【精彩论文】高渗透光伏配电网第三方主体调压辅助服务补偿与获取

高渗透光伏配电网第三方主体调压辅助服务补偿与获取

白晶¹, 金广厚¹, 孙鹤林¹, 胡楚樊², 赵晋泉², 陈天华³

（1. 国网北京市电力公司, 北京 100031; 2. 河海大学 能源与电气学院, 江苏 南京 211100; 3. 南瑞集团有限公司, 江苏 南京 211106）

摘要：大量分布式光伏并网给配电网运行带来了诸多电压控制问题，需求侧灵活性资源参与调压可减少由此带来的弃光。在构建中国新型电力市场机制的背景下，提出了一种高渗透光伏配电网第三方主体调压辅助服务补偿机制与获取策略。分析了第三方主体的补偿范围，讨论了调压辅助服务补偿标准的形成方法。针对由高渗透光伏导致的配网调压困难场景，提出了由光伏发电商分摊调压辅助服务费用。在充分考虑电网侧调压设备能力的基础上，以光伏发电商弃电量损失和第三方主体调压补偿费用最小化为目标，建立了配电网日前调压辅助服务优化获取模型。算例分析表明：所提调压补偿和优化获取策略可在维持配电网安全运行的同时，兼顾光伏发电商和第三方主体的收益，实现多方共赢。

引文信息

白晶, 金广厚, 孙鹤林, 等. 高渗透光伏配电网第三方主体调压辅助服务补偿与获取[J]. 中国电力, 2023, 56(4): 95-103, 111.

BAI Jing, JIN Guanghou, SUN Helin, et al. Third-party entity voltage regulation ancillary service compensation and procurement in distribution networks with high-penetration pv[J]. Electric Power, 2023, 56(4): 95-103, 111.

引言随着分布式光伏在配电网的渗透率不断提高，电网安全性、经济性等方面都面临着新的挑战和机遇^[1-3]。一方面，大量分布式光伏并网引发配电网有功潮流倒送，电压越限、弃光等问题突出；另一方面，储能、电动汽车、负荷聚合商等需求侧资源具有用电时间弹性、用电行为可调度等优点，给配电网运行增加了灵活调节能力^[4-5]。中国正在构建适应新型电力系统的电力市场机制^[6]，若能通过建立调压辅助服务市场或补偿机制，在配电网因常规调压能力不足造成弃光时调用需求侧资源参与调压，可有效提高清洁能源的消纳和渗透率，优化发、用电资源配置，减缓投资建设新的无功补偿设备。近年来，需求侧可控资源在配电网电压控制方面的巨大潜力被广泛关注。文献[7]提出了一种配电网电压协调优化控制模型，通过优化储能的充、放电行为来解决光伏并网引起的配网电压问题。文献[8]提出了通过调节电动汽车充电桩的运行功率因数，实现对配电网的电压支撑。文献[9]提出了通过负荷聚合商控制空调负荷群的用电行为来实现对配网电压的调节。上述文献从技术层面上阐述了需求侧资源参与配电网调压的可行性，但未考虑到其大多属于第三方资源，一般不直接受电网调度中心控制，需要在电力市场大背景下通过一定的辅助服务补偿来激励其参与调压。文献[10]从光储系统自身经济收益的角度，提出了一种计及调压辅助服务收益的光储系统最优运行策略。文献[11]考虑了电动汽车充电桩的无功调节成本，提出了一种计及充电站无功补偿的配电网电压优化模型。文献[12]提出了一种虚拟电厂无功辅助服务交易决策，实现了虚拟电厂主动参与电网调压。上述研究为引导第三方主体参与调压辅助服务提供了思路，但大多数研究并未讨论第三方主体参与调压辅助服务的补偿标准及其形成机制。调压辅助服务不仅仅是电网调度问题，也是各方成员共同参与的经济问题，因此需要建立合理的电力系统调压辅助服务机制，通过一定的经济补偿鼓励第三方资源积极参与调压。调度中心在此基础上进行第三方主体调压辅助服务获取，从而缓解电网调压压力，以保障配电网经济安全运行。

基于此，在中国建设新型电力系统和构建新型电力市场机制的大背景下，本文提出了一种第三方主体调压辅助服务的成本补偿和优化获取机制。首先分析了第三方主体的补偿范围，讨论了其参与调压辅助服务补偿标准的形成方法。针对由高渗透光伏导致的配网调压困难场景，本文提出由光伏发电商分摊调压辅助服务费用。建立了日前第三方主体调压辅助服务的优化获取模型，充分考虑了电网侧无功补偿设备的调节能力，实现了光伏发电商弃电量损失和第三方主体调压辅助服务补偿费用最小化。算例分析表明，本文提出的第三方主体调压辅助服务获取策略能调动光伏发电商和第三方主体参与配电网调压，兼顾各方经济效益。

