[發明專利]一種碳-電耦合市場中水火電協同競價策略制定方法

有效

• 申請號: 202211041717.1
• 申請日: 2022-08-29
• 公開（公告）號: CN115423509B
• 公開（公告）日: 2023-05-02
• 發明（設計）人: 程春田;趙麟;李亞鵬;程楚倫
• 申請（專利權）人: 大連川禾綠能科技有限公司;大連理工大學
• 主分類號: G06Q30/0201
• 分類號: G06Q30/0201;G06Q50/06
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 梅洪玉

1.一種碳-電耦合市場中水火電協同競價策略制定方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟(1)：構建碳-電耦合市場下梯級水電與火電發電調度模型

Step1.1.構建梯級水電站運行約束

1)水電站發電量方程

Q_i,t＝N_i,tΔt^h?????????????????????????????(3)

式中：Q_i,t為水電站i第t個月的發電量，MWh；Q_t為梯級水電站第t個月的總發電量，MWh；I為水電站總數；T為總時段數；N_i,t為水電站i第t個月平均出力，MW；Δt^h為第t個月的發電時間長度；

2)水量平衡約束

式中：V_i,t為水電站i第t個月初庫容，m³；分別為水電站i第t個月入庫流量、出庫流量、發電流量、棄水流量、區間入流，m³/s；Δt^s為每個月的發電時長，s；

3)水電發電特性曲線

式中：H_i,t為水電站i第t個月內的平均發電凈水頭，m；f_i(·)為水電站i的發電性能曲線，描述水電站出力、發電流量、平均發電凈水頭之間的三維函數關系，是非線性且非凸的；在中長期問題中，式(7)表示為下式：

4)電站發電水頭

式中：z_i,t為水電站i第t個月初的水位，m；為水電站i第t個月的尾水位，m；表示電站i的水頭損失，m；水電站i調度期初水位z_i,1及調度期末水位均為給定值；

5)水位-庫容關系

z_i,t＝f_i^zV(V_i,t)???????????????????????????(10)

式中：f_i^zV(·)為水電站i的水位-庫容關系函數，為非線性函數；

6)尾水位-下泄流量關系

式中：f_i^zQ(·)為水電站i的尾水位-下泄流量關系函數，是非線性的；

7)邊界限制

出庫流量限制、水位上下限約束、發電流量約束、出力上下限約束如式(12)-(15)所示，其中x_i、分別為變量x_i的下限與上限；

Step1.2.構建火電站運行約束

1)火電機組總發電量方程

式中：P_t為火電機組第t個月的總發電量，MWh；P_j,t為火電機組j第t個月的發電量，MWh；為火電機組j第t個月每小時平均出力，MW；J為火電機組個數；

2)出力約束

式中：P_j、分別為火電機組j的最小開機出力與裝機容量，MW；

3)火電發電電力成本

火電發電成本指煤耗成本，是其發電功率的二次函數；

式中：U^P,E為火電發電電力成本，元；a_j、b_j、c_j為火電機組j的成本系數，單位分別為元/h、元/(MWh)、元/[(MW)²h]；為火電機組j第t個月每小時發電成本，元/h；

步驟(2)：建立考慮CCER機制的碳-電耦合市場中水火電協同競價模型；

通過構建聯合交易模型，計算各電源在各市場中的競價策略與收益；根據我國碳市場和電力市場的現狀，建立以年為尺度、月為時段的中長期市場競價模型，其中電力市場以月度市場考慮，碳市場以年市場考慮；所考慮的市場中，水電以電廠為單位進行競價、火電以機組為單位進行競價，所研究水、火電站屬于同一利益主體，稱為發電集團；決策變量是水電廠和火電機組各時段或月出力、發電集團在碳配額市場與CCER市場的購買量或出售量、水電的CCER認證量；

Step2.1.目標函數

以發電集團在碳-電耦合市場中的總利潤最大為目標構建目標函數為：

maxW＝W^E+W^C????????????????????????(22)

式中：W^E、W^C分別為發電集團在電力市場和碳市場中的利潤，元；W為總利潤，元；

Step2.2.電力市場約束

所研究的發電集團在電力市場總利潤為：

W^E＝Y^E-U^P,E??????????????????????????(23)

式中：Y^E為發電集團在電力市場的總收入，元；U^P,E為發電集團的總發電成本，元；由于水電的固定成本不影響市場決策，而變動成本又很小，忽略不計，因此認為發電企業的總發電成本等于火電成本；λ_t^E為電力市場中第t個月的預測電價，元/MWh；為火電第t個月出售電量，MWh；為水電第t個月出售電量，MWh；ω_i為水電站i廠用電率，ω_j為火電站j所在電廠的廠用電率；

