調(diào)頻輔助服務市場環(huán)境下頻率控制技術(shù)研究

仇　進, 吳繼平， 滕賢亮，陳　謙， 喻　潔

(1. 河海大學能源與電氣學院，江蘇 南京 211100；2. 南瑞集團公司(國網(wǎng)電力科學研究院)，江蘇 南京 211106；3. 智能電網(wǎng)保護和運行控制國家重點實驗室，江蘇 南京 211106；4. 東南大學電氣工程學院，江蘇 南京 210096)

0　引言

隨著電力市場化的進一步推進，調(diào)頻服務市場化機制將逐步建立。目前國內(nèi)的電網(wǎng)調(diào)頻在需求計算、機組調(diào)用、補償結(jié)算等方面未充分考慮市場化因素，沒有從服務使用成本或經(jīng)濟性的角度去考慮頻率控制策略和控制目標，難以明確調(diào)頻輔助服務的真實成本及調(diào)節(jié)效果。隨著調(diào)頻服務逐步趨向市場化，可通過建立市場來引導調(diào)頻服務提供商，提供更加優(yōu)質(zhì)的調(diào)頻服務，優(yōu)先調(diào)用質(zhì)優(yōu)價廉的調(diào)頻服務，優(yōu)化機組調(diào)頻效果，促進電廠改進技術(shù)水平，提高運行經(jīng)濟性。

在調(diào)頻輔助服務市場機制方面，許多國家如美國、英國等都已經(jīng)形成了成熟的電力市場。文獻[1—2]分析了美國獨立系統(tǒng)運營商PJM(Pennsylvania-New Jersey-Maryland，PJM)及加州的調(diào)頻市場，包括市場的投標、競價、出清及結(jié)算機制。文獻[3]討論了電力市場環(huán)境下輔助服務的獲取與成本的分攤問題，對我國電力工業(yè)市場化后輔助服務的獲取和定價原則提出了一些看法。

隨著風電、光伏等新能源大規(guī)模并網(wǎng)發(fā)電，其間歇性和波動性對電網(wǎng)頻率的影響越來越顯著，針對在調(diào)頻市場中需要購買的調(diào)頻容量，傳統(tǒng)的調(diào)頻需求計算方法越來越不適用。文獻[4]以浙江電力系統(tǒng)為例，提出了基于負荷預測偏差概率統(tǒng)計和控制性能指標(control performance standards, CPS)違反修正的調(diào)頻需求計算方法，新能源接入和電網(wǎng)機組發(fā)電計劃等因素并未考慮。文獻[5]提出了平衡監(jiān)管區(qū)區(qū)域控制偏差限制(balancing authority ACE limits，BAAL)標準下調(diào)頻需求預測，僅考慮了負荷本身，忽略了負荷預測精度以及機組發(fā)電計劃對容量需求計算的影響。文獻[6]考慮風電出力特點，建立了含風電輔助服務需求評估模型，為新能源并網(wǎng)情況下調(diào)頻需求的確定提供了參考。

調(diào)頻市場出清后，需要設(shè)計合理的頻率控制策略，從而更好地運用現(xiàn)有調(diào)頻資源來滿足系統(tǒng)的調(diào)頻需求，同時盡量節(jié)省控制成本。目前國內(nèi)電網(wǎng)頻率控制還是基于分省平衡機制，主要由省級調(diào)度中心負責電網(wǎng)頻率和聯(lián)絡線的控制。省級調(diào)度中心自動發(fā)電控制首要是根據(jù)所采用的控制性能評價標準(包括CPS標準，A標準等)對調(diào)管范圍內(nèi)機組進行實時控制，以滿足控制性能考核標準要求，采用的自動發(fā)電控制(automatic generation control, AGC)策略主要是基于經(jīng)典PI控制策略[7]，對頻率控制策略的研究主要集中于常規(guī)控制策略的研究，重點關(guān)注利用各種調(diào)節(jié)資源、設(shè)計不同的控制策略提高頻率控制水平，滿足控制性能評價標準要求[7-8]。部分省調(diào)針對特定的控制目標，例如特高壓聯(lián)絡線功率[9-10]、水火電協(xié)調(diào)等，對控制策略作了對應的改進和完善，滿足電網(wǎng)特定控制目標要求[11-12]。隨著控制理論和智能算法的發(fā)展，基于最優(yōu)控制理論的優(yōu)化控制策略、模型預測、自適應控制、模糊邏輯以及遺傳算法等智能控制算法在AGC控制器設(shè)計的相關(guān)研究得到逐步深入，但目前還處于研究階段，不能投入實際應用[13]。

