一种电转气机组与燃气机组在电力市场和天然气市场中的联合竞价方法与流程

本发明涉及电力市场竞价领域，特别是涉及一种电转气机组与燃气机组在电力市场和天然气市场的联合竞价方法。

背景技术：

化石能源逐步枯竭和气候恶化推动了世界范围内的能源产业结构调整和变革，可再生能源的开发与利用被公认为未来能源行业的发展方向。由于可再生能源发电出力具有明显的间歇性和波动性，这对电力系统的调节能力或接纳能力提出了挑战。对于可再生能源发电出力渗透率高而电力系统调节能力不强的情形，弃风或弃光等有时就无法避免。随着可再生能源发电出力渗透率的逐步提高，如何提高电力系统的消纳能力就成为一个重要问题。

近年来逐渐普及的燃气机组(Natural Gas Generating Unit，NGGU)具有转换效率高、碳排放率低、运行方式灵活等特点，能够为可再生能源发电出力提供调节服务，进而增强电力系统的接纳能力。另一方面，逐步成熟的电转气(Power to Gas，P2G)技术实现了电能向天然气的转换，使得电力系统和天然气系统得以闭环互联，加深了这两个系统之间的耦合。P2G技术可应用于消纳可提再生能源发电的富余出力、为电力系统供调频与备用等辅助服务等。

在竞争的市场环境中，与二者单独竞价相比，P2G设备和NGGU联合参与市场竞价有助于提高竞价的灵活性和最大化总收益。但对于收益应该如何在多个主体之间进行合理分配则鲜有报道。如果联盟缺乏合理的利润分配方案，联盟将难以维持。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种电转气机组与燃气机组在电力市场和天然气市场的联合竞价方法，解决了收益无法合理分配的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：一种电转气设备与燃气机组在电力市场和天然气市场的联合竞价方法，该方法包括以下步骤：

(1)采用拉丁超立方抽样生成含概率信息的场景集合，并利用场景消减算法对场景进行消减；

(2)根据步骤(1)得到的场景集合，以收益最大化为目标，分别构建P2G设备单独参与市场竞价模型、NGGU单独参与市场竞价模型、构建P2G设备和NGGU协同竞价模型，确定次日各交易时段的竞价策略及各模型的收益；

(3)根据步骤(2)得到的次日各交易时段的竞价策略及各模型的收益，采用夏普利值 法对P2G设备与NGGU的收益进行合理分配，得到收益分配方案；

(4)根据步骤(1)-(3)得到的次日各交易时段的竞价策略和收益分配方案，向电力市场提交竞价策略。

进一步的，所述步骤(1)具体为：

利用场景分析法来模拟市场出清价格，根据电力市场和天然气市场出清价格的历史数据，通过数据拟合得到具体的概率分布，根据市场出清价格的概率分布进行拉丁超立方抽样生成场景，之后，应用快速前代消除算法对场景进行消减合并，并计算合并后各场景出现的概率。

进一步的，所述步骤(2)具体为：

(2.1)构建P2G设备单独参与市场竞价模型

P2G设备在一天T个时段内参与电力市场和天然气市场的竞价策略可以用以下数学模型来描述：

式中:表示P2G设备总收益的期望值；和分别表示P2G设备在场景k的售气收益、调频容量收益、调频能量收益(正值表示收益、负值表示支出)和在日前市场的购电费用；和分别表示P2G设备时段t在日前市场的竞标购买功率、在调频市场上竞标的上调容量、下调容量和参与了电能市场和调频市场后的实际用电功率；表示场景k中P2G设备在时段t交易的天然气功率(正值表示售出，负值表示购入)；h_P2G表示P2G设备将电力转化为天然气的能量转换效率；y(t)为0-1变量，当P2G在时段t启动时取1，否则取0；P_P2G,min和P_P2G,max分别表示P2G设备运行的最小和最大功率；和 分别表示场景k中储气设备在时段t运行功率(正值表示充气，负值表示放气)和储气量； 和分别表示场景k中储气设备的初始储气状态和在第D+1日结束时需要达到的储气量；P_str,max、P_rel,max、S_max和S_min分别表示储气设备的充气功率的额定值、放气功率的额定值、最大和最小储气量。

