中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：流域梯級(jí)水電是南方區(qū)域電力市場(chǎng)中重要的支撐性、調(diào)節(jié)性電源，在南方區(qū)域電力現(xiàn)貨市場(chǎng)中，流域梯級(jí)水電能充分釋放調(diào)蓄潛力，有效促進(jìn)保供電和新能源消納。
南方區(qū)域電力現(xiàn)貨市場(chǎng)是目前世界上唯一考慮梯級(jí)水電精確水力關(guān)系并與電力開展耦合出清的高階復(fù)雜電力現(xiàn)貨市場(chǎng)，首次觀察到梯級(jí)流域水電站之間，為了實(shí)現(xiàn)水資源的有效利用，在現(xiàn)貨市場(chǎng)出清過程中出現(xiàn)了低價(jià)調(diào)用和高價(jià)不調(diào)用情況。
實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，水電梯級(jí)關(guān)系的存在使得上下游之間形成了一種協(xié)作關(guān)系。為了量化這種協(xié)作關(guān)系，明確協(xié)作關(guān)系的權(quán)益，保障梯級(jí)水電在現(xiàn)貨市場(chǎng)中的合理收益，開展了本研究，并基于研究結(jié)果提出了一種可行的補(bǔ)償機(jī)制。
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梯級(jí)流域水力耦合聯(lián)系及水電運(yùn)行特性
梯級(jí)流域上下游之間的水力耦合聯(lián)系體現(xiàn)為：上游的發(fā)電用水流至下游，影響下游水庫(kù)水位；下游電站的部分發(fā)電能力也來自上游的用水。出于防洪、灌溉等需求，水電站的水庫(kù)水位必須控制在一定范圍內(nèi)。綜上，水電的運(yùn)行限制包括：（1）由于流域、水庫(kù)用水限制導(dǎo)致的水電發(fā)電出力上下限；（2）發(fā)電出力不得位于振動(dòng)區(qū)內(nèi)；（3）水庫(kù)水位上下限。
水庫(kù)水位控制原理體現(xiàn)了水電發(fā)電出力、發(fā)電流量和水庫(kù)水位的關(guān)系，如圖1所示：
圖1 水庫(kù)水位控制原理
圖1中，本級(jí)電站發(fā)電出力乘以耗水率后得到電廠發(fā)電流量，疊加本級(jí)電站泄洪流量后，形成本級(jí)電站的出庫(kù)流量，考慮本級(jí)電站上游入庫(kù)流量的影響后，得到本級(jí)電站的出、入庫(kù)流量，即可根據(jù)水庫(kù)特征計(jì)算得到本級(jí)電站的水庫(kù)水位變化量（水庫(kù)水位在小范圍內(nèi)變化，水庫(kù)可視為一個(gè)等面積柱體）。梯級(jí)水電運(yùn)行必須時(shí)刻滿足水庫(kù)水位控制約束。
可見，本級(jí)電站的水位同時(shí)受到本級(jí)電站出庫(kù)流量（包括發(fā)電、泄洪流量）和上游電站出庫(kù)流量、區(qū)間流量的影響，當(dāng)本級(jí)電站水位即將達(dá)到水位上限時(shí)，為了避免開閘泄洪，上游電站可以停止發(fā)電放水，緩解本級(jí)水庫(kù)水位的上升；當(dāng)本級(jí)電站水位即將達(dá)到水位下限時(shí)，上游電站可以通過增加發(fā)電放水，避免本級(jí)水庫(kù)水位突破下限，“缺水”停機(jī)無(wú)法發(fā)電。
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梯級(jí)水電在現(xiàn)貨市場(chǎng)中低價(jià)調(diào)用的原因
南方區(qū)域電力現(xiàn)貨市場(chǎng)中，機(jī)組所在節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)電價(jià)含義為：機(jī)組所在節(jié)點(diǎn)新增一單位負(fù)荷需求引起的系統(tǒng)總成本增加量。一般而言，機(jī)組的節(jié)點(diǎn)電價(jià)應(yīng)高于其報(bào)價(jià)，避免機(jī)組按節(jié)點(diǎn)電價(jià)發(fā)電面臨虧損。但當(dāng)下游電站的水位達(dá)下界時(shí)，本級(jí)電站的節(jié)點(diǎn)電價(jià)可能降低，甚至低于其報(bào)價(jià)，原理如圖2所示：
圖2 梯級(jí)水電低價(jià)調(diào)用原理
