[发明专利]一种碳-电耦合市场中水火电协同竞价策略制定方法

权利要求书

1.一种碳-电耦合市场中水火电协同竞价策略制定方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤(1)：构建碳-电耦合市场下梯级水电与火电发电调度模型

Step1.1.构建梯级水电站运行约束

1)水电站发电量方程

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

式中：Q_i,t为水电站i第t个月的发电量，MWh；Q_t为梯级水电站第t个月的总发电量，MWh；I为水电站总数；T为总时段数；N_i,t为水电站i第t个月平均出力，MW；Δt^h为第t个月的发电时间长度；

2)水量平衡约束

式中：V_i,t为水电站i第t个月初库容，m³；分别为水电站i第t个月入库流量、出库流量、发电流量、弃水流量、区间入流，m³/s；Δt^s为每个月的发电时长，s；

3)水电发电特性曲线

式中：H_i,t为水电站i第t个月内的平均发电净水头，m；f_i(·)为水电站i的发电性能曲线，描述水电站出力、发电流量、平均发电净水头之间的三维函数关系，是非线性且非凸的；在中长期问题中，式(7)表示为下式：

4)电站发电水头

式中：z_i,t为水电站i第t个月初的水位，m；为水电站i第t个月的尾水位，m；表示电站i的水头损失，m；水电站i调度期初水位z_i,1及调度期末水位均为给定值；

5)水位-库容关系

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

式中：f_i^zV(·)为水电站i的水位-库容关系函数，为非线性函数；

6)尾水位-下泄流量关系

式中：f_i^zQ(·)为水电站i的尾水位-下泄流量关系函数，是非线性的；

7)边界限制

出库流量限制、水位上下限约束、发电流量约束、出力上下限约束如式(12)-(15)所示，其中x_i、分别为变量x_i的下限与上限；

Step1.2.构建火电站运行约束

1)火电机组总发电量方程

式中：P_t为火电机组第t个月的总发电量，MWh；P_j,t为火电机组j第t个月的发电量，MWh；为火电机组j第t个月每小时平均出力，MW；J为火电机组个数；

2)出力约束

式中：P_j、分别为火电机组j的最小开机出力与装机容量，MW；

3)火电发电电力成本

火电发电成本指煤耗成本，是其发电功率的二次函数；

式中：U^P,E为火电发电电力成本，元；a_j、b_j、c_j为火电机组j的成本系数，单位分别为元/h、元/(MWh)、元/[(MW)²h]；为火电机组j第t个月每小时发电成本，元/h；

步骤(2)：建立考虑CCER机制的碳-电耦合市场中水火电协同竞价模型；

通过构建联合交易模型，计算各电源在各市场中的竞价策略与收益；根据我国碳市场和电力市场的现状，建立以年为尺度、月为时段的中长期市场竞价模型，其中电力市场以月度市场考虑，碳市场以年市场考虑；所考虑的市场中，水电以电厂为单位进行竞价、火电以机组为单位进行竞价，所研究水、火电站属于同一利益主体，称为发电集团；决策变量是水电厂和火电机组各时段或月出力、发电集团在碳配额市场与CCER市场的购买量或出售量、水电的CCER认证量；

Step2.1.目标函数

以发电集团在碳-电耦合市场中的总利润最大为目标构建目标函数为：

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

式中：W^E、W^C分别为发电集团在电力市场和碳市场中的利润，元；W为总利润，元；

Step2.2.电力市场约束

所研究的发电集团在电力市场总利润为：

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

式中：Y^E为发电集团在电力市场的总收入，元；U^P,E为发电集团的总发电成本，元；由于水电的固定成本不影响市场决策，而变动成本又很小，忽略不计，因此认为发电企业的总发电成本等于火电成本；λ_t^E为电力市场中第t个月的预测电价，元/MWh；为火电第t个月出售电量，MWh；为水电第t个月出售电量，MWh；ω_i为水电站i厂用电率，ω_j为火电站j所在电厂的厂用电率；

