計及新能源消納的售電公司購售電策略

陳名揚，劉 敏，曹 鵬，鄧 鵬，魯 杰

（貴州大學 電氣工程學院，貴州 貴陽 550025）

0 引言

隨著電力體制的改革，我國的售電市場已經(jīng)逐步向社會資本開放[1]，各種新興的售電公司應運而生[2]。新能源的快速發(fā)展加劇了棄風、棄光現(xiàn)象，且國家能源局明確指出我國將建成以售電市場為主體的可再生能源配額制度[3]，這意味著售電公司必須承擔一定的新能源消納責任。目前，我國售電公司的發(fā)展以及各項業(yè)務(wù)能力還處于初級階段[4]，于是售電公司在新能源責任制的背景下如何制定購售電策略去拓展符合自身利益且能提升其新能源消納能力的用戶成為了當前面臨的一個重大挑戰(zhàn)。

未來售電市場將是一個以新能源為主導[5,6]的市場格局。購售電的電價差是售電公司主要收益的來源。對售電公司的購電決策而言，多樣化的交易路徑等是影響售電公司購電決策的重要環(huán)節(jié)之一[7-11]。隨著新能源的發(fā)展，購電途徑也發(fā)生了一定的變化[12,13]。文獻[14]為分析可再生能源消納責任考核對售電公司的影響，建立了新的購電組合投資模型，但其新能源消納情形僅僅表現(xiàn)在目標函數(shù)中。在購售電策略方面，常見的有隨機優(yōu)化模型和雙層優(yōu)化模型[15,16]。綜上所述，目前的售電公司購售電策略，大多是考慮電價的不確定性、負荷的不確定性、DR項目、用戶協(xié)調(diào)能力[17]、綜合能源系統(tǒng)[18]、目標函數(shù)中包含新能源購電途徑等購售電策略。但這些策略很少站在售電公司的角度去考慮新增用戶對售電公司利潤的影響。文獻[19]雖然求取了拓展目標用戶對售電公司利潤的貢獻度，但是未對新增用戶在售電公司新能源消納能力上的提升做出分析。

因此，本文首次將新能源消納引入到用戶的價格變量中，建立了售電公司新能源消納能力模型。首先根據(jù)用戶購電成本優(yōu)化用戶的用電量；進而考慮可再生責任制下優(yōu)化售電公司的購電組合；然后基于拓展不同用戶前后的新能源購電量占比提升量（“量”）以及負荷在曲線形狀上的相似性（“形”）的貢獻度為售電公司甄別出了符合自身利益且能提升自身的新能源消納能力的用戶；最后通過算例驗證了該方法有利于幫助售電公司拓展符合自身利益的用戶。

1 售電公司的新能源消納能力3層優(yōu)化模型

新能源消納能力是指售電公司在購電成本最小的條件下能夠盡可能購買新能源電量的能力。參考文獻[19]建立3層優(yōu)化模型。此模型的流程圖如圖1所示。

圖1 3層優(yōu)化流程圖Fig. 1 Flow chart of three-layer optimization

新用戶購電成本模型是第一層。決策變量為用戶的 DR參與量，目標函數(shù)為用戶購電成本最小，目的是優(yōu)化用戶不同時段的負荷，優(yōu)化后用戶負荷數(shù)據(jù)傳到第二層。

第二層模型以售電公司選擇用戶i后在中長期常規(guī)能源市場、日前市場、新能源市場的購電量為變量，目標為售電公司購售電利潤最大，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化售電公司的購電比例，并且將新能源購電量傳到第三層。

第三層模型求出售電公司選擇用戶i前后新能源購電量占比情況，進而求出用戶在新能源消納能力“量”上的貢獻度，根據(jù)負荷準線機制，求出用戶在新能源消納能力“形”上的貢獻度。然后將求得新的價格并傳輸?shù)角皟蓪幽Ｐ椭小Ｗ詈蟊容^售電公司在考慮新能源消納能力貢獻度前后的利潤情況。

綜上，售電公司的新能源消納能力3層優(yōu)化模型和后續(xù)模型的關(guān)系為：第一層模型為用戶購電成本模型，第二層模型為售電公司購售電利潤模型，第三層模型為售電公司的動態(tài)定價模型。

