保障电力系统灵活性的容量市场机制

·肖云鹏Yunpeng Xiao·西安交通大学Xi'an Jiaotong University·ypxiao@xjtu.edu.cn Content CapacityMarketDesign计及灵活性充裕度的容量市场机制设计 Marketclearingmechanism 出清机制DemandCurve Formulation 需求曲线制定Pricingand Settlement定价与结算 NumericalResults算例分析ConclusionsandProspects结论与展望 研究背景 随着新能源占比不断提高，电源侧不确定性增强、平衡支撑能力不足，电力系统容量充裕度风险增加和灵活性缺失问题愈发突出；与此同时，火电机组利用小时数降低，叠加市场电价降低，导致火电固定成本回收困难 Content ResearchBackgroud研究背景 CapacityMarketDesign计及灵活性充裕度的容量市场机制设计 Marketclearingmechanism 出清机制 Demand Curve Formulation需求曲线制定 定价与结算 NumericalResults算例分析Conclusions and Prospects结论与展望 1计及灵活性充裕度的容量市场机制 针对传统以保障负荷峰值时段系统充裕度为目标的容量市场难以保证系统灵活调节需求得到满足的问题，在容量市场机制设计中同时考虑负荷峰值时段发电容量充裕度和灵活调节容量充裕度 》煤电机组、风电场、光伏电站、储能电站四种类型资源均可提供发电容量，保障系统负荷峰值时段发电容量充裕性 >煤电机组与储能电站这类可控资源还可提供灵活调节容量，保障系统应对负荷与新能源随机波动带来的系统灵活调节需求 发电容量基于市场供需曲线进行出清（右图所示） 灵活调节容量出清量必须满足系统最恶劣波动情况下的灵活调节需求。 1计及灵活性充裕度的容量市场机制 需刻画系统灵活调节需求及其不确定性，提出基于鲁棒优化的容量市场出清模型 目标函数 社会福利最大化 灵活调节需求刻画：净负荷的不确定性变化区间 省间（s省向n省）传输的容量 满足系统灵活调节需求的容量供需平衡约束 Content Research Backgroud研究背景 CapacityMarket Design计及灵活性充裕度的容量市场机制设计 IMarket clearingmechanism出清机制Demand Curve Formulation需求曲线制定Pricing and Settlement定价与结算 NumericalResults算例分析ConclusionsandProspects结论与展望 2容量市场需求曲线制定 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，即使传统容量市场保障了负荷峰值时段系统发电容量的充裕性，但也可能因灵活调节容量不足而导致电力供应短缺 将灵活调节需求细分为对灵活爬坡容量、转动惯量以及事故恢复容量的需求 2容量市场需求曲线制定 提出多区域互联系统的多品种容量市场框架 容量市场需求曲线制定者考虑发电商机组投建与报价决策行为，以确定容量需求曲线；发电商根据容量市场与电能量市场出清价格，决策其投建容量和容量、电能量市场中的报价：容量市场运营商根据发电商投建容量和报价、容量市场需求曲线进行市场出清，电能量市场运营商根据发电商投建容量和报价进行市场山清。 2容量市场需求曲线制定 Content Research Backgroud研究背景 CapacityMarketDesign计及灵活性充裕度的容量市场机制设计 Market clearing mechanism出清机制Demand Curve Formulation需求曲线制定Pricing and Settlement定价与结算 NumericalResults算例分析Conclusions andProspects结论与展望 3定价与结算 口容量市场定价机制 容量市场出清价格为保障负荷峰值时段系统充裕度的容量价格和满足系统灵活调节需求的容量价格，分别进行结算 容量价格计算 >保障负荷峰值时段系统充裕性的容量价格 取保障负荷峰值时段系统发电充裕性的容量供需关系约束的对偶变量作为保障负荷峰值时段系统充裕性的出清容量价格。 满足系统灵活调节需求的容量价格 ①灵活调节预测需求价格 灵活调节预测需求价格与净负荷波动量的预测值相关，由扩展拉格朗日函数L对系统灵活调节需求的预测值求偏导得到。 3定价与结算 口容量市场定价机制 灵活调节不确定性偏差需求价格与负荷、风电、光伏发电出力波动量的不确定性偏差值有关满足系统灵活调节需求的容量价格 3定价与结算 口容量市场结算机制 有效区分不同类型资源对于保障负荷峰值时段系统充裕度、系统向下调节能力充裕度、向上调节能力充裕度的容量贡献与引起向上、向下调节需求责任 发电容量结算部分 >不同类型资源相应的结算规则 风电场、光伏电站提供容量保障负荷峰值时段系统充裕性的收益 火电机组、储能电站 -分摊由于自身出力波动造成的灵活调节需求成本nhea(-P1+0UAUFRDN.VkUFRINKES 保障负荷峰值时段系统充裕性的容量收益+保障系统灵活性的容量收益Capn:ieVini=onieFRupFRdwAn:menme 负荷 向容量市场支付保障负荷峰值时段系统充裕性+保障系统灵活性的容量费用EFRDD,exp+0-ADCap.Vn 区域间传输容量考虑了区域之间的价格差异，当区域间传输通道发生 阻塞时会产生阻塞盈余，分配给输电权所有者。