基于等效负荷率分析的风电场调峰辅助服务需求计算方法

李 婷



基于等效负荷率分析的风电场调峰辅助服务需求计算方法

李 婷

（广西机电职业技术学院，南宁 530007）

当前，以风电为代表的新能源快速发展。电网调峰能力不足已成为限制风电消纳的主要因素。组织调峰辅助服务市场，形成市场化的调峰辅助服务价格机制，成为激励传统电源调峰积极性的重要途径，调峰辅助服务需求是风电场参与调峰辅助服务市场的重要基础。本文引入等效负荷率指标，从预期收益角度出发分析风电场调峰公平性；以此为基础，提出了基于等效负荷率分析的风电场调峰辅助服务需求计算方法，以支撑风电场参与市场交易；最后基于IEEE-30节点系统构造算例验证了本文所提出方法的有效性。

风电场；调峰能力；等效负荷率；调峰辅助服务

电网调峰能力不足已成为限制风电等新能源消纳的主要因素。各省区都在积极探索调峰辅助服务市场化机制，以激励传统电源参与调峰，提升风电消纳能力。风电场调峰辅助服务需求则是开展调峰辅助服务市场化交易的重要依据。

所谓风电场调峰辅助服务需求是全网调峰辅助服务需求按照一定规则在各风电场分摊所得的结 果[1-2]。按照“三公调度”基本要求，分摊过程必须符合公平原则。然而，以那个指标作为公平性评价的标准则成为该领域研究的焦点。文献[3]介绍了东北电网电力调峰辅助服务市场的基本情况，该市场本质上是一个单边市场，风电场调峰辅助服务未能得到准确度量。文献[4-5]提出了一种促进风电利用的调峰辅助服务交易机制，其核心思路是按照各风电场弃风电量相等的原则分摊调峰辅助服务需求。文献[6-7]进一步考虑风电等新能源的装机容量，按照装机容量比例将调峰辅助服务分摊。文献[8-9]在分摊全网调峰辅助服务需求时，则从弃风电力角度出发，要求各发电集团风电场的各时段的弃风电力相同。文献[10]重点研究了区域电力市场辅助服务补偿机制，提出了不同区域风电消纳程度相同的量化评价标准。

上述评价方法从不同侧面出发，丰富了风电场调峰辅助服务需求的研究内容。然而从实际执行情况来看，均存在不同程度的风电场弃风损失分摊不均的问题。为此本文从经营效益角度出发，首先引入等效负荷率指标，提出了风电场弃风下的等效负荷率计算方法；以此为量化标准，提出了风电场调峰辅助服务需求计算方法；最后以某省实际数据构造算例，验证了本文所提出方法的有效性。

1 调峰辅助服务需求基本概念及作用

双边调峰辅助服务市场中交易对象为风电场和燃煤电厂，交易标的为调峰辅助服务。风电场、燃煤电厂分别为交易标的的购买方和提供方，分别申报价格、容量[2-4]。当前我国已开展的调峰辅助服务市场中，其基本实施流程如图1所示。可以看出，风电场调峰辅助服务需求计算位于市场组织前端，实际上各风电场调峰辅助服务需求是开展双边交易的基础数据。

图1 调峰辅助服务市场实施流程

由于调峰辅助服务由电力系统整体供需关系决定，因此各风电场的调峰辅助服务需求是由全网调峰辅助服务需求按照一定规则分摊计算得到[1]的。全网调峰辅助服务需求的计算方法已经是较为成熟的技术，而当前分摊原则与算法则成为各风电场争论的焦点。不同的分摊计算将对风电场调峰辅助服务市场交易效益产生较大影响。

2 等效负荷率的概念与定义

2.1 传统电源负荷率

传统的负荷率主要用于火电、核电等传统电源的设备利用效率[11-12]，其定义如下：

负荷率指标能够准确反映出传统电源的设备利用水平，进而可用于不同电源的横向效益对比，在调度运行效益评价领域该指标应用广泛。

2.2 风电场等效负荷率

当传统电源的负荷率指标直接用于风电等新能源时，存在明显问题，体现在风电场的装机容量并不代表其实际能够达到的最大发电能力。在各时段，风电场的实际发电能力主要由其来风、湿度等气象环境因素决定。而量化各时段风电场实际发电能力的指标为其风功率预测值。

