含風電系統的備用問題研究

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(上海電力學院 電氣工程學院, 上海 200090)

隨著我國新能源產業的快速發展,風電裝機容量從2010年的30 GW增長到2017年164 GW,年均增長率為28%。根據我國“十三五”電力系統規劃研究表明,新能源發電量占比在2020年將達到33%,2030年將提升到50%。目前,我國的“三北”地區出現嚴重的棄風問題,2017年甘肅、新疆、蒙西、吉林棄風比例分別達到33%,29%,17%,21%。究其原因,風電消納問題是新能源發展的主要挑戰。為保證電力系統的安全穩定運行,我國已經在東北和新疆地區試點調峰輔助服務市場。針對風電并網后風電消納所帶來的備用問題,本文介紹并總結了備用容量的確定方法、獲取方式以及費用分攤的方法和原則。

1 風電并網對系統備用的影響

在自然條件下,風速具有波動性和間歇性,而風速與風功率直接相關,因此風功率也存在較大的不確定性和隨機性。當前,在眾多文獻的研究中,采取的策略是將風電當作一種“負的負荷”與實際負荷形成“等效負荷”進行處理,因此等效負荷具有較大的波動性,系統為應對這種波動性的影響,需要增加備用容量以消納風電、平衡波動[1-5]。

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

圖1 2010—2017年我國風電裝機容量

圖2 “十三五”電力系統規劃中非化石發電量占比

2 備用容量的確定方法

近年來,國內外關于風電并網系統備用容量需求計算方法的文獻研究主要分為以下3類。

(1) 標準差法[6]在已有的備用容量確定方法的基礎上進一步改進計算,改進后的備用容量需求量取凈負荷預測值(即系統負荷需求量與風力發電量之差)標準差的3倍。由于風力發電預測曲線比標準正態分布曲線的尾部更長,因此在文獻[7]中,備用容量需求量取凈負荷預測值標準差的3.5倍。標準差法由于計算簡便、結果反映直觀等眾多優點,在許多國家和地區電力系統中得到了廣泛應用,例如美國紐約、明尼蘇達州等[8]。該方法的不足之處是缺乏對發電機組運行過程中的故障停運率和風機故障等因素的考慮。

(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用最小為目標函數,通過計算目標函數的最優解來確定電力系統所需的旋轉備用容量最優值。由于風力發電具有不確定性,文獻[12-13]提出運用風電盈余罰函數法減小其不確定性的影響,假設風速服從韋伯分布,忽略風速的時序性特點。文獻[14]使用概率密度函數量化風電誤差,并將風電預測誤差概率密度函數分成若干區間,在每個區間中分別運用成本-效益方法計算備用容量最優值,最后將各區間求得的最優備用容量值加權。文獻[15-16]考慮了風電機組的排污成本,將環保特性加入到模型中。成本效益分析法的缺點在于沒有考慮系統的可靠性水平,將各區間的最優備用容量值加權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-馬里蘭互聯系統提出的進行運行備用風險評估的方法——PJM法最為經典。為解決大規模風電接入問題,文獻[17-18]提出了一種計及風電的發電停運容量概率分析方法。該方法是在PJM法基礎上使用指數函數對容量停運概率表(Capacity Outage Probability Table,COPT)進行擬合,并使用表達式將其量化到風電機組模型中。文獻[19-22]構建了備用容量和可靠性指標之間的關聯式,用于計算電力系統所需的備用容量。其中,文獻[19]使用擬合的方法,構建了備用需求容量與風電功率預測誤差的模型,但未考慮常規機組停運的概率。文獻[20-22]綜合考慮了發電機組的故障停運率、風電機組出力偏差及負荷預測偏差等因素,構建了備用容量與可靠性水平之間的函數關系,但其缺點是函數關系過于復雜,求解起來非常困難。文獻[23-27]使用隨機規劃方法求解備用需求,即在傳統確定性關系法的基礎上,加設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在運行過程中始終保持正確穩定的可靠性水平,但是該方法并未考慮備用容量的成本費用。

保障電力系統安全穩定運行需要滿足經濟性和可靠性兩個條件,因此在進行備用決策時需要綜合考慮以上兩方面的特性。文獻[28-29]將系統容量分為正備用和負備用兩個方面,對不同的場景分別進行概率分析,構建滿足系統差額的概率密度函數,隨后分別使用電量不足期望指標和風能浪費風險指標來指導正備用和負備用,通過改變權重系數的方法來平衡系統的可靠性和經濟性。該方法較為新穎,但較難理解,且權重系數取值的最優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,備用容量都是在發電側取得,即通常由火電、水電機組提供。但是,一方面,隨著光伏、風電等可再生能源并網率的不斷上升,傳統電源發電量占比逐漸降低,火電、水電作為備用容量提供側的現狀也有待改變;另一方面,光伏、風電等可再生能源的大幅并網增加了現有系統的備用容量需求。基于此,本文提出了使用需求側可中斷負荷和棄風為系統提供備用容量的方法,并分析了該方法的可行性和經濟性優勢。

3.1 可中斷負荷參與備用

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

圖3 一般用戶和高能耗用戶成本

可中斷負荷與火電機組的正旋轉備用性質相同,都屬于備用資源。當電力系統發生容量短缺時,電力公司既可以調用發電機組備用容量供電,也可以調用或購買可中斷負荷填補容量空缺,或兩種資源同時使用。由于電力系統的職責是為廣大電力用戶提供連續、安全、穩定的電能,如果全部使用可中斷負荷來彌補備用容量的空缺則會導致部分電力用戶經常性斷電,顯然是不現實的。圖1為發電側備用與可中斷負荷的關系。

