清洁能源消纳基础上源网荷储互动交易实践.docx

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清洁能源消纳基础上源网荷储互动交易实践随着清洁能源大规模发展、电能占终端能源消费比重不断提高，以电为中心、电网为平台的现代能源系统特征日益明显。但受清洁能源出力波动及负荷峰谷影响，电力供应整体呈现出电量供应富裕但“双峰”或局部区域电力供应短缺的不平衡现象，亟需通过源网荷储互动交易，消纳可能受限清洁电量，降低尖峰电力需求，提高电网运行效率。国家《“十三五”规划纲要》中指出，应加快推进能源全领域、全环节智慧化发展，提高可持续自适应能力，适应分布式能源发展、用户多元化需求，优化电力需求侧管理，加快智能电网建设，提高电网与发电侧、需求侧交互响应能力，同时推进能源与信息等领域新技术深度融合，统筹能源与通信、交通等基础设施网络建设，进而建设“源网荷储”协调发展、集成互补的能源互联网[1]。目前在世界范围内，促进清洁能源发展的机制非常多，在各国的电力市场设计中也都充分考虑清洁能源消纳的需求，以通过电力市场促进清洁能源发展。国内外学者对清洁能源消纳市场机制做了大量研究，例如美国德州最早实施清洁能源配额制，实施风电的绿色证书交易[2]。在德国，清洁能源采用基于固定上网电价由电网运营商统购统销的交易，或在溢价补贴下参与电力市场的两种交易模式[2]。国内有清洁能源与自备电厂作为发电主体进入电力市场的交易，也有采用市场化方式，通过提前招标的调峰辅助服务交易[3]。国内外关于清洁能源参与市场交易的机制研究主要面向集中式的批发市场交易，且消纳辅助服务能力提供对象主要是火电、抽蓄，对用户侧储能与可调负荷的考虑较少。据此，江苏电力交易中心有限公司（以下简称“江苏电力交易中心”）在北京电力交易中心的指导下，开展了针对用户侧资源的源网荷储互动的市场化清洁能源消纳示范工程项目[4]，提出建立源网荷储互动的电力市场运营机制，提高源、网、荷、储各要素间友好互动能力，赋予源-网-荷-储用户互动交易的自主选择权，以市场化手段推进清洁能源技术的发展，提升电网清洁能源就地消纳能力和运行效率，根本上实现清洁能源的安全、全额、优质消纳。江苏电力交易中心从省情、网情、市场生态出发，考虑到：(1)清洁能源出力预测的强不确定性；(2)小型清洁能源电厂和储能服务商的预测能力较弱，无效交易风险较大，交易成本较高；(3)清洁能源就地消纳能源利用效率最高。一方面利用互联网汇集大范围、点状分散的清洁能源、储能设施和需求侧资源交易需求。另一方面在传统主板市场基础上，提出满足激励相容原理，促进区域市场主体主动深度互动的双层市场结构及其下沉式子市场、3个交易品种和交易优化出清算法。根据本文所提方法研发交易平台，在江苏淮安（金湖）、苏州地区开展实践探索。实际交易情况证明了本文所提清洁能源消纳双层市场结构、交易机制、出清模型、交易流程以及交易支撑系统的可用性、可行性和经济性。1、源网荷储双层市场体系设计1.1源网荷储互动关键技术电力用户用电行为是源网荷储互动交易的前提，其关键技术已经有了一定的发展。近年来，电力系统负荷数据经过长期积累保存，已经形成了一个巨大的时间序列数据库[5]。对这些历史数据进行挖掘、分析并从中发现有价值的规律、模式和知识是目前一项热点研究工作。国外学者在20世纪90年代初就开始了负荷分类问题的研究并取得大量的理论成果。目前适用于电力用户负荷曲线聚类的相关方法主要有：概率统计法、遗传算法、基于模型聚类算法、神经网络、多重聚类分析和谱系数聚类分析法等。在国内，基于电力用户负荷曲线特性聚类分析的工作也在逐步深入。综合对以上关键技术进行分析，本文提出台区内的互动下沉式市场，由于台区供电范围有限，市场供需双方有机会获悉彼此的生产习惯、成本函数，可以通过改变发用电行为实现时间维度的互动，获取利益最大化；在大网层面可以通过避免清洁能源预测偏差考核、赚取电价峰谷差价和提供清洁能源调峰辅助服务，在主板市场Mup实现源网荷储的大范围空间维度互动。