14 3定价与结算 市场机制应满足社会效率、收支平衡、个体理性和激励相容性质，激励市场主体主动参与，促进资源优化配置。 3定价与结算 收支平衡性质验证 社会效率性质验证 市场运营机构为非盈利机构，市场的流入和流出资金应相等。 ·市场流出资金： 市场流入资金： Z(pCP P" +(aFRup + 2FRD)Fs)+E(pCaP Pe +(2FRupP + AFRdn)F)支付给火电、储能保障负荷峰值时段系统充裕度、满足系统灵活调节需求的费用支付给风电和光伏保障负荷峰值时段系统充裕度的费用FRup区域传输容量阻塞盈余 a+a+a+d$-aru所提出的容量市场鲁棒优化出清模型的目标函数为最大化社会福利，即出清结果能够在应对负荷、风电、光伏发电的任何不确定波动情况下实现尽可能大的社会福利。 据供需平衡约束和KKT条件，可以推导出 3定价与结算 激励相容性质验证 个体理性性质验证 根据KKT条件，可以推导出 容量市场出清模型一般形式 市场成员根据市场出清价格以自身利润最大化为目标的模型 火电机组利润为： maxCaen, X, + phren, y, + purkRmas.t.4A"X(2"A"x) F=pmeaP& +(2Feap.+ AFa,)FP-cfPE=(pmen-c)Pe+(2Fen,+AFRn.)F2=(azax-αmin +βmx-Bm)P+(Br.max -βsm)P2+(βp.maβp.mnβmax + βgnm+(og.x -m)Fs= Ps.max(agmax + Bee.max + Bsn,oux)+Rpemofgmr≥0 E Ax, +EAy+Z AfR, ≥B,:t,Vns.t.(x,y,z,)eX,Vr 对偶转换 由KKT可得，目标函数满足：Rpapmapoa)-pax+pay.+pnz-cx)/0等号成立的条件：X =x,y, =y,z,=z.即市场成员使得自身利润最大化的容量策略与容量市场出清的中标容量一致。 Content Research Backgroud研究背景CapacityMarketDesign计及灵活性充裕度的容量市场机制设计 Marketclearingmechanism出清机制Demand Curve Formulation需求曲线制定Pricingand Settlement定价与结算 Numerical Results算例分析ConclusionsandProspects结论与展望 算例分析 选取修正的IEEE-118节点系统进行算例分析，将该系统划分为3个区域。 容量需求曲线（以区域1为例） Capacitydemandcurve(takingRegion1asanexample) 算例分析 》各区域需求容量及中标容量结果 出清价格结果 中标容量结果 保障系统充裕性的发电容量价格 区域1和3内的发电容量需求需要由区域2内的机组提供满足。 区域2和其它区域之间存在阻塞，区域1、3的保障负荷峰值时段系统充裕度的容量出清价格高于区域2 区域1新能源装机容量占比高达80%灵活调节需求大，需要其他区域提供容量来满足灵活调节需求。 灵活调节预测需求价格 而区域2、3具有较多的火电机组和储能电站，机组灵活调节能力好，能够向区域1提供更多的容量来满足灵活调节需求。 由于区域之间传输通道发生阻塞，区域1的灵活调节预测需求价格高于区域2和区域3。 算例分析 为进一步研究所提机制对于发电商投资决策的引导作用，研究了区域间传输能力为50MW和10MW时两区域的容量需求曲线 所提出的需求曲线可以有效反映各个区域对于灵活调节容量的需求以及资源的稀缺程度 算例分析 通过制定灵活调节容量需求有效激励火电、储能等具有灵活调节能力的机组投建；考虑了灵活调节容量需求后容量市场成本有所提高，但整体而言在规避灵活性容量不足而带来的损失方面具有显著作用 算例分析 所提出的容量市场机制能够有效区分不同类型资源对于保障负荷峰值时段系统充裕度和满足灵活调节需求的贡献 出清价格结果 灵活向上调节需求向上偏差价格 本算例中各区域的灵活调节需求均大于0，此时算例中的灵活调节预测需求价格与灵活调节不确定性偏差需求价格均由灵活性供需约束的对偶变量决定。 灵活向上调节需求向下偏差价格 灵活调节需求不确定性向下偏差时，需求减小，原本的出清结果依旧能够满足需求 报价和装机容量均相同，由于G40灵活调节能力更好，能够提供更多的容量来满足系统灵活调节需求，因此G40的收益更高。 相同报价与装机容量下，有效容量系数越大，保障负荷峰值时段系统充裕度的容量中标量越大，收益越多23 Content Research Backgroud研究背景CapacityMarketDesign计及灵活性充裕度的容量市场机制设计 Market clearingmechanism出清机制Demand Curve Formulation需求曲线制定Pricing and Settlement定价与结算 NumericalResults算例分析·Conclusions and Prospects结论与展望 结论与展望 针对新型电力系统中灵活性资源稀缺的问题，提出了计及灵活性充裕度的容量市场机制，构建了基于鲁棒优化的出清模型和定价方法。 给出了容量市场中灵活爬坡容量需求、转动惯量需求及事故恢复容量需求的量化方法，构建考虑发电商投资与报价决策的容量市场需求曲线制定方法。 通过数学推导，验证了容量市场满足机制设计的社会效率、收支平衡、个体理性和激励相容性质。 进一步研究可关注灵活调节容量需求的精细量化、与计及灵活调节需求的现货市场衔接等问题。 谢谢！ ·肖云鹏西安交通大学ypxiao@xjtu.edu.cn Yunpeng XiaoXi'an Jiaotong University