劉皓明，李柵柵，陸丹，葉季蕾(.河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，南京市00;.中國電力科學(xué)研究院，南京市0003)

微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行的市場運(yùn)營機(jī)制設(shè)計(jì)

劉皓明1，李柵柵1，陸丹1，葉季蕾2
(1.河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，南京市211100;2.中國電力科學(xué)研究院，南京市210003)

在輸配分開的電力市場環(huán)境下，為了實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的智能化市場運(yùn)作，需要結(jié)合微電網(wǎng)自身特點(diǎn)設(shè)計(jì)一套可行的市場運(yùn)行機(jī)制。提出“發(fā)電驅(qū)動負(fù)荷”模式，在保證與主網(wǎng)電力市場相容的基礎(chǔ)上，基于多代理系統(tǒng)的市場運(yùn)營控制體系，計(jì)及可中斷負(fù)荷和儲能裝置的靈活市場行為，融入需求側(cè)響應(yīng)機(jī)制，負(fù)荷用戶可根據(jù)自身相對需求向微電網(wǎng)市場控制平臺提交需求報價信息，構(gòu)建微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行的合同市場和實(shí)時平衡市場，設(shè)計(jì)了競價規(guī)則和模型，并針對幾個關(guān)鍵問題進(jìn)行了討論。

微電網(wǎng);電力市場;發(fā)電驅(qū)動負(fù)荷;市場機(jī)制;儲能裝置

0 引言

微電網(wǎng)是將分布式電源、負(fù)荷用戶及儲能裝置等結(jié)合在一起，通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)接入配電網(wǎng)，在用戶終端側(cè)形成的智能可控的網(wǎng)絡(luò)供需單元。作為主網(wǎng)的有效補(bǔ)充，微電網(wǎng)能有效實(shí)現(xiàn)分布式能源的梯級利用，迅速響應(yīng)主網(wǎng)功率平衡，在提高供電可靠性、改善電能質(zhì)量、緩解電力供應(yīng)壓力、實(shí)現(xiàn)能源高效利用等方面具有重要作用。

目前針對微電網(wǎng)電力市場的研究方向，可概括為4個方面:在微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方面，文獻(xiàn)［1-2］介紹了微電網(wǎng)功率優(yōu)化、運(yùn)行控制策略、能量優(yōu)化調(diào)度等;在發(fā)電配置方面，文獻(xiàn)［3-4］分析討論了發(fā)電備用配置優(yōu)化、不可再生分布式發(fā)電備用的優(yōu)化配置、儲能優(yōu)化配置等;在微電網(wǎng)市場方面，文獻(xiàn)［5-7］設(shè)計(jì)了電力市場交易模型、競價優(yōu)化策略等;在微電網(wǎng)效益分析方面，文獻(xiàn)［8］進(jìn)行了低碳綜合效益分析。

歐洲是世界上最早實(shí)現(xiàn)電力市場化的地區(qū)之一，就其目前市場成熟度及市場規(guī)模而言，歐洲仍然處于領(lǐng)先地位，文獻(xiàn)［9］研究了歐洲混合電力市場的融合設(shè)計(jì)，取代原有的當(dāng)?shù)厥袌龊腿珖袌龅亩夒娏κ袌?，并采用集中式的市場分割方法，考慮日前市場出清時間上限是1 h。在電力市場經(jīng)濟(jì)運(yùn)營中，更準(zhǔn)確的短期負(fù)荷預(yù)測能夠加強(qiáng)對可再生能源和傳統(tǒng)資源的管理。微電網(wǎng)和傳統(tǒng)大電網(wǎng)相比，市場規(guī)模小，更靠近負(fù)荷側(cè)，針對微電網(wǎng)中的短期負(fù)荷預(yù)測問題，文獻(xiàn)［10］研究了一個典型的微電網(wǎng)負(fù)荷時間序列特征，對比分析了其與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的負(fù)荷時間序列的差異，提出兩層式的預(yù)測方法。

