PDF《考虑调频补偿效果的区域综合能源系统调频服务优化策略》

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a e p s - i n f o . c o m 考虑调频补偿效果的区域综合能源系统调频服务优化策略 马恒瑞1 ,王波1 ,高文忠2 ,刘涤尘1 ,李振元3 ,刘志君3 ( 1. 武汉大学电气工程学院,湖北省武汉市

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7 2;

2. U n i v e r s i t yo fD e n v e r , D e n v e r8

0 2

1 0,美国;

3. 国网吉林省电力有限公司,吉林省长春市

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2 1 ) 摘要:辅助服务对维持含有高比例可再生能源电力系统的安全稳定运行至关重要.含有储能设备 的区域综合能源系统作为优质调频资源, 可以有效调节可再生能源接入电力系统后导致的不可忽 略的频率偏移, 帮助解决电力系统频率稳定性问题.文中建立了在市场机制下考虑调频补偿效果 的区域综合能源系统运行优化模型, 并采用 YA LM I P+C P L E X 在MAT L A B中进行了仿真分析, 求得了不 同调度模式下的总运行成本.通过采用实际运行中的宾夕法尼亚―新泽西―马里兰(PJM) 调频市场模型和参数来指导区域综合能源系统中调频资源的优化配置, 在电能与调频服务 市场收益之间进行权衡, 实现了利润的最大化. 关键词:调频;

区域综合能源系统;

辅助服务;

混合整数线性规划 收稿日期:

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1 2;

修回日期:

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2 5. 上网日期:

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1 3. 国家科技支撑计划资助项目(

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1 5 B AA

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0 1) ;

国家自然科 学基金资助项目(

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2 1 ) .

0 引言 随着 可再生能源(renewablee n e r g ys o u r c e s , R E S ) 大量接入电网以及能源互联网的建设, 预计到

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5 0年, 可再生能源出力在能源消费总量中所占比 例将 达到80%. 世界自然基金会(WorldWideFundf o rN a t u r e , WWF) 预计到2 1世纪中叶, 世界 将由1

0 0%的可再生能源供能, 这一转变将在经济 效益、 能源供应安全性和环保方面带来巨大收益[ 1] . 可再生能源通常具有出力间歇性和波动性等特点, 当大量可再生能源接入电力系统后, 将导致不可忽 略的频率偏移, 引起电力系统频率稳定性问题.因 此需要额外的调频容量来提供调频服务, 而基于能 源互联网理念建立的含有电储能设备的区域综合能 源系统 ( r e g i o n a l i n t e g r a t e de n e r g ys y s t e m, R I E S) 作为解决该问题的有效技术而备受关注[

2 -

3 ] . 能源互联网分为能源主干网和RIES两部分[

4 - 8] , R I E S中电储能设备最初的应用目的是经济 调度( e c o n o m i cd i s p a t c h, E D) , 即削峰填谷, 利用高 发低储能源降低运行成本[

9 -

1 1] .随着 R I E S的发展 和电储能设备成本的降低, 现在提出利用电储能设 备所具有的常规机组所不具备的灵活性, 在当产能 过剩或负荷发生瞬时变化时提供调频服务以保护电 力系统. 在中国, 电储能技术参与辅助服务尚处于起步 阶段, 而在国外该方面应用已逐步成熟.美国联邦 能源监管委员会(FederalEnergyRegulatoryComm i s s i o n , F E R C) 在2

0 1 1年颁布了7

5 5号令, 该 法令 要求区域输电组织(regionalt r a n s m i s s i o n o r g a n i z a t i o n ,R TO )和独立系统运行机构(independents y s t e mo p e r a t o r , I S O) 对能够提供调 频服务的电力供应商在基本电价的基础上进行进一 步的补偿, 并要求按照调节效果进行补偿.电储能 设备作为有着更快的响应速度和更准确的调频效果 的调 频资源, 将获得更公平、 更合理的补偿价格.

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1 3年颁布的7

8 4号令为电储能设备进入辅助服 务市场创造了良机, 各个区域电力市场I S O / R TO, 如宾夕法尼亚―新泽西―马里兰( P e n n s y l v a n i a - N e w J e r s e y - M a r y l a n d , P J M) 电力系统等在该法令框架下 制定了详细规定, 并建立了完整而有效的调频市场. 在2

0 1 1年颁布了7

5 5号令后, 便有大量关于辅 助服务市场的研究.文献[

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1 3] 总结了电储能设 备参与调频市场后主要获利来源, 分别是通过高发 低储能源套利和参与调频服务.文献[

1 4 ] 对各种获 利方式进行了总结.文献[

1 5] 基于加州I S O 数据 计算了不考虑调频效果补偿的收益.文献[

1 6 ] 结合 来自德州电力可靠性委员会的数据, 分析不同电储 能设备的特性、 运行约束条件, 并对其参与调频服务 的经济性进行了评估.

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1 第4 2卷第1 3期2018年7月1 0日Vol.42N o .

