考慮風(fēng)電波動(dòng)性的調(diào)峰輔助服務(wù)交易方法研究

張健， 鄭威， 張德亮， 袁森， 張國強(qiáng)， 薛艷軍

(1.山東電網(wǎng)有限責(zé)任公司 電力調(diào)度控制中心，山東 濟(jì)南 250002；2.國網(wǎng)山東省電力公司 電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250002；3.北京清大科越股份有限公司，北京 100084)

0 引 言

低谷調(diào)峰期間，燃煤電廠出力低于最小技術(shù)出力，將導(dǎo)致燃煤電廠出力調(diào)整速率低于正常運(yùn)行工況下的調(diào)整能力。在互聯(lián)電網(wǎng)中，當(dāng)某區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)風(fēng)電出力波動(dòng)時(shí)，如果系統(tǒng)出力調(diào)整速率不能滿足系統(tǒng)需求則將導(dǎo)致其頻率與聯(lián)絡(luò)線交換偏差指標(biāo)越限，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致整個(gè)頻率穩(wěn)定破壞。因此在調(diào)峰輔助服務(wù)市場(chǎng)中，市場(chǎng)撮合交易模型必須考慮風(fēng)電波動(dòng)性影響。

《并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理實(shí)施細(xì)則》中明確了不同類型電源的基本調(diào)峰輔助服務(wù)和有償調(diào)峰輔助服務(wù)范圍[1]。文獻(xiàn)[2]基于不同電源運(yùn)行特性的分析結(jié)果，提出了有償調(diào)峰輔助服務(wù)需求計(jì)算方法。文獻(xiàn)[3]引入分段電價(jià)機(jī)制，提出了調(diào)峰輔助服務(wù)交易模型，以提升跨區(qū)送電中風(fēng)電消納的問題。文獻(xiàn)[4]充分考慮風(fēng)電和燃煤電廠兩類主體的價(jià)格承受能力和調(diào)峰成本，提出了燃煤電廠有償調(diào)峰交易模型和補(bǔ)償機(jī)制。文獻(xiàn)[5]提出了考慮經(jīng)濟(jì)約束的調(diào)峰輔助服務(wù)交易模型，據(jù)此測(cè)算了山區(qū)風(fēng)電接納能力。文獻(xiàn)[6]研究了區(qū)域電網(wǎng)并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)補(bǔ)償機(jī)制，提出了考慮各局部電網(wǎng)調(diào)峰幅度相同的調(diào)峰輔助服務(wù)分?jǐn)倷C(jī)制。文獻(xiàn)[7-8]分別介紹了浙江電網(wǎng)外送電調(diào)峰服務(wù)和東北區(qū)域電網(wǎng)調(diào)峰輔助服務(wù)的實(shí)踐情況。

當(dāng)前調(diào)峰輔助服務(wù)交易機(jī)制的研究均未考慮風(fēng)電波動(dòng)性對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的影響。為此，本文將首先深入研究頻率與聯(lián)絡(luò)線偏差考核模式下風(fēng)電波動(dòng)性的控制要求，構(gòu)建考慮風(fēng)電波動(dòng)性的調(diào)峰輔助服務(wù)市場(chǎng)交易模型，以解決低谷調(diào)峰期間電網(wǎng)安全運(yùn)行問題。

1 滿足風(fēng)電波動(dòng)性的控制要求分析

1.1 頻率與聯(lián)絡(luò)線偏差控制要求

頻率與聯(lián)絡(luò)線交換偏差考核是當(dāng)前互聯(lián)電網(wǎng)中最核心的考核標(biāo)準(zhǔn)，其基本要求是同時(shí)考慮互聯(lián)電網(wǎng)的頻率偏差和區(qū)域間聯(lián)絡(luò)線交換功率偏差，統(tǒng)籌各區(qū)域調(diào)節(jié)能力，計(jì)算其出力調(diào)節(jié)需求，并以10 min為時(shí)間范圍對(duì)其調(diào)節(jié)情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)評(píng)價(jià)[9-10]。具體來說，頻率與聯(lián)絡(luò)線交換偏差考核要求可表述如下：

ΔPG>λΔf+ΔPE

(1)

式中:ΔPG為局部電網(wǎng)發(fā)電出力調(diào)整量；Δf為10 min范圍內(nèi)最大頻率偏差，按照當(dāng)前互聯(lián)電網(wǎng)運(yùn)行控制要求，正常運(yùn)行過程中，最大頻率偏差為0.02 Hz；λ為局部電網(wǎng)頻率偏差分?jǐn)傁禂?shù)，是由互聯(lián)電網(wǎng)運(yùn)行特性決定的給定值；ΔPE為外送電功率交換偏差，等價(jià)于外送電計(jì)劃增量、負(fù)荷波動(dòng)量和風(fēng)電等間歇式電源出力波動(dòng)量之和。外送電功率交換偏差可表示為：

ΔPE=ΔPS+ΔPL+ΔPW

(2)

