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题 目 基于可再生能源渗透的电力系统频率调节和电力供需控制分析与建模
基于可再生能源渗透的电力系统频率调节和电力供需控制分析与建模
Bo Jie1, Takao Tsuji1, Kenko Uchida2
1日本横滨国立大学工程研究生院 2日本东京早稻田大学理工学院
摘要：随着分布式发电电源的大量引进，人们对配电线路局部电压升高、局部电压波动、频率波动和大范围的功率调节不足等威胁稳定供电的问题提出了关注。此外，在应对供求失衡和频率问题的措施方面，不仅需要考虑引入进一步的分布式发电源，还需要考虑使用蓄电池或需求响应中出现的负载侧控制等新方法。在此背景下，在日本建立了一个能在Matlab/Simulink上工作的需求控制/频率调节仿真分析模型AGC30。考虑到经济调度控制和负荷频率控制，可以模拟供需平衡控制。本研究的目的是为未来电力系统结构变化的供需控制技术的发展做出贡献，作为可再生能源发电和智能电网技术的引入和推广，作为供需/频率控制的共同基础。在电力系统中，建立一个能有效实现的计算机仿真标准模型。
1 介绍
电力系统的电力调度存在着生产用电与消耗用电不平衡的问题。近几十年来，随着分布式发电的出现，尤其是光伏或风力发电机等可再生能源进入电力系统，使得供需平衡管理变得越来越重要。为此，基于市场原则，开发并利用平衡市场，以确保低成本频率监管的安全性。例如，在欧洲国家和地区，二级和三级控制平衡能源通过平衡市场进行交易。尽管这些市场机制的细节因国家而异，但有两个主流：基于边际燃料成本的统一价格拍卖和带有歧视性定价的按标价拍卖。为了研究在不同情况下为不同的平衡市场提供最大化平衡电源供应商利益的合适的市场策略，作者在分析“统一价格”和“按标价付款”拍卖方法之间的差异时，考虑到所有参与者的投标策略和利益[1-4]。
事实上，在欧洲国家和地区运行的平衡市场，无论是容量市场还是能源市场，在欧洲地区都存在着相当紧密的跨国界平衡市场。然而，正如我们所知，日本是一个岛国，因此，很难与附近的其他国家或地区建立电力系统的物理连接。日本电网以适当的频率保证供需平衡，是极为重要的。然而，自2011年日本东部地震和核事故以来，针对日本核电站项目的压力和“上网电价”政策[5]，光伏和风能等可再生能源已经一直以相当高的质量渗透日本电力系统，因此，由于不确定的输出波动，以适当的频率保持供需平衡成为一个更重要的问题。为此，人们考虑了各种频率调节方法来妥善处理平衡问题。2016年，IEEJ开发了一种新的频率调节仿真模型，即AGC30[6]，它可以同时考虑经济调度控制（EDC）和负荷频率控制（LFC）来模拟供需平衡控制。
与此同时，自2016年4月以来，日本已采取措施放开电力供应市场。从2016年4月开始，国内和小型企业的主电源电压客户可以从250多家具有竞争力的电力供应公司中选择，尽管其中许多公司仅在当地主要在大城市销售。
此外，近年来，为了获得经济合理的平衡能力，许多国家引入了资本和能源两方面的平衡市场。此外，日本计划在不久的将来建立实时平衡市场。基于这一观点，作者分析了“统一价格”和“买价”两种主流拍卖方法的区别，并考虑到所有参与者的出价策略和利益，[1-4]和Jie等人。[7]将市场模型引入到AGC30模型中，多代理市场模型只应用于三级控制而不是EDC模型，如图1所示。
2 平衡市场
本文还将“统一价格”拍卖方法应用于与AGC30相结合的第二控制平衡市场模型。在AGC30供需平衡控制和频率调节模型中，该分段模型的目标负荷波动周期约为5分钟，长周期负荷不平衡波动也由三级控制平衡功率处理。
2.1 统一价格拍卖法
在统一价格拍卖下，供应商将生产电力的边际运营成本竞价到平衡市场，这反映了生产电力所产生的可变费用。此外，输电系统运营商根据其投标价格将平衡电力供应商G0的供电投标排名为供应商G5，并选择成本最低的资源，直到指定的“中标者”有足够的电力供应以满足总客户需求。所有供应商收到的市场清算价格都是按照满足客户总需求所需的最昂贵资源的投标价确定的。因此，系统以成本最小化的方式分配资源，因为当供应商投标其边际成本时，选择成本最低的资源供应，然后转向成本更高的资源（图2）。
图1 三级控制代替EDC模型[7]
图2 “统一价格”拍卖模型
