基于成本和效益的风电提供旋转备用服务定价模型

赵新刚，杨亚会

(华北电力大学 经济与管理学院， 北京　102206)



基于成本和效益的风电提供旋转备用服务定价模型

赵新刚，杨亚会

(华北电力大学 经济与管理学院， 北京102206)

大规模风电接入给电力系统运行带来很大的不确定性，为维持系统的稳定，保证和扩大风能渗透率，风电提供备用变得至关重要。为调动风力发电企业参与旋转备用服务的积极性，须对其提供补偿。合理的旋转备用定价可以引导风电场和用户合理决策，提高电网运行经济性。基于成本和效益评估的备用服务定价方法，结合我国初级电力市场的情况，提出了风电提供旋转备用服务的机会成本、系统失负荷价值及系统可靠性指标相结合的定价模型，最后通过算例分析验证了上述模型的合理性与有效性。

风力发电；旋转备用；成本和效益；定价模型

我国电力系统中的风电比重正不断攀升，2012年以来，我国风电并网容量连续两年居全球第一，2012年发电量超过1000亿千瓦时，占全国总发电量的2%，成为第三大主力电源，预计到2014年底，中国风电并网装机容量将超过9000万千瓦。风电的接入可替代常规电源，提供电网可靠性，并取得节能减排的环保效益。风电出力具有一定的不确定性，为了保证系统的安全稳定，须为其提供足够的备用，提高了风电的消纳成本提高，导致严重的弃风限电问题，阻碍了风电产业的可持续发展。因此，风电能否提供旋转备用服务具有重要意义。

一、基于成本和效益的定价问题

在选取备用成本和效益的评估和分摊法进行定价时，不仅要计算旋转备用的供给成本，还要评估旋转备用所创造的效益价值。本文合理计算风电提供旋转备用服务的供给成本，同时对备用的效益价值进行量化评估，兼顾可靠性，提出适合风光互补系统的旋转备用定价模型。

旋转备用的成本包括电量成本和容量成本两部分，电量成本主要指机组的变动成本，而容量成本包则括固定资产成本和机会成本。由于风电的特性，其变动成本几乎为零，又因为在实施两部制电价竞价机制的电力市场中，机组所有的固定成本已计入容量电价中，所以在分析风电提供旋转备用服务的成本时可以只考虑机会成本。旋转备用所创造的效益可理解为降低停运事故带来的损失，由失负荷价值VOLL表示。旋转备用的最终定价需具有激励作用，在制定价格的过程中将LOLP权重，将考虑系统可靠性考虑在内，对发电商的旋转备用成本进行合理补偿。

二、系统备用的定价模型

(一)供给成本分析

由于风电变动成本很小，同时机组所有的固定成本已计入容量电价中，所以机组提供旋转备用的供给成本可以用变动成本机会成本来衡量，也就是机组因为提供旋转备用而使得发电量减少，从而使其收益减少，减少的这部分收益就是机组提供旋转被用的机会成本。本文对电力系统的某一具体时段进行分析，并用市场电价衡量旋转备用的机会成本，如式(1)。

CR=P0R

(1)

式中，CR为旋转备用机组成本；P0为k时段的市场电价；R为该时段所需的备用容量。

(二)发电系统可靠性分析

计算旋转备用的效益价值，首先需根据系统各机组(包括风电和火电)的强迫停运率计算出系统不同停运状态的概率，形成机组停运容量概率分布表COPT，然后考虑负荷预测的不确定性概率分布。根据COPT 与负荷预测不确定性概率分布，可以形成系统缺出力的状态概率分布，据此算出系统备用的期望价值。

首先根据机组的特定参数计算得出该机组的停运表(COPT)。设某台发电机组的运行容量为ci，强迫停运率FOR为qi，则其停运表如表1所示：

表1发电机组的停运表

运行容量X(MW)停运容量X-(MW)确切概率P积累概率P*确切频率F积累频率F*ci0pi1piλi00ciqiqiqiμiqiμi

(3)

利用以上公式可以逐步形成整个发电系统的停运表。

(三)备用价值的分析

效益的评估将运用失负荷价值计算事故停运成本，也就是停电对经济造成的损失。

文献[7]提出了基于消费者剩余理论求备用服务中效益的失负荷价值的方法。无备用情况下，系统出现出力缺额g的失负荷价值VOLL 为

(4)

式中，g为缺出力量或失负荷量；P0为k时段的电能电价；ε为电力需求价格弹性系数(一般为0.22-0.25)；Q0为k时段的电力需求。

根据系统缺出力的状态概率分布可以得到系统缺出力状态向量(g1,g2,…,gi,…,gM)，以及状态概率向量[p(g1),p(g2),…,p(gi),…,p(gM)]。经过比较缺出力与备用容量值，可以得出系统缺出力水平小于R的状态向量(S1,S2,…,Si,…,SN1)，及其出现的概率向量[p(S1),p(S2),…,p(Si),…,p(SN1)]；系统缺出力水平大于等于R的状态向量(B1,B2,…,Bj,…,BN2)，及其出现的概率向量[p(B1),p(B2),…,p(Bj),…,p(BN2)]。由此可计算出系统备用R的期望价值为：

