趙新剛，楊亞會(huì)

(華北電力大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院， 北京　102206)

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基于成本和效益的風(fēng)電提供旋轉(zhuǎn)備用服務(wù)定價(jià)模型

趙新剛，楊亞會(huì)

(華北電力大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院， 北京102206)

大規(guī)模風(fēng)電接入給電力系統(tǒng)運(yùn)行帶來很大的不確定性，為維持系統(tǒng)的穩(wěn)定，保證和擴(kuò)大風(fēng)能滲透率，風(fēng)電提供備用變得至關(guān)重要。為調(diào)動(dòng)風(fēng)力發(fā)電企業(yè)參與旋轉(zhuǎn)備用服務(wù)的積極性，須對(duì)其提供補(bǔ)償。合理的旋轉(zhuǎn)備用定價(jià)可以引導(dǎo)風(fēng)電場(chǎng)和用戶合理決策，提高電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性?；诔杀竞托б嬖u(píng)估的備用服務(wù)定價(jià)方法，結(jié)合我國(guó)初級(jí)電力市場(chǎng)的情況，提出了風(fēng)電提供旋轉(zhuǎn)備用服務(wù)的機(jī)會(huì)成本、系統(tǒng)失負(fù)荷價(jià)值及系統(tǒng)可靠性指標(biāo)相結(jié)合的定價(jià)模型，最后通過算例分析驗(yàn)證了上述模型的合理性與有效性。

風(fēng)力發(fā)電；旋轉(zhuǎn)備用；成本和效益；定價(jià)模型

我國(guó)電力系統(tǒng)中的風(fēng)電比重正不斷攀升，2012年以來，我國(guó)風(fēng)電并網(wǎng)容量連續(xù)兩年居全球第一，2012年發(fā)電量超過1000億千瓦時(shí)，占全國(guó)總發(fā)電量的2%，成為第三大主力電源，預(yù)計(jì)到2014年底，中國(guó)風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī)容量將超過9000萬千瓦。風(fēng)電的接入可替代常規(guī)電源，提供電網(wǎng)可靠性，并取得節(jié)能減排的環(huán)保效益。風(fēng)電出力具有一定的不確定性，為了保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定，須為其提供足夠的備用，提高了風(fēng)電的消納成本提高，導(dǎo)致嚴(yán)重的棄風(fēng)限電問題，阻礙了風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。因此，風(fēng)電能否提供旋轉(zhuǎn)備用服務(wù)具有重要意義。

一、基于成本和效益的定價(jià)問題

在選取備用成本和效益的評(píng)估和分?jǐn)偡ㄟM(jìn)行定價(jià)時(shí)，不僅要計(jì)算旋轉(zhuǎn)備用的供給成本，還要評(píng)估旋轉(zhuǎn)備用所創(chuàng)造的效益價(jià)值。本文合理計(jì)算風(fēng)電提供旋轉(zhuǎn)備用服務(wù)的供給成本，同時(shí)對(duì)備用的效益價(jià)值進(jìn)行量化評(píng)估，兼顧可靠性，提出適合風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)備用定價(jià)模型。

旋轉(zhuǎn)備用的成本包括電量成本和容量成本兩部分，電量成本主要指機(jī)組的變動(dòng)成本，而容量成本包則括固定資產(chǎn)成本和機(jī)會(huì)成本。由于風(fēng)電的特性，其變動(dòng)成本幾乎為零，又因?yàn)樵趯?shí)施兩部制電價(jià)競(jìng)價(jià)機(jī)制的電力市場(chǎng)中，機(jī)組所有的固定成本已計(jì)入容量電價(jià)中，所以在分析風(fēng)電提供旋轉(zhuǎn)備用服務(wù)的成本時(shí)可以只考慮機(jī)會(huì)成本。旋轉(zhuǎn)備用所創(chuàng)造的效益可理解為降低停運(yùn)事故帶來的損失，由失負(fù)荷價(jià)值VOLL表示。旋轉(zhuǎn)備用的最終定價(jià)需具有激勵(lì)作用，在制定價(jià)格的過程中將LOLP權(quán)重，將考慮系統(tǒng)可靠性考慮在內(nèi)，對(duì)發(fā)電商的旋轉(zhuǎn)備用成本進(jìn)行合理補(bǔ)償。

二、系統(tǒng)備用的定價(jià)模型

(一)供給成本分析

由于風(fēng)電變動(dòng)成本很小，同時(shí)機(jī)組所有的固定成本已計(jì)入容量電價(jià)中，所以機(jī)組提供旋轉(zhuǎn)備用的供給成本可以用變動(dòng)成本機(jī)會(huì)成本來衡量，也就是機(jī)組因?yàn)樘峁┬D(zhuǎn)備用而使得發(fā)電量減少，從而使其收益減少，減少的這部分收益就是機(jī)組提供旋轉(zhuǎn)被用的機(jī)會(huì)成本。本文對(duì)電力系統(tǒng)的某一具體時(shí)段進(jìn)行分析，并用市場(chǎng)電價(jià)衡量旋轉(zhuǎn)備用的機(jī)會(huì)成本，如式(1)。

