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(上海電力學(xué)院 電氣工程學(xué)院, 上海 200090)

隨著我國新能源產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,風(fēng)電裝機(jī)容量從2010年的30 GW增長到2017年164 GW,年均增長率為28%。根據(jù)我國“十三五”電力系統(tǒng)規(guī)劃研究表明,新能源發(fā)電量占比在2020年將達(dá)到33%,2030年將提升到50%。目前,我國的“三北”地區(qū)出現(xiàn)嚴(yán)重的棄風(fēng)問題,2017年甘肅、新疆、蒙西、吉林棄風(fēng)比例分別達(dá)到33%,29%,17%,21%。究其原因,風(fēng)電消納問題是新能源發(fā)展的主要挑戰(zhàn)。為保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行,我國已經(jīng)在東北和新疆地區(qū)試點(diǎn)調(diào)峰輔助服務(wù)市場。針對風(fēng)電并網(wǎng)后風(fēng)電消納所帶來的備用問題,本文介紹并總結(jié)了備用容量的確定方法、獲取方式以及費(fèi)用分?jǐn)偟姆椒ê驮瓌t。

1 風(fēng)電并網(wǎng)對系統(tǒng)備用的影響

在自然條件下,風(fēng)速具有波動性和間歇性,而風(fēng)速與風(fēng)功率直接相關(guān),因此風(fēng)功率也存在較大的不確定性和隨機(jī)性。當(dāng)前,在眾多文獻(xiàn)的研究中,采取的策略是將風(fēng)電當(dāng)作一種“負(fù)的負(fù)荷”與實際負(fù)荷形成“等效負(fù)荷”進(jìn)行處理,因此等效負(fù)荷具有較大的波動性,系統(tǒng)為應(yīng)對這種波動性的影響,需要增加備用容量以消納風(fēng)電、平衡波動[1-5]。

隨著我國風(fēng)電的不斷發(fā)展,風(fēng)電裝機(jī)容量不斷增加,風(fēng)電并網(wǎng)比例也極大提升。圖1為2010—2017年我國的風(fēng)電裝機(jī)容量。圖2為我國“十三五”電力系統(tǒng)規(guī)劃中非化石發(fā)電量的占比。風(fēng)電并網(wǎng)將會給電力系統(tǒng)帶來兩方面的影響,一是風(fēng)電機(jī)組將會替代一部分傳統(tǒng)化石能源機(jī)組出力,減少化石能源的消耗以及污染物的排放,符合我國“十三五”電力系統(tǒng)規(guī)劃的要求;二是為解決風(fēng)電并網(wǎng)后所帶來的風(fēng)電消納問題,系統(tǒng)將配置更多的旋轉(zhuǎn)備用去消納風(fēng)電,不僅會導(dǎo)致系統(tǒng)成本上升,而且在某些極端情況下,風(fēng)電解列還會造成大量的功率缺額,使整個電力系統(tǒng)面臨風(fēng)險。因此,對風(fēng)電備用問題的研究具有極為重要的現(xiàn)實意義和工程意義。

圖1 2010—2017年我國風(fēng)電裝機(jī)容量

圖2 “十三五”電力系統(tǒng)規(guī)劃中非化石發(fā)電量占比

2 備用容量的確定方法

近年來,國內(nèi)外關(guān)于風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)備用容量需求計算方法的文獻(xiàn)研究主要分為以下3類。

(1) 標(biāo)準(zhǔn)差法[6]在已有的備用容量確定方法的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)計算,改進(jìn)后的備用容量需求量取凈負(fù)荷預(yù)測值(即系統(tǒng)負(fù)荷需求量與風(fēng)力發(fā)電量之差)標(biāo)準(zhǔn)差的3倍。由于風(fēng)力發(fā)電預(yù)測曲線比標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布曲線的尾部更長,因此在文獻(xiàn)[7]中,備用容量需求量取凈負(fù)荷預(yù)測值標(biāo)準(zhǔn)差的3.5倍。標(biāo)準(zhǔn)差法由于計算簡便、結(jié)果反映直觀等眾多優(yōu)點(diǎn),在許多國家和地區(qū)電力系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用,例如美國紐約、明尼蘇達(dá)州等[8]。該方法的不足之處是缺乏對發(fā)電機(jī)組運(yùn)行過程中的故障停運(yùn)率和風(fēng)機(jī)故障等因素的考慮。