将台区内的下沉市场Mdown和大网层面的市场相结合，形成源网荷储双层市场，可以极大的发挥二者优势。1.2源网荷储双层市场结构设计在系统层面存在由于清洁能源预测不确定性引起的全局性消纳困难，需要通过主板市场交易大范围汇集储、荷资源，支撑清洁能源大发和高比率时的电网发用电平衡。在配网局域层面由于分布式、分散式清洁能源的大量并网，改变了传统配网单向降压送电模式，对主变台区功率平衡带来挑战[6]。需要以清洁能源就地消纳、主变安全运行为目标，按配变或主变台区内设计多个下沉市场。用于开展电厂-电力用户-储能商平抑清洁能源出力波动和清洁能源定输出功率服务交易。图1为双层电力市场结构及示意图。图1双层电力市场结构及示意图江苏电力交易中心提出了源网荷储双层市场架构：其中上层是传统主板市场，下层市场是以台区为限的N个独立下沉式市场，限定仅台区内市场供需主体可参与竞价交易。由图1可知，在1号区域下沉市场中，本区域内部的清洁能源、储能企业以及电力用户之间进行互动，有效的对时间互补消纳进行调剂，互动博弈模型G如式（3）所示；下层市场是进一步建立以传统主板电力市场为依托，融合下沉式市场的1+N双层市场结构。图1双层市场模型表示为式中：λj、Pj分别为清洁能源发电厂j申报的价格和电量，共n家发电厂；λs、Ps分别为用户侧储能电站s申报的价格和电量，共m个储能电站；Ω为参与主板市场的用户全集；σN为限定参与第N个下沉市场的用户子集；Θ为市场参与者类型；ψ为交易合约；ρ为竞价价格，共达成l笔交易。2、计及源网荷储互动的交易机制设计2.1交易品种源网荷储项目设计了3个交易品种：一是在局部区域撮合清洁能源购买储能、柔性负荷提供的调节服务，通过市场化方式调动原先自行充放电的储能资源，按照电网运行需要进行充电，实现电网最大限度消纳清洁能源；二是在江苏全网撮合储能和清洁能源平抑出力波动交易，通过市场化方式调动储能资源跟踪清洁能源出力，根据需要进行充放电，平抑清洁能源难以提前预测的出力波动对电网的影响；三是清洁能源偏移预测曲线的偏差电量交易，撮合清洁能源之间将偏差电量互相交易，促进清洁能源之间互相提供调节服务。2.1.1清洁能源受限电量调节服务交易在下层的下沉式市场，开展清洁能源受限电量调节服务交易。在选定的清洁能源消纳困难区域内，建设清洁能源受限电量调节服务交易试点，撮合储能设施、需求侧柔性负荷资源通过市场化方式，为清洁能源提供带曲线的调节辅助服务，帮助消纳困难时段的受限电量，提升分区电网清洁能源消纳水平[7]。2.1.2清洁能源和储能平抑出力波动（定功率）交易在双层结构的主板市场和下沉市场开展平抑清洁能源出力波动调节服务交易。在江苏全网，撮合储能和清洁能源的平抑清洁能源出力波动调节服务交易，储能跟踪清洁能源运行出力变化，调整充放电状态，提升全网调节能力。2.1.3清洁能源之间偏移预测曲线的偏差电量交易江苏针对省内清洁能源电厂，发布了清洁能源出力预测准确率考核办法。为了降低单一清洁能源电厂出力预测偏差，需要在多日前根据实际累积的正、负偏差情况，找到出力预测偏差互补清洁能源电厂对，通过相互间正负偏差抵消，实现电厂之间的互保，提升整体预测精度。在双层结构的主板市场，在江苏全网范围内，撮合清洁能源之间开展预测曲线的偏差电量交易，实现清洁能源互相提供调节交易。2.2交易流程2.2.1清洁能源受限电量调节服务交易为了实现机制验证和流程打通的示范工程目的，通过事先下达模拟受限电量的方式，开展实际交易和结算。具体交易模式为：利用下沉市场，组织撮合清洁能源受限电量调节服务交易，在局部区域撮合清洁能源购买储能、柔性负荷提供的调节服务，通过市场化方式调动原先自行充放电的储能资源，按照电网运行需要进行充电，帮助电网最大限度消纳清洁能源，如图2所示。