【精选100秒】华北电力大学 刘文霞王丽娜张帅等:基于合作博弈论的日前自备电厂与风电发电权交易模型

原标题:【精选100秒】华北电力大学 刘文霞,王丽娜,张帅,等:基于合作博弈论的日前自备电厂与风电发电权交易模型

基于合作博弈论的日前自备电厂与风电发电权交易模型/刘文霞,王丽娜,张帅,李承泽,王斯娴,王月汉

在能源变革的驱动下,大规模风电接入电网,其发电的随机性使系统调峰面临严峻挑战。在多种灵活性资源中,煤电是最经济、可靠的调峰资源,然而由于“三公”调度分配的基数电量和大量自备电厂对冲了系统基荷,挤占了调峰空间,导致系统下调峰能力严重不足,使得供暖季产生大量弃风。为缓解该状况,国家采取了省间消纳、灵活性改造、发电权交易等多项举措。自2012年,国内多省市开展了火电机组和新能源的中长期、集中撮合发电权交易,一定程度上缓解了调峰压力。目前全国自备电厂装机容量占火电装机比例超过13%,普遍存在产能过剩、能耗大、环保不达标的现象,由于不参与系统调度和调峰,且需要系统备用,不仅使双侧设备利用率低,而且限制了火电调节资源的有效利用。如果能够利用发电权交易使其在弃风时段下调出力或停机,不仅能减少碳排放,而且将成为一个潜在巨大调峰资源。

博弈关系:在系统弃风时段,自备电厂和风电场开展发电权交易,交易前后的效益分析如图1所示。

发电权交易前,自备电厂采用自发自用的模式,其成本包括:发电煤耗成本、碳排放成本和购买配额成本;风电场弃风电量收益包括:绿证收益和上网电量收益,由于系统消纳能力不足,存在弃风,此时实际上两部分收益均为零。

发电权交易后,自备电厂和风电场弃风电量形成联盟,联盟净收益如图1灰框内8类成本和收益组成。前5项体现自备电厂对联盟的贡献,其中,自备电厂通过降低出力,煤耗、碳排放成本减少,额外增加了买电成本和由于深度调峰产生的运行损耗和投油成本,通过消纳风电,购买配额成本减少,额外增加了等效调峰补偿收益;后3项体现风电场对联盟的贡献,其中,风电场弃风电量上网,上网电量收益增加,额外增加了等效调峰收益,而绿证转移到自备电厂以抵消其可再生能源消纳的配额,绿证收益恒为0。

博弈策略:交易中心日前经济调度后发布开展交易时段、弃风信息和奖励机制。在此基础上,市场主体决策各自的交易策略,每次交易形成新的唯一的联盟。在弃风空间内,自备电厂依据相应时段自身的发电计划,以联盟净收益最大为目标决策交易电量,博弈策略为参与交易自备电厂和风电场的个数和交易电量。自备电厂和风电场博弈策略空间分别记为SS,t、SW,t。

式中:x为自备电厂数量;Qi,t、Qj,t分别为自备电厂i和风电场j在t时段的成交电量;Qi,t,min、Qi,t,max、Qj,t,min、Qj,t,max分别为自备电厂i和风电场j在t时刻最小和最大出力。

合作博弈效益模型:以联盟的最大净收益为目标,目标函数表示为合作联盟效益和不参与发电权交易时各主体的效益之差,数学模型表达为

式中:Inet表示联盟净收益;Itran表示合作联盟后的效益;Inona表示不参与发电权交易时所有成员的效益之和。

合作联盟后的收益等于风电增加的上网电量收益、等效调峰收益、碳排放权附加收益之和减去自备电厂买电成本和自身发电的能耗成本。

式中:Ion-grid为风电增加的上网电量收入;Ip为等效调峰补偿收益;

为碳排放权附加收益;Cpurc为自备电厂上网购电成本;CGall为自备电厂发电成本。

不参与发电权交易时,自备电厂电量全部自发自用,成本包括煤耗、购买配额的成本和碳排放成本;对于风电场,不参与发电权交易时,其收益为零。

式中:分别为不参与发电权交易时自备电厂和风电场的效益; CGC为自备电厂原出力曲线下的煤耗成本; CRPS、

Shapley值收益分配模型:为避免原Shapley值模型中的平均分配现象,引入修正因子调整对合作收益的分配。收益分配表达式为

式中:wi为第i个权重系数,w1+w2+w3=1;εi为第i个影响因素的综合评价值。

交易中心公布某时段系统调峰空缺等信息后,通过合作博弈模型求解联盟各成员的最优策略,结果如表1所示。

由表1可知,交易功率由多到少排序依次是自备电厂3、自备电厂1、自备电厂2。由于自备电厂3的原始出力高于自备电厂1和2,无运行损耗的下降空间较大,因而交易功率最多;在自备电厂1和2其他参数相同的情况下,自备电厂1和自备电厂2原始出力的差值等于交易功率的差值,因此交易后自备电厂1和2出力相同。由于自备电厂3通过降出力减少的单位煤耗成本和碳排放权收益小于自备电厂1和2,因此自备电厂3交易后的出力高于自备电厂1和2。

由上述分析可知,当不同参数的自备电厂形成不一样的联盟时,各自备电厂交易电量的多少不仅取决于原出力的大小,还与单位净收益的大小有关,降低单位出力带来的净收益高的电厂优先成交。因此,联盟内含有原始出力值、碳排放和煤耗越大的自备电厂,形成最优联盟时的交易电量越多,产生的碳减排收益和减少煤耗成本带来的收益越高,使联盟净效益越大。

2)在弃风空间内,随着煤电价格升高,自备电厂根据阶段性成本变化,发电权交易电量呈现出逐步升高直至退出运行的增长趋势。碳交易价格和调峰补偿系数k与其发展趋势相似。

3)改进Shapley值避免了自备电厂和风电之间的平均分配现象,自备电厂间和风电间的利益分配与交易电量成正比。

本文为提高北方新能源大省冬季弃风时段调峰能力,并适应低碳战略,提出了一种自备电厂与风电场日前发电权交易的方法。创新工作包括:

1)提出了等效调峰补偿机制,并结合碳减排收益和配额收益,建立了以自备电厂和风电场联盟净收益最大为目标的合作博弈模型。

2)提出了考虑绿色环保、成本投入、调峰效能3种贡献差异的改进Shapley修正值分配法,提高利润分配的公平性。

3)采用广义析取规划方法和分段线性化方法转化模型,利用CPLEX进行模型求解。通过凸博弈理论,对合作联盟获得的利益进行分配,并证明改进Shapley值在发电权合作联盟的一致性和稳定性。

本文以自备电厂和风电场合作参与发电权交易的联盟收益最大为目标函数,发电权出让方的可调范围受限于技术出力,随着市场机制的完善,后续应对交易主体在不同市场中如何分配出力以获得最大收益这一问题进行研究。

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华北电力大学输配电系统研究所刘文霞教授团队主要研究方向为:电力系统优化规划、可靠性与风险评估、电力市场等。近五年完成多项国家级课题的研究与示范工程研发工作。在《IEEE Trans. on Power System.》、《中国电机工程学报》等国际国内著名学术刊物发表SCI/EI论文30余篇。

刘文霞(1967),女,教授,博士生导师,主要研究方向为智能配用电技术、电力系统优化规划、电力系统可靠性与韧性等,E-mail:。

张帅(1994),男,博士研究生,研究方向为电力系统可靠性评估,E-mail:

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