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    面向風(fēng)電市場化消納的現(xiàn)貨電能量-輔助服務(wù)聯(lián)合運(yùn)營機(jī)制

    2021-03-29 06:04:08吳明興劉英琪劉明波
    電力自動(dòng)化設(shè)備 2021年3期
    關(guān)鍵詞:爬坡調(diào)峰調(diào)頻

    陳 青,吳明興,劉英琪,王 一,謝 敏,劉明波

    (1. 廣東電力交易中心有限責(zé)任公司,廣東 廣州510080;2. 華南理工大學(xué) 電力學(xué)院,廣東 廣州510640)

    0 引言

    隨著全球能源向更加綠色低碳的未來邁進(jìn),以風(fēng)電為代表的可再生能源發(fā)電作為促進(jìn)能源轉(zhuǎn)型、節(jié)能減排的重要途徑得到了迅速發(fā)展。截至2018年底,我國新增并網(wǎng)風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)2.1143×107kW,累計(jì)并網(wǎng)裝機(jī)容量達(dá)2.09×108kW,均居世界首位[1]。未來我國風(fēng)電將保持高速發(fā)展態(tài)勢,預(yù)計(jì)到2030 年我國風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量將達(dá)到4.9×108kW[2]。國家發(fā)展改革委、國家能源局發(fā)布的《清潔能源消納行動(dòng)計(jì)劃(2018—2020 年)》也提出在2020 年盡量將棄風(fēng)率降低到5% 的目標(biāo)[3]。2020 年前三季度,全國棄風(fēng)電量約1.16×1010kW·h,平均棄風(fēng)率為3.4%,較2019 年同期同比下降0.8 個(gè)百分點(diǎn),棄風(fēng)率大幅改善。

    然而,受隨機(jī)氣象因素的影響,風(fēng)電出力具有強(qiáng)隨機(jī)性和波動(dòng)性,給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來巨大挑戰(zhàn),需要系統(tǒng)具有快速調(diào)配資源響應(yīng)凈負(fù)荷(即負(fù)荷需求減去風(fēng)電出力)變化的能力,即系統(tǒng)靈活性[4-5]。與此同時(shí),大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)所面臨的消納問題也日益凸顯,不僅造成資源的浪費(fèi),也阻礙了風(fēng)電開發(fā)利用的進(jìn)程。隨著我國電力體制改革的深入開展,如何以市場的方式確保系統(tǒng)靈活性充裕,是在保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下實(shí)現(xiàn)大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)、解決消納問題的關(guān)鍵。

    目前,國內(nèi)各省份應(yīng)對(duì)系統(tǒng)靈活性不足的市場化輔助服務(wù)主要是調(diào)頻[6]和調(diào)峰(包括深度調(diào)峰和啟停調(diào)峰)[7-8]。調(diào)頻服務(wù)通過中標(biāo)者預(yù)留調(diào)頻容量,并在實(shí)時(shí)調(diào)用時(shí)調(diào)整發(fā)電出力的方式,處理預(yù)測與實(shí)際凈負(fù)荷的實(shí)時(shí)差異,其響應(yīng)時(shí)間短,對(duì)提供者的調(diào)頻性能要求較高。調(diào)峰服務(wù)通過機(jī)組調(diào)減出力至基準(zhǔn)負(fù)荷率以下或停運(yùn)的方式,在負(fù)荷低谷而風(fēng)電出力較高的時(shí)段為系統(tǒng)提供下調(diào)靈活性,以擴(kuò)大風(fēng)電的消納空間,但其無法適用于系統(tǒng)上調(diào)靈活性不足的情況;而機(jī)組出力在基準(zhǔn)負(fù)荷率以上跟隨負(fù)荷峰谷變化的調(diào)峰服務(wù)屬于市場范疇以外的無償基本調(diào)峰,缺乏相應(yīng)的市場激勵(lì)機(jī)制。隨著風(fēng)電并網(wǎng)規(guī)模不斷增大,現(xiàn)有輔助服務(wù)市場將越來越難以適應(yīng)系統(tǒng)的靈活性需求,有必要在借鑒國外電力市場相關(guān)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上對(duì)我國輔助服務(wù)市場進(jìn)行完善。

