梁彥杰,陳 星,婁素華,劉起興,林慶標(biāo),鄧韋斯
(1.中國南方電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心,廣東省廣州市 510623;2.華中科技大學(xué)中歐清潔與可再生能源學(xué)院,湖北省武漢市 430074;3.強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華中科技大學(xué)),湖北省武漢市 430074)
中國南方(以廣東起步)調(diào)頻輔助服務(wù)市場通過市場化機(jī)制發(fā)現(xiàn)調(diào)頻輔助服務(wù)的價格[1],提升了南方(以廣東起步)區(qū)域電網(wǎng)調(diào)頻輔助服務(wù)質(zhì)量,促進(jìn)了調(diào)頻資源的優(yōu)化配置和調(diào)頻產(chǎn)業(yè)發(fā)展,調(diào)頻輔助服務(wù)市場未來將成為獲取高回報(bào)的電力交易平臺。中國學(xué)者對契合中國國情的調(diào)頻輔助服務(wù)市場進(jìn)行了深入的探索[2-4],從新能源參與市場調(diào)度策略、需求側(cè)靈活性資源聯(lián)合優(yōu)化方法、調(diào)頻成本分?jǐn)倷C(jī)制等角度為市場設(shè)計(jì)提供了重要理論依據(jù)。
中國的調(diào)頻市場結(jié)構(gòu)決定了系統(tǒng)調(diào)頻任務(wù)主要由燃煤機(jī)組和水電機(jī)組承擔(dān),但傳統(tǒng)調(diào)頻機(jī)組存在調(diào)節(jié)延遲、調(diào)節(jié)偏差、不宜頻繁調(diào)節(jié)等缺陷[5],電網(wǎng)亟須優(yōu)質(zhì)的調(diào)頻資源參與系統(tǒng)運(yùn)維[6]。在此背景下,以儲能裝置為代表的響應(yīng)快且調(diào)節(jié)精準(zhǔn)的快速爬坡資源(FRR)被引入調(diào)頻輔助服務(wù)市場[7-8],對電網(wǎng)安全運(yùn)行、供電質(zhì)量的提升[9]以及市場有序競爭產(chǎn)生了積極影響。文獻(xiàn)[10]設(shè)計(jì)了含電化學(xué)儲能的調(diào)頻市場機(jī)制,并計(jì)及運(yùn)行方式對電池壽命的影響,提出儲能調(diào)頻裝置的調(diào)度策略。文獻(xiàn)[11-12]著眼于南方區(qū)域電網(wǎng)中電化學(xué)儲能與火電聯(lián)合調(diào)頻的實(shí)際應(yīng)用,從性能指標(biāo)、接入方案、控制策略方面論述儲能參與調(diào)頻市場的巨大效益。
在南方(以廣東起步)區(qū)域電力市場中,隨著加裝儲能調(diào)頻裝置的機(jī)組逐步投產(chǎn),調(diào)頻市場將趨于飽和,擁有高性能調(diào)頻能力的市場主體可能出現(xiàn)串謀行為,操縱市場出清價格以謀取超額收益。市場主體操縱電價并以此獲利的能力屬于典型的經(jīng)濟(jì)持留手段[13],破壞了調(diào)頻市場的公平競爭。國外成熟的市場已經(jīng)將市場力監(jiān)測與抑制機(jī)制納入市場運(yùn)行的配套機(jī)制[14-16],采取三寡頭測試、資源短缺性限價等措施抑制市場成員的投機(jī)交易行為,保證市場有序競爭。文獻(xiàn)[17]以市場份額占比劃分競爭類機(jī)組和串謀類機(jī)組,提出了基于報(bào)價回歸方程、排序多元評定模型及鄒檢驗(yàn)、似然比檢驗(yàn)的機(jī)組串謀行為識別體系。上述研究對電力市場中主體行使市場力的行為進(jìn)行了原理性分析,并提出了市場力監(jiān)管和抑制措施,更深層次的研究可針對細(xì)分的市場類型。
