深度文章 | 考虑虚拟电厂参与的深度调峰市场机制与出清模型

摘要

风电光伏等可再生能源大规模并网，增大了电网调峰压力，需要发掘需求侧资源参与调峰。从交易组织、交易流程、交易结算3个方面设计了考虑虚拟电厂参与的调峰辅助服务市场机制，使虚拟电厂与火电机组同台平等参与深度调峰市场竞价，并分别给出了深度调峰市场日前出清和实时出清模型。交易采用按报价出清的方式，火电机组和虚拟电厂根据实际调用的调峰容量和申报价格获得收益。最后通过算例分析验证了所提市场机制和模型的有效性。

（来源：全球能源互联网期刊 作者：赵晋泉，杨余华，孙中昊，叶洪波，凌晓波，王啸天）

0 引言

近年来，风电光伏等可再生能源大规模并网，压缩了火电机组的发电空间，再加上其间歇性和波动性的特点，增大了电网的调峰压力[1-4]。当前为满足可再生能源优先消纳要求，电网对深度调峰有巨大需求，在水电和燃气发电占比低的电网，已有的火电机组深度调峰不能完全满足需求。此外，火电机组低功率运行提供深度调峰辅助服务的成本很高。为缓解调峰压力，并降低调峰成本，应充分发掘需求侧资源参与调峰。虚拟电厂可以整合、调度需求侧的调峰资源，以类似于传统电厂的形式参与调峰市场[5-6]，其具备了参与深度调峰的下调功率的技术条件。因此，在当前火电机组多阶段调峰机制电力市场阶段，应同时充分发掘需求侧响应以及虚拟电厂参与深度调峰的潜力。针对水电和燃气发电占比低的电网，在现货市场机制下为满足虚拟电厂参与深度调峰市场，本文初步研究了虚拟电厂参与深度调峰的市场机制与出清模型。

目前对虚拟电厂的研究大多集中在虚拟电厂参与电能量市场竞价策略与模型[7-8]，以及虚拟电厂内部运营与收益分析方面[9]，关于其参与调峰方面的研究也主要是基于成本分析的调峰模型[10-11]，虚拟电厂参与深度调峰的市场机制与出清模型研究较少。华东能监局下发的《上海电力调峰辅助服务市场运营规则（试行）》[12]，明确规定了虚拟电厂可以参与调峰市场，虚拟电厂提供的调峰辅助服务和火电提供的深度调峰不是同一个交易品种，2个调峰市场是分开单独开展的，但是这样无法保证调峰整体费用的最小化。文献[13]研究了上海虚拟电厂参与调峰的出清机制，给出了出清流程，但是并没有建立相应的数学模型。本文采用在同一个市场中虚拟电厂和火电机组平等参与竞价的方式设计市场机制和出清模型，旨在使电网的总调峰费用最小。

本文设计了虚拟电厂参与调峰辅助服务市场机制。首先，给出了虚拟电厂参与调峰辅助服务市场的准入原则。然后，从交易组织、交易流程、结算方式3个方面设计了虚拟电厂和火电机组同台平等参与竞价的调峰辅助服务市场机制，并分别建立了深度调峰市场的日前预出清和实时出清模型。最后，通过算例分析验证了所提机制与模型的合理性。

1 虚拟电厂参与深度调峰市场的市场机制

1.1 虚拟电厂参与深度调峰市场机理

虚拟电厂由聚合分布式电源、可控负荷、电动汽车以及储能等资源形成，与外部大电网、调峰市场通过虚拟电厂运营商进行信息交互。虚拟电厂运营商既可以作为售电企业，也可以作为辅助服务提供商。本文主要利用虚拟电厂内部灵活性资源，提供调峰辅助服务。

图1 虚拟电厂调峰能力示意图

Fig.1 Schematic diagram of virtual power plant peak regulation capacity

虚拟电厂的调峰能力主要通过储能充电、负荷增加、电动汽车充电等方式提供，具体如图1所示，调峰能力的大小主要取决于储能的充电功率、电动汽车充电功率、可增的负荷功率，同时受到储能容量以及电动汽车电池容量的限制。虚拟电厂的调节容量不小于一定的标准（如20 MW）且应满足调度通信接入要求并能被实时调用。发（用）电信息采集周期和调峰响应时间均应小于15 min，调峰持续时间应不小于30 min[12]。

