分布式抽水蓄能电站与新能源...货市场的两阶段优化运行策略_刘军.pdf

Zhejiang Electric Power第 42 卷 第 2 期2023 年2 月Vol.42，No.02Feb.25.2023分布式抽水蓄能电站与新能源发电联合参与现货市场的两阶段优化运行策略刘军1，李凌阳2，吴梦凯3，陈翰1，陈鸿鑫2（1.国网浙江省电力有限公司经济技术研究院，杭州 310007；2.浙江大学 电气工程学院，杭州 310007；3.国网浙江省电力有限公司丽水供电公司，浙江 丽水 323300）摘要：随着我国电力现货市场建设的不断推进，新能源参与现货市场已成为大势所趋，但新能源出力的不确定性导致其市场竞争力较弱。分布式抽水蓄能电站作为目前较为成熟的储能技术，易与新能源联合运行，平抑其出力波动。为此，研究在现货市场双结算机制下分布式抽水蓄能电站与新能源发电组建联营体参与日前-实时市场的两阶段随机优化模型，引入CVaR（条件风险价值）来量化新能源出力和市场电价的不确定性对联营体收益的影响，实现联营体在日前市场阶段的投标优化和实时平衡市场阶段的滚动自调度优化。通过算例分析，验证了所提方法可提高联营体在现货市场的收益，并讨论了风险偏好系数、抽水蓄能电站库容对于联营体收益的影响。关键词：分布式抽水蓄能电站；新能源发电；联营体；随机优化；现货市场；条件风险价值DOI:10.19585/j.zjdl.202302007 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：A two-stage optimal operation strategy of distributed pumped storage power plant and new energy power generation jointly participating in spot marketLIU Jun1，LI Lingyang2，WU Mengkai3，CHEN Han1，CHEN Hongxin2（1.State Grid Zhejiang Economic Research Institute，Hangzhou 310007，China；2.College of Electrical Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310007，China；3.State Grid Lishui Power Supply Company，Lishui，Zhejiang 323300，China）Abstract:With the advancement of China s electricity spot market construction，it has become a prevailing trend for new energy to participate in the spot market.However，the output uncertainty of new energy debilitates its market competitiveness.As a mature energy storage technology，distributed pumped-storage power plants can cooperate with new energy generation and stabilize its output fluctuations.To this end，a two-stage stochastic optimization model for the participation of a consortium of distributed pumped storage plants and new energy generation in the day-ahead and real-time markets under a dual settlement mechanism in the spot market is investigated.Conditional value-at-risk（CVaR）is introduced to quantify the impact of uncertainty in new energy output and market electricity prices on the joint venture s revenue，and to optimize the consortium s bidding in the day-ahead market stage and rolling self-dispatch in the real-time balancing market stage.The example analysis shows that the proposed method can increase the revenue of the joint venture in the spot market.Finally，the impact of the risk preference factor and the storage capacity of the pumped storage plant on the joint venture s revenue is discussed.Keywords:distributed pumped storage power plant；new energy generation；joint venture；stochastic optimization；spot market；CVaR0引言随着“双碳”目标下的新型电力系统建设不断推进，以风光为代表的新能源发电在电力系统中的渗透率快速提升。同时随着我国电力市场的持续发展，新能源发电从保障性全额上网变为与常规电源一样参与市场竞争是大势所趋1。