1  第三方主体调压辅助服务获取

第三方主体调压辅助服务获取系统构架如图1所示。本文的获取策略整体可分为3部分：调压服务补偿机制、调度获取模型和费用分摊机制。其中，调压服务补偿机制是整个获取策略的基础，是制定获取策略的依据；调度获取模型实现了光伏发电商和第三方主体利益的协同，考虑了弃电量损失费用和第三方主体参与调压辅助服务补偿费用最小化；分摊机制体现了该获取策略是一种协商式的获取，可实现双方利益最大化。

图1  第三方主体调压辅助服务获取系统构架

Fig.1  The system structure of voltage regulation ancillary service procurement

第三方主体以自愿为原则参与配电网调压辅助服务，签订协议即默认接受调压辅助补偿机制，服从调度中心的调度，接受相关部门的监管与考核。当光伏大发导致配电网电压越限时，调度中心首先会调节无功补偿设备解决电压越限问题；若现有无功设备调压能力不足，则会要求配电网内各光伏发电商和第三方主体参与电压调节。本文设计获取调压辅助服务的费用由光伏发电商来承担，因此调度中心需要衡量光伏发电商弃电量损失费用和第三方主体参与调压辅助服务的补偿费用来制定调压辅助服务获取策略。调度中心优化分配光伏发电商的弃光量和第三方主体的调节量，从而得到兼顾光伏和第三方主体利益的调压辅助服务获取策略。第三方主体参与电网调压辅助服务优先调节无功功率，当无功功率不足时，出于电网安全需要仍要求第三方主体提供调压辅助服务，此时则通过改变有功功率的方式参与调压。

完成调压辅助服务优化获取后，电网调度中心可按需调用第三方主体参与调压。第三方主体则根据下达的调节指令，在内部对调节量进行分配，实现实时调压。

2  第三方主体调压辅助服务补偿机制2.1  参与主体与职责本文提出的第三方主体主要指的是储能系统、电动汽车充电站和负荷聚合商等能够独立承担民事责任的经济实体。其通过协调通信等技术，按照资源类型及区域进行聚合，内部包含一种或多种类型的可控资源。

第三方主体可以自主选择参与或者不参与调压辅助服务。如果选择参与调压辅助服务并获取经济补偿，须满足并网要求及数据规范要求，能够准确、可靠地按日向调度中心申报其可调有功、无功功率等运行信息，如次日负荷曲线、响应能力限值等^[13]。电网调度中心可按照日前获取计划，按需调度第三方主体，实现实时调压。聚合申报的第三方主体相关信息需要自行采集和整合内含的不同类型的可控资源的运行信息，如表1所示。

表1  第三方主体申报信息

Table 1  Third-party entity declaration information

由于配电网的阻抗比接近于1，有功和无功耦合紧密，在极高光伏渗透率和极低负荷水平时，单一的无功调节对配电网的电压控制作用有限，须辅以有功功率调节^[14-18]。因此，本文第三方主体提供的调压辅助服务包括无功调节和有功调节2部分。其优先通过无功调节调压，当无功调节不能满足调压需求时，可通过有功调节来调压。2.2  调压辅助服务补偿范围

第三方主体采用电量补偿法进行补偿，即基于调整量大小获得相应补偿。其中，无功调压辅助服务包括基本无功调压辅助服务和有偿无功调压辅助服务。第三方主体调压辅助服务补偿区域如图2所示。图2中： P_{TP_inv} 为第三方主体逆变器的输出有功功率； Q_{TP_base} 、 −Q_{TP_base} 为第三方主体并网义务提供的无功功率可调节范围的上、下限，在此范围内调节的无功量不进行补偿。当所需调整无功功率超出该部分时，其超出部分将获得相应的补偿（ Q_{TP_max} 、 Q_{TP_min} 分别为第三方主体可调节的无功功率上、下限）。有功调压辅助服务需要调整用户用电习惯，无论在任何时刻下增加还是削减用电负荷都需要补偿激励，以引导用户的用电行为，实现配电网电压控制。

图2  第三方主体调压辅助服务补偿区域

Fig.2  The compensation area of voltage regulation ancillary service provided by third-party entity

