深度｜需求侧资源如何化零为整参与辅助服务？

摘要

集成商组织需求侧资源参与辅助服务市场,既需要根据市场情况决策投标容量,又需要根据不同需求侧资源的技术经济特性优化组合。为发挥需求侧资源组合灵活的优势,在分析了需求侧资源技术经济特点的基础上,提出了集成商的资源集成投标策略。该策略一方面考虑了参加不同类型辅助服务市场投标容量的决策;另一方面考虑不同性能的需求侧资源的集成成本对投标决策的影响,引入条件概率约束,实现高可用性等效资源的最优组合。最后,通过某集成商对冬夏两季日前24小时的3种备用服务的投标决策算例,验证了该模型的有效性。

张粒子(1963),女,教授,博士生导师,研究方向为电力系统分析与控制、电力市场及其技术支持系统;

杨萌(1982),男,通信作者,博士研究生,研究方向为电力市场和电力经济,E-mail：emri_ yangmeng@sina.com。

文章编号:1000-3673（2019）08-2808-07中图分类号:TM73

关键词 :辅助服务;集成商;虚拟电厂;机会约束规划;

0 引言

可再生能源比例的迅速提高,为电力系统运行带来了更多的不确定性,尤其是风电、光伏发电随着气象变化其出力会发生大幅度的波动[1]。不确定性的增加,对调频、备用等电力辅助服务提出了更多需求,而传统发电机组占比相对下降意味着原有辅助服务提供者的减少。各国纷纷开始研究通过灵活性改造挖掘传统机组的潜力,以及可再生能源[2]和储能装置[3-5]参与辅助服务的技术和机制。构建清洁低碳安全高效的新一代能源系统,除了在电源侧使用更清洁的能源发电,还可以在需求侧通过更有灵活的电力消费来实现[6-10]。现货市场中,发电容量既提供电能量,也需要提供调频、备用等辅助服务,当局部地区在线发电容量短缺时,会造成对应节点电能价格的升高,而需求侧资源参与提供辅助服务则有助于释放部分原本用于提供辅助服务的发电容量,有助于平抑这些节点的尖峰价格。随着我国电力市场改革的深入,售电侧市场逐渐放开,售电商除了代理用户参与电能交易,更兼具了需求侧资源集成商[11-12]的功能,可以通过整合需求侧资源参与电力辅助服务市场[13],进一步发掘需求侧的灵活性潜力。

国外的实践为我国建立用户侧参与的辅助服务分担共享新机制提供了参考。例如,PJM和德州电力可靠性委员会(Electric Reliability Council Of Texas,ERCOT)为需求侧响应提供了较为宽松的辅助服务市场准入条件。其中PJM几乎允许需求侧响应参与到所有的辅助服务交易中来,ERCOT则允许其提供旋转备用,并将旋转备用改称作响应备用。从成交价格来看,在一些时段美国部分地区需求侧提供辅助服务存在获利空间。

需求侧资源的利用要克服单体性能不足、用电特性差异大、终端用户参与积极性不高、现货价格波动等诸多困难。需求侧资源的发展经历了一个从被动到主动,从单体到集成的过程,虚拟电厂(virtual power plant,VPP)的概念也应运而生[14-15]。学者针对VPP中分布式能源不确定性提出了相适应的调度控制方式[16-17],并进一步结合现货市场分时电价的变化,设计了其参与电能市场的竞价策

略[18-19]。目前的研究中主要集中在如何模拟常规电厂参与电能市场,在组合确定后以一个相对确定的形态,参与到电力现货交易,对VPP参与辅助服务市场少有涉及。相对于常规电厂,VPP虽然需要更复杂的控制策略和面对大量对象的管理方式,但也有其自身独特的优势,其容量规模可配置、外部性能可调节,使之能够更加机动灵活的适应系统需要,且其集成周期较之常规电厂建设周期要短得多。本文从集成商集成资源的角度,尝试提出一种需求侧资源的灵活组合策略,即随目标时段的变化采用不同的VPP组合,以更加主动的形式,参与到电力辅助服务市场中。

