D O I :10.7500/A
E P S 20131015004
陈大宇1，张粒子1，马 历2
(1.华北电力大学电气与电子工程学院，北京市102206;2.中国长江三峡集团公司，北京市100038
)摘要：基于火电机组和储能系统在自动发电控制(A G C ) 调节上的互补特性，结合华北电网辅助服务补偿的实践，提出了一种储能系统参与A G C 的优化配置方法㊂结合仿真工具，分析了火电与储能的A G C 容量比例与对应的系统A G C 控制效果的关系；进而在给定的全网A G C 多运行目标下，应用线性规划模型，提出了一种对不同A G C 电源的容量进行优化配置的建模方法㊂最后, 以5机2储能系统的简化系统为例,
对所提出的优化模型进行验证㊂算例结果表明，合理地利用储能系统将有助于在技术和经济两方面实
现电力系统的A G C 整体运行最优㊂关键词：储能系统；自动发电控制；电力市场；出清优化；储能容量配置
收稿日期:2013-10-15；修回日期:2014-02-18㊂
0 引言
储能系统具有精确快速功率控制的特性，能够较好地匹配电力系统自动发电控制(A G C )
的功能需求[1-2]
㊂储能已经在美国的多个电力市场的A G C
服务中实现规模化商用，目前总容量已经超过
100MW ㊂在2012年10月1日,P J M 新调频市场
正式开始运行，实现了以储能技术为主的快速调频电源参与到P J M 调频市场，与常规电源共同竞争，提供调频服务㊂经过重新设计和优化的P J M 新调频市场在经过半年多的正式运行后，运行效果良好㊂相比原有调频市场体制，系统总调频容量降低为原来的70%，同时系统整体调频控制性能(C P
S )指标保持稳定，并且没有支付更高的调频补偿成本㊂释放的传统机组的调频容量可以更多地参与其他辅助服务或者能量市场的竞争㊂新市场设计基本实现了
预期效果[
3
]㊂按照原电监会部署，根据华北电监局制定的‘华
北区域并网发电厂辅助服务管理实施细则“(以下简称‘细则“)，在华北区域建立了基于成本加合理收益
的辅助服务补偿机制，其中A G C 服务补偿规则体现了按照A G C 电源完成A G C 调节效果及数量支付补偿费用的原则㊂基于合理的价格机制的引导和公平的调度管理方式，经过4年多的运行，华北电网区域的发电企业提供A G C 服务积极性显著增加，机组性能持续提升，电网A G C 运行效果得到了保障㊂以2010年为例，与年初相比，截至同年底，全网机组平均A G C 调节能力提升82%㊂截至目前,
A G C 服务交易机制处于半市场化阶段㊂一方面,
补偿价格标准由政府制定，定价机制兼顾了A G C 电源提供服务的成本以及全网为支付A G C 补偿的总成本水平㊂另一方面，由于电网A G C 调用管理方法采用A G C 调节性能优的机组优先调用，形成
了发电企业间机组A G C 调节性能的竞争状态㊂但是，在‘细则“实施的过程中，月度A G C 补偿总费用经常出现较大幅度的变化，其原因主要包括机组自身性能的变化㊁补偿机制的调整以及A G C 调度控制方式㊂在系统实际运行中，保持电网A G C 控制性能指标的高合格率和降低A G C 补偿费用之间存在一定的矛盾㊂
针对储能提供A G C 服务,
中国已经有多个电网级大规模储能项目完成了示范和探索㊂例如：张北风光储输示范工程的储能系统可以接受电网的
A G C 调度指令，并完成相应的A G C 有功调节㊂同时，华北电网从A G C 调度层面正在逐步探索如何
将储能纳入以火电为主的A G C 协调控制体系㊂可以预见，未来储能技术将逐步大规模应用于电网
A G C 控制㊂因此,
需要建立以常规机组为主㊁有储能系统参与的A G C 市场出清优化模型，以期实现更优化的协调调度㊂本文提出以A G C 离线仿真为基础，应用线性规划模型完成A G C 市场出清，在满足电网A G C 需求及A G C 调节性能要求的同时，最小化全网A G C 服务补偿总量㊂
1 储能系统对电力系统A G C 运行的影响
电网A G C 是在秒至分钟级时间尺度对电网有功平衡进行管理，实时运行过程中，调度中心会对每个可用A G C 电源下发A G C 指令㊂图1为一台火
97 第38卷 第13期
2014年7月10
日
V o l .38 N o .13
J u l y 1
0,2014
电机组2h 内接收到的A G C 指令,
大部分的指令过程是以一定的功率为基点，以分钟为单位，进行上调和下调交替的频繁调节过程
㊂
170160150140130120
(/M W
06:00:00
06:38:24
07:16:48
07:55:12
