含风电系统的备用问题研究

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(上海电力学院 电气工程学院, 上海 200090)

随着我国新能源产业的快速发展,风电装机容量从2010年的30 GW增长到2017年164 GW,年均增长率为28%。根据我国“十三五”电力系统规划研究表明,新能源发电量占比在2020年将达到33%,2030年将提升到50%。目前,我国的“三北”地区出现严重的弃风问题,2017年甘肃、新疆、蒙西、吉林弃风比例分别达到33%,29%,17%,21%。究其原因,风电消纳问题是新能源发展的主要挑战。为保证电力系统的安全稳定运行,我国已经在东北和新疆地区试点调峰辅助服务市场。针对风电并网后风电消纳所带来的备用问题,本文介绍并总结了备用容量的确定方法、获取方式以及费用分摊的方法和原则。

1 风电并网对系统备用的影响

在自然条件下,风速具有波动性和间歇性,而风速与风功率直接相关,因此风功率也存在较大的不确定性和随机性。当前,在众多文献的研究中,采取的策略是将风电当作一种“负的负荷”与实际负荷形成“等效负荷”进行处理,因此等效负荷具有较大的波动性,系统为应对这种波动性的影响,需要增加备用容量以消纳风电、平衡波动[1-5]。

随着我国风电的不断发展,风电装机容量不断增加,风电并网比例也极大提升。图1为2010—2017年我国的风电装机容量。图2为我国“十三五”电力系统规划中非化石发电量的占比。风电并网将会给电力系统带来两方面的影响,一是风电机组将会替代一部分传统化石能源机组出力,减少化石能源的消耗以及污染物的排放,符合我国“十三五”电力系统规划的要求;二是为解决风电并网后所带来的风电消纳问题,系统将配置更多的旋转备用去消纳风电,不仅会导致系统成本上升,而且在某些极端情况下,风电解列还会造成大量的功率缺额,使整个电力系统面临风险。因此,对风电备用问题的研究具有极为重要的现实意义和工程意义。

图1 2010—2017年我国风电装机容量

图2 “十三五”电力系统规划中非化石发电量占比

2 备用容量的确定方法

近年来,国内外关于风电并网系统备用容量需求计算方法的文献研究主要分为以下3类。

(1) 标准差法[6]在已有的备用容量确定方法的基础上进一步改进计算,改进后的备用容量需求量取净负荷预测值(即系统负荷需求量与风力发电量之差)标准差的3倍。由于风力发电预测曲线比标准正态分布曲线的尾部更长,因此在文献[7]中,备用容量需求量取净负荷预测值标准差的3.5倍。标准差法由于计算简便、结果反映直观等众多优点,在许多国家和地区电力系统中得到了广泛应用,例如美国纽约、明尼苏达州等[8]。该方法的不足之处是缺乏对发电机组运行过程中的故障停运率和风机故障等因素的考虑。

(2) 基于成本效益的分析方法[9-11]该方法以社会效益最大或总费用最小为目标函数,通过计算目标函数的最优解来确定电力系统所需的旋转备用容量最优值。由于风力发电具有不确定性,文献[12-13]提出运用风电盈余罚函数法减小其不确定性的影响,假设风速服从韦伯分布,忽略风速的时序性特点。文献[14]使用概率密度函数量化风电误差,并将风电预测误差概率密度函数分成若干区间,在每个区间中分别运用成本-效益方法计算备用容量最优值,最后将各区间求得的最优备用容量值加权。文献[15-16]考虑了风电机组的排污成本,将环保特性加入到模型中。成本效益分析法的缺点在于没有考虑系统的可靠性水平,将各区间的最优备用容量值加权的做法是否正确仍有待商榷。

