现货交易中梯级水电站竞价上网的研究

电力18讯：    1  引言
    水是可再生的洁净能源，为了充分利用水利资源，探讨电力市场运作模式下的水电运营具有重要意义。目前我国已经设立了几个电力市场试点，取得了一些符合我国国情的经验，但是对于水电如何参与竞价上网，研究不多，值得关注。
    文[1]提出了分组竞价的交易模型：在我国电力市场初期，根据参与电力市场的各电厂的机组类型、还贷计划、发电成本的差异，可将发电公司分成若干个竞价上网组。为了保证引入电力市场竞争机制后，防止发电公司的报价偏离其成本的过度投机，在各组内设置最高限价。文[2]提出了发电侧电力市场逐步市场化的竞价模型。本文将水电系统视为一个独立的竞价子集，其内部按照购电费用最低的原则竞价上网。
    目前所说的电力市场交易决策，是交易与运行决策的统一，是保证系统安全性和经济性的优化调度。同时，在水火电混合电力系统的现货交易中还应该满足旋转备用的要求。梯级水电站在与火电系统协调时，首先应在满足系统旋转备用的前提下，配合火电竞价上网。为充分利用水资源，在各梯级水电站之间优化分配出力，使火电的购电费用最低；然后，梯级水电站参与水电竞价子集内部的竞价上网，使水电的购电费用最低。其中隐含的效益有：避免或最少弃水以便充分利用水力资源，充分利用水头效益使水轮机的效益最高，最大限度地承担调峰任务，保持火电机组出力平稳，减少火电机组的启停次数。
    梯级水电站之间不仅存在着电的联系，还存在着水的联系，其运行是一个具有复杂约束条件的非线性优化问题。目前求解这一问题的算法有：拉格朗日乘子法[3]、动态规划法[4]、网络流法[5]、遗传算法(GA)[6]等。上述算法虽各有所长，但由于拉格朗日乘子法难以处理诸多的约束条件，其迭代计算难以收敛；动态规划法容易陷入“维数灾”；遗传算法不易收敛。本文采用网络流法求解，其优点在于它能针对不同的约束建立不同的网络模型，适合于求解包含梯级水电站的高维、多约束、非线性水火电调度问题。
2  市场运营机制下影响水电电价的因素
    本文中电力市场采用如下模式：把单一购买、市场管理和系统运行的功能集合到一个部门，这里称为电力交易中心（PX），由此将发电和输电分离开来。
    除了人们已经熟知的管理费，输、配电损失费，发、输、配电维修费，设备更新费，发、输、配电发展及还贷费用之外，还有一些影响水电电价的因素，其中最重要的是水价。过去人们认为水电的运行成本几乎为零，然而由于现在的工农业用水水价过低（据有关文献：非农业用水的水价是0.03元/m3），致使大量的水能资源浪费。作为商品，水的价格与价值严重背离，因此，发电用水计费制度的改革势在必行。另外水库中的水来自降水或者融雪，而现货电价与水库库容成反比例的关系[7]，即缺水时，现货水电价格就要上涨，可见电价还与降水、季节因素相关。
    另一个影响水电电价的因素是水电机组的启停费用。虽然水电机组的启停费用相对于火电机组来说很小，但文[8]通过对瑞典水电公司的研究发现，诸多因素会影响水电机组的费用，其中最主要的是机组维护费用和由于启停影响水轮机组的寿命。维护费用在很大程度上取决于启停次数。文[9]指出，机组每次启停会减少机器的使用寿命10~15h，实际上一台机组平均每年启停150次，寿命会减少20%。因此从长远角度来看，启停费用也是不能忽视的。
    在水电机组向电力交易中心申报电价时，应该在运行成本中计入上述两种费用。
3 水电定价方法
    目前我国电力市场竞价上网广泛采用的方法是市场出清价法。市场出清价方法即发电公司向电力交易中心提交次日某一交易时段的最大可用容量和相应发电报价，交易中心按发电企业的报价从低到高进行排序，按此顺序累加各发电机组所报可用容量，直到与该时段预测负荷平衡，确定该交易时段发电机组的加载顺序，最后加载的机组为该交易时段的边际机组，其报价即为系统的出清电价，所有发电机组均按照此电价结算。
    在电力市场环境下，每个发电厂商的目标是获得最大的利润。因为水电机组是受限机组，所以每个水电厂商都有在负荷低谷时段容量持留的倾向。在这种情况下，如果按照出清价方法来确定各时段的发电机组的加载顺序和加载容量，无法克服发电机组的容量持留倾向。因此本文对梯级水电站内部竞价上网采用的竞价方法是：协调考虑梯级水电站之间加载容量，各梯级水电站按照各自的实际报价结算。由于梯级水电站的建设期很长，上下级的投资方式有很大的差别，因此容量电价相差很大，按照各自报价结算也有利于新建水电站投资的回收。
4 现货交易中梯级水电站优化模型
4.1  梯级水电站的现货交易
    电力市场现