2 用戶購電成本模型

2.1 用戶用電合同模型

2.1.1 合同費用

用戶的合同費用為：

2.1.2 越限懲罰費用

當實際電量與合同出現(xiàn)偏差時，用戶與售電公司各自承擔 50%的懲罰，具體的越限懲罰費用如式（2）：

式中：為用戶i承擔的偏差考核費用；為 用戶i在時段t內(nèi)的實際用電量；分別為合同電量的上下限；為越限懲罰價格。

2.2 需求響應模型

第一層的優(yōu)化目標是用戶購電成本最小，目標函數(shù)見式（3），其約束條件如下：

3 售電公司購售電利潤模型

售電公司將總電量分解到中長期常規(guī)能源市場、日前市場、新能源市場中，因此電量應該滿足式（8）：

假設(shè)中長期常規(guī)能源市場購電價格ζf、中長期可再生能源市場購電價格ζk均為常數(shù)且可再生能源能按時交付，且假設(shè)日前市場的購電價格ζd,t與購電量有如下線性關(guān)系：

式中：α和β分別為購電價格與購電量關(guān)系的系數(shù)和常數(shù)。

根據(jù)《可再生能源電力消納權(quán)重和消納量核算辦法》可知，可再生能源配額制要求售電公司等購電主體在交易中應當完成一定量的非水電可再生能源消納，承擔義務(wù)的售電公司不應該低于一定的標準，否則將對售電公司處以一定的罰金（假設(shè)售電公司其全部電能來自購買）。

假設(shè)當?shù)氐目稍偕茉吹臋?quán)重指標為不低于δ，該處權(quán)重指標不能低于15%，而售電公司選擇用戶i后的可再生能源的消納責任的權(quán)重指標為：

當可再生能源消納量未能達到權(quán)重指標時，在選擇用戶i后收取的罰金為：

售電公司的利潤：

綜上，第二層模型服務(wù)于售電公司，目標函數(shù)如式（12）所示，約束如下：

功率平衡如式（8）所示。

購電量平衡：

4 售電公司動態(tài)定價模型

4.1 新能源消納能力貢獻度模型

4.1.1 用戶在售電公司的新能源消納能力“量”上的貢獻度

隨著可再生能源配額制度的實施，可再生能源責任制將成為影響售電公司收益的一個不可忽視的因素，給售電公司的經(jīng)營決策帶來影響。因此售電公司在選擇新用戶時，應該充分考慮用戶的新能源消納能力。先從新能源量上考慮，設(shè)售電公司的購售電活動的新能源消納能力在“量”上的提升比滿足：

式中：ξ為新能源購電量占比；Pk為售電公司在新能源市場購買的電量；P為總負荷。

相比售電公司在選擇用戶前，該用戶對售電公司的新能源消納能力“量”的提升比為：

式中：ξ+i，ξ–i分別為售電公司選擇用戶i前后的新能源購電量占比；λi為用戶選擇i負荷前后的新能源消納量的提升比。

4.1.2 用戶在售電公司的新能源消納能力“形”上的貢獻度

售電公司在制定購售電策略時，應該放眼未來。“量”上的貢獻度體現(xiàn)了當下用戶對售電公司新能源消納能力的影響，因此還應該從未來的角度思考。可調(diào)負荷越多，響應需求響應的潛力就越強，該用戶的用電靈活性就越突出，能平抑新能源出力的不確定性。因此本文將售電公司原有的最大可調(diào)負荷除以總負荷定義為售電公司的標準型負荷準線，即最理想負荷曲線。該過程省去了數(shù)量級上的關(guān)系，轉(zhuǎn)化為一個0～1之間的值，因而用戶負荷準線和標準準線之間的比較也被稱為“形”的比較即“形”上的貢獻度。

