基于等效負荷率分析的風電場調峰輔助服務需求計算方法

李 婷

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基于等效負荷率分析的風電場調峰輔助服務需求計算方法

李 婷

（廣西機電職業技術學院，南寧 530007）

當前，以風電為代表的新能源快速發展。電網調峰能力不足已成為限制風電消納的主要因素。組織調峰輔助服務市場，形成市場化的調峰輔助服務價格機制，成為激勵傳統電源調峰積極性的重要途徑，調峰輔助服務需求是風電場參與調峰輔助服務市場的重要基礎。本文引入等效負荷率指標，從預期收益角度出發分析風電場調峰公平性；以此為基礎，提出了基于等效負荷率分析的風電場調峰輔助服務需求計算方法，以支撐風電場參與市場交易；最后基于IEEE-30節點系統構造算例驗證了本文所提出方法的有效性。

風電場；調峰能力；等效負荷率；調峰輔助服務

電網調峰能力不足已成為限制風電等新能源消納的主要因素。各省區都在積極探索調峰輔助服務市場化機制，以激勵傳統電源參與調峰，提升風電消納能力。風電場調峰輔助服務需求則是開展調峰輔助服務市場化交易的重要依據。

所謂風電場調峰輔助服務需求是全網調峰輔助服務需求按照一定規則在各風電場分攤所得的結 果[1-2]。按照“三公調度”基本要求，分攤過程必須符合公平原則。然而，以那個指標作為公平性評價的標準則成為該領域研究的焦點。文獻[3]介紹了東北電網電力調峰輔助服務市場的基本情況，該市場本質上是一個單邊市場，風電場調峰輔助服務未能得到準確度量。文獻[4-5]提出了一種促進風電利用的調峰輔助服務交易機制，其核心思路是按照各風電場棄風電量相等的原則分攤調峰輔助服務需求。文獻[6-7]進一步考慮風電等新能源的裝機容量，按照裝機容量比例將調峰輔助服務分攤。文獻[8-9]在分攤全網調峰輔助服務需求時，則從棄風電力角度出發，要求各發電集團風電場的各時段的棄風電力相同。文獻[10]重點研究了區域電力市場輔助服務補償機制，提出了不同區域風電消納程度相同的量化評價標準。

上述評價方法從不同側面出發，豐富了風電場調峰輔助服務需求的研究內容。然而從實際執行情況來看，均存在不同程度的風電場棄風損失分攤不均的問題。為此本文從經營效益角度出發，首先引入等效負荷率指標，提出了風電場棄風下的等效負荷率計算方法；以此為量化標準，提出了風電場調峰輔助服務需求計算方法；最后以某省實際數據構造算例，驗證了本文所提出方法的有效性。

1 調峰輔助服務需求基本概念及作用

雙邊調峰輔助服務市場中交易對象為風電場和燃煤電廠，交易標的為調峰輔助服務。風電場、燃煤電廠分別為交易標的的購買方和提供方，分別申報價格、容量[2-4]。當前我國已開展的調峰輔助服務市場中，其基本實施流程如圖1所示。可以看出，風電場調峰輔助服務需求計算位于市場組織前端，實際上各風電場調峰輔助服務需求是開展雙邊交易的基礎數據。

圖1 調峰輔助服務市場實施流程

由于調峰輔助服務由電力系統整體供需關系決定，因此各風電場的調峰輔助服務需求是由全網調峰輔助服務需求按照一定規則分攤計算得到[1]的。全網調峰輔助服務需求的計算方法已經是較為成熟的技術，而當前分攤原則與算法則成為各風電場爭論的焦點。不同的分攤計算將對風電場調峰輔助服務市場交易效益產生較大影響。

2 等效負荷率的概念與定義

2.1 傳統電源負荷率

傳統的負荷率主要用于火電、核電等傳統電源的設備利用效率[11-12]，其定義如下：

負荷率指標能夠準確反映出傳統電源的設備利用水平，進而可用于不同電源的橫向效益對比，在調度運行效益評價領域該指標應用廣泛。

2.2 風電場等效負荷率

當傳統電源的負荷率指標直接用于風電等新能源時，存在明顯問題，體現在風電場的裝機容量并不代表其實際能夠達到的最大發電能力。在各時段，風電場的實際發電能力主要由其來風、濕度等氣象環境因素決定。而量化各時段風電場實際發電能力的指標為其風功率預測值。