隨著國內(nèi)調(diào)頻輔助服務市場的逐步建立，需要提前設(shè)計適應調(diào)頻市場環(huán)境的頻率控制策略，既滿足電網(wǎng)頻率控制需要，又能適應調(diào)頻服務市場化的特性要求。本文基于調(diào)頻服務市場機制，從調(diào)頻需求實時計算方法、市場化下的頻率控制策略及機組調(diào)頻性能指標等方面開展研究，提出了市場環(huán)境下頻率控制整體架構(gòu)，為實現(xiàn)調(diào)頻服務市場化的頻率控制提供參考。

1　調(diào)頻服務市場環(huán)境下頻率控制整體架構(gòu)

調(diào)頻服務市場運行整體架構(gòu)如圖1所示，整體架構(gòu)分為調(diào)頻服務提供商、調(diào)頻服務市場及市場環(huán)境下頻率控制策略三部分。調(diào)頻服務提供商給市場交易系統(tǒng)提交調(diào)頻機組的相關(guān)參數(shù)，市場負責調(diào)頻資源準入，并基于調(diào)頻需求組織調(diào)頻資源進行競價、出清和結(jié)算。市場環(huán)境下頻率控制策略主要負責調(diào)頻需求的實時計算，并能根據(jù)市場交易出清結(jié)果自動選擇調(diào)頻機組、確定調(diào)頻機組調(diào)頻范圍，根據(jù)電網(wǎng)實時發(fā)用電平衡情況，進行區(qū)域調(diào)節(jié)需求(area regulation requirement, ARR)的計算分配及調(diào)頻資源的調(diào)用，并根據(jù)調(diào)頻機組實際跟蹤控制指令情況統(tǒng)計其控制性能和調(diào)節(jié)貢獻，為市場結(jié)算提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖1　調(diào)頻服務市場環(huán)境下頻率控制整體架構(gòu)Fig.1　Frequency adjustment framework based on market

2　調(diào)頻服務市場運行機制

2.1　市場準入及參與方式

調(diào)頻市場主體包括發(fā)電企業(yè)、電力用戶及獨立輔助服務提供者。發(fā)電企業(yè)為安裝有自動發(fā)電控制裝置的發(fā)電機組，同時要求參與實時調(diào)頻市場的調(diào)頻機組必須參與主能量市場，且留有一定調(diào)頻能力。有意愿參與調(diào)頻市場的調(diào)頻廠商提前一周向市場運營機構(gòu)提交申請，市場運營機構(gòu)基于準入指標的門檻值對各調(diào)頻機組進行準入考核；電力用戶為10 kV及以上電壓等級電力用戶，鼓勵優(yōu)先購電的企業(yè)和電力用戶自愿進入市場；對于獨立輔助服務提供者，鼓勵電儲能設(shè)備、需求側(cè)(如可中斷負荷)等嘗試參與。

2.2　市場交易機制

交易中心提前將系統(tǒng)的調(diào)頻需求公布，在日前調(diào)頻市場中調(diào)頻商提前將投標信息提交給交易中心，投標信息包括調(diào)頻容量及單位容量價格，單位電量價格及機組綜合調(diào)頻性能指標值。交易中心參考各調(diào)頻商歷史考核指標值，根據(jù)各調(diào)頻商上報的調(diào)頻容量價格，將單位容量價格與綜合調(diào)頻性能值的商進行排序，并將其作為購買標準，提前一個調(diào)度時刻由低到高進行排序并購買，直至滿足系統(tǒng)所需的容量為止。

市場結(jié)算包括兩部分：日前容量費用結(jié)算和實時調(diào)節(jié)電量費用結(jié)算。將中標調(diào)頻商的報價進行排序，最后一個調(diào)頻商的報價為系統(tǒng)的邊際電價，每一個時段以此價格進行結(jié)算。同時對不同機組參與調(diào)頻的貢獻程度進行量化，針對調(diào)頻貢獻大的機組，再給予一定的補償獎勵。