Step2.3.碳交易市场约束

1)发电集团获得初始免费碳配额

式中：R^Gov为发电集团免费获得的初始碳排放配额，t；ε为免费配额比例；η_j为火电机组j单位电量碳排放分配额，t/MWh；

2)发电集团实际二氧化碳排放量

式中：R^C为发电集团T时段内的碳排放总量，t；σ_j为火电机组j碳排放强度，t/MWh；

3)水电认证的CCER

式中：R^CCER为水电认证的CCER量，t；τ为每MWh水电CO₂减排量，t/MWh，由式(28)计算；

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

式中：EF_OM为电量边际排放因子；EF_BM为容量边际排放因子；

4)发电集团拥有的自愿核证减排量净值

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

式中：R^CCER,net、R^CCER,buy、R^CCER,sell分别为发电集团拥有的CCER量净值、在碳市场中购买CCER量和出售CCER量，t；

5)发电集团拥有的碳配额量

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

式中：R^C,net、R^C,buy、R^C,sell分别为发电集团拥有的碳配额净值、在碳市场中购买碳配额量和出售碳配额量，t；

6)配额实际清缴约束

在向生态环境主管部门清缴上年度的碳配额时，发电集团选取部分CCER和碳配额组合在一起清缴碳配额，有如下关系：

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

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

式中：α、β为比例系数，0≤α,β≤1；R^duty为发电集团应清缴配额量，t；d^gap为发电集团未足额清缴碳配额数量，t；若d^gap为正数，则表示发电集团拥有的总CCER和碳配额之和不足以清缴应缴纳配额量，若d^gap为负数，则表示发电集团在清缴碳配额后有结余；ψ表示允许发电集团使用CCER清缴比例；

7)应缴纳配额量约束

根据有关碳清缴的规定，应缴纳配额量如式(33)所示；

8)违约惩罚

M＝μλ^Cd^gap                             (34)

式中：M为发电集团未按时足额清缴碳配额时违约交纳罚金，元；μ为处罚标准系数；λ^C为碳市场中的碳配额成交价，元/t；

9)碳市场总利润

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

式中：λ^CCER为CCER市场中成交价，元/t；

步骤(3)：综合模型的转化与求解；

Step3.1.水电运行约束的线性化处理

水位-库容关系式(10)、尾水位-下泄流量关系式(11)为非线性一元函数，采用分段线性函数对其进行逼近，进而转化为混合整数线性表达式；

水位-库容关系线性化关系如下：

式中：用k+1个断点将水电站i的水位可行区间划分为|K|个子区间，其中为第k个子区间；即是水电站i在水位为时的库容，m³；为水电站i在t时段第k个子区间内的水位值，m；0-1变量δ_i,t,k为水电站i在t时段第k个子区间内的指示变量，用于判断水位所处区间；由式(36)-(37)可知，由且仅有一个水位区间被选中，由式(38)-(39)确定，当δ_i,t,k＝0时，当δ_i,t,k＝1时，落在第k个子区间，再通过式(40)二维线性插值法计算得到V_i,t；

尾水位-泄量关系线性化如下：

φ_i,t,c为水库i在t时段第c个出库流量区间指示变量，0-1整数，用于判断出库流量Q_i,t所处区间；val_i,t,c为水库i在t时段第c个出库流量区间内的出库流量值；为水库i在第c个出库流量区间右端点值；为水库i在第c个尾水位区间的右端点值；

Step3.2.火电发电成本线性化

火电发电成本式(21)为非线性一元函数，采用python自带拟合方法将其拟合后，再采用step3.1中分段线性函数方法对其逼近；

Step3.3.应缴纳配额量约束线性化

式(33)为分段函数，无法直接求解；引入0-1整数变量y，将之转化为线性约束(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为一足够大的数，当y为0时，式(47)表示R^C-R^Gov≤20％R^C，式(46)表示R^duty为R^C；当y为1时，则表示R^C-R^Gov≥20％R^C且R^duty＝R^Gov+20％R^C；

将式(8)保持二次形式，最终得到的模型为混合整数二次规划MIQP形式；

Step3.4.模型求解

求解后即可获得水电与火电发电调度计划与竞价策略。