價值發現視角下電網側儲能電站的定價機制研究*

何 洋 路 堯 李志恒 楊 萌 尹 碩 李 遷 姜 欣

(1.國網河南省電力交易中心有限公司 鄭州 450018；2.國網河南省電力公司經濟技術研究院 鄭州 450052；3.鄭州大學電氣工程學院 鄭州 450001)

1 引言

自電改9 號文發布以來，我國市場化改革穩步推進，現貨市場建設正大步向前[1]。然而，目前電力市場競爭力低下，部分省市仍有80%以上的發電企業由五大發電集團直接或聯合控股[2]。競爭水平低下會導致寡頭企業擁有較大的市場力。對于中長期雙邊交易市場影響較小，然而對于以集中競價為主的現貨市場建設來說，市場力會造成出清價格扭曲，社會福利受損等后果。市場力被定義為市場參與者操縱市場價格獲得額外利潤的能力[3]。

儲能作為一種靈活調節資源，在我國能源轉型中發揮重要作用[4]。不同于分布在用戶側、電源側的儲能，電網側儲能由電網統一調控、參與系統全局優化，從而形成了儲能的系統性和全局性優勢，增強了儲能的規模效用。規?；瘍δ芸勺鳛閮r格制定者參與市場[5]，由于利益刺激，電網側儲能極易形成聯盟造成市場力濫用的窘境。因此，在當前儲能產業規?；l展和市場化改革穩步推進的雙重背景下，電網側儲能如何競價提高系統資源利用率，是激勵儲能發展與市場化應用的關鍵。

十九世紀末，一些西方國家的電力市場完成從壟斷市場體系到自由競爭市場的轉變，其中美國、英國等電力市場尤為典型。在美國PJM 及英國等典型電力市場中，節點邊際電價(Locational marginal price，LMP)在初始改革期被引入[6]，LMP 是指在電力系統中某節點增加單位負荷后引起整個電力系統運行成本的增量[7]。在中國，《關于進一步深化電力體制改革的若干意見》要求各省依據各省省情研究電力市場體制改革方案，從而加快市場化的進程[8]。目前國內電力市場交易主要是參考國外典型電力市場。美國PJM 市場改革初期引入基于成本投標和LMP 的實施市場體系的市場機制[9]；英國電力市場從集中交易市場模式轉變為雙邊交易為主，平衡機制和不平衡結算為輔的市場交易機制[10]；北歐電力市場把現貨市場作為發展基礎，輔助服務和金融市場作為輔助的市場機制[11]。無論是美國PJM 等市場，還是借鑒國外電力市場實施運營的中國電力市場，均采用LMP 的結算機制。在此電價機制下，每個市場參與者都需要提前申報個體信息，系統運營商(Independent system operator，ISO)根據參與者上報信息進行市場出清[12]。

然而，實現LMP 電價機制的先決條件是電力市場必須處于完全競爭狀態[13]。實際上，當下的電力市場的出清大多采用不完全信息動態博弈，即非完全競爭狀態。此時，理性市場參與者期望通過參與市場使得自身利益最大化，從而促使其進行策略性申報信息，從而形成較大的市場力。LMP 難以反映市場個體的真實信息，在市場供求關系緊張或者存在輸電阻塞的情況下，邊際發電機組具有虛報高價的激勵和沖動，從而抬高邊際出清價格，顯著擴大自身利益[14]。文獻[15]研究了電力零售市場濫用市場力造成的寡頭壟斷行為給市場造成的嚴重后果；文獻[16]研究了LMP 將會被市場力所影響，并且市場力將會嚴重阻礙競爭性市場的發展；文獻[17]研究了策略性報價導致美國加州市場效率損失的現象。因此，在競爭性的電力市場下，所有市場參與者申報真實信息將有效提升市場運行效率，由于市場力的存在，虛假申報將嚴重阻礙市場的資源優化配置，導致市場運行效率降低。因此，為了解決邊際電價所存在的弊端，亟需研究滿足鼓勵市場參與者真實報價的市場定價機制。

