抽水蓄能电站参与现货-调频辅助服务市场决策优化方法

技术领域

本发明属于新能源技术领域，尤其是涉及一种抽水蓄能电站参与现货-调频辅助服务市场的决策优化方法。

背景技术

抽水蓄能作为一种新型灵活市场主体参与现货市场交易具有能量价值、容量价值以及辅助服务等多重价值。抽水蓄能根据其特性可以同时参与不同的市场交易，其能量价值可以在主能量市场通过“高发低抽”获利，并起到削峰填谷的作用；其容量价值以及响应迅速等特性可以参与调频辅助服务获取收益。抽水蓄能提供不同的能源服务，并根据相应的价格机制获得收益。不同的市场与各种服务之间相互耦合，相互影响，需要统筹协调抽蓄资源优化分配，进而优化抽蓄收益和社会效益。在现货市场机制不断健全的条件下，抽蓄参与电力市场的运营策略和交易模式也变得更加复杂。

抽水蓄能电站在不同市场中的容量分配方案，将直接影响到电站的运行收益，当前抽水蓄能电站在各个市场中并未形成科学的容量分配结果，导致电站的运行效率低下。因此，抽水蓄能电站的容量分配决策有待进一步优化，但当前少有研究关注到该方面。

目前，关于抽水蓄能电站的研究主要是围绕竞价策略和运行方式方面进行。文献《电力市场环境下抽水蓄能参与电能量市场的优化运行策略》建立了抽水蓄能参与电能量市场的二次型优化模型,所提模型能减少优化运行时间,并且能帮助运营商在电能量市场中获得更大的期望收益；文献《抽水蓄能电站参与电力现货市场竞价多日滚动优化运行方法》采用多日滚动优化方法建立模型，通过多日滚动优化方法计及交易日末时段剩余水量的优化，提升抽水蓄能电站的收益；文献《基于合作博弈论的风储联合参与现货市场优化运行策略》采取多风电与抽水蓄能电站联合参与日前和实时平衡市场的市场模式，提出兼顾实时平衡收益风险的多风电与储能联盟的日前最优竞标策略。

然而上述文献的研究，大多都针对单个类别电力市场开展研究，未能考虑多个市场中抽水蓄能电站的运行方式，对于抽水蓄能电站的经济运作具有局限性。

此外，如公开号：CN113904324A公开了一种电力现货市场环境下对抽水蓄能机组的调度方法,并通过数值建模进行仿真,验证了抽水蓄能机组在该调度方法下能够平抑现货市场出清电价,实现与各市场机组高效协同运行；公开号：CN112909933A建立含抽水蓄能机组的日内滚动优化调度模型，得到每个日内滚动周期的机组修正计划运行曲线,实现抽水蓄能机组的按需调度；公开号：CN112258302A在模拟仿真电能量市场中,基于序贯博弈抽水蓄能电站同各市场竞价参与主体展开竞价交易；得出抽水蓄能电站未来一天各个时刻的报价与报量策略曲线；公开号：CN110443645A一种基于电力现货市场的抽水蓄能机组运行策略模型建立方法；公开号：CN111047114A公开了一种抽水蓄能机组在日前电力现货市场的双层竞价优化方法，通过遗传算法寻优迭代过程,直至输出最优的抽水蓄能机组报价及容量优化结果。但是上述发明主要针对抽水蓄能电站在电能量现货市场中的调度方法、经营策略，没有考虑到调频市场对抽水蓄能电站调度计划的影响。

文献《抽水蓄能电站主辅市场容量分配模型及竞价策略研究》对抽水蓄能电站在电能量市场及调频市场的容量分配策略开展研究，但该文献未能考虑到容量补偿收益，容量补偿收益会对抽水蓄能的容量分配策略产生一定影响，且该文献的分析未能考虑到初始库容的影响。因此，当前抽水蓄能电站可根据自身容量情况确定充放电计划并参与电力系统调频服务，但抽蓄参与电能量-调频辅助服务市场的容量分配决策还有待进一步优化。

