【精彩論文推薦】華南理工大學 荊朝霞,陳達鵬:美國調頻輔助服務市場的調頻補償機制分析

電力系統自動化編輯部2017-11-23 19:06:33

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原文發表在《電力系統自動化》2017年第41卷第18期,歡迎品讀。



本文引文信息

陳達鵬, 荊朝霞. 美國調頻輔助服務市場的調頻補償機制分析 [J]. 電力系統自動化, 2017, 41(18): 1-9. DOI: 10.7500/ AEPS20170406002.

CHEN Dapeng, JING Zhaoxia. Analysis of Frequency Modulation Compensation Mechanism in Frequency Modulation Ancillary Service Market of the United States [J]. Automation of Electric Power Systems, 2017, 41(18): 1-9. DOI: 10.7500/ AEPS20170406002.



美國調頻輔助服務市場的調頻補償機制分析

DOI: 10.7500/AEPS20170406002

陳達鵬,荊朝霞



隨著儲能技術的發展,越來越多的快速調頻資源被應用於為電力系統提供調頻輔助服務,在此背景下,美國調頻市場引入了基於調頻效果的補償機制。美國主要電力市場區域如賓夕法尼亞—新澤西—馬里蘭州(PJM)、加利福尼亞州(CAISO)、紐約(NYISO)、新英格蘭(ISO-NE)和中西部電力市場(MISO)區域均實施了新的調頻補償機制,有效促進了調頻資源的優化配置。通過分析美國調頻輔助服務市場的最新補償機制,對我國建立調頻輔助服務市場提出相關思路和建議。


1

基於調頻效果的補償機制


美國電力市場原本的調頻服務補償為單一的容量補償,新的補償機制則改為兩部制補償,在容量補償外,還增加了調頻里程補償和調頻性能考核指標。調頻里程即為供應商實際提供的上下調的量,調頻性能指標表示其跟蹤AGC信號的緊密程度。這二者對供應商的調頻收益有較大影響。一般而言,調頻里程越大,調頻性能指標越高,所能獲得的收益也越大。在新的補償方案下,容量收益將不再是“固定”收益,調頻性能指標為零時,容量收益可能也為零。不同的電力市場的調頻補償機制在細節方面有所不同,但其補償結算公式可總結如下(機會成本一般包含在容量補償中):


容量補償=調頻容量×容量價格×調頻性能指標

里程補償=調頻里程×里程價格×調頻性能指標



2

調頻里程與調頻性能指標


1)調頻里程:美國電力市場引入了調頻里程來反映調頻資源的貢獻。不同市場區域對調頻里程的計算方式有所不同。


① PJM和NYISO

其調頻里程直接取為相鄰兩個調頻信號的差的絕對值,與調頻資源的實際響應情況無關,如圖1所示。

圖1  PJM和NYISO的調頻里程計算


② CAISO

其計算調頻里程的思路是:以調度需求值(相鄰兩個調度信號的差的絕對值)作為參考值,根據調頻資源的實際響應情況修正:


a. 當連續兩個區間的調度信號呈單調遞增或單調遞減時,調頻里程直接取為調度需求值(與PJM和NYISO一致)。


b. 如圖2所示:若t-1次的響應值為RE1,顯然該響應值沒有達到要求的值,指令信號值與其之間的差即為修正量,其實際調頻里程為M。


c. 若t-1次的響應值為RE2,其響應值超過指令值,但不會受到懲罰,也不會獲得額外的獎勵,其調頻里程為調度需求值。


d. 若t-1次的響應值為RE3,響應出力方向與調頻信號的相反,此時調頻里程為零。

圖2  CAISO的調頻里程計算


③ MISO

與CAISO不同的是,MISO是以期望調頻里程(調頻資源的當前實際出力與下一調頻信號的差的絕對值)為參考值,然後根據實際響應情況修正。


如圖3所示,當響應值為RE2時,由於響應值小於指令值,所以對期望調頻里程修正後,調頻里程為實際響應值之間的差值;當響應值為RE3時,由於RE3大於指令值,所超過的量為修正量,在期望調頻里程中扣減;當響應值為RE4時,調頻里程的確定與上一情況類似;當響應值為RE5時,屬於響應不足,同樣對期望調頻里程作修正;當響應值為RE6時,由於其方向與調頻信號相反,所以其調頻里程為負值


