价值发现视角下电网侧储能电站的定价机制研究*

何 洋 路 尧 李志恒 杨 萌 尹 硕 李 迁 姜 欣

(1.国网河南省电力交易中心有限公司 郑州 450018；
2.国网河南省电力公司经济技术研究院 郑州 450052；
3.郑州大学电气工程学院 郑州 450001)

自电改9 号文发布以来，我国市场化改革稳步推进，现货市场建设正大步向前[1]。然而，目前电力市场竞争力低下，部分省市仍有80%以上的发电企业由五大发电集团直接或联合控股[2]。竞争水平低下会导致寡头企业拥有较大的市场力。对于中长期双边交易市场影响较小，然而对于以集中竞价为主的现货市场建设来说，市场力会造成出清价格扭曲，社会福利受损等后果。市场力被定义为市场参与者操纵市场价格获得额外利润的能力[3]。

储能作为一种灵活调节资源，在我国能源转型中发挥重要作用[4]。不同于分布在用户侧、电源侧的储能，电网侧储能由电网统一调控、参与系统全局优化，从而形成了储能的系统性和全局性优势，增强了储能的规模效用。规模化储能可作为价格制定者参与市场[5]，由于利益刺激，电网侧储能极易形成联盟造成市场力滥用的窘境。因此，在当前储能产业规模化发展和市场化改革稳步推进的双重背景下，电网侧储能如何竞价提高系统资源利用率，是激励储能发展与市场化应用的关键。

十九世纪末，一些西方国家的电力市场完成从垄断市场体系到自由竞争市场的转变，其中美国、英国等电力市场尤为典型。在美国PJM 及英国等典型电力市场中，节点边际电价(Locational marginal price，LMP)在初始改革期被引入[6]，LMP 是指在电力系统中某节点增加单位负荷后引起整个电力系统运行成本的增量[7]。在中国，《关于进一步深化电力体制改革的若干意见》要求各省依据各省省情研究电力市场体制改革方案，从而加快市场化的进程[8]。目前国内电力市场交易主要是参考国外典型电力市场。美国PJM 市场改革初期引入基于成本投标和LMP 的实施市场体系的市场机制[9]；
英国电力市场从集中交易市场模式转变为双边交易为主，平衡机制和不平衡结算为辅的市场交易机制[10]；
北欧电力市场把现货市场作为发展基础，辅助服务和金融市场作为辅助的市场机制[11]。无论是美国PJM 等市场，还是借鉴国外电力市场实施运营的中国电力市场，均采用LMP 的结算机制。在此电价机制下，每个市场参与者都需要提前申报个体信息，系统运营商(Independent system operator，ISO)根据参与者上报信息进行市场出清[12]。

然而，实现LMP 电价机制的先决条件是电力市场必须处于完全竞争状态[13]。实际上，当下的电力市场的出清大多采用不完全信息动态博弈，即非完全竞争状态。此时，理性市场参与者期望通过参与市场使得自身利益最大化，从而促使其进行策略性申报信息，从而形成较大的市场力。LMP 难以反映市场个体的真实信息，在市场供求关系紧张或者存在输电阻塞的情况下，边际发电机组具有虚报高价的激励和冲动，从而抬高边际出清价格，显著扩大自身利益[14]。文献[15]研究了电力零售市场滥用市场力造成的寡头垄断行为给市场造成的严重后果；
文献[16]研究了LMP 将会被市场力所影响，并且市场力将会严重阻碍竞争性市场的发展；
文献[17]研究了策略性报价导致美国加州市场效率损失的现象。因此，在竞争性的电力市场下，所有市场参与者申报真实信息将有效提升市场运行效率，由于市场力的存在，虚假申报将严重阻碍市场的资源优化配置，导致市场运行效率降低。因此，为了解决边际电价所存在的弊端，亟需研究满足鼓励市场参与者真实报价的市场定价机制。

在不完全竞争的电力市场中，信息无法真正实现完全披露，导致市场参与者之间出现信息偏差。机制设计理论是专门研究信息披露不彻底，市场力较高，决策分散环境下满足社会福利最大化[18]、激励相容[19]、个体理性[20]的机制。其中社会福利最大化、激励相容、个体理性是市场主体参与市场的三大性质，同时以上性质可以极大程度上鼓励市场参与者真实报价，满足本文所研究定价机制的要求。文献[21]研究了基于机制设计理论的在日前市场出清中的激励定价机制，能够激励理性个体参与市场并真实申报其发电成本。文献[22]提出了一种考虑发电公司合理容量成本回收的激励性电价机制；
文献[23]中提出了发电公司和负荷服务实体的激励电价机制。然而，在上述研究中，仅仅关注了发电机组的电价机制问题，ISO 均需要向市场成员支付额外的信息补偿成本，且市场成员特征参数的上下限需要市场监管机构来制定，这在很大程度上会导致不公平问题的发生。

