風電企業(yè)與蓄熱電采暖聯(lián)合參與調(diào)頻市場的運營模式

于 娜，何遠艦，黃大為，崔 晗，張志鵬，姜明磊

（1.現(xiàn)代電力系統(tǒng)仿真控制與綠色電能新技術教育部重點實驗室（東北電力大學）,吉林省吉林市 132012；2.國網(wǎng)吉林省電力有限公司計量中心,吉林省長春市 130021；3.國網(wǎng)吉林省電力有限公司經(jīng)濟技術研究院,吉林省長春市 130000）

0 引言

2020 年,國家能源局《關于建立健全清潔能源消納長效機制的指導意見》中指出,應鼓勵推動電儲能建設,提升風電的調(diào)節(jié)能力以促進清潔能源高質(zhì)量發(fā)展［1-2］?！笆奈濉睍r期將增加可再生能源上網(wǎng)電量比例,降低碳排放強度,在2030 年達到碳排放峰值［3］。在可再生能源比例不斷增加的前景下,伴隨著中國現(xiàn)貨電力市場改革的推進,輔助服務市場改革也得到快速發(fā)展,中國正在逐步通過市場機制引導儲能等快速調(diào)節(jié)資源來維護系統(tǒng)安全可靠運行,建設支撐源荷兩側協(xié)同互動運行的交易模式［4］。

在美國調(diào)頻輔助服務市場中,將調(diào)頻需求按負荷比例分攤給負荷服務商,利用自身調(diào)頻資源或與第三方簽訂合同來履行其調(diào)頻責任,輔助服務責任正在由負荷側向電源側轉移［5］。文獻［6］在風電與蓄熱電采暖聯(lián)合運行模式下,構建了蓄熱電采暖負荷聚合商的需求響應策略。結果表明,負荷側資源提高了風電企業(yè)的調(diào)節(jié)能力,使可再生能源企業(yè)承擔一定的輔助服務責任,減少了可再生能源出力波動性。目前,中國的輔助服務費用在發(fā)電企業(yè)間按各發(fā)電廠上網(wǎng)電量或電費的比例進行分攤［7-9］。文獻［10］指出,用戶側電儲能設施可與風電、光伏企業(yè)協(xié)商開展雙邊交易為電網(wǎng)提供輔助服務,促進可再生能源企業(yè)履行其輔助服務責任。文獻［11］設計了儲能與電采暖用戶參與調(diào)峰輔助服務市場的規(guī)則,提出了負荷側資源參與調(diào)峰市場出清、結算和分攤的原則與方法。結果表明,負荷側資源在有效的市場機制下改善了風電的反調(diào)峰特性,促進了新能源消納。電極式電鍋爐具備響應速度快、可頻繁調(diào)節(jié)的能力［12］。文獻［13］闡述了電極式蓄熱電鍋爐的快速響應特性,表明電極式蓄熱電鍋爐可參與電網(wǎng)調(diào)頻。文獻［14］設計了電極式電鍋爐參與電網(wǎng)調(diào)頻的日前優(yōu)化調(diào)度方法,電極式電鍋爐參與電網(wǎng)調(diào)頻可有效提高運營商收益,對推進電熱綜合能源系統(tǒng)發(fā)展具有重要意義。在清潔能源政策下,風電與蓄熱電采暖用戶聯(lián)合運營成為研究熱點［15］。文獻［16］分析了蓄熱電采暖運行特性,設計了風電與蓄熱電采暖用戶聯(lián)合運營模式。結果表明,蓄熱電采暖用戶為風電企業(yè)提供輔助服務,實現(xiàn)了風電的高效、安全、綠色消費。

本文提出一種風電企業(yè)與蓄熱電采暖用戶聯(lián)合參與調(diào)頻市場的運營模式,構建了風電與蓄熱電采暖用戶聯(lián)合優(yōu)化決策模型,并通過算例分析了模型的帕累托解集,論證了所提運營模式的可行性,同時分析了合同簽訂電能與調(diào)頻容量價格對運營策略的影響。本文所述模式對建立電力市場源荷雙邊交易模式起到了銜接和過渡作用,有助于清潔能源消納與負荷側資源參與調(diào)頻輔助服務市場,促進調(diào)頻輔助服務市場主體培育與輔助服務市場的良性發(fā)展。

