考慮新能源與儲能參與調(diào)頻的聯(lián)合市場出清模型

摘 要：新能源滲透率的不斷增加以及越來越多的儲能裝置并入電網(wǎng)，使得現(xiàn)行的調(diào)頻市場機(jī)制已不能再適應(yīng)電力系統(tǒng)的實(shí)際情況，基于此現(xiàn)狀構(gòu)建風(fēng)、光以及獨(dú)立儲能裝置與常規(guī)火電機(jī)組共同參與的調(diào)頻輔助服務(wù)市場與電能量市場聯(lián)合出清模型，模型中利用層次分析法（AHP）進(jìn)行調(diào)頻性能指標(biāo)的權(quán)重優(yōu)化，使得新能源與獨(dú)立儲能裝置參與電網(wǎng)調(diào)頻后的電力系統(tǒng)的調(diào)頻壓力減小，同時(shí)進(jìn)一步提高對新能源的消納力度。通過算例分析表明，引入高滲透率的新能源機(jī)組與獨(dú)立儲能裝置參與調(diào)頻市場不僅能減少調(diào)頻性能較差的火電機(jī)組中標(biāo)，減少棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象，也能減少運(yùn)營商購買調(diào)頻服務(wù)的費(fèi)用支出。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電機(jī)組；儲能；調(diào)頻；層次分析法；聯(lián)合出清；調(diào)頻性能指標(biāo)

中圖分類號：F407.61 " " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

中國調(diào)頻輔助服務(wù)市場目前仍處于發(fā)展起步階段［1］，隨著風(fēng)、光等新能源在電力系統(tǒng)中參與度不斷提高，為減少棄風(fēng)、棄光問題以及提高新能源機(jī)組的利用效率，中國各地區(qū)電力市場均已采取相關(guān)策略鼓勵(lì)新能源機(jī)組與常規(guī)火電機(jī)組共同參與電力市場競爭［2］。新能源本身具有隨機(jī)性、間歇性以及較差的可調(diào)度性等難以規(guī)避的缺點(diǎn)導(dǎo)致新能源機(jī)組的參與對電力系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性與安全運(yùn)行產(chǎn)生巨大影響［3］。而新能源又具有清潔、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)等諸多不可忽略的優(yōu)點(diǎn)［4］，通過制定合適的競價(jià)機(jī)制與出清策略將新能源引入到電能量市場以及輔助服務(wù)市場中來將會(huì)使市場的綜合效益得以提升［5］。研究高滲透率新能源并入電網(wǎng)的電力市場競價(jià)機(jī)制以及交易模式已成為未來電力市場相關(guān)研究的必然趨勢［6］。

文獻(xiàn)［7-8］中指出歐洲國家電力市場已將風(fēng)、光等新能源引入調(diào)頻市場，使其提供調(diào)頻輔助服務(wù)；文獻(xiàn)［9］建立火電機(jī)組和儲能系統(tǒng)聯(lián)合參與調(diào)頻市場的出清優(yōu)化模型，在滿足調(diào)頻需求以及調(diào)頻性能的基礎(chǔ)上使得總體調(diào)頻輔助服務(wù)購買成本降低；文獻(xiàn)［10］指出下垂控制、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制、槳距角控制等控制策略可使風(fēng)力發(fā)電參與到調(diào)頻過程；文獻(xiàn)［11］也說明虛擬慣量控制和減載控制策略可讓光伏參與到調(diào)頻市場；文獻(xiàn)［12］研究包含風(fēng)電的電能量市場與調(diào)頻服務(wù)市場聯(lián)合出清模型，建立以電能量市場與調(diào)頻服務(wù)市場綜合利益最優(yōu)為目標(biāo)，考慮常規(guī)約束、調(diào)頻需求約束以及動(dòng)態(tài)頻率約束的出清模型；把能量市場和調(diào)頻輔助服務(wù)市場進(jìn)行聯(lián)合出清，能在保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定的基礎(chǔ)上總體成本更低、資源配置更優(yōu)［6］，文獻(xiàn)［13］提出一種基于系統(tǒng)輔助服務(wù)收益動(dòng)態(tài)優(yōu)化的多能聯(lián)盟市場策略。

上述研究均表明引入新能源參與調(diào)頻市場具有可行性。但目前已有研究鮮有從經(jīng)濟(jì)性以及系統(tǒng)穩(wěn)定性等多方面角度對風(fēng)光水火儲多種電源共同參與聯(lián)合市場進(jìn)行優(yōu)化，只是單方面從經(jīng)濟(jì)性的角度對現(xiàn)有市場機(jī)制進(jìn)行分析；且在對不同類型機(jī)組調(diào)頻性能指標(biāo)的考核與求算過程中，忽略了不同類別能源參與程度的不同與調(diào)頻速度、響應(yīng)時(shí)間以及調(diào)節(jié)精度3個(gè)指標(biāo)重要程度的不同，缺少利用多類型電源的調(diào)頻性能指標(biāo)進(jìn)行合理權(quán)重分配的調(diào)頻市場出清機(jī)制。因此本文提出一種考慮到風(fēng)、光以及獨(dú)立儲能裝置共同參與調(diào)頻市場與電能量聯(lián)合市場的聯(lián)合出清模型，并在模型基礎(chǔ)上對比儲能裝置參與前后的出清結(jié)果，進(jìn)一步說明引入儲能裝置參與調(diào)頻市場的合理性。并在此基礎(chǔ)上利用層次分析法（analytic hierarchy process，AHP）［14］對綜合調(diào)頻性能指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行修正，進(jìn)一步完善已有的競價(jià)機(jī)制與出清模型。