CR=P0R

(1)

式中，CR為旋轉(zhuǎn)備用機(jī)組成本；P0為k時(shí)段的市場(chǎng)電價(jià)；R為該時(shí)段所需的備用容量。

(二)發(fā)電系統(tǒng)可靠性分析

計(jì)算旋轉(zhuǎn)備用的效益價(jià)值，首先需根據(jù)系統(tǒng)各機(jī)組(包括風(fēng)電和火電)的強(qiáng)迫停運(yùn)率計(jì)算出系統(tǒng)不同停運(yùn)狀態(tài)的概率，形成機(jī)組停運(yùn)容量概率分布表COPT，然后考慮負(fù)荷預(yù)測(cè)的不確定性概率分布。根據(jù)COPT 與負(fù)荷預(yù)測(cè)不確定性概率分布，可以形成系統(tǒng)缺出力的狀態(tài)概率分布，據(jù)此算出系統(tǒng)備用的期望價(jià)值。

首先根據(jù)機(jī)組的特定參數(shù)計(jì)算得出該機(jī)組的停運(yùn)表(COPT)。設(shè)某臺(tái)發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行容量為ci，強(qiáng)迫停運(yùn)率FOR為qi，則其停運(yùn)表如表1所示：

表1發(fā)電機(jī)組的停運(yùn)表

運(yùn)行容量X(MW)停運(yùn)容量X-(MW)確切概率P積累概率P*確切頻率F積累頻率F*ci0pi1piλi00ciqiqiqiμiqiμi

(3)

利用以上公式可以逐步形成整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的停運(yùn)表。

(三)備用價(jià)值的分析

效益的評(píng)估將運(yùn)用失負(fù)荷價(jià)值計(jì)算事故停運(yùn)成本，也就是停電對(duì)經(jīng)濟(jì)造成的損失。

文獻(xiàn)[7]提出了基于消費(fèi)者剩余理論求備用服務(wù)中效益的失負(fù)荷價(jià)值的方法。無備用情況下，系統(tǒng)出現(xiàn)出力缺額g的失負(fù)荷價(jià)值VOLL 為

(4)

式中，g為缺出力量或失負(fù)荷量；P0為k時(shí)段的電能電價(jià)；ε為電力需求價(jià)格彈性系數(shù)(一般為0.22-0.25)；Q0為k時(shí)段的電力需求。

根據(jù)系統(tǒng)缺出力的狀態(tài)概率分布可以得到系統(tǒng)缺出力狀態(tài)向量(g1,g2,…,gi,…,gM)，以及狀態(tài)概率向量[p(g1),p(g2),…,p(gi),…,p(gM)]。經(jīng)過比較缺出力與備用容量值，可以得出系統(tǒng)缺出力水平小于R的狀態(tài)向量(S1,S2,…,Si,…,SN1)，及其出現(xiàn)的概率向量[p(S1),p(S2),…,p(Si),…,p(SN1)]；系統(tǒng)缺出力水平大于等于R的狀態(tài)向量(B1,B2,…,Bj,…,BN2)，及其出現(xiàn)的概率向量[p(B1),p(B2),…,p(Bj),…,p(BN2)]。由此可計(jì)算出系統(tǒng)備用R的期望價(jià)值為：

(5)

(四)價(jià)格的確定

基于式(1)確定旋轉(zhuǎn)備用成本電價(jià)為：

(6)

式中，r%為成本利潤(rùn)率水平。

基于式(5)得到旋轉(zhuǎn)備用效益的平均價(jià)值

(7)

根據(jù)旋轉(zhuǎn)備用的成本電價(jià)和備用效益平均價(jià)值，可以建立基于成本、效益及系統(tǒng)可靠性指標(biāo)相結(jié)合的備用服務(wù)補(bǔ)償定價(jià)模型[9]：

PR=(1-LOLP)×PRC+LOLP×VR

(8)

式中，LOLP表示電力不足概率，即失負(fù)荷的狀態(tài)概率。

該模型不僅能夠?qū)Πl(fā)電商的旋轉(zhuǎn)備用成本進(jìn)行合理補(bǔ)償，而且備用服務(wù)的成本和效益相結(jié)合得出的價(jià)格，比以往單方面考慮成本或價(jià)值，能更好的體現(xiàn)旋轉(zhuǎn)備用服務(wù)的價(jià)值。同時(shí)，電力不足概率LOLP的引入使得該模型能夠反映系統(tǒng)的可靠性水平及對(duì)旋轉(zhuǎn)備用的需求。

