深度文章|省間日內電力現貨市場設計的挑戰與思考

2020-09-15 11:25:52 來源:電網技術  點擊量: 評論 (0)
于中國日內跨區富余可再生能源電力現貨市場的實踐,對省間日內現貨市場設計進行思考,并提出基于順序出清的耦合模式、區域市場設計應遵循的基本原則、基于潮流和關鍵支路的通道建模方法、基于滾動重疊的日內交易機制。

摘要

隨著新能源并網增加,各時間尺度下的現貨市場功能正逐步改變,整體呈現出強化日內市場定位、重視日內環節設計的趨勢。作為市場從空間維度的進一步劃分,省間日內市場面臨特有的設計難點與挑戰。首先,從空間范圍、交易需求、功能定位、設計復雜度4個方面,討論日內市場特征變化趨勢;然后,從省間日內現貨市場設計出發,針對省內市場耦合、區域市場融合、通道容量建模、新能源消納 4個方面問題,分析市場建設所面臨的挑戰;最后,基于中國日內跨區富余可再生能源電力現貨市場的實踐,對省間日內現貨市場設計進行思考,并提出基于順序出清的耦合模式、區域市場設計應遵循的基本原則、基于潮流和關鍵支路的通道建模方法、基于滾動重疊的日內交易機制。

0 引言

中國正在加快推進電力現貨市場建設,力圖設計高效運行的市場體系,促進資源的優化配置[1-2]。省間日內市場是現貨市場的重要組成部分,市場定位及設計具有重要意義。作為日內市場,其交易組織在日前市場之后,在時間維度發揮超短期資源調節作用;作為省間市場[3],在空間維度發揮資源大范圍優化配置作用。

在中國電力現貨市場建設過程中,日內跨區富余可再生能源電力市場作為省間日內市場的初期形態,2018年完成交易4000余筆、交易量超過 31億kW·h,其設計、運行起到了重要的實踐作用。隨著新能源并網比例增加,各時間尺度現貨市場的功能特征正在逐步改變,日內市場愈發重要。

目前,北美、歐洲等地區的跨區日內市場交易模式差異較大,北美日內市場分為若干區域,由各電網運營機構(independent system operator,ISO)負責交易組織,跨區域交易較為松散,多為雙邊交易形式。歐洲通過共享訂單、價格耦合等市場機制,建立了統一日內市場,由各交易中心聯合運營。雖然北美、歐洲等地區在現貨市場模式、規則設計等方面各有側重;但隨著新能源占比提高,整體呈現出強化日內市場定位、重視日內市場設計的趨勢[4-7]。

日內市場在激勵參與者進行偏差調整、優化資源配置、促進新能源消納等方面具有重要作用。本文基于中國日內跨區富余可再生能源電力現貨市場的實踐,針對日內市場特征變化變化進行討論,對省間日內現貨市場建設所面臨的挑戰進行分析,最后對省內日內現貨市場設計進行思考,并提出相關建議。

1 日內市場特征變化趨勢

1.1 日內市場空間范圍擴大

日內市場空間維度逐漸變化,交易范圍呈擴大趨勢,這主要源于大規模新能源并網,對跨區域電力平衡的訴求。一方面新能源發電具有強波動性的特征,其并網比例逐年增加;另一方面傳統電源受爬坡能力、最小出力等技術因素限制,調節能力有限。因此,大范圍的資源優化配置已經成為提升新能源消納水平的重要途徑[8]。

歐洲、北美等地區的現貨市場交易范圍呈擴大融合趨勢。2009年和2018年,歐盟分別頒布“第三能源法案”(Third Energy Package)和“清潔能源法案”(Clean Energy Package),推動建立歐洲統一電力市場,并提出相應的區域價格耦合(price coupling of region,PCR)方法[9]。截至2018年底,歐洲已實現27個國家在日前跨境市場耦合,14個國家在日內跨境市場耦合,此外,歐洲正在設計推進統一實時市場[10]。在北美地區,以加州獨立電網運營機構(CAISO,California ISO)為例,在2014年CAISO啟動了美國西部跨區域電力不平衡市場(Energy Imbalance Market,EIM),EIM中15min市場與日內市場特征較為相似,EIM市場交易范圍同樣呈現出逐漸擴大趨勢[11]。