(2) 基于成本效益的分析方法[9-11]該方法以社會效益最大或總費(fèi)用最小為目標(biāo)函數(shù),通過計算目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解來確定電力系統(tǒng)所需的旋轉(zhuǎn)備用容量最優(yōu)值。由于風(fēng)力發(fā)電具有不確定性,文獻(xiàn)[12-13]提出運(yùn)用風(fēng)電盈余罰函數(shù)法減小其不確定性的影響,假設(shè)風(fēng)速服從韋伯分布,忽略風(fēng)速的時序性特點(diǎn)。文獻(xiàn)[14]使用概率密度函數(shù)量化風(fēng)電誤差,并將風(fēng)電預(yù)測誤差概率密度函數(shù)分成若干區(qū)間,在每個區(qū)間中分別運(yùn)用成本-效益方法計算備用容量最優(yōu)值,最后將各區(qū)間求得的最優(yōu)備用容量值加權(quán)。文獻(xiàn)[15-16]考慮了風(fēng)電機(jī)組的排污成本,將環(huán)保特性加入到模型中。成本效益分析法的缺點(diǎn)在于沒有考慮系統(tǒng)的可靠性水平,將各區(qū)間的最優(yōu)備用容量值加權(quán)的做法是否正確仍有待商榷。

(3) 基于可靠性的分析方法 該方法最早用于解決備用決策問題,其中美國賓夕法尼亞-新澤西-馬里蘭互聯(lián)系統(tǒng)提出的進(jìn)行運(yùn)行備用風(fēng)險評估的方法——PJM法最為經(jīng)典。為解決大規(guī)模風(fēng)電接入問題,文獻(xiàn)[17-18]提出了一種計及風(fēng)電的發(fā)電停運(yùn)容量概率分析方法。該方法是在PJM法基礎(chǔ)上使用指數(shù)函數(shù)對容量停運(yùn)概率表(Capacity Outage Probability Table,COPT)進(jìn)行擬合,并使用表達(dá)式將其量化到風(fēng)電機(jī)組模型中。文獻(xiàn)[19-22]構(gòu)建了備用容量和可靠性指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)式,用于計算電力系統(tǒng)所需的備用容量。其中,文獻(xiàn)[19]使用擬合的方法,構(gòu)建了備用需求容量與風(fēng)電功率預(yù)測誤差的模型,但未考慮常規(guī)機(jī)組停運(yùn)的概率。文獻(xiàn)[20-22]綜合考慮了發(fā)電機(jī)組的故障停運(yùn)率、風(fēng)電機(jī)組出力偏差及負(fù)荷預(yù)測偏差等因素,構(gòu)建了備用容量與可靠性水平之間的函數(shù)關(guān)系,但其缺點(diǎn)是函數(shù)關(guān)系過于復(fù)雜,求解起來非常困難。文獻(xiàn)[23-27]使用隨機(jī)規(guī)劃方法求解備用需求,即在傳統(tǒng)確定性關(guān)系法的基礎(chǔ)上,加設(shè)了置信度水平約束條件。基于可靠性的分析方法可以保證電力系統(tǒng)在運(yùn)行過程中始終保持正確穩(wěn)定的可靠性水平,但是該方法并未考慮備用容量的成本費(fèi)用。

保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行需要滿足經(jīng)濟(jì)性和可靠性兩個條件,因此在進(jìn)行備用決策時需要綜合考慮以上兩方面的特性。文獻(xiàn)[28-29]將系統(tǒng)容量分為正備用和負(fù)備用兩個方面,對不同的場景分別進(jìn)行概率分析,構(gòu)建滿足系統(tǒng)差額的概率密度函數(shù),隨后分別使用電量不足期望指標(biāo)和風(fēng)能浪費(fèi)風(fēng)險指標(biāo)來指導(dǎo)正備用和負(fù)備用,通過改變權(quán)重系數(shù)的方法來平衡系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。該方法較為新穎,但較難理解,且權(quán)重系數(shù)取值的最優(yōu)性及正確性仍有待考證。

3 備用容量的獲取方式

通常情況下,備用容量都是在發(fā)電側(cè)取得,即通常由火電、水電機(jī)組提供。但是,一方面,隨著光伏、風(fēng)電等可再生能源并網(wǎng)率的不斷上升,傳統(tǒng)電源發(fā)電量占比逐漸降低,火電、水電作為備用容量提供側(cè)的現(xiàn)狀也有待改變;另一方面,光伏、風(fēng)電等可再生能源的大幅并網(wǎng)增加了現(xiàn)有系統(tǒng)的備用容量需求?；诖?本文提出了使用需求側(cè)可中斷負(fù)荷和棄風(fēng)為系統(tǒng)提供備用容量的方法,并分析了該方法的可行性和經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢。

3.1 可中斷負(fù)荷參與備用

我國高耗能負(fù)荷主要分布在西部和北部地區(qū),與風(fēng)電開發(fā)布局高度重合。部分高耗能負(fù)荷(如鐵合金、電解鋁等)經(jīng)過改造后,可具備一定靈活運(yùn)行的能力。圖3為一般用戶和高耗能用戶變動成本(即為用電成本)與固定成本的關(guān)系。

