基于风火合作博弈的区域电网调峰能力协调研究

基于风火合作博弈的区域电网调峰能力协调研究

0风火协同运营的思想随着《可支配能源法》（修正案）的颁布，“十二五”期间中国的水电工业取得了快速发展。据电监会发布的《重点区域风电消纳监管报告》显示,过去5年,我国风电装机容量增长速度超过100%,风电装机容量达6.3万MW,超过美国成为世界第一风电大国。然而,在风电产业快速发展的同时,我国也面临着高弃风率的问题,“三北”部分地区弃风率甚至高达16%,弃风已成为制约我国风电产业健康、持续发展的瓶颈问题。弃风是目前世界各国风电产业发展中出现的普遍现象,国内外学者针对风电弃风问题开展了相关研究。文献~研究了美国、德国、西班牙等风电发展比较成熟的国家的弃风问题,分析了各国应对弃风采取的各种措施和政策,为我国解决弃风问题提供了借鉴作用;文献~通过对目前我国风电发展中面临的技术、管理等问题的分析,提出了相应的解决措施;文献,在分析吉林省风电规律特性的基础上,提出了通过引进“价格调节金”制度,激励利益相关方消纳弃风的积极性,并通过补贴的形式,促进风电弃风的消纳;文献研究了风火打捆的风电运行方式,通过风火打捆的形式把本地难以消纳的风电远距离外送到负荷密集地区,该方案也是很多业内人士提倡的消纳风电的有效方案之一;文献,从提高风电出力预测精度和风电出力的稳定性、建设抽水蓄能式电站和其他储能设备等技术方面研究了我国风电上网难等问题,并结合国外经验和我国区域经济发展的实际状况,提出了相应的解决方法;文献,前瞻性地提出了风火联合运营的思想,并从技术上和经济上证明了风火联合运营的可行性。我国风电弃风产生的主要原因是电网调峰能力的严重不足。在我国电力系统中,调峰主要依靠部分水电和火电机组,调峰能力十分有限。在弃风最严重的东北地区,由于水电资源开发趋于饱和,电网调峰更加依赖于火电机组自身的调峰能力。由于火电机组出于自身经济利益的考虑,不愿意主动避让风电上网参与系统调峰,其潜在的调峰能力没有得到充分发挥,导致弃风现象加剧。因此,协调好风电和火电的利益关系,激发火电机组潜在的调峰能力,对于解决调峰能力有限的区域电网弃风问题具有一定的促进作用。本文基于风火合作博弈的思想,从风电和火电企业利益最大化出发,通过比较风火联合参与市场交易和独立参与市场交易,表明风火联合运营更能增加发电企业整体收益。在此基础上,对增加的收益的分配问题给出了最优解,促进风电和火电积极参与合作,为建立风火联合市场交易模式提供了理论基础。1风电联合参与市场交易与独立参与市场交易的扩我国现行的电力市场交易模式是各种电源独立交易,火电企业和风电企业各自依据利益最大化的原则进行竞价上网,风电、火电等企业互不相让,均想多出力,导致当风电等可再生能源并网面临调峰时,火电机组出于自身利益考虑,不予避让,从而导致可再生能源不能正常上网,造成弃风等资源浪费现象。基于此,本文构建一个新的市场交易模式———风火合作。风火合作是指单个风电场和单个火电厂按照自愿互利的原则联合起来,作为一个虚拟的整体参与区域电力市场交易。在合作过程中,火电企业尽最大努力发挥其调峰作用,并在维持电网运行安全的情况下,尽可能多地给风电避让发电量,保证风电能最大份额参与市场调度。风电企业从因增加出力而得到的额外的经济利润中,拿出一部分给火电企业,以弥补火电因避让而损失的利益。风电联合参与市场交易与独立参与市场交易示意图见图1,2。图1表示的是在满足电网负荷需求的前提下,风电的弃风电量与火电潜在调峰能力之间的替代关系。其中,P,QW,QG曲线分别表示电网系统中某日负荷曲线、风电出力曲线和火电出力曲线;Q′G表示风火合作后火电出力曲线;阴影bdc面积表示某日风电弃风电量;a′b′c′面积表示火电避让给风电的上网电量。图1中a′b′c′的面积等于abc的面积,即火电机组潜在的调峰能力避让给风电机组的发电量。在火电避让风电的情况下,风电机组实际弃风电量为acd的面积。图2表示的是在风火合作博弈中,风电企业和火电企业之间关于净增收益的分配关系。其中,QW,Q′W和P-QW,P-Q′W分别表示风火合作前后风电上网电量和火电上网电量;PW,PG分别表示风电上网电价和火电上网电价;PWaQW0,fgPQW的面积分别表示风电和火电在原来独立交易模式下的收益;abef的面积表示风火合作后发电企业增加的总收益;阴影dcef的面积表示增加的总收益中分配给火电的部分;阴影abcd的面积表示风电留存的收益,即风火合作后风电场的总收益为PWaQW0+abcd,火电厂的总收益为fgPQW+dcef。2风火联盟合作的模式选择对于风火联合运营的技术性和经济性,文献构建了相应的模型并证明了其可行性,但对于联盟利益主体之间的激励机制并没有作相应的研究。本文在此基础上对风火合作的两个主要问题做出了进一步研究:1风火联盟之间风电和火电利益分配准则的确定;2风电和火电在既定的利益分配准则下最优行动的选择。