《能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃》提出，加快推進(jìn)電價改革，逐步形成發(fā)電和售電價格由市場決定、輸配電價由政府制定的價格機(jī)制。在輸配分開的市場環(huán)境下，主網(wǎng)通過電力市場機(jī)制引入競爭，優(yōu)化資源配置，而微電網(wǎng)需要在市場環(huán)境下和主網(wǎng)相配合才能更好地融入到主網(wǎng)運(yùn)營體系中。因此，為微電網(wǎng)設(shè)計(jì)一套公平有效的市場機(jī)制，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)各成員的運(yùn)行，具有重要意義。

本文在電力市場輸配分開環(huán)境下，提出了微電網(wǎng)電力市場的“發(fā)電驅(qū)動負(fù)荷”運(yùn)行模式，設(shè)計(jì)了市場運(yùn)營控制體系和市場框架，研究了并網(wǎng)運(yùn)行時的合同市場和實(shí)時平衡市場運(yùn)行機(jī)制，并針對幾個關(guān)鍵問題展開討論。

1 微電網(wǎng)電力市場分析

1.1 前提假設(shè)

為便于研究，對微電網(wǎng)市場進(jìn)行了如下假設(shè):

(1)以電能作為主要產(chǎn)品，不涉及熱能供應(yīng)的市場化運(yùn)作;

(2)微電網(wǎng)差額容量相對主網(wǎng)容量可忽略，對主網(wǎng)市場出清無影響;

(3)以單個微電網(wǎng)為研究對象，不研究微電網(wǎng)高滲透下市場行為的相互影響;

(4)以配電網(wǎng)的實(shí)時電價作為信息指導(dǎo)，進(jìn)行實(shí)時響應(yīng);

(5)假定在國家新能源政策扶持下，如電價補(bǔ)貼等，分布式電源的電能產(chǎn)品價格具有足夠的市場競爭力。

1.2 發(fā)電驅(qū)動負(fù)荷模式

傳統(tǒng)的主網(wǎng)電力市場運(yùn)行的必要條件之一是發(fā)電量大于負(fù)荷，發(fā)電側(cè)的電源裝機(jī)容量通常大于總負(fù)荷需求，因此存在著大量備用發(fā)電容量。在負(fù)荷側(cè)，終端負(fù)荷用電呈現(xiàn)一定分布規(guī)律，可進(jìn)行精確的短期負(fù)荷預(yù)測，市場運(yùn)行人員能夠依據(jù)預(yù)測負(fù)荷結(jié)果，結(jié)合機(jī)組發(fā)電容量和報價，確定機(jī)組的啟停及出清信息。這種運(yùn)行模式可概括為“負(fù)荷驅(qū)動發(fā)電”模式［11-12］，即市場交易量基本由負(fù)荷預(yù)測需求量大小決定。

和主網(wǎng)不同的是，在微電網(wǎng)電力市場中，考慮到并網(wǎng)運(yùn)行是常態(tài)，分布式電源及儲能裝置的單機(jī)容量較小，總設(shè)計(jì)裝機(jī)容量通常只能維持微電網(wǎng)內(nèi)的重要需求，無法滿足所有負(fù)荷，即實(shí)際可調(diào)用發(fā)電容量與負(fù)荷需求量存在一定差額。在負(fù)荷側(cè)，負(fù)荷總數(shù)量不大、結(jié)構(gòu)比較單一，存在用電規(guī)律不明顯、負(fù)荷用戶用電策略隨機(jī)性強(qiáng)等特點(diǎn)，短期負(fù)荷預(yù)測可能存在較大誤差。在這樣的環(huán)境下，主網(wǎng)的“負(fù)荷驅(qū)動發(fā)電”模式可行性不強(qiáng)。

因此，本文提出“發(fā)電驅(qū)動負(fù)荷”模式，依據(jù)發(fā)電預(yù)測量大小來確定微電網(wǎng)市場交易量。此種模式下，分布式電源的發(fā)電量可以結(jié)合其自身?xiàng)l件和自然因素進(jìn)行預(yù)測，用戶根據(jù)實(shí)時電價自主選擇用電策略。主網(wǎng)和微電網(wǎng)運(yùn)行模式的差異可簡要?dú)w納為表1所示。

