中國儲能網(wǎng)訊：流域梯級水電是南方區(qū)域電力市場中重要的支撐性、調(diào)節(jié)性電源，在南方區(qū)域電力現(xiàn)貨市場中，流域梯級水電能充分釋放調(diào)蓄潛力，有效促進保供電和新能源消納。
南方區(qū)域電力現(xiàn)貨市場是目前世界上唯一考慮梯級水電精確水力關(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，首次觀察到梯級流域水電站之間，為了實現(xiàn)水資源的有效利用，在現(xiàn)貨市場出清過程中出現(xiàn)了低價調(diào)用和高價不調(diào)用情況。
實踐發(fā)現(xiàn)，水電梯級關(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，保障梯級水電在現(xiàn)貨市場中的合理收益，開展了本研究，并基于研究結(jié)果提出了一種可行的補償機制。
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梯級流域水力耦合聯(lián)系及水電運行特性
梯級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，水電站的水庫水位必須控制在一定范圍內(nèi)。綜上，水電的運行限制包括：（1）由于流域、水庫用水限制導(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區(qū)內(nèi)；（3）水庫水位上下限。
水庫水位控制原理體現(xiàn)了水電發(fā)電出力、發(fā)電流量和水庫水位的關(guān)系，如圖1所示：
圖1 水庫水位控制原理
圖1中，本級電站發(fā)電出力乘以耗水率后得到電廠發(fā)電流量，疊加本級電站泄洪流量后，形成本級電站的出庫流量，考慮本級電站上游入庫流量的影響后，得到本級電站的出、入庫流量，即可根據(jù)水庫特征計算得到本級電站的水庫水位變化量（水庫水位在小范圍內(nèi)變化，水庫可視為一個等面積柱體）。梯級水電運行必須時刻滿足水庫水位控制約束。
可見，本級電站的水位同時受到本級電站出庫流量（包括發(fā)電、泄洪流量）和上游電站出庫流量、區(qū)間流量的影響，當(dāng)本級電站水位即將達到水位上限時，為了避免開閘泄洪，上游電站可以停止發(fā)電放水，緩解本級水庫水位的上升；當(dāng)本級電站水位即將達到水位下限時，上游電站可以通過增加發(fā)電放水，避免本級水庫水位突破下限，“缺水”停機無法發(fā)電。
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梯級水電在現(xiàn)貨市場中低價調(diào)用的原因
南方區(qū)域電力現(xiàn)貨市場中，機組所在節(jié)點的節(jié)點電價含義為：機組所在節(jié)點新增一單位負荷需求引起的系統(tǒng)總成本增加量。一般而言，機組的節(jié)點電價應(yīng)高于其報價，避免機組按節(jié)點電價發(fā)電面臨虧損。但當(dāng)下游電站的水位達下界時，本級電站的節(jié)點電價可能降低，甚至低于其報價，原理如圖2所示：
圖2 梯級水電低價調(diào)用原理
圖2中，本級水電站發(fā)電報價較高，為500元/兆瓦時；下游水電站發(fā)電報價較低，為100元/兆瓦時，兩級電站位于相鄰節(jié)點，且節(jié)點間線路無阻塞。
按照現(xiàn)貨市場以全系統(tǒng)發(fā)電成本最小為目標(biāo)進行出清，應(yīng)優(yōu)先調(diào)用下游電站發(fā)電來平衡本級電站和下游電站節(jié)點的新增負荷，但下游電站水位已達下限，無水可發(fā)。此時，通過增加高價的本級電站發(fā)電出力，向下游電站補水，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)點新增的1兆瓦負荷，本級電站和下游電站均增發(fā)0.5兆瓦，因此本級電站和下游電站節(jié)點電價均為：0.5×100+0.5×500=300元/兆瓦時。
對于本級電站，按300元/兆瓦時的電價發(fā)電將面臨虧損；對于下游電站，雖然節(jié)點電價高于其報價，但其部分發(fā)電能力來源于本級電站的補水，節(jié)點電價并非完全由其報價形成。造成這一類梯級水電低價調(diào)用的本質(zhì)原因是：現(xiàn)貨市場出清程序?qū)⒈炯夒娬竞拖掠坞娬尽罢稀背闪送慌_機組，根據(jù)這臺機組的綜合發(fā)電報價（300元/兆瓦時）確定了節(jié)點電價，但節(jié)點電價無法反映本級電站向下游補水的貢獻。為此，南方區(qū)域電力市場運營團隊提出了面向梯級水電的現(xiàn)貨市場收益補償方案，合理反映各級電站發(fā)電用水、平衡負荷的貢獻，確保梯級水電按現(xiàn)貨價格發(fā)電不會面臨虧損。