因此，为了满足市场性质并激励市场参与者申报真实信息，同时保证公平公正，机制设计理论中的VCG 机制被广泛应用。VCG 是一种满足多市场性质的一种市场机制，是根据一个市场参与者对其他市场参与者的替代效益来定价[24]，基于VCG 的能源定价机制可以很大程度上避免了上文所述的非公平性纠纷。目前有关于利用VCG 机制在电力市场中的研究已经成为一个新的研究方向。文献[25]提出了一种基于发电市场价值公平分配的定价机制，并利用VCG 机制将发电机组的价值定义为发电机对其他发电机的替代收益；
文献[26]利用VCG机制提出一种优化的能源交易框架，保证市场关键性性质的同时鼓励参与者积极参与市场；
文献[27]提出了改进的VCG 机制，使用激励相容的指标评估智能楼宇控制背景下的可行性。然而，当前鲜有研究考虑电网侧储能电站极易形成储能联盟参与市场，形成类似寡头效应的现象，造成巨大市场力作用。

为了克服节点边际电价能源定价机制下储能电站战略竞价行为，降低市场力对市场发展的影响，发现储能电站的真实价值，实现市场社会福利最大化和有效的日前市场运作，本文基于VCG 机制设计理论，提出一种电网侧储能电站参与市场的能源定价机制。首先，以购电成本最小为目标建立综合考虑储能成本的日前市场出清模型，并提出定价机制的设计原则；
其次，提出基于VCG 机制设计理论的电网侧储能电站定价机制，促进市场成员理性报价、实现电力资源优化配置并通过理论证明所提机制具有激励相容、个体理性和社会福利最大化的市场性质；
最后，基于改进的IEEE 30 节点系统进行实证分析，验证了该机制有效克服了节点边际电价能源机制下电网侧储能的战略竞价行为，降低了市场力。

2.1 日前市场出清模型

在现有成熟电力市场，如美国得克萨斯州电力市场中，发电机组参与日前市场，并向系统独立调度员申报成本，由其建立日前市场模型，生成节点电价用于市场交易[28]。考虑电网侧储能购电成本的日前市场出清模型为架构如图1 所示。

(1) 目标函数

(2) 约束条件。

1) 功率平衡约束

式中，Xi为节点i的负荷需求量。

2) 输电网络约束

式中，Imax、Imin分别为电力系统线路传输能力上、下限；
H mi为从电网节点i到输电线路m的电力潮流转移分配系数。

3) 电网侧储能电站出力约束

式中，和分别为储能最大充、放电功率；
为储能是否参与市场(取1/0)；
μ为储能基础充放电功率占自身上下限的百分比；
为系统负荷功率。

4) 电网侧储能电站购电约束

式中，为电网侧储能电站容量上限。

5) 电网侧储能电站充放电标志约束

6) 电网侧储能电站荷电状态 SOCs,t约束

式中，SOCs,t表示储能s在t时刻的荷电状态；
、分别为储能充放电；
SOCs,max表示储能s的最大荷电状态；
ηs表示储能s的充放电效率；
∆t指一个调度时段，为1 h。

因此，对上述公式进行优化求解，就可得出电网侧储能电站的出力计划及购电计划。

2.2 定价机制设计原则

为了分析能源价格机制的优缺点，VCG 机制设计理论应满足几个市场的基本性质。本文主要研究激励相容、个体理性和社会福利最大化。

(1) 激励相容。激励相容是市场个体在追求个体利益最大化的同时实现系统整体利益最大化，每个市场参与者为了自身利润最大化的竞价行为与整个系统价值最大化的目标一致。也可认为每个理性的市场成员不采用策略性报价就可以实现个体利益最大，即激励相容。

在日前市场中，每一位理性的市场个体均申报真实信息，则满足激励相容，即

(2) 个体理性。个体理性是指理性个体进入市场赚取利益，即理性个体获得非负的利润。若基于VCG 机制设计理论的电网侧储能电站出力定价机制满足个体理性的原则，那么此时电网侧储能电站获得利益是非负的；
反之，电网侧储能电站因为利益为负而退市。值得注意的是，个体理性无法保证初始电站固定资产投资成本的回收，同时固定资产的回收也并非本文的研究重点，有关固定资产的回收可以参考美国PJM 市场中的容量市场相关方法。

个体理性也可认为是理性个体在市场中的参与约束，即

式中，Es,sys为电网侧储能电站s获得的市场利润；
λs为电网侧储能电站s的出力真实成本。

(3) 社会福利最大化。在经济学中，社会福利最大化通过将所有参与者的偏好聚合为一个共同的偏好来实现[29]。在电力市场中，社会福利最大化是指通过市场出清优化求解得到的机组出力计划与负荷管理计划，可以实现社会福利最大，在发电侧单边市场中，社会福利最大化等价于系统总生产成本最小化，即