微電網(wǎng)市場采用“發(fā)電驅(qū)動負(fù)荷”模式的優(yōu)點(diǎn)在于:

(1)在一定程度上避免了短期負(fù)荷預(yù)測環(huán)節(jié)，增加了發(fā)電預(yù)測環(huán)節(jié)，減少了負(fù)荷預(yù)測信息量的交換和處理，降低了預(yù)測的難度和精度;

(2)負(fù)荷用戶作為市場競價的參與者，需要結(jié)合市場供需情況調(diào)整競價，充分調(diào)動了用戶參與市場的積極性，改善終端用戶對電價的響應(yīng)程度;

(3)儲能裝置在市場機(jī)制的引導(dǎo)下可靈活轉(zhuǎn)換運(yùn)行狀態(tài)，在市場供小于求時，儲能裝置可作為微電源向用戶供電，在市場供大于求時，儲能裝置可作為負(fù)荷吸納多余電能，調(diào)節(jié)市場供需。

1.3 微電網(wǎng)與主網(wǎng)市場的配合

輸配分開的主網(wǎng)電力市場分為遠(yuǎn)期市場、日前市場和實(shí)時平衡市場。從能量交易來考慮，首先通過遠(yuǎn)期的電力交易合同方式鎖定容量和電價，在合同容量分解的基礎(chǔ)上，由日前拍賣進(jìn)行交易，最后用實(shí)時平衡市場來保證實(shí)時需求與供應(yīng)的平衡。日前市場面對次日預(yù)測負(fù)荷，通常提前24 h開啟;實(shí)時平衡市場為一滾動市場，針對實(shí)時負(fù)荷需求差額，提前1 h或更短的時間開啟。

微電網(wǎng)通常情況下并網(wǎng)運(yùn)行，由于假定微電網(wǎng)對主網(wǎng)市場出清無影響，因此主網(wǎng)出清和微電網(wǎng)出清是相對獨(dú)立的。當(dāng)主網(wǎng)實(shí)時電價較低時，微電網(wǎng)分布式電源及儲能裝置的電價可能不具有競爭力，負(fù)荷用戶主要從主網(wǎng)購買電力;相反，當(dāng)主網(wǎng)電價偏高，微電網(wǎng)內(nèi)部電價具有優(yōu)勢時，負(fù)荷用戶會更青睞購買網(wǎng)內(nèi)電力。微電網(wǎng)需要和主網(wǎng)協(xié)調(diào)運(yùn)行，在遵循主網(wǎng)電力市場的既定規(guī)則基礎(chǔ)上，配合主網(wǎng)市場的時間安排及市場劃分，啟動微電網(wǎng)市場運(yùn)行。

本文根據(jù)前述的微電網(wǎng)市場運(yùn)營特點(diǎn)，設(shè)定為兩級能量市場，如圖1所示，分別為微電網(wǎng)合同市場和實(shí)時平衡市場。在合同市場中，根據(jù)市場需要，可以簽訂年前合同、月前合同、周前合同或日前合同等，通過鎖定一部分市場成交電價和電量，規(guī)避風(fēng)險，剩余容量進(jìn)入實(shí)時平衡市場進(jìn)行交易。在實(shí)時平衡市場中，每一個市場運(yùn)行周期可設(shè)定為1 h或者30 min，具體應(yīng)與主網(wǎng)保持一致，用T表示;在開啟一個實(shí)時平衡市場運(yùn)行周期之前需要提前T0市場出清，例如30 min或者15 min。微電網(wǎng)市場控制平臺(microgrid power exchange controller，MPEC)接收主網(wǎng)公布的競價信息，結(jié)合微電網(wǎng)內(nèi)分布式電源和負(fù)荷用戶的競價信息，提前開啟實(shí)時平衡市場，在時間上與主網(wǎng)市場相契合。

微電網(wǎng)參加輔助服務(wù)市場，可以向主網(wǎng)提供無功支撐、調(diào)頻控制、黑啟動、電壓穩(wěn)定及備用容量等服務(wù)［13］，需要與主網(wǎng)配合，參與輔助服務(wù)競價。微電網(wǎng)的參與可降低主網(wǎng)在輔助服務(wù)方面的資本投入。微電網(wǎng)需要對自身可調(diào)用發(fā)電容量進(jìn)行相應(yīng)的規(guī)劃，確定容量市場與輔助市場的份額。本文對輔助服務(wù)市場不做展開。