图1 火电机组接收的A G C 指令
F i g .1 A
G Cs i g n a l r e c e i v e db y a
t h e r m a l u n i t 先进大规模储能系统具有毫秒级精确控制充放
电功率的能力，应用于电网A G C 有着和常规调频手段相比较为明显的优势㊂发电机组是旋转的大容量有功和无功发生装置，而储能系统可视为静止的相对小容量的有功和无功发生器，两者的主要区别在于其输出功率调整范围和响应特性的不同，前者输出功率调整范围大㊁但响应速度慢，而后者相对容量小㊁但响应速度快㊂从电网调度层面，需将储能系统的优势和特点整合到目前以常规机组为主的
A G C 调度体系㊂储能技术具有明显优势的同时，也有不可回避的劣势，即其有限的能量㊂由于储能系
统的标称能量与成本通常成正比，出于成本控制的考虑，应用于A G C 目的的储能系统通常以满足A G C 能量需求为目的进行配置㊂在电网一定的
A G C 调节需求下，当增加储能调频容量，由有功调节速率和精度更好的储能系统承担一部分A G C 调
节任务，能够提高电网整体有功调节速率和调节精度，减少电网对火电机组的调节需求，进而减少火电机组总调节容量㊂但相对于储能技术，火电机组具有无限的能量供应㊂当少量A G C 指令的单向调节持续时间过长的情况下，会出现储能系统可用能量受到约束的状况，这时火电机组需发挥能量支持的作用，共同完成电网A G C 的调节需求㊂因此，在选择A G C 调节电源时，储能系统不能配置过多，火电机组也不能配置过少，优化A G C 资源配置，需合理利用不同A G C 电源的特性，实现优势互补㊂华北区域A G C 补偿方式及价格的制定原则主要是以补偿A G C 电源的有功调节成本为主㊂因
此，电网整体A G C 补偿成本在一定程度上反映了
A G C 电源总的有功调节成本㊂电力系统A G C 运行希望在满足A G C 性能指标的前提下，通过提升网内A G C 电源的整体调节效率，降低总A G C 补偿水平㊂在储能火电联合A G C 调度的过程中，储能容量增加可以大幅减少常规机组的A G C 调用容量㊂
但同时，在总A G C 容量需求一定的情况下，过度增加储能容量，不仅会由于储能系统对常规机组A G C 调用容量的替代效果逐步减少，而造成全网A G C 控制指标下降，而且还会由于储能系统的频繁调用，可能升高电网整体的A G C 补偿金额，造成A G C 运
行成本上升的情况㊂
2 A G C 市场出清优化流程
2.1 华北区域A G C 补偿规则
华北区域A G C 补偿计算方式为针对单一A G C 电源以日为单位进行补偿，采用实测效果事后计算
补偿金额，补偿计算公式为[
4-5
]:R =D K p Y A G C (1
)式中:R 为A G C 电源日补偿金额;D 为A G C 电源在当日的总调节深度，即该A G C 电源完成的由调度中心下发的所有A G C 指令的总有功调节量;K p 为A G C 电源当天的综合调节性能指标，包括调节速率㊁调节精度以及响应时间;Y A G C 为A G C 补偿标准㊂
补偿具体计算规则见‘华北区域发电厂并网运
行管理实施细则(试行)
“㊂华北电网在系统调度运行过程中，实时监测网内所有A G C 电源响应电网指令效果，在网侧 两个细则 软件系统内，计算其调节性能指标㊂一方面，调节指标用于计算A G C 电源的A G C 经济补偿量；
另外，长期滚动统计的调节性能指标被用于A G C 电源的筛选，该指标是电源是否有资格参与电网A G C 调节的关键决定因素，性能指标较好的电源，参与电网A G C 调节的可能性越高，在运行过程中被分配到的调节量也越高，获得补偿的金额相应越高㊂
2.2 A G C 市场出清流程方案
针对华北电网A G C 运行管理及补偿方式，本文提出一套包含储能系统及火电机组的A G C 容量优选方法㊂该方法能够在满足系统A G C 运行效果以及其他各项A G C 需求的基础上，保证全网A G C 补偿费用最小化，为提供日前或者周前的A G C 电
源选择提供依据㊂图2显示了A G C 市场出清的基本流程㊂在日前计划阶段，应用以往运行的历史统计数据获得火电机组以及储能系统的A G C 性能相关参数，并将该参数作为系统A G C 仿真的输入数据，针对次日系统的A G C 状况进行一系列仿真，获得储能系统与火电机组在不同A G C 容量配比下的系统A G C 性能指标㊂结合次日系统A G C 各类运行需求，应用本文A G C 优化出清算法，确定储能及火电A G C 容量的最优配比，以确定次日A G C 运行
08 2014,38(13
