是通過(guò)建立條件約束模型進(jìn)行優(yōu)化求解，一些研究考慮到不同主體之間的關(guān)系設(shè)計(jì)有主從博弈模型、合作博弈模型、非合作博弈模型等。例如，文獻(xiàn)[19]通過(guò)設(shè)計(jì)主從博弈模型有效提升配電網(wǎng)的新能源消納能力并減少了用戶成本；文獻(xiàn)[20]通過(guò)設(shè)計(jì)常規(guī)能源與新能源的合作博弈模型以置換發(fā)電權(quán)有效緩解了西北地區(qū)的棄風(fēng)棄光現(xiàn)象。在多類型市場(chǎng)主體之間具備協(xié)商關(guān)系并進(jìn)行了充分的信息共享時(shí)，采用合作博弈模型更符合實(shí)際情況且能夠獲得更高的聯(lián)盟效益[21-23]。因此本文考慮新能源與其他市場(chǎng)主體之間的互動(dòng)關(guān)系，以最大化綜合效益為目標(biāo)，構(gòu)建基于合作博弈模型的新能源消納策略。

本文基于高占比新能源并網(wǎng)的新型電力系統(tǒng)建設(shè)需求，結(jié)合電力市場(chǎng)背景下新能源廠商、火電廠商和需求側(cè)可調(diào)節(jié)用戶的物理調(diào)控能力和市場(chǎng)效益提升目標(biāo)，首先分析了新能源參與電力市場(chǎng)交易的基本框架，并分析了3種類型的市場(chǎng)主體參與電力市場(chǎng)的電力能源流動(dòng)和經(jīng)濟(jì)效益流動(dòng)情況；然后考慮新能源廠商和火電廠商的出力耦合性能構(gòu)建考慮多能互補(bǔ)的合作博弈模型，以提升新能源與火電廠商合作聯(lián)盟的市場(chǎng)效益并促進(jìn)新能源消納；進(jìn)而考慮新能源廠商和可調(diào)節(jié)大用戶的供需耦合性能構(gòu)建考慮源荷互動(dòng)的合作博弈模型，以提升新能源與大用戶合作聯(lián)盟的市場(chǎng)效益并促進(jìn)新能源消納；最后通過(guò)仿真算例證明了本文所提模型對(duì)于新能源并網(wǎng)消納和電力市場(chǎng)效益提升的有益效果。

1 新能源參與電力市場(chǎng)的交易框架

新能源參與電力市場(chǎng)過(guò)程如圖1所示交易框架。

圖1 新能源參與電力市場(chǎng)的傳統(tǒng)交易框架Fig.1 Traditional transaction framework of new energy participating in electricity market

新能源參與電力市場(chǎng)的過(guò)程中，主要是通過(guò)參與中長(zhǎng)期市場(chǎng)和電力現(xiàn)貨市場(chǎng)實(shí)現(xiàn)新能源電力的并網(wǎng)交易。該過(guò)程中，新能源電力通過(guò)電力中長(zhǎng)期交易或者現(xiàn)貨交易流向電網(wǎng)，最終流向需求側(cè)，然而，新能源固有的波動(dòng)性和隨機(jī)性不可避免地給電網(wǎng)帶來(lái)電力供應(yīng)波動(dòng)過(guò)大和供需不平衡的問題，為此必須有輔助服務(wù)提供商提供上下調(diào)服務(wù)，調(diào)節(jié)能力不足時(shí)，無(wú)法并網(wǎng)消納的新能源不可避免地產(chǎn)生一部分棄電。該過(guò)程中，電力需求側(cè)的電力電量服務(wù)費(fèi)用通過(guò)市場(chǎng)流向新能源廠商，新能源廠商則需要向?yàn)槠涮峁┹o助服務(wù)的輔助服務(wù)廠商支付一部分輔助服務(wù)費(fèi)用。

為此，考慮到新型電力系統(tǒng)建設(shè)過(guò)程中不可避免的高比例新能源接入問題，不少地區(qū)提出了針對(duì)新能源消納的綠電交易模式。在這種模式下，風(fēng)光等新能源通過(guò)與水火等發(fā)電側(cè)能源打捆交易、或者通過(guò)與儲(chǔ)能、靈活性負(fù)荷等需求側(cè)資源互動(dòng)來(lái)降低可再生能源的波動(dòng)性，在實(shí)現(xiàn)高比例新能源的全額消納，提升了源網(wǎng)荷儲(chǔ)多方的市場(chǎng)效益。其能量和效益流動(dòng)過(guò)程如圖2所示。