1.2 交易组织与交易流程

本文深度调峰辅助服务市场采用日前预出清、日内实时出清的方式，交易时段为竞价日次日的24 h，共分为96个时段，每个时段15 min。市场主体为火电机组、虚拟电厂，交易标的为其调峰容量。

在日前现货市场出清之后，如果存在弃风弃光现象，则启动深度调峰市场，调度中心发布次日深度调峰需求，火电机组和虚拟电厂申报次日的深度调峰容量和价格曲线，参与市场竞价，调度中心进行日前预出清。

由于风光等可再生能源的出力预测存在偏差，需要在日内调用时根据实际情况，对日前调峰计划做出调整。因此，调控中心会在日内预计出现弃风、弃光时，启动深度调峰市场，实时出清。

在日前市场中，虚拟电厂除了申报调峰容量和调峰价格外，还需要提供其基准曲线，用以计算虚拟电厂的实际调用的调峰电量，其值为虚拟电厂实际发（用）电曲线与基准曲线的时间积分面积。

本文参考文献[14]设计了日前和实时2级深度调峰市场的交易流程，包括交易发布、集中申报、交易出清、结果发布、交易执行，具体如下。

1）竞价日9:30前，调控中心发布深度调峰市场开市信息，包括：各个时段调峰需求信息；可参与市场交易的火电机组、虚拟电厂；申报价格的上下限。

2）竞价日9:30-10:00，各火电机组以及虚拟电厂集中竞价申报。其中火电机组需分3档报价，报价需在市场发布的各档报价区间之内。虚拟电厂需要提供自身的基准曲线。

3）竞价日10:30，调控中心进行深度调峰市场日前预出清，模型见本文2.1节。形成考虑调峰市场交易的日前发电计划，并向市场发布，内容包括火电机组与虚拟电厂的96点调峰出力曲线。

4）运行日内，以15 min为周期实时出清。在每个调度周期前5-15 min，调控中心参照调峰市场日前报价按价格由低到高的顺序依次调用火电机组和虚拟电厂进行深度调峰，形成日内发电计划。

5）在每个周期前5 min，调控中心发布调峰市场交易结果，包括下一周期的火电机组和虚拟电厂的调峰电力曲线。

6）在每个调度周期内，实时调用火电机组和虚拟电厂的调峰辅助服务，并统计其实际调用的调峰电量。

7）在运行日后，调控中心根据运行日的实际调用电量和各机组的实际报价，发布参与深度调峰的火电机组和虚拟电厂的调峰收益。

具体深度调峰市场出清流程如图2所示。

图2 深度调峰市场交易流程

Fig.2 Deep peak regulation market transaction process

1.3 结算机制

本文深度调峰市场采用按报价出清的方式，深度市场出清的结果是火电机组和虚拟电厂的调峰出力曲线。

运行日后，依据火电机组和虚拟电厂的实际深调电量和各机组的实际申报价格分时段进行结算。深度调峰费用由没有参与深度调峰的火电机组和新能源机组按照各时段的上网电量等比例分摊。具体分摊公式[15]如下：

4 总结

新能源大规模并网的背景下，火电机组承担了很大的调峰压力，需求侧资源参与调峰是未来的发展趋势之一。虚拟电厂的发展为需求侧资源参与调峰提供了可行路径。本文主要从交易组织、交易流程、交易结算3个方面，分日前预出清和实时出清2个时间尺度设计了市场机制，提出了火电机组和虚拟电厂同台平等参与深度调峰的市场模式，建立了相应的出清模型。通过算例分析验证了所提模型的合理性，并与分开单独竞价模式进行对比，体现出同台平等竞价模式在提高调峰经济性方面的优越性。

本文下一步将深化研究虚拟电厂内部如何实现协同最优经济控制、惩罚机制、利益分配等问题。