)
方案㊂在实时运行过程中，持续对已选A G C 电源
进行性能监测，并将性能监测数据反馈于A G C 的日前计划中，作为A G C 电源运行资格以及A G C 电源容量优化的依据㊂梭式止回阀
图2 A G C 市场出清流程
F i g .2 C l e a r i n gp
r o c e s s o fA G Cm a r k e t 首先，在日前计划过程中，针对次日系统状况进
行A G C 运行仿真㊂电力系统A G C 运行仿真为时序仿真，以秒为仿真步长，能够模拟电力系统在一定
时间周期内的A G C 调度运行的完整过程㊂图3为
A G C 仿真输入及输出的示意图㊂该系统根据每一时刻预测或拟合的电网频率及联络线功率状况，根据一定的A G C 调度控制策略，分配有功调节指令至A G C 电源,
并根据不同类型电源的调节特性，模拟响应指令的出力过程㊂在完成指定周期模拟运行后，仿真将
对全网以及各个电源的A G C 相关关键指标进行统计㊂国内外学者已经对该类仿真系统有
了一定的研究，并开发出相应软件系统[
6-7
]图3 A G C 仿真系统示意图
F i g .3 S c h e m a t i c d i a g r a mo fA
G Cs i m u l a t i o n s y
s t e m 该仿真的主要目的是获得在不同的储能和火电
A G C 容量配比下，对应的系统A G C 控制效果的函
数关系㊂具体来讲，在A G C 仿真中,
将系统内备选火电机组以及储能系统的调节特性作为A G C 仿真程序的电源输入参数，包括可用调节容量㊁调节速率㊁调节精度以及响应时间等，该类信息是以长期实
际运行数据为基础，例如运行当日的临近前30日的滚动平均值㊂仿真系统需将针对不同的储能和火电调频容量配比进行仿真，计算出相应的系统A G C 运行综合效果，例如反映频率控制标准的指标
C P S 1和C P S 2㊂
对系统次日A G C 需求进行的估计主要包括A G C 容量需求㊁A G C 调节速率需求以及A G C 调节
任务量需求㊂A G C 调节容量的确定通常是根据调度运行人员的经验，以全网次日峰荷的2%~5%为
基本容量需求㊂更复杂的估算方法需要考虑负荷曲线的高频滤波，机组调节偏差引起的额外容量需求,
以及引入概率算法等估算合理A G C 容量需求[8]
㊂A G C 调节速率需求与A G C 容量需求以及经济调度间隔有关，例如可通过计算15m i n 内系统最大区域
控制偏差(A C E )
调节需求计算每分钟系统的上调及下调的速率㊂系统调节任务量估算是对次日全天
的A C E 调节需求进行评估,
该需求反映了系统A G C 调节的频度和幅度，对系统内A G C 电源的频繁调节能力提出了一定的要求，该需求可通过对同
类运行日，如工作日或节假日，进行A C E 统计得出㊂
仿真计算的储能和火电A G C 容量配比与系统
A G C 性能指标的函数关系以及A G C 需求评估,
从技术的角度对系统A G C 运行提出了不同方面的要求㊂这些技术要求将作为A G C 电源容量优选算法的约束条件，应用于系统A G C 容量优选方法，结合系统A G C 补偿成本的经济性，优化确定次日储能系统以及火电机组的A G C 容量选择方案㊂
3 出清优化模型
建立含储能的A G C 市场日前出清优化算法，该算法选用线性规划方法，从A G C 调频市场角度出发，以最小化全系统A G C 补偿成本为目标函数，并考虑系统A G C 运行的多种约束，优化解，给出储能系统以及常规机组的A G C 出清容量㊂
3.1 目标函数
m i n ðM
j
(K E S S j p f E S S j m
i l e (c E S S j )P E S S )+ðN
i
(
K T H i
p
f T H i m i l e (c T H i )P T H )(2
)式中:M 为可用的储能A G C 电源个数;K E S S j p
为第j 个储能系统的A G
C 性能，该参数来自实际运行的性能统计;f E S S j m i l e (c E S S j )为储能系统完成的预期A G C 任务量，该任务量是变量c E S S j 的函数，函数关系可
以通过统计分析或A G C 仿真得出，其中c E S S j 为第j 个储能系统参与A G C 的可用容量;P E S
S
为储能系统
18 ㊃电力市场学术研究专辑㊃ 陈大宇，等 储能参与的A G C 市场出清优化建模新方法
