張健， 鄭威， 張德亮， 袁森， 張國強， 薛艷軍

(1.山東電網(wǎng)有限責任公司 電力調(diào)度控制中心，山東 濟南 250002；2.國網(wǎng)山東省電力公司 電力科學研究院，山東 濟南 250002；3.北京清大科越股份有限公司，北京 100084)

0 引 言

低谷調(diào)峰期間，燃煤電廠出力低于最小技術(shù)出力，將導致燃煤電廠出力調(diào)整速率低于正常運行工況下的調(diào)整能力。在互聯(lián)電網(wǎng)中，當某區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)風電出力波動時，如果系統(tǒng)出力調(diào)整速率不能滿足系統(tǒng)需求則將導致其頻率與聯(lián)絡(luò)線交換偏差指標越限，嚴重時可能導致整個頻率穩(wěn)定破壞。因此在調(diào)峰輔助服務(wù)市場中，市場撮合交易模型必須考慮風電波動性影響。

《并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理實施細則》中明確了不同類型電源的基本調(diào)峰輔助服務(wù)和有償調(diào)峰輔助服務(wù)范圍[1]。文獻[2]基于不同電源運行特性的分析結(jié)果，提出了有償調(diào)峰輔助服務(wù)需求計算方法。文獻[3]引入分段電價機制，提出了調(diào)峰輔助服務(wù)交易模型，以提升跨區(qū)送電中風電消納的問題。文獻[4]充分考慮風電和燃煤電廠兩類主體的價格承受能力和調(diào)峰成本，提出了燃煤電廠有償調(diào)峰交易模型和補償機制。文獻[5]提出了考慮經(jīng)濟約束的調(diào)峰輔助服務(wù)交易模型，據(jù)此測算了山區(qū)風電接納能力。文獻[6]研究了區(qū)域電網(wǎng)并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)補償機制，提出了考慮各局部電網(wǎng)調(diào)峰幅度相同的調(diào)峰輔助服務(wù)分攤機制。文獻[7-8]分別介紹了浙江電網(wǎng)外送電調(diào)峰服務(wù)和東北區(qū)域電網(wǎng)調(diào)峰輔助服務(wù)的實踐情況。

當前調(diào)峰輔助服務(wù)交易機制的研究均未考慮風電波動性對電網(wǎng)運行的影響。為此，本文將首先深入研究頻率與聯(lián)絡(luò)線偏差考核模式下風電波動性的控制要求，構(gòu)建考慮風電波動性的調(diào)峰輔助服務(wù)市場交易模型，以解決低谷調(diào)峰期間電網(wǎng)安全運行問題。

1 滿足風電波動性的控制要求分析

1.1 頻率與聯(lián)絡(luò)線偏差控制要求

頻率與聯(lián)絡(luò)線交換偏差考核是當前互聯(lián)電網(wǎng)中最核心的考核標準，其基本要求是同時考慮互聯(lián)電網(wǎng)的頻率偏差和區(qū)域間聯(lián)絡(luò)線交換功率偏差，統(tǒng)籌各區(qū)域調(diào)節(jié)能力，計算其出力調(diào)節(jié)需求，并以10 min為時間范圍對其調(diào)節(jié)情況進行統(tǒng)計評價[9-10]。具體來說，頻率與聯(lián)絡(luò)線交換偏差考核要求可表述如下：

ΔPG>λΔf+ΔPE

(1)

式中:ΔPG為局部電網(wǎng)發(fā)電出力調(diào)整量；Δf為10 min范圍內(nèi)最大頻率偏差，按照當前互聯(lián)電網(wǎng)運行控制要求，正常運行過程中，最大頻率偏差為0.02 Hz；λ為局部電網(wǎng)頻率偏差分攤系數(shù)，是由互聯(lián)電網(wǎng)運行特性決定的給定值；ΔPE為外送電功率交換偏差，等價于外送電計劃增量、負荷波動量和風電等間歇式電源出力波動量之和。外送電功率交換偏差可表示為：