电力辅助服务市场中主要参与竞价交易的服务类型是有功平衡相关的调频、备用服务。其中,备用服务的响应时间和调节精度要求相对调频服务较为宽裕,更适合集成商参与。集成商所掌握的备用资源主要来自可控的非发电设备,如储能装置、可控负荷等。因为没有发电能力,这类资源的持有者很难在日前提前预测何时每个单体资源有能力提供符合技术要求的可调容量;另一方面,非发电资源的容量又十分可观,可以利用规模效应弥补单体资源的先天不足,因此在保证一定可靠性要求的前提下,有效利用非发电资源将有机会获得更好的经济性。对于辅助服务资源而言,其可靠性主要体现在其中标容量的高可用性上。作为集成商,可以通过优化组合其控制的资源,得到具有高可用性概率的VPP,达到可比拟甚至超越发电资源的可用性概率。集成商参与辅助服务市场中竞价,需要决策不同时段每种辅助服务的投标容量,并考虑在对应时段在如何经济的构建满足可用性概率要求的VPP。为使VPP能达到预期的高可用性概率,需引入条件约束,本优化策略问题,也成为一个机会约束优化问题(chance constrained programming,CCP)。最初CCP在电力优化中应用于机组组合问题,用来考虑负荷波动和设备故障的不确定

性[20-21]。文献[22]将CCP引入VPP投标决策问题,以替代蒙特卡洛法处理VPP中分布式能源和可再生能源出力的波动性。本文则将CCP应用于实现VPP整体的高可用性概率,以体现需求侧资源的规模效益。

基于上述分析,本文首先分析了集成商可控备用资源的技术特点与经济性的关系,又基于备用资源的可用性率等效概率的理论假设,建立了集成商参与辅助服务市场的投标策略决策模型,决策不同辅助服务类型的投标容量,以及每类备用资源需要在不同辅助服务投标容量中如何配比,以期参与电力辅助服务市场收益最大化,最后通过算例验证了该资源组合投标策略的有效性。

1 集成商可控负荷的技术经济特点

成熟电力市场中,通过竞价交易获取的辅助服务主要是有功平衡相关的调频、备用服务。相应的技术指标主要包括：最小容量、响应时间、响应精度、持续时间、调节方向、可用性等。备用服务按响应时间的要求从短到长,分别为：旋转备用、非旋转备用和补充备用等。随着电力系统对灵活性要求的提高,还会出现更细分的备用服务种类。以旋转备用服务为例,负荷高峰时段系统备用容量不足时,如果集成商能控制负荷降低用电电力,在没有阻塞的情况下,从维持电力平衡的角度,与系统调度要求某台机组增加发电出力的效果是一致的。

最小容量要求辅助服务投标容量至少达到一定规模的门槛,只有水泵、电锅炉、中央空调等大型设备才有可能满足这一要求。其它需求侧单一设备通常不足以达到直接参与市场竞价的规模,势必需要经集成商整合后才能参与市场竞价。集成商可调用的备用资源包括可控负荷、电储能装置等。集成商需要与备用资源的持有者约定在何种情况下,以什么价格使用这些资源,使之成为一个VPP。集成商通过组建VPP参与辅助服务市场的关系如图1所示,即集成商根据计划参与的辅助服务交易品

种,对其掌握的可控资源进行组合,形成对应交易品种的若干VPP,同一资源一般只参与到一个VPP组合中,但亦不排除单体规模较大的资源分为几部分,分别作为不同VPP的构成部分。

对应备用服务的技术要求,VPP除了容量规模达标外,还应至少满足持续时间、响应时间和可用性3方面的要求。

1）响应时间。

响应时间是指从接收到调度指令,到完全达到指令要求所需的最长时间。削减或增加VPP整体负荷电力,主要是靠控制大量用电设备的启停状态实现的。对于可控负荷,只要有少量的时间供其做好启停准备即可,目前常见备用服务10 min到30 min的响应时间要求完全可以满足。因此,由大量小型单体负荷资源组成的负荷集成体,有可能比发电机组跟随调度中心的信号做出更快的响应。