风电企业与蓄热电采暖联合参与调频市场的运营模式

于 娜，何远舰，黄大为，崔 晗，张志鹏，姜明磊

（1.现代电力系统仿真控制与绿色电能新技术教育部重点实验室（东北电力大学）,吉林省吉林市 132012；2.国网吉林省电力有限公司计量中心,吉林省长春市 130021；3.国网吉林省电力有限公司经济技术研究院,吉林省长春市 130000）

0 引言

2020 年,国家能源局《关于建立健全清洁能源消纳长效机制的指导意见》中指出,应鼓励推动电储能建设,提升风电的调节能力以促进清洁能源高质量发展［1-2］。“十四五”时期将增加可再生能源上网电量比例,降低碳排放强度,在2030 年达到碳排放峰值［3］。在可再生能源比例不断增加的前景下,伴随着中国现货电力市场改革的推进,辅助服务市场改革也得到快速发展,中国正在逐步通过市场机制引导储能等快速调节资源来维护系统安全可靠运行,建设支撑源荷两侧协同互动运行的交易模式［4］。

在美国调频辅助服务市场中,将调频需求按负荷比例分摊给负荷服务商,利用自身调频资源或与第三方签订合同来履行其调频责任,辅助服务责任正在由负荷侧向电源侧转移［5］。文献［6］在风电与蓄热电采暖联合运行模式下,构建了蓄热电采暖负荷聚合商的需求响应策略。结果表明,负荷侧资源提高了风电企业的调节能力,使可再生能源企业承担一定的辅助服务责任,减少了可再生能源出力波动性。目前,中国的辅助服务费用在发电企业间按各发电厂上网电量或电费的比例进行分摊［7-9］。文献［10］指出,用户侧电储能设施可与风电、光伏企业协商开展双边交易为电网提供辅助服务,促进可再生能源企业履行其辅助服务责任。文献［11］设计了储能与电采暖用户参与调峰辅助服务市场的规则,提出了负荷侧资源参与调峰市场出清、结算和分摊的原则与方法。结果表明,负荷侧资源在有效的市场机制下改善了风电的反调峰特性,促进了新能源消纳。电极式电锅炉具备响应速度快、可频繁调节的能力［12］。文献［13］阐述了电极式蓄热电锅炉的快速响应特性,表明电极式蓄热电锅炉可参与电网调频。文献［14］设计了电极式电锅炉参与电网调频的日前优化调度方法,电极式电锅炉参与电网调频可有效提高运营商收益,对推进电热综合能源系统发展具有重要意义。在清洁能源政策下,风电与蓄热电采暖用户联合运营成为研究热点［15］。文献［16］分析了蓄热电采暖运行特性,设计了风电与蓄热电采暖用户联合运营模式。结果表明,蓄热电采暖用户为风电企业提供辅助服务,实现了风电的高效、安全、绿色消费。

本文提出一种风电企业与蓄热电采暖用户联合参与调频市场的运营模式,构建了风电与蓄热电采暖用户联合优化决策模型,并通过算例分析了模型的帕累托解集,论证了所提运营模式的可行性,同时分析了合同签订电能与调频容量价格对运营策略的影响。本文所述模式对建立电力市场源荷双边交易模式起到了衔接和过渡作用,有助于清洁能源消纳与负荷侧资源参与调频辅助服务市场,促进调频辅助服务市场主体培育与辅助服务市场的良性发展。

1 构建联合运营模式的基本思路

目前,中国的东北地区已经实施了风电企业与电采暖用户之间的分时段电能双边交易,电采暖用户可与风电企业协商开展双边交易,在一定程度上为蓄热电采暖用户提供了发挥其灵活调节能力并获取利润的机会。本文在已有的电能双边交易模式基础上,扩展到调频辅助服务双边交易,以每15 min为一个交易时段,风电企业与电采暖用户协商各时段的电能价格,以及电采暖用户为风电企业提供调频备用的价格。确定每日各时段的交易电量与蓄热电采暖用户提供的调频备用容量,由风电企业代理参与调频辅助服务市场。联合运营模式如图1 所示,其中风电企业配置了电储能,蓄热电采暖由电锅炉与蓄热罐组成,如下方红色虚线框所示,二者构成联合主体参与调频市场。

图1 风电企业与蓄热电采暖用户联合运营模式Fig.1 Combined operation mode of wind power enterprises and regenerative electric heating users