圖2 考慮綠電交易的新能源參與電力市場(chǎng)的傳統(tǒng)交易框架Fig.2 Traditional transaction framework of new energy participating in electricity market with green electricity transaction considered

該過(guò)程中，電能依然是通過(guò)中長(zhǎng)期和現(xiàn)貨市場(chǎng)流向電網(wǎng)進(jìn)而走向用戶，但是可再生能源通過(guò)與源側(cè)發(fā)電廠商和需求側(cè)靈活性資源之間的互動(dòng)大幅降低了負(fù)荷波動(dòng)，減少了輔助服務(wù)調(diào)節(jié)壓力和棄電規(guī)模。該過(guò)程中，電力需求側(cè)的電力電量服務(wù)費(fèi)用通過(guò)市場(chǎng)流向新能源廠商和其他打捆調(diào)節(jié)資源，若新能源廠商還有未打捆的波動(dòng)較大的并網(wǎng)電力則還需支付一部分輔助服務(wù)費(fèi)用。

基于以上分析，可將新能源參與電力市場(chǎng)交易的過(guò)程總結(jié)以下幾點(diǎn)內(nèi)容：

1）新能源參與電力交易過(guò)程的主要難題是新能源出力的不穩(wěn)定性問題。由于風(fēng)光等新能源受氣候條件的影響較大，在風(fēng)力資源或者光照資源出現(xiàn)較大波動(dòng)時(shí)，會(huì)致使出現(xiàn)較大的出力波動(dòng)，給電網(wǎng)調(diào)控帶來(lái)困難也提高了輸配電成本。

2）供給側(cè)傳統(tǒng)能源與新能源的多能互補(bǔ)、需求側(cè)靈活性可調(diào)資源與新能源的源荷互動(dòng)都能在一定程度上緩解新能源波動(dòng)性大的問題，在該過(guò)程中通過(guò)構(gòu)建新能源與傳統(tǒng)能源的聯(lián)盟或者新能源與需求側(cè)可調(diào)負(fù)荷的聯(lián)盟形成較為穩(wěn)定的凈出力結(jié)構(gòu)，從而在保障電力供應(yīng)穩(wěn)定的同時(shí)使得能源供應(yīng)更加綠色清潔。

3）考慮電力中長(zhǎng)期市場(chǎng)和電力現(xiàn)貨市場(chǎng)的建設(shè)情況，電力聯(lián)盟在參與電力市場(chǎng)的同時(shí)需要考慮分時(shí)段價(jià)格、偏差考核等多類型關(guān)系到電力市場(chǎng)效益的重要問題。在充分考慮市場(chǎng)因素的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)最優(yōu)的優(yōu)化調(diào)控方案是本文的主要研究對(duì)象。

據(jù)此對(duì)電動(dòng)汽車參與電力交易的過(guò)程展開優(yōu)化調(diào)控。文章分別針對(duì)新能源與供給側(cè)火電資源打捆互動(dòng)設(shè)計(jì)考慮多能互補(bǔ)的合作博弈模型；針對(duì)新能源與需求側(cè)包括儲(chǔ)能在內(nèi)的可調(diào)負(fù)荷互動(dòng)設(shè)計(jì)考慮源荷互動(dòng)的合作博弈模型。

2 考慮多能互補(bǔ)的合作博弈模型

2.1 合作博弈基礎(chǔ)理論

定義有合作博弈模型通過(guò)集體理性行為實(shí)現(xiàn)聯(lián)盟的最大效益，而是否達(dá)到聯(lián)盟的最大效益則通過(guò)合作剩余 v({N})、個(gè)體的剩余來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)v(i)。

穩(wěn)定的聯(lián)盟必須創(chuàng)造新的合作剩余，即存在如公式(1)所示的聯(lián)盟收益創(chuàng)造能力高于個(gè)體收益創(chuàng)造能力的基本條件。