图2清洁能源受限电量调节服务交易集中交易以日前为交易周期。首先，D-1日江苏省调根据平衡区域发用电预测趋势，在江苏电力交易平台下发通知相关清洁能源发用电企业。其次，相关清洁能源发电企业、用户侧储能进行带曲线申报。交易中心进行无约束出清，并由调度将经安全校核后的交易结果推送至交易中心。D日各市场主体自零时刻起，开始执行，交易中心根据每日执行情况与各市场主体进行日结算，月度清算。图2的市场出清模型表示为式中：λj,t、Pj,t分别为清洁能源发电厂j在时刻t的申报价格和发电量；λs,t、Ps,t分别为用户侧储能电站s在时刻t的申报价格和电量；-P为可交易功率下限约束；Pˉ为可交易功率上限约束；Pj、Ps分别为可交易清洁能源发电厂和用户侧储能电站的功率矢量。2.2.2清洁能源和储能平抑出力波动（定功率）交易在交易机制上，一是在下沉式电力市场交易模式下，采用清洁能源发电厂与储能设施合并计量的方式，储能向波动性电源提供平抑波动服务和定台区主变运行功率服务。发电厂与储能服务商将节省的考核收益进行分配。二是在江苏全网撮合储能与远距离的清洁能源开展平抑出力波动交易，通过市场化方式调动储能资源跟踪清洁能源出力，根据需要进行充放电，平抑清洁能源难以提前预测的出力波动对电网的影响。主要采用连续挂牌交易的方式，以月为交易周期，如图3所示。D-1月下旬第一个工作日，清洁能源发电项目作为挂牌方在交易平台进行申报，储能作为摘牌方在交易平台选择摘牌，交易中心在当日公布最终出清结果。D月清洁能源将发电功率发送给储能方，储能方根据对方功率偏移预计曲线情况，进行充放电。最终，交易中心根据每日执行情况与各市场主体进行日结算，月度清算。图3的市场挂牌出清模型为式中：λj,D、Pj,D分别为清洁能源发电厂j对于执行期D月内的申报价格和预计需要平抑的波动电量（置信度取95%）；λs,t、Ps,t分别为用户侧储能电站s对于执行期D月内的申报价格和可平抑波动电量。图3清洁能源和储能的平抑出力波动交易2.2.3清洁能源之间偏移预测曲线的偏差电量交易清洁能源之间由于安装地域条件不同和电厂之间的物理距离，在清洁能源出力之间会自然产出时滞相关现象，即出现输出功率波动自然反向的电源对。交易中心根据历史数据，发布皮尔逊相关性系数在[-1,-0.8]之间的新能源电厂，服务偏差互保交易开展，即组织清洁能源之间偏移预测曲线累积偏差电量的连续挂牌交易，撮合清洁能源之间开展偏差电量互换交易，促进清洁能源之间互相提供预测偏差调节服务。交易周期为多日，清洁能源电厂挂牌方提前申报D日每个整点小时的偏差调节电量值与调节价格，清洁能源电厂摘牌方在交易平台上根据清洁能源预测偏差量申报情况进行选择摘牌。最终，交易中心根据每次交易结果，采用并表方式，与各市场主体进行连续结算，月度清算。3、时间分段连续航空机票超售出清模式定位于分布式电源和用能侧市场主体时，计及清洁能源出力的预测不确定，和对大量小微用户、储能设施、电源的充分激励，在交易申报和出清环节做出了改进。一是打破连续曲线申报方式，采用连续时间点申报功能。考虑分布式交易和用户侧分时段连续生产的需要，在原有一次性申报整天（24h）竞价曲线的整体出清模式基础上，增加可以由发购双方个性化申报的飞机分舱式报价和满座即飞的成交方式。具体为发售双方在申报阶段按传统曲线方式申报之外，再按连续小时点进行申报，约时成交。二是根据清洁能源出力预测曲线设置上下浮动交易限额。清洁能源具有强波动性和日前预测不确定性。在电力生产过程中会出现预计有出力，实际运行时刻没有清洁能源出力情况，对应于航空售票的No-show（在订了座却不按时登机的旅客）。没有发电计划，实际运行时刻出力大发，对应于航空售票的Go-show（没有事先订座直接赶到机场要求乘机的旅客）。考虑到清洁能源发电商利益，允许其基于清洁能源出力预测曲线，超售或者少售20%（根据实际交易情况，对限额不断优化）。