的A G C 补偿单价，可假设与火电机组同价，若市场为报价方式，则每个储能A G C 电源具有不同的系数P E S S ;N 为可用于A G C 调节的火电机组的个数;K T H i p 为第i 台火电机组的A G C 性能，该参数为机组实际运行的性能统计;f T H i m
i l e (c T H i )为第i 台火电机组完成的预期A G C 任务量,
是变量c T H i
的函数,
每台机组A G C 容量和任务量之间有不同的函数关
系，可以通过统计分析或A G C 仿真得出，其中c T H i 为第i 台火电机组的A G C 可用容量;P T H 为火电机
组的A G C 补偿单价㊂
目标函数中,c E S S j 和c T H i 为优化问题的变量，即出清问题的求解目标㊂其中，第一部分
ðM
j
(
K E S S j
p
f E S S j m i l e (c
E S S j
)P E S
S
)为储能系统获得的A G C 补偿总费用；第二部分ðN
i
(K T H i p f T H i m i l e (c
T H i )㊃P T H
)为火电机组的A G C 补偿总费用㊂3.2 约束条件
系统A G C 容量约束如式(3)所示，即储能的A G C 有效容量与火电的A G C 有效容量之和要满足系统次日预测的整体A G C 容量需求㊂由于储能系统和火电机组具有不同的有功调节特性，即使是不同的火电机组之间也存在有功调节能力差异，相同的可用A G C 容量对系统A G C 运行的贡献会有所不同㊂因此，需根据实际运行效果将A G C 电源的可用容量转化为对系统A G C 运行的有效容量㊂
ð
M
j
αj
c E S S j
+ðN
i
β
i c T H i
ȡC F R (3
)式中:αi 和βj 分别为储能系统和火电机组的A
G C 容量调整系数，反映了不同电源的可用A G C 容量和等效A G C 容量的转换关系;C F R 为系统次日A G C 容量需求，根据次日运行状况预测得出㊂
A G C 任务量约束如式(4)
卷绕电池所示，即储能预期A G C 任务量与火电预期A G C 任务量之和大于系统次日整体A G C 任务量需求㊂ðM
j
f
E S S j
m i l e
(c
E S S j
)+ðN
i
f T H i m
i l e (c T H i )ȡM F R (4
)式中:M F R 为系统次日总A G C 任务量需求，反映了系统A C E 的调整需求，该参数可根据系统历史运行统计分析或系统A G C 仿真得出㊂系统A G C 运行整体性能指标约束如式(5
)所示㊂其中,ð
M
j c E S S j
为储能A G C 总容量,ð
N
i
c T H
i 为火电机组A G C 总容量㊂f C P S 代表了一定的函数关
系，该函数关系反映了储能系统与火电机组需根据一定的A G C 容量关系进行配比，以实现A G C 运行的实际性能指标满足预定的指标要求，例如C P S 1
和C P S 2的考核标准㊂实际计算得出的该函数关系可能存在非线性的情况，在进行线性规划建模时，需进行分段线性化处理㊂
ð
M
j
c E S S j
ȡf C P S
(ðN
i
c T H i
)
(5
) 储能系统的可用最大和最小A G C 容量约束:
C E S S j M I N ɤc E S S j ɤC E S S j MA X j =1,2, ,M (6)式中:C E S S j
机械制图标题栏
M I N
为第j 个储能系统的最小可用容量;C E S S
j MA X
为第j 个储能系统的最大可用容量㊂火电机组可用最大和最小A G C 容量约束:C T H i M I N ɤc T H i ɤC T H i MA X
i =1,2, ,N (7)式中:C T H i M I N 为第i 台火电机组最小可调容量;C T H i
MA X 为第i 台火电机组最大可调容量㊂
电气石陶瓷球
火电机组在A G C 运行时间间隔内的可用A G C 容量约束如式(8)所示㊂由于储能具有为毫秒级速率响应特性，在A G C 时间尺度均可提供其额定功
率，因此可忽略储能的这类约束条件㊂
c T H i ɤV T H i T
i =1,2, ,N (8)式中:V T H
i 为火电机组实际有功调节速率，由历史运行统计得出;T 反映了A G C 运行的时间尺度,
通常，相邻经济调度时间间隔内的系统有功不平衡由A G C 完成调整㊂
考虑到优化模型的规模，本文线性规划模型采用内点法求解㊂
4 算例分析
算例包括2个储能系统(E S S 1和E S S 2
)和5台火电机组(T H 1至T H 5)作为备选A G C 电源,