其次，對(duì)于聯(lián)盟內(nèi)的所有N個(gè)成員必須滿足每個(gè)成員所分得的合作剩余xi高于個(gè)體參與時(shí)的剩余價(jià)值v(i)。即在如公式(2)所示的效益分配關(guān)系下，存在有如公式(3)所示的效益提升。

在本文則體現(xiàn)為新能源廠商與傳統(tǒng)能源廠商或者需求側(cè)可調(diào)負(fù)荷之間所形成的聯(lián)盟，一方面要使得總體效益得到提升，另一方面也需要使各個(gè)主體都獲得市場(chǎng)效益增量。

2.2 考慮多能互補(bǔ)的合作博弈策略

本節(jié)以新能源與火電打捆交易為例研究多能互補(bǔ)的新能源參與電力市場(chǎng)交易策略。在該過(guò)程中，通過(guò)構(gòu)建新能源廠商與火電廠商的電力聯(lián)盟，減少新能源廠商的棄電并增加火電廠商的環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性，雙方都獲得了增量收益，滿足成立聯(lián)盟謀取合作剩余的基礎(chǔ)條件。

成立發(fā)電聯(lián)盟之后，新能源廠商商定與火電廠商打捆電力交易，在獲得新能源預(yù)測(cè)出力后報(bào)給火電廠商，火電廠商則在最大化聯(lián)盟合作剩余的基礎(chǔ)上進(jìn)行機(jī)組功率調(diào)整。在該過(guò)程中，新能源通過(guò)火電廠商的配合調(diào)整形成的主要效益變化包括：增加了新能源的并網(wǎng)電力提高了電量收益；減少了負(fù)荷波動(dòng)從而減少了輔助服務(wù)費(fèi)用和分時(shí)段交易合同考核費(fèi)用；減少了火電廠商的出力從而減少了煤耗成本和碳排放成本；同時(shí)火電機(jī)組的上下調(diào)過(guò)程中不可避免地有一部分的運(yùn)行損耗成本的提升，這些內(nèi)容構(gòu)成了聯(lián)盟的合作剩余變化。

據(jù)此可以分析出多能互補(bǔ)的合作博弈過(guò)程中有如下關(guān)鍵要素。

1)參與者：新能源廠商和火電廠商，通過(guò)形成新能源火電多能互補(bǔ)的打捆結(jié)構(gòu)參與電力市場(chǎng)交易，提高新能源消納能力并推進(jìn)雙碳建設(shè)。

2)策略集：新能源廠商與火電廠商的分時(shí)段打捆出力。

3)特征函數(shù)：新能源廠商與火電廠商的合作收益W最大化。

2.3 合作博弈模型構(gòu)建

構(gòu)建新能源廠商與火電廠商的合作博弈模型特征函數(shù)如公式(4)所示。

其中：W1為 新能源與火電聯(lián)盟的總收益；Wn為新能源廠商收益；Wf為火電廠商收益；C為偏差考核成本。

新能源廠商與火電廠商的收益情況分別如公式(5)和公式(6)所示。

其中：T 為時(shí)段t的 總數(shù)；Δt為各個(gè)時(shí)段的時(shí)長(zhǎng)；Pn,t為可再生能源廠商在t時(shí) 段的出力；Pf,t為火電廠商在t時(shí)段的出力；rn,t、rf,t分別為新能源與火電在t時(shí)段的度電收益，在本文體現(xiàn)為電力市場(chǎng)的分時(shí)段電價(jià)；cn,t、cf,t分 別為新能源與火電在t時(shí)段的度電成本；cn2,t為新能源在t時(shí)段的棄電成本，用以體現(xiàn)新能源與火電打捆帶來(lái)的新能源消納電力提升效益； con,t為t時(shí) 段火電的開機(jī)成本； coff,t為t時(shí)段火電的停機(jī)成本。

對(duì)應(yīng)成本的計(jì)算方式如公式(7)—(9)所示。

其中：ε為懲罰系數(shù)；Po,t為新能源廠商在t時(shí)段的預(yù)測(cè)出力；gt為火電機(jī)組在t時(shí)段的開停機(jī)狀態(tài)，開啟為1、關(guān)閉為0；ron,t、roff,t分別為火電機(jī)組在t時(shí)段的開機(jī)成本和停機(jī)成本。