1 3J u l y1 0,

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1 8 D O I :

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1 中国各区域电网在借鉴 P J M 等国外电力辅助 服务市场基于调频效果进行补偿的运行机制后, 逐 步制定了符合中国实际情况的调频服务补偿办法, 以期在调频服务领域建立一个 准市场 .现有国内 外关于电储能设备参与调频市场的大部分研究中, 仅考虑了电储能设备参与调频市场的运行情况, 但 是在实际运行中, 电储能设备一般都依托 R I E S运行, 因此需要在计及电储能设备约束和调频服务定 价方式的基础上考虑 R I E S中包含的多种源设备、 能量转化设备等的约束条件, 并在此基础上制定含 有电储能设备的 R I E S参与调频市场的运行策略. 针对以上问题, 本文建立了在市场机制下完全 基于实际运行的以调频效果进行补偿的调频市场模 型, 并在此基础上设计和实现了一种基于日前电力 市场价格的 R I E S中电储能设备参与调频辅助服务 市场的调度策略;

对电储能设备的荷电状 态( s t a t e o f c h a r g e , S O C) 进行调整以确保 R I E S中电储能设 备在完成最大程度消纳可再生能源的基础上参与调 频辅助服务市场, 降低 R I E S整体运行成本.

1 R I E S的构成及作用 1.

1 R I E S结构 瑞士联邦理工学院提出了能源集线器( e n e r g y h u b ) 和能源连接器( e n e r g yc o n n e c t o r ) 的概念[

1 7] . 其能源集线器模型可以表示多种能量之间的耦合、 转化等, 是对多种实际设备及其组合关系的抽象建 模, 目前已广泛应用于优化设计、 最优潮流、 优化调 度等多个不同方向[

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1 9 ] .为了进一步考虑多能流的 网络关系, 能量流和网络流的模型得到了应用, 并提 出了互联能源集线器等概念, 从而可以考虑全网约 束.而RIES是将天然气网络、 分布式电源、 冷热电 联供(combinedcooling,heatingandpower,CCH P) 系统、 储能设备等利用信息和通信技术联系 起来的多能流供应系统.因此可以用能源集线器来 描述其中的能源耦合关系, 其基本结构如附录 A 图A1所示, 它包括了 电/气能源输入和电/热能源输出[

2 0 ] .考虑到在 R I E S中除了含有各种类型的分布 式电源设备( 光伏电源( p h o t o v o l t a i c , P V) 、 风力发 电机( w i n dt u r b i n e , WT) 、 燃气轮机(gast u r b i n e , G T) ) , 还可能包含其他各种形式的能源输入和输出 ( 燃气锅炉) .此外, 系统中还含有储能设备( 电储能 设备、 热储能设备) 和能源转换设备( 余热锅炉、 电制 冷机、 电锅炉) . 为能够描述含有 C CH P系统的 R I E S的构成及 其内部各个设备之间的能量流, 本文借鉴文献[

2 1] 中的表述方式, 按照能量传递介质的不同对母线分 类, 分为电气、 空气、 烟气、 热水、 蒸汽母线等类 型. 燃气型 C CH P系统的母线式结构图如附录 A 图A2所示. 1.

2 R I E S中电储能设备在调频市场中的作用 通过控制 R I E S中的电储能设备充放电可以实 现调节系统频率的目的.与常规火电机组不同的 是, 电储能设备可在非满负荷状态下经济运行并提 供本身容量2倍的调节能力, 非常适合提供电力系 统调频服务, 如附录 A 图A3所示.与传统火电机 组相比, 电储能设备提供调频服务最大的优点是响 应和爬坡速度快, 且具有很高的调节精度, 可灵活地 在输出状态和满放电状态( 或充电状态) 间切换, 动 作正确率高, 从而避免火电机组响应自动发电控制 ( AG C) 信号时出现的向相反方向调节等错误动作[

2 2] .

2 基于调频效果进行补偿的调频服务市场 由于中国采用分区域控制的方式维持电网稳 定, 因此各个区域对调频服务的补偿标准和补偿方 式各不相同.由各个区域电网根据由国家能源局发 布的《 关于促进电储能参与 三北 地区电力辅助服 务补偿( 市场) 机制试点工作的通知》 制定出符合各 自实际情况的辅助服务补偿方法, 但是各个区域电 网调频补偿方法在规则本质上差别很小, 并且均在 很大程度上借鉴了 P J M 辅助服务市场的定价规则, 因此本文以 P J M 市场为例介绍了基于调频效果进 行补偿的调频服务市场的具体框架和调频服务流 程.调频服务是辅助服务市场中的重要组成部分, 调频资源根据用户要求或者 AG C 信号来自动调整 出力并以此获得报酬.调频服务的主要作用是维持 系统频率稳定;

在客户负载发生瞬时变化时跟踪负 载变化;

补偿发电端出现瞬间的意外波动变化;

当预 测负荷和实际负荷不同时则补偿差值. 在基于调频效果进行补偿的调频服务市场中, 除了传统的根据调频容量进行补偿, 即对由于提供 调频备用而无法在市场竞价的容量进行补偿外, 还 提供取决于调频效果的补偿, 即由调频任务量和质 量决定补偿量.因此引入了效率系数、 调频资源里 程比和调频性能系数来调整报价.在有多个调频资 源时, 调频市场使用调频效益因子和历史调频性能 来调整调频资源报价, 使性能好的调频资源更有可 能被选中.附录 A 图A4为在市场框架下基于调频 效果的调频服务流程.

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1 3 ) ・能源互联背景下的多网协同规划与经济运行・ h t t p : / / ww w. a e p s - i n f o . c o m 2.

1 调频信号类型 AG C控制信号分为 R e g A 和RegD这2种信 号.R e g A 是指调节速度较慢的传统调频资源, 利 用传统发电手段来进行调频服务, 其设备物理特性 限制了爬坡速率, 例如 G T;

R e g D 是指有着较快调 节速度的调频资源, 利用实时动态信号来进行调频 服务, 没有爬坡速率限制, 如电储........