綜上所述,基于火儲聯(lián)合改造后高性能機(jī)組涌入調(diào)頻輔助服務(wù)市場的背景,本文構(gòu)建了南方(以廣東起步)調(diào)頻輔助服務(wù)市場的出清數(shù)學(xué)模型,并建立了市場主體“兩部制”收益模型;考慮市場飽和程度,分析火電儲能改造對市場發(fā)展模式的影響;在上述研究的基礎(chǔ)上,以博弈模型說明高性能機(jī)組如何形成卡特爾聯(lián)盟以控制市場出清價格獲取不正當(dāng)收益,以及聯(lián)盟穩(wěn)定存在的必要條件,并有針對性地提出了解決措施。
一個自動發(fā)電控制(AGC)單元是指一套AGC裝置所控制的所有機(jī)組的總稱,以下簡稱“機(jī)組”。設(shè)所有參與調(diào)頻輔助服務(wù)市場的主體共注冊N臺機(jī)組,第i臺機(jī)組的綜合調(diào)頻性能指標(biāo)及歸一化性能指標(biāo)定義如下:
式中:ki為第i臺機(jī)組的綜合調(diào)頻性能指標(biāo);k1,i、k2,i、k3,i分別為機(jī)組i的調(diào)節(jié)速率因子、響應(yīng)時間因子、調(diào)節(jié)精度因子;kˉi為歸一化的綜合調(diào)頻性能指標(biāo);kmax為所有機(jī)組綜合調(diào)頻性能指標(biāo)中的最大值。
基于歸一化后的機(jī)組綜合調(diào)頻性能指標(biāo)kˉi,將各機(jī)組的調(diào)頻里程報(bào)價mmil,i進(jìn)行調(diào)整,作為排序價格。設(shè)第i臺機(jī)組排序價格為mi,其計(jì)算公式為:
將滿足AGC投運(yùn)狀態(tài)、出清前超短期發(fā)電計(jì)劃的機(jī)組,根據(jù)各機(jī)組的排序價格,從低到高依次進(jìn)行出清,直至中標(biāo)機(jī)組調(diào)頻容量總和滿足控制區(qū)調(diào)頻需求。當(dāng)機(jī)組排序價格相同時,優(yōu)先出清調(diào)頻性能kˉi值高的機(jī)組。此時,最后一臺中標(biāo)的機(jī)組成為邊際機(jī)組,邊際機(jī)組的排序價格為調(diào)頻市場的統(tǒng)一出清價格。
設(shè)參與排序的機(jī)組數(shù)量為Np,時段t排序價格由低到高的第i臺機(jī)組排序價格為mi,t,第i臺機(jī)組時 段t的AGC調(diào) 頻 容 量 為Gi,t。對 任 意i∈{1,2,…,Np},有
設(shè)時段t系統(tǒng)調(diào)頻容量需求為Dt,則存在一個It∈{1,2,???,Np},滿足
此時,稱第It臺機(jī)組為時段t的邊際機(jī)組,其排序價格mIt即為調(diào)頻市場統(tǒng)一出清價格。
中標(biāo)機(jī)組在運(yùn)行時通過跟蹤調(diào)度下發(fā)的AGC調(diào)頻指令提供調(diào)頻輔助服務(wù),并通過兩部制結(jié)算獲得調(diào)頻補(bǔ)償收入,包括調(diào)節(jié)容量補(bǔ)償和調(diào)頻里程補(bǔ)償,而調(diào)節(jié)電量不予以補(bǔ)償。其中,調(diào)節(jié)容量收益作為對機(jī)組參與調(diào)頻市場的機(jī)會成本的補(bǔ)償:
式 中:Rcap,i,t為 第i臺 機(jī) 組 時 段t的 調(diào) 節(jié) 容 量 補(bǔ) 償;mcap,i,t為 第i臺 機(jī) 組 時 段t的 容 量 補(bǔ) 償 標(biāo) 準(zhǔn),中 標(biāo) 機(jī)組(i≤It)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)為mWcap,未中標(biāo)機(jī)組(i>It)的補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)為mLcap,且中標(biāo)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)大于未中標(biāo)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)。