1 構(gòu)建聯(lián)合出清模型

1.1 目標(biāo)函數(shù)

本文以考慮風(fēng)電場、光伏電站、常規(guī)火電機(jī)組以及獨(dú)立儲能裝置的電能量市場與調(diào)頻輔助服務(wù)市場所構(gòu)成的聯(lián)合市場為研究對象，構(gòu)建聯(lián)合出清模型并以綜合服務(wù)成本最小化為目標(biāo)優(yōu)化，如式（1）所示。

[F=mini=1Ti=1NCEi，tPi，t+（KFi，tCFi，t，mile+CFi，t，cap）PFi，t+" " " （KSi，tCSi，t，mile+CSi，t，cap）PSi，t] （1）

式中：[CEi，t]——[t]時(shí)段電能量市場申報(bào)價(jià)格，元/MW；[CFi，t，mile]—— 一次調(diào)頻市場申報(bào)調(diào)頻容量價(jià)格，元/MW；[CFi，t，cap]—— 一次調(diào)頻市場申報(bào)調(diào)頻里程報(bào)價(jià)，元/MW；[CSi，t，mile]—— 二次調(diào)頻市場申報(bào)容量價(jià)格，元/MW；[CSi，t，cap]—— 二次調(diào)頻市場申報(bào)調(diào)頻里程報(bào)價(jià)，元/MW；[Pi，t]——機(jī)組[t]時(shí)段電能量市場中的出力，MW；[PFi，t]—— 一次調(diào)頻市場中標(biāo)容量，MW；[PSi，t]—— 二次調(diào)頻市場中標(biāo)容量，MW；[KFi，t]—— 一次調(diào)頻綜合調(diào)頻性能指標(biāo)參數(shù)；[KSi，t]—— 二次調(diào)頻綜合調(diào)頻性能指標(biāo)參數(shù)。

1.2 約束條件

系統(tǒng)功率平衡約束：

[i=1NPTH，i，t+Pw，i，t+PDPV，i，t+Pdis，i，t-Pcha，i，t=Pd，t] （2）

[N=NTH+Nw+NDPV+Nu] （3）

式中：[PTH，i，t]——火電機(jī)組[t]時(shí)段電能量市場出力，MW；[Pw，i，t]——風(fēng)電場[t]時(shí)段電能量市場出力，MW；[PDPV，i，t]——光伏電站[t]時(shí)段電能量市場出力，MW；[Pdis，i，t]——儲能裝置[t]時(shí)段放電功率，MW；[Pcha，i，t]——儲能裝置[t]時(shí)段充電功率，MW；[Pd，t]——系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測值，MW；[NTH]——火電機(jī)組數(shù)量；[Nw]——風(fēng)電場數(shù)量；[NDPV]——光伏電站數(shù)量；[Nu]——獨(dú)立儲能數(shù)量。

火電機(jī)組爬坡約束滑坡約束：

[PTH，i，t-PTH，i，t-1≤PTH，i，upPTH，i，t-1-PTH，i，t≤PTH，i，down] （4）

式中：[PTH，i，up]——火電機(jī)組最大爬坡率，MW/h；[PTH，i，down]——火電機(jī)組最大滑坡率，MW/h。

最小連續(xù)開停時(shí)間約束：

[TUTH，i，t-uTH，i，t-1-uTH，i，tTU，minTH，i≥0TDTH，i，t-uTH，i，t-uTH，i，t-1TD，minTH，i≥0] （5）

式中：[TU，minTH，i]——火電機(jī)組的最小連續(xù)運(yùn)行時(shí)長，h；[uTH，i，t-1]——火電機(jī)組在[t-1]時(shí)段的啟停狀態(tài)；[uTH，i，t]——火電機(jī)組在t時(shí)段的啟停狀態(tài)；[TD，minTH，i]——火電機(jī)組的最小連續(xù)停機(jī)時(shí)長，h；[TUTH，i，t]——火電機(jī)組在[t]時(shí)段的連續(xù)運(yùn)行時(shí)長，h；[TDTH，i，t]——火電機(jī)組在[t]時(shí)段的連續(xù)停機(jī)時(shí)長，h。

火電機(jī)組電能量市場出力限制約束：

[uTH，i，tPmin，TH≤PTH，i，t≤uTH，i，tPmax，TH] （6）

式中：[Pmax，TH]——火電機(jī)組的出力上限，MW；[Pmin，TH]——火電機(jī)組的出力下限，MW。

火電機(jī)組調(diào)頻容量約束：

[0≤Pf，upTH，i，t≤PfTH，i，max0≤Pf，downTH，i，t≤PfTH，i，max] （7）

[0≤Pf，upTH，i，t+Ps，upTH，i，t≤PupTH， min0≤Pf，downTH，i，t+Ps，downTH，i，t≤PdownTH， min] （8）