1.2 日內市場交易需求提升

日內市場交易量、交易占比增加,部分交易由日前延后至日內階段開展。受限于能源稟賦,新能源發電具有較強不確定性,難以準確預測。與傳統(火電)參與者不同,新能源參與者往往越臨近執行時刻,其出力預測精度越高[12]。由于這一特征,在不考慮其他影響因素的情況下,新能源參與者更傾向于參與日內市場交易,導致日內交易需求提升。

日內市場交易逐年增長,變相導致部分交易時間延后。同時,日內出清結果與日前變化增大,電網運行風險增加,日內價格波動加劇[13-14]。

1.3 日內市場功能定位強化

日內市場功能定位轉變,亟待價格信號進行引導。日前市場與實時市場的偏差增大,需要更加完備的日內市場,實現平滑過渡。在北美市場初期設計中,日內環節主要目的是為ISO提供相應時間尺度下的電網調節手段,因此在市場參數設計方面,日內市場相關時間參數與機組性能參數一致,如表1所示。隨著新能源并網比例增加,日內市場功能并非僅僅是被動確定是否調用相應時間尺度下的調節手段,激勵市場參與者主動盡早進行偏差調節、降低調節成本,正成為日內市場的重要職能之一[15]。

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通過價格信號引導是激勵市場參與者主動進行偏差調節的重要方式。在市場初期設計中,北美日內市場大多采用沒有獨立的出清價格機,而是采用與實時市場相同的價格進行出清。在現階段日內市場設計中,利用價格信號引導偏差修正,在降低預測偏差導致的價格波動、激勵新能源參與者提升自身預測水平、提升電網運行安全性等方面,均具有重要意義。

1.4 日內市場設計復雜度提高

日內市場設計難度增大,架構復雜度提高。日內市場復雜度主要來源于以下方面:一是現貨市場固有的設計難點。日內市場作為現貨市場的組成部分,現貨市場中固有的難點在日內市場中依然存在,如啟停成本、無負荷成本導致的非凸問題[16]。二是源于日內市場自身特點,主要包括輔助服務和時間顆粒度的多樣性。在輔助服務方面,日內市場新增爬坡容量等輔助服務;在時間顆粒度方面,日內市場交易頻率、合同時長更加靈活,部分北美市場包含3種日內市場,兩者均增加了日內市場設計難度。三是與其他市場銜接產生的復雜度,日內市場需考慮與日前市場、實時市場的雙向銜接。

2 省間日內市場特征及設計挑戰

2.1 省間日內市場特征

市場在時間維度細化的目的在于動態利用更新信息,在空間維度細化的目的在于提高資源的全局優化配置效率。省間日內市場是在日內市場基礎上,從空間維度進行的市場細化。

1)省間日內市場為實現全局優化,部分細節簡化。為擴大優化范圍,保證出清效率,省間市場對部分省內細節進行一定程度簡化。例如,將各省電網等效為單一節點。在提高出清效率的同時,也增大了執行風險。

2)省間與省內市場緊密耦合,交易需多級調度的協調組織。時間維度不同的各級市場大多由同一調度/交易機構組織完成,空間范圍不同的各級市場則需要由多級調度/交易機構組織完成。各級市場相互關聯,難以同時獨立開展。因此,省間、省內多級市場組織,對各級調度的協調配合要求較高。