2017年8月，国家发展改革委选择了8个省级地区作为第一批电力现货市场改革的试点地区2。通过对试点基金项目：国网浙江省电力有限公司科技项目（B311JY21000F）第 2 期刘军，等：分布式抽水蓄能电站与新能源发电联合参与现货市场的两阶段优化运行策略地区的新能源参与现货市场方式现状的调研发现，目前大部分试点地区为落实“可再生能源保障性收购”的政策要求，将新能源作为现货市场的边界条件3。现阶段新能源参与现货市场的主要问题在于：相比于常规发电等其他市场主体，新能源由于出力的不确定性及波动性，其在实时运行时容易出现偏差而导致较大的实时平衡成本，会影响新能源在现货市场中的竞争力，不利于新能源的市场化消纳4。而抽水蓄能电站作为目前公认的技术最为成熟、应用最为广泛且经济性较好的储能电源5，其与新能源协同运行乃至联合参与电力市场是未来重要的发展方向。2021年8月，国家能源局提出了“支持风光蓄多能互补基地等新业态发展”6；同月，国家发展改革委发布了 关于鼓励可再生能源发电企业自建或购买调峰能力增加并网规模的通知，鼓励可再生能源发电企业与新增抽水蓄能电站等调节资源签订新增消纳能力的协议或合同7，为抽水蓄能电站与新能源发电联合运行提供了政策支持。调研发现，相较于大型抽水蓄能电站8，以“削峰填谷”为主要功能的分布式抽水蓄能电站具有站点资源丰富、布局灵活等优点，也面临着因容量有限而在两部制电价机制下容量效益受限、运行成本无法回收等问题9-10，其有条件也有必要与新能源、常规水电等组成联营体。因此，有必要研究在电力市场放开后，中小容量的分布式抽水蓄能电站与新能源发电联合参与电力市场的运营机制，以市场化途径实现分布式抽水蓄能电站和新能源发电双方运营效益的提升。现阶段，国内外学者对于抽水蓄能电站与新能源发电联合运行乃至联合参与市场的机制开展了广泛研究。文献 11 提出了一种在峰谷电价机制下，以风电与抽水蓄能联合运行效益最大化为目标的优化方法，验证了二者联合运行可有效降低风电出力波动对电网运行的影响并降低出力偏离惩罚。文献 12 研究了不同场景下抽水蓄能电站和风电机组联合参与日前电量市场的可行性。文献 13-14 分析了市场机制下抽水蓄能电站与各类新能源联合运行参与市场的可行性，证明抽水蓄能电站的调节能力可有效平抑新能源的出力波动并提高联营体收益。文献 15 在联营体运行优化的基础上，进一步研究了联营体内部收益分配机制。然而，上述文献多为联营体在单结算机制下的日前市场投标优化，而较少关注现货市场双结算机制下的日前-实时两阶段优化，也并未关注抽水蓄能电站的容量规模对于联营体收益的影响。综上，本文提出一种现货市场双结算模式下，中小容量的分布式抽水蓄能电站与新能源发电组建联营体参与日前-实时市场的两阶段优化模型。模型中采用了CVaR（条件风险价值）来量化新能源出力和市场电价的不确定性对于联营体收益的影响。最后，通过算例验证所提出方法的有效性及合理性。1抽水蓄能与新能源发电联合参与现货市场1.1国内电力现货市场双结算机制目前，国内各试点地区的电力现货市场通常由一个日前市场和多个实时市场构成，部分地区会引入日内市场16。以广东电力现货市场规则为例：日前市场阶段，发电机组在运行日前一日（D-1日）13：00前进行日前电能量市场交易申报，D-1日17：30前，出清得到日前电能量市场交易结果，形成每15 min的节点电价；实时市场阶段，运行日（D日）内以15 min为周期，实时市场进行滚动出清，形成实时节点电价等信息17。双结算机制下，在日前市场出清后，市场运营机构向各个发电主体发布各时段中标电量及日前的节点边际电价，日前市场阶段的中标电量按日前节点边际电价进行结算，实时市场阶段的物理交割与日前中标的偏差平衡电量按实时节点边际电价进行结算。同时，偏差考核是保障电力市场健康发展、避免市场主体过度投机的重要手段18，有利于我国由中长期电量市场向现货市场平稳过渡，将长期存在于我国现货市场当中。本文对于超出偏差考核裕度的电量，采用一定偏差考核系数的节点日前边际电价进行惩罚结算19。在此机制下，不考虑中长期合约时，发电市场主体在双结算机制下参与现货市场的总收益F包括日前市场的收益FDA与实时市场的收益FRT，即：51第 42 卷F=FDA+FRT=t=1TDAtQDAt+t=1TRTtQBt-kt=1TDAtQDt（1）式中：DAt和QDAt分别为发电市场主体在日前市场t时段的节点边际电价与中标电量；RTt为发电市场主体在实时市场t时段的节点边际电价；QBt和QDt分别为发电市场主体在实时市场t时段中实际交割时的偏差平衡电量和偏差考核电量；k为偏差考核系数；T为实时市场的总时段数。1.2抽水蓄能与新能源发电组建联营体本文提出一种国内现货市场双结算机制下，新能源发电与分布式抽水蓄能电站组建联营体参与日前-实时市场的两阶段优化策略，如图1所示。在联合运行模式下，抽水蓄能电站和新能源发电可以更灵活地安排市场行为：当新能源发电量过多或当前电价较低时，新能源可以将部分或全部的电量输送给抽水蓄能电站进行存储；当负荷需求较高或电价较高时，抽水蓄能电站工作在发电状态以获得较高收益。联合运营模式使抽水蓄能电站可以充分发挥调节能力，平抑新能源出力的不确定性与波动性20，新能源可以通过该途径规避偏差考核，减少平衡成本，降低弃电量。在日前市场阶段中，联营体基于市场电价预测及新能源出力预测的多个不确定性场景构建随机优化模型，模型的优化目标为联营体在日前市场的期望收益与CVaR之和的最大化，优化结果为联营体在日前市场的电量申报曲线。在实时市场阶段，日前市场的中标曲线与日前节点边际电价为已知量。对于第t个时段的实时市场，为避免短时域内的最优而影响后续的出力安排，模型的优化目标为联营体在第t T时段的实时市场总收益最大化。在构建联营体参与日前-实时市场两阶段优化模型之前，为简化问题分析且不失一般性，做如下假设及规定：1）新能源发电与分布式抽水蓄能电站连接在同一电力节点上，具有共同的节点边际电价。2）为了保证中标、防止弃风，联营体在日前