在现货市场中如何利用市场交易时间尺度与风电波动特点相关性进行风电消纳？-北极星售电网

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01研究背景

近年来,中国经济的飞速发展带动了能源需求的急剧增加。在国家强有力的政策推动下,清洁能源发展速度十分迅猛,其装机容量和并网容量均居世界前列,但以化石能源为主的能源消费结构却导致经济、能源与环境间的矛盾十分突出,这使得加快清洁能源开发进程成果社会关注的新焦点。以风能发电为例,风力发电极易受天气、地势的影响,具有波动性和不确定性,导致风电消纳困难,风电质量较低。由于我国目前风电参与市场消纳以发电全额保障性收购方式为主,导致我国目前新能源参与市场积极性较低,其本身的发电特性也导致弃风现象较为严重。根据国家能源局发布的全国电力行业统计数据显示,2018年上半年全国新增风电发电装机容量630万kW,较同期增长108万kW;累计弃风电量222亿kW·h,同比减少74亿kW·h[1]。我国风电装机容量不断增加,虽然风电弃风率有所降低,但其弃风电量仍居高不下。同时,2015年3月,中共中央、国务院印发《关于进一步深化电力体制改革的若干意见(中发〔2015〕9号)》文件,启动新一轮电力体制改革,其中明确提出“要确保可再生能源发电依照规划保障性收购”[2]。为贯彻落实党中央、国务院关于电力体制改革的有关精神,发改委制定了电力体制改革配套文件,明确要加快建立和完善面向清洁可再生能源的优先发电、优先购电制度。在我国对现货市场建设的大力支持下,其短期内的快速交易以及市场级间的相互承接,可削弱风电不确定性对消纳的影响;尤其在实时平衡市场中,15 min短时间间隔内,风电预测准确性提高的同时,风电也能得到实时消纳。

在现货市场环境下,考虑现有研究工作主要针对单一市场下风电消纳策略的研究,而忽略多级市场联动性对风电消纳的积极作用。基于开市前、日前市场和实时平衡市场的多级市场联动性的特点,针对市场交易时间尺度与风电波动强弱的相关性,本文提出一种具有多层次多阶段特点的风电协同消纳交易出清模型。首先,在现货市场开市前,根据交易中心发布次日负荷预测曲线以及风功率预测曲线,以最大风电消纳量为优化目标,执行风电顺负荷即无波动性的基层段出清进行日负荷功率曲线修正,提前消纳质优风电[5-7];其次,进入日前市场后,根据已修正的日负荷功率曲线,以风火效益最大化为目标,建立双方合作博弈模型,将博弈问题转化为优化问题求解,执行日前市场交易出清,最大程度上激励风电参与市场,提高消纳率;最后,进入实时平衡市场,根据日负荷预测功率的偏差电量以及风功率预测精度的提升,以购电费最小为目标,基于发电侧单向挂牌交易机制执行市场出清,降低发电成本,促进了风电的实时消纳。

在新能源与市场机制的影响下,本文从多级市场的角度,提出了一种促进风电协同消纳策略,提高了短期内风电的消纳率,降低购电成本,增大社会福利。

（来源：微信公众号“电网技术”ID;dwjs1957 作者:编辑部）

02研究内容

1）多级协同交易流程

本文建立的基于多级市场驱动的风电协同消纳模型分为三个层次进行风电消纳出清。开市前，提前被动消纳风电无波动段，建立基于等电量顺负荷市场出清模型；日前市场中，激励风电主动参与市场消纳，建立基于风火合作博弈市场出清模型；在实时平衡市场中，风电波动性减弱优化其实时消纳，建立基于单侧挂牌交易市场出清模型；三层模型之间通过日负荷功率曲线以及风电消纳量的变化量进行数据的传递与交易出清结果的控制。

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图1多级协同交易流程图

2）基于多级市场驱动的风电协同交易出清模型

本文设计的多层次多阶段风电协同交易出清模型：开市前出清模型M1基于等电量顺负荷以风电最大消纳量为优化目标，日前市场出清模型M2基于合作博弈以风火电机组最大效益为目标，实时平衡市场模型M3基于挂牌交易以最小购电成本为目标。三层模型之间通过日负荷功率曲线以及风电消纳量进行数据的交换与控制。模型具体结构如图3所示。

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图2 三层模型数据交流图

03研究结果

算例通过对比分析是否进行多级市场协同交易的市场出清结果、分层风电消纳比例结果，验证了本文所设计基于多级市场驱动的风电协同消纳的策略与模型的合理性、有效性。分层模型中的线性规划模型采用MATLAB求解，混合整数规划模型采用CPLEX软件包求解。

表1、2分别列出了社会效益对比和风电参与消纳率对比。

表1 社会效益对比表

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表2 风电参与消纳方式对比表

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如表1所示，风电参与多级市场协同交易后，发电商单位成本降低0.008千元/(MW·h)，用户购电单位费用降低0.004千元/(MW·h)，而发电厂的单位利润空间提高至0.254千元/(MW·h)。

由表2可知，当风电与火电进行合作时，一方面，由于日负荷的修正，总交易电量降低，生产成本降低；另一方面，风电交易电量的提高进一步降低生产成本及购电成本。总体来说，风电多级参与市场交易对于发电厂和用户来说，都产生了良好的影响，即增加了社会效益。

表2所示，在开市前的第一层风电提前消纳中，风电消纳占比35%，可有效简化市场流程，保障风电基础消纳；在日前市场的第二层消纳中，风火双方协商交易，可有效消纳低谷时期的风电，风电消纳占比62.55%；在实时平衡市场的第三层消纳中，可有效处理偏差电量，使得波动性最强的风能在短期内快速消纳，风电消纳占比2.35%；整体来看，风电消纳率达到99.90%。

04结论

针对风电波动段及负荷低谷段消纳困难的问题，采用风电多级市场消纳的方式，通过三层模型风电消纳量和日负荷功率的变量相关性，将决策转化为优化问题采用混合整数线性规划方法给出风火交易电量和风火交易电价。在我国南方某电网真实数据基础上，其仿真结果表明，本模型对于风电而言，可有效促进风电消纳，增强风电等新能源实体成员的市场参与度；对于市场而言，在一定程度上降低市场操作复杂度，加强市场流程化，增大社会福利。本文所构建的市场策略、出清模型具有创新型交易方式、活跃市场竞争、增强交易便利、并为风电等新能源提供一种主动参与现货市场的交易策略，具有一定的实际价值，为未来现货市场的建设提供借鉴意义。

05后续研究方向

1）本文所研究的风电消纳环境仅考虑短时间尺度交易，适用于现货市场环境下的单级或多级市场交易。风电的市场交易不仅体现在短期时间尺度上，在中长期市场中仍具有一定的可交易性。如何将中长期市场合约量划分至现货市场交易量，如何在现货市场中处理中长期市场交易存在的风电偏差电量，即中长期市场和现货市场衔接交易量的处理问题是本文基础上继续展开的研究方向。

2）本文所研究的背景是现货市场中的电能量市场，即日前市场和实施平衡市场，未考虑辅助服务市场。针对风电处理的波动性和随机性，其波动率极大的负荷可划分至辅助服务市场进行备用消纳，即实现电能量市场和辅助服务市场的联合运行优化是未来继续开展的研究方向。

原标题：在现货市场中，如何利用市场交易时间尺度与风电波动特点相关性进行风电消纳？

投稿与新闻线索：陈女士微信/手机：13693626116 邮箱：chenchen#bjxmail.com（请将#改成@）

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