在不完全競爭的電力市場中，信息無法真正實現完全披露，導致市場參與者之間出現信息偏差。機制設計理論是專門研究信息披露不徹底，市場力較高，決策分散環境下滿足社會福利最大化[18]、激勵相容[19]、個體理性[20]的機制。其中社會福利最大化、激勵相容、個體理性是市場主體參與市場的三大性質，同時以上性質可以極大程度上鼓勵市場參與者真實報價，滿足本文所研究定價機制的要求。文獻[21]研究了基于機制設計理論的在日前市場出清中的激勵定價機制，能夠激勵理性個體參與市場并真實申報其發電成本。文獻[22]提出了一種考慮發電公司合理容量成本回收的激勵性電價機制；文獻[23]中提出了發電公司和負荷服務實體的激勵電價機制。然而，在上述研究中，僅僅關注了發電機組的電價機制問題，ISO 均需要向市場成員支付額外的信息補償成本，且市場成員特征參數的上下限需要市場監管機構來制定，這在很大程度上會導致不公平問題的發生。

因此，為了滿足市場性質并激勵市場參與者申報真實信息，同時保證公平公正，機制設計理論中的VCG 機制被廣泛應用。VCG 是一種滿足多市場性質的一種市場機制，是根據一個市場參與者對其他市場參與者的替代效益來定價[24]，基于VCG 的能源定價機制可以很大程度上避免了上文所述的非公平性糾紛。目前有關于利用VCG 機制在電力市場中的研究已經成為一個新的研究方向。文獻[25]提出了一種基于發電市場價值公平分配的定價機制，并利用VCG 機制將發電機組的價值定義為發電機對其他發電機的替代收益；文獻[26]利用VCG機制提出一種優化的能源交易框架，保證市場關鍵性性質的同時鼓勵參與者積極參與市場；文獻[27]提出了改進的VCG 機制，使用激勵相容的指標評估智能樓宇控制背景下的可行性。然而，當前鮮有研究考慮電網側儲能電站極易形成儲能聯盟參與市場，形成類似寡頭效應的現象，造成巨大市場力作用。

為了克服節點邊際電價能源定價機制下儲能電站戰略競價行為，降低市場力對市場發展的影響，發現儲能電站的真實價值，實現市場社會福利最大化和有效的日前市場運作，本文基于VCG 機制設計理論，提出一種電網側儲能電站參與市場的能源定價機制。首先，以購電成本最小為目標建立綜合考慮儲能成本的日前市場出清模型，并提出定價機制的設計原則；其次，提出基于VCG 機制設計理論的電網側儲能電站定價機制，促進市場成員理性報價、實現電力資源優化配置并通過理論證明所提機制具有激勵相容、個體理性和社會福利最大化的市場性質；最后，基于改進的IEEE 30 節點系統進行實證分析，驗證了該機制有效克服了節點邊際電價能源機制下電網側儲能的戰略競價行為，降低了市場力。

2 定價機制設計

2.1 日前市場出清模型

在現有成熟電力市場，如美國得克薩斯州電力市場中，發電機組參與日前市場，并向系統獨立調度員申報成本，由其建立日前市場模型，生成節點電價用于市場交易[28]?？紤]電網側儲能購電成本的日前市場出清模型為架構如圖1 所示。

(1) 目標函數

(2) 約束條件。

1) 功率平衡約束

式中，Xi為節點i的負荷需求量。

2) 輸電網絡約束

式中，Imax、Imin分別為電力系統線路傳輸能力上、下限；H mi為從電網節點i到輸電線路m的電力潮流轉移分配系數。

3) 電網側儲能電站出力約束

式中，和分別為儲能最大充、放電功率；為儲能是否參與市場(取1/0)；μ為儲能基礎充放電功率占自身上下限的百分比；為系統負荷功率。

4) 電網側儲能電站購電約束

式中，為電網側儲能電站容量上限。

5) 電網側儲能電站充放電標志約束

6) 電網側儲能電站荷電狀態 SOCs,t約束

式中，SOCs,t表示儲能s在t時刻的荷電狀態；、分別為儲能充放電；SOCs,max表示儲能s的最大荷電狀態；ηs表示儲能s的充放電效率；?t指一個調度時段，為1 h。