三是采用成交效果更佳的PAB(Pay-as-Bid）出清方法。为了增加撮合成功概率采用PAB出清方法，按发电商报价由低到高的顺序进行撮合、出清，确定机组的出力点和电价，并按中标机组报价由低到高的顺序确定机组的发电出力和发电量，各机组的成交电量分别根据其申报价格进行结算。4、源网荷储互动交易平台总体架构基于清洁能源消纳市场交易系统建设总体方案，保证未来清洁能源消纳市场交易系统建设的先进性、成熟性和可实施性。在总体架构设计过程中，运用全面整合的方法，遵循“业务驱动”的原则，采用业务架构分析、应用架构设计到系统架构设计（数据架构、技术架构）的3步设计方法[8]。清洁能源消纳市场交易系统的总体架构如图4所示。图4清洁能源消纳市场交易系统总体架构总体架构包括业务架构、应用架构、数据架构技术架构和物理架构。其中，业务架构决定应用架构和数据架构，技术架构和物理架构支撑应用架构和数据架构的技术实现，应用架构、数据架构、技术架构和物理架构存在着互动，同时不同层次的架构之间也会相互联系。源网荷储交易流程如图5所示。图5源网荷储交易流程图5、仿真模拟验证5.1仿真数据算例选用2个仿真清洁能源电厂，分别为淮安光伏电站，发电机号G1(20MW）；南通风电场，发电机号G2(200MW）。选用两个仿真储能电站，分别为淮安储能电站，用户号S1(20MW,40MWh）电压级110kV；镇江储能电站，用户号S2(101MW,202MWh）电压级220kV。以当前电力市场平均价格为依据，规定输电价为0元/MWh,110kV电压条件下配电价为183元/MWh,220kV电压条件下配电价为168元/MWh。交易中最低报价为0元/MWh，最高报价为600元/MWh；允许跨地区交易和部分电力成交；遵循电价优先、时间优先原则，出清电价以买卖方成交中间价为准。5.2仿真结果分析对3个交易品种开展仿真算例检验，其中清洁能源受限电量调节服务交易的算例结果如图6和图7所示。图6市场消纳总需求分析图6列出了48点购售电需求曲线，可以直观看出清洁能源的消纳需求远远高于储能申报容量，仅在时段（9:00-19:00）存在全部消纳的可能性。图7市场出清价格图7列出了出清价格。从图中可以看出光伏电站G1的清洁能源消纳体量小，报价低，能够通过储能设备全部消纳；风电场G2由于体量巨大，远超储能电站消纳需求，在部分时段（17:30-18:00）不能全部中标。6、示范工程正式交易实践案例在交易品种、机制和交易流程经过仿真验证的基础上。江苏创建了清洁能源受限电量调节服务交易、平抑清洁能源出力波动交易、清洁能源偏差电量交易3个交易品种的交易机制，应用本文提出的方法开发了交易系统，并开展了相关交易品种的示范交易。实现了交易组织、电费结算、偏差考核在内的交易全路径的打通，形成了可复制可推广的交易机制和商业模式。示范工程实践案例如下。6.1清洁能源受限电量调节服务交易2019年11月20日，江苏电力交易中心有限公司在金湖组织了交易的相关培训并开展受限电量正式交易。对淮安地区市场成员进行清洁能源消纳受限电量调节服务交易。由于江苏省清洁能源是全额消纳，不存在被弃情况，但考虑今后发生清洁能源被弃的可能情况，本文提出了清洁能源受限电量调节交易机制和算法。在实际交易过程中，采用预先设定部分清洁能源模拟被弃电量参与交易，以验证机制和交易系统。具体为：2家清洁能源企业和1家储能电站开展正式交易，市场成员对11月21日12:00-13:00与11月22日12:00-13:00的8个时段进行了申报并执行拼电算法进行出清，达成交易量3.5MWh，最大调节电力2MW，成交电价200元/MWh、提供清洁能源受限电量消纳调节服务2h。实现了被弃清洁能源的有效消纳。