基于上述省間日內市場的特征,省間日內市場在建設過程面臨相應設計難點與挑戰,如圖1所示。

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2.2 省間日內市場設計挑戰

2.2.1 耦合銜接省內市場

1)資源耦合。

省間市場、省內市場作為空間維度不同的兩個市場,其設計的難點在于如何協調兩市場交易次序,解決兩市場交易資源共用問題。交易資源包括電能量、輔助服務等。市場參與者可以同時選擇在省間市場與省內市場進行交易,受可交易總量限制,參與者在兩市場的交易量存在相互制約關系。例如,對于某賣方參與者,若其在省內市場交易量過大,可能導致其在省間市場的可交易量減少,反之亦然。針對上述交易資源共用問題,在不能集中優化的情況下,不確定省間交易量則無法確定省內可交易量,同理不確定省內交易量則無法確定省間可交易量。

需要說明的是,上述問題雖然可以通過事先按一定規則分配的方式解決(例如:市場參與者事先分配其在兩市場的申報量),但由于市場交易的不確定性,可能會導致交易結果與預期偏差較大。因此設計合理的市場耦合機制,避免各市場間低效運行,具有重要意義。此外,相較于日前市場,日內市場對交易流程簡潔性、高效性有更高的要求。

2)跨時間維度耦合。

現階段市場建設中,在時間維度上,省間現貨市場重點建設日前、日內市場,省內現貨市場重點建設日前、實時市場。因此,在省內日內市場尚未完備階段,省間日內市場設計需滿足同省內實時市場的耦合要求。

2.2.2 融合區域調峰輔助服務市場

區域調峰輔助服務市場是市場建設過渡時期的形態,并未形成標準的市場形態。完備的省間市場和省內市場將包含其現有全部功能。

當存在兩個不同空間范圍且相互影響的市場時,至少需要一次迭代(A市場預出清→B市場正式出清→A市場正式出清)才能較好地完成交易。當某地區存在省間市場、區域市場、省內市場3個空間維度不同的市場同時運行時,考慮預出清(或預平衡)等環節,市場交易過程復雜,不利于在交易時間較短的日內市場實施。同時,還可能存在各市場間相互影響,導致市場低效運作的情況發生。

目前,東北、西北、華北、華東已建立了區域調峰輔助市場,部分地區正在進行方案編制。各區域調峰市場差異較大,交易頻率、合同時長、交易市場形態均不相同,如表2所示。缺乏統一規范的市場設計,增加了區域調峰輔助服務市場與其他市場融合的難度。

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2.2.3 通道可用容量建模與管理

通道可用容量建模管理是現貨市場設計中的關鍵環節,也是市場出清結果能夠進行調度執行的重要保障。省間現貨市場為提高市場效率,將部分細節進行簡化,例如將全省等效為單一節點。在簡化過程中,部分信息扭曲或缺失,增加了通道建模管理的難度。

1)省間通道可用容量建模。

省間交易路徑大部分以“交流通道+直流通道+交流通道”的形式構成。省間市場現階段規則中,省間通道容量采用典型的可用輸送容量(available transmission capacity,ATC)模型確定。

基于ATC的通道可用容量建模方式基于一定程度的簡化假設。潮流在直流線路中定功率傳輸,不存在潮流轉移分布,但在交流線路中分布需遵循物理特性。這意味著交易電量無法僅通過指定交流通道由賣方輸送至買方,且不經過其他交流網絡。因此,對于耦合關系復雜的交流電網,基于ATC的省間通道容量模型無法完全適應省間市場需求。

2)省內穿越潮流約束建模。

省間交易出清模型中以省為單位進行集中申報,將全省等效為單一節點。這意味著省間市場出清模型未充分考慮省間交易產生的穿越潮流對省內通道的影響,換言之,未充分考慮省內交流通道容量對省間交易的約束。

在實際物理問題中,絕大部分省間市場參與者不直接通過省間通道相連,而是經省內通道與省間通道相連。受限于省內通道可用容量,省間市場交易量可能存在限制;同時,省間市場交易量與省內市場交易量可能存在相互制約。因此,將全省等效為單一節點,適于內部無阻塞或阻塞較輕的地區;對于內部阻塞嚴重的地區難以適用。