    近年來,美國加州獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營商CAISO(CAlifornia Independent System Operator)和中部獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營商MISO(Midcontinent Independent System Operator)提出一種靈活爬坡輔助服務(wù)[9],以確保預(yù)留足夠的爬坡容量跟蹤隨機(jī)波動(dòng)的凈負(fù)荷,增強(qiáng)系統(tǒng)靈活性。文獻(xiàn)[10]評(píng)估靈活爬坡輔助服務(wù)對(duì)環(huán)境、系統(tǒng)與經(jīng)濟(jì)的影響,指出在市場中引入靈活爬坡輔助服務(wù)有利于減少碳排放、提高系統(tǒng)靈活性以及降低稀缺電價(jià)發(fā)生的概率。文獻(xiàn)[11-14]分別研究風(fēng)電、儲(chǔ)能、需求響應(yīng)以及電動(dòng)汽車提供靈活爬坡服務(wù),并與電能量進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化的市場出清模型。靈活爬坡輔助服務(wù)為風(fēng)電不確定性所引起的系統(tǒng)靈活性不足問題提供了一種解決方案,但現(xiàn)有研究通常采取電能量與靈活爬坡輔助服務(wù)市場協(xié)同優(yōu)化的出清模式,而實(shí)際上系統(tǒng)并非在每個(gè)時(shí)段都有向上/向下爬坡容量需求,且在運(yùn)行過程中系統(tǒng)本身就具有一定的向上/向下爬坡能力,可以滿足一些時(shí)段的爬坡容量需求。另一方面,現(xiàn)階段我國電力現(xiàn)貨市場正處于試運(yùn)行的初級(jí)階段,大多省份現(xiàn)貨電能量-輔助服務(wù)聯(lián)合運(yùn)營仍采用分階段出清的模式,直接將靈活爬坡加入市場出清模型進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化將大幅增加求解難度,不利于其在現(xiàn)貨市場的應(yīng)用。

    針對(duì)以上不足,本文綜合考慮靈活爬坡輔助服務(wù)以及國內(nèi)現(xiàn)有的市場化調(diào)頻、調(diào)峰服務(wù),提出面向高比例風(fēng)電的現(xiàn)貨電能量-輔助服務(wù)聯(lián)合運(yùn)營機(jī)制。首先,針對(duì)系統(tǒng)在各時(shí)間尺度上的靈活性需求,構(gòu)建現(xiàn)貨電能量-輔助服務(wù)聯(lián)合運(yùn)營的總體框架;然后,建立基于調(diào)頻性能指標(biāo)的調(diào)頻出清模型、考慮機(jī)組能耗特性的深度調(diào)峰出清模型以及含靈活爬坡校驗(yàn)的電能量市場出清模型,梳理現(xiàn)貨電能量與輔助服務(wù)市場分階段出清的具體流程,并運(yùn)用等價(jià)線性化的方法將非線性模型轉(zhuǎn)換為線性模型,降低求解難度;最后采用某省級(jí)實(shí)際系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真分析,驗(yàn)證所提市場機(jī)制和模型的有效性。

    1 現(xiàn)貨電能量?輔助服務(wù)市場聯(lián)合運(yùn)營機(jī)制設(shè)計(jì)

    在含高比例風(fēng)電的電力系統(tǒng)中,靈活的電力市場設(shè)計(jì)應(yīng)保證其在所有時(shí)間尺度上能夠經(jīng)濟(jì)可靠運(yùn)營,具體表現(xiàn)在:秒級(jí)的頻率調(diào)節(jié)能力,以始終保持系統(tǒng)的供需平衡;分鐘級(jí)的爬坡能力和調(diào)峰能力,以應(yīng)對(duì)峰谷時(shí)段凈負(fù)荷的變化性和不確定性,同時(shí)盡可能消納風(fēng)電。本文提出現(xiàn)貨電能量-輔助服務(wù)市場聯(lián)合運(yùn)營機(jī)制,總體市場框架如圖1 所示,其設(shè)計(jì)思路在于:通過調(diào)頻服務(wù)解決系統(tǒng)的實(shí)時(shí)平衡問題,通過深度調(diào)峰服務(wù)解決風(fēng)電在負(fù)荷低谷時(shí)期的消納問題,通過靈活爬坡服務(wù)解決風(fēng)電不確定性引起的系統(tǒng)爬坡能力不足問題,增強(qiáng)系統(tǒng)靈活性以適應(yīng)高比例風(fēng)電的接入。同時(shí),基于現(xiàn)有現(xiàn)貨電能量與輔助服務(wù)分階段出清的模式,以確保改進(jìn)與現(xiàn)狀的有序銜接。

    電能量市場采取集中優(yōu)化出清的模式,并假設(shè)負(fù)荷無彈性,即只有發(fā)電側(cè)單邊報(bào)價(jià),其中火電機(jī)組申報(bào)運(yùn)行日的電能量價(jià)格及機(jī)組運(yùn)行參數(shù);風(fēng)電場作為價(jià)格接受者,僅申報(bào)運(yùn)行日的有功功率預(yù)測曲線及預(yù)測誤差,不申報(bào)價(jià)格。系統(tǒng)綜合考慮電網(wǎng)與機(jī)組運(yùn)行約束,以總運(yùn)營成本最小為優(yōu)化目標(biāo),構(gòu)建安全約束機(jī)組組合SCUC(Security Constrained Unit Commitment)模型進(jìn)行出清計(jì)算,得到火電機(jī)組組合及其出力曲線、風(fēng)電場調(diào)度出力曲線。