2.2 平衡功率结构
二次控制是一种自动的集中控制。这种控制方法是基于自动生成控制，其目标是根据目标值重新建立频率和交换程序。通常情况下，它在事件发生后或第三控制储备部署前15分钟内以秒为时间框架运行。
三级控制是手动激活的控制。这种控制的提供依赖于调度和机组承诺的变化。这种控制方法的目的是释放二次控制平衡功率，管理拥塞，重新建立频率，并将程序交换到目标值。此控制方法通常在分钟内激活，作为一个四分之一小时的公共值。
关于一次控制平衡功率，通常这种控制方法在很短的负载不平衡波动周期内运行，并自动调节发电频率，通常称为无调速器自动控制。欧洲成熟市场概况见表1。
表1 欧洲平衡电力结构
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初级控制 |
二次控制 |
三级控制 |
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概述 |
无调速器自动控制 |
LFC自动控制在内部操作 |
手动控制功率损失/预测误差 |
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响应周期 |
30秒内操作 |
5分钟 |
15分钟内操作 |
3 供需平衡频率调节模型（AGC30模型）
在日本，由于2011年日本东部地震，附带的核事故将光伏和风力等可再生能源作为一种更安全、更可靠的替代能源推向了最前沿，以满足日本未来的电力需求。然而，我们必须面对的问题是，供应/需求失衡或负荷频率波动更容易发生。此外，由于可再生能源输出波动不确定，使电力系统稳定运行，使电力供需保持适当的频率平衡成为一个重要问题。为此，人们考虑了各种频率调节方法来妥善处理平衡问题。2016年，IEEJ开发了一个新的频率调节仿真模型AGC30，可以同时考虑EDC和LFC来模拟供需平衡控制，如图3所示。
图3 agc30模型[ 6，7 ]
图4 控制分配概述
该仿真模型由常规发电厂、LFC、EDC、惯性、联络线潮流等各要素模型以及负荷波动和可再生能源输出的时域数据组成。针对长期需求偏差，EDC调节模型将作为针对长期负荷不平衡的三级控制，EDC控制模型将尽快调度成本最低的发电机组，以调整进口偏差。然而，有时，正如我们所知，由于预测不充分，系统供需失衡和频率波动，因此该LFC频率调节模型应用于利用频率偏差和联络线功率波动来补偿供需失衡[6，7]。
作为显示在图 3，EDC和lfc模型”computation也做在电力供应为中心，使模型考虑的Dy - namics characteristics（包括副州长-自由操作（GF））的generator receiving的输出功率从指挥部供应订单中心，并对频率和互连在线电流进行数学建模，对每个模型进行标准化计算。对于可以进行的模拟，提取了考虑干扰因素的代表性偏差和基于实际时间序列数据的自然偏差功率输出，并将其定义为标准数据。根据AGC30标准模型的仿真过程，将其作为标准仿真模型应用于供需平衡控制和频率调节。
在AGC30模型中，如图4所示，根据负载变化周期，无调速器、LFC和EDC控制模型包括一级、二级和三级控制。LFC主要用于补偿时间周期从几分钟到20分钟的短期波动。时间周期超过20分钟的长期波动主要由EDC进行短期负荷预测，如上所述。
4 市场模式与AGC30模式相结合
Jie et al. [7]将平衡市场与AGC30模型相结合，用EDC调节模型代替三级控制平衡模型，进行了仿真。假设预测需求为160mw，30个发电厂利用“统一价格”法将其平衡发电量与边际发电成本一起投入平衡市场。本文将二次控制平衡模型与AGC30模型相结合。
4.1 AGC30型二次控制平衡模型
本文在欧洲一些国家和地区广泛采用二次控制平衡模型，以较短的周期失衡波动代替LFC模型，假设市场机制应该从较长的周期控制开始，通过执行三次控制平衡模型而不是EDC模型，从而实现对市场的长期控制。其次，由于不完全的负载不平衡调节或频率调节，对较短周期的不平衡量进行二次控制平衡模型。简单模型如图5所示。
4.2 仿真