3　市場環(huán)境下調(diào)頻需求實時計算方法

隨著調(diào)頻服務市場化的推進，尤其是調(diào)頻現(xiàn)貨市場的逐步建立，需要一種可在線化運行的調(diào)頻需求實時計算方法。本文從電網(wǎng)發(fā)用電平衡的角度，綜合考慮負荷預測、新能源發(fā)電預測、聯(lián)絡線交換計劃、機組發(fā)電計劃等多種因素，分別計算影響電網(wǎng)功率平衡的各種分量，最終得到全網(wǎng)總體的調(diào)頻需求。針對實際運行中不滿足考核指標的情況，再利用控制性能評價標準對計算結(jié)果進行修正，在保障電網(wǎng)運行安全的前提下，提高調(diào)頻服務的經(jīng)濟性[14-16]。

調(diào)頻需求計算主要考慮負荷變化分量、新能源出力分量、聯(lián)絡線計劃分量及機組計劃分量。同時將各個分量的預測偏差也考慮到算法中去。用公式表達為：

P=(Pload+ΔPload)-(Penergy-ΔPenergy)-Pline-PG_plan+ΔPG_plan

(1)

式中：P為AGC調(diào)頻容量需求；Pload為負荷變化導致的總調(diào)頻容量需求；ΔPload為負荷預測偏差；Penergy為新能源預測發(fā)電出力變化導致的調(diào)頻需求；ΔPenergy為新能源預測偏差；Pline為聯(lián)絡線計劃變化分量；PG_plan為跟計劃機組的計劃出力調(diào)頻總量；ΔPG_plan為跟計劃機組偏差量。其中，各分量的計算如下：

Pi-load=Li-max-Li-min

(2)

式中：Li-max為第i時段的最高負荷值；Li-min為第i時段的最低負荷值。

ΔPi-load=AVG(Lia-Lis)

(3)

式中：Lia為i時段負荷實際運行值；Lis為i時段負荷超短期預測值。

Penergy=Lfcst,(t+Δt)-Lfcst,t

(4)

式中：Lfcst,t為經(jīng)滾動平均法平滑后曲線在t時刻的新能源預測出力；Lfcst,(t+Δt)為t+Δt時刻的新能源預測出力。

Pline=Pline,(t+Δt)-Pline,t

(5)

式中：Pline,t為t時刻聯(lián)絡線交換計劃；Pline,(t+Δt)為t+Δt時刻聯(lián)絡線交換計劃。

(6)

(7)

式中：Pi,t為第i臺非AGC機組t時刻的計劃出力；Pi,(t+Δt)為第i臺非AGC機組t+Δt時刻的計劃出力。

(8)

式中：Pj,t為第j臺跟蹤日前發(fā)電計劃機組t時刻的計劃出力；Pj,(t+Δt)為第j臺跟蹤日前發(fā)電計劃機組t+Δt時刻的計劃出力。

(9)

式中：Pk,t為第k臺實時滾動跟蹤計劃AGC機組t時刻的出力；Pk,(t+Δt)為第k臺實時滾動跟計劃AGC機組t+Δt時刻的出力。

跟蹤計劃機組的調(diào)節(jié)偏差量ΔPG_plan取各機組調(diào)節(jié)精度求和。

對于容量需求計算中的各個分量，由于不同電網(wǎng)的特性不同，例如：負荷特性，新能源占比等，各個分量所占比重不同，應針對電網(wǎng)特性引入不同分量的比重系數(shù)。實際應用時，可根據(jù)電網(wǎng)實際運行結(jié)果采取相關(guān)控制評價標準[7]，如CPS標準，對計算得到的調(diào)頻容量進行再修正。

為了滿足電網(wǎng)調(diào)控性能的要求，避免出現(xiàn)調(diào)節(jié)時容量夠但調(diào)節(jié)速率達不到要求的問題，在調(diào)頻容量的計算中應考慮到偏差分量的變化速率。在市場中購買調(diào)頻容量時不僅需要滿足每個時段所需的調(diào)頻容量，還要對提供調(diào)頻服務的機組調(diào)節(jié)速率提出一定的要求。