2.3  调压辅助服务补偿标准的形成方法测算电网中第三方主体调压资源总量和充裕度及其成本构成，确定合理的补偿标准是本文优化获取策略的基础。调压辅助服务无法像调峰、调频和备用等辅助服务一样采用“报价+出清”的市场机制，而只能采用“优化调度采购+事后补偿”的补偿机制来开展，无法形成市场反映敏锐的价格信号，这就要求市场监管机构前期开展的第三方主体资源调节资源总量和成本构成测算工作要深入细致，在此基础上给出合理的补偿标准，使之既能调动第三方主体调压积极性，也能兼顾调压服务获利方（即费用承担方）的利益诉求。本文采用的补偿方式为固定价格补偿，通过长时段的历史数据分析计算第三方主体提供调压辅助服务的成本，从而得到相应的补偿标准。

第三方主体向配电网提供的调压辅助服务包括无功调压辅助服务和有功调压辅助服务，因此补偿标准也分为无功电量补偿标准 P_{TP\_Q} 和有功电量补偿标准 P_{TP\_P} ，分别为

式中： C_Q 为无功调压辅助成本，主要为逆变器损耗成本； C_P 为有功调压辅助服务成本，主要为额外用电成本和补偿用户满意度成本； W_Q 、 W_P 分别为第三方主体提供的调压辅助服务历史无功、有功调节量； γ_Q 、 γ_P 为补偿标准中的奖励因子，其具体数值视其内部配置各类资源比例及其提供服务效果的情况而定，一般略大于1。对于无功调节，可设置较高的无功奖励因子，此时第三方主体为了能获得覆盖无功调压成本的调压补偿，会愿意提供更大的无功调节裕度。对于有功调节，不同类型的第三方主体设置的奖励因子应有所差异。储能系统和负荷聚合商的用电行为对用户的影响较大，因此建议设定较高的有功奖励因子。对于电动汽车用户，可设定较小的有功奖励因子。除此之外，由于含有多类型资源的第三方主体有更灵活的调节能力，设定的奖励因子应比仅含一种可控资源的第三方主体的奖励因子高，并且调节能力越强，奖励因子越大。根据第三方主体运行历史数据，可定义第三方主体j有功功率、无功功率响应可靠性指标 H_TP,P,j 和 H_TP,Q,j 分别为式中： P_TP,j 、 Q_TP,j 分别为第三方主体j的有功和无功功率； P_c 、 Q_c 分别为下达的控制有功和无功功率目标值。

H_TP,P,j 和 H_TP,Q,j 指标越接近于1，说明可靠性越高，调节能力越强。需要注意的是，制定的调压辅助服务补偿标准应低于电网投资新建无功补偿装置和运行维护的成本^[19]。

3  日前调压辅助服务优化获取模型3.1  目标函数

为了兼顾光伏发电商和第三方主体的利益，目标函数为购买第三方主体调压辅助服务的补偿费用 C_TP 和光伏发电商弃电量损失 C_pv 最小，即

第三方主体调压辅助服务的补偿费用为式中： ΔP_TP,j,t 、 ΔQ_TP,j,t 分别为第三方主体j在时刻 t 提供调压辅助服务需要补偿的有功、无功功率； Δt 为第三方主体提供调压辅助服务的单位时长； T 为调节时段数； N_TP 为配电网第三方独立主体数目。光伏发电商弃电量损失为式中： ρ_pv 为光伏并网的单位电价； ΔP_PV,j,t 为时刻 t 光伏j弃光功率。3.2  约束条件第三方主体的无功调节能力主要来自储能、电动汽车充电站等通过逆变器并网的可调设备，其无功功率的出力为式中： Q_{TP\_base,j,t} 为时刻 t 第三方主体j提供的基本调压辅助服务的无功功率； Q_{TP_max,j,t} 和 Q_{TP_min,j,t} 分别为时刻 t 第三方主体j申报的无功调节范围上、下限。除无功调节以外，第三方主体可以通过改变用电（有功）曲线来提供调压服务，即式中： P_{TP\_0,j,t} 为第三方主体j申报的次日时刻 t 的基准负荷； P_{TP_max,j,t} 和 P_{TP\_min,j,t} 分别为其申报的次日时刻 t 可承受的最大和最小负荷。为了满足第三方主体自身用电需求，需要对在调度周期内的总用电量进行约束，即式中： W_{TP\_cut,j} 和 W_{TP\_inc,j} 分别为第三方独立主体j申报的调度周期内可削减、可增加电量。若第三方主体全部由储能和电动汽车充电站构成，其 W_{TP\_cut,j} 和 W_{TP\_inc,j} 可以为0，即在一个调度周期内其总用电量不变。