(2.2)NGGU单独参与市场竞价模型

NGGU在一天T个时段内参与电力市场和天然气市场的竞价策略可用下述模型描述:

式中:表示NGGU的总收益的期望值；分别表示在场景k中NGGU在日前市场的售电收益、调频容量收益、调频能量收益和购气费用；和分别表示在时段t中NGGU在日前市场的竞标出力、在调频市场上竞标的上调容量、下调容量和在参与了电能市场和调频市场后的实际出力；P_NF,min和P_NF,max分别表示NGGU的最小和最大出力；h_NF表示NGGU将天然气转换成电能的能量转换效率；m(t)为0-1变量，当NGGU在时段t启动时取1，否则取0。

(2.3)构建P2G设备和NGGU协同竞价模型

P2G设备和NGGU在一天T个时段内参与电力市场和天然气市场的竞价策略可用下述模型描述:

式中:表示联盟的总收益的期望值；和分别表示联盟在场景k中的售电收益、售气收益、调频容量收益和调频能量收益；表示场景k中的时段t联盟在天然气市场交易的天然气功率；和分别表示时段t联盟在调频市场上竞标的上调容量和下调容量；和分别表示场景k中NGGU被调用的向上调频功率、向下调频功率、P2G设备被调用的向上调频功率和向下调频功率；和分别表示场景k中P2G设备和NGGU在时段t的实际用电功率和实际出力。

求解步骤(2.1)-步骤(2.3)的竞价模型，确定次日各交易时段的竞价策略及各模型的收益。

进一步的，所述步骤(3)具体为：

假设有N个成员(分别为h₁，h₂，…，h_N)参与收益分配，每个成员分得的收益为X＝[X₁，X₂，···，X_N]，合作博弈下的收益分配方案需满足整体理性和个体理性原则，

第i个成员分得的收益可用下式计算:

式中:i＝1，2，···，N；H_i为包含第i个成员的所有联盟子集；|H|表示联盟H中成员的个数；V(H-{i})表示不包含第i个成员的联盟H的特征函数。

进一步的，所述步骤(2)中建立的三个模型采用AMPL/CPLEX进行求解。

本发明的有益效果如下：通过拉丁超立方抽样的方法可以提高抽样的效率，利用场景消减算法可以在保证计算精度的情况下有效地降低模型计算的复杂度。本发明构建的P2G设备单独参与市场竞价模型，增加了P2G设备在电力市场中的获益情况。本发明构建的P2G设备与NGGU协同竞价模型，不仅可以增加P2G设备在电力市场中的收益，也可以降低P2G设备运营的风险。本发明构建的收益分配方案，可以保证P2G设备与NGGU协同竞价的收益得到公平合理的分配。

附图内容

图1为北欧电力市场中各类市场的交易时间图；

图2为P2G设备和NGGU联合竞价和收益分配的流程图；

图3为场景1的价格曲线图；

图4为场景2的价格曲线图；

图5为场景3的价格曲线图；

图6为场景4的价格曲线图；

图7为场景5的价格曲线图；

图8为P2G设备和NGGU在日前电力市场的竞价策略图；

图9为P2G设备和NGGU在调频市场的竞价策略图；

图10a为P2G设备在实际运行中被调用的调频功率图，10b为NGGU在实际运行中被调用的调频功率图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

本发明分析电转气设备与燃气机组的竞价策略及两者之间的收益分配方案，提出了基于电转气设备与燃气机组在电力市场和天然气市场的联合竞价方法。

所述的电转气设备与燃气机组在电力市场和天然气市场的联合竞价方法以北欧电力交易中心的市场机制为基础。北欧电力交易中心的组成结构如图1。日前市场的竞价规则如下:第D+1日的日前市场于第D日的中午12:00关闭，所有参与主体需要在此之前向调度机构提交第D+1日T个交易时段的竞价信息(价格-电量组合)。从日前市场关闭到第D+1日的实时调度开始的时间间隔较长，预测的电力供需情况与实际情形一般会有偏差，通过日间市场可以平衡供需偏差，市场主体也可以在日间市场买入或卖出电能。调频市场在实时市场开始运营前45min关闭，各个市场主体此前可以向调度机构提交调频(向上调频和向下调频)的投标，且可以单独申报向上调频服务和向下调频服务。随后，在实际系统运行中，为实现电力供需平衡，调度机构有时需要调用调频服务。提供调频服务的市场主体可以获得调频容量收益，在实际运行中由于调频服务被调用导致实际发电/用电的电量与日前市场中标的电量偏差，可以按照实时市场的电能价格对偏差电量进行结算。如果电力系统没有发生阻塞，则电力市场按照统一价格出清，如果发电公司/电力用户的竞标价格低于/高于市场出清价格就能中标。不过，在发电公司/电力用户构造投标策略时，并不知道市场出清价格，需要进行预测或通过估计竞争对手的行为进而估计该价格。如果能够比较准确的估计市场出清价格，那发电公司/电力用户需要做的主要工作就是确定竞标电量。