偏差考核成本如公式(10)所示計(jì)算方式。

式中：Pl,t為電力市場(chǎng)分時(shí)段合約電量；ch、 cl分別為正負(fù)偏差的度電考核費(fèi)用。

同時(shí)考慮新能源與火電打捆比例約束如公式(11)所示。

其中：Qn為新能源電量；Qf為火電電量；λ為新能源與火電的打捆比例。

對(duì)于火電廠商，出力約束如公式(12)所示；機(jī)組爬坡約束如公式(13)所示；開停機(jī)時(shí)間約束如公式(14)、公式(15)所示。

式中： Pf,min、 Pf,max分別為火電機(jī)廠商的最大最小出力；-kd、-ku分別為火電廠的上下爬坡速率；ton,f、toff,f分別為機(jī)組的開停機(jī)持續(xù)時(shí)間；Ton,min、Toff,min分別為機(jī)組的最短開停機(jī)持續(xù)時(shí)間。

對(duì)于打捆電量有潮流約束如公式(16)所示。

式中： Pmin、 Pmax分別為新能源廠商和火電廠商傳輸功率的斷面功率傳輸下限和斷面功率傳輸上限。

2.4 火電廠商和新能源廠商的利益分配策略

在合作博弈過(guò)程中，采用Shapley值理論進(jìn)行效益分配，則有如公式(17)所示效益分配策略。

其中：Y(s)為聯(lián)盟成員的分配系數(shù)，其計(jì)算公式如公式(18)所示；S 為合作聯(lián)盟去除成員i后的聯(lián)盟總成員； N{i}為 去除成員i后的聯(lián)盟成員。

但是考慮到火電廠商在該過(guò)程中的貢獻(xiàn)問題[24]，引入修正因子進(jìn)行效益分配調(diào)整，則如公式(19)所示的效益分配函數(shù)。

其中：ηi為 聯(lián)盟成員i的修正系數(shù)；代表聯(lián) 盟成員i的修正值與平均值的差值。

2.5 博弈效果測(cè)算

為評(píng)價(jià)合作博弈過(guò)程中帶來(lái)的效益增量，對(duì)聯(lián)盟形成前的火電廠商和新能源廠商的市場(chǎng)效益進(jìn)行測(cè)算，分別如公式(20)和公式(21)所示的市場(chǎng)剩余。

其中：Wn′為原始新能源廠商的市場(chǎng)效益；Pn,t′為原始新能源廠商的并網(wǎng)電力；cnw為新能源廠商的偏差考核費(fèi)用，其計(jì)算方式如公式(22)；Wf′為火電廠商的原始市場(chǎng)效益；Pf,t′為火電廠商的原始并網(wǎng)電力。

其中 Pl,t′為新能源廠商在t時(shí)段的合約電量。

據(jù)此計(jì)算聯(lián)盟實(shí)現(xiàn)和增量效益Δw1如公式(23)所示。

3 考慮源荷互動(dòng)的合作博弈模型

3.1 考慮多能互補(bǔ)的博弈策略

本節(jié)以可調(diào)大用戶與新能源廠商之間的協(xié)調(diào)互補(bǔ)研究基于源荷互動(dòng)的新能源參與電力市場(chǎng)交易策略。在該過(guò)程中，通過(guò)構(gòu)建新能源廠商與可調(diào)大用戶的電力聯(lián)盟，降低新能源廠商的棄電損失和偏差考核費(fèi)用，同時(shí)也節(jié)約可調(diào)大用戶的用電成本，雙方都獲得增量收益，滿足成立聯(lián)盟謀取合作剩余的基礎(chǔ)條件。特別說(shuō)明的是，儲(chǔ)能資源作為荷端的一部分，在本節(jié)中視作為一種特殊的可調(diào)負(fù)荷，由于其本身不具備負(fù)荷消耗特征并且能儲(chǔ)備電力而具備百分百的調(diào)節(jié)能力。

