电力市场中的灵活调节服务:基本概念、均衡模型与研究方向

近年来,风电、光伏等可再生能源的渗透率不断提高,其发电出力的不确定性给电力系统的运行带来显著压力。大量随机波动与反调峰出力的可再生能源使得系统灵活调节资源短缺的情况愈发严重,并引发了大规模的弃风、弃光现象。基于此,灵活调节服务的交易品种与相应的市场化运作机制应运而生,如何定义灵活调节服务,以及组织灵活调节服务的交易机制,成为了学术界与业界的关注热点。为此,该文首先介绍了灵活调节服务的基本概念,对比分析了灵活调节服务与传统辅助服务的区别。其次,细致剖析了灵活调节服务的组成要素,并对灵活调节服务的发展与应用情况进行了整理。再次,给出了考虑灵活调节服务的市场均衡模型。最后,对灵活调节服务的相关研究现状与进展进行了综述,并对灵活调节服务的未来研究方向进行了展望。     

电力市场环境下灵活爬坡产品实施路径研究

可再生能源发电的间歇性和波动性给电力系统的安全运行带来了巨大压力,使得电力系统灵活性缺乏的问题更加突出。目前,我国灵活性调节主要依靠传统发电资源,但调节成本高,灵活性有限;由于缺乏合理的市场机制,其他类型的灵活性资源参与的积极性不高。对此,结合国外灵活爬坡产品参与电力市场的经验,首先阐述灵活爬坡产品的概念并与现有的辅助服务进行对比和区分;其次,对现有灵活性资源类型的应用前景进行总结;最后,结合我国电力市场发展阶段,提出了一种适应电力市场发展阶段的灵活爬坡产品实施路径。随着中国现货市场和辅助服务市场的发展,灵活爬坡产品的逐步引入可弥补灵活性资源市场交易机制的缺乏,促进可再生能源消纳。     

电力系统运行灵活性与灵活调节产品

间歇性可再生能源发电大量接入电力系统对系统运行灵活性提出了很高的要求。为解决实时调度中系统爬坡和滑坡能力不足问题，美国的一些独立系统运行机构（independent system operator， ISO）提出了一种新的电力市场产品--灵活调节产品（flexible ramping product， FRP），即通过预留额外的灵活性容量来满足系统可能的爬坡和滑坡需求，从而提高系统运行灵活性以便应对多种运行情况。首先，介绍电力系统运行灵活性的基本概念和相关问题，指出在任意时间尺度和多种复杂运行情况下能够保证供需平衡是系统具备高灵活性的重要特征之一，并分析了高比例可再生能源发电接入对系统运行灵活性的影响；接着，介绍灵活调节产品的基本概念、产品特点、定价机制和出清模型，并将其与现有的一些辅助服务进行比较；之后，通过2个算例直观展示灵活调节产品在提高电力系统运行灵活性方面的作用；最后，概述灵活调节产品的研究现状，并对未来灵活调节产品的研究进行展望。     

考虑需求不确定性的高比例新能源电力系统灵活性优化

灵活爬坡服务FRP(flexible ramping product)参与市场是高比例新能源电力系统应对灵活调节能力不足的关键。基于非参数核密度估计理论提出了FR需求量不确定性区间动态生成方法，并针对发电侧资源在FR需求量最恶劣场景下灵活调节能力不足的问题构建了一种火电机组、储能参与的两阶段优化模型。日前阶段以购电成本最小为目标，通过求解模型得出系统在各时段所拥有的灵活调节能力。实时阶段以考虑FRP服务后的系统总运营成本最小为目标，解决系统在最恶劣FR需求场景下灵活调节能力不足的问题，并求出经济性最优的优化方案。结果表明，所提模型有利于提高风电的消纳能力，并降低系统的运行成本。     