发明内容

本发明提供了一种抽水蓄能电站参与现货-调频辅助服务市场的决策优化方法，用以解决抽水蓄能电站如何在现货-调频辅助服务市场中寻求经济性最优的问题。需要特别说明的是，本发明中抽水蓄能电站是作为“价格接受者”参与市场，仅申报容量，不需申报价格参与市场竞争。

为了实现上述目的，本申请提出了一种抽水蓄能电站参与现货-调频辅助服务市场的决策优化方法，其特征为：包括如下步骤：

步骤1：构建抽水蓄能电站参与现货—调频辅助服务市场交易总体框架；

步骤2：以抽水蓄能电站参与市场综合收益最大化为目标，构建抽水蓄能电站参与现货—调频辅助服务市场优化模型，分配各时段中抽水蓄能电站在电能量现货与调频辅助服务市场中的容量；

步骤3：根据电能量现货与调频辅助服务市场各时段的市场出清价格，抽水蓄能电站分配可用容量参与各市场；

步骤4：根据市场出清价格与容量分配结果，计算抽水蓄能电站综合收益。

本发明还公开一种非易失性存储介质，其特征在于，所述非易失性存储介质包括存储的程序，其中，所述程序运行时控制非易失性存储介质所在的设备执行上述的方法。

本发明还公开一种电子装置，其特征在于，包含处理器和存储器；所述存储器中存储有计算机可读指令，所述处理器用于运行所述计算机可读指令，其中，所述计算机可读指令运行时执行上述的方法。

有益效果

本发明在目标函数中考虑到了抽水蓄能电站的综合收益，包括电能量市场收益、调频市场收益、容量补偿收益，能够更加贴合实际地从电站运营者角度制定容量分配计划；相较于传统经验分配模式，本发明制定的容量分配计划能够提高抽水蓄能电站的经济性，提高抽水蓄能电站的运行效率。

附图说明

图1抽水蓄能电站参与现货—调频辅助服务市场交易总体框架；

图2电能量现货市场出清价格预测；

图3调频里程价格曲线；

图4优化前抽水蓄能电站参与多类市场容量分配图；

图5优化后抽水蓄能电站参与多类市场容量分配图。

具体实施方式

一种抽水蓄能电站参与现货-调频辅助服务市场的决策优化方法，其特征为：包括如下步骤：

步骤1：构建抽水蓄能电站参与现货—调频辅助服务市场交易总体框架；

根据抽水蓄能机组出力曲线和系统电价的关系，可以将抽水蓄能参与多类市场联合优化模型进一步划分为价格接受者模型和价格决定者模型。当抽水蓄能参与市场后对系统电价影响较小时，认为其在市场中作为价格接受者，反之认为其在市场中作为价格决定者。本发明采用价格接受者模型进行建模，主要原因有三个：

第一，由于系统负荷需求、辅助服务需求往往较大，而抽水蓄能提供的比例较小，通常认为抽水蓄能在市场中作为价格接受者。

第二，在完成成熟的电力市场中，无论是电能量市场还是辅助服务市场，市场份额、运行机制、运行环境、竞争对手将发生重大变化，竞争关系和激烈程度难以预判，导致缺少形成竞争性市场价格的关键参数，因此将抽水蓄能视作价格接受者，仅对价格进行预测。

第三，价格决定者模型较为复杂，常用的建模思路是寻找辅助服务市场电价和抽水蓄能出力之间的函数关系，进而通过双层优化的方法进行求解，由于价格决定者模型较为复杂，也容易带来较大的误差。

