一种基于配额制考虑风险的两级电力市场优化运行方法

技术领域

本发明属于电力市场研究领域，涉及一种基于配额制考虑风险的两级电力市场优化运行方法。

背景技术

随着可再生能源的大规模发展，可再生能源消纳问题日益突出。可再生能源配额制(renewable portfolio standard,RPS)是一国或地区政府以法律形式对可再生能源发电或消费的市场份额制定的强制性法规。它可以减轻政府的财政压力，鼓励对可再生能源的投资并促进可再生能源的消纳，并且已在许多国家或地区得到有效实施。

为了使得消纳责任主体完成消纳考核责任，除了需要协调好本地可再生能源的生产、消纳，更需要研究如何充分利用市场化手段基于RPS促进可再生能源的跨省跨区消纳，实现省内的消纳责任主体与省外的可再生能源发电商之间的市场交易。

目前关于我国RPS的研究主要集中于对国外配额制经验的介绍、配额制的市场均衡分析、配额制体系的设计与仿真。而对于配额制背景下的两级电力市场购电模型研究较少，并且传统的两级电力市场优化运行模型存在以下问题：

(1)传统的两级电力市场优化运行模型没有考虑可再生能源配额制即没有考虑省内市场主体的新能源消纳需求，这并不符合当前我国实施可再生能源配额制的现实要求。

(2)传统的两级电力市场优化运行模型没有很好地说明和度量购电风险，这并不符合实际电力系统运行情况。

发明内容

本发明的目的在于针对配额制背景下省间-省内两级电力市场联合运行建模研究不足的问题，同时考虑两级电力市场的购电风险，提出一种基于配额制考虑风险的两级电力市场优化运行方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于配额制考虑风险的两级电力市场优化运行方法，包括以下步骤：

采集省内电力市场购电成本、场景下的市场运行成本和概率、可再生能源机组、传统能源机组和备用机组的报价、绿证价格、可再生能源机组、传统能源机组和备用机组的出清量以及绿证购买量，以省内市场运行成本最小为目标，建立上层模型；

将省内电力市场运行成本期望与省内市场运行成本CVaR指标作为优化目标，将上层模型转化为多目标优化问题；

通过引入风险厌恶因子根据多目标优化问题，建立上层问题优化模型；

采集省间可再生能源购电成本、省外可再生能源机组报价以及输电通道的输电费用，以省间新能源购电成本最小化为目标函数，建立下层模型；

通过KKT条件将下层模型转化为上层问题优化模型的线性约束，并求解，根据求解结果促进新能源的消纳，降低省间的新能源交易出清价格以及市场的运行成本。

本发明进一步的改进在于，上层模型的目标函数为：

式(1)中，π

上层模型的约束条件有：

式(2)为上层模型的电量平衡约束，

式(3)为系统备用约束，α表示省级电网的备用系数；

式(4)为配额约束，β表示受端省的配额比例；

式(5)、式(6)为可再生能源机组、传统能源机组的出力约束，

式(7)、式(8)为可再生能源机组、传统能源机组的爬坡约束；

式(9)为可再生能源电力保障性收购约束；γ表示保障性收购比例系数；

式(10)中，

式(11)为决策变量非负性约束。

本发明进一步的改进在于，多目标优化问题如下所示：

式中，π

本发明进一步的改进在于，上层问题优化模型具体如下：

其中δ表示风险厌恶因子；

约束条件为：

式(2)为上层模型的电量平衡约束，

式(3)为系统备用约束，α表示省级电网的备用系数；

式(4)为配额约束，β表示受端省的配额比例；

式(5)、式(6)为可再生能源机组、传统能源机组的出力约束，

式(7)、式(8)为可再生能源机组、传统能源机组的爬坡约束；

式(9)为可再生能源电力保障性收购约束；γ表示保障性收购比例系数；

式(10)中，

式(11)为决策变量非负性约束；

式(14)中，V

本发明进一步的改进在于，省内市场运行成本CVaR指标的优化目标函数为：

式(12)中，C

本发明进一步的改进在于，下层模型的目标函数如下：

式(15)中，π

下层模型的约束条件有：

式(16)为省间可再生能源交易电量平衡约束，η

式(17)为省间输送通道容量约束，

式(18)为省外可再生能源机组出力约束，

本发明进一步的改进在于，KKT条件如下：

式(21)为对偶问题约束；

式(22)为松弛互补定理约束；

式(23)为拉格朗日函数梯度为零的约束。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：

本发明通过研究配额制背景下考虑购电风险的两级电力市场优化运行模型，达到了以下一些有益的效果：根据配额制背景下两级电力市场的运行框架及其双层优化问题，分别建立了省内电力市场和省间可再生能源交易市场的优化购电模型，然后基于条件风险价值理论建立考虑购电风险的双层优化问题；通过分析省内出清情况、省间购电价格和不同配额比例、不同绿证价格下的市场运行成本验证了本发明的有效性和实用性。

