基于Shaapplleeyy 值法的發電側現貨市場運營研究

楊嫄嫄，習雨同，龔文凱，姬德森 ，湯振華

（1.國網江西省電力有限公司建設分公司，江西 南昌 330077；2.國網江西省電力有限公司供電服務管理中心，江西 南昌 330001）

0 引言

在清潔低碳能源革命背景下，高比例可再生能源成為電力系統未來發展的一個突出特征。隨著高比例可再生能源融入電網，參與電力市場交易，將帶來以下難題：一是技術進步使得新能源發電成本不斷降低，競爭優勢不斷增強，但可再生能源間歇性對電網安全穩定運行構成威脅；二是傳統火電水電技術成熟，但其成本受一次能源影響明顯，成本下降空間有限。現貨市場中如何構建聯盟運營機制，發揮各市場主體優勢，確保電網安全穩定，是國內外學者研究的重點之一。

國內外學者對該主題做了相關研究。文獻[1]基于多種能源協調運營、發電成本、上網電價及輔助服務收益，并計及電壓偏差和頻率穩定性，構建包含風電、光伏及抽水蓄能電站收益的多目標函數，研究市場環境下的風光水聯合運營。不足是缺乏時間、出力配比的動態分析。文獻[2]提出了市場化情況下風水火聯合運營模式，火電將發電空間轉讓給風電、水電并提供輔助服務，以夏普利值分配策略作為聯盟效用分配方案，以實現聯盟效益最大化。不足是缺乏動態出力配比的論證。文獻[3]提出在熱電聯合運營機制上，可以通過調整調峰補償基準的方式，改變市場主體間的利益分配比例，使各市場主體間存在共同獲利空間，從而保證合作的穩定和持續。側重利益分配比例，不足是缺乏動態出力配比的論證。文獻[4]構建計及資源稟賦指標的多能互補綜合指標體系，提出可再生能源資源稟賦與系統評價結果存在正相關性。根據地區氣候差異選取五個代表性城市進行算例分析，不足是缺乏普適性論證。文獻[5]考慮到新能源出力波動和負載的不確定性，應用區間理論建立區間線性規劃，構建多能互補投資業務綜合收益標準評價模型。不足是缺乏對多能互補參與主體的量化分析。文獻[6]考慮光伏和風電間歇性和隨機性，提出建立水-風-光多能互補系統的數學模型和優化模型。將不穩定的風能光伏與水能捆綁并網的方式提高發電量。不足是未考慮風能光伏意愿及各主體的出力配比。文獻[7]考慮風電實際出力與電網負荷波形相似度，提出基于負荷跟蹤程度與波動成本分攤系數的改進Shapley 值法進行聯盟成本分攤。

以上研究共性問題在于對不同發電主體出力配比關系分析存在欠缺。因此，文中運用shapley 值法分析多能互補聯盟效益，分析某一負荷曲線下各發電主體的出力配比，采用基尼系數法評估分配公平程度，使得聯盟效益與個體間效益平衡。

1 研究假設

文中做出以下合理假設：

1）出力能力假設。假設“風電、光伏、水電、火電”出力能力能夠滿足聯盟運營需求。光伏發電在每日07 點至19 點能夠正常出力[8]。現貨交易時間很短，認為風電、水電、火電不會受到水文、自然氣候及燃煤價格變化影響。

2）參與聯盟意愿假設。任意多個主體聯盟合作效益值不低于各主體單干的效益值，即確保合作利益不低于獨立個體利益，才能確保聯盟穩定持續。

3）電網無阻塞，發電側可以正常并網輸送電能到用戶側。

4）現貨市場內，用電側負荷功率缺口不會突發極端奇異值。

2 基于Shapley值法的聯盟收益

Shapley 值法提出，聯盟總收益等于成員總收益之和，成員參與聯盟分配得到的收益高于不參與聯盟的收益。Shapley公式[9-10]如下。

聯盟內某主體i的shapley值為

式中：s表示成員i參與到的聯盟集合；Yi為主體i的shapley 值；y（s）是聯盟s的收益；y（s/i）是值為子集s中去除主體i后所取得的效益；N為集合個數；ω（s）是加權因子。

式中：n是大聯盟成員個數，s′是聯盟中子集s所含成員個數，s′≤n。

3 聯盟收益平衡分析

能源獨立運營的收益為

式中：fi為能源i的售電收益，元；Pi為能源i功率，kW；ui為能源i單位功率收益，為上網電價與發電成本之差，元/kW·h。

考慮出力配比的收益為

式中：λi為不同能源的出力比例，且滿足：

采用基尼系數表征分配均衡程度。基尼系數越接近0 表明分配越是趨向平等。不少學者認為基尼系數0.2～0.3 之間時較為平均，0.3～0.4 之間時比較合理，0.4～0.5 時差距過大，大于0.5 時差距懸殊。基尼系數計算方法見文獻[11]，文中不再列出。

4 算例

4.1 單位收益

燃煤火力發電成本受到煤炭價格波動明顯，抽水蓄能成本主要為抽水電量，風電、光伏成本受到場站建設土地、人工、設備、利息、運維、稅費等因素影響較大。發電側單位收益數據[1，12-14]如表1所示。

表1 單位收益 元/kW·h

4.2 負荷曲線

文中采用某地日負荷曲線數據，功率缺口如圖1所示。

圖1 功率缺口

4.3 聯盟收益

根據式（1）至式（5），運用Matlab 展開仿真計算，求出聯盟收益，如圖2所示。

圖2 聯盟收益

圖2 中，由于在不同時間段的功率缺口及聯盟成員出力配比存在差異，各時間段現貨交易的聯盟收益存在上限值及下限值，表現為時變特性。功率缺口為0時，聯盟收益為0；功率缺口最高時，聯盟收益達到最高。

4.4 基尼系數

聯盟成員出力配比組合不同，導致收益分配的基尼系數有差異，如圖3所示。

圖3 基尼系數

圖3 中，存在部分組合方式，使得聯盟利益分配較為平均，或者比較合理，占比如表2所示。

表2 占比

表2 中，合理平均占比67.86%，說明在shapley 模式下，很大程度能夠實現聯盟利益分配趨于均衡。調節出力配比，實現公平合理分配。分配公平性及不同發電主體典型出力配比尋優如表3所示。

表3 出力配比尋優

表3 中，由于光伏出力能力受到太陽輻照度影響，因此在24 h 內存在一些時間段無太陽光照，使得光伏出力為0，此時光伏出力配比為0。所以實現相同公平性分配模式，存在兩組出力配比組合，一種是考慮光伏有出力，另外一種是光伏無出力。

5 結語

文中提出合理假設，采用shapley 值法分析了發電側“風電、光伏、水電、火電”在現貨市場不同時間段不同出力配比下聯盟收益，以及運用基尼系數評估利益分配公平性。運用Matlab 分析展開仿真計算，分析日負荷曲線24 h 內的功率缺口下聯盟收益分布及基尼系數分布與占比，求出實現聯盟公平合理分配的發電側出力配比。要實現聯盟利益分配公平合理，需要根據時間、各發電主體出力能力做決定。

通過以上研究分析，得出以下結論，在實際運營中值得借鑒。

1）Shapley值法可以實現發電側“風電、光伏、水電、火電”聯盟收益分配相對的公平合理，總體上可實現分配公平合理。但總存在分配不均或者偏差大的組合方式。

2）不同發電主體資源稟賦存在差異，出力特性和出力能力區別很大，導致聯盟利益分配有差異。而且存在不同的出力配比組合模式，可實現相同的利益分配均衡性。