1 構建聯(lián)合運營模式的基本思路

目前,中國的東北地區(qū)已經(jīng)實施了風電企業(yè)與電采暖用戶之間的分時段電能雙邊交易,電采暖用戶可與風電企業(yè)協(xié)商開展雙邊交易,在一定程度上為蓄熱電采暖用戶提供了發(fā)揮其靈活調(diào)節(jié)能力并獲取利潤的機會。本文在已有的電能雙邊交易模式基礎上,擴展到調(diào)頻輔助服務雙邊交易,以每15 min為一個交易時段,風電企業(yè)與電采暖用戶協(xié)商各時段的電能價格,以及電采暖用戶為風電企業(yè)提供調(diào)頻備用的價格。確定每日各時段的交易電量與蓄熱電采暖用戶提供的調(diào)頻備用容量,由風電企業(yè)代理參與調(diào)頻輔助服務市場。聯(lián)合運營模式如圖1 所示,其中風電企業(yè)配置了電儲能,蓄熱電采暖由電鍋爐與蓄熱罐組成,如下方紅色虛線框所示,二者構成聯(lián)合主體參與調(diào)頻市場。

圖1 風電企業(yè)與蓄熱電采暖用戶聯(lián)合運營模式Fig.1 Combined operation mode of wind power enterprises and regenerative electric heating users

2 風電與蓄熱電采暖用戶聯(lián)合運營優(yōu)化模型

2.1 電采暖用戶獨立參與調(diào)頻市場運行成本分析

在清潔能源供暖政策下,蓄熱電采暖用戶以分時電價的方式從風電企業(yè)處購電,同時蓄熱電采暖用戶獨立參與調(diào)頻輔助服務市場,以運行成本最小為優(yōu)化目標。

2.1.1 獨立運營模式下的目標函數(shù)

2.1.2 獨立運營模式下的約束條件

1）電功率約束

蓄熱電采暖用戶運行功率應在額定范圍之內(nèi)。蓄熱電采暖屬于一類可轉移負荷,只需改變電能使用的時間,保持周期內(nèi)總用電量不變,從而使熱負荷需求不受影響。

3）功率平衡約束

蓄熱電采暖用戶的運行應確保各時段的熱負荷需求。

5）調(diào)用調(diào)頻備用時的功率平衡約束

當蓄熱電采暖用戶申報的調(diào)頻備用全部被調(diào)用時,蓄熱電采暖用戶應保證各時段的供暖需求。

2.2 聯(lián)合運營模式下電采暖的運行成本

在聯(lián)合運營模式下,蓄熱電采暖用戶與風電企業(yè)簽訂雙邊合同,風電企業(yè)在低谷時段降低其電能價格,促使電采暖用戶向風電企業(yè)提供調(diào)頻服務。

2.2.1 聯(lián)合運營模式下的目標函數(shù)

2.2.2 聯(lián)合運營模式下的約束條件

聯(lián)合運營模式下的蓄熱電采暖用戶運行約束條件與獨立參與調(diào)頻市場時相同。

2.3 聯(lián)合運營優(yōu)化模型

2.3.1 優(yōu)化模型目標函數(shù)

聯(lián)合運營優(yōu)化模型的主要目標是最大化減少蓄熱電采暖用戶的運行成本與增加風電企業(yè)利潤。根據(jù)文獻［17］,該目標可視為基于多目標的帕累托最優(yōu)規(guī)劃,子目標分別為風電企業(yè)利潤與蓄熱電采暖用戶的成本減少最大化。若兩個子目標函數(shù)值均優(yōu)于電采暖用戶獨立參與調(diào)頻市場時的風電企業(yè)利潤與電采暖用戶成本,則此時的解稱為可行解,對應的解集構成聯(lián)合運營模式下的帕累托前沿,建立如式（15）所示的目標函數(shù)。

式中:α為權重因子；Be為風電企業(yè)的電量收益；Br為風電企業(yè)的調(diào)頻收益；Cc為調(diào)用儲能的壽命折損費用；Cd為風電企業(yè)承擔的出力偏差懲罰；Cf為蓄熱電采暖用戶運行成本減少程度。各項表達式如下所示。