因此，對上述公式進行優化求解，就可得出電網側儲能電站的出力計劃及購電計劃。

2.2 定價機制設計原則

為了分析能源價格機制的優缺點，VCG 機制設計理論應滿足幾個市場的基本性質。本文主要研究激勵相容、個體理性和社會福利最大化。

(1) 激勵相容。激勵相容是市場個體在追求個體利益最大化的同時實現系統整體利益最大化，每個市場參與者為了自身利潤最大化的競價行為與整個系統價值最大化的目標一致。也可認為每個理性的市場成員不采用策略性報價就可以實現個體利益最大，即激勵相容。

在日前市場中，每一位理性的市場個體均申報真實信息，則滿足激勵相容，即

(2) 個體理性。個體理性是指理性個體進入市場賺取利益，即理性個體獲得非負的利潤。若基于VCG 機制設計理論的電網側儲能電站出力定價機制滿足個體理性的原則，那么此時電網側儲能電站獲得利益是非負的；反之，電網側儲能電站因為利益為負而退市。值得注意的是，個體理性無法保證初始電站固定資產投資成本的回收，同時固定資產的回收也并非本文的研究重點，有關固定資產的回收可以參考美國PJM 市場中的容量市場相關方法。

個體理性也可認為是理性個體在市場中的參與約束，即

式中，Es,sys為電網側儲能電站s獲得的市場利潤；λs為電網側儲能電站s的出力真實成本。

(3) 社會福利最大化。在經濟學中，社會福利最大化通過將所有參與者的偏好聚合為一個共同的偏好來實現[29]。在電力市場中，社會福利最大化是指通過市場出清優化求解得到的機組出力計劃與負荷管理計劃，可以實現社會福利最大，在發電側單邊市場中，社會福利最大化等價于系統總生產成本最小化，即

式中，X**為電網側儲能電站真實信息下的調度；min Λ(Ss)為電網側儲能電站日前市場出清模型。

當市場中理性個體自愿申報真實信息，那么社會福利最大化自動滿足；若存在理性個體虛報個體信息，則可能導致調度計劃難以實現該性質。

2.3 基于VCG 機制的定價機制

VCG 機制可以在很大程度上鼓勵電站擁有者真實申報信息，從而極大程度上降低市場力的影響。在本文中，如圖2 所示，基于VCG 機制理論，電網側儲能電站所獲的利益為任意電站對市場中其他機組替代效益的貢獻，即電網側儲能電站所獲得市場價值是其理性參電力市場前后，所有電站機組的社會福利的改變量。

圖2 VCG 機制機組收益示意圖

基于VCG 機制，所有市場中電網側儲能電站都按照其市場價值獲得收益，即：設S˙是日前市場出清模型式(1)～(7)的最優解，則此時電網側儲能電站s的成本函數為，日前市場中電網側儲能機組獲得的收益為

式中，為電網側儲能電站所得市場收益；L-s(S-s)為不包含電網側儲能電站s參與市場時系統出清總成本，即在日前市場出清模型加入Ss=0的約束條件。

3 定價機制有效性證明

現有文獻表明LMP 可以滿足個體理性，但無法滿足激勵相同和社會福利最大化的市場性質，而本文提出基于VCG 機制的定價機制可以同時滿足激勵相容、個體理性和社會福利最大化的市場性質，接下來將給予證明。

(1) 市場性質1：激勵相容。假設所有電網側儲能電站均可自由申報成本信息，收益也會出現差異，如圖3 所示。當其進行申報自身成本信息時，其他電站申報真實信息C-s，電網側儲能電站s可以選擇是否真實申報。若電網側儲能電站s選擇策略性報價，則獲得市場收益為