成立源荷互動(dòng)聯(lián)盟之后，新能源廠商根據(jù)發(fā)電預(yù)測(cè)電量變化情況與可調(diào)大用戶商定負(fù)荷調(diào)節(jié)方式，以使得聯(lián)盟的凈出力曲線趨于平穩(wěn)，并合理調(diào)節(jié)分時(shí)段并網(wǎng)電量的物理執(zhí)行情況。該過(guò)程中，新能源廠商通過(guò)與可調(diào)大用戶的之間的友好互動(dòng)創(chuàng)造的主要效益變化包括：增加了新能源的并網(wǎng)電力提高了電量收益；減少了負(fù)荷波動(dòng)從而減少了新能源廠商的輔助服務(wù)費(fèi)用和分時(shí)段交易合同考核費(fèi)用；可調(diào)大用戶消納棄電節(jié)約了用電成本；并通過(guò)消納新能源電力獲得綠證和配額效益等，這些內(nèi)容構(gòu)成了聯(lián)盟的合作剩余變化。

據(jù)此可以分析出多能互補(bǔ)的合作博弈過(guò)程中有如下關(guān)鍵要素。

1)參與者：新能源廠商和可調(diào)大用戶，通過(guò)形成新能源與需求側(cè)用戶的源荷互動(dòng)結(jié)構(gòu)參與電力市場(chǎng)交易，提高新能源消納能力并推進(jìn)雙碳建設(shè)。

2)策略集：新能源廠商與可調(diào)大用戶的分時(shí)段出力和負(fù)荷。

3)特征函數(shù)：新能源廠商與可調(diào)大用戶的合作收益W2最大化。

3.2 合作博弈模型構(gòu)建

構(gòu)建新能源廠商與可調(diào)負(fù)荷用戶的合作博弈模型特征函數(shù)如公式(24)所示。

其中：W2為 新能源與可調(diào)負(fù)荷聯(lián)盟的總效益；Wl為可調(diào)負(fù)荷用戶的市場(chǎng)效益，其計(jì)算方式如公式(25)所示。

其中：Pl,t為可調(diào)負(fù)荷在t時(shí)段消納的可再生能源電力；pl,t為 可調(diào)負(fù)荷在t時(shí) 段的原始電價(jià)；pr,t為在t時(shí)段的棄電消納電價(jià)；Gl為可調(diào)負(fù)荷實(shí)現(xiàn)的綠證收益；CB為可調(diào)負(fù)荷中儲(chǔ)能的運(yùn)維成本。

在調(diào)節(jié)過(guò)程中，可調(diào)大用戶有調(diào)節(jié)容量限制如公式(26)所示；當(dāng)日總電量需求約束如公式(27)所示。

其中：Pl,min為可調(diào)大用戶的最低消納功率，對(duì)于特殊可調(diào)負(fù)荷儲(chǔ)能資源來(lái)說(shuō)，Pl,min為最大放電功率-PB,out；Pl,max為可調(diào)大用戶的最高消納功率，對(duì)于特殊可調(diào)負(fù)荷儲(chǔ)能資源來(lái)說(shuō)， Pl,max為最大充電功率PB,in；Ql,min為當(dāng)日可調(diào)大用戶的最低電量需求，對(duì)于特殊可調(diào)負(fù)荷儲(chǔ)能資源來(lái)說(shuō)，其值為0；Ql,max為當(dāng)日可調(diào)大用戶的最高電量需求，對(duì)于特殊可調(diào)負(fù)荷儲(chǔ)能資源來(lái)說(shuō)，其值為儲(chǔ)能容量B。

3.3 可調(diào)大用戶和新能源廠商的利益分配策略

在效益分配過(guò)程中同樣考慮可調(diào)大用戶的貢獻(xiàn)度，引入修正因子進(jìn)行效益分配調(diào)整，則有如公式(28)所示的效益分配函數(shù)。

其中：θi為可調(diào)大用戶與新能源廠商聯(lián)盟中成員i的修正系數(shù)；代 表聯(lián)盟成員i的修正值與平均值的差值。i∈N

3.4 博弈效果測(cè)算

為評(píng)價(jià)合作博弈過(guò)程中帶來(lái)的效益增量，對(duì)聯(lián)盟形成前的可調(diào)大用戶和新能源廠商的市場(chǎng)效益進(jìn)行測(cè)算，新能源廠商有如公式(20)所示的市場(chǎng)剩余，可調(diào)大用戶有如公式(25)所示的市場(chǎng)剩余。