圖3 MISO的調頻里程計算


2)調頻性能指標:顧名思義,調頻性能指標是衡量調頻資源的調頻性能(調頻效果)的指標,不同電力市場的計算方式不一樣。


① ISO-NE

ISO-NE會監測供應商的實時表現,在一個結算間隔內,若供應商在【規定時間】內沒有按照【一定的速度】響應,或響應量超過【限制】,則認為該供應商在該間隔內無響應(non-performing)。一般情況下,【規定時間】為2~4 min;每個供應商均有各自的自動響應速度(ARR)即爬坡速度,【一定的速度】指的是ARR的80%~95%;【限制】為該供應商的調頻容量乘於一定的比例(5%~15%)。這些參數的具體數值會在ISO-NE的官網公佈。


在ISO-NE的規則下,調頻性能指標對收益的影響體現在容量收益將會根據無響應狀態的時長佔總時長的比例減少。


② PJM

PJM從三個方面打分計算調頻性能指標,包括精確度(precision),相關性(correlation)和延遲(delay)。


a. 精確度:這是關於調頻需求量與調頻里程之間的差值的函數,精確度為0時表示沒有響應,為1時表示調頻里程與指令一致。


b. 相關性:採用相關性函數來計算調頻信號和響應值之間的相關程度。


c. 延遲:延遲分數用於量化調頻信號與響應之間的時間差。


相關性分數在5 min區間內衡量響應曲線與調頻信號的相關性,主要用於計算延遲分數,具體為:通過在0~5 min內改變響應延遲時間的值得到最大的相關性分數,將此時的響應延遲時間用於計算延遲分數。


PJM每10秒計算一次調頻性能指標,然後以五分鐘為一個週期取平均值。調頻性能指標為以上三個分數的加權平均值。


③ NYISO

在調頻性能指標方面,NYISO主要從正負控制誤差兩個角度考慮。NYISO的EMS每6秒採集一個數據點,以30秒為一個區間(block),其中調頻里程大於區間內最大指令需求量的稱為正控制誤差(PCE),調頻里程小於區間內最小需求量的稱為負控制誤差(NCE)。在一個調度週期內,PCE和NCE以平均值的形式表達,用於計算調頻性能指標。相對而言,PJM的調頻性能指標計算更加強調精確性,因為其對每個數據點的正負偏差均進行考核,而NYISO只考核一個30秒區間內的最大正負偏差。


④ CAISO

CAISO每4秒採集一個數據點,以15分鐘為一個週期,向下調頻和向上調頻分開計算調頻性能指標,且主要側重於響應的精確度。


⑤ MISO

MISO設置一個考核標準,對供應商的實際表現進行檢驗,若供應商的實際表現達到這個標準,則認為其調頻性能指標符合要求,通過檢驗,否則則不通過檢驗,利用這種方式進行簡化處理,所以MISO沒有具體的調頻性能指標計算公式。


具體考核步驟包括:

a. 算調頻里程。在5 min調度區間內每4秒鐘計算一次,利用上述規則得到。


b. 計算期望調頻里程。確定供應商在該調度區間開始時刻的實際出力,並設其按照預設的爬坡速度響應。


c. 比較調頻里程和期望調頻里程。若前者超過後者的70%,則認為通過檢驗。


若某供應商在一小時連續四次不能通過檢驗,則其調頻性能指標為零。



3

美國電力市場調頻補償機制的總結和對比


總體而言,美國主要電力市場的調頻補償機制思路基本一致,但在調頻里程和調頻性能指標的計算方式上以及結算方式上有所不同,美國電力市場調頻補償機制的總結和比較如表1所示。


表1  美國主要電力市場的調頻補償機制比較


調頻性能區分度指的是相關規則對調頻效果的區分度,A為最大,D為最小。考核力度指的是調頻性能指標對供應商收益影響的影響程度,A為最大,D為最小。



4

對中國的啟示


當前我國調頻服務的補償單價並不是通過市場方式確定,因而並不能準確反映系統的調頻成本,也不能合理補償供應商的調頻貢獻。調頻補償機制是調頻市場的重要組成部分,通過建立調頻市場,將供應商的報價作為調頻補償的重要定價依據,形成適應市場要求的價格發現機制,實現全網的資源優化配置。下面結合美國電力市場的經驗,提出我國建立調頻市場和基於調頻效果的補償機制的路徑與方案。輔助服務市場可先於能量現貨市場建設。在現貨市場建立前,調頻市場可與能量市場解耦,獨立出清與結算。


