摘要 新能源裝機(jī)容量的逐年提升導(dǎo)致系統(tǒng)面臨巨大的新能源消納壓力，跨區(qū)域省間電力現(xiàn)貨市場作為區(qū)域電網(wǎng)中重要的電力余缺互濟(jì)手段，仍面臨市場運(yùn)行效率較低以及省間壁壘嚴(yán)重的問題。如何進(jìn)一步挖掘各省份的備用互濟(jì)能力，緩解能源富余省份新能源棄電和部分省份電力緊缺問題，已成為下一階段省間電力現(xiàn)貨市場建設(shè)的關(guān)鍵抓手。以省間市場社會(huì)福利最大為目標(biāo)，構(gòu)建綜合考慮各省備用缺額容量、備用空間互濟(jì)以及省間輸電費(fèi)用與網(wǎng)損的省間電力現(xiàn)貨出清模型。通過考慮備用互濟(jì)的省間電力現(xiàn)貨出清實(shí)現(xiàn)了省間電力資源的優(yōu)化配置，有效降低省內(nèi)新能源棄電電力，緩解區(qū)域內(nèi)電力資源逆向分布。以IEEE 39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)和某網(wǎng)調(diào)電網(wǎng)構(gòu)建省間電力交易出清算例，驗(yàn)證了所提模型的合理性和實(shí)用性。
1 備用互濟(jì)的省間電力市場出清模型
為了合理利用各省富余備用資源，通過備用互濟(jì)的方式進(jìn)行備用支援，當(dāng)某省份出現(xiàn)備用不足時(shí)，相鄰備用充足省份通過本省空閑備用容量支援備用不足省份，將預(yù)留的備用分?jǐn)偟绞?nèi)所有機(jī)組，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。但僅考慮電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，過量調(diào)用外部低價(jià)的備用資源，會(huì)導(dǎo)致提供備用的機(jī)組出力分布不合理，降低電網(wǎng)可靠性裕度。因此對省級電力現(xiàn)貨市場高低匹配出清模型進(jìn)行拓展，根據(jù)買方和賣方報(bào)價(jià)，考慮跨區(qū)域聯(lián)絡(luò)線的可用容量，計(jì)及跨區(qū)域聯(lián)絡(luò)線、區(qū)域電網(wǎng)和賣方電網(wǎng)的輸電費(fèi)及網(wǎng)損，以社會(huì)福利最大化和備用互濟(jì)成本最小為目標(biāo)建立省間電力現(xiàn)貨市場出清模型。
1.1 目標(biāo)函數(shù)
優(yōu)化目標(biāo)為社會(huì)福利最大和備用互濟(jì)成本最小，通過線性加權(quán)實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)到單目標(biāo)的轉(zhuǎn)化，可表示為
式中： t 為時(shí)段下標(biāo)； T 為時(shí)段集合； I 為省間售電節(jié)點(diǎn)集合； J 為購電節(jié)點(diǎn)集合； a 為分省下標(biāo)； S 為分省集合；l為交易路徑；L為交易路徑集合； cj,t 和 ci,t 分別為時(shí)段 t 省間買方 j 和賣方 i 報(bào)價(jià)，元/(MW·h)； qj,t 和 qi,t 分別為時(shí)段 t 省間買方 j 和賣方 i 成交量，MW； xl,t 為交易路徑 l 時(shí)段 t 成交電力，MW； sl 為交易路徑 l 輸電價(jià)格，元/(MW·h)；圖片為分省 a 交易路徑l相連省份機(jī)組集合；圖片和圖片為與分省 a 相連省份機(jī)組 g 通過交易路徑 l 提供的正備用互濟(jì)容量和負(fù)備用互濟(jì)容量，MW； Gw 為風(fēng)電機(jī)組組合； Gs 為光伏機(jī)組組合；圖片為風(fēng)電 g 時(shí)段 t 棄風(fēng)功率，MW；圖片為光伏 g 在時(shí)段 t 棄光功率，MW； ωw 為棄風(fēng)罰因子； ωs 為棄光罰因子。
1.2 約束條件
1.3 交易路徑建模與輸電成本計(jì)算
省間交易考慮輸電路徑網(wǎng)損和輸電費(fèi)用的情況下，交易路徑建模如下。
1）交易路徑與售電節(jié)點(diǎn)電力流轉(zhuǎn)移約束為
式中：B是交易路徑與售電節(jié)點(diǎn)（省份）交易轉(zhuǎn)移因子矩陣； bl,i 是交易路徑 l 向售電節(jié)點(diǎn) i 的功率轉(zhuǎn)移因子； Ml 是與售電節(jié)點(diǎn)相連接的交易路徑 l 集合。
2）交易路徑與購電節(jié)點(diǎn)電力流轉(zhuǎn)移約束為