式中:ΔPS、ΔPL、ΔPW分別為外送電計(jì)劃增量、負(fù)荷波動(dòng)量和風(fēng)電等間歇式電源出力波動(dòng)量。

1.2 風(fēng)電/負(fù)荷波動(dòng)性分析

負(fù)荷波動(dòng)、風(fēng)電等間歇式電源出力波動(dòng)是影響頻率聯(lián)絡(luò)線交換偏差的主要因素。雖然兩種波動(dòng)分量的類型和特性不同，但是其分析方法一致，已成為當(dāng)前電網(wǎng)運(yùn)行分析的基本方法。本文將以文獻(xiàn)[11]所介紹的分析方法為基礎(chǔ)，選用風(fēng)電波動(dòng)性為對(duì)象介紹波動(dòng)性分析的基本方法。

考慮到頻率與聯(lián)絡(luò)線交換偏差的統(tǒng)計(jì)評(píng)價(jià)時(shí)間為10 min。在統(tǒng)計(jì)評(píng)價(jià)風(fēng)電波動(dòng)性時(shí)，首先統(tǒng)計(jì)每10 min風(fēng)電最大、最小出力，兩者之差即為10 min內(nèi)風(fēng)電最大波動(dòng)量。統(tǒng)計(jì)風(fēng)電10 min最大波動(dòng)量，并根據(jù)其分布規(guī)律對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行離散化處理，統(tǒng)計(jì)每個(gè)區(qū)間的波動(dòng)分量出現(xiàn)次數(shù)，據(jù)此分析其分布概率，離散化的風(fēng)電出力10 min最大波動(dòng)量分布?；谙到y(tǒng)能夠接受的概率水平，確定風(fēng)電10 min波動(dòng)量。

以我國某省區(qū)電網(wǎng)為例，根據(jù)2016—2017年的實(shí)際數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)得到該省區(qū)風(fēng)電出力10 min最大波動(dòng)量分布，如圖1所示。據(jù)此，可以分析得到該省區(qū)在滿足可接受概率98%的水平下，風(fēng)電出力10 min波動(dòng)量為130 MW。

圖1 某電網(wǎng)風(fēng)電出力波動(dòng)量分布

1.3 風(fēng)電調(diào)節(jié)要求

實(shí)際運(yùn)行過程中，為滿足頻率與聯(lián)絡(luò)線交換偏差調(diào)整要求，系統(tǒng)中燃煤電廠的出力調(diào)節(jié)能力必須超過其調(diào)節(jié)需求，即需要滿足：

(3)

(4)

系統(tǒng)中風(fēng)電等間歇式電源裝機(jī)較小或無裝機(jī)時(shí)，燃煤機(jī)組出力調(diào)節(jié)只需要滿足頻率偏差、送受電計(jì)劃增量和負(fù)荷波動(dòng)三方面變化要求。當(dāng)風(fēng)電等間歇式電源裝機(jī)規(guī)模增長后，必須考慮風(fēng)電的波動(dòng)影響。特別是風(fēng)電的逆調(diào)峰特性顯著，導(dǎo)致低谷時(shí)段燃煤機(jī)組出力低于其最小技術(shù)出力，出力調(diào)節(jié)能力將低于正常水平。因此在低谷調(diào)峰期間，必須考慮燃煤機(jī)組出力波動(dòng)滿足含風(fēng)電波動(dòng)性的調(diào)整需要，即滿足：

(5)

2 考慮風(fēng)電波動(dòng)性的調(diào)峰輔助服務(wù)交易模型

2.1 目標(biāo)函數(shù)

調(diào)峰輔助服務(wù)交易的決策目標(biāo)為風(fēng)電調(diào)峰需求得到最大化滿足，可表示為：

(6)

2.2 約束條件

組織交易中所需要考慮的約束條件包括電網(wǎng)安全運(yùn)行約束和風(fēng)電場(chǎng)出力匹配度約束等。

1)交易價(jià)格約束

交易價(jià)格約束是指以調(diào)峰輔助服務(wù)的成交價(jià)為分界，對(duì)于調(diào)峰輔助服務(wù)購買方風(fēng)電企業(yè)，其申報(bào)價(jià)格高于成交價(jià)才能成交。對(duì)于調(diào)峰輔助服務(wù)提供方燃煤電廠，其申報(bào)價(jià)格低于成交價(jià)才能成交。

該約束條件可表示為：

(7)

基于式(7)可以保證報(bào)價(jià)高于成交價(jià)格的風(fēng)電場(chǎng),其申報(bào)的調(diào)峰輔助服務(wù)需求能夠得到滿足。報(bào)價(jià)低于成交價(jià)格的燃煤電廠,其申報(bào)的調(diào)峰輔助服務(wù)提供量能夠得到匹配,否則不成交。

2)成交量約束

成交量約束是指燃煤電廠和風(fēng)電場(chǎng)調(diào)峰輔助服務(wù)成交量小于其申報(bào)量。該約束可表示如下：

(8)