據(jù)此計(jì)算聯(lián)盟實(shí)現(xiàn)和增量效益Δw2如公式(29)所示。

4 仿真算例

基于多能互補(bǔ)和源荷互動(dòng)的新能源消納場(chǎng)景，本文以新能源電廠A與火電企業(yè)B以及可調(diào)大用戶C為例，構(gòu)建可再生能源消納的典型場(chǎng)景，對(duì)本文所提合作博弈模型進(jìn)行驗(yàn)證。設(shè)置新能源預(yù)測(cè)出力曲線如圖3所示；可調(diào)大用戶的初始負(fù)荷曲線如圖4所示；電力市場(chǎng)分分時(shí)段電價(jià)如表1所示；新能源廠商與火電廠商的分時(shí)段電力合約如表2所示。電力市場(chǎng)合約考核費(fèi)用按5%計(jì)算；風(fēng)火打捆比例按1:5計(jì)算；設(shè)置火電廠商和新能源廠商的效益分配修正系數(shù)ηi分別為0.56和0.44；設(shè)置可調(diào)大用戶廠商和新能源廠商的效益分配修正系數(shù)θi分別為0.58和0.42；輸配電價(jià)及其各項(xiàng)附加費(fèi)用為170元/MW·h；火電標(biāo)準(zhǔn)煤耗按0.29 kg/MW·h計(jì)算；煤價(jià)按0.57元/kg計(jì)算；考慮到綠證市場(chǎng)和碳市場(chǎng)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性較弱，暫時(shí)不予考慮。求解過(guò)程采用MATLAB約束優(yōu)化工具箱進(jìn)行。

表1 電力市場(chǎng)用戶側(cè)分時(shí)段電價(jià)Table 1 User side TOU price of electricity market

表2 新能源廠商與火電廠商的分時(shí)段電力合約Table 2 Time-phased electricity contract between new energy manufacturers and thermal power generation companies

圖3 新能源預(yù)測(cè)出力曲線Fig.3 Forecast output curve of new energy

圖4 可調(diào)大用戶初始負(fù)荷曲線Fig.4 Adjustable initial load curve of big consumer

在考慮多能互補(bǔ)的新能源消納場(chǎng)景中，通過(guò)博弈優(yōu)化得到新能源消納曲線的變化情況如圖5所示，實(shí)現(xiàn)火電廠商與新能源廠商打捆分時(shí)段電力合約履約情況如表3所示。

表3 火電廠商與新能源廠商的分時(shí)段電力合約履約情況Table 3 Time-phased electricity contract between new energy manufacturersand thermal power generation companies

圖5 考慮多能互補(bǔ)的新能源消納曲線Fig.5 New energy consumption curveconsidering multienergy complementarity

相對(duì)于無(wú)合作博弈過(guò)程中的新能源原始履約收益2846.04元/日以及火電廠商的原始履約15512.97元/日，通過(guò)火電協(xié)調(diào)新能源出力增加了新能源的履約量并提升了整體電力出售水平，實(shí)現(xiàn)新能源消納3872.65元/日，實(shí)現(xiàn)火電售電收益15678.16元/日。具體來(lái)說(shuō)，火電廠商及時(shí)調(diào)整出力實(shí)現(xiàn)了新能源電力的全額消納，增加新能源消納1.35 MW·h、占比約22.32%；減少新能源廠商的偏差考核費(fèi)用51.33元/日；實(shí)現(xiàn)新能源廠商增量收益547.12元/日，收益提升幅度達(dá)19.22%；實(shí)現(xiàn)火電廠商增量收益696.34元/日；實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)效益總提升1192.13元/日?？梢娡ㄟ^(guò)火電與新能源之間的打捆交易，有效促進(jìn)了新能源的消納和各方收益的提升。

在考慮源荷互動(dòng)的新能源消納場(chǎng)景中，通過(guò)博弈優(yōu)化得到新能源消納曲線的變化情況如圖6所示。

圖6 考慮源荷互動(dòng)的新能源消納曲線變化Fig.6 Change of new energy accommodation curve considering source-charge interaction

