光热电站与风电场联合参与调频服务的优化运行策略「风电场谐波治理装置」

今天带来光热电站与风电场联合参与调频服务的优化运行策略「风电场谐波治理装置」，关于光热电站与风电场联合参与调频服务的优化运行策略「风电场谐波治理装置」很多人还不知道，现在让我们一起来看看吧！

华北电力大学、伊利诺伊理工大学：方宇晨、赵书强、李少岩、李祖毅等在《电力系统自动化》期刊上发表《Coordinated Operation of Concentrating Solar Power Plant and Wind Farm for Frequency Regulation（光热电站与风电场联合参与调频服务的优化运行策略）》的论文。

论文指出：作为一种可调度的可再生能源技术，聚光太阳能（CSP）的快速爬坡能力可用于提供监管服务。然而，由于设计不当时为市场提供的策略，CSP实时功率输出的频繁调整可能会影响CSP电厂的耐用性和盈利能力，特别是当其在实时运行中提供快速调节服务时。论文建议通过利用CSP电厂和风电场在精度和耐久性方面的互补性来协调运行，以提供频率调节。协调运行可以有效地响应调节信号，比传统的火电机组具有更好的性能。论文进一步提出了，在日前市场（DAM）中CSP发电厂和风电场协调运行的能源和频率调节的最优投标策略。通过一个案例研究，包括一个基本案例和对电力市场中几个影响因素的敏感性分析，验证了协调运行模型和所提出的投标策略的有效性。

为什么可再生能源需要参与电网的频率调节？

日趋严重的环境问题和能源发展的可持续性，已经得到人们越来越多的关注。风电和太阳能等可再生能源被认为是可持续、环境友好型能源，现已成为各个国家发电的重要组成部分。但随着传统火电被可再生能源大规模代替，风电等可再生能源也被认为需要承担与传统电源相同的辅助功能，例如电网的频率调节。

为什么联合光热电站与风电场参与调频服务？

1、风电机组可以通过有功功率控制参与系统的频率调节，然而，风电在参与调频服务提供备用容量时，需要处于减载的运行状态，这将浪费部分风能。此外，在调频性能指标方面，风电与燃煤机组等更为可靠的传统电源相比仍有一定的差距。

2、光热发电(concentrating solar power, CSP)是有效利用太阳能的技术之一。与不可调度的光伏发电(photovoltaic, PV)不同，光热电站通常配有大容量的蓄热系统(thermal energy system, TES)，使光热电站具有较高的容量价值和可调度性。此外，光热电站相较于传统火电拥有更好的调节特性，具有爬坡速率快、启停时间短等优势。然而，光热电站在参与调频时面临频繁的出力调整，这将不利于发电环节中汽轮机的稳定运行。

3、当光热发电与风电均参与调频服务时，两者在调频准确性及耐久性方面呈现出互补特性。一方面，具有可调度性的光热发电比风电在调频精度上更具有优势；另一方面，风电提供调频服务并不会增加风机的损耗，不存在频繁出力调整的困扰。因此，联合光热电站与风电场参与调频服务，加以合理的运行策略，将有利于联合系统经济性和调频性能的提升。

如何联合光热电站与风电场提供调频服务？

设计合理的调频运行策略不仅可以保持频率稳定，还可以为联合系统带来潜在的效益。基于此思路，提出了光热电站与风电场联合在日前市场中提供能量和调频服务的运行策略，如图1所示。对于能量部分，联合系统每个时间段向市场提交总能量基点，且总能量基点等于光热电站提供的能量基点与风电场提供的能量基点之和。

图1 光热电站与风电场联合提供能量和调频服务的运行策略

对于调频部分，优先采用风电来跟踪调频信号，当调节功率不足时，具有较高调频精度的光热发电补偿出力不足或偏差部分。最后，联合系统提交的总调频出力等于风电提供的预留容量与光热发电提供的调整后的容量之和。

如何衡量光热电站与风电场联合调频的经济效益？

根据相应的市场价格和风电可利用的绝对水平，采用提出的联合竞价策略，建立了两阶段的随机优化模型，最大化联合系统在日前市场中的收益。其中，第一阶段为日前市场竞价，第二阶段为模拟实时运行，实时运行阶段考虑了风电的不确定性。其次，构建的模型确保了光热电站的蓄热系统在交易日结束时恢复至初始蓄热水平。

此外，由于风电可用功率在实时运行阶段可能会剧烈波动，并且风电调频能力受到日前市场单个时间尺度内最小可用出力的限制，因此，本文假设风电比日前市场时间尺度（1 h）更小的时间尺度（15 min）提交竞标出力，如图2所示。

图2 不同时间尺度下的竞标出力说明

所提策略及模型有效性如何？

研究对象为一个装机容量200 MW的风电场和一个最大输出功率50 MW的光热电站组成的联合系统，设置四种不同的运行模式进行了分析。模式1：光热电站与风电场联合运行，并采用联合运行策略。模式2：光热电站与风电场联合运行，但不采用联合运行策略。模式3：风电场独立运行。模式4：光热电站独立运行。

表1和表2的结果表明，光热电站与风电场联合运行不仅可以在能量市场提供更多的竞标出力以获得更高的利润，还能在保证调频精度的同时在调频市场参与竞价。其中，联合系统收益更高的主要原因在于能量竞标出力和调频性能指标的增加。

此外，本文对总收益与最大调频竞标出力之间的关系进行分析，从图3可以看出在相同调频出力比例系数的情况下，光热电站的调频出力对总收益的影响要大于风电场。

表1 不同运行模式下平均竞标容量对比

表2 不同运行模式下经济性对比

图3 总收益与最大调频竞标出力的关系

作者介绍

方宇晨，博士研究生，华北电力大学电气与电子工程学院，主要研究方向为：光热发电、电力系统优化调度。

赵书强，博士，教授，博士生导师，华北电力大学电气与电子工程学院，主要研究方向为：新能源电力系统、电力系统规划与可靠性。

杜尔顺，博士，助理研究员，清华大学低碳能源实验室，主要研究方向为：能源政策、光热发电、电力系统规划、新能源消纳。

李少岩，博士，硕士生导师，华北电力大学电气与电子工程学院，主要研究方向为：电力系统安全防御和恢复控制。

李祖毅，博士，教授，博士生导师，伊利诺伊理工大学电气与计算机工程系，主要研究方向为：电力系统经济安全运行、电力市场、智能电网及网络安全。（来源：电力系统自动化）

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