圖2中，本級(jí)水電站發(fā)電報(bào)價(jià)較高，為500元/兆瓦時(shí)；下游水電站發(fā)電報(bào)價(jià)較低，為100元/兆瓦時(shí)，兩級(jí)電站位于相鄰節(jié)點(diǎn)，且節(jié)點(diǎn)間線路無(wú)阻塞。
按照現(xiàn)貨市場(chǎng)以全系統(tǒng)發(fā)電成本最小為目標(biāo)進(jìn)行出清，應(yīng)優(yōu)先調(diào)用下游電站發(fā)電來平衡本級(jí)電站和下游電站節(jié)點(diǎn)的新增負(fù)荷，但下游電站水位已達(dá)下限，無(wú)水可發(fā)。此時(shí)，通過增加高價(jià)的本級(jí)電站發(fā)電出力，向下游電站補(bǔ)水，使得下游電站恢復(fù)發(fā)電能力，全系統(tǒng)發(fā)電成本最小。例如，為平衡節(jié)點(diǎn)新增的1兆瓦負(fù)荷，本級(jí)電站和下游電站均增發(fā)0.5兆瓦，因此本級(jí)電站和下游電站節(jié)點(diǎn)電價(jià)均為：0.5×100+0.5×500=300元/兆瓦時(shí)。
對(duì)于本級(jí)電站，按300元/兆瓦時(shí)的電價(jià)發(fā)電將面臨虧損；對(duì)于下游電站，雖然節(jié)點(diǎn)電價(jià)高于其報(bào)價(jià)，但其部分發(fā)電能力來源于本級(jí)電站的補(bǔ)水，節(jié)點(diǎn)電價(jià)并非完全由其報(bào)價(jià)形成。造成這一類梯級(jí)水電低價(jià)調(diào)用的本質(zhì)原因是：現(xiàn)貨市場(chǎng)出清程序?qū)⒈炯?jí)電站和下游電站“整合”成了同一臺(tái)機(jī)組，根據(jù)這臺(tái)機(jī)組的綜合發(fā)電報(bào)價(jià)（300元/兆瓦時(shí)）確定了節(jié)點(diǎn)電價(jià)，但節(jié)點(diǎn)電價(jià)無(wú)法反映本級(jí)電站向下游補(bǔ)水的貢獻(xiàn)。為此，南方區(qū)域電力市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)團(tuán)隊(duì)提出了面向梯級(jí)水電的現(xiàn)貨市場(chǎng)收益補(bǔ)償方案，合理反映各級(jí)電站發(fā)電用水、平衡負(fù)荷的貢獻(xiàn)，確保梯級(jí)水電按現(xiàn)貨價(jià)格發(fā)電不會(huì)面臨虧損。
梯級(jí)水電參與南方區(qū)域電力現(xiàn)貨市場(chǎng)的實(shí)踐過程中，還發(fā)現(xiàn)了其他水力方面約束生效，引起水電節(jié)點(diǎn)電價(jià)量?jī)r(jià)不匹配的情況。
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梯級(jí)水電現(xiàn)貨市場(chǎng)收益補(bǔ)償方案
對(duì)于因下游水位達(dá)下界而面臨低價(jià)調(diào)用的本級(jí)電站，其補(bǔ)償費(fèi)用的計(jì)算需要確定2個(gè)關(guān)鍵數(shù)值：應(yīng)補(bǔ)償電價(jià)和應(yīng)補(bǔ)償電量。
（1）應(yīng)補(bǔ)償電價(jià)
計(jì)算應(yīng)補(bǔ)償電價(jià)的關(guān)鍵是厘清下游水庫(kù)水位達(dá)界對(duì)本級(jí)電站節(jié)點(diǎn)電價(jià)產(chǎn)生的影響。下游水庫(kù)水位下限約束影子價(jià)格的內(nèi)涵是：放寬一單位的水位下限約束，能節(jié)省的系統(tǒng)總成本量，這恰恰反映了水位下限約束對(duì)本級(jí)電站節(jié)點(diǎn)電價(jià)的影響量。因此，首先根據(jù)本級(jí)電站耗水率和下游水庫(kù)水面面積，計(jì)算下游水位下限約束的影子價(jià)格對(duì)本級(jí)電站節(jié)點(diǎn)電價(jià)的影響量：
影響量=下游水位下限約束影子價(jià)格×本級(jí)電站耗水率÷下游水庫(kù)水面面積
然后，計(jì)算本級(jí)電站調(diào)整后的節(jié)點(diǎn)電價(jià)：
本級(jí)電站調(diào)整后節(jié)點(diǎn)電價(jià)=本級(jí)電站原節(jié)點(diǎn)電價(jià)+影響量
需要說明的是，本級(jí)電站調(diào)整后的節(jié)點(diǎn)電價(jià)可能仍低于發(fā)電報(bào)價(jià)，即還存在其他系統(tǒng)約束導(dǎo)致低價(jià)調(diào)用的因素。但所述梯級(jí)水電的現(xiàn)貨市場(chǎng)收益補(bǔ)償方案目的是反映上下游之間的水力聯(lián)系和補(bǔ)水貢獻(xiàn)，因此除下游水位達(dá)下界外的低價(jià)調(diào)用因素在此不予考慮，如圖3所示。
