四川水电主导型电力现货市场关键技术及模式探讨

与其他省级电力现货市场的占比不同,四川电网以水电为主的能源结构呈现独特的特点.结合了四川水电 大省的能源特点,在分析四川电力系统运行状况、基本电力市场模式和国外电力市场建设经验的基础上,建立了四川 电力市场模式选择的评价指标,论证了四川发展“集中现货交易市场＋中长期差价合约”的可行性,探讨了电力市场 建设中的关键技术问题,为后续建设具有“梯级水电为主”特点的电力现货市场提供了有益参考.     

考虑梯级水电参与的电力市场出清模型研究

在双碳目标和电力市场改革的背景下,通过市场化机制促进以水电为主的可再生能源消纳,已成为我国电力现货市场建设的1项关键任务。将梯级水电纳入市场出清机制设计中,计及梯级水电的运行特性,在常规出清模型中引入水力耦合、发电出力特性、水位控制和水电振动区等复杂约束条件,并基于IEEE 14节点系统,设计了由6家发电主体组成的日前市场算例,通过分析不同运行场景下的市场交易结果,初步验证了所提出的出清模型的合理性与实用性。     

特约文章：水电现货竞价关键技术研究进展

电力现货市场是现代电力体系的重要组成部分,对还原电力商品属性、发现价格和优化资源配置起着关键作用。水电受径流随机性影响,丰枯矛盾突出,出力不确定性大;水库受综合利用限制多,梯级电站联系紧,多主体上下游电站信息共享难;加上外送通道不足、断面阻塞严重等现状,水电参与电力现货市场面临诸多挑战。本文针对水电参与电力现货市场“量价”申报涉及的关键科学技术问题,包括市场出清价预测、发电能力优化、竞价策略、水电现货报价决策支持系统等,对国内外研究现状进行总结,对提出的数学模型和算法进行归纳,评述了现有方法的优缺点,对未来发展趋势进行展望,旨在为丰富我国电力现货市场理论和方法及水电企业生产经营提供参考。     

山东电力现货市场机制设计与试运行分析

为及时总结中国首批电力现货市场试点建设地区的试运行经验,推动中国电力现货市场建设,在介绍山东电力现货市场的市场机制基础上,通过分析其试运行情况,研究市场所面临的问题和解决措施。山东清洁能源占比较高等电网运行特征决定了山东更宜采用集中式现货市场模式。山东电力现货市场包括日前、实时2个时序市场和日内机组组合衔接机制。电力现货市场试运行期间,电网整体运行平稳有序,现货市场出清价格随市场供需关系变化而变化,但也面临市场力监控能力有待提升、调峰补偿机制需要完善、用户交易风险防控手段仍待加强等问题。上述结果表明山东电力现货市场已基本具备连续运行条件,但市场机制的完善仍须持续加强。     

复杂市场环境下区域电网安全校核机制架构设计

安全校核是保障区域电网安全运行和区域内电力市场正常运营的重要技术环节。当前区域电网范围内已呈现电力现货试点省与非试点省并存、省间交易电量与计划电量交织的复杂形态,倒逼电网运行组织者必须创新提出与之相适应的安全校核机制。首先总结分析国外典型单一市场形态下电力市场出清和跨市场/跨国电力交易的电网安全校核机制架构及其借鉴意义,揭示中国复杂市场环境下区域电网安全校核的现实基础、特殊约束与需求,在此基础上设计了与中国近期电力市场形态、现行电力调度管理体制、区域电网结构等相适应的跨省跨区电力中长期交易、区内各省日前市场预出清发电计划和非现货试点省日前发电计划的安全校核机制架构。对于跨省跨区电力中长期交易,提出了基于跨区交易电力曲线典型场景集的电力校核方法和提高安全校核频次的安全校核机制改进方案;针对构建区内日前发电计划安全校核机制,提出了适应复杂市场环境的3种可选择方案,在对比分析三者特点的基础上,给出了方案实施路径建议。     

利用市场机制,优化调度,充分发挥水电效益

充分发挥水电效益一直是湖南电网运行管理关注的重要课题，本文指出充分发挥水电效益的重点在于电网优化调度；提出了水电进入电力市场，利用市场机制保障水能充分利用的构想。     

枯水期广西电网水电安全经济运行探讨

总结分析近年来广西电网枯水期水电调度运行大量实践所取得的成效,归纳各种约束和变化情况下开展枯水期水电运行策略和措施,合理平衡水电安全与经济运行关系.提出深度挖掘广西水电综合效益建议.     