1)交易標的

初期,可將調頻容量和/或調頻里程作為交易標的,暫不考慮機會成本(供應商因提供調頻服務而在能量市場可能損失的最大收益),供應商對調頻容量和/或調頻里程進行報價。只對調頻容量和調頻里程的其中一項報價,還是同時對這兩項報價,這兩種方式在機制設計上並無太大差異,初期採用哪種方式關鍵看市場主體的成熟程度以及接受能力。供應商的調頻容量可考慮固定為5 min內可用的容量,待調頻市場進一步成熟,可讓供應商自主申報調頻容量。


2)交易組織與模式

調頻市場採用集中競價,統一出清的交易模式確定中標供應商和邊際出清價格。交易週期以“日”為單位,採用日前報價,日前預出清的模式。以一個小時為一個時段,電力調度機構每日公佈次日各個時段的調頻需求,並在次日發電計劃確定之後組織供應商報價。電力調度機構可在實時運行時根據需要修改下一時段的調頻需求,並對下一時段的調頻交易重新出清。對於沒有修改調頻需求的時段,則按日前預出清的結果執行交易。


3)調頻性能指標

調頻性能指標反映了供應商的調頻效果。對於系統而言,在供應商報價相同時,應當優先購買調頻性能好的供應商的調頻服務。為體現調頻性能指標的影響,在報價階段,基於歷史調頻性能指標調整供應商的報價,其基本原則是讓調頻性能指標高的供應商更容易中標,同時經調整後的報價不應小於供應商原本的報價。


4)補償結算

調頻市場中,供應商所獲得的補償為調頻容量補償和調頻里程補償。在統一出清的模式下,中標供應商的結算價格完全一樣,但它們的調頻性能指標卻有所差異,對系統的貢獻也不盡相同。由於中標供應商的調頻性能在調頻里程中已經有了直接體現,因而市場初期可暫不在調頻補償中考慮調頻性能指標,視市場發展情況逐步在調頻補償中引入性能指標因子,根據調頻效果進一步實現有差補償。


5)費用分攤

當前,提供調頻服務是發電機組的基本義務,調頻費用也在所有發電企業中按照上網電量進行分攤。未來需按照誰受益、誰承擔的原則,逐步建立用戶參與的輔助服務分擔共享機制。



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《電力系統自動化》2017年第18期目次


作者介紹

荊朝霞,博士,華南理工大學教授,博士生導師。主持縱向及橫向課題20餘項,目前已在國內外重要刊物發表文章100餘篇。主要研究方向:電力市場,電力系統規劃,運行與控制,綜合能源系統等。


陳達鵬,華南理工大學博士研究生。主要研究方向:電力市場,輔助服務。


華南理工大學電力學院智能能源網及其自動化團隊是廣東省第二批海外(英國利物浦大學)引進科研創新團隊。團隊以國家“千人計劃”特聘專家、廣東省創新團隊帶頭人、華南理工大學能源研究院院長吳青華教授為核心,以唐文虎教授(國家“青年千人計劃”特聘專家)、荊朝霞教授、季天瑤教授、李夢詩副教授、李志剛副教授和張祿亮講師為骨幹成員,致力於在新一代綜合能源系統規劃運行及自動控制、電力系統運行與控制、電力設備智能狀態監測與故障診斷、電力電子自動化控制與應用等領域開展前沿性的學術研究。目前,團隊擁有智能能源自動化芯片研究中心、電力系統動模實驗室、RTDS仿真實驗室、嵌入式系統開發實驗室、電力電子應用實驗室以及電機電器狀態監控與故障診斷實驗室等6個科研實驗室,近四年國家級(含973、863計劃)、省部級科研項目經費超6000萬元。在吳青華教授的帶領下,團隊不斷取得前沿性、突破性的科研成果,近四年共發表SCI索引論文57篇、Ei索引論文64篇,授權發明專利15項。團隊於2015年被評為華南理工大學“特別優秀團隊”。


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