其中，

[PupTH， min=min[PupTH，i，t，（PTH，i，max-PTH，i，t）]] （9）

[PdownTH， min=min[PdownTH，i，t，（PTH，i，t-PTH，i，min）]] （10）

式中：[Pf，upTH，i，t]——火電機(jī)組一次上調(diào)頻中標(biāo)容量，MW；[Pf，downTH，i，t]——火電機(jī)組一次下調(diào)頻中標(biāo)容量，MW；[PfTH，i，max]——火電機(jī)組一次調(diào)頻出力最大值，MW；[PupTH，min]——火電機(jī)組上調(diào)頻出力最大值，MW；[PdownTH，min]——火電機(jī)組下調(diào)頻出力最大值，MW；[Ps，upTH，i，t]——火電機(jī)組二次上調(diào)頻中標(biāo)容量，MW；[Ps，downTH，i，t]——火電機(jī)組二次下調(diào)頻中標(biāo)容量，MW。

風(fēng)電場減載水平約束：

[0≤di，t≤dmax] （11）

式中：[di，t]——風(fēng)電場減載水平，MW；[dmax]——風(fēng)電的最大減載水平，MW。

風(fēng)電場調(diào)頻容量約束：

[0≤Pf，upw，i，t≤Pfw，i，max0≤Pf，downw，i，t≤Pfw，i，max] （12）

[0≤Pf，upw，i，t+Ps，upw，i，t≤di，tPwind，i，t0≤Pf，downw，i，t+Ps，downw，i，t≤dmax-di，tPwind，i，t] （13）

式中：[Pf，upw，i，t]——風(fēng)電場一次上調(diào)頻中標(biāo)容量，MW；[Pf，downw，i，t]——風(fēng)電場一次下調(diào)頻中標(biāo)容量，MW；[Ps，upw，i，t]——風(fēng)電場二次上調(diào)頻中標(biāo)容量，MW；[Ps，downw，i，t]——風(fēng)電場二次下調(diào)頻中標(biāo)容量，MW；[Pwind，i，t]——t時(shí)段風(fēng)電場i的功率預(yù)測值功率預(yù)測值，MW。

風(fēng)電場電能量市場出力限制約束：

[0≤Pw，i，t≤（1-di，t）Pwind，i，t] （14）

風(fēng)電場有功變化上下限約束：

[0≤Pf，upw，i，t+Ps，upw，i，t≤0.1pwind0≤Pf，downw，i，t+Ps，downw，i，t≤0.2pwind] （15）

式中：[pwind]——風(fēng)電場額定功率，MW。

充放電功率約束：

[Pmincha≤Pcha，t≤PmaxchaPmindis≤Pdis，t≤PmaxdisPminbat≤Pbat，t≤Pmaxbat] （16）

式中：[Pbat，t]——[t]時(shí)段蓄電池出力，MW；[Pcha，t]——[t]時(shí)段儲能裝置充電功率，MW；[Pdis，t]——[t]時(shí)段儲能裝置放電功率，MW。

充放電情況約束：

[ucn，t+udn，t≤1] （17）

式中：[ucn，t]——充電標(biāo)志；[udn，t]——放電標(biāo)志。

蓄電池荷電狀態(tài)約束：

[St=St-1-ρchPesstCessSmin≤St≤Smax] （18）

式中：[St]——儲能電池的荷電狀態(tài)；[ρch]——電池充放電效率；[Cess]——電池容量值，mAh；[Smin、][Smax]——儲能電池荷電狀態(tài)最小、最大值，分別取0.30、0.95。

在處于低負(fù)荷狀態(tài)時(shí)，儲能電池會(huì)將可再生能源的能量進(jìn)行貯存處理。當(dāng)處于高負(fù)荷狀態(tài)時(shí)，儲能電池向系統(tǒng)進(jìn)行電能供給，因此最終市場的結(jié)算成本下降。

一次調(diào)頻市場容量需求約束與二次調(diào)頻市場容量需求約束：

[i=1NPFi，t≥PFReqi=1NPFi，t+i=1NPSi，t≥PFReq+PSReq] （19）

式中：[PFReq]—— 一次調(diào)頻市場調(diào)頻容量需求值，MW；[PSReq]——二次調(diào)頻市場調(diào)頻容量需求值，MW。

2 優(yōu)化綜合調(diào)頻性能指標(biāo)

綜合調(diào)頻性能指標(biāo)代表調(diào)頻服務(wù)方所能提供調(diào)頻服務(wù)質(zhì)量的高低，是衡量調(diào)頻輔助服務(wù)提供方所提供調(diào)頻服務(wù)質(zhì)量的重要指標(biāo)［15］。目前中國計(jì)算綜合調(diào)頻性能指標(biāo)的指標(biāo)有調(diào)節(jié)速度指標(biāo)、調(diào)節(jié)精度指標(biāo)以及響應(yīng)時(shí)間指標(biāo)3種。通過設(shè)定3項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重對3種調(diào)頻性能指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理，并計(jì)算各調(diào)頻資源歸一化后的綜合調(diào)頻性能指標(biāo)。