4　市場環(huán)境下頻率控制策略

本文分別從市場環(huán)境下中標機組調(diào)節(jié)范圍的生成、ARR計算以及調(diào)頻機組的調(diào)用策略三個角度，提出適應調(diào)頻市場化特性的頻率控制策略。

4.1　調(diào)頻機組調(diào)節(jié)范圍的生成

一般情況下機組的調(diào)節(jié)帶寬主要受機組實際運行限額影響，在自動控制模式下，機組基點功率始終為當前實際出力，與發(fā)電計劃無關(guān)聯(lián)，機組根據(jù)承擔的調(diào)節(jié)功率，在整個調(diào)節(jié)范圍內(nèi)上下調(diào)節(jié)。機組在參與調(diào)頻服務市場競標時，其調(diào)節(jié)范圍在機組常規(guī)運行約束影響外，還受到機組能量市場交易結(jié)果影響和中標容量影響，如圖2所示。因此，為適應調(diào)頻市場化特性要求，在確定調(diào)頻中標機組的調(diào)節(jié)范圍時，首先根據(jù)機組在能量市場中得到一個基礎(chǔ)計劃值，將該計劃值作為基點功率，再在基點功率的基礎(chǔ)上，上下增加一個調(diào)頻范圍作為調(diào)頻帶寬，形成調(diào)頻帶寬模式下的機組實時調(diào)節(jié)范圍，如圖3所示。

圖2　市場環(huán)境下AGC機組調(diào)節(jié)范圍Fig.2　Regulation range of AGC unit under market environment

圖3　計劃帶寬模式機組調(diào)節(jié)范圍Fig.3　Unit regulation range in planned bandwidth pattern

調(diào)整帶生成方法如下：設(shè)計劃值為Pb，機組調(diào)節(jié)上限為Pmax，機組調(diào)節(jié)下限為Pmin，中標調(diào)頻范圍為w，調(diào)整帶上限為Bmax，調(diào)整帶下限為Bmin。調(diào)整帶邊界為:

Bmax=Pb+w

(10)

Bmin=Pb-w

(11)

同時根據(jù)以下條件進行修正：

Bmax=PmaxPb+w>Pmax

(12)

Bmin=PminPb-w

(13)

通過上述方法計算機組實時調(diào)節(jié)范圍，機組可以在這個調(diào)節(jié)范圍內(nèi)自由調(diào)節(jié)，在滿足電網(wǎng)頻率控制需求的同時適應市場化特性要求。

4.2　ARR計算

AGC的控制目標是控制區(qū)的區(qū)域控制偏差(area control error, ACE)。EACE是根據(jù)電力系統(tǒng)當前的負荷和頻率等因素計算形成的偏差值，它反映了區(qū)域內(nèi)發(fā)電和負荷的不平衡情況[9-10]。EACE同時考慮到了ACE和頻率偏差Δf兩個因素，定聯(lián)絡線及頻率偏差模式控制(tie-line load frequency bias control, TBC)方式下計算方法如式(14)所示：

EACE=(Pa-Ps)+B(fa-fs)

(14)

式中：Pa為聯(lián)絡線實際交換功率；Ps為聯(lián)絡線計劃交換功率；B為頻率偏差系數(shù)；fa為實際頻率；fs為計劃頻率。

在市場環(huán)境下，計算出EACE后，考慮到EACE波動比較頻繁，為減少機組的無效調(diào)節(jié)，再基于實時計算得到EACE值，并結(jié)合ARR歷史數(shù)據(jù)，采用傅里葉變換法對EACE數(shù)據(jù)序列進行分頻，如式(15)所示，針對分頻所得到的不同波動頻率EACE分量，高頻分量可直接濾除。對低頻分量，可采用性能較好的機組進行調(diào)節(jié)；對于直流分量，采用性能較差的機組調(diào)節(jié)，以改善電網(wǎng)總體的調(diào)頻效果，經(jīng)過處理后的EACE作為區(qū)域調(diào)節(jié)需求ARR。

(15)