2 并網(wǎng)運(yùn)行的微電網(wǎng)市場機(jī)制

2.1 市場運(yùn)營控制體系和市場框架

在輸配分開的環(huán)境下，微電網(wǎng)是一個可控又自治的系統(tǒng)，一方面接受主網(wǎng)的調(diào)度，另一方面匯集市場成員的交易信息，通過內(nèi)部優(yōu)化控制實(shí)現(xiàn)自身市場的運(yùn)行。本文選擇基于多代理系統(tǒng)的分布式控制體系，將控制權(quán)分散給微電網(wǎng)市場成員，在經(jīng)濟(jì)杠桿的作用下，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)效益最大化。

微電網(wǎng)運(yùn)營控制體系分為3層，如圖2所示。

(1)配電網(wǎng)運(yùn)行中心(distribution system operator，DSO)負(fù)責(zé)該低壓區(qū)域微電網(wǎng)的市場運(yùn)行，與MPEC靈活雙向通信，實(shí)時傳遞配電網(wǎng)購電和售電電價、電量等市場信息。

(2)MPEC是微電網(wǎng)市場運(yùn)營控制體系的核心，代表整個微電網(wǎng)。對上層而言，MPEC是微電網(wǎng)與DSO的交互代理;對下層而言，MPEC是微電網(wǎng)運(yùn)營的管理員。

(3)負(fù)荷控制器(load controller，LC)、分布式電源控制器(distribution generator controller，DGC)、儲能裝置控制器(energy storage device controller，ESDC)賦予了市場成員控制權(quán)，根據(jù)市場信息調(diào)整各自運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)分布式協(xié)調(diào)控制方式。

在并網(wǎng)環(huán)境下，主網(wǎng)出清后，MPEC接受DSO傳遞的主網(wǎng)售電和購電信息，同時接受網(wǎng)內(nèi)各控制器上報的市場競價信息，以經(jīng)濟(jì)為杠桿，組織市場競價。市場競價優(yōu)化出清后，MPEC將競價優(yōu)化反饋給DSO，同時進(jìn)行安全校核，將出清信息傳遞給各控制器，最終實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行。

在微電網(wǎng)兩級能量市場的調(diào)控下，基于需求側(cè)競價和可中斷負(fù)荷管理，負(fù)荷用戶可根據(jù)其自身相對需求分別或同時進(jìn)入合同市場和實(shí)時平衡市場，按照規(guī)定的市場競價機(jī)制向MPEC提交需求報價信息。

2.2 合同市場

合同市場主要用于保障微電網(wǎng)內(nèi)重要負(fù)荷供電可靠性，通過微電網(wǎng)合同市場的價格鎖定及容量鎖定，規(guī)避和防范用戶直接在并網(wǎng)環(huán)境下與配網(wǎng)交易實(shí)時電價波動帶來的高額電價及配網(wǎng)的中斷供電風(fēng)險。

合同市場的出清可類比于傳統(tǒng)的“任務(wù)指派”問題，不同人員有不同的工作效率，需要解決如何將“任務(wù)”與“人員”進(jìn)行匹配，使總體效率最大，所需時間或費(fèi)用最少［14］。在“發(fā)電驅(qū)動負(fù)荷”模式下，把電能合同類比于“任務(wù)”，把用戶代理類比于“人員”，通過“電能合同—用戶代理”指派方式來調(diào)動用戶對重要負(fù)荷的需求響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)合同市場價格出清。

2.2.1 合同市場競價規(guī)則

(1)競價形式:采用動態(tài)競價，允許買方對賣方不斷修改報價直至競價結(jié)束;

(2)報價規(guī)則:采用單一報價，只要求市場交易方給出某時段的電價及電量對;