三、算例分析

由于風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量數(shù)量級(jí)較小，為方便技術(shù)和減少誤差，本算例將單個(gè)風(fēng)電場(chǎng)作為一個(gè)并聯(lián)機(jī)組單位進(jìn)行計(jì)算。設(shè)系統(tǒng)中有10個(gè)200MW相同的風(fēng)電場(chǎng)全部參與電力市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，某時(shí)段電力需求為2000MW，各電廠強(qiáng)迫停運(yùn)率為0.05，風(fēng)電上網(wǎng)電價(jià)為540元/MWh。系統(tǒng)容量停運(yùn)概率分布如表2所示。

假設(shè)預(yù)測(cè)負(fù)荷的不確定性概率為0，則可直接得出系統(tǒng)缺出力的狀態(tài)概率。由此得出無備用時(shí)對(duì)應(yīng)的失負(fù)荷價(jià)值V(g)，并且通過式(5)可以得到不同備用水平的期望價(jià)值，如表3所示(ε取-0.25)。以需要的旋轉(zhuǎn)備用容量為400MW為例，設(shè)電廠要求的成本利潤(rùn)率為10%，基于式(6)、(7)、(8)，最終計(jì)算該備用水平下，旋轉(zhuǎn)備用的補(bǔ)償價(jià)格PR為552.53元/MWh。

表2系統(tǒng)容量停運(yùn)概率分布表

狀態(tài)i停運(yùn)容量(MW)運(yùn)行容量(MW)狀態(tài)概率累積概率1020000.5987369391220018000.3151247050.401263061340016000.0746347990.086138356460014000.0104750590.011503557580012000.0009648080.0010284986100010006.09352E-056.36898E-05712008002.6726E-062.75458E-06814006008.03789E-088.1984E-08916004001.58643E-091.60508E-091018002001.85547E-111.86523E-1111200009.76563E-149.76563E-14

表3旋轉(zhuǎn)備用容量期望價(jià)值

狀態(tài)i備用容量(MW)狀態(tài)概率備用期望價(jià)值100.598736939022000.31512470512932.717934000.07463479915337.565246000.01047505915633.347158000.00096480815658.4367610006.09352E-0515659.935712002.6726E-0615659.9981814008.03789E-0815660916001.58643E-09156601018001.85547E-11156601120009.76563E-1415660

四、結(jié)論

合理的風(fēng)電旋轉(zhuǎn)備用定價(jià)對(duì)引導(dǎo)風(fēng)電資源的優(yōu)化配置、調(diào)動(dòng)風(fēng)電場(chǎng)參與的積極性、提高電力市場(chǎng)的運(yùn)行效率具有重要作用。本文將旋轉(zhuǎn)備用的成本和效益定價(jià)方法應(yīng)用于風(fēng)電這一新的研究對(duì)象，基于前人的研究成果，結(jié)合風(fēng)電特性提出了適用于風(fēng)電提供旋轉(zhuǎn)備用的定價(jià)模型。模型中，供給成本由機(jī)會(huì)成本表示，效益則根據(jù)消費(fèi)者剩余理論由服務(wù)效益的失負(fù)荷價(jià)值(VOLL)計(jì)算，并通過可靠性指標(biāo)失負(fù)荷概率(LOLP)作為權(quán)重，綜合并且合理地確定了風(fēng)電提供輔助服務(wù)的補(bǔ)償價(jià)格。該定價(jià)模型綜合反映了旋轉(zhuǎn)備用的相關(guān)成本和效益價(jià)值，對(duì)成本和價(jià)值進(jìn)行補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)，也考慮了系統(tǒng)的可靠性水平，能夠合理地引導(dǎo)與激勵(lì)相應(yīng)市場(chǎng)。這種風(fēng)電提供旋轉(zhuǎn)備用服務(wù)的定價(jià)方法具有一定的可行性，適用于當(dāng)前的中國(guó)電力市場(chǎng)。

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(責(zé)任編輯：王荻)

Pricing Model of Spinning Reserve Provided by Wind Power Based on Cost and Benefit

ZHAO Xin-gang，YANG Ya-hui

(School of Economics and Management，North China Electric Power University，Beijing 102206，China)

Large scale wind power access has brought great uncertainty to the operation of the power system. To maintain the system stability and ensure wind power penetration, reserve service provided by wind power becomes critical. Wind power as the power supply has the ability to offer spinning reserve. For the enthusiasm of wind power generation enterprises to participate in the spinning reserve service, the enterprises should be given compensation. Reasonable price of spinning reserve can improve the operation economy of power network. In this paper, based on the reserve service pricing method of cost and benefit evaluation, combined with the primary power market in China, a new pricing model is put forward which colligates opportunity cost, VOLL and reliability index of system. Then, an example is given to show the practicability and rationality of the model.

wind power; spinning reserve; cost and benefit; pricing method

2014-12-20

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：71273088, 71471058)； 遼寧省電力有限公司科技項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：FZJS1400829)。

趙新剛，男，華北電力大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院教授；楊亞會(huì)，女，華北電力大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院碩士研究生。

F206

A

1008-2603(2015)02-0024-04