2.1 調(diào)頻市場價(jià)格排序方式

調(diào)頻性能指標(biāo)計(jì)算方法如式（20）～式（22）所示［16］。

[K1，i，j=2-2|vN，i-vi，j|vN，i] （20）

[K2，i，j=2-2|ΔPi，j|ΔPDi，j] （21）

[K3，i，j=2-2ti，jtN] （22）

式中：[K1，i，j]——調(diào)節(jié)速度指標(biāo)；[K2，i，j]——調(diào)節(jié)精度指標(biāo)； [K3，i，j]——響應(yīng)時(shí)間指標(biāo)；[vi，j]——運(yùn)行日內(nèi)機(jī)組[i]所進(jìn)行的第[j]次調(diào)頻行為的調(diào)頻速率，MW/min；[vN，i]——標(biāo)準(zhǔn)調(diào)節(jié)速率，MW/min；[ΔPi，j]——運(yùn)行日內(nèi)機(jī)組[i]所進(jìn)行的第[j]次調(diào)頻行為的調(diào)節(jié)實(shí)際響應(yīng)功率，MW；[ΔPDi，j]——該次調(diào)節(jié)指令需求響應(yīng)量，MW；[ti，j]——運(yùn)行日內(nèi)機(jī)組[i]所進(jìn)行的第[j]次的調(diào)節(jié)時(shí)間，s；[tN]——標(biāo)準(zhǔn)調(diào)節(jié)時(shí)間，s。

歸一化處理后的綜合調(diào)頻性能指標(biāo)[Ki，j]如式（23）所示。

[Ki，j=K1，i，j+K2，i，j+K3，i，j/3] （23）

利用式（24）對各機(jī)組申報(bào)容量價(jià)格進(jìn)行調(diào)整獲得排序價(jià)格，最終通過綜合調(diào)頻性能指標(biāo)對價(jià)格的修正。

[CF，linei=CFis（Ki，j）] （24）

式中：[s（Ki，j）]——?dú)v史調(diào)頻性能指標(biāo)調(diào)整值，調(diào)整公式如式（25）所示。

[sKpi=1，Kpi≥Ksats′Kpi，Kmin≤Kpilt;Ksat0.1，Kpilt;Kmin] （25）

其中，

[s′Kpi=0.5+0.5Ksat-Kmin×Kpi-Kmin] （26）

式中：s——修正后機(jī)組綜合調(diào)頻性能指標(biāo)；[Kpi]——機(jī)組i的綜合調(diào)頻性能指標(biāo)值；[Kmin]——市場最小準(zhǔn)入指標(biāo)，按市場規(guī)則取[Kmin=1]；[Ksat]——設(shè)定的最高性能指標(biāo)，按市場規(guī)則取[Ksat=4]。

2.2 AHP優(yōu)化調(diào)頻性能指標(biāo)權(quán)重

AHP是一種將定量問題以定性的方式進(jìn)行分析的分析方法。對同一層次的元素相對于上一層準(zhǔn)則的重要性進(jìn)行對比，構(gòu)造出判斷矩陣[A]［16］，利用判斷矩陣求得各元素的權(quán)重值。假設(shè)判斷矩陣[A]如式（27）所示。

[A=a11…a1j…a1n??ai1aij??an1…anj…ann] （27）

式中：[aij]——與指標(biāo)[i]相比指標(biāo)[j]的重要性；[n]——指標(biāo)個(gè)數(shù)。

各標(biāo)度的具體意義如表1所示。

判斷矩陣中所有元素滿足以下兩點(diǎn)：

1）[aii=1]即對角線元素所代表的兩個(gè)對比指標(biāo)相同，具有同等重要性，因此判斷矩陣的對角線元素均為1；

2）除[aii=1]對角線元素以外的對角線數(shù)值所代表的兩個(gè)對比指標(biāo)具有相關(guān)性。

判斷矩陣[A]為一致性矩陣的充要條件如式（28）～式（30）所示。

[aijgt;0] （28）

[a11=a22=…=ann=1] （29）

[[ai1，ai2，…，ain]=ki[a11，a12，…，a1n]] （30）

由于據(jù)經(jīng)驗(yàn)所構(gòu)造的矩陣有時(shí)會(huì)出現(xiàn)矛盾現(xiàn)象，不易構(gòu)造出一致性矩陣，但判斷矩陣可通過一致性檢驗(yàn)來判斷矩陣與一致性矩陣的差距[CR]，只要差距不超過既定范圍則說明此矩陣可做為判斷矩陣使用。因此對所構(gòu)造的判斷矩陣[A]進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，若判斷矩陣[A]通過一致性檢驗(yàn)則可將其看作一致性矩陣進(jìn)行權(quán)重向量的計(jì)算。計(jì)算一致性指標(biāo)[CI]如式（31）所示。