模型输入参数见表1㊂E S S 1的A G C 性能略好于E S S 2㊂
5台火电机组的调节性能也有一定的差异㊂总体来
讲，储能系统平均调节性能高于火电机组㊂对于各类电源的A G C 容量和完成A G C 任务量的比值,
储能系统作为快速A G C 电源，取值为12倍，火电机组该比值约为4倍㊂在本算例中，火电机组的该比值根据调节性能的差异略有调整㊂
系统A G C 容量需求为100MW ,
任务量需求为1000MW ㊂在一定的A G C 容量需求下,A G C 仿真能够计算出不同的储能系统和常规机组的A G C 容量配比情况下，系统A G C 性能指标C P S 1㊂在该容量需求下，表2给出了储能系统和火电机组在不同A G C 容量配比下的系统A G C 性能指标C P S 1㊂假
设系统A G C 运行性能要求为C P S 1大于等于
150%，即低于150%的C P S 1不满足系统运行要求㊂例如表1中当储能系统占总A G C 容量的比值低于10%时，系统无法满足预定C P S 1指标要求㊂因此,
28 2014,38(13
)
要求系统配置更多的具有快速调节能力的储能系统以满足A G C运行要求㊂
表1算例数据输入
T a b l e1D a t a i n p u t s o f t h e c a s e
A G C 电源最大A G C
容量/MW
最小A G C
容量/MW
A G C性
能指标
A G C容量
和A G C任务
量比值
等效A G C
容量系数
E S S15008.0121.0000 E S S25007.0120.8750 T H16003.540.4375 T H26003.540.4375 T H33003.030.3750 T H43002.820.3500 T H53002.510.3125
表2储能系统和火电机组的A G C容量配比及
系统A G C性能指标
T a b l e2A G Cc a p a c i t y r a t i o o fE S S a n d t h e r m a l p o w e r u n i t a n d t h e s y s t e m A G C p e r f o r m a n c e i n d e x
A G C容量配比/%
储能系统火电机组C P S1值是否合格
0100143.3116否
595146.4620否
1090149.0271否
1585150.7204是
2080151.7052是
2575152.0692是
3070152.0184是
3565151.4809是
4060150.7075是
4555149.5773否
电源延时器5050148.1803否
优化模型计算得出的结果如下:E S S1,E S S2, T H1,T H2,T H3,T H4,T H5的A G C容量选择分别为0,32,60,60,30,25,0MW㊂结果显示，优化模型在2个储能系统中，没有选择性能最好的E S S1，而选择了性能略低的E S S2的部分容量㊂一方面说明，虽然E S S1的性能指标高于E S S2以及所有火电机组，但由于性能指标K p与系统支付的A G C运行成本成正比，所以优化模型在经济性层面倾向于较少
使用造成总A G C成本升高的A G C电源；另一方面，由于系统A G C性能约束要求储能总A G C容量与火电总A G C容量具有一定的比例关系，即系统需要一定容量的储能系统作为A G C电源时，优化模型根据技术层面的要求选择E S S2的部分容量以满足该项约束㊂另外，在火电机组容量的选择中，模型倾向于选性能较好的机组参与A G C运行，没有选择调节性能最差的T H5㊂
从算例结果可以得出如下结论:①从技术层面看，具有优异A G C能力的储能系统在一定的系统状况下，是A G C电源的必然选择，其快速精确的调节能力保证了系统A G C运行的性能要求;②基于目前的A G C补偿规则，过度使用储能系统可能造成系统整体A G C补偿成本过高;③从整体A G C运行原则来看，在保证系统A G C调节合格的前提下，选择性能适中的A G C电源更有利于降低市场A G C 辅助服务补偿费用㊂因此，合理利用储能系统，并优化储能火电协调A G C运行配比，能有效提升系统整体A G C运行的技术性和经济性㊂
5结语
本文以华北区域调度及‘细则“为基础，提出了一种储能系统参与A G C的市场出清优化建模方法；优化模型以全网A G C补偿成本最小化为优化目标，同时满足电网A G C调节性能指标，从而能够在满足电力系统调节性能的基础上减少A G C服务费用，有效平衡系统整体A G C运行技术性和经济性㊂在该方法中,A G C运行性能约束要通过A G C 仿真获得，并直接影响出清结果的合理性㊂而要进行精确的A