1）風電企業(yè)的電量收益

風電企業(yè)除了向蓄熱電采暖用戶售電、為電儲能充電外,剩余電量上網(wǎng)并被電網(wǎng)接受。

5）蓄熱電采暖用戶成本效益

聯(lián)合運營模式下,蓄熱電采暖用戶運行成本得到減少是聯(lián)合運營模式可行的必要條件。

2.3.2 優(yōu)化模型約束條件

約束由式（2）—式（13）以及儲能約束與調(diào)頻備用約束組成。

1）儲能充放電約束:

4）調(diào)頻備用需求約束:風電企業(yè)需要承擔調(diào)度中心下發(fā)的調(diào)頻備用責任。

3 算例分析

3.1 算例設置

建立風電企業(yè)和蓄熱電采暖用戶1 天內(nèi)96 時段提交的輸出功率和熱負荷需求數(shù)據(jù),見附錄B圖B1。風電企業(yè)配置電儲能參數(shù)見表B1。蓄熱電采暖用戶的運行參數(shù)見表B2。兩種運營模式下的電采暖用戶電能使用價格及時段劃分見表B3。模型中的調(diào)頻市場每15 min 出清一次,設各時段出清的調(diào)頻容量價格均為20 元/MW,調(diào)頻里程價格為15 元/MW,單位調(diào)頻備用容量的調(diào)頻里程因子取2.75,雙方協(xié)商的各時段調(diào)頻備用容量價格為40 元/MW。風電上網(wǎng)電量價格可參考國內(nèi)風電上網(wǎng)電價520 元/（MW·h）,偏差懲罰價格為980 元/（MW·h）,權重因子取0.4。

3.2 計算結果與分析

3.2.1 聯(lián)合運營模式的合理性分析

計算在電采暖用戶獨立參與和聯(lián)合風電企業(yè)參與調(diào)頻市場兩種情況下,蓄熱電采暖用戶的運行成本與風電企業(yè)的利潤,分別如表1 和表2 所示。

表1 不同運營模式下的蓄熱電采暖用戶運行成本Table 1 Operation cost of regenerative electric heating users in different operation modes

表2 不同運營模式下的風電企業(yè)利潤Table 2 Profit of wind power enterprises in different operation modes

由表1 可知,蓄熱電采暖用戶獨立參與調(diào)頻市場時會獲得較高的調(diào)頻收入,同時用電成本較高；在聯(lián)合運營模式下,蓄熱電采暖用戶用電成本降低,但獲得的調(diào)頻收入有限,總體上聯(lián)合運營模式下蓄熱電采暖用戶的運行成本得到減少。

由表2 可知,在聯(lián)合運營模式下,風電企業(yè)的利潤提高,會犧牲部分售電收入來置換蓄熱電采暖用戶提供的調(diào)頻備用,而風電企業(yè)在調(diào)頻市場上提供的調(diào)頻備用增加,調(diào)頻收入提高,減少了由儲能承擔的調(diào)頻備用責任,從而儲能壽命損耗降低,其留有更多容量跟蹤風電出力。如圖2 所示,聯(lián)合運營模式下,風電并網(wǎng)功率在大部分時段逼近所提交的輸出功率,承擔的偏差懲罰費用減少。綜上所述,聯(lián)合運營模式可使雙方達到互利互贏。

圖2 聯(lián)合運營模式下的風電出力Fig.2 Wind power output in combined operation mode

取權重因子為0～1,得到風電企業(yè)利潤增加量與電采暖用戶成本減少量如圖3 所示?？梢?權重因子在0.20～0.54 時,風電企業(yè)利潤增加量與電采暖用戶成本減少量均大于0,即可認為二者的效益均得到提升,此時各權重因子對應的各時段成交電量與調(diào)頻備用容量組成聯(lián)合運營策略的帕累托前沿。由此可以證明,存在一定的運營策略使得聯(lián)合雙方效益增加,驗證了所提運營模式的有效性。

圖3 蓄熱電采暖用戶成本和風電企業(yè)利潤對比Fig.3 Comparison of cost of regenerative electric heating users and profit of wind power enterprises