(5)

(四)价格的确定

基于式(1)确定旋转备用成本电价为：

(6)

式中，r%为成本利润率水平。

基于式(5)得到旋转备用效益的平均价值

(7)

根据旋转备用的成本电价和备用效益平均价值，可以建立基于成本、效益及系统可靠性指标相结合的备用服务补偿定价模型[9]：

PR=(1-LOLP)×PRC+LOLP×VR

(8)

式中，LOLP表示电力不足概率，即失负荷的状态概率。

该模型不仅能够对发电商的旋转备用成本进行合理补偿，而且备用服务的成本和效益相结合得出的价格，比以往单方面考虑成本或价值，能更好的体现旋转备用服务的价值。同时，电力不足概率LOLP的引入使得该模型能够反映系统的可靠性水平及对旋转备用的需求。

三、算例分析

由于风电机组装机容量数量级较小，为方便技术和减少误差，本算例将单个风电场作为一个并联机组单位进行计算。设系统中有10个200MW相同的风电场全部参与电力市场竞争，某时段电力需求为2000MW，各电厂强迫停运率为0.05，风电上网电价为540元/MWh。系统容量停运概率分布如表2所示。

假设预测负荷的不确定性概率为0，则可直接得出系统缺出力的状态概率。由此得出无备用时对应的失负荷价值V(g)，并且通过式(5)可以得到不同备用水平的期望价值，如表3所示(ε取-0.25)。以需要的旋转备用容量为400MW为例，设电厂要求的成本利润率为10%，基于式(6)、(7)、(8)，最终计算该备用水平下，旋转备用的补偿价格PR为552.53元/MWh。

表2系统容量停运概率分布表

状态i停运容量(MW)运行容量(MW)状态概率累积概率1020000.5987369391220018000.3151247050.401263061340016000.0746347990.086138356460014000.0104750590.011503557580012000.0009648080.0010284986100010006.09352E-056.36898E-05712008002.6726E-062.75458E-06814006008.03789E-088.1984E-08916004001.58643E-091.60508E-091018002001.85547E-111.86523E-1111200009.76563E-149.76563E-14

表3旋转备用容量期望价值

状态i备用容量(MW)状态概率备用期望价值100.598736939022000.31512470512932.717934000.07463479915337.565246000.01047505915633.347158000.00096480815658.4367610006.09352E-0515659.935712002.6726E-0615659.9981814008.03789E-0815660916001.58643E-09156601018001.85547E-11156601120009.76563E-1415660

四、结论

合理的风电旋转备用定价对引导风电资源的优化配置、调动风电场参与的积极性、提高电力市场的运行效率具有重要作用。本文将旋转备用的成本和效益定价方法应用于风电这一新的研究对象，基于前人的研究成果，结合风电特性提出了适用于风电提供旋转备用的定价模型。模型中，供给成本由机会成本表示，效益则根据消费者剩余理论由服务效益的失负荷价值(VOLL)计算，并通过可靠性指标失负荷概率(LOLP)作为权重，综合并且合理地确定了风电提供辅助服务的补偿价格。该定价模型综合反映了旋转备用的相关成本和效益价值，对成本和价值进行补偿的同时，也考虑了系统的可靠性水平，能够合理地引导与激励相应市场。这种风电提供旋转备用服务的定价方法具有一定的可行性，适用于当前的中国电力市场。

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(责任编辑：王荻)

Pricing Model of Spinning Reserve Provided by Wind Power Based on Cost and Benefit

ZHAO Xin-gang，YANG Ya-hui

(School of Economics and Management，North China Electric Power University，Beijing 102206，China)

Large scale wind power access has brought great uncertainty to the operation of the power system. To maintain the system stability and ensure wind power penetration, reserve service provided by wind power becomes critical. Wind power as the power supply has the ability to offer spinning reserve. For the enthusiasm of wind power generation enterprises to participate in the spinning reserve service, the enterprises should be given compensation. Reasonable price of spinning reserve can improve the operation economy of power network. In this paper, based on the reserve service pricing method of cost and benefit evaluation, combined with the primary power market in China, a new pricing model is put forward which colligates opportunity cost, VOLL and reliability index of system. Then, an example is given to show the practicability and rationality of the model.

wind power; spinning reserve; cost and benefit; pricing method

2014-12-20

国家自然科学基金面上项目(项目编号：71273088, 71471058)； 辽宁省电力有限公司科技项目(项目编号：FZJS1400829)。

赵新刚，男，华北电力大学经济与管理学院教授；杨亚会，女，华北电力大学经济与管理学院硕士研究生。

F206

A

1008-2603(2015)02-0024-04