2 风电与蓄热电采暖用户联合运营优化模型

2.1 电采暖用户独立参与调频市场运行成本分析

在清洁能源供暖政策下,蓄热电采暖用户以分时电价的方式从风电企业处购电,同时蓄热电采暖用户独立参与调频辅助服务市场,以运行成本最小为优化目标。

2.1.1 独立运营模式下的目标函数

2.1.2 独立运营模式下的约束条件

1）电功率约束

蓄热电采暖用户运行功率应在额定范围之内。蓄热电采暖属于一类可转移负荷,只需改变电能使用的时间,保持周期内总用电量不变,从而使热负荷需求不受影响。

3）功率平衡约束

蓄热电采暖用户的运行应确保各时段的热负荷需求。

5）调用调频备用时的功率平衡约束

当蓄热电采暖用户申报的调频备用全部被调用时,蓄热电采暖用户应保证各时段的供暖需求。

2.2 联合运营模式下电采暖的运行成本

在联合运营模式下,蓄热电采暖用户与风电企业签订双边合同,风电企业在低谷时段降低其电能价格,促使电采暖用户向风电企业提供调频服务。

2.2.1 联合运营模式下的目标函数

2.2.2 联合运营模式下的约束条件

联合运营模式下的蓄热电采暖用户运行约束条件与独立参与调频市场时相同。

2.3 联合运营优化模型

2.3.1 优化模型目标函数

联合运营优化模型的主要目标是最大化减少蓄热电采暖用户的运行成本与增加风电企业利润。根据文献［17］,该目标可视为基于多目标的帕累托最优规划,子目标分别为风电企业利润与蓄热电采暖用户的成本减少最大化。若两个子目标函数值均优于电采暖用户独立参与调频市场时的风电企业利润与电采暖用户成本,则此时的解称为可行解,对应的解集构成联合运营模式下的帕累托前沿,建立如式（15）所示的目标函数。

式中:α为权重因子；Be为风电企业的电量收益；Br为风电企业的调频收益；Cc为调用储能的寿命折损费用；Cd为风电企业承担的出力偏差惩罚；Cf为蓄热电采暖用户运行成本减少程度。各项表达式如下所示。

1）风电企业的电量收益

风电企业除了向蓄热电采暖用户售电、为电储能充电外,剩余电量上网并被电网接受。

5）蓄热电采暖用户成本效益

联合运营模式下,蓄热电采暖用户运行成本得到减少是联合运营模式可行的必要条件。

2.3.2 优化模型约束条件

约束由式（2）—式（13）以及储能约束与调频备用约束组成。

1）储能充放电约束:

4）调频备用需求约束:风电企业需要承担调度中心下发的调频备用责任。

3 算例分析

3.1 算例设置

建立风电企业和蓄热电采暖用户1 天内96 时段提交的输出功率和热负荷需求数据,见附录B图B1。风电企业配置电储能参数见表B1。蓄热电采暖用户的运行参数见表B2。两种运营模式下的电采暖用户电能使用价格及时段划分见表B3。模型中的调频市场每15 min 出清一次,设各时段出清的调频容量价格均为20 元/MW,调频里程价格为15 元/MW,单位调频备用容量的调频里程因子取2.75,双方协商的各时段调频备用容量价格为40 元/MW。风电上网电量价格可参考国内风电上网电价520 元/（MW·h）,偏差惩罚价格为980 元/（MW·h）,权重因子取0.4。

3.2 计算结果与分析

3.2.1 联合运营模式的合理性分析

计算在电采暖用户独立参与和联合风电企业参与调频市场两种情况下,蓄热电采暖用户的运行成本与风电企业的利润,分别如表1 和表2 所示。

表1 不同运营模式下的蓄热电采暖用户运行成本Table 1 Operation cost of regenerative electric heating users in different operation modes

表2 不同运营模式下的风电企业利润Table 2 Profit of wind power enterprises in different operation modes

由表1 可知,蓄热电采暖用户独立参与调频市场时会获得较高的调频收入,同时用电成本较高；在联合运营模式下,蓄热电采暖用户用电成本降低,但获得的调频收入有限,总体上联合运营模式下蓄热电采暖用户的运行成本得到减少。

