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01.研究背景
新型電力系統(tǒng)背景下，系統(tǒng)頻率動態(tài)品質(zhì)下降給電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行帶來了巨大挑戰(zhàn)。目前，盡管負(fù)荷側(cè)分布式資源具備提供頻率支撐的潛力，但由于其聚合響應(yīng)特性尚不明確、現(xiàn)有輔助服務(wù)市場交易品種單一、參與頻率支撐輔助服務(wù)市場交易機制尚未建立等原因，負(fù)荷側(cè)分布式資源頻率支撐能力利用率低下，無法充分發(fā)揮其對提升新型電力系統(tǒng)頻率響應(yīng)能力的支撐作用。本文首先從時間、空間、成本3個維度提煉了虛擬電廠的頻率響應(yīng)聚合特性；其次，從產(chǎn)品設(shè)計、出清定價、貢獻(xiàn)量化、結(jié)算考核4個關(guān)鍵環(huán)節(jié)綜述了虛擬電廠提升系統(tǒng)頻率響應(yīng)能力的市場交易機制；然后，探討了虛擬電廠聚合響應(yīng)特性與市場交易機制間的交互作用關(guān)系；最后，展望了虛擬電廠提升系統(tǒng)頻率響應(yīng)能力的未來研究重點。本文整體框架如圖1所示。
圖1 本文整體框架
02.研究內(nèi)容
2.1 虛擬電廠頻率響應(yīng)聚合特性分析
虛擬電廠頻率響應(yīng)聚合特性是制定市場交易機制的理論依據(jù)。通過與同步發(fā)電機組對比分析，從時間、空間、成本3個維度提煉了虛擬電廠的頻率響應(yīng)聚合特性。
首先，虛擬電廠在時間維度上呈現(xiàn)出慣量支撐的連續(xù)性。通過設(shè)計控制策略，負(fù)荷側(cè)分布式儲能、電動汽車等分布式資源可以提供虛擬慣量。虛擬慣量大小與控制策略中虛擬慣量時間常數(shù)大小有關(guān)，是可以設(shè)計的參數(shù)。因此，虛擬電廠可以更精細(xì)、靈活地響應(yīng)系統(tǒng)對慣量服務(wù)需求的變化，以更平滑、連續(xù)的方式為系統(tǒng)提供慣量支撐，不受單一設(shè)備啟停狀態(tài)的限制，從而有效補充和彌補同步發(fā)電機“塊狀”慣量的不足。
其次，考慮同步發(fā)電機接入節(jié)點、慣量參數(shù)、開停機狀態(tài)、新能源機組接入節(jié)點、電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等因素，電力系統(tǒng)的慣量并非處處相等，而是具有空間分布特性。具體來說，同步電源集中分布的區(qū)域慣量高，電力電子設(shè)備集中接入的區(qū)域慣量低。當(dāng)系統(tǒng)受到擾動時，頻率也呈現(xiàn)時空分布特性。在設(shè)計市場時，需要考慮系統(tǒng)頻率響應(yīng)空間分布差異，以擾動后各節(jié)點功率不平衡最小為優(yōu)化目標(biāo)，確定各節(jié)點的虛擬慣量配置與市場出清量。
最后，由于虛擬電廠為系統(tǒng)提供虛擬慣量時，需要提前儲備能量，多次連續(xù)響應(yīng)的性能較差，且儲能設(shè)備的能量預(yù)留會占用其可用容量，影響其參與其他市場的能力，產(chǎn)生的機會成本會導(dǎo)致虛擬電廠提供頻率支撐的成本結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，從而使其在成本特性上呈現(xiàn)出成本結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。因此，在電力市場中，慣量支撐輔助服務(wù)產(chǎn)品的設(shè)計需要考慮同步發(fā)電機組、虛擬電廠提供慣量的服務(wù)成本、利用效率的差異。
2.2 虛擬電廠提升系統(tǒng)頻率響應(yīng)能力的市場交易機制設(shè)計