[CI=λmax-nn-1] （31）

式中：[λmax]——判斷矩陣[A]的最大特征值。

根據(jù)表2的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)值查找對應(yīng)指標(biāo)數(shù)量的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)[IR]。一般情況下指標(biāo)數(shù)量[n]滿足（[n≤10]），若指標(biāo)數(shù)量大于10則可建立二級指標(biāo)體系。

計(jì)算一致性比例[CR]，如式（32）所示。

[CR=CIIR] （32）

若[CRlt;0.1]則此判斷矩陣的一致性可接受，此判斷矩陣通過一致性檢驗(yàn)?？蛇M(jìn)行判斷矩陣的權(quán)重計(jì)算。

利用算數(shù)平均法進(jìn)行權(quán)重向量的計(jì)算，首先將判斷矩陣[A]進(jìn)行歸一化處理，如式（33）所示。

[a1ij=aij/l=1nalj] （33）

式中：[a1ij]——?dú)w一化后判斷矩陣[A]中的元素值。

將歸一化后的矩陣按行求和后除以元素?cái)?shù)量即可得到權(quán)重向量，權(quán)重向量各元素計(jì)算如式（34）所示。

[ωi=s=1na1is/n] （34）

式中：[ωi]——判斷矩陣[A]的權(quán)重向量。

綜上所述算數(shù)平均法所計(jì)算的最終權(quán)重向量如式（35）所示。

[ωi=1nj=1naijk=1nakj] （35）

初始各調(diào)頻性能指標(biāo)權(quán)重分配如表3所示。

如表4所示，按各類型機(jī)組調(diào)頻可調(diào)用裝機(jī)容量占比確認(rèn)各機(jī)組在系統(tǒng)中的權(quán)重指標(biāo)，其中火電機(jī)組裝機(jī)容量可參與電網(wǎng)調(diào)頻部分占比最多，新能源機(jī)組次之，儲能裝置容量最少。

按各調(diào)頻性能指標(biāo)在計(jì)算綜合性能指標(biāo)中的重要程度進(jìn)行重要性分配，其中儲能裝置相比常規(guī)機(jī)組與新能源機(jī)組對于頻率調(diào)節(jié)的精度更加重視，而對于風(fēng)電場而言，避免棄風(fēng)現(xiàn)象發(fā)生，增強(qiáng)風(fēng)電場的滲透率，提高風(fēng)力發(fā)電的市場利用率的需求更加重要，因此對風(fēng)電場的頻率調(diào)節(jié)精度的要求會(huì)有所下降甚至低于其他機(jī)組，以避免對風(fēng)電場調(diào)頻性能指標(biāo)要求過高而使得新能源不中標(biāo)量的現(xiàn)象發(fā)生。經(jīng)過一致性檢驗(yàn)后，判斷矩陣滿足一致性檢驗(yàn)條件。優(yōu)化后的權(quán)重分配如表5所示。

利用本節(jié)所提出的不同電源調(diào)頻性能指標(biāo)權(quán)重計(jì)算方法，運(yùn)營商可針對各機(jī)組的實(shí)際情況靈活分配各類機(jī)組調(diào)節(jié)速度指標(biāo)、調(diào)節(jié)精度指標(biāo)及響應(yīng)時(shí)間指標(biāo)的權(quán)重值。

3 算 例

本部分將基于IEEE 30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行算例分析，算例包含4臺火電機(jī)組，火電機(jī)組總?cè)萘繛?50 MW；3處風(fēng)電場裝機(jī)容量分別為337.5、157.5和129.0 MW；兩座光伏電站裝機(jī)容量分別為400、800 MW，單位調(diào)節(jié)功率設(shè)為25 MW/Hz，系統(tǒng)允許的頻率波動(dòng)為±0.5 Hz。在此基礎(chǔ)上引入獨(dú)立儲能裝置，設(shè)置兩臺儲能裝置的參數(shù)配置為24 MW/48 MWh與26 MW/52 MWh。將一天24 h分成96個(gè)時(shí)段，每個(gè)時(shí)段為15 min，從00：00開始24：00結(jié)束。負(fù)荷曲線以及新能源出力曲線如圖1所示。

火電機(jī)組相關(guān)參數(shù)如表6所示。風(fēng)電場與光伏電站相關(guān)參數(shù)如表7所示。

3.1 新能源滲透率對調(diào)頻市場出清結(jié)果的影響

為對比新能源滲透率高低對調(diào)頻市場出清結(jié)果的影響，設(shè)置以下兩種情況進(jìn)行對比研究。情況1：模擬新能源滲透率較低情況，假設(shè)僅考慮裝機(jī)容量分別為157.5、129.0 MW風(fēng)電場與裝機(jī)容量為400 MW光伏電站并入系統(tǒng)情況。情況2：模擬新能源滲透率較高情況，假設(shè)風(fēng)電場與光伏電站全部并入系統(tǒng)情況。