由表2 可知,在联合运营模式下,风电企业的利润提高,会牺牲部分售电收入来置换蓄热电采暖用户提供的调频备用,而风电企业在调频市场上提供的调频备用增加,调频收入提高,减少了由储能承担的调频备用责任,从而储能寿命损耗降低,其留有更多容量跟踪风电出力。如图2 所示,联合运营模式下,风电并网功率在大部分时段逼近所提交的输出功率,承担的偏差惩罚费用减少。综上所述,联合运营模式可使双方达到互利互赢。

图2 联合运营模式下的风电出力Fig.2 Wind power output in combined operation mode

取权重因子为0～1,得到风电企业利润增加量与电采暖用户成本减少量如图3 所示。可见,权重因子在0.20～0.54 时,风电企业利润增加量与电采暖用户成本减少量均大于0,即可认为二者的效益均得到提升,此时各权重因子对应的各时段成交电量与调频备用容量组成联合运营策略的帕累托前沿。由此可以证明,存在一定的运营策略使得联合双方效益增加,验证了所提运营模式的有效性。

图3 蓄热电采暖用户成本和风电企业利润对比Fig.3 Comparison of cost of regenerative electric heating users and profit of wind power enterprises

3.2.2 价格对运营策略的影响分析

联合运营模式下,通过设置不同的电能价格ρ͂ebt与调频备用容量价格γt,分析其对联合运营模式的影响,取低谷时段的电能协商价格变化区间为0～540 元/（MW·h）,调频容量协商价格变化区间为0～70 元/MW。

风电企业利润增加量和电采暖用户成本减少量随两个价格变化的关系分别如图4 和图5 所示。找出使二者效益均提高的公共电价区间,定义联合运营模式的效益为二者效益在公共电价区间内的和,联合运营效益如附录B 图B2 所示,图中的黄色区域在价格平面上的映射即为联合运营模式的可行价格区间,具体映射部分如附录B 图B3 所示。可见,在黄色区域内联合运营模式可行,在两条虚线的交点处为电采暖用户独立参与调频市场的运营模式,而在虚线区域之外,联合运营模式不可行。

图4 风电企业利润增加量变化Fig.4 Changes in profit increments of wind power enterprises

图5 蓄热电采暖用户成本减少量变化Fig.5 Changes in cost reduction of regenerative electric heating users

储能主要参与调频还是减少出力偏差取决于调频市场出清价格和风电出力偏差惩罚价格。添加调频辅助服务出清价格因子λr与偏差惩罚价格因子λd,分别表示调频辅助服务出清价格与偏差惩罚价格的变化比值。目标函数式（17）改为:

改变λr的变化范围为0～8,λd为1 不变。从附录B 图B4（a）与（b）中可以看出,储能参与调频的总电量共有3 种情况:调频价格因子在0～3 时,储能参与调频的运行策略存在两组不同的最优解,主要用于减少风电出力偏差；调频价格因子在3～6 时,储能可同时用于减少出力偏差和参与调频；调频价格因子大于6 时,储能参与的调频电量增加,此时风电企业受到的偏差惩罚较大。

取偏差惩罚价格因子为0～4,调频价格因子为0～8,如附录B 图B5（a）所示,偏差惩罚对风电企业收益影响较小,调频市场的出清价格比偏差惩罚价格对风电收益的影响大；如图B5（b）所示,随着偏差惩罚价格的增加,储能参与调频电量的下降趋势更为明显,偏差惩罚价格对储能参与调频电量的影响更大。

4 结语

本文从风电与蓄热电采暖用户的成本效益角度出发,建立了风电与蓄热电采暖用户联合运营优化模型。算例分析结果表明:

1）在联合运营模式下,蓄热电采暖用户为风电企业提供了调频备用,减少了储能参与调频的电量,降低了储能寿命损耗,风电出力偏差惩罚减少,风电企业的利润提高；蓄热电采暖用户为风电企业提供调频备用,运行成本减少,双方可实现互利共赢。

2）通过价格对运营策略的影响分析,验证了存在使双方效益增加的电能与调频容量协商价格区间,明确了协商价格与市场价格关系,为双方协商合同电价提供了必要的技术支持。

如何求出联合运营双方效益最优均衡解是本文下一步的研究方向。后续研究工作中,将采用合作博弈模型分析风电企业与蓄热电采暖用户的博弈关系,以确定其均衡解。

本文研究工作在国网吉林省电力有限公司经济技术研究院“2020 年清洁能源战略下电力市场交易机制研究”项目的支持下完成，在此表示衷心的感谢！

附录见本刊网络版（http：//www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx），扫英文摘要后二维码可以阅读网络全文。