考虑振动区和水-电耦合的现货市场出清模型

梯级水电站优化调度模型具有振动区、带时滞、非线性等特点,其市场出清问题需要增加更多离散变量数;同时,电力市场中水力和电力存在复杂的耦合约束,使得计算时间显著增加,难以满足实际生产需求。首先,对电力现货市场水-电耦合产生的物理制约进行联动分析,建立了考虑水-电耦合约束的出清模型;然后,针对水-电耦合约束中振动区的大量离散变量,基于电厂的流域关系和隶属关系,将振动区相关变量和约束进行压缩;最后,基于实际电网数据开展了算例分析。结果表明,所提现货市场出清模型和变量降维方法可以有效减少含梯级水电的市场出清时间,满足电力现货市场的实际运行需求。     

电力现货市场增量优化与全电量优化模式的比较

现货市场是电力市场体系的重要环节,是协调市场交易与系统安全的关键所在。本文对两种现货市场模式——增量优化模式和全电量优化模式进行了研究,分析两种模式在电网约束的处理、交易交割方式和优先级以及优化效果上的差异。通过算例分析了增量优化和全电量优化在调度结果和系统总发电成本上的异同。对国际上典型的现货市场出清模式,包括英国的Bid/Offer为基础的平衡市场机制和美国的含自计划的全电量优化模式进行了对比分析。最后,结合两种模式的特点,对我国电力现货市场的发展建设提出了建议。     

竞价上网中的水电优化运行

探讨了如何在发电侧电力市场中考虑水电优化运行问题,建立了综合考虑水电机组运行约束条件（出力约束、电量约束和振动区约束）的数学模型，并提出了解决该优化问题的新方法。该方法已经在实际中得到应用。计算结果表明所提出的模型和方法是有效的，为在竞价上网中考虑水电的运行模式提出了新的思路和方法。     

考虑可再生能源保障性消纳的电力市场出清机制

以风电、光伏、水电为主的可再生能源已成为中国重要的能源供应形式,也广泛参与到电力市场交易之中。通过市场化机制保障并促进可再生能源消纳,已成为中国电力市场建设,尤其是现货市场建设的一项关键任务。文中将可再生能源的保障性消纳纳入电力市场的机制设计之中,提出了现货市场在发生弃能时触发的出清机制。在现货市场一般性出清计算的基础上,发生弃能时,首先修正弃能机组的投标价格,在保持机组报价序列的前提下进行价区缩放,调整为优先出清的价格接受者;其次,基于修正后的投标信息进行第2次出清,以实现可再生能源的保障性消纳;基于2次出清的结果,提出激励相容的结算补偿机制。为了充分考虑可再生能源的运行特性,文中还在出清模型中特别引入了梯级水电站的水位控制、水量平衡与梯级耦合等复杂约束。最后,基于改进的IEEE 30节点系统对文中所提出的市场机制进行了验证。     

耦合复杂水力联系的跨区交易现货市场出清模型

上游水电站的发电量通过上、下游水力联系可直接影响下游水电站的可发电量,该水力联系增加了现货市场出清建模与求解的难度。为此提出了耦合复杂水力联系的跨区交易现货市场出清模型。该模型首先将非线性约束线性化,然后再引入梯级水电站簇,将复杂水力联系转化成水电站群的最大、最小发电量,进一步将水电机组以满足水电站群发电量约束的等效火电机组方式参与现货市场出清,从而消除复杂水力联系。以中国云南水电外送广东为例进行验证。结果表明,出清结果能满足各项机组运行约束,并能如实反映市场价格信号;梯级水电站簇发电量约束的阻塞分量可以合理表征流域来水造成的阻塞成本。     

电力市场下水电厂竞价综述

针对水电机组的特点,对联营市场模式下的水电机组竞价策略和水电市场势力进行了总结和评述。在过渡时期,水电机组继承垂直一体化管理模式,配合火电运行报价,不能突出水电的效益。采用完全竞争方式则需要建立现货交易市场下的水库优化运行模型,但改进后的模型可以考虑传输网络约束、机组组合以及系统中的不确定因素。为了协调利益关系,对同属一个业主的梯级电厂,可以聚合为一个报价单元,而建立水批发市场共同调节不同业主的收入分配。对市场势力的研究发现,水电厂可以通过研究不同时段间的需求弹性差来行使市场势力,在需求的低弹性阶段不发电而在高弹性时发足够的电。纵观国内外由市场实现水电资源优化配置的研究,今后还需要在水电的市场地位、区域水电厂的竞争模式、综合利用、梯级水电竞价、弃水电量、电价预测以及电力市场环境下的流域梯级开发调度模型和算法上进行更加广泛的研究。     