由圖2所示結(jié)果可知，當(dāng)風(fēng)電、光伏等新能源滲透率較低時(shí)，火電機(jī)組仍為電能量市場與調(diào)頻輔助服務(wù)市場的主要出力組成部分。比較一、二次調(diào)頻的中標(biāo)結(jié)果，風(fēng)電、光伏等新能源出力主要集中于下調(diào)頻中，甚至某些時(shí)段在滿足此時(shí)調(diào)頻需求的情況下完全代替了火電機(jī)組完成調(diào)頻任務(wù)，如圖2b中一次調(diào)頻中標(biāo)容量情況中的時(shí)段3、5與圖2c中二次調(diào)頻中標(biāo)容量情況中的時(shí)段1、2所示。

情況2條件下各市場出清結(jié)果如圖3所示。由圖3所示結(jié)果可得，由于高比例新能源裝置并入電力系統(tǒng)后參與電力系統(tǒng)調(diào)頻、調(diào)峰以及電力供給等任務(wù)，新能源裝置的隨機(jī)性與波動(dòng)性也對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性有所影響，與新能源滲透率較低的情況相比電力系統(tǒng)的總調(diào)頻需求有所增加。相較于圖2b、圖2c，圖3b、圖3c的結(jié)果說明高滲透率新能源裝置參與主能量市場與調(diào)頻市場任務(wù)后有效減少了火電機(jī)組的中標(biāo)容量所占總調(diào)頻需求的比例。例如在光伏裝置發(fā)電較多的正午時(shí)段48～67，光伏發(fā)電的上、下調(diào)頻中標(biāo)量與光伏發(fā)電出力曲線趨勢更加貼合，與低滲透率情況相比光伏發(fā)電裝置所發(fā)電能的利用率有所提高，減少了棄光所造成的能源浪費(fèi)現(xiàn)象；在風(fēng)力發(fā)電裝置所發(fā)電量較多的時(shí)段1～10，將火電機(jī)組的調(diào)頻市場中標(biāo)量控制在較小范圍內(nèi)，甚至將火電機(jī)組的上、下調(diào)頻中標(biāo)容量減小至0，使得除參與主能量市場外的風(fēng)電裝置所發(fā)電量以最大程度參與到調(diào)頻市場中，同樣減少了棄風(fēng)所造成的能源浪費(fèi)以及火電機(jī)組運(yùn)行所造成的環(huán)境污染。為保證實(shí)施調(diào)頻性能指標(biāo)處于較高狀態(tài)，風(fēng)電、光伏系統(tǒng)的能量基準(zhǔn)點(diǎn)均隨可用新能源的變化而產(chǎn)生波動(dòng)。新能源與獨(dú)立儲能都較傾向于投標(biāo)盡量多的調(diào)頻容量以獲得較大的調(diào)頻市場收益。

新能源滲透率較低情況下，系統(tǒng)的調(diào)頻需求也相對降低，調(diào)頻市場中各服務(wù)提供方的總收益也相對減少，此時(shí)火電機(jī)組在調(diào)頻市場的中標(biāo)貢獻(xiàn)度相對較高。由于電能量市場的總出力需求設(shè)置與新能源的出力情況和并入電力系統(tǒng)數(shù)量情況并無較大關(guān)聯(lián)性，因此當(dāng)新能源滲透率較高時(shí)，由于部分新能源代替火電機(jī)組中標(biāo)，故電能量市場的總收益有所減少。聯(lián)合市場收益情況如表8所示?？梢娦履茉礉B透率變化前后，聯(lián)合市場總收益相差較少。但高比例新能源的引入為電力系統(tǒng)提供了更多的調(diào)頻備用容量，同時(shí)減少了常規(guī)火電機(jī)組的調(diào)頻貢獻(xiàn)率。

3.2 儲能裝置對調(diào)頻市場出清結(jié)果的影響情況

儲能參與后調(diào)頻貢獻(xiàn)度情況如圖4所示。

相比較電能量市場而言，儲能的調(diào)頻輔助服務(wù)市場參與度更高，這是由于儲能裝置調(diào)節(jié)精度更高且響應(yīng)時(shí)間更快，所以會(huì)優(yōu)先在調(diào)頻市場中中標(biāo)，當(dāng)儲能裝置的中標(biāo)容量達(dá)到調(diào)頻約束出力極限值后，其他機(jī)組才相繼中標(biāo)。引入儲能裝置后，調(diào)頻性能較優(yōu)的儲能裝置代替了常規(guī)火電機(jī)組優(yōu)先參與調(diào)頻市場。通過對比引入儲能前后調(diào)頻市場中標(biāo)容量發(fā)現(xiàn)，光伏電站在正午時(shí)刻的有效發(fā)電量呈大幅上升趨勢且此時(shí)段光伏出力最大值遠(yuǎn)大于風(fēng)電場的有效發(fā)電量，故正午時(shí)刻光伏電站的一次調(diào)頻貢獻(xiàn)率相對風(fēng)電場要更多。在新能源滲透率較高的情況下，光伏系統(tǒng)的能量基準(zhǔn)點(diǎn)均隨可用新能源的變化所產(chǎn)生的波動(dòng)更加明顯。