因此，本发明考虑抽水蓄能电站以“价格接受者”的方式参与市场竞争，其根据自身容量情况确定充放电计划并参与电力系统调频服务，并构建抽水蓄能电站参与现货—调频辅助服务市场交易总体框架。在交易框架中，抽水蓄能电站接受电能量市场与调频市场的价格信号，根据自身情况分配容量参与电能量市场与调频市场；电站根据容量分配方案参与市场，在两个市场中根据输出功率与市场价格计算电量收益与调频收益，再依据市场机制进行出清结算。抽水蓄能电站参与现货—调频辅助服务市场交易总体框架如图1所示。

步骤2：以抽水蓄能电站参与市场综合收益最大化为目标，构建抽水蓄能电站参与现货—调频辅助服务市场优化模型，分配各时段中抽水蓄能电站在电能量现货与调频辅助服务市场中的容量；

在制定抽水蓄能电站容量分配方案时，运营商最重视的是总收益的多少。因此，本发明首先通过计算抽水蓄能电站参与市场综合收益，并以综合收益最大化作为模型的目标函数，综合效益由抽水蓄能电站在电能量、调频辅助服务市场及容量补偿的收益构成；其次，根据抽水蓄能运行特性以及在实际运行中面临的限制，添加功率约束、库容约束、功率与库容容量关系约束作为约束条件；最终，得到抽水蓄能电站参与现货—调频辅助服务市场优化模型，其具体形式如下：

(1)目标函数

抽水蓄能电站参与市场进行购电、售电、调频，是以经济利润最大化为目标。抽蓄机组的收入是发电销售收入、调频收入及容量补偿收入，变动成本包括购电成本和电站的运行成本。购电成本视为抽蓄机组的“燃料成本”，而运行成本是由抽发损耗引起的电量减少所产生的成本。抽水蓄能的目标函数为：参与电能量市场、调频市场及容量补偿的收入总和减去购电成本。抽发损耗不在目标函数中考虑，而是在约束条件中考虑。

式中，R

(2)约束条件

抽水蓄能运行约束的表达式分为三个部分：功率约束、库容约束、功率与库容容量关系约束。

1)功率约束

抽水蓄能在时段t只能发电或抽水，但调频可以在任意时刻提供，因此须满足公式(2)。

在发电时段内，发电容量与调频容量之和不得超过最大发电容量，见式(3)。

式中，g

在抽水时段内，抽水容量与调频容量之和不得超过最大抽水容量，见式(4)。

式中，d

式(5)～(7)是抽水工况和发电工况不能同时进行的约束。

发电功率、抽水功率、调频容量需满足非负约束，见式(8)。

抽水蓄能提供调频服务容量不能超过一定容量，见式(9)。

式中，μ为抽蓄机组参与调频市场的容量上限比例。

2)库容约束

在优化周期T的首末时刻，抽水蓄能的水库库容水必须相等，用公式(10)表示。抽水蓄能在抽水/放水过程中，水库库容必须介于最大库容V

V

V

式中：V

3)抽水蓄能库容与功率之间的关系约束

抽水蓄能在t+1时段的库容V

式中，α是抽水蓄能发电或抽水转化为库容的系数，η

根据上述模型，可以得出抽水蓄能电站在优化周期内，每个时段的抽水电量

步骤3：根据电能量现货与调频辅助服务市场各时段的市场出清价格，抽水蓄能电站分配可用容量参与各市场；

考虑到当前我国现货市场的价格信号尚未形成，当前市场电价没有真实反映实际的电力供求关系。因此，本发明现货市场价格与调频里程价格均采取美国PJM某一日的价格曲线为例进行分析。电能量市场的出清价格曲线呈现“双峰”的趋势，在6:45分左右达到最高价653元/MWh，在12:30时达到最低价226元/MWh，辽宁省市场出清预测的均价为409元/MWh，最大峰谷比约为2.89。具体的电能量市场出清价格如图2所示。

调频市场中不区分上调频和下调频，调频容量按12元/MW的固定价格进行补偿，调频里程价格是市场竞争价，在24小时内波动。调频里程价格曲线同样呈现“双高峰”的特征，在5—9时达到第一次高峰；在13—15时达到一天中的最低价13元/MW；在20时达到一天内调频里程价格高峰是42元/MW。具体的调频里程价格曲线如图3所示。