所述的电转气设备与燃气机组在电力市场和天然气市场的联合竞价方法以北欧天然气交易市场的市场机制为基础。北欧天然气交易市场主要包括日内合同(within day contracts)、日前合同(day contracts)和月度合同(month contracts)，天然气购买者/出售者向天然气交易中心提交购买/出售的天然气量和价格，交易系统按照购买方和出售方的出价自动匹配订单。在当天交易结束后，交易系统根据当天交易的天然气量和价格，加权平均计算得到该日的平均交易价格(reference price)。由于在交易实际发生前无法确切知道天然气交易价格，就以天然 气平均交易价格近似作为P2G设备/燃气机组在天然气市场购买/出售天然气的价格。

一种电转气设备与燃气机组在电力市场和天然气市场的联合竞价方法，该方法包括以下步骤：

(1)采用拉丁超立方抽样生成含概率信息的场景集合，并利用场景消减算法对场景进行消减；

(2)根据步骤(1)得到的场景集合，以收益最大化为目标，分别构建P2G设备单独参与市场竞价模型、NGGU单独参与市场竞价模型、构建P2G设备和NGGU协同竞价模型，确定次日各交易时段的竞价策略及各模型的收益；

(3)根据步骤(2)得到的次日各交易时段的竞价策略及各模型的收益，采用夏普利值法对P2G设备与NGGU的收益进行合理分配，得到收益分配方案；

(4)根据步骤(1)-(3)得到的次日各交易时段的竞价策略和收益分配方案，向电力市场提交竞价策略。

进一步的，所述步骤(1)具体为：

利用场景分析法来模拟市场出清价格，根据电力市场和天然气市场出清价格的历史数据，通过数据拟合得到具体的概率分布，根据市场出清价格的概率分布进行拉丁超立方抽样生成场景，之后，应用快速前代消除算法对场景进行消减合并，并计算合并后各场景出现的概率。

进一步的，所述步骤(2)具体为：

(2.1)构建P2G设备单独参与市场竞价模型

P2G设备从电力系统中购买电力,并利用储气设备灵活地参与天然气市场(购入或售出天然气),存在利用天然气价格的波动性获利的可能性。同时P2G设备可以为电力系统提供调频等辅助服务来获得额外收益。P2G设备在一天T个时段内参与电力市场和天然气市场的竞价策略可以用以下数学模型来描述：

式中:表示P2G设备总收益的期望值，为输出量；和分别表示P2G设备在场景k的售气收益、调频容量收益、调频能量收益(正值表示收益、负值表示支出)和在日前市场的购电费用；和分别表示P2G设备时段t在日前市场的竞标购买功率、在调频市场上竞标的上调容量、下调容量和参与了电能市场和调频市场后的实际用电功率，为输出量；表示场景k中P2G设备在时段t交易的天然气功率(正值表示售出，负值表示购入)；h_P2G表示P2G设备将电力转化为天然气的能量转换效率；y(t)为0-1变量，当P2G在时段t启动时取1，否则取0；P_P2G,min和P_P2G,max分别表示P2G设备运行的最小和最大功率；和分别表示场景k中储气设备在时段t运行功率(正值表示充气，负值表示放气)和储气量；和分别表示场景k中储气设备的初始储气状态和在第D+1日结束时需要达到的储气量；P_str,max、P_rel,max、S_max和S_min分别表示储气设备的充气功率的额定值、放气功率的额定值、最大和最小储气量。