G C仿真对模型和数据均提出了较高的要求：一方面,A G C调度运行面对的系统有功不平衡具有较强的随机特性；另一方面，火电机组响应A G C的输出建模也具有一定的难度㊂如何建立合理的仿真模型㊁获得满足工程需要的A G C运行性能约束，将是未来研究的重点㊂
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A u t o m a t i o no fE l e c t r i cP o w e r S y
s t e m s ,2004,28(19):17-21.陈大宇(1978 )，男，博士研究生，主要研究方向：电力市场和电力经济㊂
张粒子(1963 )，女，教授，博士生导师，主要研究方向：电力系统分析与控制㊁电力市场及其技术支持系统㊂
马 历(1981 )
，女，通信作者，博士，高级工程师，主要研究方向：电力市场与经济㊂E -m a i l :44305150@q q
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c o m (编辑 蔡静雯)
AN e wO p t i m i z a t i o n M e t h o d f o rA G C M a r k e t C l e a r i n g C o n s i d e r i n g E n e r g y S t o r a g e S y
s t e m s C H E N D a y
u 1 Z HA N GL i z i 1 M AL i 2
1 S c h o o l o fE l e c t r i c a l a n dE l e c t r o n i cE n g i n e e r i n g N o r t hC h i n aE l e c t r i cP o w e rU n i v e r s i t y B e i j i n g 102206 C h i n a
2 C h i n aT h r e eG o r g e sC o r p o r a t i o n B e i j i n g 1
00038 C h i n a A b s t r a c t C o n s i d e r i n g t h ec o m p l e m e n t a r y c h a r a c t e r i s t i c so fe n e r g y s t o r a g es y s t e m E S S a n dt h e r m a l p o w e ru n i to nt h e a u t o m a t i c g e n e r a t i o n c o n t r o l A G C r e g u l a t i o n b a s e d o n t h eA G Co p e r a t i o n a l e x p e r i e n c e i nN o r t hC h i n aG r i d a n o p
女厕老式沟槽式厕所
t i m i z a t i o n m e t h o d f o r a l l o c a t i n g A G Cc a p a c i t y c o n s i d e r i n g E S S i s p r o p o s e d T h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n c a p a c i t y r
a t i oo fE S S s a n d t h e r m a l p o w e r u n i t s a n do v e r a l l s y s t e m A G C p e r f o r m a n c e a r e a n a l y z e du s i n g A G Cs i m u l a t i o n t o o l s B a s e do n t h ed e s i g n a t e d m u l t i p l e A G Co
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l l o c a t i o n 2014,38(13
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