(3) 基于可靠性的分析方法 该方法最早用于解决备用决策问题,其中美国宾夕法尼亚-新泽西-马里兰互联系统提出的进行运行备用风险评估的方法——PJM法最为经典。为解决大规模风电接入问题,文献[17-18]提出了一种计及风电的发电停运容量概率分析方法。该方法是在PJM法基础上使用指数函数对容量停运概率表(Capacity Outage Probability Table,COPT)进行拟合,并使用表达式将其量化到风电机组模型中。文献[19-22]构建了备用容量和可靠性指标之间的关联式,用于计算电力系统所需的备用容量。其中,文献[19]使用拟合的方法,构建了备用需求容量与风电功率预测误差的模型,但未考虑常规机组停运的概率。文献[20-22]综合考虑了发电机组的故障停运率、风电机组出力偏差及负荷预测偏差等因素,构建了备用容量与可靠性水平之间的函数关系,但其缺点是函数关系过于复杂,求解起来非常困难。文献[23-27]使用随机规划方法求解备用需求,即在传统确定性关系法的基础上,加设了置信度水平约束条件。基于可靠性的分析方法可以保证电力系统在运行过程中始终保持正确稳定的可靠性水平,但是该方法并未考虑备用容量的成本费用。

保障电力系统安全稳定运行需要满足经济性和可靠性两个条件,因此在进行备用决策时需要综合考虑以上两方面的特性。文献[28-29]将系统容量分为正备用和负备用两个方面,对不同的场景分别进行概率分析,构建满足系统差额的概率密度函数,随后分别使用电量不足期望指标和风能浪费风险指标来指导正备用和负备用,通过改变权重系数的方法来平衡系统的可靠性和经济性。该方法较为新颖,但较难理解,且权重系数取值的最优性及正确性仍有待考证。

3 备用容量的获取方式

通常情况下,备用容量都是在发电侧取得,即通常由火电、水电机组提供。但是,一方面,随着光伏、风电等可再生能源并网率的不断上升,传统电源发电量占比逐渐降低,火电、水电作为备用容量提供侧的现状也有待改变;另一方面,光伏、风电等可再生能源的大幅并网增加了现有系统的备用容量需求。基于此,本文提出了使用需求侧可中断负荷和弃风为系统提供备用容量的方法,并分析了该方法的可行性和经济性优势。

3.1 可中断负荷参与备用

我国高耗能负荷主要分布在西部和北部地区,与风电开发布局高度重合。部分高耗能负荷(如铁合金、电解铝等)经过改造后,可具备一定灵活运行的能力。图3为一般用户和高耗能用户变动成本(即为用电成本)与固定成本的关系。

图3 一般用户和高能耗用户成本

可中断负荷与火电机组的正旋转备用性质相同,都属于备用资源。当电力系统发生容量短缺时,电力公司既可以调用发电机组备用容量供电,也可以调用或购买可中断负荷填补容量空缺,或两种资源同时使用。由于电力系统的职责是为广大电力用户提供连续、安全、稳定的电能,如果全部使用可中断负荷来弥补备用容量的空缺则会导致部分电力用户经常性断电,显然是不现实的。图1为发电侧备用与可中断负荷的关系。

图4 发电侧备用与可中断负荷的关系

可中断负荷属于需求侧管理,是一种对于技术、经济、政策手段的综合利用方法,也是调节负荷用电的经济措施之一[30]。文献[31-37]在不同电力市场环境下,将可中断负荷作为备用容量供应侧,使用可中断负荷进行旋转备用优化,提高了电力系统的经济性和可靠性。其中文献[31]考虑可中断负荷获取成本,以微电网运行备用总成本费用最小为目标函数、一定置信水平满足微电网要求为机会约束条件,构建了最优运行备用容量数学模型;文献[32]同样将可中断负荷作为备用容量提供侧,构建了以双侧备用成本期望值最小为目标函数的数学模型。考虑需求侧响应可以降低双侧备用成本,经济性更优,同时也会使资源在系统内得到优化配置。考虑可中断负荷作为备用,不仅可以增加备用资源,还可以减少调峰机组的建设成本。可避免投资成本的估算方法如图2所示。

图5 可避免投资成本的估算方法

综上可知,可中断负荷管理是需求侧管理的重要组成部分。鼓励用户参与到电力市场辅助服务的管理中,不仅可以在用电高峰时进行削峰,而且可以减少旋转备用成本以及备用容量投资建设成本,从而充分优化发电侧备用资源和需求侧备用资源的配置。到2030年,预计在风电快速发展的形势下,电动汽车普及率提高,储能价格逐步下降,负荷侧参与电网的辅助服务将是消纳大规模风电的主要手段。