圖3 激勵相容示意圖

若電網側儲能電站s選擇真實申報報價Cs，則獲得市場收益為

式中，為電網側儲能電站s選擇真實報價時的最優出力。

市場所有機組參與市場競價的目的是實現自身的凈利潤最大化，即市場所獲得收益減去真實的生產成本。若電網側儲能電站s選擇策略性報價，則獲得市場凈收益為

若電網側儲能電站s選擇真實申報報價Cs，則獲得市場凈收益為

從式(16)可知，無論市場中其他的電站申報成本信息是否真實，電網側儲能電站s真實申報成本是其參與市場的最優策略。

故基于VCG 機制的定價機制滿足激勵相容的市場性質，當機組采取非真實成本報價時，此電站的替代效益減少，因此個體收入也會降低。

(2) 市場性質2：個體理性?；赩CG 機制原理，電網側儲能電站s上報其真實發電成本，如圖4 所示，根據式(14)并在第2.1 節中增加Ss=0 的約束條件，從而市場出清函數的運行范圍將變小，成本最小化函數模型的數值不會小于全體個體參與日前市場出清的函數值，即

圖4 個體理性模型架構圖

故基于VCG 機制的定價機制滿足個體理性的市場性質，當機組參與市場時，所獲得的利潤不為負。

(3) 市場性質3：社會福利最大化。有上述激勵相容和個體理性的證明可知，發電機組自愿參與日前市場，并真實申報成本信息，故出清模型和約束條件中自動滿足社會福利最大化。

(4) 市場性質4：收支平衡。實際上文獻[1]證明，不存在一種激勵機制同時滿足占優策略激勵相容、個體理性、系統成本最小化以及收支平衡?，F有基于VCG 的激勵機制不滿足收支平衡性質，即系統調度從電力負荷征收的費用可能小于向儲能機組支付的費用。

為此，本文提出通過降低儲能機組收益達到收支平衡的策略，即在原有支付費用上扣減一部分費用

式中，為扣除系統調度支付給儲能機組s的費用；sε為扣減費用。sε需要滿足如下性質。

1) 收支平衡。該性質表示扣減后系統調度從負荷收取的費用足以滿足向儲能機組s支付的費用，即

式中，為用戶側費用，式(19)中不等號左端表示對所有機組扣減費用總和，右端表示向機組支付的費用與從負荷收取的費用的差值。

2) 個體理性。該性質表示扣減后各機組仍然有凈利潤，從而自愿參與日前市場，即

式中，不等式左端表示扣除sε后機組s的凈利潤。

3) 激勵相容。該性質表示扣減后儲能機組仍然選擇申報真實的發電成本，這一性質要求扣減費用sε必須與儲能機組s的報價無關，例如常數。

4 求解流程

基于以上理論分析，對LMP 電價機制和VCG電價機制進行對比，并得出本文所提定價機制的求解流程，如圖5 所示。

圖5 兩種機制實施流程對比

由以上對比可知，所提出的電網側儲能電站定價機制并未改變原有采用申報信息的交易模式，僅僅是采用了不同的結算方式，但能夠滿足個體理性、社會福利最大化等市場性質。原本的計算采用LMP機制，現在系統運營商出清市場采用VCG 價格機制進行計算電網側儲能電站的價值，然后電網側儲能電站按照各自價值獲得所擁有的市場價值。故基于VCG 機制設計理論的電網側儲能電站定價機制求解流程如圖6 所示。有關市場的出清流程并未改變，依然和現有出清流程一致，改變的僅僅是結算機制。因此，實現的過程可以參考現有中長期和現貨市場的出清流程。但有一點需要說明的是，系統調度需要處理收支不平衡的問題，以便于市場正常運行。