在本文中，作者假设以下的负荷不平衡模型，即采用三级控制机制和“统一价格”方法，利用Q学习最大化投标人的预期收益，预测和调节120MW不平衡容量的20分钟周期不平衡波动，30个投标人在三级控制平衡市场。在此基础上，我们假设在40兆瓦不平衡的情况下出现较短的周期内的平衡，与此相反，30家平衡电源供应商根据“统一价格”投标策略将其平衡电源引入一个备用控制平衡市场。投标能力及模拟结果如图6所示。
在三级和二级平衡市场中，通过使用Q-Learning来确定投标价格，从而使电力供应商的投标与“统一价格”策略保持平衡，从而在这些投标拍卖中最大限度地发挥其预期收益。图6a显示了投标价格的模拟结果和每个参与者的预期收益。假设一级不平衡在预测值附近产生，则表明在30家供应商中，大约一半的供应商可能因中标而获得收益。从图6b我们可以看出，从G21到G29供应商，由于其石油燃料的边际生产电力成本很高，这10家供应商在周期性二次控制平衡市场中失去了投标，没有获得任何利益。
图5 二、三级平衡控制模型结合到AGC30模型
5 结论
为了应对可再生能源的不确定性产出波动和日本近期建立平衡市场的计划，基于平衡能源市场机制的合理频率调节和供需失衡调整分析具有重要意义。结合三级和二级控制市场机制的频率调节和电力市场均衡模型，该频率调节模型与三级控制平衡市场机制相结合，可以发挥经济合理的平衡电力调度作用，针对负荷不平衡预测不完全的情况，提出了一种基于三级和二级控制市场机制的电力市场均衡模型。并结合AGC30频率调节模型，投标进入二次平衡电力市场，解决周期短、负荷不平衡的问题。
从仿真结果可以看出，当发电机在供需平衡频率调节中起作用时，它们提供平衡功率以抵消长周期和短周期负荷不平衡的影响，通过采用合适的投标策略，结合AGC30模型，进入平衡市场，供应商可以获得这对他们的投标有利。
这种组合模型不仅可以起到供需平衡频率调节的作用，而且验证了目前日本电力系统运行平衡市场的可行性，有助于日本建立平衡市场。
图6 三次和二次平衡功率投标模拟结果
a 三次控制模拟
b 二次控制仿真
7 参考文献
[1] Jie B., Tsuji T.: lsquo;An analysis of market mechanism and bidding strategy in balancing marketrsquo;. Institute of Energy Economics, Japan (IEEJ),Sendai, Japan, March 2016, No. 6–107
[2] Jie B., Tsuji T.: lsquo;An analysis of market mechanism and bidding strategy for power balancing market in micro-gridrsquo;. 2016 China Int. Conf.Electricity Distribution (CICED), Session 6, FP0824, Xirsquo;an, China,August 2016
[3] Jie B., Tsuji T.: lsquo;A bidding strategy analysis of suppliers by using reinforcement learning in balancing marketsrsquo;. Institute of Energy Economics, Japan (IEEJ) Workshop, PSE-16-165, PE-16-145, Fukui,Japan, September 2016
[4] Jie B., Tsuji T.: lsquo;An analysis of market mechanism and bidding strategy for power market mixed by conventional and renewable energyrsquo;.Int. Conf. on European Energy Market (EEM) 2017, Dresden,Germany, June 2017
[5] lsquo;Feed-in Tariff Scheme in Japanrsquo; (PDF). Ministry of Economy, Trade,
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