售電公司根據(jù)自身運行參數(shù)以形狀定義負荷準線，用戶參與 DR后的準線與售電公司準線越相似，意味著有更大的潛力應對未來的新能源消納。

用戶在各個時刻的電量約束為：

本文設(shè)定負荷的負荷準線為每個時刻的實際響應的彈性負荷與總負荷的比值。

基于售電公司所給出的負荷準線以及用戶參與DR后的負荷準線得到“形”的衡量值。

式中：E為負荷準線相似度最終的衡量值；為待度量的負荷標準化后的值；為售電公提供的負荷準線值；d為兩條序列的歐式距離。

將新能源消納能力的提升量λi和負荷曲線度量指標E分別定義為新用戶在新能源消納能力“量”上、“形”上的貢獻度，并綜合考慮兩方面的貢獻度。

4.2 售電公司定價模型

根據(jù)新能源消納能力“量”上和“形”上的貢獻度來制定合適的動態(tài)價格。

新的用戶用電合同價格為：

新的DR合同的加價為：

用上述新制定的動態(tài)價格代替初始的價格，并反饋到前兩層模型中，這樣就建立了考慮用戶新能源消納能力的售電公司購售電模型，其中包括考慮用戶貢獻度的用戶購電模型min和考慮新能源消納能力貢獻度的售電公司利潤模型max。

綜上，該層中的目標函數(shù)為max，約束為：

約束式（25）代表動態(tài)價格是建立在售電公司利益不虧損的情況下。

5 算例

5.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

本文主要解決售電公司在需要被考察一定的可再生能源責任制的情況下拓展自己新用戶的選擇流程以及套餐制定的購售電決策問題。目標是售電公司1、2分別從新用戶1、2、3中選擇一個更符合自身利益的用戶作為拓展對象。兩個售電公司的初始情況以及用戶1、2、3的初始負荷分別如圖2、3所示[19]。

圖2 售電公司負荷Fig. 2 Electricity sales load

圖3 用戶負荷Fig. 3 Users load

假設(shè)中長期常規(guī)能源市場合約價格均為20 $/MW、可再生能源市場合約價格為28 $/MW，且可再生能源責任指標為 15%，當可再生能源不達標時，罰金為10 $/MW[14]。日前市場的每個時段的電價系數(shù)α均設(shè)為 0.01，各個時間段的常數(shù)項β根據(jù)某地的日前電價預測值得出。求解方法為MATLAB中的YALMIP工具箱。

假設(shè)兩個售電公司對用戶的價格相同，具體如圖4所示。

圖4 初始合同價格Fig. 4 Original contract price

5.2 用戶購電分析

經(jīng)過第一層的用戶購電成本優(yōu)化后，用戶1的購電總費用3 810.231 $，用戶2的購電總費用5 391.453 $，用戶3的購電總費用5 260.507 $。圖 5、圖 6為售電公司拓展新用戶后需要購買的總電量。

圖5 售電公司1選擇優(yōu)化后的用戶后的總負荷Fig. 5 User’s total load of electricity sales company 1 after choosing optimization

圖6 售電公司2選擇優(yōu)化后的用戶后的總負荷Fig. 6 User’s total load of electricity sales company 2 after choosing optimization

從圖中可以看出售電公司1在選擇拓展用戶后電量基本上呈現(xiàn)出用電高峰時負荷大、用電低谷時負荷低的特點。特別是售電公司1選擇拓展用戶2后的高峰時用電量更大、低谷時用電量更低。售電公司2選擇拓展新用戶后的總負荷仍呈現(xiàn)出反調(diào)峰性質(zhì)，特別是售電公司在選擇拓展用戶3后的反調(diào)峰特性更明顯。

5.3 售電公司購售電利潤分析

經(jīng)過第二層的售電公司購電比例優(yōu)化后，售電公司1、2拓展新用戶1、2、3的新能源購電量方案分別如圖7、8所示：

圖7 售電公司1選擇用戶后新能源購電量Fig. 7 Quantities of new energy purchase of electricity sales company 1 after selecting users

圖8 售電公司2選擇用戶后新能源購電量Fig. 8 Quantities of new energy purchase of electricity sales company 2 after selecting users

由圖 7、8可以看到售電公司每個時刻的新能源的購電量。售電公司為了減少因可再生能源的消納指標不夠而帶來的罰金，安排了一定量的可再生能源購電量。售電公司在拓展用戶前后的利潤對比如表1所示。

表1 售電公司的購售電利潤（$）Tab. 1 Profits of purchase and sale of electricity sales companies

從表1可以看出，無論是售電公司1還是售電公司2，用戶1、用戶2、用戶3給其帶來的利潤非常接近，因此不能準確地判斷出選擇哪個用戶，本文將通過新能源消納能力貢獻度進一步分析售電公司如何拓展新用戶。