考虑虚拟电厂灵活调节特性的现货市场出清模型及灵活性溢价评估方法

虚拟电厂(virtual power plants,VPP)作为新兴市场主体，逐步在多市场交易品种中获得准入地位，通过聚合灵活分布式资源响应系统调度指令、执行交易结果，为新型电力系统拓展了可调节资源。现阶段，虚拟电厂处于以参与辅助服务市场为主、参与能量市场为辅的业务形态。随着高比例新能源的渗透，虚拟电厂向现货市场过渡将成为重要业务拓展方向。研究了适应虚拟电厂参与的现货市场出清模型，允许虚拟电厂通过引入灵活申报方式反应自身的灵活调节特性，用以提高电力市场交易供需双方匹配率；同时基于不同交易模型出清结果的对比分析，建立了虚拟电厂灵活性的溢价评估方法，实现了虚拟电厂定价体系由能量定价向“能量+灵活性”定价模式转变，从而提高了灵活资源虚拟电厂在电力市场中的竞争力和价值认证。     

基于双层优化的灵活调节服务交易

介绍了美国加州电网近期的灵活调节服务机制的基本概念,基于双层优化理论建立了灵活调节服务市场均衡模型,通过粒子群算法对模型进行求解。结合算例进行电力市场各发电主体收益分析,结果表明,引入灵活调解服务交易后,能够缓解电网短时间功率不平衡问题,同时在现行分时电价的背景下,提高了电力市场中各发电主体的收益。     

考虑灵活调节需求的容量市场出清模型与定价方法

新能源占比的提升使得电力系统对灵活调节资源的需求显著增加,而传统容量市场仅以保障负荷峰值时段的系统充裕度为目标,仍可能存在因灵活调节能力不足而导致电力供应短缺的情况。为此,提出考虑灵活调节需求的容量市场鲁棒优化出清模型与定价方法,给出不同类型资源的结算规则,并验证所提出的容量市场机制能够满足社会效率、收支平衡、个体理性、激励相容等性质。最后,采用IEEE 118节点系统进行算例验证。结果表明,所提出的容量市场机制能够同时保障负荷峰值时段系统充裕度与灵活调节能力的充裕度,合理刻画灵活调节资源的容量价值,有效区分不同类型资源的有效容量贡献与引起灵活调节需求的责任,有助于引导新能源机组平抑出力不确定性波动,激励灵活性资源提供容量满足系统灵活调节需求。     

面向灵活爬坡服务的高比例新能源电力系统可调节资源优化调度模型

随着高比例新能源接入电网,新能源出力和负荷的波动性及不确定性对系统的灵活爬坡能力提出更高的要求。提出了一种面向灵活爬坡服务的针对高比例新能源电力系统中常规发电机组、储能、柔性负荷等可调节资源的优化调度模型。首先,提出一种考虑日前预测净负荷不确定性的灵活爬坡需求估计方法,根据爬坡起始和结束时刻净负荷及其安全裕度,量化估计电力系统灵活爬坡需求。其次,基于生成的净负荷不确定性场景,提出了考虑系统灵活爬坡需求的基于两阶段混合整数线性规划的可调节资源优化调度模型,从日前-实时两个阶段实现可调节资源的优化调度。最后,基于IEEE-RTS-24节点系统,在4种典型方案场景下对比验证所提优化调度模型。结果表明所提模型能有效提升系统灵活性,降低系统运行成本。     

面向新型电力系统的灵活资源聚合技术应用场景分析及建设启示

"双碳"战略背景下,电力系统面临着清洁化、高可靠、低成本的重大三角矛盾.针对多重不确定性复杂耦合的电力系统,安全可靠的灵活调节能力和绿色电力的弹性消纳裕度成为重要攻克方向.面向新型电力系统的聚合技术架构,使海量、灵活、分散且难观、难测、难控的灵活性"沉睡"资源得以唤醒调动,因其低成本、高弹性成为了新型电力系统的重要可调...     

考虑辅助服务成本的电力系统经济调度模型

随着电力系统的改革进一步深化,辅助服务市场开放用户侧是必然趋势,因此未来电力系统的优化调度必须考虑辅助服务成本.分析了国内外电力系统辅助服务市场,介绍了3种考虑辅助服务成本的优化经济调度模型.     