(2.2)NGGU单独参与市场竞价模型

NGGU单独参与市场竞价模型。NGGU在天然气市场中购入天然气,在电力系统中出售电力。NGGU响应速度快,也可以参与电力调频市场以获得额外收益。NGGU在一天T个时段内参与电力市场和天然气市场的竞价策略可用下述模型描述:

式中:表示NGGU的总收益的期望值，为输出量；和分别表示在场景k中NGGU在日前市场的售电收益、调频容量收益、调频能量收益和购气费用；和分别表示在时段t中NGGU在日前市场的竞标出力、在调频市场上竞标的上调容量、下调容量和在参与了电能市场和调频市场后的实际出力，为输出量；P_NF,min和P_NF,max分别表示NGGU的最小和最大出力；h_NF表示NGGU将天然气转换成电能的能量转换效率；m(t)为0-1变量，当NGGU在时段t启动时取1，否则取0。

(2.3)构建P2G设备和NGGU协同竞价模型

构建P2G设备和NGGU协同竞价模型。P2G设备和NGGU联合实现了电力-天然气的能量闭环转化,也可以形成联盟来参与电力市场和天然气市场,以取得更大的总收益。P2G设备和NGGU在一天T个时段内参与电力市场和天然气市场的竞价策略可用下述模型描述:

式中:表示联盟的总收益的期望值，为输出量；和分别表示联盟在场景k中的售电收益、售气收益、调频容量收益和调频能量收益；表示场景k中的时段t联盟在天然气市场交易的天然气功率；和分别表示时段t联盟在调频市场上竞标的上调容量和下调容量，为输出量；和分别表示场景k中NGGU被调用的向上调频功率、向下调频功率、P2G设备被调用的向上调频功率和向下调频功率；和分别表示场景k中P2G设备和NGGU在时段t的实际用电功率和实际出力。

求解步骤(2.1)-步骤(2.3)的竞价模型，确定次日各交易时段的竞价策略及各模型的收益。

进一步的，所述步骤(3)具体为：

对联合竞价收益进行分配。在联合竞价模型中,调频容量由P2G设备和NGGU共同提供,系统实际运行时如果需要调用调频服务则优先调用调频成本较低的一方。二者的协作会为联盟带来更大收益。联合竞价使得P2G设备的实际用电功率和NGGU实际出力与其单独竞价时有所偏差。从P2G设备和NGGU各自的角度考虑,参与联盟合作的前提是能给双方带来较 单独参与竞价更高的收益。如果P2G设备和NGGU分属不同的实体,就需要公平合理地分配联盟的总收益。有多种分配联盟总收益的方法,其中夏普利值法能够合理计及参与者对联盟贡献的程度进而得到合理的收益分配结果。

假设有N个成员(分别为h₁，h₂，…，h_N)参与收益分配，每个成员分得的收益为X＝[X₁，X₂，···，X_N]，合作博弈下的收益分配方案需满足整体理性和个体理性原则，

第i个成员分得的收益可用下式计算:

式中:i＝1，2，···，N；H_i为包含第i个成员的所有联盟子集；|H|表示联盟H中成员的个数；V(H-{i})表示不包含第i个成员的联盟H的特征函数。

进一步的，所述步骤(2)中建立的三个模型采用AMPL/CPLEX进行求解。

实施例：

参数设置:P2G设备运行的最大和最小功率分别为20MW和2MW，能量转化效率为50％；NGGU运行的最大和最小功率分别为50MW和5MW，能量转化效率为70％；储气设备的额定容量为50MWh，最小储气量为5MWh，最大充气和放气功率均为5MW，储气设备初始储气量为25MWh。向上调频和向下调频服务在实际运行中被调用比例的期望值见的表1。

表1 系统实际运行中调频服务调用比例的期望值

假设电力市场和天然气市场的出清价格在一定区间内满足正态分布。天然气价格的均值取自欧洲能源交易所某日的实际市场数据；日前市场电价、上调和下调容量价格以及上调和下调能量价格的均值取自Nord Pool某日的实际市场数据，电力市场和天然气市场的出清价格的均值数据见的表2，标准差均为3EUR/MWh。通过LHS生成10000个场景，经过消减后得到5个典型场景，这5个场景出现的概率分别为23.43％、19.74％、19.49％、18.81％和18.53％；5个典型场景的价格数据见的图3-图7。