(3)出清結(jié)算規(guī)則:采用按報價支付(pay as bid，PAB)方式，市場成員按照最終成交價進(jìn)行交易。

2.2.2 合同市場數(shù)學(xué)模型

合同市場中，將用戶的用電需求按要求拆分成單位容量塊，設(shè)置一定數(shù)量的用戶代理;同理，將分布式電源提供的發(fā)電量拆分成單位容量塊，設(shè)置一定數(shù)量的合同，每份合同上報自己的合同電價和中斷補(bǔ)償系數(shù)，中斷補(bǔ)償系數(shù)是合同期內(nèi)分布式電源未履行合同時，向用戶提供的中斷賠償單價與合同約定的單位電價的比值。如對于第j份電能合同，合同電價為fj，中斷補(bǔ)償系數(shù)為kj，在合同期內(nèi)，對用戶用電實(shí)施中斷后，將按照單位電量中斷補(bǔ)償價格kjfj給予用戶補(bǔ)償。

每個效用函數(shù)uij是用戶代理i通過對第j份電能合同的消費(fèi)所得到的主觀效益，其值大小通常與價格高低及合同所允諾的高價中斷補(bǔ)償系數(shù)相關(guān)。通常，用戶希望合同的初始電價越低越好，中斷補(bǔ)償系數(shù)越高越好，具體表達(dá)式如下:

式中:βi為用戶代理i的效用價值評估系數(shù)，增大βi時，用戶代理對所有合同的效用值會得到整體增大; αi為用戶代理i的權(quán)值系數(shù)，其值表現(xiàn)了用戶對于電價和中斷補(bǔ)償?shù)膬A向性;M和N分別是用戶代理和合同的總數(shù)。

定義sij為指派變量，如果第j份電能合同指派給第i用戶代理，達(dá)成合作，sij=1，否則為0，同時每份合同、每個用戶代理至多存在1種指派方式，保證合同的唯一性。合同市場數(shù)學(xué)模型的優(yōu)化目標(biāo)是用戶方簽訂合同后產(chǎn)生的效用值之和最大，可描述為

該模型中，首先每份電能合同j上報合同電價fj和中斷補(bǔ)償系數(shù)kj，用戶代理i根據(jù)合同情況確定自己的報價策略，即效用價值評估系數(shù)βi和權(quán)值系數(shù)αi。效用值uij大小直接決定著用戶代理i對電能合同j的競拍傾向，可理解為用戶能接受的心理價位。當(dāng)uij＜fj時，說明用戶代理i對該合同的效用值低于合同單價，即合同性價比不足，用戶沒有競拍意向。

求解該模型，可得到所有用戶簽訂合同效用總值最大的合同匹配結(jié)果，旨在全局進(jìn)行最大效用價值尋優(yōu)，即微電網(wǎng)用戶側(cè)整體效益最大。在模型求解中，給定約束條件，讓合同側(cè)或用戶側(cè)數(shù)目相對少的一方全部有所匹配，允許用戶修改報價，實(shí)現(xiàn)合同市場提前鎖定價格、穩(wěn)定市場價格的目的。

2.3 實(shí)時平衡市場

隨著大量分布式電源的接入，給配電網(wǎng)運(yùn)行帶來諸多影響，如短路水平、設(shè)備選型、無功功率和電壓分布等。近年來，主動配電網(wǎng)(active distribution network，ADN)的概念得到越來越多的認(rèn)可［15-16］。從本質(zhì)上來說，主動配電網(wǎng)基于先進(jìn)的信息通信和電力電子技術(shù)，主動管理規(guī)?；尤氲姆植际侥茉?，自主協(xié)調(diào)控制間歇式新能源與儲能裝置等分布式發(fā)電單元，積極消納可再生能源，確保網(wǎng)絡(luò)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，這與微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行的實(shí)時平衡市場核心思想是一致的。

微電網(wǎng)實(shí)時平衡市場在時間上滯后于配電網(wǎng)實(shí)時平衡市場，提前1個時間段針對普通負(fù)荷及剩余重要負(fù)荷開啟，主要用于保證微電網(wǎng)實(shí)時供需平衡。參加實(shí)時平衡市場的負(fù)荷可根據(jù)實(shí)時電價優(yōu)化用電方式。