4 备用容量的费用分摊

在电力市场中,备用运营机构是一所非盈利性机构,同时也是一个备用运营市场的组织者。一般情况下,在购买备用容量后,各参与者应分摊费用。图6为2015—2017年东北调峰辅助服务费用分摊比重。由图6可以看出,备用容量的费用只在风电场和发电厂商之间进行分摊,且3年来分摊比例变化不大。根据图1可知,风电装机容量从2015年的131 GW增长到2017年164 GW,增长了25%,风电规模在扩大,然而分摊比例却变化不大。因此,探索备用费用分摊方式、保证各方的利益公平具有十分重要的意义。

图6 近3年东北调峰辅助服务费用比重

目前,针对备用容量费用分摊的研究文献相对较少,主要有如下4种思路:一是分摊给用户[38];二是分摊给发电厂商[38];三是分摊给配电公司[39];四是分摊给各责任方,主要包括发电方、负荷方和输电方[40-42]。图7为风电并网时引起辅助服务的各个利益主体。

图7 风电并网时引起辅助服务的利益主体

前两种分摊方法是将备用容量的费用分摊到负荷方或发电方,但在系统中引起备用的原因并不是只是负荷或发电。这样的分摊方法难以对负荷进行更加精确的预测,同时也难以对发电机组的可靠性进行有效提高。第3种分摊方法是将备用容量费用分摊到配电公司。该方法没有分摊给引起备用费用的责任方,对备用责任方缺乏激励。显而易见,第4种方法即将费用分摊给引起备用的责任方更为妥当合理,可以激励各责任方对备用容量的需求大大减少,同时也可以确定各责任方的备用成本,促进资源的优化配置。

文献[40]针对系统中的不确定因素,包括发电方、负荷方和输电方,根据市场各参与方对系统风险度(失负荷概率)的影响来确定分摊比例。文献[41-42]在文献[40]的基础上,首先对旋转备用损益的概念进行了定义,然后建立了旋转备用效用期望值决策模型,最后将购买旋转备用的费用依据各参与方对旋转备用损益价值的影响进行按比例分摊。

针对风电并网系统中的备用容量费用分摊问题,一种实际可行的方案是将风电纳入分摊方,与用户、发电商、输电方、配电公司进行容量费用的分配。在实际运行中,对备用容量的电能费用遵循谁引起谁分配的原则进行分配,激励各方不断提升技术水平,以减少对备用容量的需求。

另外,风电方往往由多个风电场所有者组成,单个风电场并网所产生的备用辅助服务之和与风电场联合并网所产生的备用辅助服务费用不相等,需要进一步研究各风电场之间的备用容量费用分摊原则,确定各风电场的分摊比例,以达到激励各风电场方的目的,保证分摊的公平性。

5 结 论

本文对风电接入电网后备用容量的确定方法进行了总结,分析了考虑可中断负荷作为备用容量的优势,归纳了备用容量费用分摊的方法和原则,为风电并网后辅助服务中的备用容量费用分摊问题提供了一些思路。但是,在备用容量的研究中,仍然存在着很多问题。

(1) 电力系统中,通常将常规机组作为应对负荷波动的备用资源,但发电侧备用的建设时间长且资源受到限制。目前,区块链技术为需求侧资源参与电网互动提供了支撑技术。大规模风电并网后,电力系统结构已经发生了变化,备用需求也与传统电力系统不同,仅靠调度发电侧的备用资源已经无法满足新的备用需求。因此,在未来能源互联的趋势下,智能电网应该利用需求侧资源参与电网的辅助服务市场,推动电动汽车的研发和推广,激励能源厂商的积极参与。

(2) 目前,在备用容量费用分摊方法和原则的研究中都是将风电场商作为一个整体参与其中,难以实现对各个风电场商的激励,因此有必要将风电并网引起的辅助服务中的费用在各个风电场之间进行分摊。