梯級水電參與南方區(qū)域電力現(xiàn)貨市場的實踐過程中，還發(fā)現(xiàn)了其他水力方面約束生效，引起水電節(jié)點電價量價不匹配的情況。
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梯級水電現(xiàn)貨市場收益補償方案
對于因下游水位達下界而面臨低價調(diào)用的本級電站，其補償費用的計算需要確定2個關(guān)鍵數(shù)值：應(yīng)補償電價和應(yīng)補償電量。
（1）應(yīng)補償電價
計算應(yīng)補償電價的關(guān)鍵是厘清下游水庫水位達界對本級電站節(jié)點電價產(chǎn)生的影響。下游水庫水位下限約束影子價格的內(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本級電站節(jié)點電價的影響量。因此，首先根據(jù)本級電站耗水率和下游水庫水面面積，計算下游水位下限約束的影子價格對本級電站節(jié)點電價的影響量：
影響量=下游水位下限約束影子價格×本級電站耗水率÷下游水庫水面面積
然后，計算本級電站調(diào)整后的節(jié)點電價：
本級電站調(diào)整后節(jié)點電價=本級電站原節(jié)點電價+影響量
需要說明的是，本級電站調(diào)整后的節(jié)點電價可能仍低于發(fā)電報價，即還存在其他系統(tǒng)約束導(dǎo)致低價調(diào)用的因素。但所述梯級水電的現(xiàn)貨市場收益補償方案目的是反映上下游之間的水力聯(lián)系和補水貢獻，因此除下游水位達下界外的低價調(diào)用因素在此不予考慮，如圖3所示。
圖3 梯級水電的“不補償電價”
圖3中，考慮下游水位下限約束影響，計算得到的調(diào)整后節(jié)點電價仍低于發(fā)電報價，其差值為“不補償電價”，應(yīng)補償電價為圖3中紅色矩形的寬值。應(yīng)補償電價反映了本級電站按節(jié)點電價發(fā)電面臨的“單位虧損”，因此還需要計算本級電站的“應(yīng)補償電量”，得到下游電站向本級電站返還的電費。
（2）應(yīng)補償電量
首先，將不補償電價和原節(jié)點電價相加，得到含不補償分量的節(jié)點電價：
含不補償分量的節(jié)點電價=原節(jié)點電價+不補償電價
然后，根據(jù)含不補償分量的節(jié)點電價確定應(yīng)補償?shù)某隽?，如圖4所示：
圖4 確定本級電站應(yīng)補償出力的原理
圖4中，本級電站的報價共分為4段，其中含不補償分量的節(jié)點電價高于報價3但低于報價4，因此報價3的最大出力為不補償出力，應(yīng)補償出力計算公式如下：
應(yīng)補償出力=實際出力-不補償出力
最后，根據(jù)單時段發(fā)電出力和電量的數(shù)量轉(zhuǎn)換關(guān)系計算得到應(yīng)補償電量，并計算下游電站向本級電站返還的應(yīng)補償電費：
應(yīng)補償電費=應(yīng)補償電價×應(yīng)補償電量
應(yīng)補償電費如圖4中紅色矩形面積所示，通過梯級上下游之間的收益補償，能確保在下游水位達下界時，本級電站按現(xiàn)貨出清電價發(fā)電利益不會受損，提升了梯級水電參與現(xiàn)貨市場優(yōu)化出清的積極性。
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結(jié)語
梯級水電參與現(xiàn)貨市場出清需考慮梯級流域上下游間的水力耦合聯(lián)系，下游水庫的水位運行特性將影響上游電站的出清電量和電價?，F(xiàn)貨市場節(jié)點邊際電價雖然準(zhǔn)確反映了不同位置新增負荷造成的總成本增量，但無法反映梯級水電上下游間的發(fā)電補水和收益的關(guān)系，需要通過設(shè)計市場外的補償結(jié)算機制加以完善，保障現(xiàn)貨市場的公平性。
但也可以看到，上述的補償機制設(shè)計復(fù)雜、理解困難，并且電力系統(tǒng)實際運行過程中，存在電力、水力等多重約束同時生效的情況，需要在電力現(xiàn)貨市場設(shè)計、運營過程中，結(jié)合新能源滲透率日益增加的實際情況，研究建立符合梯級水電特性的現(xiàn)貨市場運行補償機制，促進實現(xiàn)市場機制的激勵相容性和個體理性。
（本文根據(jù)《現(xiàn)貨市場環(huán)境下梯級水電收益補償?shù)膱鰞?nèi)聯(lián)營機制》（吳冕等，電力系統(tǒng)自動化）論文所述結(jié)論整理而成）