圖4 發電側備用與可中斷負荷的關系

可中斷負荷屬于需求側管理,是一種對于技術、經濟、政策手段的綜合利用方法,也是調節負荷用電的經濟措施之一[30]。文獻[31-37]在不同電力市場環境下,將可中斷負荷作為備用容量供應側,使用可中斷負荷進行旋轉備用優化,提高了電力系統的經濟性和可靠性。其中文獻[31]考慮可中斷負荷獲取成本,以微電網運行備用總成本費用最小為目標函數、一定置信水平滿足微電網要求為機會約束條件,構建了最優運行備用容量數學模型;文獻[32]同樣將可中斷負荷作為備用容量提供側,構建了以雙側備用成本期望值最小為目標函數的數學模型。考慮需求側響應可以降低雙側備用成本,經濟性更優,同時也會使資源在系統內得到優化配置。考慮可中斷負荷作為備用,不僅可以增加備用資源,還可以減少調峰機組的建設成本。可避免投資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,可中斷負荷管理是需求側管理的重要組成部分。鼓勵用戶參與到電力市場輔助服務的管理中,不僅可以在用電高峰時進行削峰,而且可以減少旋轉備用成本以及備用容量投資建設成本,從而充分優化發電側備用資源和需求側備用資源的配置。到2030年,預計在風電快速發展的形勢下,電動汽車普及率提高,儲能價格逐步下降,負荷側參與電網的輔助服務將是消納大規模風電的主要手段。

4 備用容量的費用分攤

在電力市場中,備用運營機構是一所非盈利性機構,同時也是一個備用運營市場的組織者。一般情況下,在購買備用容量后,各參與者應分攤費用。圖6為2015—2017年東北調峰輔助服務費用分攤比重。由圖6可以看出,備用容量的費用只在風電場和發電廠商之間進行分攤,且3年來分攤比例變化不大。根據圖1可知,風電裝機容量從2015年的131 GW增長到2017年164 GW,增長了25%,風電規模在擴大,然而分攤比例卻變化不大。因此,探索備用費用分攤方式、保證各方的利益公平具有十分重要的意義。

圖6 近3年東北調峰輔助服務費用比重

目前,針對備用容量費用分攤的研究文獻相對較少,主要有如下4種思路:一是分攤給用戶[38];二是分攤給發電廠商[38];三是分攤給配電公司[39];四是分攤給各責任方,主要包括發電方、負荷方和輸電方[40-42]。圖7為風電并網時引起輔助服務的各個利益主體。

圖7 風電并網時引起輔助服務的利益主體

前兩種分攤方法是將備用容量的費用分攤到負荷方或發電方,但在系統中引起備用的原因并不是只是負荷或發電。這樣的分攤方法難以對負荷進行更加精確的預測,同時也難以對發電機組的可靠性進行有效提高。第3種分攤方法是將備用容量費用分攤到配電公司。該方法沒有分攤給引起備用費用的責任方,對備用責任方缺乏激勵。顯而易見,第4種方法即將費用分攤給引起備用的責任方更為妥當合理,可以激勵各責任方對備用容量的需求大大減少,同時也可以確定各責任方的備用成本,促進資源的優化配置。

文獻[40]針對系統中的不確定因素,包括發電方、負荷方和輸電方,根據市場各參與方對系統風險度(失負荷概率)的影響來確定分攤比例。文獻[41-42]在文獻[40]的基礎上,首先對旋轉備用損益的概念進行了定義,然后建立了旋轉備用效用期望值決策模型,最后將購買旋轉備用的費用依據各參與方對旋轉備用損益價值的影響進行按比例分攤。

針對風電并網系統中的備用容量費用分攤問題,一種實際可行的方案是將風電納入分攤方,與用戶、發電商、輸電方、配電公司進行容量費用的分配。在實際運行中,對備用容量的電能費用遵循誰引起誰分配的原則進行分配,激勵各方不斷提升技術水平,以減少對備用容量的需求。

另外,風電方往往由多個風電場所有者組成,單個風電場并網所產生的備用輔助服務之和與風電場聯合并網所產生的備用輔助服務費用不相等,需要進一步研究各風電場之間的備用容量費用分攤原則,確定各風電場的分攤比例,以達到激勵各風電場方的目的,保證分攤的公平性。

5 結 論

本文對風電接入電網后備用容量的確定方法進行了總結,分析了考慮可中斷負荷作為備用容量的優勢,歸納了備用容量費用分攤的方法和原則,為風電并網后輔助服務中的備用容量費用分攤問題提供了一些思路。但是,在備用容量的研究中,仍然存在著很多問題。

(1) 電力系統中,通常將常規機組作為應對負荷波動的備用資源,但發電側備用的建設時間長且資源受到限制。目前,區塊鏈技術為需求側資源參與電網互動提供了支撐技術。大規模風電并網后,電力系統結構已經發生了變化,備用需求也與傳統電力系統不同,僅靠調度發電側的備用資源已經無法滿足新的備用需求。因此,在未來能源互聯的趨勢下,智能電網應該利用需求側資源參與電網的輔助服務市場,推動電動汽車的研發和推廣,激勵能源廠商的積極參與。

(2) 目前,在備用容量費用分攤方法和原則的研究中都是將風電場商作為一個整體參與其中,難以實現對各個風電場商的激勵,因此有必要將風電并網引起的輔助服務中的費用在各個風電場之間進行分攤。