本文設(shè)計的虛擬電廠提升新型電力系統(tǒng)頻率響應(yīng)能力的市場交易機制主要包括產(chǎn)品設(shè)計、出清定價、貢獻(xiàn)量化以及考核機制4個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，各環(huán)節(jié)涉及的關(guān)鍵要素如圖2所示。其中，產(chǎn)品設(shè)計是指圍繞系統(tǒng)典型頻率響應(yīng)能力缺額場景，結(jié)合虛擬電廠提供頻率響應(yīng)的特點，設(shè)計虛擬電廠提供的頻率響應(yīng)產(chǎn)品類型，是交易機制的核心；出清定價是指考慮市場供需、成本補償、價值貢獻(xiàn)等因素，為上述各類頻率響應(yīng)產(chǎn)品制定的定價機制；貢獻(xiàn)量化是指通過建立模型量化虛擬電廠在頻率支撐中的貢獻(xiàn)，具體包括對系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性的改善、減少旋轉(zhuǎn)備用需求等；考核機制是指設(shè)立考核標(biāo)準(zhǔn)和激勵措施，確保虛擬電廠按約定提供頻率響應(yīng)服務(wù)，如準(zhǔn)確率、響應(yīng)時間、連續(xù)性等。
圖2 市場交易機制關(guān)鍵要素
2.3 聚合特性與市場機制交互作用關(guān)系分析
一方面，虛擬電廠在時間、空間、成本方面的聚合響應(yīng)特性，共同決定了虛擬電廠在市場中的競爭力和價值；另一方面，考慮市場交易機制是虛擬電廠參與電力市場并獲取經(jīng)濟(jì)利益的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，市場交易機制的設(shè)計直接影響虛擬電廠的運營策略和收益水平。虛擬電廠聚合響應(yīng)特性與市場交易機制設(shè)計的交互影響關(guān)系如圖3所示。
圖3 聚合響應(yīng)特性與市場交易機制間的交互作用關(guān)系
產(chǎn)品設(shè)計需要考慮虛擬電廠聚合響應(yīng)的時間、空間特性。不同于傳統(tǒng)同步機組啟停的離散性，虛擬電廠提供的慣量、頻率支撐可以進(jìn)行連續(xù)調(diào)整。因此，針對虛擬電廠的頻率支撐產(chǎn)品設(shè)計可以更靈活多樣。另外，由于分布式能源資源在地理上的分散性，產(chǎn)品設(shè)計需考慮如何優(yōu)化資源的空間布局，確保虛擬電廠能夠在廣泛的地理區(qū)域內(nèi)有效聚合資源，實現(xiàn)區(qū)域間的互補與平衡。
出清定價需要同時考慮時間、空間、成本特性。虛擬電廠頻率支撐在時間上的連續(xù)性決定了在出清定價機制方面需要考慮傳統(tǒng)出清機制是否適用、能否與離散性的傳統(tǒng)機組同時出清等問題?？紤]到電網(wǎng)不同區(qū)域的供需狀況和傳輸限制，出清定價還需考慮地理位置因素，確保價格能反映特定地點的資源稀缺性和系統(tǒng)服務(wù)價值。定價機制的設(shè)計還需涵蓋虛擬電廠的運營成本，包括資源聚合、維護(hù)、通信和控制成本，確保價格既能吸引資源參與，又能覆蓋成本，維持虛擬電廠運營商的經(jīng)濟(jì)可行性。
貢獻(xiàn)量化需要考慮時間、空間特性。貢獻(xiàn)量化機制設(shè)計的復(fù)雜性在于在缺乏直接表計計量的情況下，如何科學(xué)、公正地反映虛擬電廠對系統(tǒng)頻率支撐的貢獻(xiàn)。因此，需要考慮虛擬電廠聚合響應(yīng)的時間連續(xù)性和空間分布特性，構(gòu)建合理的貢獻(xiàn)量化評估模型，保證貢獻(xiàn)量化評估結(jié)果的準(zhǔn)確性和公正性。
結(jié)算考核主要考慮成本特性。通過精細(xì)的結(jié)算評估機制和適當(dāng)?shù)募畲胧u估虛擬電廠調(diào)控效果與調(diào)控信號的契合程度，激發(fā)虛擬電廠參與頻率調(diào)節(jié)等輔助服務(wù)的積極性。結(jié)算考核機制的設(shè)計需要剖析虛擬電廠的成本特性，同時結(jié)合其對電網(wǎng)的實際貢獻(xiàn)，既能反映其真實價值，又能促使其提升運營效率。
2.4 未來研究重點展望
隨著新型電力系統(tǒng)建設(shè)的逐步推進(jìn)，未來虛擬電廠將呈現(xiàn)如下3個特征：1）智能調(diào)控；2）廣域聚合；3）市場運營。本文從系統(tǒng)頻率響應(yīng)新型控制算法、多類型異構(gòu)資源廣域聚合、新型輔助服務(wù)市場運營3個方面對虛擬電廠提升統(tǒng)頻率響應(yīng)能力的未來研究重點進(jìn)行了展望。
