水電承擔調頻輔助服務補償額度測算研究

王建華，尹林果，黃煒斌，馬光文，夏利名

(1. 國家能源大渡河公司，四川 成都 610041；2. 四川大學水利水電學院，四川 成都 610065；3. 四川大學水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，四川 成都 610065)

0 引 言

以風電和光伏為代表的可再生能源大量并網后，電力系統(tǒng)對調頻輔助服務的需求急劇增加[1]?；痣姍C組參與調頻會導致機組磨損、增加煤耗，而且火電機組響應速度慢，調頻能力十分有限[2]。相比于燃煤機組，水輪機組啟動速度快，開停機迅速，頻繁啟停機不會消耗過多能量，能在較大的負荷變化范圍內保持較高效率運轉，因此水電站是承擔調頻輔助服務的主力電源。

調頻輔助服務是維持電力系統(tǒng)實時平衡與安全可靠運行的基礎[3- 4]。目前，已有大量關于調頻輔助服務的研究。文獻[5]基于德州電力數據，分析不同電儲能設備的特性，并對其參與調頻輔助服務的經濟性進行評估；文獻[6]提出基于PJM市場機制的含有儲能RIES的優(yōu)化模型可以在滿足系統(tǒng)常規(guī)備用的同時參與調頻市場，實現利潤最大化；文獻[7]就各個國家的輔助服務發(fā)展過程進行對比，針對我國輔助服務給出市場機制設計建議；文獻[8]構建適用于華北地區(qū)的輔助服務市場競價模型，對鼓勵高性能機組參與調頻輔助服務起到積極作用；文獻[9]構建基于引發(fā)責任的調頻成本分攤機制，提高電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和經濟性；文獻[10]總結近年儲能參與輔助服務的政策及案例，探究了儲能參與調峰調頻的補償機制。

由上述文獻可知，目前調頻輔助服務大多是關于火電調頻、電儲能調頻、調頻輔助服務市場等方面的研究。涉及水電機組參與調頻輔助服務方面的文章較少，但水電機組參與調頻輔助服務需預留出較大備用容量，導致水電站不能根據市場實際需求以其最大發(fā)電能力參與電力市場，從而造成較大經濟損失。因此，需對水電機組參與調頻輔助服務進行成本分析以及補償額度測算。

1 調頻輔助服務成本分析

1.1 備用容量統(tǒng)計

按照電網負荷峰段、谷段與平段的區(qū)別，電網需預留出的負荷備用也不相同。在保證整個電網安全運行前提下，電網負荷備用一般為全電網負荷2%～5%，當全網備用負荷確定之后，調度人員根據電網各時段所需要的負荷備用分攤給水電站等承擔備用任務的電站。

對于某一具體水電站在負荷峰平谷段應承擔的負荷備用計算公式分別如式(1)、(2)和式(3)所示

(1)

(2)

式中，NF，j表示第j個水電站在負荷平段期應承擔的負荷備用；H表示計算日小時數；Ei表示第i時刻的電網負荷需求量；β2為電網在負荷平段期所需負荷備用比例；λ2，j表示第j個水電站在負荷平段期應承擔負荷備用比例。

(3)

1.2 備用耗水率統(tǒng)計

水電機組既要完成電網中心給定負荷任務，又要承擔負荷備用，必然產生非發(fā)電出庫水量，稱備用耗水率，通過水電機組的空載流量進行近似計算，計算公式為

(4)

式中，N′max為水電站單機可調出力；N(H)為根據水電站水頭出力曲線獲得的當前水頭下可能出力。

進而可計算出水電站空載機組近似臺數K為

(5)

式中，Nx為上文所確定的備用容量。

基于上述計算和水電站空載流量曲線，計算水電站空載流量用以近似代表備用耗水率，計算公式為

1.3.2 心血管外科。1）大血管支架：目前進口產品主要是美敦力支架，國產的主要是深圳先建品牌。其材質都是鎳鈦合金。其說明書對磁共振的檢查都有詳細的說明，目前主要是適用在1.5T或3.0T設備檢查

Qk=k·Qkz(H)·t

(6)

式中，Qkz(H)為水電站在水頭H下的空載流量；t為時長。

1.3 備用損失電量統(tǒng)計

平均耗水率λ是每發(fā)1 kW·h電量時流過水輪機的水量，計算公式為

(7)

式中，Q為水量；E為發(fā)電量。

在備用耗水量計算基礎上，統(tǒng)計各月平均耗水率，以平均耗水率計算公式即可反推備用損失電量。

2 算例分析

2.1 流域及電站情況簡介

大渡河上游至中游8座電站構成的梯級電站群總裝機11 095 MW，占四川統(tǒng)調裝機的16%，占大渡河干流規(guī)劃河段總裝機的47.4%，其中瀑布溝為不完全年調節(jié)水庫，大崗山為日調節(jié)水庫。瀑布溝及大崗山水電站離負荷中心近、裝機容量大，因而在四川電力系統(tǒng)中主要擔任調峰、調頻及事故備用等輔助服務任務，當系統(tǒng)內出現負荷擾動時，進行功率調整，保持功率平衡，為保障四川電網安全穩(wěn)定運行作出巨大貢獻，但因電網調頻需要，瀑布溝及大崗山水電站常年都有較大的備用損失電量，因此需給予瀑布溝及大崗山水電站一定損失補償。