此外，模型还考虑了配电网潮流约束、电网安全约束、传统无功调节设备运行约束等，具体模型可参见文献[20]，本文不再赘述。

4  调压辅助服务费用分摊辅助服务的费用分摊依据“谁提供，谁获利；谁受益、谁承担”的原则^[19]，因此需要明确第三方主体调压辅助服务的获利者。本文划分为3种情况。1）仅光伏发电商（即配电网主要的调压困难来自光伏的快速发展和消纳困难）；2）光伏发电商和负荷（即配电网的调压困难来自负荷和光伏的快速发展）；3）光伏发电商、负荷和电网公司（即配电网的调压困难来自负荷和光伏的发展，以及配电网建设的滞后）。本文以上述第一种情况为对象开展研究，即面向高渗透光伏配电网，电网调压压力主要来自于分布式光伏的不断增加。由光伏发电商作为资金池的承担者，采用受益分摊成本方式^[21]进行分摊，即减少弃电量的光伏发电商按照各自受益比例分摊相应的调压辅助服务费用，即

式中： M_PV,j 为光伏发电商j某月分摊的调压辅助服务费用； W_PV,j 为光伏发电商j某月避免削减的总发电量； Γ_TP 为第三方主体某月参与调压辅助服务的总补偿费用； N_pv 为配电网光伏发电商数目。

5  算例分析5.1  算例数据本文采用二阶锥松弛技术^[20,22-25]，将原问题转化为混合整数二阶锥规划问题进行求解。在Matlab环境下通过YALMIP编程实现，采用CPLEX数学优化软件求解。

采用改进IEEE 33节点系统对所提出的高渗透光伏配电网第三方主体调压辅助服务获取模型进行仿真分析。改进IEEE 33节点系统如图3所示，在节点1、2之间接入有载调压变压器，电压调节范围为0.97~1.03 p.u.，6档可调，步长为0.01 p.u.；节点26接入补偿电容器，步长为50 kV·A，调节范围为0~300 kV·A；节点16接入SVC，调节范围为–200~200 kV·A；节点5和10接入容量为1 MW的光伏发电，节点15、18、22、25、29、33接入容量为1.5 MW的光伏发电；节点8、11、17、19接入第三方主体，申报的有功可调范围为该节点负荷需求的±40%，逆变器容量为1 MV·A。系统松弛节点为节点1。系统节点电压上、下限分别为1.05 p.u.和0.95 p.u.。

图3  改进IEEE 33节点系统

Fig.3  Modified IEEE 33-bus system

本文根据某地区某日的24 h负荷需求和光伏出力构造得到该系统各节点的负荷需求及光伏出力预测曲线，系统峰值设定为7.50 MV·A，光伏渗透率为147%，如图4所示。

图4  负荷需求和光伏出力曲线

Fig.4  Load demand and PV forecast output curve

为了便于计算，设定第三方主基本无功调压辅助服务范围为其申报的可调容量的10%（若申报无功范围为–150~150 kV·A，则基本辅助服务调节范围为–15~15 kV·A；第三方主体提供无功调节的补偿价格为15 元/(MV·A·h)，有功调节的补偿价格为250元/(MW·h)；光伏并网电价为600 元/(MW·h)。5.2  仿真结果与分析基于系统调压资源利用情况，本文设置场景如下。场景1：仅考虑分布式光伏和常规无功调压设备的协调电压控制；场景2：考虑加入第三方主体无功辅助服务补偿的协调电压控制；场景3：考虑本文所提第三方主体调压辅助服务的协调电压控制。

1）安全性对比。在场景1中，光伏在白天时段发电量较大而负荷相对较轻，且光伏并网点靠近线路末端，此时若仅调节分布式光伏的无功功率进行调压，不考虑削减光伏的发电量，会出现电压越上限的情况，如图5所示。为了保证配电网运行安全，调度中心会削减光伏上网电量以保证电压安全，如图6所示。显而易见，仅考虑分布式光伏及现有的无功补偿设备的无功调节能力可以对配电网电压控制起到一定的作用，但在光伏发电量较大而负荷需求量较小时，仍有可能出现削减光伏出力或电压越限的情况。

图5  场景1下光伏并网点电压曲线

Fig.5  Voltage curves of PV connection points in scenario 1

图6  场景1下18号节点并网光伏消纳量

Fig.6  PV absorption at node 18 in scenario 1

场景2在场景1的基础上考虑了第三方主体的无功调压能力。第三方主体基于自身经济收益最优的方式运行，仅调节无功功率参与配电网调压，不改变自身用电行为。此时配电网仍无法消纳光伏发电商所有的发电量，在同一条线路上的15、18号节点的光伏不得不削减光伏发电量以防止电压越上限。17号节点接入的第三方主体调节量如图7所示。光伏并网点电压如图8所示。18号节点光伏消纳情况如图9所示。