圖3 一般用戶和高能耗用戶成本

可中斷負(fù)荷與火電機(jī)組的正旋轉(zhuǎn)備用性質(zhì)相同,都屬于備用資源。當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生容量短缺時,電力公司既可以調(diào)用發(fā)電機(jī)組備用容量供電,也可以調(diào)用或購買可中斷負(fù)荷填補(bǔ)容量空缺,或兩種資源同時使用。由于電力系統(tǒng)的職責(zé)是為廣大電力用戶提供連續(xù)、安全、穩(wěn)定的電能,如果全部使用可中斷負(fù)荷來彌補(bǔ)備用容量的空缺則會導(dǎo)致部分電力用戶經(jīng)常性斷電,顯然是不現(xiàn)實的。圖1為發(fā)電側(cè)備用與可中斷負(fù)荷的關(guān)系。

圖4 發(fā)電側(cè)備用與可中斷負(fù)荷的關(guān)系

可中斷負(fù)荷屬于需求側(cè)管理,是一種對于技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、政策手段的綜合利用方法,也是調(diào)節(jié)負(fù)荷用電的經(jīng)濟(jì)措施之一[30]。文獻(xiàn)[31-37]在不同電力市場環(huán)境下,將可中斷負(fù)荷作為備用容量供應(yīng)側(cè),使用可中斷負(fù)荷進(jìn)行旋轉(zhuǎn)備用優(yōu)化,提高了電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。其中文獻(xiàn)[31]考慮可中斷負(fù)荷獲取成本,以微電網(wǎng)運(yùn)行備用總成本費(fèi)用最小為目標(biāo)函數(shù)、一定置信水平滿足微電網(wǎng)要求為機(jī)會約束條件,構(gòu)建了最優(yōu)運(yùn)行備用容量數(shù)學(xué)模型;文獻(xiàn)[32]同樣將可中斷負(fù)荷作為備用容量提供側(cè),構(gòu)建了以雙側(cè)備用成本期望值最小為目標(biāo)函數(shù)的數(shù)學(xué)模型?？紤]需求側(cè)響應(yīng)可以降低雙側(cè)備用成本,經(jīng)濟(jì)性更優(yōu),同時也會使資源在系統(tǒng)內(nèi)得到優(yōu)化配置。考慮可中斷負(fù)荷作為備用,不僅可以增加備用資源,還可以減少調(diào)峰機(jī)組的建設(shè)成本?？杀苊馔顿Y成本的估算方法如圖2所示。

圖5 可避免投資成本的估算方法

綜上可知,可中斷負(fù)荷管理是需求側(cè)管理的重要組成部分。鼓勵用戶參與到電力市場輔助服務(wù)的管理中,不僅可以在用電高峰時進(jìn)行削峰,而且可以減少旋轉(zhuǎn)備用成本以及備用容量投資建設(shè)成本,從而充分優(yōu)化發(fā)電側(cè)備用資源和需求側(cè)備用資源的配置。到2030年,預(yù)計在風(fēng)電快速發(fā)展的形勢下,電動汽車普及率提高,儲能價格逐步下降,負(fù)荷側(cè)參與電網(wǎng)的輔助服務(wù)將是消納大規(guī)模風(fēng)電的主要手段。

4 備用容量的費(fèi)用分?jǐn)?/h2>

在電力市場中,備用運(yùn)營機(jī)構(gòu)是一所非盈利性機(jī)構(gòu),同時也是一個備用運(yùn)營市場的組織者。一般情況下,在購買備用容量后,各參與者應(yīng)分?jǐn)傎M(fèi)用。圖6為2015—2017年東北調(diào)峰輔助服務(wù)費(fèi)用分?jǐn)偙戎?。由圖6可以看出,備用容量的費(fèi)用只在風(fēng)電場和發(fā)電廠商之間進(jìn)行分?jǐn)?且3年來分?jǐn)偙壤兓淮蟆８鶕?jù)圖1可知,風(fēng)電裝機(jī)容量從2015年的131 GW增長到2017年164 GW,增長了25%,風(fēng)電規(guī)模在擴(kuò)大,然而分?jǐn)偙壤齾s變化不大。因此,探索備用費(fèi)用分?jǐn)偡绞健⒈ＷC各方的利益公平具有十分重要的意義。

圖6 近3年東北調(diào)峰輔助服務(wù)費(fèi)用比重

目前,針對備用容量費(fèi)用分?jǐn)偟难芯课墨I(xiàn)相對較少,主要有如下4種思路:一是分?jǐn)偨o用戶[38];二是分?jǐn)偨o發(fā)電廠商[38];三是分?jǐn)偨o配電公司[39];四是分?jǐn)偨o各責(zé)任方,主要包括發(fā)電方、負(fù)荷方和輸電方[40-42]。圖7為風(fēng)電并網(wǎng)時引起輔助服務(wù)的各個利益主體。

