风电接入引致电网辅助服务成本分摊机制及模型研究

摘要

全球气候变化是全世界都面临的重大挑战，其中人类活动所排放的CO2数量急剧增加是最主要的原因，其对环境的影响也越来越重要。在世界CO2排放总量中，中国已经成为全世界CO2排放量最多的国家，占了20％以上的比重，而且比重还有进一步加大的趋势。因此在未来全世界控制CO2排放的努力中中国必将承担越来越大的压力和责任。其中电力行业CO2排放占了中国排放总量的40％左右，是CO2排放总量最多的行业，因此电力行业CO2强度下降对于中国2020年CO2减排目标的实现至关重要。 大规模发展可再生能源对电力行业CO2减排具有积极作用，中国可再生能源也取得了超常规发展。可再生能源包括风力发电、太阳能发电、潮汐能发电、地热发电、生物质能发电等，目前中国具备大规模发展条件的主要是风力发电，所以本论文主要研究风力发电的发展。由于风力发电具有波动性、不确定性以及不可调峰性等特征，在接入电网发电时需常规电源提供调峰和备用等辅助服务，才可以满足电网调度的要求。随着风力发电的大规模发展，其对常规电源辅助服务的需求也将越来越大，常规电源是否可以提供足够的辅助服务对于风力发电的发展也至关重要。原电监会的统计显示，2010年1-6月份，风电弃风导致损失电量27.76亿千瓦时，占同期风电上网电量的12.47％，其最主要的原因就在于电力系统能够为风电接入提供辅助服务的能力不足。因此，提高电力系统为风电接入提供辅助服务的能力，对于风电真正入网发电，具有非常重要的意义。 但是，提高电力系统辅助服务能力需要较大投入，单纯依靠电力系统自身很难承担，同时风电大规模接入电网所带来的电力系统辅助服务成本提高由电力系统承担也有失公平，需要在此基础上进一步研究风电接入所带来的辅助服务成本提高的分摊和补偿机制，激励电力系统为风电接入提供辅助服务。只有这样，电力系统辅助服务能力才能真正提高，风电发电入网也才能够真正得到保障。 因此，为研究上述问题，本论文分以下内容进行分析。首先对风电接入导致的辅助服务成本进行分析，得到风电接入导致的辅助服务成本的特性及其影响因素，然后利用静态合作博弈方法分析辅助服务成本如何在风电场之间进行分摊，并对各种静态合作博弈分析结果进行对比讨论，在静态合作博弈分析基础上，进一步研究利用动态合作博弈方法分析辅助服务成本如何在风电场之间动态分摊，最后在辅助服务成本分摊静态合作和动态合作博弈模型的基础上，得到适合中国的风电接入导致的辅助服务成本分摊机制。 大规模风电接入电网主要影响的辅助服务有调峰、备用和无功。随着风电发电技术的发展，尤其是双馈感应异步风力发电机的出现，其自身可以提供无功补偿，对电力系统无功辅助服务的需求很小。因此风电接入对电力系统无功辅助服务的影响可以忽略。本论文将重点研究风电接入对调峰和备用辅助服务的影响。风电接入对辅助服务影响程度的分析主要采用“有无对比法”，即通过对比风电是否接入电网，两者之间的差值即风电接入所带来的影响。风电接入对不同的辅助服务影响的原因也不相同。调峰辅助服务主要是由于风电出力波动性所带来的，因此风电接入导致的调峰辅助服务应该采用无风电接入负荷持续曲线与风电接入净负荷持续曲线（负荷与风电综合）所导致的调峰辅助服务的差值进行计算。备用辅助服务主要是由于风电出力预测偏差所带来的，因此风电接入导致的备用辅助服务应该采用无风电接入预测偏差与风电接入综合预测偏差所导致的备用辅助服务的差值进行计算。 同时本论文进一步发现只要两个风电场出力的相关系数不为1，风电场联合接入电网导致的调峰辅助服务成本和备用辅助服务成本就比风电场单独接入电网导致的辅助服务成本之和要小，即风电联合入网会对调峰辅助服务成本和备用辅助服务成本产生“平滑效应”。因此需要进一步分析风电场联合接入电网导致的辅助服务成本如何在风电场之间进行分摊。 本文进一步构建了风电接入电网导致辅助服务成本分摊静态合作博弈模型和动态合作博弈模型。