Step2.3.碳交易市場約束

1)發電集團獲得初始免費碳配額

式中：R^Gov為發電集團免費獲得的初始碳排放配額，t；ε為免費配額比例；η_j為火電機組j單位電量碳排放分配額，t/MWh；

2)發電集團實際二氧化碳排放量

式中：R^C為發電集團T時段內的碳排放總量，t；σ_j為火電機組j碳排放強度，t/MWh；

3)水電認證的CCER

式中：R^CCER為水電認證的CCER量，t；τ為每MWh水電CO₂減排量，t/MWh，由式(28)計算；

τ＝75％EF_OM+25％EF_BM???????????????????????(28)

式中：EF_OM為電量邊際排放因子；EF_BM為容量邊際排放因子；

4)發電集團擁有的自愿核證減排量凈值

R^CCER,net＝R^CCER+R^CCER,buy-R^CCER,sell??????????????????(29)

式中：R^CCER,net、R^CCER,buy、R^CCER,sell分別為發電集團擁有的CCER量凈值、在碳市場中購買CCER量和出售CCER量，t；

5)發電集團擁有的碳配額量

R^C,net＝R^Gov+R^C,buy-R^C,sell???????????????????????(30)

式中：R^C,net、R^C,buy、R^C,sell分別為發電集團擁有的碳配額凈值、在碳市場中購買碳配額量和出售碳配額量，t；

6)配額實際清繳約束

在向生態環境主管部門清繳上年度的碳配額時，發電集團選取部分CCER和碳配額組合在一起清繳碳配額，有如下關系：

αR^CCER,net+βR^C,net+d^gap＝R^duty?????????????????????(31)

αR^CCER,net≤ψR^C???????????????????????????(32)

式中：α、β為比例系數，0≤α,β≤1；R^duty為發電集團應清繳配額量，t；d^gap為發電集團未足額清繳碳配額數量，t；若d^gap為正數，則表示發電集團擁有的總CCER和碳配額之和不足以清繳應繳納配額量，若d^gap為負數，則表示發電集團在清繳碳配額后有結余；ψ表示允許發電集團使用CCER清繳比例；

7)應繳納配額量約束

根據有關碳清繳的規定，應繳納配額量如式(33)所示；

8)違約懲罰

M＝μλ^Cd^gap?????????????????????????????(34)

式中：M為發電集團未按時足額清繳碳配額時違約交納罰金，元；μ為處罰標準系數；λ^C為碳市場中的碳配額成交價，元/t；

9)碳市場總利潤

W^C＝λ^C(R^C,sell-R^C,buy)+λ^CCER(R^CCER,sell-R^CCER,buy)-M??????????(35)

式中：λ^CCER為CCER市場中成交價，元/t；

步驟(3)：綜合模型的轉化與求解；

Step3.1.水電運行約束的線性化處理

水位-庫容關系式(10)、尾水位-下泄流量關系式(11)為非線性一元函數，采用分段線性函數對其進行逼近，進而轉化為混合整數線性表達式；

水位-庫容關系線性化關系如下：

式中：用k+1個斷點將水電站i的水位可行區間劃分為|K|個子區間，其中為第k個子區間；即是水電站i在水位為時的庫容，m³；為水電站i在t時段第k個子區間內的水位值，m；0-1變量δ_i,t,k為水電站i在t時段第k個子區間內的指示變量，用于判斷水位所處區間；由式(36)-(37)可知，由且僅有一個水位區間被選中，由式(38)-(39)確定，當δ_i,t,k＝0時，當δ_i,t,k＝1時，落在第k個子區間，再通過式(40)二維線性插值法計算得到V_i,t；

尾水位-泄量關系線性化如下：

φ_i,t,c為水庫i在t時段第c個出庫流量區間指示變量，0-1整數，用于判斷出庫流量Q_i,t所處區間；val_i,t,c為水庫i在t時段第c個出庫流量區間內的出庫流量值；為水庫i在第c個出庫流量區間右端點值；為水庫i在第c個尾水位區間的右端點值；

Step3.2.火電發電成本線性化

火電發電成本式(21)為非線性一元函數，采用python自帶擬合方法將其擬合后，再采用step3.1中分段線性函數方法對其逼近；

Step3.3.應繳納配額量約束線性化

式(33)為分段函數，無法直接求解；引入0-1整數變量y，將之轉化為線性約束(46)-(43)；

R^duty＝(1-y)R^C+y(R^Gov+20％R^C)????????????????????(46)

(y-1)*Γ≤0.8R^C-R^Gov≤y*Γ?????????????????????(47)

y∈{0,1}?????????????????????????????(48)

其中，Γ為一足夠大的數，當y為0時，式(47)表示R^C-R^Gov≤20％R^C，式(46)表示R^duty為R^C；當y為1時，則表示R^C-R^Gov≥20％R^C且R^duty＝R^Gov+20％R^C；

將式(8)保持二次形式，最終得到的模型為混合整數二次規劃MIQP形式；

Step3.4.模型求解

求解后即可獲得水電與火電發電調度計劃與競價策略。