MPEC追求效益最大，即從供用電兩側(cè)賺取差價，所得收益作為微電網(wǎng)的運(yùn)營收入，可用于整個市場的正常運(yùn)作，如微電網(wǎng)維護(hù)、電能質(zhì)量管理設(shè)備、穩(wěn)定控制設(shè)備、無功補(bǔ)償設(shè)備等，保證用戶安全可靠的電能供應(yīng)。

2.3.1 實(shí)時平衡市場競價規(guī)則

(1)競價形式:采用靜態(tài)競價，即交易方單輪投標(biāo)后不得修改競標(biāo)信息;

(2)報價規(guī)則:采用單一報價，只要求市場交易方給出某時段的電價及電量對;

(3)出清結(jié)算規(guī)則:采用按報價支付方式，市場成員按照最終成交價進(jìn)行交易。

2.3.2 儲能裝置模型

儲能裝置具有電源和負(fù)荷角色可轉(zhuǎn)換的特性，和其他分布式電源類似，儲能可以作為微電源發(fā)電，提供網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷功率支持，同時可以更靈活地作為備用容量，在微電網(wǎng)供大于求時轉(zhuǎn)換成負(fù)荷角色，吸納網(wǎng)內(nèi)多余清潔能源發(fā)電，同時可進(jìn)一步參與削峰填谷，平抑功率波動。因此儲能參與實(shí)時平衡市場時，其競價模型和其他分布式電源不同。

在儲能裝置的建模方面，有文獻(xiàn)指出其收益是由備用容量收益和備用發(fā)電收益2部分組成［17］，無論電網(wǎng)是否發(fā)生故障，微電網(wǎng)內(nèi)的重要負(fù)荷用戶如果選擇了發(fā)電備用服務(wù)，都要承擔(dān)備用容量費(fèi)用;有文獻(xiàn)針對儲能的容量配置和模型，通過規(guī)劃中心級的負(fù)荷平衡、服務(wù)器配置和蓄電池管理，在保證終端用戶服務(wù)質(zhì)量的同時，實(shí)現(xiàn)節(jié)約成本和儲能容量之間的均衡，降低電力整體成本［18］。

總的來說，儲能裝置的數(shù)學(xué)模型可由充電成本Cc、放電收益Bd、備用發(fā)電收益Bb這3部分組成，即

式中:備用發(fā)電收益Bb涉及輔助服務(wù)市場，本文不對此展開研究。

2.3.3 實(shí)時平衡市場數(shù)學(xué)模型

微電網(wǎng)和主網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)電能雙向流動，微電網(wǎng)既可以向主網(wǎng)購電，又可以將電能反饋給主網(wǎng)。MPEC收益主要包括主網(wǎng)對可中斷負(fù)荷的高額補(bǔ)償Bp和MPEC的售電收入Bs，成本包括微電網(wǎng)對可中斷負(fù)荷的高額補(bǔ)償Cp和MPEC的購電成本Cb。

MPEC的售電收入包括3個方面:微電網(wǎng)向用戶的售電收入、向儲能裝置實(shí)際售電收入、向主網(wǎng)的實(shí)際售電收入:

式中:qBj，qbl分別為用戶交易容量和獨(dú)立儲能裝置充電容量;fBj，fbl分別為用戶報價和獨(dú)立儲能裝置充電報價;qBZ，fB分別為主網(wǎng)向微電網(wǎng)購電的容量和報價;M和L分別為用戶總數(shù)和獨(dú)立儲能裝置總數(shù)。

相應(yīng)地，MPEC的購電成本也包括3個方面:微電網(wǎng)向分布式電源的實(shí)際購電成本、向儲能裝置的實(shí)際購電成本、向主網(wǎng)的實(shí)際購電成本:

式中:qSi，qsl分別為分布式電源交易容量和獨(dú)立儲能裝置放電容量;fSi，fsl分別為分布式電源報價和獨(dú)立儲能裝置放電報價;qSZ，fS分別為微電網(wǎng)向主網(wǎng)購電的容量和報價，N為微電網(wǎng)內(nèi)分布式電源總數(shù)。