静态合作博弈模型包括按照EANS方法分摊模型，Shapley值方法分摊模型，Owen值方法分摊模型，核仁方法分摊模型，动态合作博弈模型包括开环纳什均衡动态合作分摊模型、反馈纳什均衡动态合作分摊模型以及动态Shapley值合作分摊模型。模型对比分析结果表明，对于风电接入导致的调峰辅助服务成本而言，在数据不充分的情况下，按照电量分摊是一个比较可行的方案，在数据不断完善的情况下，则可以逐渐的过渡到按照核仁方法或者Shapley值方法进行分摊，而对于风电接入导致的备用辅助服务成本而言，按照电量分摊则完全不可行，初期可以考虑按照各自引致比例进行分摊，然后逐渐过渡到按照核仁方法或者Shapley值方法进行分摊。 目前的辅助服务补偿机制采用发电厂按照上网电量（或者电费）的比例承担辅助服务成本，这种机制用来补偿风电引发的辅助服务成本不是特别理想，如果风电场也按照这种方式和火电厂一样承担辅助服务成本，则有失公平。因此辅助服务补偿机制需要为适应补偿风电辅助服务成本作进一步改进。 对于风电接入导致的调峰辅助服务成本，需要事先知道非常详细的负荷每分钟波动状况以及风电每分钟出力状况以及风电出力之间每分钟的平滑效应，这就需要非常庞大的数据监测和数据积累，相应需要付出的成本也比较高。所以要想确定风电接入导致的调峰辅助服务成本在数据不完善的情况下很难确定出来，而且风电出力波动主要是由风能资源决定的，这一因素也主要是客观原因，不是风电场努力能够改善的。因此风电出力波动性所导致的调峰成本也不是风电企业自身努力可以改善降低的。所以初期可以考虑风电接入导致的调峰辅助服务成本不由风电场承担，而是改由消费者来承担。在有了充分的数据积累和良好的数据监测能力后再考虑由风电场承担各自所导致的调峰成本，初期可以考虑按照电量分摊，未来在逐渐过渡到更合理的按照核仁方法或者Shapley值方法进行分摊的方式。 对于风电接入导致的备用辅助服务成本，其主要是由风电场的不确定性所导致的，这一不确定性可以通过提高风电预测水平进行改善，所以备用成本由风电场自身承担和补偿也可以激励风电场改进自身出力的预测精度，这也可以降低风电接入导致的备用辅助服务成本。备用成本补偿和分摊初期可以考虑按照风电场各自引致比例进行分摊，然后逐渐过渡到按照核仁方法或者Shapley值方法进行分摊。 由于改革难度不同，因此本论文建议先易后难，实现风电场对其导致的辅助服务成本进行补偿和分摊。第一阶段可以考虑在不改变现有辅助服务考核和补偿办法的情况下增加对风电预测精度进行考核的内容，基于风电出力预测精度考核结果由风电场对风电导致的备用辅助服务成本进行补偿，风电导致的调峰辅助服务成本则通过上调火电标杆上网电价，进而通过销售电价进行补偿。第二阶段则可以考虑改变目前辅助服务考核和补偿办法的资金来源，打破成本补偿资金在发电系统内循环的状况，改为由电网公司承担考核后成本补偿资金的不足部分，并计入购电成本通过销售电价进行补偿，而不再间接通过上调上网电价来补偿辅助服务成本，同时风电承担自身引发的备用成本。由于通过辅助服务考核方式确定的辅助服务成本可能不太经济，没有达到成本最低的状况，第三阶段可以考虑建立电力现货市场，通过发电企业报价方式确定调峰辅助服务成本，在明确风电接入导致的调峰辅助服务成本状况的基础上，由风电按照其电量进行补偿和分摊，同时建立电力备用辅助服务市场，通过发电企业报价方式确定备用辅助服务成本，消费者和风电进行分别对其引发的备用成本进行补偿。 当然对于风电接入导致的辅助服务成本如何进行补偿和分摊还有很多值得深入研究的内容，包括:1、风电导致的无功等其他辅助服务成本及如何补偿;2、辅助服务提供如何在不同技术之间进行优化;3、省间甚至是区域间如何对风电接入导致的辅助服务成本进行补偿;4、在考虑风电正外部性的情况下如何分摊风电接入导致的辅助服务成本;5、电网公司如何参与辅助服务成本补偿;6、在电力市场交易机制设计时如何避免市场力的影响;7、如何设计合理的辅助服务交易机制让风电场以合适的角色参与。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景及其意义