含高渗透可再生能源的配电网灵活性供需协同规划

高渗透率可再生能源并网加剧了配电网运行的波动性和不确定性。为提高配电网灵活性和抗干扰能力,提出了含高渗透率可再生能源的配电网灵活性供需协同规划方法。根据系统运行灵活性供需关系,定义灵活性评价指标。进而提出配电网灵活性供需协同规划策略,建立考虑季节特性的配电网灵活性资源双层优化配置模型。上层以投资成本和灵活性不足率最小为目标,制定灵活性资源配置方案。下层考虑需求侧对季节性电价激励的响应程度进行有功-无功联合优化,实现对配电网日内多场景时序运行的最优调度。为求解该双层混合整数非线性规划模型,采用二阶锥松弛对潮流方程进行凸优化,进而利用KKT条件将双层模型转化为单层混合整数二阶锥规划模型进行求解。算例仿真结果表明,该方法有效提升了配电网运行灵活性和稳定性,为分布式可再生能源规模化并网等相关工程提供决策参考。     

德国新能源发电发展和运行研究

近年来,德国新能源发展迅猛,新能源发电量占比逐年提高。分析德国各类电源装机、发电量和发电小时数变化,揭示德国近十年来的能源转型历程。分析德国及其与周边国家联络线电量和电价的变化情况,研究新能源发展给德国电价带来的影响。通过典型周电力系统运行数据,分析德国电力系统应对新能源功率波动性的措施。德国新能源发展和运行实践表明,新能源优化运行和最大化消纳主要取决于灵活的电力现货市场机制、强有力的电源调节能力和坚强的跨国输电网络,同时,新能源的发展将对全社会电力生产成本和电价产生重大影响。     

激励火电提供灵活性的容量补偿机制设计

近年来,在中国电力系统低碳化转型以及电力市场化改革快速推进的同时也暴露了一些问题,其中较为典型的就是以煤电为代表的火电企业普遍大面积亏损,甚至濒临破产清算的困境,这一现象主要归因于大规模新能源零边际成本占据火力发电份额,以及火电提供灵活性以保障新能源消纳产生的外部成本没有得到充分回报,部分火电企业甚至还贷难以为继,亟须建立合理的容量机制保障火电这部分外部成本的回收。因此,文中首先对比了国内外主流的容量补偿机制及其对中国的适应性。然后建立了考虑火电企业退出市场的双层决策模型,分析了不同可再生能源渗透率下,容量补偿价格对火电企业决策以及市场运行的影响,包括出清电价、辅助服务成本等。最后,通过IEEE 30节点系统和中国某省级实际电网,验证了所提模型的有效性。算例结果表明,制定合理的容量补偿机制能够有效保证火电企业收益,并激励其提供灵活性,从而提升电网整体经济性和运行效率。     

丹麦新能源参与电力市场机制及对中国的启示

中国新能源消纳矛盾突出。随着中国电力市场的建设,如何借助市场手段促进新能源消纳备受关注。其中,新能源如何参与电力市场、电力市场如何平衡新能源波动是关键问题。国外多数新能源富集国家都有成熟的电力市场,在电力市场消纳新能源方面积累了诸多经验。深入分析国外新能源参与电力市场经验将对中国新能源消纳及电力市场建设提供参考。选取丹麦作为欧洲经验的代表,研究丹麦新能源参与电力市场的机制以及对中国的启示。首先分析了丹麦电力系统及新能源发展情况,其次介绍了丹麦电力市场框架和相应规则,在此基础上研究了丹麦新能源参与电力市场的机制,最后结合中国新能源政策和电力市场建设,提出了对中国的启示。     

可再生能源参与电力现货市场关键问题的研究

随着我国可再生能源持续快速发展和电力市场进一步深化改革,可再生能源参与电力现货市场是必然趋势,也是可再生能源消纳的柔性灵活方式.文中梳理了我国可再生能源的发展现状,从市场机制问题和电网运行安全问题两方面探讨分析可再生能源参与电力现货市场的关键问题,提出在市场机制方面,可再生能源参与电力现货市场的必要性可以通过公平性测试...     