式中： D 是交易路徑與售電節(jié)點(diǎn)（省份）交易轉(zhuǎn)移因子矩陣； dl,j 是交易路徑 l 向購電節(jié)點(diǎn) j 的功率轉(zhuǎn)移因子； ρz 為輸電通道 z 的網(wǎng)損； Zl 為交易路徑 l 的輸電通道集合； Nl 是與購電節(jié)點(diǎn)相連接的交易路徑 l 集合。
在跨區(qū)域省間市場交易中，在保證社會(huì)福利最大化的前提下，考慮購電雙方交易路徑的輸電費(fèi)和網(wǎng)損，將購電省份申報(bào)電力和電價(jià)折算至售電側(cè)；不同交易路徑的輸電通道成本折算到售電側(cè)的價(jià)格不同，計(jì)算公式如下。
式中： q′j 和 c′j 分別為折算至售電側(cè)的買方成交電力和電價(jià)； cj 為買方申報(bào)電價(jià)； α 為網(wǎng)損折扣系數(shù)；Δν 為輸電折價(jià)系數(shù)； s 為交易路徑輸電成本，元/(MW·h)； Kl 為交易路徑 l 的單位輸電價(jià)格。
模型（1）~（24）為考慮備用互濟(jì)的省間電力現(xiàn)貨市場出清模型，當(dāng)不考慮省間備用互濟(jì)時(shí)有
2 仿真分析
計(jì)算平臺(tái)為Intel Core(TM) i7-1165G7 2.8GHz CPU和16 GB內(nèi)存的個(gè)人計(jì)算機(jī)，采用Matlab建模，Cplex12.8商業(yè)求解器求解。
2.1 仿真參數(shù)
測試算例由互聯(lián)IEEE 39節(jié)點(diǎn)模型和某網(wǎng)調(diào)電網(wǎng)模型組成。IEEE 39節(jié)點(diǎn)模型分為A省和B省，A省為購電省份，存在備用缺額，B省為售電省份，備用容量充裕。節(jié)點(diǎn)31~33為風(fēng)電機(jī)組節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)34~35為光伏機(jī)組節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)16—19為跨省通道，如圖1所示。
圖1 39節(jié)點(diǎn)兩省接線
Fig.1 Regional wiring diagram of 39 nodes in two provinces
某網(wǎng)調(diào)電網(wǎng)包含5個(gè)省份，分別設(shè)置2個(gè)電力資源富足資源省份（記為S1~S2）和3個(gè)電力供應(yīng)緊張省份（記為S3~S5），共7個(gè)交易路徑（S1—S4，S1—S3，S1—S4—S5，S1—S3—S5，S2—S3，S2—S3—S5，S2—S3—S4），拓?fù)鋱D如圖2所示。
圖2 某網(wǎng)調(diào)分省拓?fù)潢P(guān)系
Fig.2 Topological relationship between provinces in a network
構(gòu)造3種場景進(jìn)行對比分析。
1）場景1：不考慮備用互濟(jì)電力現(xiàn)貨市場出清；2）場景2：考慮備用互濟(jì)省間電力現(xiàn)貨市場出清；3）場景3：不考慮省間現(xiàn)貨交易和備用共享。
2.2 IEEE39節(jié)點(diǎn)模型仿真
2.2.1 省內(nèi)預(yù)出清
省內(nèi)預(yù)出清即對應(yīng)場景3，B省單獨(dú)出清棄風(fēng)電力如圖3所示。由圖3可以看出，B省系統(tǒng)負(fù)荷較低且風(fēng)電機(jī)組大發(fā)，在第14時(shí)段前均存在棄風(fēng)，其中風(fēng)電1無棄電，風(fēng)機(jī)2僅在時(shí)段1~2有棄電，風(fēng)電3存在多時(shí)段大量棄電，3臺(tái)風(fēng)電機(jī)組在單時(shí)段最大棄風(fēng)電力總和達(dá)到288.14 MW，全天平均棄風(fēng)電力為68.9 MW。
圖3 B省棄風(fēng)電力（場景3）
Fig.3 Abandoned wind power in Province B (Scenario 3)
松弛A省備用約束進(jìn)行計(jì)算，得到正負(fù)備用提供值和需求值的對比，如圖4所示。時(shí)段13~21均存在正備用不足，最大缺額達(dá)到178.8 MW。在時(shí)段4~9負(fù)備用緊張，負(fù)備用能力和需求的差值最小為16.06 MW。綜上可得，在A和B兩省單獨(dú)出清時(shí)，出現(xiàn)風(fēng)電富余而大量棄風(fēng)和火電省份備用不足的情況，將B省設(shè)置為賣方和備用充足省份，A省設(shè)置為買方和備用不足省份。
圖4 A省備用對比（場景3）
Fig.4 Comparison of reserves in Province A (Scenario 3)