    圖1 現(xiàn)貨電能量-輔助服務(wù)聯(lián)合運(yùn)營機(jī)制的總體框架Fig.1 Overall framework of combined operation mechanism of spot electric energy and auxiliary service

    在調(diào)頻輔助服務(wù)市場中,系統(tǒng)根據(jù)運(yùn)行日的調(diào)頻需求在基于電能量市場所得機(jī)組組合的基礎(chǔ)上,基于各機(jī)組調(diào)頻性能指標(biāo)對(duì)其申報(bào)的調(diào)頻容量價(jià)格進(jìn)行調(diào)整排序,并進(jìn)行集中出清,得到各時(shí)段火電機(jī)組調(diào)頻中標(biāo)容量及價(jià)格,火電機(jī)組根據(jù)調(diào)頻中標(biāo)容量對(duì)出力上下限進(jìn)行修改。

    在深度調(diào)峰輔助服務(wù)市場中,若電能量市場出清結(jié)果存在棄風(fēng)現(xiàn)象,則將運(yùn)行日中各時(shí)段棄風(fēng)電量作為深度調(diào)峰輔助服務(wù)需求,并以火電機(jī)組核定最小技術(shù)出力作為深度調(diào)峰基準(zhǔn)值。火電機(jī)組對(duì)深度調(diào)峰基準(zhǔn)值以下的調(diào)峰容量進(jìn)行分段報(bào)價(jià)。系統(tǒng)根據(jù)深度調(diào)峰需求對(duì)調(diào)頻市場中標(biāo)以外的火電機(jī)組進(jìn)行集中出清,得到各棄風(fēng)時(shí)段火電機(jī)組調(diào)峰容量及價(jià)格,并根據(jù)調(diào)峰中標(biāo)容量固定火電機(jī)組出力。

    在調(diào)頻、調(diào)峰進(jìn)行出清以后,根據(jù)電能量市場機(jī)組組合結(jié)果將火電機(jī)組在各個(gè)時(shí)段的啟停狀態(tài)固定,此時(shí)的出清模型為一個(gè)安全約束經(jīng)濟(jì)調(diào)度SCED(Security Constrained Economic Dispatch)模型,求解得出各發(fā)電機(jī)組的出力水平,在此基礎(chǔ)上可以計(jì)算得到各機(jī)組在各時(shí)段出力水平下所能夠自然提供的爬坡能力。通過將各時(shí)段系統(tǒng)的爬坡容量需求與自然可提供爬坡能力相減,可以得到各時(shí)段系統(tǒng)的爬坡容量缺額。當(dāng)某時(shí)段的爬坡容量缺額大于0時(shí),說明系統(tǒng)在該時(shí)段的向上/向下爬坡能力不足以跟隨下一時(shí)段可能出現(xiàn)的凈負(fù)荷波動(dòng)。為此,本文采用“反復(fù)校驗(yàn)-添加約束”的思想,提出一種靈活爬坡容量校驗(yàn)機(jī)制,即對(duì)求解SCED 模型所得結(jié)果進(jìn)行靈活爬坡容量校驗(yàn),若存在爬坡容量缺額,則在SCUC 模型和SCED 模型中引入靈活爬坡約束,并再次運(yùn)行出清程序,若所得出清結(jié)果中仍存在爬坡容量缺額,則繼續(xù)加入靈活爬坡輔助服務(wù)約束進(jìn)行反復(fù)求解,直到滿足收斂條件,最后得出各時(shí)段的靈活爬坡出清容量及價(jià)格、火電出力曲線、風(fēng)電場調(diào)度出力曲線以及各時(shí)段的市場電價(jià)。

    2 現(xiàn)貨電能量?輔助服務(wù)市場分階段出清模型

    2.1 電能量市場

    本文使用直流潮流構(gòu)建電能量市場出清的SCUC模型,目標(biāo)函數(shù)為最小化系統(tǒng)總運(yùn)營成本:

    約束條件如下。

    (1)電網(wǎng)運(yùn)行約束。

    (2)火電機(jī)組約束。

    (3)風(fēng)電場出力約束。

    2.2 調(diào)頻輔助服務(wù)

    2.2.1 調(diào)頻容量報(bào)價(jià)調(diào)整

    由于不同火電機(jī)組的調(diào)頻性能存在差異,因此其提供調(diào)頻服務(wù)的質(zhì)量也存在差異,本文采用響應(yīng)時(shí)間、調(diào)節(jié)速率以及調(diào)節(jié)誤差這3 個(gè)指標(biāo)對(duì)機(jī)組的綜合調(diào)頻性能進(jìn)行衡量:

    其中,KiR為機(jī)組i 的綜合調(diào)頻性能指標(biāo);TiR、SRi和ARi分別為機(jī)組i響應(yīng)調(diào)頻歷史控制指令的響應(yīng)時(shí)間(s)、調(diào)節(jié)速率(MW/min)和調(diào)節(jié)誤差(MW);Ts、Ss和As分別為標(biāo)準(zhǔn)響應(yīng)時(shí)間、標(biāo)準(zhǔn)調(diào)節(jié)速率和標(biāo)準(zhǔn)調(diào)節(jié)誤差。為了在調(diào)頻市場出清中體現(xiàn)機(jī)組的調(diào)頻性能差異,本文提出基于綜合調(diào)頻性能歷史指標(biāo)的均值歸一化方法,并以此為基礎(chǔ)調(diào)整機(jī)組申報(bào)的調(diào)頻容量價(jià)格。

    歸一化處理公式為:

    其中,KiC為機(jī)組i 的歸一化綜合調(diào)頻性能指標(biāo);和分別為所有機(jī)組綜合調(diào)頻性能指標(biāo)的最大值和最小值為所有機(jī)組綜合調(diào)頻性能指標(biāo)的平均值,也是調(diào)頻市場的準(zhǔn)入門檻值。歸一化處理后的綜合調(diào)頻性能指標(biāo)范圍為-1~1,且僅當(dāng)機(jī)組綜合調(diào)頻性能指標(biāo)超過或等于平均水平時(shí),KiC≥0,否則,KiC<0。

    調(diào)整調(diào)頻容量報(bào)價(jià):

    2.2.2 調(diào)頻市場模型

    調(diào)頻市場以最小化調(diào)頻服務(wù)費(fèi)用為目標(biāo)函數(shù):

    約束條件如下。

    (1)調(diào)頻需求約束。

    (2)調(diào)頻速率約束。

    (3)調(diào)頻穩(wěn)定運(yùn)行約束。機(jī)組必須達(dá)到穩(wěn)定出力后才能進(jìn)行調(diào)頻,即:

    (4)調(diào)頻與電能量市場耦合約束。只有在電能量市場中標(biāo)的火電機(jī)組才可以參與調(diào)頻市場,即:

    調(diào)頻市場出清后,根據(jù)調(diào)頻市場出清結(jié)果修改中標(biāo)機(jī)組的出力上、下限,可得:

    2.3 深度調(diào)峰輔助服務(wù)

    在電能量市場中無法完全消納風(fēng)電的時(shí)段,需要啟動(dòng)深度調(diào)峰輔助服務(wù)為風(fēng)電提供消納空間?;痣姍C(jī)組在提供深度調(diào)峰服務(wù)時(shí),根據(jù)其調(diào)峰深度可分為不投油深度調(diào)峰DPR(Deep Peak Regulation without oil)和投油深度調(diào)峰DPRO(Deep Peak Regulation with Oil)階段[16],不同階段下機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)與能耗特性存在差異,所產(chǎn)生的調(diào)峰成本也有所不同。因此,本文在調(diào)峰市場中根據(jù)火電機(jī)組深度調(diào)峰成本特性采取分段報(bào)價(jià)方式,其報(bào)價(jià)曲線為圖2所示的階梯曲線。

    圖2 深度調(diào)峰報(bào)價(jià)曲線Fig.2 Offer curve for deep peaking

    深度調(diào)峰市場的目標(biāo)函數(shù)為購買調(diào)峰輔助服務(wù)費(fèi)用最?。?/p>

    約束條件如下。

    (1)調(diào)峰需求約束。

    (2)調(diào)峰深度約束。

    (3)調(diào)峰速率約束。

    (4)調(diào)峰穩(wěn)定運(yùn)行約束。機(jī)組在開機(jī)后必須達(dá)到穩(wěn)定出力后才能進(jìn)行調(diào)峰,且不能頻繁進(jìn)入調(diào)峰狀態(tài),即:

    其中,Ni為機(jī)組i在運(yùn)行日內(nèi)的調(diào)峰最大調(diào)用次數(shù)。

    (5)調(diào)峰與調(diào)頻、電能量市場耦合約束。只有電能量市場中標(biāo)且調(diào)頻市場不中標(biāo)的火電機(jī)組才可以參與深度調(diào)峰市場,即:

    2.4 靈活爬坡輔助服務(wù)