3 风电场调峰辅助服务需求计算方法

3.1 优化目标

本文所提出的风电场调峰辅助服务需求计算方法的优化目标为，各风电场的弃风电力偏差尽可能小，该目标函数可表示如下：

3.2 约束条件

1）风电场弃风电力约束

风电场弃风电力约束是指风电场的风功率预测、弃风电力、风功率出力计划应满足等量关系，可表示为

2）风电场等效负荷率约束

风电场等效负荷率约束是指各风电场的等效负荷率在其统计周期内应相同，该约束可表示为

3）风电场计划出力约束

风电场计划出力约束是指由电网运行方式决定的各风电场在各时段出力的特殊限制，可表示为

4）电网引起的出力偏离约束

电网引起的出力偏离约束用于量化由于约束项（3）所导致部分风电场的计划出力将发生的改变程度，可表示为

3.3 模型特点

从数学上讲，该模型属于线性规划问题，具有较高的求解效率和求解精度。而从实际计算来说，相对于弃风电力平均分配或弃风电量平均分配等方法，具有如下两个方面的显著优点。

1）从经营效益的层面出发，能够保证其收益的公平性。无论弃风电量还是弃风电力，由于不能直接反映各风电场的收益影响程度，因此不同场景下各风电场经济利益都不能有效得到公平对待。这一客观实际是传统方法导致争议的重要原因。而采用等效负荷率分摊的方法，分摊结果能够保证在统计周期内各风电场的等效负荷率相同，而等效负荷率实际反映了其发电设备利用程度，因此能够反映其收益相当。

2）能够促进风电场提升其风功率预测精度，避免风电场蓄意瞒报或者谎报风功率预测。当风电场蓄意增加其预测值时，所分担的调峰辅助服务需求更多，意味着需要支付更大的交易成本；而降低其预测值时，则不能存在较大的弃风压力。因此，该方法本质上能够激励各风电场提升其预测精度和风功率控制水平。

4 算例分析

本文将以IEEE-30节点系统为基础构造算例，来验证所提出方法的有效性。IEEE-30节点系统网络结构图如图2所示，其中节点1、节点2、节点5、节点8、节点11、节点13为风电场接入点。

图2 IEEE-30节点系统

系统负荷预测曲线如图3所示。

图3 系统负荷预测曲线

各风电场存在的出力限制情况见表1。经过本计算方法的优化计算，3个风电场的弃风电力和等效负荷率相同，能够保证其经济收益的公平性。

表1 风电场运行信息表

为进一步说明本文所提出方法在保证各风电场利益一致性上的显著效果，按照文献[5]所提出的方法，重新对各风电场的调峰辅助服务需求进行分摊，以保证其弃风电量相同，优化结果见表2。可以看出，按照等弃风电量的标准，部分装机容量小、电量低的风电场承担相同的调峰辅助服务需求后负荷率出现负值，这意味着作为电源，该风电场不仅不能发电，而且必须在市场上购买其他风电场所提供的调峰辅助服务。这将直接导致规模小的风电场陷入严重的经营困境，显然不符合公平原则。

表2 文献[5]测算效果

对照表1、表2所示数据不难发现，本文所提出方法在经营效益方面的公平性本质特征，验证了本文所提出的模型两方面的特点。

5 结论

本文围绕风电场调峰辅助服务需求计算问题，在传统火电、核电等所采用的负荷率指标基础上加以改造，并提出了适用于风电场的等效负荷率指标。基于该指标提出了风电场调峰辅助服务需求计算方法，在计算求解中考虑了电网运行方式所造成的时段出力限制等问题，保证了统计周期内各风电场的等效负荷率相同，进而提升了经济收益的公平性。

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Peak auxiliary service demand calculation method of wind power based on the equivalent load rate analysis

Li Ting

(Electrical Engineering Department,Guangxi Technological College of Machinery and Electricity, Nanning 530007)

At present, new energy such as wind power develops rapidly. The lack of peak auxiliary service capacity has become the main factor of limiting wind power consumption. It is an important way to stimulate the traditional power supply peak by organizing the service market and forming a market-oriented auxiliary service price mechanism. It is an important basis for wind farm to participate in the market of auxiliary service. In this paper, the equivalent load ratio index is introduced, and the fairness of the wind farm is analyzed from the perspective of prospective earnings. Based on the equivalent load rate analysis, the demand calculation method of the wind electric field peak auxiliary service is proposed to support the wind electric field to participate in the market transaction. Finally, the validity of the proposed method is verified based on the IEEE-30 buses system.

wind power; peak ability; equivalent load rate; peak auxiliary service

2018-06-05

李 婷（1983-），女，黑龙江讷河人，硕士，讲师，从事发电调度和电网运行方式管理工作。

广西高校中青年教师基础能力提升项目（KY2016YB653）