如圖5所示，對比加入儲能裝置前后各時(shí)段系統(tǒng)最低點(diǎn)頻率，發(fā)現(xiàn)兩種情況的最低點(diǎn)頻率均處于頻率安全限值以內(nèi)，即大于49.5 Hz。但引入儲能裝置后的最低點(diǎn)頻率總體相較于引入之前有所提升，儲能裝置參與調(diào)頻能有效改善系統(tǒng)的頻率特性。與儲能參與調(diào)頻市場之前相比，儲能裝置的參與使得更多調(diào)頻容量申報(bào)價(jià)格較低但調(diào)頻性能相對較差的火電機(jī)組中標(biāo)，風(fēng)電在調(diào)頻市場中的中標(biāo)量總體有所減少，這就使得風(fēng)電有更多的容量參與到電能量市場中，增強(qiáng)對風(fēng)電的消納力度。

圖6為有無儲能參與一次調(diào)頻情況下總成本的對比結(jié)果，有儲能參與的一次調(diào)頻總體成本相較于無儲能參與系統(tǒng)整體偏小，因?yàn)樵谡{(diào)頻需求較大的時(shí)間段內(nèi)，儲能裝置代替火電機(jī)組完成調(diào)頻任務(wù)從而減少了總成本。

儲能裝置在兩種參與情況下電能量市場與調(diào)頻輔助服務(wù)市場的收益情況如表9所示。

3.3 調(diào)頻性能指標(biāo)權(quán)重修正

經(jīng)過對調(diào)頻綜合性能指標(biāo)中指標(biāo)所占權(quán)重的修正，各個(gè)機(jī)組之間的綜合調(diào)頻性能指標(biāo)能更準(zhǔn)確描述機(jī)組自身的調(diào)頻性能優(yōu)劣，對于調(diào)頻市場的機(jī)組出清模型而言綜合調(diào)頻性能指標(biāo)的參考價(jià)值得到提升。修正后調(diào)頻市場中標(biāo)結(jié)果如圖7所示。

與修正權(quán)重因子之前相比，調(diào)頻性能較差的火電機(jī)組中標(biāo)量明顯降低，在0～50時(shí)間段內(nèi)火電機(jī)組的上下調(diào)頻中標(biāo)量均有所減少，且下調(diào)頻中標(biāo)量減少顯著，但風(fēng)電、光伏以及儲能裝置的下調(diào)頻中標(biāo)容量相比而言只有較小的變化。通過對修正前后各類型機(jī)組中標(biāo)容量的變化進(jìn)行對比，使得修正前后

各機(jī)組的調(diào)頻貢獻(xiàn)度更直觀地得到展現(xiàn)，修正前后各類機(jī)組上下調(diào)頻中標(biāo)容量對比如圖8所示，修正前后各類型機(jī)組上下調(diào)頻貢獻(xiàn)率變化如圖9所示?？梢娋C合調(diào)頻性能指標(biāo)優(yōu)化前后，新能源機(jī)組以及儲能裝置的調(diào)頻貢獻(xiàn)占比率明顯增加，由此一來雖然整體的下調(diào)頻中標(biāo)量有所下降，但仍能較好地滿足一次調(diào)頻的調(diào)頻需求的約束表達(dá)式，有效減少了能源中標(biāo)但不出力，最終導(dǎo)致資源浪費(fèi)且成本上升的情況。

最終市場結(jié)算價(jià)格如表10所示，適當(dāng)減少調(diào)頻備用后市場綜合成本有所降低。從最終的權(quán)重修正結(jié)果來看，此算例以調(diào)頻精度作為3個(gè)指標(biāo)中最重要的調(diào)頻性能指標(biāo)。最終修正結(jié)果使得不同服務(wù)提供方的調(diào)頻精度產(chǎn)生了不同程度的權(quán)重比例增加。

對一次調(diào)頻市場數(shù)據(jù)分析可得，綜合調(diào)頻性能指標(biāo)的修正減少了常規(guī)火電機(jī)組在一次調(diào)頻市場中上下調(diào)頻的中標(biāo)容量，且下調(diào)頻中標(biāo)量減少情況尤為嚴(yán)重。這是由于同時(shí)考慮到風(fēng)電減載約束與修正后的獨(dú)立儲能裝置調(diào)頻性能的再提升，使得風(fēng)電的下調(diào)頻中標(biāo)量與獨(dú)立儲能裝置的中標(biāo)量得到明顯提升。對二次調(diào)頻市場數(shù)據(jù)分析可得，修正前后機(jī)組的出清排序由于調(diào)頻性能指標(biāo)評估值的變化而發(fā)生變化。當(dāng)3個(gè)指標(biāo)權(quán)重取值相同時(shí)，火電機(jī)組并不能優(yōu)先中標(biāo)且完全出清，相反風(fēng)電與光伏可實(shí)現(xiàn)調(diào)頻容量的完全出清，這是因?yàn)橄啾然痣姍C(jī)組而言新能源與儲能裝置能提供調(diào)節(jié)速度更快的調(diào)頻服務(wù)，但由于新能源的不穩(wěn)定出力導(dǎo)致其調(diào)頻精度的欠缺；當(dāng)3個(gè)指標(biāo)經(jīng)過AHP修正后，火電機(jī)組的中標(biāo)容量在各時(shí)段基本能實(shí)現(xiàn)投標(biāo)容量的完全出清，相對于一次調(diào)頻而言二次調(diào)頻應(yīng)更加注重頻率調(diào)節(jié)的精確度與準(zhǔn)確性，因此在列寫AHP判斷矩陣時(shí)相對于一次調(diào)頻市場進(jìn)一步增加了調(diào)節(jié)精度部分的權(quán)重，使得綜合調(diào)頻性能指標(biāo)更加能體現(xiàn)各機(jī)組的調(diào)頻精度性能。對電能量市場數(shù)據(jù)分析可得，電能量市場的整體的出清成果并無較大變化，但儲能裝置的調(diào)頻貢獻(xiàn)度較高。相比于放電，儲能裝置為補(bǔ)償儲能系統(tǒng)在跟蹤調(diào)頻信號時(shí)所損失的電量以維持一定荷電狀態(tài)，在主能量市場中儲能系統(tǒng)的能量基準(zhǔn)會(huì)呈現(xiàn)負(fù)狀態(tài)。

