CN110445193A - 一种基于虚拟电厂调频控制策略的调频补偿分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于虚拟电厂调频控制策略的调频补偿分配方法，属于发电、变电或配电的技术领域。本发明依据电力系统中自动发电控制中心下发的自动发电控制信号，考虑虚拟电厂内新能源及负荷的随机性，以调频控制偏差最小为目标，制定虚拟电厂对内部的分布式能源及需求响应负荷的调频控制策略，基于所提出的虚拟电厂调频控制策略，考虑虚拟电厂调频控制策略给内部分布式能源及需求响应负荷的调频性能带来的影响，考虑虚拟电厂调频控制策略给内部分布式能源及需求响应负荷带来的不平衡能量，给出了一种能够公平合理地对虚拟电厂内部调频资源进行补偿并促进虚拟电厂内部调频资源提供调频辅助服务的方法。

Description

一种基于虚拟电厂调频控制策略的调频补偿分配方法

技术领域

本发明公开了一种基于虚拟电厂调频控制策略的调频补偿分配方法，涉及电力系统虚拟电厂调频技术，属于发电、变电或配电的技术领域。

背景技术

为了缓解化石能源危机及相应的环境污染与气候恶化等问题，近年来越来越多的可再生能源以分布式资源的形式接入电网。然而，分布式资源往往具有容量小及不确定性强等特点，在许多国家的电力市场上往往存在准入性、便利性及经济性等方面的问题。虚拟电厂技术通过聚合分布式能源与储能电池协同参与调频市场，充分利用各种类型分布式资源的优势是解决上述问题的一种有效方式。

现有研究及虚拟电厂运行模式下，虚拟电厂内部的调频资源往往单独参与调频市场并响应电力系统下发的调频信号。然而，由于虚拟电厂自身也是调频资源的需求者，通过调频资源及合理的控制策略能够减少自身运行的不确定性及运行风险，因此，有必要设计合理高效的虚拟电厂及内部调频资源的调频技术及控制策略。并且，实际虚拟电厂按一定的控制策略调用内部资源进行调频往往造成内部资源表现出可变的调频性能和额外的不平衡能量，因此，针对上述问题，应提出公平合理的调频补偿方法，以促进虚拟电厂调频控制策略的发展与应用。

发明内容

本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了一种基于虚拟电厂调频控制策略的调频补偿分配方法，旨在促进虚拟电厂经济高效地利用内部分布式资源及需求响应负荷进行调频并降低新能源及负荷造成的虚拟电厂出力随机性，同时公平合理地对内部分布式资源及需求响应负荷进行调频补偿，以促进分布式资源及需求响应负荷参与虚拟电厂并提供调频辅助服务，解决了虚拟电厂按一定控制策略调用内部资源进行调频往往造成内部资源表现出可变的调频性能和额外的不平衡能量的技术问题。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

在介绍技术方案前，为方便理解，首先介绍相关概念。本发明以目标为最小化实际功率与理想功率误差的虚拟电厂调频控制策略为例，介绍虚拟电厂的调频补偿分配方法，相关概念如下：

理想功率：本发明中虚拟电厂的理想功率是指各个时刻虚拟电厂能量基点及调频响应功率之和，是指满足系统调度结果或市场出清方案所规定功率基点，同时满足各个时刻调频信号所要求的功率调整量。

实际功率：实际功率是指各个时刻虚拟电厂的真实功率，随着新能源及负荷在各个时刻的随机性而呈现一定的波动性。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

为使虚拟电厂合理调用及控制调频资源的响应方式及效果，本文提出了一种虚拟电厂调频控制策略。该调频控制策略是指虚拟电厂各个时刻下发给内部分布式能源及需求响应负荷的调频信号，即自动发电控制信号。虚拟电厂内调频资源不再响应电力系统下发的自动发电控制信号，而虚拟电厂对电力系统下发的自动发电控制信号进行调整后下发至内部分布式能源及需求响应负荷。

虚拟电厂的自动发电控制信号是一种目标为最小化实际功率与理想功率误差的虚拟电厂调频控制策略，该控制策略的数学模型如公式(13)至公式(2)所示：

-1≤x'(t)≤1 (2)。

式(1)表示虚拟电厂下发给内部分布式能源及需求响应负荷的调频信号策略的数学模型，右式中分子表示理想功率与实际功率的差值，分母表示所有分布式能源及需求响应负荷的调频备用容量之和。其中，x'(t)是指虚拟电厂下发给所有内部分布式能源及需求响应负荷的调频信号，为[-1,1]内的比例系数，-1表示下调100％的调频备用功率，1表示上调100％的调频备用功率；x(t)是指虚拟电厂接受到调度中心或自动发电控制中心下发的调频信号；P_i,h是指分布式能源或需求响应负荷i在h时刻的运行基线；是指分布式能源或需求响应负荷i在h时刻的调频备用容量；ΔP_j,t是指新能源或负荷j在t时刻实际出力或实际消耗有功的预测误差；是指虚拟电厂h时刻在日前市场上的中标能量；是指虚拟电厂h时刻在实时市场上的中标能量。