式中，X**为电网侧储能电站真实信息下的调度；
min Λ(Ss)为电网侧储能电站日前市场出清模型。

当市场中理性个体自愿申报真实信息，那么社会福利最大化自动满足；
若存在理性个体虚报个体信息，则可能导致调度计划难以实现该性质。

2.3 基于VCG 机制的定价机制

VCG 机制可以在很大程度上鼓励电站拥有者真实申报信息，从而极大程度上降低市场力的影响。在本文中，如图2 所示，基于VCG 机制理论，电网侧储能电站所获的利益为任意电站对市场中其他机组替代效益的贡献，即电网侧储能电站所获得市场价值是其理性参电力市场前后，所有电站机组的社会福利的改变量。

图2 VCG 机制机组收益示意图

基于VCG 机制，所有市场中电网侧储能电站都按照其市场价值获得收益，即：设S˙是日前市场出清模型式(1)～(7)的最优解，则此时电网侧储能电站s的成本函数为，日前市场中电网侧储能机组获得的收益为

式中，为电网侧储能电站所得市场收益；
L-s(S-s)为不包含电网侧储能电站s参与市场时系统出清总成本，即在日前市场出清模型加入Ss=0的约束条件。

现有文献表明LMP 可以满足个体理性，但无法满足激励相同和社会福利最大化的市场性质，而本文提出基于VCG 机制的定价机制可以同时满足激励相容、个体理性和社会福利最大化的市场性质，接下来将给予证明。

(1) 市场性质1：激励相容。假设所有电网侧储能电站均可自由申报成本信息，收益也会出现差异，如图3 所示。当其进行申报自身成本信息时，其他电站申报真实信息C-s，电网侧储能电站s可以选择是否真实申报。若电网侧储能电站s选择策略性报价，则获得市场收益为

图3 激励相容示意图

若电网侧储能电站s选择真实申报报价Cs，则获得市场收益为

式中，为电网侧储能电站s选择真实报价时的最优出力。

市场所有机组参与市场竞价的目的是实现自身的净利润最大化，即市场所获得收益减去真实的生产成本。若电网侧储能电站s选择策略性报价，则获得市场净收益为

若电网侧储能电站s选择真实申报报价Cs，则获得市场净收益为

从式(16)可知，无论市场中其他的电站申报成本信息是否真实，电网侧储能电站s真实申报成本是其参与市场的最优策略。

故基于VCG 机制的定价机制满足激励相容的市场性质，当机组采取非真实成本报价时，此电站的替代效益减少，因此个体收入也会降低。

(2) 市场性质2：个体理性。基于VCG 机制原理，电网侧储能电站s上报其真实发电成本，如图4 所示，根据式(14)并在第2.1 节中增加Ss=0 的约束条件，从而市场出清函数的运行范围将变小，成本最小化函数模型的数值不会小于全体个体参与日前市场出清的函数值，即

图4 个体理性模型架构图

故基于VCG 机制的定价机制满足个体理性的市场性质，当机组参与市场时，所获得的利润不为负。

(3) 市场性质3：社会福利最大化。有上述激励相容和个体理性的证明可知，发电机组自愿参与日前市场，并真实申报成本信息，故出清模型和约束条件中自动满足社会福利最大化。

(4) 市场性质4：收支平衡。实际上文献[1]证明，不存在一种激励机制同时满足占优策略激励相容、个体理性、系统成本最小化以及收支平衡。现有基于VCG 的激励机制不满足收支平衡性质，即系统调度从电力负荷征收的费用可能小于向储能机组支付的费用。

为此，本文提出通过降低储能机组收益达到收支平衡的策略，即在原有支付费用上扣减一部分费用

式中，为扣除系统调度支付给储能机组s的费用；
sε为扣减费用。sε需要满足如下性质。

1) 收支平衡。该性质表示扣减后系统调度从负荷收取的费用足以满足向储能机组s支付的费用，即

式中，为用户侧费用，式(19)中不等号左端表示对所有机组扣减费用总和，右端表示向机组支付的费用与从负荷收取的费用的差值。

2) 个体理性。该性质表示扣减后各机组仍然有净利润，从而自愿参与日前市场，即

式中，不等式左端表示扣除sε后机组s的净利润。

3) 激励相容。该性质表示扣减后储能机组仍然选择申报真实的发电成本，这一性质要求扣减费用sε必须与储能机组s的报价无关，例如常数。

基于以上理论分析，对LMP 电价机制和VCG电价机制进行对比，并得出本文所提定价机制的求解流程，如图5 所示。

图5 两种机制实施流程对比

由以上对比可知，所提出的电网侧储能电站定价机制并未改变原有采用申报信息的交易模式，仅仅是采用了不同的结算方式，但能够满足个体理性、社会福利最大化等市场性质。原本的计算采用LMP机制，现在系统运营商出清市场采用VCG 价格机制进行计算电网侧储能电站的价值，然后电网侧储能电站按照各自价值获得所拥有的市场价值。故基于VCG 机制设计理论的电网侧储能电站定价机制求解流程如图6 所示。有关市场的出清流程并未改变，依然和现有出清流程一致，改变的仅仅是结算机制。因此，实现的过程可以参考现有中长期和现货市场的出清流程。但有一点需要说明的是，系统调度需要处理收支不平衡的问题，以便于市场正常运行。