    2.4.1 靈活爬坡容量需求

    由于風(fēng)電隨機(jī)性和波動(dòng)性的存在,凈負(fù)荷具有變化性和不確定性,具體表現(xiàn)為凈負(fù)荷隨時(shí)間不斷發(fā)生變化,且實(shí)際與預(yù)測凈負(fù)荷之間存在一個(gè)隨機(jī)波動(dòng)的范圍,從而產(chǎn)生對(duì)系統(tǒng)向上、向下爬坡能力的需求,需要通過發(fā)電機(jī)組提前預(yù)留一定的容量來滿足,以避免系統(tǒng)在下一個(gè)運(yùn)行時(shí)段內(nèi)因爬坡能力不足而無法保證供需平衡。以圖3 為例說明系統(tǒng)向上、向下爬坡容量需求的確定方式,系統(tǒng)在t0—t3時(shí)段內(nèi)預(yù)測的凈負(fù)荷分別為L0—L3,假設(shè)在t1時(shí)刻的風(fēng)電向上、向下預(yù)測偏差功率分別為u1和d1,則t1時(shí)刻凈負(fù)荷波動(dòng)范圍為L1?d1~L1+u1,因此,系統(tǒng)在t1時(shí)刻的向上、向下爬坡容量需求分別為L1?L0+u1和L0?L1+d1;t2時(shí)刻凈負(fù)荷波動(dòng)范圍為L2?d2~L2+u2,則系統(tǒng)在t2時(shí)刻的向上爬坡容量需求為L2?L1+u2,由于凈負(fù)荷波動(dòng)區(qū)間下限高于t1時(shí)刻的凈負(fù)荷,故系統(tǒng)在t1時(shí)刻沒有向下爬坡容量需求。

    圖3 系統(tǒng)向上、向下爬坡容量需求Fig.3 System up and down ramping capacity requirements

    由上述分析可知,對(duì)爬坡容量的需求分為變化性和不確定性兩部分,即:

    2.4.2 靈活爬坡容量校驗(yàn)

    在進(jìn)行靈活爬坡容量校驗(yàn)前,首先需要計(jì)算出清結(jié)果中系統(tǒng)在各時(shí)段的爬坡容量缺額,即:

    其中,γ 為爬坡容量價(jià)格上限,反映了系統(tǒng)愿意為風(fēng)電不確定性導(dǎo)致的功率不平衡所引發(fā)的切負(fù)荷/棄風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)所支付的預(yù)期成本。

    (1)靈活爬坡需求約束。

    (2)靈活爬坡上下限約束。

    (3)靈活爬坡速率約束。

    當(dāng)進(jìn)行第k 次靈活爬坡容量校驗(yàn)時(shí)滿足式(34)和式(35)所示條件之一,則認(rèn)為通過校驗(yàn)。

    其中,F(xiàn)IU,k、FID,k分別為第k 次校驗(yàn)中系統(tǒng)的向上、向下爬坡容量缺額總量;QU、QD分別為市場運(yùn)營人員所設(shè)置的系統(tǒng)向上、向下爬坡容量缺額接受值,反映了系統(tǒng)在爬坡容量不足所引發(fā)的切負(fù)荷/棄風(fēng)成本與運(yùn)營成本之間的權(quán)衡。式(34)表示系統(tǒng)向上、向下爬坡容量缺額均小于接受值;式(35)表示第k 次與第k-1 次校驗(yàn)中向上爬坡容量缺額變化率小于設(shè)定值ε1,向下爬坡容量缺額變化率小于設(shè)定值ε2。

    為了準(zhǔn)確地對(duì)機(jī)組因提供靈活爬坡容量而損失的機(jī)會(huì)成本進(jìn)行補(bǔ)償,本文對(duì)靈活爬坡輔助服務(wù)采取機(jī)會(huì)成本定價(jià)機(jī)制[17],式(31)所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)拉格朗日乘子即為該時(shí)段邊際機(jī)組提供靈活爬坡容量的機(jī)會(huì)成本。此外,當(dāng)火電機(jī)組預(yù)留爬坡容量所損失的機(jī)會(huì)成本高于價(jià)格上限時(shí),即使存在爬坡容量缺額,系統(tǒng)也不會(huì)再繼續(xù)投入爬坡容量,這是由于在實(shí)際運(yùn)行與預(yù)測結(jié)果之間可能會(huì)存在一定的差異,系統(tǒng)不需要為此投入過高的額外成本[18]。

    2.5 模型求解

    2.5.1 等價(jià)線性化

    在本文建立的市場出清模型中,電能量市場SCUC 模型屬于混合整數(shù)線性規(guī)劃問題,SCED 模型屬于線性規(guī)劃問題,相對(duì)易于求解;而調(diào)頻與深度調(diào)峰市場出清模型的目標(biāo)函數(shù)中含有0-1 變量x 與連續(xù)變量y 的相乘項(xiàng),屬于求解復(fù)雜的混合整數(shù)非線性規(guī)劃問題,因此考慮采用一個(gè)新的變量z 代替目標(biāo)函數(shù)中的相乘項(xiàng),即令z=xy,并引入如下約束對(duì)其進(jìn)行等價(jià)線性化[19]:

    其中,M 為一個(gè)非常大的正常數(shù),本文將其設(shè)定為連續(xù)變量x 值的上限。等價(jià)線性化后的調(diào)頻、調(diào)峰市場出清模型如附錄A所示。

    2.5.2 出清流程

    面向高比例風(fēng)電的靈活輔助服務(wù)市場總體出清流程如圖4所示。

    3 算例分析

    采用某省級(jí)電網(wǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真,該系統(tǒng)有179 臺(tái)火電機(jī)組,裝機(jī)容量為68 905 MW。火電機(jī)組基于發(fā)電成本對(duì)電能量進(jìn)行報(bào)價(jià),調(diào)頻和調(diào)峰分別參考山西調(diào)頻輔助服務(wù)與安徽調(diào)峰輔助服務(wù)市場中的容量報(bào)價(jià)。假設(shè)機(jī)組報(bào)價(jià)在所有出清時(shí)段不變。設(shè)置機(jī)組不投油調(diào)峰最低穩(wěn)燃出力為最大技術(shù)出力的45%,投油深度調(diào)峰穩(wěn)燃極限出力為最大技術(shù)出力的30%[20]。根據(jù)目前國內(nèi)電力市場現(xiàn)狀設(shè)定出清時(shí)段總數(shù)T=96,即以15 min為一個(gè)出清時(shí)段。該系統(tǒng)接入20座風(fēng)電場,裝機(jī)容量為27250 MW,占系統(tǒng)總裝機(jī)容量的28.34%。選取該省級(jí)電網(wǎng)2017年典型工作日(6月27日)的負(fù)荷曲線。負(fù)荷需求和風(fēng)電出力預(yù)測曲線如附錄B 圖B1 所示,風(fēng)電預(yù)測誤差為25%,調(diào)頻報(bào)價(jià)調(diào)整因子β = 4,棄風(fēng)懲罰費(fèi)用λ=1 000 元/(MW·h),爬坡容量價(jià)格上限γ=100元/(MW·h)。各時(shí)段調(diào)頻需求量按照峰谷負(fù)荷的0.7%計(jì)算[21]。

    圖4 市場出清流程圖Fig.4 Flowchart of market clearing

    圖5 調(diào)頻輔助服務(wù)出清結(jié)果Fig.5 Clearing results of frequency regulation auxiliary service

    火電機(jī)組綜合調(diào)頻性能指標(biāo)及調(diào)整后容量報(bào)價(jià)分別如附錄B 圖B2 和B3 所示。調(diào)頻輔助服務(wù)出清結(jié)果如圖5 所示。從圖中可以看出,根據(jù)調(diào)頻綜合性能指標(biāo)調(diào)整后報(bào)價(jià)較低的機(jī)組60、61 提供的所有調(diào)頻容量在調(diào)頻市場中均可以優(yōu)先出清,而綜合性能指標(biāo)較低的機(jī)組147、148 由于調(diào)整后報(bào)價(jià)較高,僅中標(biāo)少數(shù)調(diào)頻容量,而大部分綜合性能指標(biāo)在均值以下的機(jī)組無法在調(diào)頻市場中標(biāo),因此實(shí)際運(yùn)行中可在確保系統(tǒng)滿足調(diào)頻容量需求的前提下,選取調(diào)頻綜合性能更優(yōu)的機(jī)組提供調(diào)頻服務(wù)以保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)平衡。

    考慮深度調(diào)峰前后火電機(jī)組與風(fēng)電場出力如圖6 所示。由圖可見,深度調(diào)峰市場啟動(dòng)前,在負(fù)荷水平較低的時(shí)段(04:00—06:00),風(fēng)電預(yù)測出力較高,而火電機(jī)組受到最小技術(shù)出力以及最小連續(xù)開停機(jī)時(shí)間的限制,無法為風(fēng)電留出多余的消納空間,由此產(chǎn)生了1 289.07 MW·h 的棄風(fēng)電量。在深度調(diào)峰輔助服務(wù)出清后,棄風(fēng)時(shí)段內(nèi)火電機(jī)組通過市場競價(jià)獲取提供深度調(diào)峰容量的資格,將出力壓低至最小技術(shù)出力以下,為風(fēng)電預(yù)留消納空間,使得風(fēng)電可以達(dá)到滿發(fā)狀態(tài)。深度調(diào)峰容量與出清價(jià)格如附錄B圖B4所示。由圖可見,調(diào)峰容量出清價(jià)格與其容量需求呈正相關(guān),一方面可以激勵(lì)火電機(jī)組提供深度調(diào)峰服務(wù),提高系統(tǒng)的靈活性,另一方面也可以通過市場化方式來補(bǔ)償火電機(jī)組進(jìn)行深度調(diào)峰所產(chǎn)生的損耗成本以及降出力所損失的電量成本,體現(xiàn)市場的資源優(yōu)化配置作用。