ΔPE=ΔPS+ΔPL+ΔPW

(2)

式中:ΔPS、ΔPL、ΔPW分別為外送電計劃增量、負荷波動量和風電等間歇式電源出力波動量。

1.2 風電/負荷波動性分析

負荷波動、風電等間歇式電源出力波動是影響頻率聯(lián)絡(luò)線交換偏差的主要因素。雖然兩種波動分量的類型和特性不同，但是其分析方法一致，已成為當前電網(wǎng)運行分析的基本方法。本文將以文獻[11]所介紹的分析方法為基礎(chǔ)，選用風電波動性為對象介紹波動性分析的基本方法。

考慮到頻率與聯(lián)絡(luò)線交換偏差的統(tǒng)計評價時間為10 min。在統(tǒng)計評價風電波動性時，首先統(tǒng)計每10 min風電最大、最小出力，兩者之差即為10 min內(nèi)風電最大波動量。統(tǒng)計風電10 min最大波動量，并根據(jù)其分布規(guī)律對數(shù)據(jù)進行離散化處理，統(tǒng)計每個區(qū)間的波動分量出現(xiàn)次數(shù)，據(jù)此分析其分布概率，離散化的風電出力10 min最大波動量分布?；谙到y(tǒng)能夠接受的概率水平，確定風電10 min波動量。

以我國某省區(qū)電網(wǎng)為例，根據(jù)2016—2017年的實際數(shù)據(jù)，統(tǒng)計得到該省區(qū)風電出力10 min最大波動量分布，如圖1所示。據(jù)此，可以分析得到該省區(qū)在滿足可接受概率98%的水平下，風電出力10 min波動量為130 MW。

圖1 某電網(wǎng)風電出力波動量分布

1.3 風電調(diào)節(jié)要求

實際運行過程中，為滿足頻率與聯(lián)絡(luò)線交換偏差調(diào)整要求，系統(tǒng)中燃煤電廠的出力調(diào)節(jié)能力必須超過其調(diào)節(jié)需求，即需要滿足：

(3)

(4)

系統(tǒng)中風電等間歇式電源裝機較小或無裝機時，燃煤機組出力調(diào)節(jié)只需要滿足頻率偏差、送受電計劃增量和負荷波動三方面變化要求。當風電等間歇式電源裝機規(guī)模增長后，必須考慮風電的波動影響。特別是風電的逆調(diào)峰特性顯著，導致低谷時段燃煤機組出力低于其最小技術(shù)出力，出力調(diào)節(jié)能力將低于正常水平。因此在低谷調(diào)峰期間，必須考慮燃煤機組出力波動滿足含風電波動性的調(diào)整需要，即滿足：

(5)

2 考慮風電波動性的調(diào)峰輔助服務(wù)交易模型

2.1 目標函數(shù)

調(diào)峰輔助服務(wù)交易的決策目標為風電調(diào)峰需求得到最大化滿足，可表示為：

(6)

2.2 約束條件

組織交易中所需要考慮的約束條件包括電網(wǎng)安全運行約束和風電場出力匹配度約束等。

1)交易價格約束

交易價格約束是指以調(diào)峰輔助服務(wù)的成交價為分界，對于調(diào)峰輔助服務(wù)購買方風電企業(yè)，其申報價格高于成交價才能成交。對于調(diào)峰輔助服務(wù)提供方燃煤電廠，其申報價格低于成交價才能成交。

該約束條件可表示為：

(7)

基于式(7)可以保證報價高于成交價格的風電場,其申報的調(diào)峰輔助服務(wù)需求能夠得到滿足。報價低于成交價格的燃煤電廠,其申報的調(diào)峰輔助服務(wù)提供量能夠得到匹配,否則不成交。

2)成交量約束

成交量約束是指燃煤電廠和風電場調(diào)峰輔助服務(wù)成交量小于其申報量。該約束可表示如下：

(8)