图7  场景2下第三方主体调节量

Fig.7  Third-party entity adjustment in scenario 2

图8  场景2下光伏并网点电压曲线

Fig.8  Voltage curves of PV connection points in scenario 2

图9  场景2下18号节点并网光伏消纳量

Fig.9  PV absorption at node 18 in scenario 2

在场景3中，调度中心根据配电网的运行情况，衡量光伏发电削减损失和第三方主体调压补偿，制定最优的第三方主体调压辅助服务获取策略，在光伏大发时吸收配电网多余的无功功率，并且增加有功负荷消耗，提高光伏消纳。此时，配电网各个节点电压均在安全范围内，如图10所示，且光伏发电量实现了全部消纳，如图11所示，高渗透光伏配电网的电压越限问题得到有效解决。

图10  场景3光伏并网点电压曲线

Fig.10  Voltage curves of PV connection points in scenario 3

图11  场景3下18号节点并网光伏消纳量

Fig.11  PV consumption at node 18 in scenario 3

以场景3下的17号节点接入的第三方主体为例，如图12所示，在辅助服务补偿的激励下，第三方主体在09:00—15:00时提供调压辅助服务，以最大申报无功容量吸收系统无功功率，以避免节点电压越上限；同时，第三方主体适当改变其负荷需求曲线，将其他时段的部分的负荷需求转移到了光伏大发时段，进一步促进光伏的消纳，改善配电网的电压水平。

图12  场景3下17号节点第三方主体的调节量

Fig.12  Third-party entity adjustment at node 17 in scenario3

2）经济性对比。光伏发电商愿意付出一定的经济代价购买第三方主体的调压辅助服务以保证自身利益。而第三方主体经济补偿的引导下，选择提供调压辅助服务，获得“额外收入”。因此，均衡考虑各方经济利益，调度中心只有在电压越限且常规无功设备无可调裕度时，才会购买第三方主体的调压辅助服务，如图12所示。换言之，受到光伏发电商和第三方主体的成本与收益的相互制约，调度中心不会在配网电压满足安全约束的情况下获取第三方主体调压辅助服务来优化减小电压的偏差。

表2为不同场景下的各方运行费用比较。从表2可以看出，采用本文所提的第三方主体日前调压辅助服务获取策略时，光伏发电商和第三方主体的总收益均有所提高。可推知，在第三方主体调压辅助服务机制下，光伏发电商和第三方主体基于自身利益最大化，愿意提供配电网调压辅助服务，可达成多方共赢的局面。

表2  不同场景下的各方运行费用比较

Table 2  Comparison of operation costs in different scenarios

6  结语在中国构建新型电力市场以支撑新型电力系统的大背景下，基于高渗透光伏配电网对电压调节的需求和电力辅助服务的发展，本文提出了一种第三方主体调压辅助服务的优化获取策略，以光伏发电商弃电损失和第三方主体调压辅助服务补偿费用最小为目标，在光伏大发、配电网出现电压越限问题时，调动第三方主体参与调压辅助服务，从而保障配电网安全经济运行。研究表明：通过一定的补偿激励，可以调动光伏发电商和第三方主体主动参与到系统的调压中，维持配电网电压安全稳定的同时，兼顾了光伏发电商和第三方主体的收益，实现多方共赢。同时，在一定程度上，本文所提机制减小了配电网的调压成本，减缓了新增调压设备的投资，给电网运行带来更高的经济效益。此外，调压辅助服务的补偿机制关系着光伏发电商和第三方独立主体的利益博弈均衡，如何实现双方利益最大化是需要进一步研究的课题。

（责任编辑　杨彪）

作者介绍

白晶（1974—），男，硕士，高级工程师，从事电力系统及其自动化研究，E-mail：[e-mail];

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金广厚（1977—），男，博士，从事电力系统及其自动化、高电压技术、电力市场研究，E-mail：[e-mail];

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孙鹤林（1981—），男，硕士，高级工程师，从事电力系统及其自动化研究，E-mail：[e-mail];

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胡楚樊（1997—），女，硕士，从事分布式电源配电网运行与控制研究，E-mail：[e-mail];

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赵晋泉（1972—），男，通信作者，教授，从事电力系统优化、电压控制与电压稳定、电力市场研究，E-mail：[e-mail].

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编辑：杨彪校对：于静茹审核：方彤

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