3.2.2 價格對運營策略的影響分析

聯(lián)合運營模式下,通過設置不同的電能價格ρ?ebt與調(diào)頻備用容量價格γt,分析其對聯(lián)合運營模式的影響,取低谷時段的電能協(xié)商價格變化區(qū)間為0～540 元/（MW·h）,調(diào)頻容量協(xié)商價格變化區(qū)間為0～70 元/MW。

風電企業(yè)利潤增加量和電采暖用戶成本減少量隨兩個價格變化的關系分別如圖4 和圖5 所示。找出使二者效益均提高的公共電價區(qū)間,定義聯(lián)合運營模式的效益為二者效益在公共電價區(qū)間內(nèi)的和,聯(lián)合運營效益如附錄B 圖B2 所示,圖中的黃色區(qū)域在價格平面上的映射即為聯(lián)合運營模式的可行價格區(qū)間,具體映射部分如附錄B 圖B3 所示。可見,在黃色區(qū)域內(nèi)聯(lián)合運營模式可行,在兩條虛線的交點處為電采暖用戶獨立參與調(diào)頻市場的運營模式,而在虛線區(qū)域之外,聯(lián)合運營模式不可行。

圖4 風電企業(yè)利潤增加量變化Fig.4 Changes in profit increments of wind power enterprises

圖5 蓄熱電采暖用戶成本減少量變化Fig.5 Changes in cost reduction of regenerative electric heating users

儲能主要參與調(diào)頻還是減少出力偏差取決于調(diào)頻市場出清價格和風電出力偏差懲罰價格。添加調(diào)頻輔助服務出清價格因子λr與偏差懲罰價格因子λd,分別表示調(diào)頻輔助服務出清價格與偏差懲罰價格的變化比值。目標函數(shù)式（17）改為:

改變λr的變化范圍為0～8,λd為1 不變。從附錄B 圖B4（a）與（b）中可以看出,儲能參與調(diào)頻的總電量共有3 種情況:調(diào)頻價格因子在0～3 時,儲能參與調(diào)頻的運行策略存在兩組不同的最優(yōu)解,主要用于減少風電出力偏差；調(diào)頻價格因子在3～6 時,儲能可同時用于減少出力偏差和參與調(diào)頻；調(diào)頻價格因子大于6 時,儲能參與的調(diào)頻電量增加,此時風電企業(yè)受到的偏差懲罰較大。

取偏差懲罰價格因子為0～4,調(diào)頻價格因子為0～8,如附錄B 圖B5（a）所示,偏差懲罰對風電企業(yè)收益影響較小,調(diào)頻市場的出清價格比偏差懲罰價格對風電收益的影響大；如圖B5（b）所示,隨著偏差懲罰價格的增加,儲能參與調(diào)頻電量的下降趨勢更為明顯,偏差懲罰價格對儲能參與調(diào)頻電量的影響更大。

4 結語

本文從風電與蓄熱電采暖用戶的成本效益角度出發(fā),建立了風電與蓄熱電采暖用戶聯(lián)合運營優(yōu)化模型。算例分析結果表明:

1）在聯(lián)合運營模式下,蓄熱電采暖用戶為風電企業(yè)提供了調(diào)頻備用,減少了儲能參與調(diào)頻的電量,降低了儲能壽命損耗,風電出力偏差懲罰減少,風電企業(yè)的利潤提高；蓄熱電采暖用戶為風電企業(yè)提供調(diào)頻備用,運行成本減少,雙方可實現(xiàn)互利共贏。

2）通過價格對運營策略的影響分析,驗證了存在使雙方效益增加的電能與調(diào)頻容量協(xié)商價格區(qū)間,明確了協(xié)商價格與市場價格關系,為雙方協(xié)商合同電價提供了必要的技術支持。

如何求出聯(lián)合運營雙方效益最優(yōu)均衡解是本文下一步的研究方向。后續(xù)研究工作中,將采用合作博弈模型分析風電企業(yè)與蓄熱電采暖用戶的博弈關系,以確定其均衡解。

本文研究工作在國網(wǎng)吉林省電力有限公司經(jīng)濟技術研究院“2020 年清潔能源戰(zhàn)略下電力市場交易機制研究”項目的支持下完成，在此表示衷心的感謝！

附錄見本刊網(wǎng)絡版（http：//www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx），掃英文摘要后二維碼可以閱讀網(wǎng)絡全文。