通过以上电能量市场、调频市场的价格曲线，对抽水蓄能电站的容量进行分配，通过仿真分析得出容量分配结果，从而计算抽水蓄能电站综合收益。结果显示，抽水蓄能的运行优化结果为抽水蓄能的总发电时长为6小时，分别为时段1、时段5～8、时段18～20，一天内总发电量为4456.41MWh。抽水总时长为9小时，分别为时段2～4、时段12～14、时段22～23，一天内总抽水电量为4911.52MWh。抽蓄机组全天都在提供调频辅助服务，调频容量申报上限为额定容量的3％～10％，申报容量上限为120MW。发电工况下提供调频辅助的容量总和为950MW，抽水工况下提供调频辅助的容量总和为1580MW。在整个运行过程中，抽水蓄能在时段17h时达到了库容最大值，在时段8h时达到了库容最低值，优化周期末的库容为800MWh，和初始库容相等。具体的容量分配计划图如图4所示。

步骤4：根据市场出清价格与容量分配结果，计算抽水蓄能电站综合收益。

根据抽水蓄能电站容量分配结果，结合电能量市场、调频辅助服务市场价格曲线及容量补偿价格，对应相乘可得出抽水蓄能电站综合收益。为了体现本发明所提优化模型的优越性，选择经验容量分配方案进行对比，该模式是根据专业人员的判断得出的容量分配方案。该方案下，抽水蓄能的总抽水时长为12小时，分别为时段1～7时段，时段10、时段11，时段16，时段21、时段22，一天内总抽水量为4811.52MWh。发电总时长为8小时，分别为时段8、时段9，时段12，时段17-20和时段23，一天内总发电量为5956.41MWh。抽蓄机组全天都在提供调频辅助服务，其中发电工况下提供调频辅助的容量总和为784MW，抽水工况下提供调频辅助的容量总和为1354MW。在整个运行过程中，抽水蓄能在时段8时达到了库容最大值，在时段23h时达到了库容最低值，优化周期末的库容为500MWh，和初始库容相等。经验分配的具体方案如图5所示。

根据上述两种分配模式的容量分配结果，可以计算出抽水蓄能参与市场的经济效益(如表1所示)。经计算，日优化抽蓄机组参与市场后日总利润为59.73万元，其中，电能量市场日收入205.83万元、调频容量日收入3.04万元、调频里程日收入20.28万元、每日购电成本169.42万元。而同一抽水蓄能电站若分别参与多类市场模式，其日均经济效益是56.83万元，其中电量电费日均收入217.53万元、调频容量日收入2.3万元、调频里程日收入13.8万元、日均购电成本176.8万元。

表1抽水蓄能电站优化前后经济效益比较

从表1中可以看出，优化模式下电站在电能量市场的收入较低，原因是抽水蓄能电站预留较多容量提供调频辅助服务，从而该模式下的调频容量及调频里程收入都高于分别原有模式。此外，经优化后市场中的购电成本更低，从而增加了抽水蓄能电站的经济收益。

综上，针对抽水蓄能电站在各类市场中容量分配不合理的问题，本发明通过建立现货—调频辅助服务市场决策优化模型，考虑抽水蓄能电站各时段在各市场中的获益可能，从而制定出最优的容量分配方案。经优化后虽然抽水蓄能电站的发电时长有所减少且抽水时长增加，但抽水蓄能电站将更多的容量分配到了调频服务市场；调频服务对于电量的消耗较低，且能够获取调频容量、里程双重收益，更能体现抽水蓄能电站在电力系统中的价值。从结果来看，优化后抽水蓄能电站的容量分配方式更加合理，且有利于保障抽水蓄能电站的稳定运作，激发抽水蓄能电站的多重效用。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。