對于用戶的可中斷負(fù)荷，主網(wǎng)向MPEC提供的中斷補(bǔ)償為

式中:fp為主網(wǎng)向MPEC提供的可中斷容量的單位補(bǔ)償價;qpj為用戶j的實(shí)際中斷容量，M'為受到中斷供電影響的用戶總數(shù);γ為0-1決策變量，當(dāng)微電網(wǎng)市場負(fù)荷上報容量大于電源上報容量時，其值為1，否則為0。

相應(yīng)地，MPEC向用戶提供的中斷補(bǔ)償為

式中:fpj為微電網(wǎng)提供給可中斷用戶的中斷容量單位補(bǔ)償價。

根據(jù)上述信息，建立下述實(shí)時平衡市場模型:

模型的約束條件首先需要考慮功率平衡，忽略網(wǎng)絡(luò)損耗時為

其次，分布式電源、儲能裝置和負(fù)荷用戶的實(shí)際交易容量都應(yīng)滿足相應(yīng)的約束，具體公式不再展開。儲能裝置在同一個實(shí)時平衡市場運(yùn)行周期內(nèi)，不允許既作為電源又作為用戶，只能為單一角色，這點(diǎn)在模型求解中需要注意。

3 幾個關(guān)鍵問題的討論

3.1 儲能的市場行為

本文主要研究了微電網(wǎng)能量市場機(jī)制，沒有對輔助服務(wù)市場進(jìn)行討論。事實(shí)上，儲能裝置可以提供多種電力市場輔助服務(wù)支撐，例如可用于削峰填谷，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)中發(fā)電與用電的解耦;抑制可再生能源注入功率的波動，降低對微電網(wǎng)的沖擊;可用于解決微電網(wǎng)中諸如諧波、電壓閃變等電能質(zhì)量問題。儲能裝置不能簡單作為一種可充電可放電的市場成員來看待。一種合理的假設(shè)是，儲能系統(tǒng)將按一定比例的容量分別參與輔助服務(wù)市場、合同市場和實(shí)時平衡市場。如何實(shí)現(xiàn)儲能系統(tǒng)在3個市場中的最優(yōu)容量配比是一個值得研究的重要問題。

3.2 可再生能源的間歇性

微電網(wǎng)分布式電源大致可分為兩類，一類是可再生能源發(fā)電，如風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等，另一類是非可再生能源發(fā)電，如微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電、燃料電池發(fā)電等。風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電有一個共性，就是受自然環(huán)境因素影響比較大，在發(fā)電功率輸出上存在一定的不確定性和波動性。如果在實(shí)際運(yùn)行時，具有輸出功率隨機(jī)波動特性的可再生分布式電源的輸出功率與其競價容量不一致，簡單按照規(guī)則進(jìn)行懲罰既不公平也不合理。如何盡可能發(fā)揮可再生能源的優(yōu)勢，降低可再生能源間歇性引起的電力市場運(yùn)行風(fēng)險是亟待解決的關(guān)鍵問題。

3.3 價格帽設(shè)置與兩級能量市場的配合

在微電網(wǎng)兩級能量市場中，合同市場用戶根據(jù)微電源報價進(jìn)行喊價。如果微電源利用其存在的市場力哄抬電價，將使得用戶不得不在高額底價的基礎(chǔ)上進(jìn)一步喊價，會給用戶利益帶來損害，尤其是在微電網(wǎng)供小于求的關(guān)系下。另一方面，由于合同市場未匹配的剩余重要負(fù)荷和發(fā)電容量可進(jìn)入實(shí)時平衡市場，存在微電源進(jìn)入不同市場的容量劃分問題。

考慮到合同市場和實(shí)時平衡市場的電價不同，如果實(shí)時平衡市場價格偏高，則微電源可能為了獲取更大的利潤空間而將大部分容量進(jìn)入實(shí)時市場中進(jìn)行交易，導(dǎo)致合同市場中發(fā)電容量短缺加大，用戶的重要負(fù)荷無法得到優(yōu)先保證。因此，在兩級能量市場配合中應(yīng)當(dāng)有相應(yīng)管制，比如設(shè)置價格帽，要求微電源在實(shí)時平衡市場中的報價不得高于合同市場的平均價格的一個固定倍數(shù)，這樣能在一定程度上遏止微電源在實(shí)時平衡市場內(nèi)哄抬電價的行為。