复杂约束下梯级水电站机组尺度负荷逐次降维优化分配

梯级水电站负荷优化分配涉及水位协调型、时段耦合型等复杂约束条件。面向水位协调型约束,界定梯级水电站安全运行的高限水位与低限水位,分析在梯级水电站高水位运行区、经济运行区以及低水位运行区不同组合方式下的电站出力特性;结合时段耦合型约束条件,以厂间-厂内负荷一体化分配为研究目标,提出三层逐次降维策略,将梯级水电站总负荷分配至厂间尺度,利用耦合动态规划算法将梯级水电站厂内负荷分配至机组尺度。实例结果表明,与传统的动态搜索算法相比,所提算法对复杂约束条件表现出良好的适用性,寻优质量得到明显提高。     

兼容中长期实物合同的日前市场出清模型

如何处理中长期实物合同交割与电网运行约束之间的衔接问题,是分散式市场模式现货市场出清模型设计的关键。文中分析了欧洲分散式市场模式现货市场出清模型的特点,根据中国电力交易和调度管理体制与欧洲的差异,设计了一种日前现货交易与中长期实物合同交割、电网阻塞管理协同优化的市场出清模型。模型允许机组在日前自主决定其次日启停机计划,通过反向交易报价机制实现对中长期实物合同发用电计划的阻塞管理和帕累托改进,通过引入供需平衡松弛变量满足极端供需情况下的模型求解问题。基于IEEE 30节点系统的算例仿真表明,模型能够适应不同市场场景的运行需要,提高日前市场和实时平衡两阶段的整体社会福利。     

西北地区水电在年度电力期货市场中的运营

针对水电在西北电力市场运营中月发电量的不确定性及月间发电量不均匀性的特征,在电力市场化运营的背景下,提出西北二级电力市场中水电站群期货电量的划分模型。以月发电过程统计特征为依据,进行期货电量的年内分解和调整,并从梯级水电运行特征的角度验证和解释期货电量的合理性,为水电站群在电力市场中的合约签订及电量分解提供了一种可行方法和依据。以西北电网为例,计算得主要水电站期货合约可签电量达多年平均发电量的65%左右,各月分解电量保证率达95%左右,通过对该结果内在机理的进一步阐述,验证了模型的有效性和合理性。     

流域水电公司在电力期货交易下的竞争策略

电力期货是规避现货市场风险的有效管理工具,目前国外主要的电力市场均以合约交易为主、现货交易为辅,实现了现货的价格调节功能与期货的价格风险规避功能的结合,在成熟的合约市场交易基础上出现了电力期货交易所.在电力期货交易背景下,结合流域水电公司的特点,分析价格风险,结合其收益模型探讨了流域水电公司在电力期货交易下的竞争策略.     

风电并网条件下的梯级水电站长期优化调度

随着新能源的快速发展,大规模风电并网条件下电网需要更多的调节能力,梯级水电站利用其灵活的调节能力可以与大规模风电联合运行。本文研究了风电的日内反调峰特性对梯级水电站发电的影响,并得到梯级水电站的日发电量上下限。然后,通过这个日发电量约束搭建梯级水电站长期调度与短期调度的桥梁,以达到在长期优化调度中考虑风电的短期反调峰特性的目的。以我国西南地区澜沧江下游2座梯级水电站与周边风电为实例进行研究,结果表明,与风电站联合调度后,梯级水电站的长期调度方式需要改变,尤其是汛前枯期的库水位决策与汛后蓄水决策。所提出模型为破解大规模风电并网问题提供新的技术途径。     

计及市场化电价信号导向的含高比例水电输电网扩展规划

传统电网扩展规划模型难以反映未来一段时期竞争市场模式下全局供需态势对电网投资收益、市场主体意愿、社会效益的量化影响,且在含高比例水电输电网中水电外送断面容量与丰枯潮流差异的不匹配导致网络阻塞及交易盈余问题愈加严重.为此,提出高比例水电场景下计及市场化电价信号导向的输电网扩展规划模型.上层模型以最大化线路年投资收益为目标函数,形成规划决策线路;下层模型采用改进的k-means聚类算法得到含高比例水电输电网全年典型运行方式,基于市场交易出清结果与区域负荷响应特征,量化线路规划后的负荷增量及过网利用率,以市场化电价信号引导电网扩展规划,促进区域水电消纳.采用KKT最优条件实现上、下层模型的耦合,将双层规划问题转化为混合整数规划问题进行求解.以我国西南部某含高比例水电的实际电网为例,通过综合比较不同规划方法的阻塞盈余、投资收益及水电消纳比例验证了高比例水电接入下市场信号对扩展规划结果的影响.