針對省間交易產生的穿越潮流問題,歐洲市場采用再調度、反向交易等方式對于區內阻塞問題進行處理,在解決問題的同時也導致區內調度成本增加等負面問題出現。中國電網跨區輸送能力較強,省間市場交易占比高于平均水平,省間交易產生的穿越潮流的影響將更加顯著。因此,更需采用適合的模型方法和管理規則解決這一問題。

2.2.4 適應現階段新能源預測特征

省間市場的定位為大范圍資源優化配置,為進一步提升新能源消納水平,省間日內市場設計應同現階段新能源出力預測特征相匹配。

目前,部分地區新能源預測水平有待提高,新能源預測呈現3個方面特征:一是有效預測的超前時間(leading time)較短,預測精度不能完全滿足指導參與者進行準確市場申報的要求。二是預測精度隨預測超前時間快速變化,如圖2所示[17]。三是趨勢預測偏差較大,當新能源出力趨勢穩定時,預測較為準確;當新能源出力趨勢發生變化時(例如:出力由增加轉為減小),往往難以準確預測。此外,由于新能源并網,導致部分交易時間延后,已在前文中進行討論。

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針對上述問題,在省間現貨市場設計中,應預留至少一次修正機會,當預測出現較大偏差導致無法履約時,允許通過再次交易的方式進行修正。若再次交易產生的偏差調節成本,應由預測存在誤差的市場參與者承擔。此外,省間日內市場設計除促進新能源消納外,還應激勵新能源參與者主動提高自身預測水平。

3 對相關問題的思考

3.1 基于順序出清的省內市場耦合模式

3.1.1 整體出清模式

為實現資源優化配置,省間市場自身宜采用集中出清方式;同時集中出清方式與省內市場設計保持一致,有助于向全國統一電力市場的遠期形態過渡。(全國統一電力市場的遠期形態特征為考慮各市場成員報價與全網平衡,基于安全約束確定省間與省內通道輸電能力,全局優化出清。)對于省間、省內兩個空間維度不同的市場,可采用順序優化出清或聯合優化出清的模式進行出清。

1)順序出清。

順序出清模式通過合理規則設計,實現兩市場的解耦優化和邊界信息迭代交互。利用合理時序設計,實現市場交易的高效性、穩定性和可靠性。順序出清在結果最優性方面可能低于聯合出清,但對市場出清模型、計算量等要求較低,適于省間與省內市場的部分耦合模式。

2)聯合出清。

聯合出清模式需引入分層多主體交互模型,在主、子問題中分別對省間、省內部分建模,并采用了聯合出清方法。總體上,聯合出清的全局最優性好,但對各市場設計的協同性要求較高,出清模型復雜、計算量大,適于省間與省內市場的完全耦合模式。

基于現貨市場建設現狀以及建設路徑,中期可考慮采用順序出清模式;遠期可考慮采用聯合出清出清模式。本文重點針對順序出清進行討論。在順序出清模式下,對于空間維度不同的兩個市場出清,其本質為雙層規劃問題,因此至少需要一次迭代才能完成出清。即自省內市場至省間市場的平衡申報,側重考慮平衡問題;自省間市場至省內市場的正式出清,側重考慮阻塞管理。基于此,省內市場可首先進行預出清或預平衡,作為省間市場申報的參考;然后省間市場正式申報、出清,作為省內市場的邊界條件;省內市場再正式出清,以避免出現反復迭代。省內市場正式出清結果可能與預出清、預平衡結果存在一定偏差。此外,各省內市場也可根據實際平衡與阻塞情況,適當簡化省內交易流程。

3.1.2 細節設計

1)交易環節構成。

省間交易流程應包含3部分主要時段:交易時段T交易、預留時段T預留、合同時段T合同。交易時段用于交易申報出清,預留時段用于同其他市場配合,合同時段為交易執行時段。圖3中t出清—t執行為交易預留空窗時段,為實現空間范圍不同的兩市場耦合,預留空窗時段是必要的。