2.2.2 省間備用互濟(jì)
場景1下B省大量風(fēng)電機(jī)組功率通過聯(lián)絡(luò)線轉(zhuǎn)移到A省，一定程度緩解了B省新能源大量棄電問題。B省火電機(jī)組由于報(bào)價(jià)較A省機(jī)組低，且其機(jī)組裝機(jī)容量較大，B省的正備用需求相比A省較低，火電可以進(jìn)行省間交易售電。省間電力交易量在第9時(shí)段前相對較低，因?yàn)閱问〕銮鍟r(shí)系統(tǒng)負(fù)備用不充裕，通過降低省間交易以滿足系統(tǒng)負(fù)備用要求。圖5為考慮省間備用互濟(jì)和聯(lián)絡(luò)線協(xié)調(diào)優(yōu)化的市場出清結(jié)果?？紤]到省間交易的社會(huì)福利最大化目標(biāo)，通過備用互濟(jì)的方式調(diào)用B省備用資源。場景2顯著提升了新能源電力的消納，通過省間備用互濟(jì)緩解由省間交易造成的負(fù)備用不足的現(xiàn)象，整體的經(jīng)濟(jì)性更高。
圖5 省間市場出清結(jié)果（場景2）
Fig.5 Inter-provincial market clearing results (Scenario 2)
圖6為不同場景下的新能源棄電電力對比。由圖6可以看出，場景2下B省的棄風(fēng)現(xiàn)象得到極大改善，僅9個(gè)時(shí)段有棄風(fēng)。單獨(dú)出清的各時(shí)段累加的棄風(fēng)總量為1653.28 MW，而場景1和場景2的棄風(fēng)總量為834.59和666.64 MW，棄電率分別降低49.5%和59.7%。場景2比場景1在時(shí)段3~5棄風(fēng)電力更低，B省為A省提供了負(fù)備用互濟(jì)容量，省間交易電力未因A省負(fù)備用不充裕而縮減。
圖6 不同場景下棄風(fēng)電力對比
Fig.6 Comparison of abandoned wind power under different scenarios
圖7為省間電力市場購電情況對比情況。由圖7可以看出，場景1和場景2在時(shí)段1~2和12~24購電電力相同，時(shí)段3~11場景2的購電明顯高于場景1，因?yàn)橛捎趥溆没?jì)的影響，省間交易容量空間存在一定富余，受系統(tǒng)負(fù)荷和爬坡以及經(jīng)濟(jì)性要求，B省火電出力增大，A省被支援部分負(fù)備用，省內(nèi)出力適當(dāng)增大，相應(yīng)省間交易總量增大。
圖7 不同場景下購電情況對比
Fig.7 Comparison of power purchases under different scenarios
圖8為不同場景下A省正負(fù)備用的對比，場景1與場景2提供正備用比場景3高，因?yàn)槭￠g電力交易壓低了A省的出力，增大了提供的正備用容量，時(shí)段9~18由于負(fù)荷不斷增大，單省出清提供的正備用不斷降低，時(shí)段13~21出現(xiàn)正備用不足。基于緩解正備用不足及經(jīng)濟(jì)性要求，場景2不考慮正備用的省間互濟(jì)。場景1和場景2提供的正備用相等，省間電力交易達(dá)到最大值。時(shí)段4~9，場景1和場景2的提供的負(fù)備用比場景3略低。因?yàn)閱问〕銮鍟r(shí)本身的負(fù)備用資源并不充足，為了滿足省間交易電力最大化的目標(biāo)，場景1盡可能降低省間交易電力，以滿足系統(tǒng)負(fù)備用需求。而場景2中通過B省負(fù)備用資源互濟(jì)，如圖9所示，在時(shí)段3~11通過省間備用互濟(jì)，最大互濟(jì)負(fù)備用功率為100.48 MW，滿足系統(tǒng)負(fù)備用需求的同時(shí)增加了省間交易。
圖8 不同場景下A省正負(fù)備用對比
Fig.8 Comparison of positive and negative reserves in Province A under different scenarios
圖9 省間電力現(xiàn)貨市場的負(fù)備用互濟(jì)
Fig.9 Negative reserve sharing of the inter-provincial electricity spot market
對比表1中不同場景下的社會(huì)福利優(yōu)化結(jié)果可以看出，在考慮省間備用互濟(jì)時(shí)，雖然增加了備用互濟(jì)成本，但是會(huì)增大省間交易電力，促進(jìn)了新能源消納，其總社會(huì)福利增加了26.1%。
表1 不同場景下的社會(huì)福利對比
Table 1 Cost comparison under different scenarios