2.2 備用容量結果分析

本文以2018年四川電網負荷需求數據為基礎統(tǒng)計分析瀑布溝和大崗山電站備用容量情況，據四川電網運行數據知，電網負荷峰段時間為7∶00～11∶00及19∶00～23∶00，負荷平段時間為11∶00～19∶00，負荷谷段時間為23∶00～次日7∶00。電網各時段負荷備用比例分別取為β1=4%、β2=3%、β3=3%，經驗權重分別取為α1=0.9和α2=1.1?；谇拔挠嬎阍砗蜕鲜鰯祿Y料，瀑布溝及大崗山水電站2018年各月備用容量計算結果如圖1所示，四川電網2018年日負荷極值和平均值如圖2所示。

圖1 瀑布溝及大崗山電站各月備用容量情況

圖2 四川電網日負荷極值情況

結合圖1和圖2可以看出，兩電站各月備用容量與電網負荷需求水平高度相關。當四川電網負荷需求水平處于全年最高時，瀑布溝和大崗山電站的備用容量也達到最大；當四川電網負荷需求水平處于全年最低時，瀑布溝和大崗山電站的備用容量也相應降到最低。這是因為瀑布溝和大崗山水電站需要根據電網負荷需求進行備用容量的增減，給電力系統(tǒng)的供電質量提供保障，使其能安全穩(wěn)定運行。

2.3 備用耗水量結果分析

根據瀑布溝及大崗山電站2018年機組日運行數據結合上文計算原理，統(tǒng)計計算瀑布溝及大崗山電站2018年各月備用耗水量結果如圖3所示。

圖3 瀑布溝及大崗山備用耗水量計算結果

由圖3可知，瀑布溝電站全年耗水量損失達33.36億m3，月平均耗水量2.78億m3。其中8月備用耗水量達3.17億m3，為全年最大值，而瀑布溝電站備用容量在8月達到最大，兩者峰值時間點一致。瀑布溝電站備用耗水量全年最小值出現在6月，但備用容量在2月降到最低，兩者低谷時間點并不相同，這是因為備用耗水量不僅與備用容量有關，還與當月機組運行狀態(tài)相關。大崗山水電站全年耗水量損失為20.79億m3，月平均耗水量1.73億m3。大崗山電站備用耗水量與備用容量計算結果相一致，最大值和最小值分別出現在8月與2月，說明備用容量的大小決定著備用耗水量的大小。

2.4 備用損失電量結果分析

利用備用耗水量結果和式(7)計算出瀑布溝和大崗山電站各月損失電量如表1所示。

由表1可知，瀑布溝電站全年備用損失電量達10.33億kW·h，備用損失電量極值點分別出現在6月與8月，與備用耗水量極值時間點相一致。大崗山電站全年備用損失電量7.19億kW·h，備用損失電量極值點分別出現在2月與8月，與備用耗水量極值時間點相一致。

表1 瀑布溝、大崗山電站各月損失電量 億kW·h

2.5 補償額度測算

我國大部分地區(qū)對參加調頻的機組進行補償一般是按統(tǒng)一標準計算，但由于機組性能不同導致參與調頻時所做貢獻也不相同，按統(tǒng)一標準進行補償，對調頻性能較好的機組并不公平[11]，因此需重新設計瀑布溝及大崗山電站補償方法，思路如下：

(1)對瀑布溝及大崗山電站的損失電量進行補償，補償電價按峰、平、谷3個時期進行確定。

(2)豐水期損失電量按四川省發(fā)改委關于降低豐水期水電標桿上網電價的通知(川發(fā)改價格[2017]234號)中規(guī)定的8厘/(kW·h)進行補償，文件規(guī)定四川省豐水期為6月～10月。

(3)其余時期損失電量按瀑布溝及大崗山同期上網電價確定，根據四川省發(fā)改委關于再次降低四川電網一般工商業(yè)用電價格等有關事項的通知(川發(fā)改價格[2019]257號)，瀑布溝及大崗山電站批復電價分別為0.346 0元/(kW·h)和0.297 4元/(kW·h)。

基于上述補償原則，并結合瀑布溝及大崗山備用損失電量計算結果，計算得到瀑布溝及大崗山電站具體補償額度如表2所示。

表2 瀑布溝及大崗山電站備用損失電量補償額度結果 億元

由表2可以看出，按照補償原則進行計算，瀑布溝電站在豐水期應補償0.037億元，其余時期應補償2.001億元，全年應補償2.038億元，而實際補償金額為1 336萬元，僅為應得補償的6.56%；大崗山電站在豐水期應補償0.025億元，其余時期應補償1.192億元，全年應補償1.217億元，而大崗山電站AGC補償費用為365萬元，汛期優(yōu)先電量5.2億kW·h，按照豐水期電價計算大崗山電站獲得的補償金額為4 525萬元，僅為應得補償的37.17%。由此可以看出瀑布溝電站和大崗山電站調頻實際補償額度遠沒有達到應得補償標準。

3 結 論

(1)承擔調頻任務的水電站各月備用容量趨勢與電網負荷需求趨勢相一致，電網負荷需求變化導致電站備用容量變化以保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

(2)水電站承擔調頻輔助任務會因預留備用容量而導致巨大電量損失，因此應給予調頻電站適當經濟補償。按本文設計補償原則計算，瀑布溝電站全年應得補償金額為2.038億元，實際補償金額為1 336 萬元，僅為補償標準的6.68%。大崗山電站全年應得補償金額為1.217億元，實際補償金額為4 525 萬元，僅為補償標準的37.17%。兩電站實際補償金額遠小于應得補償費用，每年都因參加調頻輔助任務造成巨大經濟損失。