附图说明

图1为两级电力市场下的双层优化问题图。

图2为省内风电、光伏、负荷和省外可再生能源预测图。

图3为省内不同类型机组出清图。

图4为省间可再生能源交易结果图。

图5为不同配额比例不同绿证价格下的市场运行成本图。

具体实施方式

下面结合附图和具体算例对本发明作进一步详细说明。

由于新能源出力具有波动性和不确定性的特点，本发明在配额制背景下建立两级电力市场优化购电模型的同时考虑购电风险。

本发明的可再生能源配额制背景下考虑购电风险的两级电力市场优化运行方法，采取分块建模，统一求解的思想，首先对配额制背景下的两级电力市场运行框架进行说明，重点在于说明省内电力市场和省间可再生能源交易市场的耦合和交互；在此基础上分别对省内电力市场和省间可再生能源电力市场进行建模，重点在于两级电力市场模型的构建；然后，基于条件风险价值理论构建考虑购电风险的两级电力市场模型；最后，运用拉格朗日对偶理论和线性化处理对模型进行求解，通过算例计算验证建模方法的有效性和实用性。其中有两大改进：第一、对配额制背景下省间-省内两级电力市场的优化运行模式进行了详细地说明；第二、考虑了新能源出力的波动性和不确定性，建立了度量购电风险的数学方法。综合考虑以上两点，建立了一种基于配额制考虑购电风险的省内-省间两级市场优化购电模型；具体包括以下步骤：

步骤I：基于配额制的两级电力市场运行框架：

对配额制背景下，省间可再生能源交易市场和省内电力市场的耦合进行说明，同时构建了基于配额制的两级电力市场运行框架。

步骤II：基于两级电力市场的双层优化模型：

基于两级电力市场运行框架构建双层优化模型，上层模型是省内电力市场优化购电模型，出清结果是省间可再生能源需求作为下层模型的参数，下层模型是省间可再生能源交易市场模型，出清结果是省间可再生能源出清价格作为上层模型的参数；基于条件风险价值理论，构建考虑购电风险的两级电力市场优化运行模型；

步骤III：基于拉格朗日对偶理论的数学求解和线性化处理：

运用拉格朗日对偶理论和线性化处理，对建立的两级电力市场优化运行模型进行求解；

更具体步骤如下：

1)建立基于配额制的两级电力市场运行框架

首先，省内各类消纳责任主体向省间可再生能源交易商上报各自的消纳需求，省间可再生能源交易商再结合省内可再生能源出力预测向国家电力交易中心申报省间可再生能源购电需求。国家电力交易中心通过组织送端省可再生能源机组参与省间可再生能源市场满足省间可再生能源需求，并且在交易出清后形成联络线的调度计划，作为省内电力市场的出清边界。两级电力市场下，省内消纳责任主体可以通过省内捆绑绿证的可再生能源交易、省内绿证交易获得消纳量，倘若在考核期内仍未完成要求，可以从国家超额消纳量交易二级市场和国家绿证市场购买超额消纳量和绿证以完成消纳考核。

由于省间可再生能源的购电需求、出清结果会影响省内电力市场的出清结果，两个市场是相互耦合的。因此，本发明将省内电力市场和省间可再生能源市场的出清模型分别设置为上下层问题，建立基于消纳责任权重的双层优化模型来验证两级市场的有效性。如下图1所示，上层问题为：基于RPS以目标运行成本最小的省内电力市场出清模型，下层问题为：以目标购电成本最小的省间可再生能源市场出清模型。上下层之间传递的决策变量分别为上层问题出清的省间可再生能源需求、下层问题出清的省间可再生能源价格。其中，上层模型中还考虑了消纳责任主体可以从国家绿色证书市场和国家超额消纳量市场购买绿证、超额消纳量。由于两者都可以计为等量的消纳量、消纳价值一致，因此模型中不区分绿证与超额消纳量，价格一致、计量一致。

2)建立基于配额制的两级电力市场双层优化模型

1、上层模型

采集省内电力市场购电成本、场景s下的市场运行成本和概率、可再生能源机组、传统能源机组和备用机组的报价、绿证价格、可再生能源机组、传统能源机组和备用机组的出清量以及绿证购买量；

基于采集的参数建立上层模型；

上层模型是基于消纳责任权重的省内电力市场出清模型，以省内市场运行成本最小为目标，目标函数为：

式(1)中，π

上层模型的约束条件有：

式(2)为上层模型的电量平衡约束，

式(3)为系统备用约束，α表示省级电网的备用系数。

式(4)为配额约束，β表示受端省的配额比例。

式(5)、式(6)为可再生能源机组、传统能源机组的出力约束，

式(7)、式(8)为可再生能源机组、传统能源机组的爬坡约束；

式(9)为可再生能源电力保障性收购约束；γ表示保障性收购比例系数。

式(10)中，

式(11)为决策变量非负性约束。

2、条件风险价值

条件风险价值(conditional value at risk,CVaR)是在风险价值(value atrisk，VaR)的基础上发展出来的一种投资风险计量方法。其含义为在投资组合的损失超过某个给定VaR值的条件下，该投资组合的平均损失值。本发明引入CVaR对省级市场运行成本进行风险管理，能够更好地反映潜在的风险损失。

