水电承担调频辅助服务补偿额度测算研究

王建华，尹林果，黄炜斌，马光文，夏利名

(1. 国家能源大渡河公司，四川 成都 610041；2. 四川大学水利水电学院，四川 成都 610065；3. 四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川 成都 610065)

0 引 言

以风电和光伏为代表的可再生能源大量并网后，电力系统对调频辅助服务的需求急剧增加[1]。火电机组参与调频会导致机组磨损、增加煤耗，而且火电机组响应速度慢，调频能力十分有限[2]。相比于燃煤机组，水轮机组启动速度快，开停机迅速，频繁启停机不会消耗过多能量，能在较大的负荷变化范围内保持较高效率运转，因此水电站是承担调频辅助服务的主力电源。

调频辅助服务是维持电力系统实时平衡与安全可靠运行的基础[3- 4]。目前，已有大量关于调频辅助服务的研究。文献[5]基于德州电力数据，分析不同电储能设备的特性，并对其参与调频辅助服务的经济性进行评估；文献[6]提出基于PJM市场机制的含有储能RIES的优化模型可以在满足系统常规备用的同时参与调频市场，实现利润最大化；文献[7]就各个国家的辅助服务发展过程进行对比，针对我国辅助服务给出市场机制设计建议；文献[8]构建适用于华北地区的辅助服务市场竞价模型，对鼓励高性能机组参与调频辅助服务起到积极作用；文献[9]构建基于引发责任的调频成本分摊机制，提高电力系统运行的稳定性和经济性；文献[10]总结近年储能参与辅助服务的政策及案例，探究了储能参与调峰调频的补偿机制。

由上述文献可知，目前调频辅助服务大多是关于火电调频、电储能调频、调频辅助服务市场等方面的研究。涉及水电机组参与调频辅助服务方面的文章较少，但水电机组参与调频辅助服务需预留出较大备用容量，导致水电站不能根据市场实际需求以其最大发电能力参与电力市场，从而造成较大经济损失。因此，需对水电机组参与调频辅助服务进行成本分析以及补偿额度测算。

1 调频辅助服务成本分析

1.1 备用容量统计

按照电网负荷峰段、谷段与平段的区别，电网需预留出的负荷备用也不相同。在保证整个电网安全运行前提下，电网负荷备用一般为全电网负荷2%～5%，当全网备用负荷确定之后，调度人员根据电网各时段所需要的负荷备用分摊给水电站等承担备用任务的电站。

对于某一具体水电站在负荷峰平谷段应承担的负荷备用计算公式分别如式(1)、(2)和式(3)所示

(1)

(2)

式中，NF，j表示第j个水电站在负荷平段期应承担的负荷备用；H表示计算日小时数；Ei表示第i时刻的电网负荷需求量；β2为电网在负荷平段期所需负荷备用比例；λ2，j表示第j个水电站在负荷平段期应承担负荷备用比例。

(3)

1.2 备用耗水率统计

水电机组既要完成电网中心给定负荷任务，又要承担负荷备用，必然产生非发电出库水量，称备用耗水率，通过水电机组的空载流量进行近似计算，计算公式为

(4)

式中，N′max为水电站单机可调出力；N(H)为根据水电站水头出力曲线获得的当前水头下可能出力。

进而可计算出水电站空载机组近似台数K为

(5)

式中，Nx为上文所确定的备用容量。

基于上述计算和水电站空载流量曲线，计算水电站空载流量用以近似代表备用耗水率，计算公式为

1.3.2 心血管外科。1）大血管支架：目前进口产品主要是美敦力支架，国产的主要是深圳先建品牌。其材质都是镍钛合金。其说明书对磁共振的检查都有详细的说明，目前主要是适用在1.5T或3.0T设备检查

Qk=k·Qkz(H)·t

(6)

式中，Qkz(H)为水电站在水头H下的空载流量；t为时长。

1.3 备用损失电量统计

平均耗水率λ是每发1 kW·h电量时流过水轮机的水量，计算公式为

(7)

式中，Q为水量；E为发电量。

在备用耗水量计算基础上，统计各月平均耗水率，以平均耗水率计算公式即可反推备用损失电量。

2 算例分析

2.1 流域及电站情况简介

大渡河上游至中游8座电站构成的梯级电站群总装机11 095 MW，占四川统调装机的16%，占大渡河干流规划河段总装机的47.4%，其中瀑布沟为不完全年调节水库，大岗山为日调节水库。瀑布沟及大岗山水电站离负荷中心近、装机容量大，因而在四川电力系统中主要担任调峰、调频及事故备用等辅助服务任务，当系统内出现负荷扰动时，进行功率调整，保持功率平衡，为保障四川电网安全稳定运行作出巨大贡献，但因电网调频需要，瀑布沟及大岗山水电站常年都有较大的备用损失电量，因此需给予瀑布沟及大岗山水电站一定损失补偿。