式中：x(t)為時域信號；X(ω)為變換后得到的頻譜。

4.3　調(diào)頻機組調(diào)用策略

確定好控制區(qū)的調(diào)節(jié)需求后，下一步就是調(diào)用調(diào)頻機組對ARR進行控制。隨著調(diào)頻市場的逐步建立，在機組調(diào)用時不能按照傳統(tǒng)的比例分擔或優(yōu)先級排序分配策略，應考慮機組在調(diào)頻服務市場中的報價情況，綜合機組性能和服務報價兩方面因素得到每臺機組的綜合排序因子，計算方法如式(16)、(17)，并構(gòu)造機組調(diào)節(jié)優(yōu)先級排序隊列，如圖4所示。圖中，按機組的綜合排序因子從上往下由小到大排列，當需要升出力時，則自上而下調(diào)用機組構(gòu)成機組的升出力序列，若需要降出力，則自下而上調(diào)用機組構(gòu)成機組的降出力序列。根據(jù)優(yōu)先級排序隊列，順序調(diào)用機組對控制區(qū)ARR進行控制。

K1(i)=αV+βT+γE

(16)

(17)

式中：K1(i)為i機組的調(diào)節(jié)性能指標；V為調(diào)節(jié)速率指標；T為機組i的響應時間；E為調(diào)節(jié)精度指標；α,β,γ分別為調(diào)節(jié)速率指標、響應時間指標及調(diào)節(jié)精度指標的權(quán)重系數(shù)；K為機組綜合排序因子；Pbid(i)為機組i的單位電量報價。

圖4　機組調(diào)節(jié)優(yōu)先級排隊序列Fig.4　Priority sequence of unit adjustment

5　市場環(huán)境下調(diào)頻機組考核評價指標設(shè)計

針對機組調(diào)節(jié)性能指標，目前的評價方法和評價指標主要關(guān)注對機組的考核評價，不能完全滿足調(diào)頻市場化后對調(diào)頻資源的全面評價要求[17-19]。為了實現(xiàn)AGC與市場交易系統(tǒng)的全面對接，對機組考核評價可以從準入、考核、補償三方面入手設(shè)計對應的機組調(diào)頻考核評價性能指標。文獻[20]中提出了相關(guān)性指標C、延時性指標D、里程度指標M及精確度指標P共4個評價指標。其中，關(guān)聯(lián)性指標、延時性指標完全利用機組實際跟蹤數(shù)據(jù)進行計算得到，適宜用作準入指標；精確度指標跟機組實際跟蹤單個指令有關(guān)，適宜作為性能考核指標，用于促進機組提高調(diào)頻性能。在此基礎(chǔ)上根據(jù)調(diào)頻市場特性，在考核指標中補充了可用度指標A，補償指標中補充了調(diào)節(jié)深度指標S。

(1) 可用度指標A：反映機組在實際調(diào)節(jié)過程中所能達到的真實出力，與發(fā)電商在調(diào)頻市場中上報的機組可調(diào)容量對照，對機組進行調(diào)頻性能考核。

按照每5 s一個計算點，每5 min計算一次機組A指標，計算機組每天的可用度指標A：

(18)

(19)

式中：Pi-n為第i時段第n個采樣點機組所能達到的真實出力；Pi-N為該點對應時段機組上報的可調(diào)容量。

(2) 調(diào)節(jié)深度指標S反映的是機組實際調(diào)節(jié)里程總和。

S=∑(Mt+Δt-Mt)

(20)

式中：S為每個時段內(nèi)，機組實際出力跟蹤目標出力變化的總和；∑(Mt+Δt-Mt)為機組跟蹤控制指令時實際出力與上一時刻實際出力差的累加，若實際出力超出目標出力，則不計入。

在以上提出的指標基礎(chǔ)上，可以設(shè)計表征機組跟蹤指令調(diào)節(jié)性能總指標K1，K2，K3。

(1) 準入指標：

K1=αC+βD

(21)

式中：α，β分別為相關(guān)性、延遲性指標的權(quán)重系數(shù)。

(2) 考核指標：

K2=μP+ρA

(22)

式中：μ,ρ分別為精確度、可用度指標的權(quán)重系數(shù)。

(3) 補償指標：

K3=S

(23)