相對(duì)于無(wú)合作博弈過(guò)程中的新能源原始履約收益2846.04元/日以及可調(diào)負(fù)荷的原始用電成本4930.97元/日，原始用戶考核偏差51.33元/日；通過(guò)靈活性負(fù)荷的協(xié)調(diào)作用，實(shí)現(xiàn)新能源消納3685.10元/日，實(shí)現(xiàn)可調(diào)負(fù)荷用電成本4544.22元/日，用戶考核偏差降低值9.38元/日。具體來(lái)說(shuō)，通過(guò)可調(diào)大用戶及時(shí)響應(yīng)新能源的負(fù)荷調(diào)節(jié)需求，增加了新能源消納0.98 MW·h、占比約16.21%；減少新能源廠商的偏差考核費(fèi)用41.95元/日；實(shí)現(xiàn)新能源廠商增量收益532.46元/日，收益提升幅度達(dá)18.71%；實(shí)現(xiàn)可調(diào)大用戶增量收益735.30元/日；實(shí)現(xiàn)源荷互動(dòng)效益總提升1267.75元/日?？梢?，通過(guò)可調(diào)大用戶的調(diào)節(jié)有力地促進(jìn)了新能源消納，提升了新能源廠商的售電收益、節(jié)約了新能源廠商的考核成本，并提升了可調(diào)節(jié)大用戶的市場(chǎng)收益。

5 結(jié)論

高占比新能源消納是新型電力系統(tǒng)建設(shè)過(guò)程中不可避免的重要問題。本文從新能源參與電力市場(chǎng)的角度出發(fā)，針對(duì)新能源并網(wǎng)消納問題、市場(chǎng)效益問題、偏差考核問題等進(jìn)行綜合考慮，構(gòu)建基于合作博弈模型的新能源消納策略，有效提升了新能源的并網(wǎng)消納能力、提升了市場(chǎng)效益并一定程度上緩解了偏差考核費(fèi)用。具體來(lái)說(shuō)，有如下幾方面的研究成果：

1)構(gòu)建考慮多能互補(bǔ)的合作博弈模型，通過(guò)火電與新能源電力的打捆交易實(shí)現(xiàn)打捆電力的穩(wěn)定輸出，避免了新能源廠商高額的偏差考核費(fèi)用和棄電損失，實(shí)現(xiàn)了高比例新能源的消納，并減少了火電的煤耗成本，實(shí)現(xiàn)了多能互補(bǔ)聯(lián)盟的效益提升。

2)構(gòu)建考慮源荷互動(dòng)的合作博弈模型，通過(guò)可調(diào)大用戶與新能源之間的靈活互動(dòng)實(shí)現(xiàn)新能源電力的穩(wěn)定輸出，緩解了新能源廠商的分時(shí)段偏差考核成本和棄電損失，實(shí)現(xiàn)了高比例新能源的消納，并為可調(diào)大用戶提供了更低用電成本，實(shí)現(xiàn)了源荷互動(dòng)聯(lián)盟的效益提升。

3)結(jié)合現(xiàn)階段分時(shí)段中長(zhǎng)期交易和綠電交易的市場(chǎng)特征，充分考慮分時(shí)段合約的特點(diǎn)、偏差考核和大用戶對(duì)綠電的需求等多方因素進(jìn)行優(yōu)化模型設(shè)計(jì)和優(yōu)化效果提升，并應(yīng)用算例驗(yàn)證了模型對(duì)于新能源消納、市場(chǎng)發(fā)展等方面的有益效果。

本文基于現(xiàn)階段電力市場(chǎng)發(fā)展初期的設(shè)定，并未對(duì)火電、新能源以及可調(diào)負(fù)荷三方之間的協(xié)調(diào)互補(bǔ)進(jìn)行深入分析和研究，充分考慮各方之間的物理聯(lián)絡(luò)關(guān)系和效益分配關(guān)系設(shè)計(jì)三方合作聯(lián)盟關(guān)系是下一步研究方向。

致謝

本文得到了國(guó)家電網(wǎng)公司基于高占比新能源環(huán)境的電力曲線中長(zhǎng)期交易機(jī)制研究項(xiàng)目(SGTYHT/19-JS-215)的資助，在此表示感謝。