3)成交價格約束

成交價格約束是指由市場交易規(guī)則所確定的成交價格與風電場、燃煤電廠申報價格之間的關(guān)系。出清成交模式包括邊際出清和統(tǒng)一出清等。這里以統(tǒng)一出清為例，風電場、燃煤電廠具有相同的出清成交價格，該價格為所有成交的風電場、燃煤電廠申報價的按照其成交量的平均值。則成交價格約束可表示為：

(9)

式中：NH為燃煤電廠數(shù)量。

4)電網(wǎng)安全約束

電網(wǎng)安全約束是指調(diào)峰輔助服務(wù)交易所必須考慮的電網(wǎng)安全約束條件，也即必須考慮風電波動性對電網(wǎng)頻率與聯(lián)絡(luò)線交換偏差的影響。該約束已在上一節(jié)予以介紹，詳見式(5)。

2.3 模型特點

模式設(shè)計上具有特點如下：

(1)成交價格的形成由調(diào)峰輔助服務(wù)需求方風電場和提供方燃煤電廠雙邊交易形成，充分考慮了市場雙方的價格交易意愿。

(2)模型約束條件中考慮了風電波動性對頻率與聯(lián)絡(luò)線交換偏差的影響，能夠保證深度調(diào)峰期間電網(wǎng)有功調(diào)整能力滿足調(diào)節(jié)要求，滿足安全性要求。

(3)優(yōu)化目標以風電調(diào)峰需求最大化為目標，符合清潔低碳的電網(wǎng)調(diào)度運行發(fā)展要求,滿足提升風電等間歇式電源消納的運行目標。

3 算例分析

本文將以山東電網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)構(gòu)造算例，以驗證本文所提出方法的有效性。

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

選取某日04∶00，該時刻風功率預測為3 240 MW，調(diào)峰輔助服務(wù)需求為240 MW。為滿足調(diào)峰輔助服務(wù)需求，避免棄風，選擇了10臺裝機容量為300 MW的燃煤機組參與調(diào)峰輔助服務(wù)交易，其不同運行水平下的調(diào)節(jié)能力對比如表1所示。

表1 燃煤機組10 min調(diào)節(jié)能力對比

3.2 數(shù)據(jù)分析

為驗證本文所提出方法的有效性，本文將對比兩種場景下的調(diào)峰成本和爬坡能力:①不考慮風電波動性要求，即不考慮本文中式(5)所示的風電波動性約束對調(diào)峰輔助服務(wù)交易的影響；②考慮風電波動性要求，即在場景①的基礎(chǔ)上考慮風電波動性影響。

兩種場景下，10臺機組的調(diào)峰輔助服務(wù)交易結(jié)果如圖2所示。

圖2 機組調(diào)峰輔助服務(wù)對比

如表2所示，進一步對比了調(diào)峰輔助服務(wù)提供量和對應的機組爬坡能力，可以看出兩個場景下系統(tǒng)提供的調(diào)峰輔助服務(wù)相同，但是所對應的燃煤機組爬坡能力不同，場景②由于考慮了風電波動性要求，其爬坡能力明顯高于場景①，這就保證了在深度調(diào)峰期間燃煤機組能夠及時跟蹤調(diào)節(jié)需求，保證系統(tǒng)頻率與聯(lián)絡(luò)線交換偏差調(diào)節(jié)要求。

表2 系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力對比

4 結(jié)束語

本文分析了風電波動性對電網(wǎng)運行的影響，提出了考慮風電波動性作為約束條件的雙邊調(diào)峰輔助服務(wù)市場交易模型。通過對算例分析，驗證了本文所提出的考慮風電波動性的雙邊調(diào)峰輔助服務(wù)市場交易模型的有效性，解決了頻率與聯(lián)絡(luò)線偏差考核模式下由風電波動性導致的低谷調(diào)峰區(qū)間電網(wǎng)安全運行問題。