3.4 微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)效益評估

微電網(wǎng)電力市場化運(yùn)行所獲得的經(jīng)濟(jì)效益不能僅僅從MPEC所獲得的經(jīng)濟(jì)效益來衡量。一方面，通過實(shí)時平衡市場，MPEC獲得一定的凈收益;另一方面，微電網(wǎng)能夠充分利用分布式清潔能源，由此產(chǎn)生的節(jié)能減排會帶來一定的社會環(huán)境效益，這部分環(huán)境效益可以通過諸如政府環(huán)境補(bǔ)貼或碳交易等轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)效益。微電網(wǎng)在獲得這些經(jīng)濟(jì)效益之后，有責(zé)任也有義務(wù)更新微電網(wǎng)設(shè)備和維護(hù)運(yùn)行安全，提供更優(yōu)質(zhì)的電能服務(wù)，完善更公平合理的交易平臺，同時積極響應(yīng)主網(wǎng)的市場需求，以期實(shí)現(xiàn)市場的良性運(yùn)作。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了合同市場和實(shí)時平衡市場的微電網(wǎng)兩級能量市場，提出了“發(fā)電驅(qū)動負(fù)荷”運(yùn)行模式，以價格為杠桿，引導(dǎo)微電網(wǎng)市場透明化運(yùn)行，充分體現(xiàn)了電力系統(tǒng)微型“細(xì)胞”響應(yīng)配電網(wǎng)市場的“電源/負(fù)荷”功能，拓展了配電網(wǎng)在用戶終端側(cè)的負(fù)荷管理，有力的支撐了電力市場在用戶端的滲透。

在設(shè)計(jì)的兩級能量市場中，用戶能夠自主報價，與供電方直接交易，充分提高了用戶參與市場實(shí)現(xiàn)自身利益最大化的積極性。此外，在配電網(wǎng)故障時，所設(shè)計(jì)的市場模式能夠應(yīng)用到微電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行狀態(tài)，微電網(wǎng)市場能夠繼續(xù)以合同鎖定容量對用戶進(jìn)行供電，并實(shí)時實(shí)現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷的平衡。

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(編輯:張媛媛)

Market Operation Mechanism Design for Grid-Connected Microgrid

LIU Haom ing1，LIShanshan1，LU Dan1，YE Jilei2
(1.College of Energy and Electrical Engineering，Hohai University，Nanjing 211100，China; 2.China Electric Power Research Institute，Nanjing 210003，China)

An operablemarketoperationmechanism considering the fundamental characteristics ofmicrogrid was designed to realize the intelligentoperation ofmicrogrid under transmission and distribution separated electricitymarkets."Load Driven by Generation"mode was proposed.On the premise of ensuring the compatibility with themain grid electricitymarket，based on themarket operation control system of multi-agent systems，customers could submit the bidding information to Microgrid power exchange controller(MPEC)in the multi-agentmarket operation control system according to their relative demands，with considering the flexible market behavior of interruptible load and energy storage devices，as well as the demand-side responsemechanism.The contractmarket and the real-time balance market were constructed for grid-connected Microgrid，together with the bidding rules and themathematicalmodels.Finally，several key questionswere discussed.

Microgrid;electricity market;load driven by generation;marketmechanisms;energy storage device

TM 73

A

1000－7229(2014)11－0013－06

10.3969/j.issn.1000－7229.2014.11.003

2014-07-01

2014-07-29

劉皓明(1977)，男，博士，副教授，研究方向?yàn)橹悄芘潆娋W(wǎng)、微電網(wǎng)和電力市場;

李柵柵(1990)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)槲㈦娋W(wǎng)和電力市場;

陸丹(1991)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)槲㈦娋W(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行;

葉季蕾(1983)，女，博士，高級工程師，研究方向?yàn)殡姵貎δ軕?yīng)用技術(shù)與電力市場。

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51207044)。