調(diào)節(jié)里程補(bǔ)償費(fèi)用為:
式 中:Rmil,i,t為 第i臺 機(jī) 組 時 段t的 調(diào) 節(jié) 里 程 補(bǔ) 償;Mi,t為 第i臺機(jī) 組時段t的中標(biāo)調(diào) 節(jié)里程。
第i臺機(jī)組時 段t獲得 的調(diào)頻總 收益Rˉi,t為:
式中:Fi,t為機(jī)組i在時段t的調(diào)頻邊際成本。
由于機(jī)組調(diào)頻行為的邊際成本相對于容量補(bǔ)償和調(diào)節(jié)里程補(bǔ)償可以忽略,故忽略調(diào)頻邊際成本的總 收 益Ri,t為:
市場的出清價格由市場調(diào)頻需求、所有機(jī)組的報(bào)價和性能指標(biāo)共同決定,對于市場中某一臺機(jī)組,可以認(rèn)為其報(bào)價對市場結(jié)果的影響較低。因此,可以假設(shè)調(diào)頻市場統(tǒng)一出清價格與市場中某一臺機(jī)組的報(bào)價行為相互獨(dú)立。對于市場某一臺機(jī)組i,其在某 時 段t參 與 調(diào) 頻 市 場 的 收 益Ri,t由 式(10)決 定。
式中:mmil,i,t為 機(jī)組i在 時段t的 調(diào)頻里 程申報(bào)價 格;kIt為 邊 際 機(jī) 組 調(diào) 頻 性 能 指 標(biāo)。其 中,稱mmil,i,t≤kimIt/kIt為中標(biāo)判據(jù)不等式。
從式(10)可以看出,報(bào)價滿足中標(biāo)判據(jù)不等式時,該機(jī)組可以中標(biāo),所獲得的收益嚴(yán)格大于不中標(biāo)時所獲得的收益,且最終收益與申報(bào)價格mmil,i,t無關(guān)。因此,理性的市場主體將采用最低報(bào)價策略參與市場,以期確保中標(biāo)并獲得調(diào)頻服務(wù)的補(bǔ)償。
報(bào)價雖然是機(jī)組最容易控制的參數(shù),但是理性的市場主體一般會采用最低報(bào)價策略以獲得調(diào)頻輔助服務(wù)補(bǔ)償,因此,報(bào)價對于理性的市場主體可視作不可調(diào)整的參數(shù)。
從中標(biāo)判據(jù)不等式中可以看出,在申報(bào)價格、市場統(tǒng)一出清價格和其他機(jī)組的性能指標(biāo)無法控制的條件下,機(jī)組自身性能指標(biāo)ki成為唯一可控變量。將中標(biāo)判據(jù)不等式寫成式(11)的形式:
式(12)的意義如下:在調(diào)頻輔助服務(wù)市場中,機(jī)組性能是影響中標(biāo)的關(guān)鍵因素,性能高的機(jī)組將會中標(biāo),而性能低的機(jī)組將難以中標(biāo)。市場主體為取得調(diào)頻輔助服務(wù)補(bǔ)償將努力提高機(jī)組性能指標(biāo),其性能標(biāo)桿就是市場的邊際機(jī)組。
中國廣東境內(nèi)以火電機(jī)組作為主要調(diào)頻電源,火電機(jī)組調(diào)節(jié)范圍大,但調(diào)節(jié)速率低、響應(yīng)時間長、超調(diào)和欠調(diào)偏差大。雖然儲能裝置建設(shè)成本較高、調(diào)節(jié)容量小,但調(diào)節(jié)速率快、能夠正負(fù)雙向調(diào)節(jié)、響應(yīng)時間短、調(diào)節(jié)精度高。對火電廠進(jìn)行火電儲能聯(lián)合調(diào)頻技術(shù)改造,利用雙方優(yōu)勢互補(bǔ),可極大地提升火電機(jī)組在調(diào)頻輔助服務(wù)市場中的性能優(yōu)勢。