表2 天然气价格、日前市场价格、上调和下调容量价格以及实时市场价格预测值的期望

P2G设备和NGGU单独参与竞价和联合参与竞价的收益情况如表3所示；可以看出，当二者单独竞价时，NGGU的收益主要来源于日前市场售电收益和调频容量收益，而P2G设备的收益则主要来源于调频容量收益和天然气市场收益。需要指出，由于P2G设备的转换效率较低(50％)，而等值能量的天然气价格通常低于电价，因此P2G设备在单独竞价时，靠将电能转化为天然气很难获得收益，但适当参与调频服务市场则可以获利。

与单独竞价相比，P2G设备和NGGU联合参与电力市场和天然气市场竞价可以增加整体收益(由32879.8EUR增加到33345.7EUR)。如果按照P2G和NGGU设备在各个市场中的收益归NGGU和P2G设备各自所有，那么在联合竞价模式下，P2G设备的收益由单独竞价时的1593.8EUR上升到4319.9EUR，而NGGU的收益由单独竞价时的31286.0EUR下降到29025.8EUR。可见，合作竞价会导致NGGU的收益下降，这不满足个体理性的原则，需要由P2G设备对NGGU进行补偿，也即对联盟收益重新分配。采用夏普利值对收益重新分配后，P2G设备和NGGU的总收益分别为31519.0EUR和1826.7EUR，双方收益均大于单独竞价时的收益。

表3 P2G设备和NGGU的收益情况

P2G设备和NGGU在日前市场和调频市场的竞价策略分别如图8和图9所示。对P2G设备而言，单独竞价时为了使收益最大，在一天中有14个时段需要停机，启停频繁。在时段2:00-3:00AM，P2G设备在日前市场的竞标购买功率为其额定功率，并在调频市场竞价向上调频服务。除此以外，P2G设备在日前市场竞价为其最小用电功率，在调频市场中竞标向下调频服务。而在联合竞价时，P2G设备一天内全部时段都处于开机状态，并且P2G设备在日前市场竞标的购电功率比单独竞价时有所提高，这改善了利用效率。这是由于P2G设备开机将电力转化成天然气时在电力-天然气能量市场是亏损的，当P2G设备单独竞价时，在多个时段会停机以降低成本。联合竞价时，在一个竞价周期内，除2:00-5:00AM这三个小时外，P2G设备皆运行在最小用电功率，可以增加联盟竞价的调频容量；在系统实际运行过程中需要调用调频服务时，通过合理控制P2G设备实际用电功率和NGGU的实际出力，由调频成本较低的一方承担调频功率，可以最大化联盟的总收益。

由图8和图9可以看出，在日前市场电价较低时段(2:00-5:00AM)，NGGU在日前市场竞标出力较低，在调频市场竞标的向上调频容量较多。除上述时段外，NGGU在日前市场竞价出力为额定出力，在调频市场竞标向下调频容量。这是由于NGGU提供向上调频服务会牺牲其在日前市场的收益，因此当日前市场电价较低时，NGGU会放弃在日前市场的收益，参与向上调频市场，以期望在系统实际运行时调用向上调频服务，从而获得相应的提供电能收益。在联合竞价的情况下，NGGU在日前市场的竞价策略与单独竞价一致。

P2G设备和NGGU在实际运行中被调用的调频功率如图10a和10b所示。NGGU在参与联合竞价时要比其在单独竞价时承担更多的向下调频功率。相应地，P2G设备在联合竞价中完全不承担向下调频，只承担向上调频。

在联合竞价时，NGGU在日前市场的竞价策略基本不变，而P2G设备在NGGU的支持下可以减少频繁的启停，这导致在收益分配之前，联合竞价时P2G设备收益比单独竞价时明显高一些。采用夏普利值方法将P2G设备的部分收益补偿给NGGU是合理的。

与电池储能等传统储能方式相比，在现有技术条件下P2G设备投资成本较高且转换效率还相对较低，因此现有储能技术的运行经济性更好些。不过，P2G设备转换得到的天然气可以供给NGGU直接使用，且P2G设备和NGGU联合优化可以提高整体运行效益；另外，P2G设备可以实现对电能尤其是间歇性可再生能源产生的电能的大量存储，而传统储能方式则很难做到。