    圖6 考慮深度調(diào)峰輔助服務(wù)前、后火電與風(fēng)電出力Fig.6 Thermal power and wind power output before and after considering deep peaking auxiliary service

    表1 爬坡容量缺額總量隨校驗(yàn)次數(shù)的變化Table 1 Variation of total ramping capacity shortage with verification times

    靈活爬坡容量缺額總量隨爬坡容量校驗(yàn)次數(shù)的變化如表1 所示。由表可見,經(jīng)過4 次校驗(yàn)后,系統(tǒng)向上、向下爬坡容量缺額總量不再變化。其中,向上爬坡容量缺額總量降低至0,說明系統(tǒng)具有足夠的向上爬坡能力以應(yīng)對(duì)實(shí)際運(yùn)行中風(fēng)電驟降所引發(fā)的切負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn);向下爬坡容量缺額總量與爬坡容量校驗(yàn)前相比降低了72.03%,若風(fēng)電出力突然增加,系統(tǒng)也具有一定的向下爬坡能力為風(fēng)電留出消納空間,大幅降低了風(fēng)電不確定性所產(chǎn)生的棄風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)。

    考慮靈活爬坡輔助服務(wù)前后系統(tǒng)的爬坡容量缺額如附錄B 圖B5 所示。由圖可見:引入靈活爬坡輔助服務(wù)前,在負(fù)荷高峰和低谷時(shí)段系統(tǒng)靈活性不足,分別產(chǎn)生了向上和向下爬坡容量缺額,無法跟隨實(shí)際運(yùn)行中風(fēng)電不確定性引起的凈負(fù)荷波動(dòng);引入靈活爬坡輔助服務(wù)后,僅04:00—06:00 中少數(shù)時(shí)段存在向下爬坡容量缺額。

    靈活爬坡容量價(jià)格如圖7 所示。由圖可見,除引入靈活爬坡輔助服務(wù)的時(shí)段外,其余時(shí)段的容量價(jià)格為0,可以清晰地反映出系統(tǒng)爬坡容量供求關(guān)系之間的變化。此外,在引入靈活爬坡輔助服務(wù)后仍存在爬坡容量缺額的時(shí)段,其靈活爬坡容量價(jià)格達(dá)到價(jià)格上限,說明此時(shí)火電機(jī)組預(yù)留爬坡容量所損失的機(jī)會(huì)成本高于價(jià)格上限。在實(shí)際運(yùn)行中,系統(tǒng)可以根據(jù)歷史爬坡容量缺額情況對(duì)價(jià)格上限進(jìn)行合理設(shè)置,在激勵(lì)火電機(jī)組提供靈活爬坡容量的同時(shí),也可以避免為風(fēng)電不確定性所導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)支付過高的額外成本。

    圖7 靈活爬坡容量價(jià)格Fig.7 Price of flexible ramping capacity

    將靈活爬坡輔助服務(wù)與以風(fēng)電偏差功率(即25%的風(fēng)電預(yù)測誤差乘以風(fēng)電預(yù)測功率)作為需求容量的傳統(tǒng)備用方式進(jìn)行對(duì)比,火電機(jī)組所提供的向上、向下靈活爬坡容量與傳統(tǒng)備用容量如圖8 所示。由圖可見,與傳統(tǒng)備用相比,靈活爬坡輔助服務(wù)預(yù)留容量更集中于系統(tǒng)需求較高的時(shí)段,具有較強(qiáng)的靈活性。以20元/(MW·h)作為傳統(tǒng)備用補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)[22],傳統(tǒng)備用總費(fèi)用為837.28萬元,而靈活爬坡輔助服務(wù)費(fèi)用為605.11萬元,可見,采用靈活爬坡輔助服務(wù)時(shí)系統(tǒng)運(yùn)營經(jīng)濟(jì)性顯著提升。

    對(duì)比不同棄風(fēng)懲罰費(fèi)用下系統(tǒng)所產(chǎn)生的棄風(fēng)電量以及系統(tǒng)總運(yùn)營成本如表2 所示。由表可見,隨著棄風(fēng)懲罰費(fèi)用的增加,全天的棄風(fēng)電量呈下降趨勢,然而系統(tǒng)運(yùn)行成本隨之增加。在實(shí)際運(yùn)行中,系統(tǒng)運(yùn)行人員可以根據(jù)需要設(shè)置合適的棄風(fēng)懲罰費(fèi)用,以獲得兼具可靠性和經(jīng)濟(jì)性的市場出清結(jié)果。

    圖8 靈活爬坡容量與傳統(tǒng)備用容量對(duì)比Fig.8 Comparison of flexible ramping capacity and traditional reserve capacity