當(dāng)調(diào)頻輔助服務(wù)市場競爭未飽和時,高性能機(jī)組調(diào)頻容量所占市場份額少,調(diào)頻負(fù)荷由高性能機(jī)組和低性能機(jī)組共同平衡。從目前的發(fā)電技術(shù)和市場環(huán)境來看,理性的未中標(biāo)機(jī)組為獲得調(diào)頻補(bǔ)償收益,其最直接的方案就是投資建設(shè)儲能聯(lián)合調(diào)頻裝置以提升機(jī)組性能。
設(shè)所有滿足式(15)的機(jī)組都投資進(jìn)行儲能聯(lián)合改造直至投產(chǎn),考慮所有完成儲能改造的調(diào)頻機(jī)組性能基本一致,此時即使完成改造也無法創(chuàng)造更多的性能優(yōu)勢。設(shè)最終性能接近或達(dá)到kmax的機(jī)組調(diào)頻總?cè)萘繛镚L,市場調(diào)頻需求為Dt。改造后的機(jī)組重新參與市場使GL>Dt,市場發(fā)生擠兌,部分機(jī)組無法中標(biāo)。為便于分析,假設(shè)機(jī)組所有條件均相同時,各臺機(jī)組的中標(biāo)概率將變?yōu)镈t/GL,機(jī)組的飽和收益Rsat,y,t可描述 為:
對于一個信息完全的理性市場主體,考慮到市場存在擠兌時投資收益將成比例下降,其投資火儲聯(lián)合改造的條件變?yōu)?
調(diào)頻總?cè)萘縂L取決于市場主體之間的決策和實(shí)施的最終結(jié)果,在市場主體決定投資還是撤資前無法精確求得。但是對于某一個具體的市場主體而言,如果依據(jù)改造成本對在建項(xiàng)目的實(shí)施進(jìn)度進(jìn)行排序,即可計(jì)算出投資決策的一個充分條件。令Ch為第h臺機(jī)組的改造成本,GL,h為第h臺機(jī)組的調(diào)頻容量。Ch滿足:
對于某一市場主體的機(jī)組h0,所有標(biāo)號不大于h0的待投產(chǎn)機(jī)組總調(diào)頻容量為:
上述分析過程建立在機(jī)組獨(dú)立決策的前提下,機(jī)組做出的策略是在非合作博弈下的占優(yōu)策略,得到的純策略納什均衡將導(dǎo)致調(diào)頻資源提供個體收益降低。而在具備合作條件的市場中,高性能機(jī)組可能相互合作并建立一種價格聯(lián)盟,通過控制出清價格使邊際機(jī)組落入火電機(jī)組,從而提升聯(lián)盟整體的調(diào)頻收益。
在此博弈格局中,考慮兩個參與者,即邊際機(jī)組It和其前一臺中標(biāo)機(jī)組It?1。兩臺機(jī)組均至少具有個體理性,即期望己方收益最大化,故機(jī)組會采取最低報(bào)價的策略以期在市場中標(biāo),同時此博弈是不完全信息的?;诖思俣?,兩臺機(jī)組的競爭行為存在一個如表1所示的博弈決策式。
表1 機(jī)組It和機(jī)組It?1的博弈決策式Table 1 Game decision-making formula of unit It and unit It?1
機(jī) 組It和It?1的 純 策 略 空 間 均 為{中標(biāo),不中標(biāo)},不難看出,兩臺機(jī)組均不存在嚴(yán)格占優(yōu)策略。但對于兩臺機(jī)組而言,策略“不中標(biāo)”是策略“中標(biāo)”的嚴(yán)格劣策略,故最終策略組合{中標(biāo),中標(biāo)}為此博弈的納什均衡解,兩臺機(jī)組的收益 均 為 飽 和 調(diào) 頻 收 益Rsat,i,t。
基于此,假設(shè)這兩臺機(jī)組通過具有強(qiáng)制力的協(xié)議形成合作博弈聯(lián)盟共同參與市場,且仍然遵循理性假設(shè),即整體理性與個體理性。對于聯(lián)盟成員而言,可以通過申報(bào)市場最低價來確保自身中標(biāo),通過申報(bào)市場最高價來確保自身不中標(biāo)。因此成員的策略 空 間 由{中標(biāo),不中標(biāo)}等 價 轉(zhuǎn) 換 為{報(bào)底價,報(bào)頂價}。
此時任意高性能機(jī)組采取合作策略的判據(jù)為:
當(dāng)市場中存在高性能機(jī)組結(jié)成聯(lián)盟控制出清價格以攫取超額收益時,調(diào)頻輔助服務(wù)市場卡特爾形成。
以中國廣東省日負(fù)荷曲線的1%作為日調(diào)頻負(fù)荷需求。調(diào)頻服務(wù)提供主體包括燃煤機(jī)組、燃?xì)鈾C(jī)組、儲能聯(lián)合調(diào)頻機(jī)組,其中,燃?xì)鈾C(jī)組在夜晚僅提供白天50%的調(diào)頻容量。在目前廣東省已招標(biāo)的儲能調(diào)頻項(xiàng)目均投產(chǎn)后,市場上高性能儲能機(jī)組最大可用調(diào)頻容量約為1 000 MW[13],燃?xì)鈾C(jī)組日間可用調(diào)頻容量約為670 MW,燃煤機(jī)組最大可參與調(diào)頻容量約為2 300 MW。
高性能機(jī)組容量可滿足調(diào)頻需求,此時調(diào)頻市場已經(jīng)飽和。為提高中標(biāo)可能性,假設(shè)所有市場主體報(bào)價決策相互獨(dú)立。且都采取最低市場報(bào)價策略,此時邊際機(jī)組將落在高性能儲能機(jī)組,市場出清價格為最低報(bào)價,即6元/MW。調(diào)頻市場進(jìn)行了全天96個時段的出清,表2所示為調(diào)頻市場中標(biāo)情況。
表2 無卡特爾機(jī)組時的中標(biāo)結(jié)果Table 2 Bidding results without Cartel units
忽略調(diào)頻邊際成本后,所有市場主體容量補(bǔ)償收益為20.8萬元,里程補(bǔ)償收益為92萬元,無卡特爾的收益總和Rso為112.8萬元。在完全競爭的市場中,系統(tǒng)調(diào)頻任務(wù)主要由調(diào)節(jié)性能更優(yōu)異的儲能聯(lián)合調(diào)頻機(jī)組承擔(dān),有利于電網(wǎng)安全并逐步淘汰低靈活性調(diào)頻資源,符合調(diào)頻市場設(shè)計(jì)初衷。
當(dāng)卡特爾機(jī)組采用輪空報(bào)價策略時,邊際機(jī)組落在調(diào)頻性能較差的燃?xì)鈾C(jī)組,此時市場出清價格為12元/MW。將參數(shù)代入式(25)進(jìn)行檢驗(yàn),高性能機(jī)組采取合作策略可獲得正的收益,滿足合作博弈的理性假設(shè),卡特爾可穩(wěn)定存在。表3所示為全天96個時段調(diào)頻市場的中標(biāo)情況。
表3 卡特爾機(jī)組參與下的中標(biāo)結(jié)果Table 3 Bidding results with Cartel units
卡特爾機(jī)組的收益為137.1萬元,非卡特爾機(jī)組的收益為13.9萬元,所有市場主體的收益總和Rco為151萬元。市場中存在卡特爾聯(lián)盟時,所有主體的總收益增幅為33.9%。參與聯(lián)盟的機(jī)組通過合作策略主動增收,而未參與聯(lián)盟的中標(biāo)機(jī)組因市場統(tǒng)一出清價格被拉高而被動增加收益。機(jī)組的增收需要額外分?jǐn)偟秸{(diào)頻費(fèi)用繳納者,同時調(diào)頻性能較差的燃?xì)鈾C(jī)組中標(biāo)承擔(dān)系統(tǒng)調(diào)頻任務(wù),給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來潛在風(fēng)險(xiǎn)。
本節(jié)以南方(以廣東起步)調(diào)頻輔助服務(wù)市場某日調(diào)頻出清結(jié)果為例,圖1為該日中標(biāo)機(jī)組的綜合調(diào)頻性能指標(biāo)情況,圖2為該日的調(diào)頻需求及出清價格,圖3為市場的價格需求彈性。
圖1 某日中標(biāo)機(jī)組調(diào)頻性能Fig.1 Frequency regulation performance of bidding winning units on a certain day