對于指標計算中權(quán)重系數(shù)的設(shè)置并不是固定不變的，與機組類型、電網(wǎng)實際運行情況有關(guān)，在實踐中，要結(jié)合電網(wǎng)運行情況，通過對機組實際跟蹤過程進行測算來確定。利用上述指標，可以實現(xiàn)市場環(huán)境下對調(diào)頻機組的全面評價，并能與市場交易系統(tǒng)進行閉環(huán)，保障調(diào)頻市場交易的順利執(zhí)行。

6　算例分析

本文提出的市場環(huán)境下的頻率控制技術(shù)在廣東電網(wǎng)已經(jīng)開展了閉環(huán)控制試驗。廣東電網(wǎng)調(diào)頻輔助服務市場調(diào)頻服務提供商包括按照國家和行業(yè)標準具備AGC功能的、由省級及以上調(diào)度機構(gòu)調(diào)管的并網(wǎng)發(fā)電單元，或其他具備提供調(diào)頻服務能力的裝置，包括儲能裝置、儲能電站等。其閉環(huán)控制試驗過程如下：

(1) 首先在模擬閉環(huán)前，由AGC按日統(tǒng)計所有參與市場機組的準入指標和性能考核指標，準入指標系數(shù)分別按0.5設(shè)置，準入指標門檻設(shè)置為0.6，即準入K1指標要求大于0.6。在考核指標設(shè)計上，按照0.5，0.25，0.25進行設(shè)置，整體考核指標作為調(diào)頻服務商調(diào)節(jié)性能因子納入市場競價。

(2) 再由第3小節(jié)介紹的實時調(diào)頻需求算法計算出每小時的調(diào)頻需求，為簡化工作流程按照模擬閉環(huán)前計算得到的每小時最大調(diào)頻容量1000 MW進行市場需求發(fā)布。

(3) 市場交易系統(tǒng)每小時交易一次生成市場交易結(jié)果，再實時傳輸至AGC，AGC根據(jù)出清結(jié)果自動切換中標機組投入調(diào)頻模式，AGC控制策略采用4.3小節(jié)的調(diào)用策略，通過優(yōu)先調(diào)用性能好、報價低的機組進行調(diào)節(jié)，再通過調(diào)節(jié)深度補償?shù)姆绞焦膭罘仗峁┥烫岣咝阅?、降低報價，達到電網(wǎng)整體調(diào)頻費用的目標。

(4) 在市場運行過程中，AGC同時實時計算機組的考核性能指標，用最新計算指標滾動更新機組平均考核性能指標。表1顯示的是某時段市場中標的前12臺機組性能指標和中標容量數(shù)據(jù)。

表1　市場交易出清結(jié)果Tab.1　Clearing results of market transactions

經(jīng)過閉環(huán)測試后發(fā)現(xiàn)，電網(wǎng)頻率基本保持穩(wěn)定，并未出現(xiàn)頻率質(zhì)量大幅下降的現(xiàn)象，保證了電網(wǎng)頻率運行安全，頻率偏差情況如圖5、圖6所示。

圖5　頻率偏差平均值情況對比Fig.5　Comparison of frequency deviation average value

圖6　頻率偏差均方根情況對比Fig.6　Comparison of frequency deviation root mean square value

圖5、圖6分別從平均值和均方根角度對電網(wǎng)引入市場前后的頻率偏差變化情況進行對比，從圖中可以看出，引入調(diào)頻市場后，頻率偏差變大，但電網(wǎng)頻率基本保持穩(wěn)定。

7　結(jié)語

基于調(diào)頻服務市場機制，在保證電網(wǎng)頻率運行穩(wěn)定的前提下，提出了調(diào)頻需求實時計算方法、調(diào)頻機組調(diào)用策略及機組調(diào)頻性能考核評價指標，建立調(diào)頻服務市場環(huán)境下頻率控制架構(gòu)，滿足了調(diào)頻市場環(huán)境下頻率控制需要。測試結(jié)果證明本文提出的調(diào)頻市場環(huán)境下的頻率控制技術(shù)的有效性，有力支撐了電網(wǎng)調(diào)頻服務市場化的建設(shè)和電網(wǎng)頻率控制。

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