3)成交價(jià)格約束

成交價(jià)格約束是指由市場(chǎng)交易規(guī)則所確定的成交價(jià)格與風(fēng)電場(chǎng)、燃煤電廠申報(bào)價(jià)格之間的關(guān)系。出清成交模式包括邊際出清和統(tǒng)一出清等。這里以統(tǒng)一出清為例，風(fēng)電場(chǎng)、燃煤電廠具有相同的出清成交價(jià)格，該價(jià)格為所有成交的風(fēng)電場(chǎng)、燃煤電廠申報(bào)價(jià)的按照其成交量的平均值。則成交價(jià)格約束可表示為：

(9)

式中：NH為燃煤電廠數(shù)量。

4)電網(wǎng)安全約束

電網(wǎng)安全約束是指調(diào)峰輔助服務(wù)交易所必須考慮的電網(wǎng)安全約束條件，也即必須考慮風(fēng)電波動(dòng)性對(duì)電網(wǎng)頻率與聯(lián)絡(luò)線交換偏差的影響。該約束已在上一節(jié)予以介紹，詳見式(5)。

2.3 模型特點(diǎn)

模式設(shè)計(jì)上具有特點(diǎn)如下：

(1)成交價(jià)格的形成由調(diào)峰輔助服務(wù)需求方風(fēng)電場(chǎng)和提供方燃煤電廠雙邊交易形成，充分考慮了市場(chǎng)雙方的價(jià)格交易意愿。

(2)模型約束條件中考慮了風(fēng)電波動(dòng)性對(duì)頻率與聯(lián)絡(luò)線交換偏差的影響，能夠保證深度調(diào)峰期間電網(wǎng)有功調(diào)整能力滿足調(diào)節(jié)要求，滿足安全性要求。

(3)優(yōu)化目標(biāo)以風(fēng)電調(diào)峰需求最大化為目標(biāo)，符合清潔低碳的電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行發(fā)展要求,滿足提升風(fēng)電等間歇式電源消納的運(yùn)行目標(biāo)。

3 算例分析

本文將以山東電網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)構(gòu)造算例，以驗(yàn)證本文所提出方法的有效性。

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

選取某日04∶00，該時(shí)刻風(fēng)功率預(yù)測(cè)為3 240 MW，調(diào)峰輔助服務(wù)需求為240 MW。為滿足調(diào)峰輔助服務(wù)需求，避免棄風(fēng)，選擇了10臺(tái)裝機(jī)容量為300 MW的燃煤機(jī)組參與調(diào)峰輔助服務(wù)交易，其不同運(yùn)行水平下的調(diào)節(jié)能力對(duì)比如表1所示。

表1 燃煤機(jī)組10 min調(diào)節(jié)能力對(duì)比

3.2 數(shù)據(jù)分析

為驗(yàn)證本文所提出方法的有效性，本文將對(duì)比兩種場(chǎng)景下的調(diào)峰成本和爬坡能力:①不考慮風(fēng)電波動(dòng)性要求，即不考慮本文中式(5)所示的風(fēng)電波動(dòng)性約束對(duì)調(diào)峰輔助服務(wù)交易的影響；②考慮風(fēng)電波動(dòng)性要求，即在場(chǎng)景①的基礎(chǔ)上考慮風(fēng)電波動(dòng)性影響。

兩種場(chǎng)景下，10臺(tái)機(jī)組的調(diào)峰輔助服務(wù)交易結(jié)果如圖2所示。

圖2 機(jī)組調(diào)峰輔助服務(wù)對(duì)比

如表2所示，進(jìn)一步對(duì)比了調(diào)峰輔助服務(wù)提供量和對(duì)應(yīng)的機(jī)組爬坡能力，可以看出兩個(gè)場(chǎng)景下系統(tǒng)提供的調(diào)峰輔助服務(wù)相同，但是所對(duì)應(yīng)的燃煤機(jī)組爬坡能力不同，場(chǎng)景②由于考慮了風(fēng)電波動(dòng)性要求，其爬坡能力明顯高于場(chǎng)景①，這就保證了在深度調(diào)峰期間燃煤機(jī)組能夠及時(shí)跟蹤調(diào)節(jié)需求，保證系統(tǒng)頻率與聯(lián)絡(luò)線交換偏差調(diào)節(jié)要求。

表2 系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力對(duì)比

4 結(jié)束語

本文分析了風(fēng)電波動(dòng)性對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的影響，提出了考慮風(fēng)電波動(dòng)性作為約束條件的雙邊調(diào)峰輔助服務(wù)市場(chǎng)交易模型。通過對(duì)算例分析，驗(yàn)證了本文所提出的考慮風(fēng)電波動(dòng)性的雙邊調(diào)峰輔助服務(wù)市場(chǎng)交易模型的有效性，解決了頻率與聯(lián)絡(luò)線偏差考核模式下由風(fēng)電波動(dòng)性導(dǎo)致的低谷調(diào)峰區(qū)間電網(wǎng)安全運(yùn)行問題。