3 風電場調峰輔助服務需求計算方法

3.1 優化目標

本文所提出的風電場調峰輔助服務需求計算方法的優化目標為，各風電場的棄風電力偏差盡可能小，該目標函數可表示如下：

3.2 約束條件

1）風電場棄風電力約束

風電場棄風電力約束是指風電場的風功率預測、棄風電力、風功率出力計劃應滿足等量關系，可表示為

2）風電場等效負荷率約束

風電場等效負荷率約束是指各風電場的等效負荷率在其統計周期內應相同，該約束可表示為

3）風電場計劃出力約束

風電場計劃出力約束是指由電網運行方式決定的各風電場在各時段出力的特殊限制，可表示為

4）電網引起的出力偏離約束

電網引起的出力偏離約束用于量化由于約束項（3）所導致部分風電場的計劃出力將發生的改變程度，可表示為

3.3 模型特點

從數學上講，該模型屬于線性規劃問題，具有較高的求解效率和求解精度。而從實際計算來說，相對于棄風電力平均分配或棄風電量平均分配等方法，具有如下兩個方面的顯著優點。

1）從經營效益的層面出發，能夠保證其收益的公平性。無論棄風電量還是棄風電力，由于不能直接反映各風電場的收益影響程度，因此不同場景下各風電場經濟利益都不能有效得到公平對待。這一客觀實際是傳統方法導致爭議的重要原因。而采用等效負荷率分攤的方法，分攤結果能夠保證在統計周期內各風電場的等效負荷率相同，而等效負荷率實際反映了其發電設備利用程度，因此能夠反映其收益相當。

2）能夠促進風電場提升其風功率預測精度，避免風電場蓄意瞞報或者謊報風功率預測。當風電場蓄意增加其預測值時，所分擔的調峰輔助服務需求更多，意味著需要支付更大的交易成本；而降低其預測值時，則不能存在較大的棄風壓力。因此，該方法本質上能夠激勵各風電場提升其預測精度和風功率控制水平。

4 算例分析

本文將以IEEE-30節點系統為基礎構造算例，來驗證所提出方法的有效性。IEEE-30節點系統網絡結構圖如圖2所示，其中節點1、節點2、節點5、節點8、節點11、節點13為風電場接入點。

圖2 IEEE-30節點系統

系統負荷預測曲線如圖3所示。

圖3 系統負荷預測曲線

各風電場存在的出力限制情況見表1。經過本計算方法的優化計算，3個風電場的棄風電力和等效負荷率相同，能夠保證其經濟收益的公平性。

表1 風電場運行信息表

為進一步說明本文所提出方法在保證各風電場利益一致性上的顯著效果，按照文獻[5]所提出的方法，重新對各風電場的調峰輔助服務需求進行分攤，以保證其棄風電量相同，優化結果見表2。可以看出，按照等棄風電量的標準，部分裝機容量小、電量低的風電場承擔相同的調峰輔助服務需求后負荷率出現負值，這意味著作為電源，該風電場不僅不能發電，而且必須在市場上購買其他風電場所提供的調峰輔助服務。這將直接導致規模小的風電場陷入嚴重的經營困境，顯然不符合公平原則。

表2 文獻[5]測算效果

對照表1、表2所示數據不難發現，本文所提出方法在經營效益方面的公平性本質特征，驗證了本文所提出的模型兩方面的特點。

5 結論

本文圍繞風電場調峰輔助服務需求計算問題，在傳統火電、核電等所采用的負荷率指標基礎上加以改造，并提出了適用于風電場的等效負荷率指標?；谠撝笜颂岢隽孙L電場調峰輔助服務需求計算方法，在計算求解中考慮了電網運行方式所造成的時段出力限制等問題，保證了統計周期內各風電場的等效負荷率相同，進而提升了經濟收益的公平性。

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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，黑龍江訥河人，碩士，講師，從事發電調度和電網運行方式管理工作。

廣西高校中青年教師基礎能力提升項目（KY2016YB653）