图6 VCG 机制求解流程

本节将分析LMP 机制和基于VCG 机制下的电价机制的不同，验证VCG 机制下的定价机制的特点，并基于改进的IEEE 30 节点系统验证其有效性。

机组参数如表1 所示，机组市场化报价信息及系统调频里程乘子如表2 及表3 所示，系统负荷功率预测如图7 所示。

表1 机组参数设置

表2 机组辅助服务市场报价

表3 系统调频里程乘子

图7 系统负荷功率预测

5.1 基于LMP 的定价机制交易

现有文献对节点边际电价计算以及交易结算已经有了大量介绍，本文不再赘述。LMP 机制下个体收益情况如表4 所示，机组中标量以及出清电价如图8、9 所示。

表4 个体收益情况

图8 LMP 机制机组各时段中标量

图9 LMP 机制下各时段市场出清电价

真实市场情况下，很难形成完全竞争的状态。此时在用电高峰期，市场主体就会采取策略性报价，提高市场出清电价(如11:00—13:00；
17:00—20:00)，此时市场受到市场力的影响，光电网侧储能电站会采取策略性报价，使得市场出清价格抬升，难以实现激励相容、个体理性以及社会福利最大化等几大市场性质。

5.2 基于VCG 的定价机制交易

表5 表示VCG 机制下的个体收益，图10 和图11 分别表示VCG 机制下，市场交易出清电量以及出清电价信息，图12 将两种机制进行了对比。

表5 个体收益情况

图10 VCG 机制机组各时段中标量

图11 VCG 机制下各时段市场出清电价

图12 不同机制下中标量对比图

(1) 对比表4、5 可知，LMP 机制下的收益明显低于VCG 机制并且VCG 机制下4 台机组效益均有提升。采取VCG 机制所得收益平均提升约30.83%，其中G2 效益提升约为36.14%，而C1 效益提升约为26.75%，这是因为不同机组因节点位置不同以及机组参数存在差异而导致效益提升有所不同。

(2) 如图12 可知，VCG 机制下各机组中标总量显著提升(部分时刻中标量是下降状态，如3:00、13:00 等)。VCG 机制下4 台机组出力中标量平均提升约35.34%，其中C1 由于其具有无记忆效应且跟踪能力强的特性，所以其在合适的机制下出力中标量提升较高，约为51.43%；
G3 因为其节点位置LMP机制下处于劣势，基本无出力，更改机制后，出力中标量提升约为42.63%。因此，VCG 机制对于激励市场主体参与市场具有可靠作用。

(3) 对比图9 和图11 可知，VCG 机制下的出清电价相比LMP 机制出清电价较为平稳，这是因为在市场竞争时，LMP 会因为市场力存在而出现较大的波动，电量紧张时，市场主体会采取策略性报价抬升出清电价从而提升自身效益，如11:00—13:00 和18:00—20:00。而对于VCG 机制来说，只要市场主体上报真实信息，出清电价可能比LMP 电价低，但是在中标量会得到补偿，整体的收益依然是大于LMP 机制下的收益。

本文提出的基于VCG 机制设计理论的电网侧储能电站定价机制可以同时满足电力市场的三大性质的要求，即激励相容、个体理性和社会福利最大化的要求。

(1) 通过改进的IEEE 30 节点系统验证了该机制的有效性，电网侧储能电站若采取真实报价策略，最终总体收益均有提升(部分时段主体收益下降)，几乎达到原本收益的一半，并且个体收益均不为负，说明该机制可以明显降低市场力的影响，满足激励相容和个体理性。

(2) 该机制下，个体收益和社会收益均有提升且不为负，因此可以认为社会整体福利达到最大化，并且申报信息真实极大程度上降低了市场力的影响，储能电站真实价值被发现。

(3) 该机制下，电网侧储能电站在市场中标量整体有大幅度提升，提升超过原有中标量一半，说明该机制可以有效激励电网侧储能电站积极参与市场，同时也证明了该机制的有效性和可行性。

根据相关理论，激励相容、个体理性和社会福利最大化与收支平衡无法同时成立，因此，下一步电网侧储能关于如何制定收支平衡的研究值得深究。

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