风火联盟合作的过程可以分为两步:一是双方共同确认一个最优的利益分配方案;二是在已确定的利润分配方案下,确定各自对群体合作的努力水平,以使自己的收益最大。2.1上网电价的预测假设在我国某区域电力系统中,参与市场交易的电源只有风电和火电。单个风电机组和火电机组上网电量分别为且,P为系统负荷;,上网电价分别为,风电机组上网单位成本为,火电机组上网成本分别为火电机组能耗系数。则:式中:πW为风电场利润。式中:πG为火电厂利润。式中:π为风电场和火电厂总利润。式中:π′W为风火联合运营后的风电场利润。式中,π′G为风火联合运营后的火电厂利润。式中:π′为风火联合运营后的风电场和火电厂总利润。式中:Δπ为风火联合运营后风电场和火电厂的净增总利润。2.2建立利益分配机制2.2.1风电企业联盟伙伴b在活动成本及合作收益中的估计假设1:风火联盟企业由两种盟员组成,即A———风电企业,B———火电企业。其中由于火电企业在避让风电的过程中起到核心作用,我们称之为“盟主”,风电企业为“盟员”;A和B均为理性人,且A为风险中性者,B为风险厌恶者。假设2:设a表示火电给风电避让的积极性,b表示风电上网的积极性;α,β表示A,B的单位价值贡献率;γ,δ表示A,B降低成本活动的努力程度;CAX,CBX表示联盟伙伴A,B的生产成本;CA(γa),CB(δb)分别表示联盟伙伴A,B降低成本活动的成本。其中a,b,α,β,γ,δ,CAX,CBX均大于0。假设3:风电企业A与火电企业B合作获得的总收益为R(αa,βb),A,B在总收益中的分配比例分别为S和1-S(0≤S≤1);风电企业按照线性关系T+(1-S)R向火电企业支付报酬。则有:假设4:为了研究问题的方便,进一步假设伙伴A和B的降低成本活动的成本及合作的总收益均为避让积极性的二次函数,并且:式中:CA0,CB0,R0为常数;α<γ,以保证合作联盟净收益G的收敛性,即;函数式中加系数0.5是考虑到运算方便,并不影响变量间的函数关系。2.2.2最优逃避水平我们采用逆推的方法分析第二步博弈过程,即在收益分配比例已定的情况下,分析A和B怎样选择自己的行动(即最优避让水平)。对式(15),(16)a,b求偏导,可以得到A,B追求自身利益最大(即采取不合作行动策略)而在纳什均衡时的努力水平a0,b0。因此,联盟厂商追求自身最大收益时付出的避让努力水平与自身的分配系数和贡献系数成正比,与自身降低成本活动的成本系数的平方成反比。2.2.3风火联盟合作模式由上述分析可知,G是S的函数,将G对S求偏导,得:分别对式(17),(18)求偏导,得;对式(14)求偏导,得,根据式(13)有:在风火联盟中,火电企业的分配系数应由火电的避让积极性决定,避让的积极性越大,分配的系数越大,分得的收益越多;风电企业的分配系数应由风电上网积极性决定,上网积极性越高,分配系数越大,分得的收益越多。3风火联合消纳模式本研究以吉林省为例,对风火合作利益分配机制进行分析。吉林省位于“三北”地区,风能资源较为丰富,为促进经济社会可持续发展,合理利用风电已迫在眉睫。为进一步促进风电的消纳,在灵活调峰电源有限的情况下,吉林省应该大力发展风火联合消纳模式,激发火电潜在调峰能力,减少弃风现象的产生。本文采用的模型基本参数如表1所示。2011年风电净收益为若甲乙组成合作联盟之后,甲风电场上网电量增加到1.8亿kWh;乙火电厂上网电量减少到2.8亿kWh。则净收益分别为总净收益为R′=0.622亿元。则由于合作联盟而多得到的总净收益为ΔR=0.153亿元。假设火电厂避让系数、风电场上网积极性系数分别为3和7,降低成本的积极性系数分别为6和4。根据风火联盟合作利益博弈分配模型公式(23),(24),求得甲、乙伙伴所分得的净收益系数分别为即风电应拿出0.1071亿元弥补火电给风电避让0.6亿kWh发电份额而损失的利润。此时,火电风电联盟有最大的意愿参与合作。4风电企业最优分配系数的确定本文针对目前风电产业发展中存在的严重的风电弃风问题,分析了区域市场中弃风产生的根本原因,提出利用风火联盟的方式消纳风电弃风的解决方案,并从理论上证明了其优越性。基于合作博弈理论,在考虑区域电力市场中风电与火电联合参与竞价上网的情况下,提出了双方利益分配模型,得到了增量利益的最优分配比例和分配原则,并通过算例分析证明了上述思想的可行性。风电弃风产生的原因是多方面的,政府应该进一步做好政策引导和扶持,风电企业应该增强自身的技术改造,从源头解决风电上网的技术性问题,而火电企业也应从大局出发,在风电高发时段,果断、及时避让风电上网,促进风电等可再生能源的可持续发展。式中:T为风电企业A支付给火电企业B的固定报酬;G为风火联盟合作的净收益;RA,RB分别为A和B的净收益。将式(13)带入式(10)得:代入式(13),并令=0,则有根据假设α<γ,β<δ,S0和1-S0均大于0,可以得出结论:风火发电厂商A和B之间分别按S0和1-S0分配比例分配总收益时,可使合作的总体利益最大,因此S0可称为最优分配系数。