圖3 梯級(jí)水電的“不補(bǔ)償電價(jià)”
圖3中，考慮下游水位下限約束影響，計(jì)算得到的調(diào)整后節(jié)點(diǎn)電價(jià)仍低于發(fā)電報(bào)價(jià)，其差值為“不補(bǔ)償電價(jià)”，應(yīng)補(bǔ)償電價(jià)為圖3中紅色矩形的寬值。應(yīng)補(bǔ)償電價(jià)反映了本級(jí)電站按節(jié)點(diǎn)電價(jià)發(fā)電面臨的“單位虧損”，因此還需要計(jì)算本級(jí)電站的“應(yīng)補(bǔ)償電量”，得到下游電站向本級(jí)電站返還的電費(fèi)。
（2）應(yīng)補(bǔ)償電量
首先，將不補(bǔ)償電價(jià)和原節(jié)點(diǎn)電價(jià)相加，得到含不補(bǔ)償分量的節(jié)點(diǎn)電價(jià)：
含不補(bǔ)償分量的節(jié)點(diǎn)電價(jià)=原節(jié)點(diǎn)電價(jià)+不補(bǔ)償電價(jià)
然后，根據(jù)含不補(bǔ)償分量的節(jié)點(diǎn)電價(jià)確定應(yīng)補(bǔ)償?shù)某隽?，如圖4所示：
圖4 確定本級(jí)電站應(yīng)補(bǔ)償出力的原理
圖4中，本級(jí)電站的報(bào)價(jià)共分為4段，其中含不補(bǔ)償分量的節(jié)點(diǎn)電價(jià)高于報(bào)價(jià)3但低于報(bào)價(jià)4，因此報(bào)價(jià)3的最大出力為不補(bǔ)償出力，應(yīng)補(bǔ)償出力計(jì)算公式如下：
應(yīng)補(bǔ)償出力=實(shí)際出力-不補(bǔ)償出力
最后，根據(jù)單時(shí)段發(fā)電出力和電量的數(shù)量轉(zhuǎn)換關(guān)系計(jì)算得到應(yīng)補(bǔ)償電量，并計(jì)算下游電站向本級(jí)電站返還的應(yīng)補(bǔ)償電費(fèi)：
應(yīng)補(bǔ)償電費(fèi)=應(yīng)補(bǔ)償電價(jià)×應(yīng)補(bǔ)償電量
應(yīng)補(bǔ)償電費(fèi)如圖4中紅色矩形面積所示，通過梯級(jí)上下游之間的收益補(bǔ)償，能確保在下游水位達(dá)下界時(shí)，本級(jí)電站按現(xiàn)貨出清電價(jià)發(fā)電利益不會(huì)受損，提升了梯級(jí)水電參與現(xiàn)貨市場(chǎng)優(yōu)化出清的積極性。
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結(jié)語(yǔ)
梯級(jí)水電參與現(xiàn)貨市場(chǎng)出清需考慮梯級(jí)流域上下游間的水力耦合聯(lián)系，下游水庫(kù)的水位運(yùn)行特性將影響上游電站的出清電量和電價(jià)?，F(xiàn)貨市場(chǎng)節(jié)點(diǎn)邊際電價(jià)雖然準(zhǔn)確反映了不同位置新增負(fù)荷造成的總成本增量，但無(wú)法反映梯級(jí)水電上下游間的發(fā)電補(bǔ)水和收益的關(guān)系，需要通過設(shè)計(jì)市場(chǎng)外的補(bǔ)償結(jié)算機(jī)制加以完善，保障現(xiàn)貨市場(chǎng)的公平性。
但也可以看到，上述的補(bǔ)償機(jī)制設(shè)計(jì)復(fù)雜、理解困難，并且電力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中，存在電力、水力等多重約束同時(shí)生效的情況，需要在電力現(xiàn)貨市場(chǎng)設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)過程中，結(jié)合新能源滲透率日益增加的實(shí)際情況，研究建立符合梯級(jí)水電特性的現(xiàn)貨市場(chǎng)運(yùn)行補(bǔ)償機(jī)制，促進(jìn)實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)機(jī)制的激勵(lì)相容性和個(gè)體理性。
（本文根據(jù)《現(xiàn)貨市場(chǎng)環(huán)境下梯級(jí)水電收益補(bǔ)償?shù)膱?chǎng)內(nèi)聯(lián)營(yíng)機(jī)制》（吳冕等，電力系統(tǒng)自動(dòng)化）論文所述結(jié)論整理而成）
