考虑不同电源运行特性的电网有偿调峰辅助服务需求计算方法

王光辉， 王欣， 匡洪辉， 朱国锋(.国网青海电力调控中心，青海 西宁　80000；.北京清大科越科技有限公司，北京 00084)

0　引　言

电网有偿调峰辅助服务需求是指电力系统运行过程中为满足电力电量平衡要求，不同时刻所需要发电机组提供的有偿调峰辅助服务容量[1-2]。电网有偿调峰辅助服务需求是调峰辅助服务市场交易竞价的标的，准确计算该需求是高效组织调峰辅助服务市场交易的重要技术保障[3-4]。

近年来，围绕调峰辅助服务需求的计算问题，我国开展了大量理论研究和实践分析。文献[5]考虑风电功率预测，提出了电网静态调峰能力评估方法；文献[6-7]考虑了热电联产机组的运行特性，提出了电网调峰能力测算方法；文献[8]分析了常规电源开机方式与系统调峰能力的关系；文献[9]基于调峰能力分析提出了电网弃风情况评估方法，其调峰能力分析也主要基于静态分析；文献[10]提出了风电并网系统低谷时段的调峰能力分析方法。

必须指出的是，我国电力市场所面临的调峰辅助服务问题，其根本原因是我国《并网发电厂辅助服务管理实施细则》等政策文件中对不同类型的电源出力上下限作了规定[11]。不同类型电源运行特性不同，有偿调峰辅助服务需求计算中必须结合电力系统装机结构和开机方式，分析不同时段的运行要求。

为此，本文将深入分析不同类型电源的运行特性，重点分析燃气、水电等具备日内启停条件的电源在低谷停机调峰期间的运行限制；在此基础上，结合电力电量平衡要求，提出了考虑不同类型电源运行特性的电网有偿调峰辅助服务需求计算方法；最后基于我国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　不同类型电源运行控制特性分析

1.1　调峰辅助服务的基本要求

按照我国《并网发电厂辅助服务管理实施细则》中相关规定，电力调峰辅助服务分为基本(无偿)调峰辅助服务和有偿调峰辅助服务。

基本调峰辅助服务是不同类型电源必须无条件提供的调峰服务，不同类型的电源其调峰要求不同。对于并网运行的燃煤机组，其基本调峰辅助服务一般为其技术经济运行下限，我国绝大部分地区规定燃煤机组调峰深度为额定容量的50%；风电、光伏、径流式小水电视为不具备调峰能力的电源，可以不承担调峰任务；核电厂暂不具备日内调峰辅助服务能力；非径流式小水电、燃气机组则要求具备低谷期间停机调峰的能力。不同类型电源基本调峰辅助服务的出力调节范围详见表1。

表1　不同类型电源基本调峰能力

当电网调峰需求超过上述电网基本调峰能力范围时，则需要进行有偿调峰。考虑到当前负荷侧响应在我国应用还比较有限，现阶段主要手段包括：

1)燃煤机组深度调峰

燃煤机组深度调峰是指在低谷时段，燃煤机组低于其最小技术出力运行以配合电力系统调峰。通常用调峰深度来衡量其深度调峰程度，该指标计算公式为：

(1)

2)燃煤机组启停调峰

燃煤机组启停调峰是指在低谷时段，燃煤机组停机，降出力为0，配合电力系统调峰。由于启停调峰时间较长，对燃煤机组设备影响较大，因此在我国日内调度运行中应用较少。

3)低谷时段增加外送

低谷时段增加外送是通过增加低谷时段的外送电力、增大负荷侧需求，来等效调峰的手段。其调整能力与省间送受电协议等关系密切。

1.2　电网基本调峰能力分析

电网基本调峰能力是用于反映电网基本调峰辅助服务能力的重要指标。在传统的静态分析中，该指标是指在不考虑外送电计划调整的前提下，电网不同类型电源在高峰时段的最大出力与低谷时段各类机组提供基本调峰服务下最小出力的差，可表示为：

(2)

上述静态分析中，实际上参照了《并网发电厂辅助服务管理实施细则》中对于燃气、非径流式水电可停机调峰的规定。但是实际运行过程中，上述类型电源低谷停机调峰还需要遵循其他运行约束，主要包括：

1)电网及水库安全约束

低谷时段电网断面阻塞较少，主要的安全约束为部分水电、燃气机组需要开机配合调压的运行限制。此外，部分水电厂为保证生态流量和航运要求，必须在低谷时段保持一定的出力。这种情况下，水电和燃气只需要带最低有功技术出力，该约束可表示为：

(3)

2)水电发电量约束

为保证水电正常运行，避免由于调度安排不恰当造成的弃水，水电厂在汛期均有发电量约束，以保证充分降低库存。该约束可表示为：

(4)

对照上述约束限制可以发现传统的静态电网基本调峰能力分析方法容易出现高估的情况，准确的分析电网基本调峰能力必须做到以下两个方面：细致考虑水库运行和电网运行约束，留足必须开机的水电与燃气；在全天合理安排水电发电，避免由于发电量不满足要求导致低谷时段水电厂停机弃水的情况发生。