5.4 新能源消納能力

5.4.1 新能源消納能力（“量”）上的貢獻

根據(jù)前面兩層的計算可以得出售電公司的新能源購電占比，進而計算出每個用戶對售電公司1和售電公司2的新能源消納量的提升比，計算結(jié)果如表2所示。

表2 新能源消納量的提升比Tab. 2 Increase ratio of new energy consumption

對于售電公司1而言，用戶2對售電公司的新能源消納能力在“量”上提升比高于用戶1、用戶3。主要是用戶2用電低谷時負荷高、用電高峰時負荷低，而售電公司1初始負荷和用戶2類似，二者結(jié)合后仍是上述特性。因此售電公司在用電高峰時不會購買更多高昂的日前市場電量，而會購買同樣高昂的新能源電量，這樣也可以減少來自新能源消納量不足的罰金。對于售電公司2而言，用戶3的貢獻度大于用戶2、用戶1。售電公司2的用電特性呈現(xiàn)出高峰時負荷低、低谷時負荷高，用戶3用電特性也呈現(xiàn)出此特性。二者的結(jié)合使售電公司2在低谷時用電量高，在低谷時段售電公司接受新能源消納不足的懲罰也會購買日前市場的電量，進而提升了售電公司的利潤。由于用戶1的用電特性比較平穩(wěn)，因此無論對售電公司1還是售電公司2，用戶1的提升比均和最高的提升比接近，因此需進一步從“形”上去判斷。

5.4.2 新能源消納能力（“形”）上的貢獻

“形”上的貢獻度反應了用戶對售電公司的新能源消納能力的潛力大小。通過式（18）～式（20）可以得出各個用戶對售電公司的準線相似度。準線相似度越高代表用戶的 DR響應效果更加明顯，也代表著具備更大的潛力消納更多隨機性的新能源。

由表3可知，對于售電公司1而言，用戶2的準線相似度最高；對于售電公司2而言，用戶3的準線相似度最高。

表3 負荷準線ETab. 3 Cusomer directrix load E

5.4.3 售電利潤分析

根據(jù)新能源消納量能力“量”的提升比和負荷準線相似度E以及式（21）、式（22），進而求得考慮用戶對售電公司新能源消納能力的貢獻度對用戶動態(tài)價格的影響。其中合同用電價格與DR電價中的系數(shù)均大于0，又因“形”（指數(shù)函數(shù)）上的貢獻度始終大于0而“量”上的提升比并非如此，所以在設(shè)定系數(shù)時往往“量”前的系數(shù)值略大于“形”前面的系數(shù)。同時由于“量”、“形”上的貢獻度數(shù)值經(jīng)過計算成為一個定值，因此最終的合同電價與動態(tài)電價公式中系數(shù)相關(guān)，在確定系數(shù)時，首先要保證修改后的用電合同電價和 DR合同電價經(jīng)過用戶購電成本模型到售電公司利潤模型后售電公司的利潤不能降低。最終將新的價格帶入售電公司利潤函數(shù)中，進行考慮貢獻度前后利潤的對比，如表4所示。

由表4可知，兩個售電公司在綜合考慮用戶在售電公司新能源消納能力的影響后制定售電套餐后，前后利潤基本不變，可見考慮用戶對售電公司的新能源消納能力的貢獻度的購售電方法是建立在售電公司利益不虧損的前提下。通過該方法售電公司選擇出自身利潤提升最大以及能提升新能源消納能力的用戶。

表4 考慮新能源消納貢獻度前后售電公司利潤對比Tab. 4 Profit comparison of electricity sales compaines before and after considering the contribution of new energy consumption

6 結(jié)論

本文提出了一種考慮新用戶在新能源消納能力“量”上和“形”上的貢獻度的售電公司購售電策略（首次將售電公司的新能源消納能力引入到用戶用電價格變量之中），經(jīng)過算例計算可以得出以下結(jié)論：

（1）用戶通過計算新能源消納能力“量”貢獻度的計算和新能源消納能力“形”貢獻度的計算，可以更好地甄別出哪些用戶對自己的價值最大，有利于挖掘符合自身利益的用戶，更有利于售電公司完成新能源消納的責任。

（2）準線相似度的引入不僅能甄別哪些用戶對自身利益更大而且能夠挖掘用戶更大的用電靈活性潛力。

后續(xù)研究可以引入對電網(wǎng)電價的風險評估，以及考慮售電公司含有自發(fā)電等情況。