式(2)表示虚拟电厂下发给内部分布式能源及需求响应负荷的调频信号约束。

为公平合理地按调频性能对虚拟电厂内部分布式能源及需求响应负荷进行补偿，本发明提出按虚拟电厂实际下发给内部分布式能源及需求响应负荷的调频信号进行调频性能计算，而非虚拟电厂接收到自动发电控制中心的调频信号进行调频性能计算。本发明以美国PJM市场规定的调频性能计算方法为例进行介绍，按实际下发的信号进行机组调频性能计算如公式(3)至公式(8)所示，

d_max＝argmax(σ(d)) (7)，

式(3)表示虚拟电厂内部分布式能源或需求响应负荷i的调频性能计算公式。其中，和分别表示组成分布式能源或需求响应负荷i调频性能的延迟分数、相关性分数及精确度分数，A、B和C分别为三者的加权平均系数。

式(4)表示精确度分数的计算公式。其中，N表示统计时段内采样点个数，采样时段为300s，每10s采样一次，故N为30；y_i(t)表示分布式能源或需求响应负荷i在t时刻的实际调频响应功率，其值为实际功率与能量基点的差值；表示分布式能源或需求响应负荷i在前一小时内接受到虚拟电厂下发调频信号x'(t)的绝对值的平均。

式(5)表示分布式能源或需求响应负荷i在统计时段内的调频响应采样序列与虚拟电厂下发的调频信号采样序列相差d个时间段后的相关系数.其中，和分别为调频响应采样序列与调频信号采样序列在300s的采样时间段内的平均值。

式(6)表示相关性分数的计算公式，为式(5)所能取到的最大值；式(7)表示使式(5)取到的最大值的d取为d_max；式(8)表示延迟分数的计算公式。

按所述调频性能计算方法对虚拟电厂内部分布式能源及需求响应负荷进行补偿。虚拟电厂以PJM市场的调频市场机制为例，对内部分布式能源及需求响应负荷如公式(9)所示：

其中，表示虚拟电厂内部分布式能源或需求响应负荷i在h时刻的调频补偿收入，和分别为h时刻的调频容量电价与调频性能电价，μ_ratio为不同调频信号类型的里程比，K_i,h表示虚拟电厂内部分布式能源或需求响应负荷i在h时刻的调频性能。

对虚拟电厂内部分布式能源及需求响应负荷响应虚拟电厂调频控制策略过程中所产生的不平衡能量，按一定价格给予分布式能源及需求响应负荷相应的补偿，如公式(10)至公式(11)所示：

式(10)表示基于虚拟电厂调频控制策略下，因响应虚拟电厂调频信号，分布式能源及需求响应负荷i在h时刻的不平衡能量。其中，每两秒下发一次调频信号，每小时结算一次调频性能及收益，故不平衡能量为1800个调频信号时段内调频响应的均值；表示分布式能源及需求响应负荷i在h时刻的调频备用容量；x'(t)是指虚拟电厂下发给所有内部分布式能源及需求响应负荷的调频信号，为[-1,1]内的比例系数，-1表示下调100％的调频备用功率，1表示上调100％的调频备用功率；x(t)是指虚拟电厂接受到调度中心或自动发电控制中心下发的调频信号；P_i,h是指分布式能源或需求响应负荷i在h时刻的运行基线；ΔP_j,t是指新能源或负荷j在t时刻的实际预测误差；是指虚拟电厂h时刻在日前市场上的中标能量；是指虚拟电厂h时刻在实时市场上的中标能量；式(11)表示分布式能源及需求响应负荷的补偿金额；表示h时刻实时市场的能量电价或实时购电成本。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

(1)充分利用了电力系统未调用的调频备用资源弥补虚拟电厂内部因随机波动或新能源预测误差造成的功率不平衡，使得该功率不平衡造成的频率偏差在虚拟电厂层级被尽可能地减少或消除。

(2)考虑到虚拟电厂调频控制策略下的调频信号在一个结算时间段内的平均值不一定为0，有可能导致分布式能源及需求响应负荷出现多消耗或少消耗等问题，合理评估了因虚拟电厂不同控制策略所造成内部调频资源贡献的差别以及因虚拟电厂不同控制策略所造成内部调频资源不平衡能量的差别，保证了分布式能源及需求响应负荷因跟踪不同调频控制策略而多损失的能量能够得到经济补偿，提高了分布式能源及需求响应负荷参与虚拟电厂并提供调频辅助服务的积极率。

(3)相较于按自动发电控制中心下发的调频信号与分布式能源及需求响应负荷的调频响应进行计算的传统方法，本申请采用实际接收到的调频信号进行调频性能的计算，公平地对虚拟电厂内部调频资源进行了补偿，能够促进虚拟电厂应用多样的调频控制策略以提高性能或规避风险，同时促进虚拟电厂内部调频资源积极提供调频辅助服务。

具体实施方式

下面对发明的技术方案进行详细说明。

本发明设计的虚拟电厂调频控制策略及调频补偿分配方法的具体实施过程如下：

第一步，虚拟电厂内的分布式能源及需求响应负荷提前一定时间向虚拟电厂控制中心或能量管理系统提交自身的调频能力信息，包括：下一时刻的启停状态、下一时刻负荷基线、下一时刻的可调最大及最小调频备用容量、调频备用容量及其提供调频的成本曲线等信息；