4 結(jié) 論

中國調(diào)頻市場的建立目前仍處于起步階段，同時(shí)考慮風(fēng)、光以及獨(dú)立儲能裝置代替部分常規(guī)火電機(jī)組參與調(diào)頻市場并提供調(diào)頻服務(wù)的實(shí)踐與研究較少。本文在中國現(xiàn)有的調(diào)頻市場規(guī)則基礎(chǔ)上提出風(fēng)、光、獨(dú)立儲能裝置以及火電機(jī)組多種類型服務(wù)提供方共同承擔(dān)調(diào)頻任務(wù)的出清模型。得出以下主要結(jié)論：

1）從算例來看，風(fēng)、光的參與更加突出了新能源發(fā)電隨機(jī)性與波動(dòng)性的特點(diǎn)，增加了系統(tǒng)的調(diào)頻壓力與調(diào)頻需求。但同時(shí)新能源參與聯(lián)合市場，并在電能量市場與調(diào)頻輔助服務(wù)市場同時(shí)中標(biāo)減少了棄風(fēng)、棄光問題，使得高比例新能源與儲能裝置相配合，減少了能源的浪費(fèi)。報(bào)價(jià)較低的新能源也能代替報(bào)價(jià)較高且調(diào)頻性能較差的火電機(jī)組中標(biāo)，使得調(diào)頻服務(wù)購買的費(fèi)用大大降低，也有利于促進(jìn)常規(guī)機(jī)組提高自身調(diào)節(jié)性能從而增加自身競爭力，促進(jìn)電力系統(tǒng)的調(diào)頻總體性能良性發(fā)展。

2）調(diào)節(jié)精度更高的獨(dú)立儲能裝置的參與能一定程度上減少常規(guī)火電機(jī)組的中標(biāo)，優(yōu)化系統(tǒng)的總體調(diào)頻性能。且相比于只參與電能量市場，獨(dú)立儲能裝置同時(shí)參與電能量市場與調(diào)頻輔助服務(wù)市場的自身收益更高，提高了獨(dú)立儲能裝置方參與調(diào)頻市場的積極性，實(shí)現(xiàn)雙贏局面。

3）綜合調(diào)頻性能指標(biāo)量化了各類型機(jī)組的調(diào)頻性能，并作為建立出清模型與修正排序價(jià)格的重要依據(jù)，利用AHP根據(jù)不同類型機(jī)組的裝機(jī)容量與機(jī)組自身調(diào)頻特點(diǎn)對調(diào)節(jié)速度、調(diào)節(jié)精度以及響應(yīng)時(shí)間3個(gè)指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行修正，使得綜合調(diào)頻性能指標(biāo)能夠更好地體現(xiàn)各類型機(jī)組的真實(shí)調(diào)頻能力與調(diào)頻優(yōu)勢。

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JOINT MARKET CLEARING MODEL CONSIDERING PARTICIPATION OF NEW ENERGY AND ENERGY STORAGE IN FREQUENCY MODULATION

Wang Aoer，Zhao Shuqiang，Song Jinli，Li Zhiwei

（State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources， North China Electric Power University，

Baoding 071003， China）

Abstract：With the increasing penetration rate of new energy and the integration of more and more energy storage devices into the power grid， the current frequency modulation market mechanism can no longer adapt to the actual situation of the power system. Based on this situation， a joint clearance model of frequency modulation auxiliary service market and electricity energy market involving wind turbine generators， photovoltaic panels， independent energy storage devices and conventional thermal power units is built. In the model， the analytic hierarchy process（AHP） is used to optimize the weight of frequency modulation performance indicators， which reduces the frequency modulation pressure of the power system after the participation of new energy and independent energy storage devices in the grid frequency modulation， and further improves the absorption of new energy. The example analysis shows that the introduction of new energy units with high permeability and independent energy storage devices to participate in the power market can not only reduce the bidding of thermal power units with poor frequency modulation performance， reduce the phenomenon of wind and light abandonment， but also reduce the cost of purchasing frequency modulation service for operators.

Keywords：wind turbines； energy storage； frequency modulation； AHP； joint clearing； frequency modulation performance index