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2)耦合時間設計。

為滿足兩市場耦合要求,省間與省內日內市場主要交易環節的時間設計應滿足相關要求,如圖4所示。

一是省間市場預留時段長度,應不短于省內市場交易時段長度,即省間市場出清后確保有足夠的時間進行省內正式申報出清。

二是在t=t0時,省內市場需進行一次t2—t6的預出清或預平衡,以指導省間市場申報。在現階段,省內現貨市場建設以實時市場為主,日內市場不完

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圖4 省間與省內市場耦合時間示意圖Fig. 4 Cross-provincial market and provincial market coupling

備,因此可通過省內定時預平衡實現。在省內日內市場較完備后,可以利用省內日內市場配合進行預出清。

3)申報方式。

考慮省間市場定位為大范圍資源優化配置,省間市場可不引入復雜報價、機組啟停成本、無負荷成本等非凸問題。相關非凸問題應重點在省內市場結合安全約束機組組合(security constrained unit commitment,SCUC)或安全約束經濟調度(security constrained economic dispatch,SCED)模型進行 處理。

3.2 區域輔助服務市場規范化設計與過渡融合

區域調峰輔助服務市場具有輔助服務市場和區域市場的雙重特征。其市場設計應遵循一定基本原則,以確保與其他市場相互協調運作,促進區域調峰輔助服務市場與其他市場融合。區域調峰輔助服務市場是市場建設過渡時期的形態,隨著相關市場建設完備,區域市場可逐步進行過渡融合。

1)輔助服務市場特征。

區別于備用等輔助服務,深度調峰服務交易取決于新能源發電受阻情況,而新能源是否受阻需由能量市場出清結果確定。因此,從交易時序角度講,在不進行聯合出清的情況下,區域調峰輔助服務市場的開展,需在相關能量市場出清(或預出清)后進行。

2)區域市場特征。

作為區域市場,其市場設計應具備相應的市場特征。為保證省內實時市場正常運行,區域調峰輔助服務市場其日內出清環節需具有一定預先性,能夠滿足省內市場交易的時間要求。

3.3 基于潮流和關鍵支路的通道建模管理

針對省間現貨市場設計中的部分細節簡化,如何保留或等效建立關鍵通道特征,是解決問題的重點,關于這一問題也開展了相關理論研究[18]。考慮現階段實際應用,基于潮流(flow based,FB)[19]的通道建模是細化處理通道可用容量的有效方式;結合關鍵支路(critical branch)可實現對省內對穿越潮流進行建模管理。

1)基于潮流的省間市場通道建模。

在經典出清模型中,通過引入潮流分布轉移因子(power transfer distribution factor,PTDF),可實現基于潮流的通道阻塞管理。在省間市場出清模型中,各省簡化為單一節點,因此可考慮結合區域PTDF,實現省間通道阻塞管理,解決聯絡關系復雜或阻塞嚴重的交流通道容量建模問題。區域PTDF可通過離線計算,定期動態修正的模式確定。

基于潮流的建模方法引入與否,應結合該區域交流聯網關系復雜度。FB模型更貼近電網物理特性,建模方法復雜,計算量較大。當基于潮流的可用容量建模方法不會明顯提升市場效率或改善阻塞管理水平時,可采用基于ATC的簡化模型。此外,基于潮流的可用容量建模可實現省間與省內阻塞協同管理。

2)基于關鍵支路的省內穿越潮流建模。

在省間交易中,若將各省簡化為單一節點,省內通道建模過于簡化,無法適應穿越潮流管理需求。若保留全部節點,綜合考慮各省模型復雜度與計算量,難以滿足省間交易需求。因此,為解決省間交易產生的穿越潮流問題,應引入適當方法對省內通道進行建模。