圖7 風(fēng)電并網(wǎng)時引起輔助服務(wù)的利益主體

前兩種分?jǐn)偡椒ㄊ菍溆萌萘康馁M(fèi)用分?jǐn)偟截?fù)荷方或發(fā)電方,但在系統(tǒng)中引起備用的原因并不是只是負(fù)荷或發(fā)電。這樣的分?jǐn)偡椒y以對負(fù)荷進(jìn)行更加精確的預(yù)測,同時也難以對發(fā)電機(jī)組的可靠性進(jìn)行有效提高。第3種分?jǐn)偡椒ㄊ菍溆萌萘抠M(fèi)用分?jǐn)偟脚潆姽?。該方法沒有分?jǐn)偨o引起備用費(fèi)用的責(zé)任方,對備用責(zé)任方缺乏激勵。顯而易見,第4種方法即將費(fèi)用分?jǐn)偨o引起備用的責(zé)任方更為妥當(dāng)合理,可以激勵各責(zé)任方對備用容量的需求大大減少,同時也可以確定各責(zé)任方的備用成本,促進(jìn)資源的優(yōu)化配置。

文獻(xiàn)[40]針對系統(tǒng)中的不確定因素,包括發(fā)電方、負(fù)荷方和輸電方,根據(jù)市場各參與方對系統(tǒng)風(fēng)險度(失負(fù)荷概率)的影響來確定分?jǐn)偙壤?。文獻(xiàn)[41-42]在文獻(xiàn)[40]的基礎(chǔ)上,首先對旋轉(zhuǎn)備用損益的概念進(jìn)行了定義,然后建立了旋轉(zhuǎn)備用效用期望值決策模型,最后將購買旋轉(zhuǎn)備用的費(fèi)用依據(jù)各參與方對旋轉(zhuǎn)備用損益價值的影響進(jìn)行按比例分?jǐn)偂?/p>

針對風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)中的備用容量費(fèi)用分?jǐn)倖栴},一種實際可行的方案是將風(fēng)電納入分?jǐn)偡?與用戶、發(fā)電商、輸電方、配電公司進(jìn)行容量費(fèi)用的分配。在實際運(yùn)行中,對備用容量的電能費(fèi)用遵循誰引起誰分配的原則進(jìn)行分配,激勵各方不斷提升技術(shù)水平,以減少對備用容量的需求。

另外,風(fēng)電方往往由多個風(fēng)電場所有者組成,單個風(fēng)電場并網(wǎng)所產(chǎn)生的備用輔助服務(wù)之和與風(fēng)電場聯(lián)合并網(wǎng)所產(chǎn)生的備用輔助服務(wù)費(fèi)用不相等,需要進(jìn)一步研究各風(fēng)電場之間的備用容量費(fèi)用分?jǐn)傇瓌t,確定各風(fēng)電場的分?jǐn)偙壤?以達(dá)到激勵各風(fēng)電場方的目的,保證分?jǐn)偟墓叫浴?/p>

5 結(jié) 論

本文對風(fēng)電接入電網(wǎng)后備用容量的確定方法進(jìn)行了總結(jié),分析了考慮可中斷負(fù)荷作為備用容量的優(yōu)勢,歸納了備用容量費(fèi)用分?jǐn)偟姆椒ê驮瓌t,為風(fēng)電并網(wǎng)后輔助服務(wù)中的備用容量費(fèi)用分?jǐn)倖栴}提供了一些思路。但是,在備用容量的研究中,仍然存在著很多問題。

(1) 電力系統(tǒng)中,通常將常規(guī)機(jī)組作為應(yīng)對負(fù)荷波動的備用資源,但發(fā)電側(cè)備用的建設(shè)時間長且資源受到限制。目前,區(qū)塊鏈技術(shù)為需求側(cè)資源參與電網(wǎng)互動提供了支撐技術(shù)。大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)后,電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生了變化,備用需求也與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)不同,僅靠調(diào)度發(fā)電側(cè)的備用資源已經(jīng)無法滿足新的備用需求。因此,在未來能源互聯(lián)的趨勢下,智能電網(wǎng)應(yīng)該利用需求側(cè)資源參與電網(wǎng)的輔助服務(wù)市場,推動電動汽車的研發(fā)和推廣,激勵能源廠商的積極參與。

(2) 目前,在備用容量費(fèi)用分?jǐn)偡椒ê驮瓌t的研究中都是將風(fēng)電場商作為一個整體參與其中,難以實現(xiàn)對各個風(fēng)電場商的激勵,因此有必要將風(fēng)電并網(wǎng)引起的輔助服務(wù)中的費(fèi)用在各個風(fēng)電場之間進(jìn)行分?jǐn)偂?/p>