考虑多主体博弈的火电机组灵活性改造规划

对于以煤炭为主要能源的国家而言，实施火电机组灵活性改造是提升电力系统灵活性最为现实可行的选择。基于此，华北电力大学电力工程系、中国电力企业联合会电力建设技术经济咨询中心的研究人员郭通、李永刚、徐姗姗、高亚静、刘教民，在2020年第11期《电工技术学报》上撰文，提出一种考虑多投资主体博弈的灵活性改造两阶段规划方法。结果表明，所提方法能够统筹兼顾所有投资主体的利益，有效保证了市场活力，可以为规划部门和发电企业提供帮助。
以风电、光伏为代表的大规模间歇性可再生能源（Intermittent Renewable Energy Sources, IRES）正在加速能源结构的低碳化转变。但是，大规模IRES并网发电，需要电力系统中有足够的灵活性资源实时响应IRES的变化。
现有的灵活性资源主要有四个来源：可调度发电厂的灵活运行、储能设施、跨省跨区交易和需求侧资源。相比于其他三类灵活性资源，可调度发电厂的灵活运行是目前为电力系统提供灵活性最主要的方式。对于含有极高份额不灵活火电厂（尤其是燃煤电厂）的电力系统（如中国、波兰）而言，实施灵活性改造是提升电力系统灵活性最为现实可行的选择。
近年来，各区域纷纷建立调峰服务市场，以期通过调峰补偿或惩罚的方式激励火电机组进行改造。
但是，有关研究均忽略了不同机组的博弈特性及其不同投资主体的博弈关系。机组单独规划在改造初期可能收益可观，但系统大规模进行灵活性改造后，电厂的长期收益存在较大不确定性，存在由市场竞争带来的投资风险。而系统统一规划方法使用统一目标函数进行投资决策，难以描述改造投资主体间的博弈现象，不能兼顾发电企业的改造投资意愿。
博弈理论目前在电力系统领域研究广泛，主要应用于定价决策、收益分配和调度规划等问题。虽然博弈理论已在电力系统的多类规划问题中得到了应用，但是将其应用于灵活性改造规划（Flexibility Retrofits Planning, FRP）问题的研究鲜见报道。
图1  灵活性改造涉及子系统示意图
FRP问题考虑的时间周期较短，是对既有的发电扩展规划方案进行合理的修缮和补充。另外，为了更快速地响应系统调度指令，机组经过改造后，其调峰能力、爬坡速度和起动时间等多种运行参数都可能会发生改变。
但是，这些运行细节（灵活性约束）通常会被传统发电规划模型忽略，仅在较短时间尺度的机组组合模型中才能被捕捉。因此，在考虑FRP问题时，需采用基于机组组合的时序模拟方法。
但是，这种做法却引入了大量的二进制变量，在解决规划模拟问题时计算量巨大。基于此，华北电力大学电力工程系等单位的研究人员，考虑引入快速机组组合（Fast Unit Commitment, FUC）模型模拟系统多投资主体的动态博弈。
FUC模型的决策变量都是连续的，在IEEE测试系统和我国某实际系统环境下与传统机组组合模型相比，FUC计算速度快2万倍，且仿真结果只存在不到1%的误差。但是，FUC模型以机群为单位进行优化，忽略了机组间可行改造方案及投资成本的差异性和多样性，因此，研究人员提出一种考虑多投资主体博弈的两阶段FRP模型。
图2  发电企业间博弈行为示意图
首先，在系统博弈规划阶段，通过引入FUC模型，提出发电企业在电量和调峰市场的收益模型，在此基础上，基于不同投资主体的博弈机理分析，提出一种解决改造博弈问题的快速求解方法；其次，在企业规划阶段，考虑机组多方案改造和多参数变化，建立发电企业多技术改造规划模型；最后，基于我国东北某电网数据进行算例分析，并与统一规划方法进行对比，证明本文所提方法的有效性与合理性。
图3  火电机组灵活性改造两阶段规划方法
研究人员最后认为：

  • 1）本研究提出的两阶段改造方法，能够兼顾各个发电企业的主体利益。虽然该方法与统一规划方法相比改造规模较小，但其更加贴近实际市场运行机制，有效保证了市场活力。

  • 2）发电企业做改造决策时，不仅需要考虑调峰市场收益，还需综合考虑其在电量和调峰市场的两方面收益。

在未来的研究中，将会进一步考虑企业或集团内部的利润分配及灵活性改造的工程周期等问题，为规划部门、发电企业等部门提供帮助。

以上研究成果发表在2020年第11期《电工技术学报》，论文标题为“考虑多主体博弈的火电机组灵活性改造规划”，作者为郭通、李永刚、徐姗姗、高亚静、刘教民。

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