2.3 網(wǎng)調(diào)電網(wǎng)模型仿真
基于某網(wǎng)調(diào)電網(wǎng)模型和電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，構(gòu)造省間電能量市場申報(bào)電力和申報(bào)價(jià)格。圖10為網(wǎng)調(diào)電網(wǎng)考慮備用互濟(jì)的省間電力現(xiàn)貨電能與備用耦合優(yōu)化出清的備用互濟(jì)情況。由圖10可看出，時(shí)段3~7與時(shí)段17~24備用互濟(jì)較為頻繁。時(shí)段1~4對應(yīng)電力資源富足資源省份S1~S2棄風(fēng)時(shí)段，時(shí)段17~24對應(yīng)電力資源欠缺省份S3~S5正備用不足時(shí)段。時(shí)段9~16，該區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)各省份正負(fù)備用能力較充足，而省間現(xiàn)貨交易需求也較小，無備用互濟(jì)需求產(chǎn)生。可以看到在新能源棄電時(shí)段和資源缺乏省份的負(fù)荷高峰時(shí)段均出現(xiàn)正負(fù)備用容量互濟(jì)。
圖10 某網(wǎng)調(diào)備用互濟(jì)情況
Fig.10 Reserve sharing of a network
考慮備用互濟(jì)的S1、S2省份棄風(fēng)情況如表2所示，不考慮備用互濟(jì)的棄風(fēng)結(jié)果如表3所示?？梢钥吹皆诳紤]備用互濟(jì)情況下，棄風(fēng)問題可以得到進(jìn)一步改善，資源缺乏省份S3、S4、S5通過省間聯(lián)絡(luò)線以備用互濟(jì)方式購買風(fēng)電以減少S1、S2省份新能源棄電量。
表2 考慮備用互濟(jì)的不同省份棄風(fēng)情況
Table 2 Wind curtailment of different provinces considering reserve sharing
表3 不考慮備用互濟(jì)的不同省份棄風(fēng)情況
Table 3 Wind curtailment of different provinces without considering reserve sharing
考慮省間備用互濟(jì)和不考慮備用互濟(jì)下的省間電力市場成交量對比如圖11所示?？梢钥吹娇紤]備用互濟(jì)情況下，省間交易電量增大，其原因在于備用互濟(jì)影響下，各省備用預(yù)留需求降低，以社會(huì)福利最大化為目標(biāo)，省間交易電量的增加整體提高了社會(huì)福利，其與IEEE 39節(jié)點(diǎn)單通道互聯(lián)算例仿真測算的結(jié)論一致。
圖11 省間電力市場成交量對比
Fig.11 Comparison of transaction volumes in inter-provincial electricity markets
3 結(jié)論
本文基于省間電力現(xiàn)貨交易框架，以社會(huì)福利最大和備用互濟(jì)成本最小為優(yōu)化目標(biāo)，考慮輸電省間輸電費(fèi)用和網(wǎng)損、備用互濟(jì)成本，以省間電力平衡、分省電力平衡、電網(wǎng)安全約束、分省備用空間以及機(jī)組運(yùn)行邊界等為約束條件，建立促進(jìn)新能源消納的考慮備用互濟(jì)的省間電力現(xiàn)貨市場出清模型。通過對IEEE 39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)和某網(wǎng)調(diào)電網(wǎng)算例進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)論如下。
（1）考慮備用互濟(jì)的省間現(xiàn)貨出清模型通過區(qū)域內(nèi)各省份間備用空間的互濟(jì)，有效緩解了電網(wǎng)中新能源棄電和區(qū)域內(nèi)電力資源逆向分布問題，實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)電力資源的合理分布。
（2）考慮備用互濟(jì)的省間現(xiàn)貨市場出清，其市場運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性得到明顯的改善，實(shí)現(xiàn)以更經(jīng)濟(jì)手段促進(jìn)電網(wǎng)能源結(jié)構(gòu)往清潔低碳方向的轉(zhuǎn)型，對省間電力現(xiàn)貨市場出清的進(jìn)一步優(yōu)化具有一定的參考價(jià)值。
注：本文內(nèi)容呈現(xiàn)略有調(diào)整，如需要請查看原文。