圖2 某日調(diào)頻需求及出清價格Fig.2 Frequency regulation demand and clearing price on a certain day
圖3 市場的價格需求彈性Fig.3 Price demand elasticity of market
該日中標(biāo)機(jī)組中,第33臺及之后機(jī)組為綜合調(diào)頻性能較差的機(jī)組。系統(tǒng)調(diào)頻需求在高性能機(jī)組總可用調(diào)頻容量附近波動,使得邊際機(jī)組間斷地落在調(diào)頻性能較差的機(jī)組中,最終導(dǎo)致出清價格上下起伏。該日的價格需求彈性系數(shù)最高可達(dá)102數(shù)量級,市場在無干擾情況下,少量的需求波動即可導(dǎo)致巨大的價格跳變。實(shí)際市場的算例表明,由于機(jī)組性能存在較大差異,高性能機(jī)組具備控制出清價格的能力,市場中存在形成卡特爾的可能。
卡特爾形成的直接條件為合作下的中標(biāo)里程補(bǔ)償收益能夠彌補(bǔ)輪空時損失的中標(biāo)容量補(bǔ)償和里程補(bǔ)償費(fèi)用,因此,可以有針對性地采用以下措施瓦解卡特爾。
1)提高中標(biāo)的容量補(bǔ)償價格,降低未中標(biāo)容量補(bǔ)償價格。參與卡特爾的機(jī)組在輪空期間機(jī)會成本增加,當(dāng)機(jī)會成本超過卡特爾合作產(chǎn)生的額外收益時,個體理性無法滿足,卡特爾自然瓦解。
2)市場運(yùn)營機(jī)構(gòu)監(jiān)管機(jī)組調(diào)頻里程申報(bào)價格,當(dāng)市場中報(bào)底價的機(jī)組超過所有參與報(bào)價機(jī)組一定比例時,可適當(dāng)調(diào)整申報(bào)價格限值以抑制卡特爾。
3)監(jiān)測中標(biāo)機(jī)組中邊際機(jī)組性能指標(biāo)與非邊際機(jī)組性能指標(biāo)均值的偏差,若差值較大則市場中可能存在異常交易行為,市場運(yùn)營機(jī)構(gòu)應(yīng)對涉嫌主體予以重點(diǎn)監(jiān)測及核查。
4)采用動態(tài)的調(diào)頻需求管理模式,當(dāng)調(diào)頻需求在一定范圍內(nèi)動態(tài)調(diào)整時,卡特爾將無法開展準(zhǔn)確的行動策略,導(dǎo)致卡特爾的持留策略成功率降低,綜合收益下降。
南方(以廣東起步)調(diào)頻輔助服務(wù)市場為調(diào)頻輔助服務(wù)提供了新的定價機(jī)制,市場主體通過加裝儲能裝置提高性能,進(jìn)而促進(jìn)了南方電網(wǎng)調(diào)頻資源質(zhì)量的提升,有效保障了電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性和安全性。隨著市場逐漸飽和,高性能機(jī)組存在通過合作策略控制市場的條件和動機(jī)。
本文從南方(以廣東起步)調(diào)頻輔助服務(wù)市場的排序出清機(jī)制出發(fā),建立了發(fā)電單元的調(diào)頻兩部制收益模型,推導(dǎo)出市場主體的理性報(bào)價策略;構(gòu)建了火儲聯(lián)合改造的收益評估模型,分析了未飽和/飽和情境下調(diào)頻市場的發(fā)展模式。通過對高性能調(diào)頻機(jī)組的博弈行為分析,提出了卡特爾的形成機(jī)制,給出了其穩(wěn)定條件及有針對性地抑制卡特爾的具體措施。本文對卡特爾的研究基于調(diào)頻市場完全飽和的假設(shè),實(shí)際的調(diào)頻市場中高性能機(jī)組仍在不斷進(jìn)入且尚未飽和。本文的工作可在未來南方(以廣東起步)調(diào)頻市場飽和而具備卡特爾形成條件前,為市場機(jī)制進(jìn)一步完善和市場監(jiān)督規(guī)則的制訂提供重要參考。