2.2 备用容量结果分析

本文以2018年四川电网负荷需求数据为基础统计分析瀑布沟和大岗山电站备用容量情况，据四川电网运行数据知，电网负荷峰段时间为7∶00～11∶00及19∶00～23∶00，负荷平段时间为11∶00～19∶00，负荷谷段时间为23∶00～次日7∶00。电网各时段负荷备用比例分别取为β1=4%、β2=3%、β3=3%，经验权重分别取为α1=0.9和α2=1.1。基于前文计算原理和上述数据资料，瀑布沟及大岗山水电站2018年各月备用容量计算结果如图1所示，四川电网2018年日负荷极值和平均值如图2所示。

图1 瀑布沟及大岗山电站各月备用容量情况

图2 四川电网日负荷极值情况

结合图1和图2可以看出，两电站各月备用容量与电网负荷需求水平高度相关。当四川电网负荷需求水平处于全年最高时，瀑布沟和大岗山电站的备用容量也达到最大；当四川电网负荷需求水平处于全年最低时，瀑布沟和大岗山电站的备用容量也相应降到最低。这是因为瀑布沟和大岗山水电站需要根据电网负荷需求进行备用容量的增减，给电力系统的供电质量提供保障，使其能安全稳定运行。

2.3 备用耗水量结果分析

根据瀑布沟及大岗山电站2018年机组日运行数据结合上文计算原理，统计计算瀑布沟及大岗山电站2018年各月备用耗水量结果如图3所示。

图3 瀑布沟及大岗山备用耗水量计算结果

由图3可知，瀑布沟电站全年耗水量损失达33.36亿m3，月平均耗水量2.78亿m3。其中8月备用耗水量达3.17亿m3，为全年最大值，而瀑布沟电站备用容量在8月达到最大，两者峰值时间点一致。瀑布沟电站备用耗水量全年最小值出现在6月，但备用容量在2月降到最低，两者低谷时间点并不相同，这是因为备用耗水量不仅与备用容量有关，还与当月机组运行状态相关。大岗山水电站全年耗水量损失为20.79亿m3，月平均耗水量1.73亿m3。大岗山电站备用耗水量与备用容量计算结果相一致，最大值和最小值分别出现在8月与2月，说明备用容量的大小决定着备用耗水量的大小。

2.4 备用损失电量结果分析

利用备用耗水量结果和式(7)计算出瀑布沟和大岗山电站各月损失电量如表1所示。

由表1可知，瀑布沟电站全年备用损失电量达10.33亿kW·h，备用损失电量极值点分别出现在6月与8月，与备用耗水量极值时间点相一致。大岗山电站全年备用损失电量7.19亿kW·h，备用损失电量极值点分别出现在2月与8月，与备用耗水量极值时间点相一致。

表1 瀑布沟、大岗山电站各月损失电量 亿kW·h

2.5 补偿额度测算

我国大部分地区对参加调频的机组进行补偿一般是按统一标准计算，但由于机组性能不同导致参与调频时所做贡献也不相同，按统一标准进行补偿，对调频性能较好的机组并不公平[11]，因此需重新设计瀑布沟及大岗山电站补偿方法，思路如下：

(1)对瀑布沟及大岗山电站的损失电量进行补偿，补偿电价按峰、平、谷3个时期进行确定。

(2)丰水期损失电量按四川省发改委关于降低丰水期水电标杆上网电价的通知(川发改价格[2017]234号)中规定的8厘/(kW·h)进行补偿，文件规定四川省丰水期为6月～10月。

(3)其余时期损失电量按瀑布沟及大岗山同期上网电价确定，根据四川省发改委关于再次降低四川电网一般工商业用电价格等有关事项的通知(川发改价格[2019]257号)，瀑布沟及大岗山电站批复电价分别为0.346 0元/(kW·h)和0.297 4元/(kW·h)。

基于上述补偿原则，并结合瀑布沟及大岗山备用损失电量计算结果，计算得到瀑布沟及大岗山电站具体补偿额度如表2所示。

表2 瀑布沟及大岗山电站备用损失电量补偿额度结果 亿元

由表2可以看出，按照补偿原则进行计算，瀑布沟电站在丰水期应补偿0.037亿元，其余时期应补偿2.001亿元，全年应补偿2.038亿元，而实际补偿金额为1 336万元，仅为应得补偿的6.56%；大岗山电站在丰水期应补偿0.025亿元，其余时期应补偿1.192亿元，全年应补偿1.217亿元，而大岗山电站AGC补偿费用为365万元，汛期优先电量5.2亿kW·h，按照丰水期电价计算大岗山电站获得的补偿金额为4 525万元，仅为应得补偿的37.17%。由此可以看出瀑布沟电站和大岗山电站调频实际补偿额度远没有达到应得补偿标准。

3 结 论

(1)承担调频任务的水电站各月备用容量趋势与电网负荷需求趋势相一致，电网负荷需求变化导致电站备用容量变化以保证电力系统安全稳定运行。

(2)水电站承担调频辅助任务会因预留备用容量而导致巨大电量损失，因此应给予调频电站适当经济补偿。按本文设计补偿原则计算，瀑布沟电站全年应得补偿金额为2.038亿元，实际补偿金额为1 336 万元，仅为补偿标准的6.68%。大岗山电站全年应得补偿金额为1.217亿元，实际补偿金额为4 525 万元，仅为补偿标准的37.17%。两电站实际补偿金额远小于应得补偿费用，每年都因参加调频辅助任务造成巨大经济损失。