设定置信水平为

式(12)中，C

3、考虑风险的上层优化模型

在计及风险的条件下，省间的可再生能源购电希望能使省内市场运行成本期望与风险指标尽可能小。依照这一思路，省内电力市场运行成本期望与CVaR指标作为优化目标，将上层问题转化为多目标优化问题。如下所示：

约束条件为(2)-(11)，(14)；

通过引入风险厌恶因子将多目标优化问题转化为单目标优化问题以便求解。因此，在计及CVaR指标后，最终的上层问题优化模型为：

约束条件为(2)-(11)，(14)，其中δ表示风险厌恶因子，其值表示风险厌恶程度。

4、下层模型

采集省间可再生能源购电成本、省外可再生能源机组报价以及输电通道l的输电费用；

根据采集的参数建立下层模型；

下层模型是以省间新能源购电成本最小化为目标函数：

式(15)中，π

下层模型的约束条件有：

式(16)为省间可再生能源交易电量平衡约束，η

式(17)为省间输送通道容量约束，

式(18)为省外可再生能源机组出力约束，

3)双层优化模型的求解与线性化处理

对于求解双层优化问题，常见的处理办法是通过KKT条件将双层模型转化为单层模型进行求解。因此，可以通过KKT条件将下层模型转化为上层问题优化模型的线性约束，以进行模型的求解。下层模型的KKT条件如下：

式(21)为对偶问题约束。

式(22)为松弛互补定理约束。

式(23)为拉格朗日函数梯度为零的约束。

因此，原双层优化问题可以转换为单层优化问题，如下：

约束条件为(2)-(11)，(14)，(21)-(23)

由(24)可以看出，由于目标函数中两个决策变量的乘法，模型是一个非线性优化问题。因此，本发明运用对偶理论对目标函数进行线性化处理，具体的推导过程如下：

根据对偶理论，下层问题的对偶问题为：

根据强对偶条件，原问题的最小值与对偶问题的最大值相等：

因此，非线性项为：

因此，原单层优化问题(24)可以转化为如下单层线性化问题：

约束条件为(2)-(11)，(14)，(21)-(23)。

根据求解结果促进新能源的消纳，降低省间的新能源交易出清价格以及市场的运行成本。

4)算例分析

下面以一个实际算例说明本发明的具体实施步骤。

图2为某省省内风电、光伏和省外可再生能源发电的预测信息，图2中各个曲线分别代表省内风电出力、光伏出力、省外一类风电、省外二类风电出力和省内负荷

本发明假设可再生能源出力和负荷需求的预测误差满足正态分布，方差为0.3，通过蒙特卡罗模拟抽样获得大量的场景，然后利用场景缩减技术获得了10个典型场景及其概率，如下表1所示。

表1典型场景及其概率

如图3所示，全省风电和光伏出力均达到最大发电量。这是因为RPS实施后，规定了购买的电力必须包含一定比例的新能源。风电和光伏发电成为稀缺资源，提高了购电者购买可再生能源的积极性，可再生能源的正外部性得以充分体现。

如图4所示，省间可再生能源交易的出清电量与省间可再生能源的需求是保持一致的。并且，送端报价最低的一类风电机组在低负荷时段(即2:00～6:00时段)以较低水平的电量出清，在3:00～5:00时段内，甚至以通道最低输送容量出清，这是由于省内各类型的机组要保证最小出力，导致省内新能源消纳空间不足；其余时段一类风电机组电量全部出清，出清结果与预测出力的变化情况保持一致。而二类风电机组是在08:00～16:00、17:00～20:00时段有出清电量。

从图5可以看出省间-省内两级市场的优化运行可以显著降低市场运行成本。但是消纳权重从21％开始，市场运行成本开始有较大幅度的升高；这是由于省间通道的输送限制使得省间的新能源交易也无法完成受端省份的配额要求，省内消纳责任主体需要额外购买绿证或超额消纳量。并且，随着配额比例、绿证价格的上升，购买绿证或消纳量的成本会大幅提高系统运行成本。

可以看出施行RPS能够有效激励市场主体消纳新能源的积极性，降低弃风弃光现象；基于RPS，省间-省内两级市场能够有效地降低总的市场运行成本，降低市场出清价格，实现新能源的跨省跨区消纳；在不同RPS配额比例和绿证价格下，市场运行成本可能大不相同，配额比例、绿证价格越高，市场运行成本越高。通过以上分析，本发明提出的基于配额制考虑风险的两级电力市场优化运行方法具有实用性和有效性。