圖6 VCG 機制求解流程

5 算例分析

本節將分析LMP 機制和基于VCG 機制下的電價機制的不同，驗證VCG 機制下的定價機制的特點，并基于改進的IEEE 30 節點系統驗證其有效性。

機組參數如表1 所示，機組市場化報價信息及系統調頻里程乘子如表2 及表3 所示，系統負荷功率預測如圖7 所示。

表1 機組參數設置

表2 機組輔助服務市場報價

表3 系統調頻里程乘子

圖7 系統負荷功率預測

5.1 基于LMP 的定價機制交易

現有文獻對節點邊際電價計算以及交易結算已經有了大量介紹，本文不再贅述。LMP 機制下個體收益情況如表4 所示，機組中標量以及出清電價如圖8、9 所示。

表4 個體收益情況

圖8 LMP 機制機組各時段中標量

圖9 LMP 機制下各時段市場出清電價

真實市場情況下，很難形成完全競爭的狀態。此時在用電高峰期，市場主體就會采取策略性報價，提高市場出清電價(如11:00—13:00；17:00—20:00)，此時市場受到市場力的影響，光電網側儲能電站會采取策略性報價，使得市場出清價格抬升，難以實現激勵相容、個體理性以及社會福利最大化等幾大市場性質。

5.2 基于VCG 的定價機制交易

表5 表示VCG 機制下的個體收益，圖10 和圖11 分別表示VCG 機制下，市場交易出清電量以及出清電價信息，圖12 將兩種機制進行了對比。

表5 個體收益情況

圖10 VCG 機制機組各時段中標量

圖11 VCG 機制下各時段市場出清電價

圖12 不同機制下中標量對比圖

(1) 對比表4、5 可知，LMP 機制下的收益明顯低于VCG 機制并且VCG 機制下4 臺機組效益均有提升。采取VCG 機制所得收益平均提升約30.83%，其中G2 效益提升約為36.14%，而C1 效益提升約為26.75%，這是因為不同機組因節點位置不同以及機組參數存在差異而導致效益提升有所不同。

(2) 如圖12 可知，VCG 機制下各機組中標總量顯著提升(部分時刻中標量是下降狀態，如3:00、13:00 等)。VCG 機制下4 臺機組出力中標量平均提升約35.34%，其中C1 由于其具有無記憶效應且跟蹤能力強的特性，所以其在合適的機制下出力中標量提升較高，約為51.43%；G3 因為其節點位置LMP機制下處于劣勢，基本無出力，更改機制后，出力中標量提升約為42.63%。因此，VCG 機制對于激勵市場主體參與市場具有可靠作用。

(3) 對比圖9 和圖11 可知，VCG 機制下的出清電價相比LMP 機制出清電價較為平穩，這是因為在市場競爭時，LMP 會因為市場力存在而出現較大的波動，電量緊張時，市場主體會采取策略性報價抬升出清電價從而提升自身效益，如11:00—13:00 和18:00—20:00。而對于VCG 機制來說，只要市場主體上報真實信息，出清電價可能比LMP 電價低，但是在中標量會得到補償，整體的收益依然是大于LMP 機制下的收益。

6 結論

本文提出的基于VCG 機制設計理論的電網側儲能電站定價機制可以同時滿足電力市場的三大性質的要求，即激勵相容、個體理性和社會福利最大化的要求。

(1) 通過改進的IEEE 30 節點系統驗證了該機制的有效性，電網側儲能電站若采取真實報價策略，最終總體收益均有提升(部分時段主體收益下降)，幾乎達到原本收益的一半，并且個體收益均不為負，說明該機制可以明顯降低市場力的影響，滿足激勵相容和個體理性。

(2) 該機制下，個體收益和社會收益均有提升且不為負，因此可以認為社會整體福利達到最大化，并且申報信息真實極大程度上降低了市場力的影響，儲能電站真實價值被發現。

(3) 該機制下，電網側儲能電站在市場中標量整體有大幅度提升，提升超過原有中標量一半，說明該機制可以有效激勵電網側儲能電站積極參與市場，同時也證明了該機制的有效性和可行性。

根據相關理論，激勵相容、個體理性和社會福利最大化與收支平衡無法同時成立，因此，下一步電網側儲能關于如何制定收支平衡的研究值得深究。