第二步，虚拟电厂根据分布式能源及需求响应负荷所提供的相应信息，按自身的运行目标及相应的优化算法，求解各个分布式能源及需求响应负荷提供的调频备用容量大小，并下发给各个分布式能源及需求响应负荷；

第三步，虚拟电厂在实时运行及调频阶段，根据当前时刻的理想功率与实际功率的差值，或其他的控制目标，求解调频控制策略，即各个时刻下发给分布式能源及需求响应负荷的调频控制信号；

第四步，分布式能源及需求响应负荷根据接收到的调频控制信号进行功率调整，并由虚拟电厂按分布式能源及需求响应负荷实际接收到的调频控制信号对其调频性能进行统计计算，最后按该性能计算分布式能源及需求响应负荷应获得的调频补偿；

第五步，按分布式能源及需求响应负荷实际接收到的调频控制信号及其提供的调频备用容量，计算分布式能源及需求响应负荷提供调频辅助服务的能量变化，对于多提供的不平衡能量，按一定的价格(本文为实时市场的价格)给予其相应的补偿。

Claims (5)

1.一种基于虚拟电厂调频控制策略的调频补偿分配方法，其特征在于，根据虚拟电厂下发给内分布式能源及需求响应负荷的调频信号以及各分布式能源及需求响应负荷响应调频信号后的调频备用容量，计及延迟分数、相关性分数及精确度分数计算各分布式能源及响应负荷的调频性能，计及调频容量电价与调频性能电价确定虚拟电厂内部分布式能源及需求响应负荷参与调频的补偿收入，对虚拟电厂内部分布式能源及需求响应负荷响应虚拟电厂下发的调频信号所产生的不平衡能量按照实时电价给予补偿。

2.根据权利要求1所述一种基于虚拟电厂调频控制策略的调频补偿分配方法，其特征在于，所述虚拟电厂调频控制策略以实际功率与理想功率误差最小化为目标，虚拟电厂下发给所有内部分布式能源及需求响应负荷的调频信号x'(t)为：-1≤x'(t)≤1，P_i,h为分布式能源或需求响应负荷i在h时刻的运行基线，x(t)为虚拟电厂接受到调度中心或自动发电控制中心下发的调频信号，为分布式能源或需求响应负荷i在h时刻的调频备用容量，ΔP_j,t为新能源或负荷j在t时刻实际出力或实际消耗有功的预测误差，为虚拟电厂h时刻在日前市场上的中标能量，为虚拟电厂h时刻在实时市场上的中标能量。

3.根据权利要求1所述一种基于虚拟电厂调频控制策略的调频补偿分配方法，其特征在于，各分布式能源及响应负荷的调频性能由表达式：计算，K_i为虚拟电厂内部分布式能源或需求响应负荷i的调频性能，和分别为组成分布式能源或需求响应负荷i调频性能的延迟分数、相关性分数及精确度分数，A、B和C分别为和的加权平均系数，d＝[0,10s,20s,...,300s]，N为统计时段内采样点个数，y_i(t)为分布式能源或需求响应负荷i在t时刻的实际调频响应功率，y_i(t)的值为实际功率与能量基点的差值，为分布式能源或需求响应负荷i在前一小时内接受到虚拟电厂下发调频信号x'(t)的绝对值的平均，为分布式能源或需求响应负荷i在h时刻的调频备用容量，σ(d)为分布式能源或需求响应负荷i在统计时段内的调频响应采样序列与虚拟电厂下发的调频信号采样序列相差d个时间段后的相关系数，和分别为调频响应采样序列与调频信号采样序列在300s的采样时间段内的平均值。

4.根据权利要求1所述一种基于虚拟电厂调频控制策略的调频补偿分配方法，其特征在于，确定虚拟电厂内部分布式能源及需求响应负荷参与调频的补偿收入的表达式为： 为虚拟电厂内部分布式能源或需求响应负荷i在h时刻的调频补偿收入，和分别为h时刻的调频容量电价与调频性能电价，μ_ratio为不同调频信号类型的里程比，K_i,h为虚拟电厂内部分布式能源或需求响应负荷i在h时刻的调频性能。

5.根据权利要求1所述一种基于虚拟电厂调频控制策略的调频补偿分配方法，其特征在于，对虚拟电厂内部分布式能源及需求响应负荷响应虚拟电厂下发的调频信号所产生的不平衡能量按照实时电价给予补偿的计算公式为： 为分布式能源或需求响应负荷i在h时刻参与调频的补偿，为h时刻实时市场的能量电价或实时购电成本，为分布式能源或需求响应负荷i在h时刻的调频备用容量，P_i,h为分布式能源或需求响应负荷i在h时刻的运行基线，ΔP_j,t为新能源或负荷j在t时刻的实际预测误差，为虚拟电厂h时刻在日前市场上的中标能量，为虚拟电厂h时刻在实时市场上的中标能量。