基于典型场景集的虚拟电厂与配电网协同定价策略

虚拟电厂（virtual power plant,VPP）技术能够有效地提升配电网运行灵活性和可再生能源消纳水平,为描述电力市场环境下配电系统中多种资源的不确定性,采用拉丁超立方抽样和多尺度NJW谱聚类算法获取了包含电价、负荷、可再生能源出力等多种随机因素的典型场景集;根据典型场景集,考虑配电网与虚拟电厂的网络结构、潮流安全、机组出力等约束条件,建立了基于虚拟电厂与配电网各自利益最大化的优化模型,并提出一种基于虚拟电厂与配电网交替优化的协同定价策略。算例仿真结果表明,所提方法充分地考虑了多种随机因素,能够合理地制定虚拟电厂与配电网的交易电价,维持系统功率平衡。     

计及日前-实时交易和共享储能的VPP运行优化及双层效益分配

随着“双碳目标”的提出和可再生能源渗透率的增加,确保电力系统灵活运行变得愈加重要。针对源、荷、储等多类分布式灵活性资源,构建了电力市场环境下计及风光不确定性和共享储能的虚拟电厂(virtual power plant,VPP)运行优化和双层效益分配模型。首先,构建了含分布式风光机组、共享储能、柔性负荷的VPP系统结构,并建立了两级电力市场交易机制。其次,利用场景生成与削减的方法处理了风光出力不确定性,在此基础上以VPP运行收益最大化为目标,构建了考虑日前-实时交易的VPP运行优化模型。再次,为保障参与主体收入公平性和合理性,基于双层合作博弈Owen值法,分别建立了VPP参与主体收益分配策略和共享储能投资主体收益分配策略。最后,通过算例分析验证了所提模型的有效性。算例结果表明含共享储能的VPP能够有效降低风光不确定性造成的干扰,提高VPP在日前-实时两级市场中的收益;通过Owen值法对各投资主体进行效益分配,有助于保障系统的公平合理性。     

计及日前-实时交易和共享储能的VPP运行优化及双层效益分配

随着“双碳目标”的提出和可再生能源渗透率的增加,确保电力系统灵活运行变得愈加重要。针对源、荷、储等多类分布式灵活性资源,构建了电力市场环境下计及风光不确定性和共享储能的虚拟电厂(virtual power plant,VPP)运行优化和双层效益分配模型。首先,构建了含分布式风光机组、共享储能、柔性负荷的VPP系统结构,并建立了两级电力市场交易机制。其次,利用场景生成与削减的方法处理了风光出力不确定性,在此基础上以VPP运行收益最大化为目标,构建了考虑日前-实时交易的VPP运行优化模型。再次,为保障参与主体收入公平性和合理性,基于双层合作博弈Owen值法,分别建立了VPP参与主体收益分配策略和共享储能投资主体收益分配策略。最后,通过算例分析验证了所提模型的有效性。算例结果表明含共享储能的VPP能够有效降低风光不确定性造成的干扰,提高VPP在日前-实时两级市场中的收益;通过Owen值法对各投资主体进行效益分配,有助于保障系统的公平合理性。     

计及灵活性供需的多场景分布式电源双层规划

高渗透率可再生能源并网对电力系统提出了更高的灵活性要求;在可再生能源系统规划阶段计及多种灵活性资源协同优化可有效提升系统灵活性,为此,基于灵活性调节能力分析,提出计及灵活性的配电网分布式电源双层规划模型,将经济目标和灵活性目标作为优化目标,构建了多场景协调优化规划模型;考虑到风光场景集过大所带来求解效率较低的问题,在仿射传播(affinity propagation,AP)聚类算法的基础上提出一种基于AP-Kmedoids的双层场景缩减技术,并对缩减后的场景进行校验。最后通过算例采用整数自适应粒子群算法(adaptiveparticleswarm optimization,APSO)-混沌粒子群算法(chaos particle swarm optimization,CPSO)混合求解策略对双层规划模型进行仿真,结果验证了所提规划方法在提升经济性和灵活调节能力方面的有效性。