為此,可考慮引入關鍵支路方法。通過選取省內重要線路、斷面,結合FB模型實現對穿越潮流約束進行建模,如圖5所示(其中,L1、L2、L3為省間聯絡線)。通過合理選取省內關鍵支路,在量化省內關鍵通道對省間交易限制的同時,不顯著增加模型復雜度與計算量[20]。與前文中提到的歐洲電力市場中再調度、反向交易的事后阻塞管理不同,基于關鍵支路的通道模型是事前阻塞管理方法,更有助于保證電網安全與市場效率。此外,根據阻塞情況,分區顆粒度細化也能夠提高阻塞管理水平。

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圖5 穿越潮流問題示意圖Fig. 5 Problem of the transient flow

3.4 基于滾動重疊的日內交易機制

受新能源出力預測水平影響,日前市場出清結果與日內市場出清結果偏差較大。基于動態控制技術架構的滾動重疊機制有助于高效利用超短期預測信息,及時調整日前出清結果,實現由日前向實時執行的平滑過渡,降低電網運行風險。同時,合理設計的滾動機制有助于激勵市場參與者提升自身預測精度。

北美、歐洲地區日內市場均包含滾動或相似機制,北美日內市場設計中滾動機制如表1所示;歐洲跨境日內市場中連續交易機制發揮著與滾動機制相似的作用。滾動機制中,交易周期應小于交易段長度,以實現滾動重疊機制,如圖6所示(圖中顏色深淺表示預測精度高低)。當交易周期等于交易時段長度時,無法實現滾動重疊。以t2—t3合同時段為例,利用滾動機制,分別在t=t0、t=t1時,利用不同預測精度信息,對t2—t3合同時段進行動態出清,t=t1時的出清是對t=t0時的偏差修正。需要說明的是滾動機制需配套設計合理的合同時間長度、滾動交易周期、滾動結算方法等。

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圖6 省間日內市場滾動機制示意圖Fig. 6 Rolling mechanism of the cross-provincial market

1)合同時間長度。

省間日內市場合同時間長度應與新能源預測精度相匹配,且合同時間長度應適當長于有效超短期預測時間長度。一方面有助于充分利用新能源超短期預測信息,組織日內交易;一方面可以激勵新能源參與者提升自身預測精度,預測水平高的市場參與能夠優先利用市場資源開展交易。綜合考慮目前新能源預測水平,合同時間長度4~8h為宜。

2)滾動交易周期。

省間日內市場滾動周期應綜合考慮交易復雜度、電網風險、設備壽命等因素,滾動周期過短意味著交易頻繁,可能導致市場效率降低,引起電網風險增加;滾動周期過長不利于高效利用超短期新能源出力預測信息。綜合考慮交易復雜度與電網運行安全,滾動周期2~4 h為宜。

3)滾動結算機制

為實現日內滾動交易,需配套相應的日內市場滾動出清價格機制。傳統的兩部制偏差結算難以適應日內滾動交易的需求,應設計建立相匹配的三部制或多部制結算機制。

4 結論

日內市場特征正逐漸改變,從空間維度對日內市場的進一步劃分,增加了省間日內市場的設計難度。本文分析了省間日內現貨市場建設所面臨的挑戰,對省間日內現貨市場設計進行了思考,并提出若干建議。

針對與省內市場的耦合銜接問題,提出了基于順序出清的耦合模式;針對區域調峰輔助服務市場的融合問題,提出了區域市場設計應遵循的基本原則;針對通道容量的建模管理,提出了基于潮流和關鍵支路的通道建模方法;針對新能源消納的政策要求,提出了基于滾動重疊的日內交易機制。

中國電力現貨市場面臨特有問題,通過借鑒國外電力市場相關經驗,分析日內市場變化趨勢,旨在設計高效運行的省間日內市場,促進資源優化 配置。

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來源:電網技術

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責任編輯:張桂庭

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