1．2 国内外研究动态

1．3 论文研究内容及创新之处

第2章 风电接入引致电网辅助服务成本研究

2．1 风电出力特性分析

2．1．1 风电出力特性

2．1．2 风电出力的波动性

2．1．3 风电出力的不确定性

2．2 风电接入引致电网辅助服务类型分析

2．3 风电接入引致调峰辅助服务成本分析

2．4 风电接入引致备用辅助服务成本分析

2．5 本章小结

第3章 风电接入引致电网辅助服务成本分摊原理

3．1 辅助服务利益相关方效益成本分析

3．2 引发分摊方式分析

3．3 受益分摊方式分析

3．4 平均分摊方式分析

3．5 本章小结

第4章 风电接入引致电网辅助服务成本分摊静态合作博弈研究

4．1 成本分摊静态合作博弈原理

4．2 辅助服务成本EANS分摊解分析

4．2．1 调峰辅助服务成本EANS分摊解

4．2．2 备用辅助服务成本EANS分摊解

4．3 辅助服务成本Shapley值分摊解分析

4．3．1 调峰辅助服务成本Shapley值分摊解

4．3．2 备用辅助服务成本Shapley值分摊解

4．4 辅助服务成本Owen分摊解分析

4．4．1 调峰辅助服务成本Owen分摊解

4．4．2 备用辅助服务成本Owen分摊解

4．5 辅助服务成本核仁值分摊解分析

4．5．1 调峰辅助服务成本核仁值分摊解

4．5．2 备用辅助服务成本核仁值分摊解

4．6 算例

4．7 本章小结

第5章 风电接入引致电网辅助服务成本分摊动态合作博弈研究

5．1 成本分摊动态合作博弈原理

5．2 辅助服务成本分摊的动态特性分析

5．2．1 调峰辅助服务成本分摊的动态特性

5．2．2 备用辅助服务成本分摊的动态特性

5．3 辅助服务成本分摊开环纳什均衡解分析

5．3．1 调峰辅助服务成本分摊开环纳什均衡解

5．3．2 备用辅助服务成本分摊开环纳什均衡解

5．4 辅助服务成本分摊反馈纳什均衡解分析

5．4．1 调峰辅助服务成本分摊反馈纳什均衡解

5．4．2 备用辅助服务成本分摊反馈纳什均衡解

5．5 辅助服务成本分摊动态Shapley值解分析

5．5．1 调峰辅助服务成本分摊动态Shapley值解

5．5．2 备用辅助服务成本分摊动态Shapley值解

5．6 算例

5．7 本章小结

第6章 风电接入引致电网辅助服务成本分摊机制研究

6．1 调峰辅助服务成本分摊机制分析

6．2 备用辅助服务成本分摊机制分析

6．3 本章小结

第7章 结论及展望

7．1 主要结论

7．2 政策建议

7．3 研究展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文及其它成果

攻读博士学位期间参加的科研工作

致谢

作者简历