深度文章 | 交直流混联区域电网现货市场出清模型研究-北极星售电网

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摘要

不同于省级电网全交流线路的架构,区域电网通常为交直流混联,区域电网现货市场出清模型需考虑由此带来的特殊问题。为此,首先分析了交直流混联电网与纯交流电网在设计电力现货市场时的不同点,并提出对应的交直流联络线功率优化机制、框架协议执行电量处理机制、联络线网损处理机制、联络线输配电价处理机制。在此基础上,结合省级电力现货市场出清模型,重点构建了包括安全约束的机组组合、安全约束的经济调度、节点电价定价模型在内的考虑交直流混联的区域电网现货市场出清模型。通过区域电网联合出清,电力资源实现最优配置,相比单省市场,能够大幅提升社会经济效益。最后,通过算例验证了所提模型的正确性和有效性。

（来源：电网技术作者：彭超逸，顾慧杰，朱文，许丹莉，赵文猛，夏清，赖晓文，董成）

0 引言

随着首批8个电力现货市场全部启动模拟试运行,以中长期交易规避风险,以现货市场发现价格的电力市场体系初步形成[1-2]。根据相关规划,南方区域将按照“两级市场,协同运作”的架构,建设南方区域统一电力市场[3]。当前南方(以广东起步)电力现货市场试点已经发布了相关规则[4],但该规则仅考虑广东省内情况,对现货市场出清方法进行设计,未通盘考虑南方区域的整体情况。

不同于广东省内以500 kV交流线路为主干环网的输电线路[5],南方电网区域当前仅西电东送通道,就包含“八条交流,十条直流”共18条500 kV及以上的大型输电通道,交直流混合运行[6],在设计统一电力现货市场出清算法时,需要将其纳入考虑范围内。

考虑交直流混联的区域电力现货市场出清模型本质上是含多类约束的大规模非线性混合整数规划问题[7]。文献[8-10]以社会福利最大化作为目标函数,并考虑功率与容量、时间、网络等约束,构建完整的市场出清模型。文献[10-12]基于区域电力市场,考虑了普通分时竞价、分段竞价和块交易等方式,构架了买卖双向报价的现货市场竞价模型。文献[13-16]以交直流混联电网为前提,分别构建了基于HVDC发电输电调度模型、基于最优潮流的调度优化方法、考虑可再生能源和负载不确定性安全约束的机组组合的算法。上述文献分别就市场出清模型、区域市场竞价模型、交直流混联系统的调度方式进行了研究,但仍缺乏考虑交直流混联电网运行特性的现货市场出清模型相关研究。

为此,本文在传统经济调度模型基础上[14-15],结合交直流混联区域电网的运行特点,研究探讨区域现货市场出清建模的特殊性。具体而言,从交直流联络线功率优化、框架协议物理执行电量处理、联络线网损处理、联络线输配电价处理等方面,对传统现货市场出清模型进行完善和补充,并进一步分析区域电力现货市场相比单省区现货市场的差异和优势。

1 交直流混联的区域电网现货出清处理机制

1.1 交直流混联区域电网在现货市场中面临问题

不同于仅需考虑省内交流线路的现货市场,交直流混联的区域电网在设计现货市场时会面临以下几个问题：

1）交流线路与直流线路功率处理方式不同,对于交流联络线而言,交流潮流受到线路参数、机组出力、负荷分布等多个因素影响,而直流联络线功率可自由控制,需采取不同的方式进行处理。

2）区域内不同省份资源特性不同,输电联络线所连接的省份之间通常会有框架协议,框架协议通常需要按照物理执行进行考虑,形成现货市场模型的约束条件。

3）交流联络线与直流联络线的网损处理也不同。通常情况下,交流联络线网损与传输功率成正比,而直流联络线网损与传输功率的平方成正比,且直流在不同的运行状态下,网损系数不同,在构建现货市场模型需分开进行处理。

4）根据《输配电定价成本监审办法》中相关规定,不同联络线通道所核定输配电价格也不同。

1.2 交直流联络线功率优化机制

在交直流混联的区域电力市场中,交流联络线与直流联络线的功率优化需分开进行。

对于交流联络线,按照线路潮流进行建模,即综合考虑所有节点的发电机组的出力情况、直流联络线的传输功率、和不同节点母线负荷对交流线路的影响。

对于直流联络线,其功率可以自由控制,故可单独构建变量进行优化,其送、受端分别作为节点负荷、节点注入。

1.3 框架协议物理执行电量处理机制

当区域内省区间的框架协议需要物理执行时,通常形成关口电量下限约束、联络线功率曲线约束、交流通道约束3个约束来对物理执行电量进行处理：

1）关口电量下限约束主要考虑关口相关联络线在优化时段内的传输电量不低于关口电量下限。

2）联络线功率传输极限约束考虑联络线传输功率的上下限约束。

3）交流通道约束考虑交流联络线组的传输功率的上下限约束。

1.4 联络线网损处理机制

交直流混联的区域电力市场中,交流联络线与直流联络线的网损处理分开进行。交流联络线网损按照交流联络线网损与传输功率成正比的原则进行处理。直流联络线则先期区分联络线的运行方式确定网损系数之后,按照网损与传输功率的二次方成正比的原则进行处理。

1.5 联络线输配电价处理机制

对于联络线的输配电价不同的问题,在构建现货市场出清模型时,先期根据输电费率和联络线的输电功率确定输电费公式,之后并入出清模型的优化目标之中。

2 考虑交直流混联的区域电网现货出清模型建立

2.1 市场机制

本文所构建的考虑交直流混联的市场竞价机制,参考南方(以广东起步)电力现货市场[4],采用“单向报价、双向报量、集中竞价、统一出清,边际定价”的组织方式。

2.2 区域现货出清标准化建模

市场出清的标准化模型共分为安全约束机组组合(security constrained unit commitment,SCUC)模型、安全约束经济调度(security constrained economic dispatch,SCED)模型和节点电价(locational marginal price,LMP)计算模型3部分。值得注意的是,本文主要研究区域联合电能量现货市场出清模型,暂未考虑调频、备用等辅助服务市场与电能量市场联合出清,因此模型中未考虑调频、备用等辅助服务成本。

2.2.1 安全约束机组组合模型

2.2.1.1 目标函数

现货市场出清SCUC的目标函数为购电成本最小化：