常规PID控制只能利用一组固定参数进行在线控制，这些参数不能兼顾动态性能和静态性能、设计值和抑制扰动之间的协调。为此，控制系统引入模糊控制，在常规PID控制器初值的基础上通过对其参数进行在线修改，以满足不同误差和误差变化率对控制参数的不同要求，可使被控对象有良好的动、静态性能。

模糊PID控制结构是一类被广泛应用的PID控制器，该控制器一改传统PID控制器固定参数Kp、Ki、Kd的控制策略，提出了可以跟踪误差信号等动态改变PID控制器参数的方法，达到改善控制效果，扩大应用范围的目的。

由模糊逻辑整定PID控制器的表达式为:

(5)

2　电网有偿调峰需求计算方法

2.1　计算流程

基于上述机组调峰能力和电网基本调峰能力的分析，本文所提出的电网有偿调峰需求计算实施流程如图1所示。

图1　电网有偿调峰需求计算流程

上述计算流程包括汇总基础数据、发电计划预编制、协调低谷外送和计算有偿调峰需求4个步骤。

1)发电计划预编制

基于上述对不同类型电源的运行特性分析，充分考虑非径流式水电、燃气的停机要求，在不安排燃煤机组深度调峰的前提下进行发电计划预编制。统计该情况下的低谷时段因调峰能力不足导致的弃风电力及对应时段。

该部分模型见本文2.2节。

2)协调低谷外送

对于存在低谷弃风的时段优先通过协调外送的方式予以解决。

当弃风时段通过协调增加的外送电力超过因调峰能力不足导致的弃风电力时，则增加外送后弃风消除。

3)计算有偿调峰需求

当通过协调外送点计划仍不能满足弃风电力需求时，则通过统计低谷时段的弃风情况，评估所需的有偿调峰需求。

该评估方法见本文2.3节。

2.2　发电计划预编制模型

发电计划预编制模型的目标函数为弃风电量最小，可表示为：

(6)

所考虑的约束条件包括：

1)电力平衡约束

可表示为：

(7)

2)出力范围约束

可表示为：

(8)

3)非径流水电及燃气停机约束

非径流式水电、燃气所需要满足的电网、水库安全约束和水电发电量约束，详见式(3)、式(4)。

4)调度公平性约束

调度公平性约束是指当低谷调峰不足必须通过弃风满足电力平衡时，要求对不同风电场的弃风率相同，可表示为：

(9)

(10)

2.3　测算方法

图2　深度调峰需求示例

经过发电计划预编制模型求解，可以得到在低谷时段由于基本调峰能力不足所产生的弃风电力曲线，如图2中曲线PW所示。经过协调外送计划，低谷时段增送电力如图2中曲线PO所示。则深度调峰需求为图2中曲线PW和曲线PO所围成空间S1。

需要特别说明的是，深度调峰需求并不是电量，而是一系列电力数值。

3　模糊切换方法设计

3.1　基础数据

图3　IEEE-30节点系统

本文将在IEEE-30节点系统基础上构造算例，已验证本文所提出方法的有效性。IEEE-30节点系统网架接线如图3所示。

为验证本文所提出的方法有效性，在该系统基础上设计的电源类型及其特性参数如表2所示。风电在算例中其出力由预测曲线决定，故不涉及最大技术出力和最小技术出力，其预测曲线如图3所示。

表2　不同类型电源基本参数

3.2　结果分析

图4　风电预测曲线

设计两种非径流水电发电量限制条件：(1)发电量不低于4 500 MWh；(2)发电量不低于1 000 MWh。基于发电计划预编制，两种情况下，非径流水电厂发电曲线如图4所示。

规定外送电计划不能调整，则对应的弃风曲线如图5所示。可以发现情况(1)下由于水电发电量限制，其低谷时段不满足停机条件，使得基本调峰能力不足，导致弃风电量超过情况(2)。而实际上，图6中弃风电力曲线就是两种情况下的深度调峰需求。

图5　非径流式水电发电计划曲线

图6　有偿调峰需求曲线

4　结束语

本文细致分析了不同类型电源的运行特性，重点研究了非径流式水电和燃气两种电源停机调峰的运行约束条件。在此基础上提出了考虑不同电源类型的电网调峰需求计算方法。基于该方法的算例表明,当由于运行特性限制导致低谷时段非径流式水电或燃气机组不具备停机条件时，将会导致基本调峰能力不足，深度调峰需求增加的情况，也启示在发电计划编制时需要合理分配电厂电量，避免由于电量约束导致基本调峰能力不足的情况发生。

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[10] 杨冬锋,周苏荃,鲍锋，等.风电并网系统低谷时段的调峰能力分析[J].电网技术,2014,38(6):1446-1451.

[11] 国家电监会. 关于同意印发实施发电厂辅助服务管理及并网运行管理实施细则的通知: 电监市场[2008]53号[A]. 北京: 国家电监会, 2008.