6.2平抑清洁能源出力波动调节服务交易2019年11月15日在苏州协鑫光伏科技有限公司组织了平抑挂牌正式交易，对苏州地区市场成员进行清洁能源消纳平抑出力波动挂牌交易，1家清洁能源企业和1家储能电站开展正式交易，清洁能源企业申报了11月16日平抑出力服务，储能电站于11月16日提供上下调节服务，调节时段为11月16日14:00-17:00，总调节电量为4.0295MWh，最大调节电力2MW，成交电价75元/MWh。促进了清洁能源消纳，提高了储能企业的盈利能力。6.3清洁能源之间偏差电量交易2019年12月1日—12月3日，江苏省3家清洁能源企业黄海、如海、丰海开展了清洁能源间偏移预测曲线的偏差电量交易，达成交易量508.43MWh，最大调节电力35.68MW，实际成交均价98.1元/MWh。具体交易情况如下：(1）黄海和丰海分别对如海提供23.5625MWh和63.63MWh的上调服务以及9.68MWh和74.8475MWh的下调服务，如海电厂总计减免257.58元的偏差考核费用。(2）如海和丰海分别对黄海提供9.6275MWh和48.4025MWh的上调服务以及23.5625MWh和34.145MWh的下调服务，黄海电厂总计减免173.61元的偏差考核费用。(3）黄海和如海分别对丰海提供34.145MWh和74.85MWh的上调服务以及48.35MWh和63.63MWh的下调服务，丰海电厂总计减免331.46元的偏差考核费用，提高了清洁能源企业的盈利能力。7、结束语本项目依托源网荷储互动交易示范工程，针对过往研究对用户侧储能与可调负荷的考虑较少的问题，在以下3个方面做了相关研究：一是扩大试点交易对象，进一步挖掘用户侧柔性负荷调节潜力，以市场机制推进柔性负荷参与清洁能源消纳，创建可复制可推广的柔性负荷参与电力市场互动典型解决方案。二是扩大交易试点范围，按照局部-地市-全省的路径和资源共享的思路，实现全局资源的优化配置。三是进一步优化提升源网荷储互动市场化清洁能源消纳交易的技术支持平台，以平台建设支撑源网荷储互动资源的大范围汇集。本文提出了考虑清洁能源消纳，适应源网荷储互动交易的双层电力市场结构，提出了3个交易品种和时间分段连续航空机票超售出清的“黑盒”出清算法，并通过仿真算例检验和实际市场结算运行实证，验证了本文所提算法、方案的可行性，实现了清洁能源消纳能力的提高，同时提高了市场主体的盈利能力，同时验证了本文所提算法、方案的验证了可靠性和可复制性，实现了交易全路径的打通。D参考文献：[1]中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要[N].人民日报,2016-03-18(001).[2]李建林,马会萌,袁晓冬,等.规模化分布式储能的关键应用技术研究综述[J].电网技术,2017(10):289-299.[3]张艺渊,江岳文.多种需求响应和日前小时电价优化促进风电接纳研究[J].电工电能新技术,2018,37(1):57-65.[4]王文天.电网企业“源网荷储”友好互动系统运行管理体系[J].科技创新导报,2018,15(21):59-61.[5]国家电网有限公司网站.国网江苏电力连续13年实现新能源全额消纳[J].电力安全技术,2019,21(1):45.[6]史连军,周琳,庞博,等.中国促进清洁能源消纳的市场机制设计思路[J].电力系统自动化,2017,41(24):83-89.[7]刘飞,陶昕,张祥成,等.基于电网消纳能力的新能源发展策略研究[J].电气技术,2019(6):50-55.[8]史连军,邵平,张显,等.新一代电力市场交易平台架构探讨[J].电力系统自动化,2017,41(24):67-76.冯迎春,李雪松,范洁,蒋宇.考虑清洁能源消纳的源网荷储互动交易实践[J].电力需求侧管理,2020,22(06):69-74.基金:国家电网公司信息化项目(7110011900JX);国网江苏省电力有限公司科技项目(J2020010).