    表2 不同棄風(fēng)懲罰費(fèi)用下棄風(fēng)電量與系統(tǒng)總運(yùn)營成本對(duì)比Table 2 Comparison of wind curtailment and total system operating cost among different wind curtailment penalties

    表3 不同風(fēng)電預(yù)測誤差下的靈活爬坡輔助服務(wù)出清結(jié)果Table 3 Clearing results of flexible ramping auxiliary service under different wind power prediction errors

    不同風(fēng)電預(yù)測誤差下考慮靈活爬坡輔助服務(wù)前后的爬坡容量缺額總量以及爬坡容量平均價(jià)格如表3 所示。從表中可看出,當(dāng)風(fēng)電預(yù)測誤差為5%和15% 時(shí),由于凈負(fù)荷波動(dòng)范圍較小,因此全天所產(chǎn)生的靈活爬坡容量缺額總量較小,且通過引入靈活爬坡輔助服務(wù)后均不再產(chǎn)生靈活爬坡容量缺額,說明系統(tǒng)在該預(yù)測誤差下將不會(huì)產(chǎn)生切負(fù)荷/棄風(fēng)風(fēng)險(xiǎn);而風(fēng)電預(yù)測誤差上升至25%和35%時(shí),系統(tǒng)所產(chǎn)生的爬坡容量缺額總量大幅上升,經(jīng)過靈活爬坡輔助服務(wù)后,系統(tǒng)的爬坡容量缺額總量顯著下降。此外,隨著風(fēng)電預(yù)測誤差的增大,系統(tǒng)爬坡容量缺額總量不斷上升,全天的爬坡容量平均價(jià)格也隨之提高。

    進(jìn)一步分析不同負(fù)荷波動(dòng)特性對(duì)靈活爬坡輔助服務(wù)出清結(jié)果的影響,選取該電網(wǎng)2017 年典型節(jié)假日(1 月28 日)、全年峰谷差最大日(5 月31 日)的負(fù)荷曲線進(jìn)行仿真分析,負(fù)荷曲線如附錄B 圖B6 所示,仿真結(jié)果如附錄B 表B1 所示。由表B1 可以看出,系統(tǒng)靈活爬坡輔助服務(wù)需求量與負(fù)荷具有一定的相關(guān)性:典型節(jié)假日的全天負(fù)荷水平較低,在線機(jī)組較少,系統(tǒng)向下調(diào)節(jié)空間不足,因此產(chǎn)生的向下爬坡容量缺額較大,向下靈活爬坡輔助服務(wù)需求量較大;而在峰谷差最大日中,由負(fù)荷低谷到高峰的轉(zhuǎn)變所需的向上爬坡容量較大,因此對(duì)于向上靈活爬坡輔助服務(wù)需求量較大。此外,引入靈活爬坡輔助服務(wù)后系統(tǒng)的爬坡容量缺額總量均大幅下降,降低了系統(tǒng)在運(yùn)行日的切負(fù)荷/棄風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)。

    4 結(jié)論

    本文提出面向風(fēng)電市場化消納的現(xiàn)貨電能量-輔助服務(wù)聯(lián)合運(yùn)營機(jī)制,并構(gòu)建電能量與輔助服務(wù)市場的分階段出清模型,采用某省級(jí)實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真分析,得到如下結(jié)論。

    (1)通過在求解電能量市場SCUC 模型所得機(jī)組組合結(jié)果的基礎(chǔ)上對(duì)調(diào)頻輔助服務(wù)進(jìn)行優(yōu)先出清,可以充分滿足系統(tǒng)的調(diào)頻容量需求。此外,基于機(jī)組綜合調(diào)頻性能均值歸一化方法的調(diào)整報(bào)價(jià)機(jī)制為機(jī)組參與調(diào)頻市場提供了門檻值,可以激勵(lì)機(jī)組改善自身調(diào)頻性能。

    (2)以棄風(fēng)電量為需求的深度調(diào)峰有效解決了系統(tǒng)在負(fù)荷低谷而風(fēng)電出力較高時(shí)段的風(fēng)電消納問題,其分段報(bào)價(jià)機(jī)制與購買成本最小的集中出清方式可以促使機(jī)組基于提供深度調(diào)峰的能耗特性進(jìn)行申報(bào),體現(xiàn)了市場優(yōu)化資源配置的作用。

    (3)基于爬坡容量校驗(yàn)的靈活爬坡輔助服務(wù)只需在系統(tǒng)產(chǎn)生爬坡容量缺額的時(shí)段添加相應(yīng)約束,通過4 次爬坡容量校驗(yàn)后,系統(tǒng)的靈活性大幅提高。與傳統(tǒng)備用方式的對(duì)比,進(jìn)一步體現(xiàn)了靈活爬坡輔助服務(wù)的經(jīng)濟(jì)性和靈活性。

    附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.epae.cn)。

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