[论文解读] Cost Allocation for Inertia and Frequency Response Ancillary Services

Carlos Matamala, Luis Badesa+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 13, 2023

Smart Grid Energy ManagementEngineering被引用 3

一句话总结

本文提出了一种基于核心值（nucleolus）的惯性与一次调频辅助服务（AS）成本分摊机制，确保在系统惯性下降背景下，对导致系统不稳定的发电机组和负荷实现公平的成本分摊。结果表明，核心值方法在避免交叉补贴、维持市场稳定性方面优于按比例分配和夏普利值（Shapley value）方法，且在英国电网系统案例研究中展示了其实际适用性。

ABSTRACT

The reduction in system inertia is creating an important market for frequency-containment Ancillary Services (AS) such as enhanced frequency response (e.g.,~provided by battery storage), traditional primary frequency response and inertia itself. This market presents an important difference with the energy-only market: while the need for energy production is driven by the demand from consumers, frequency-containment AS are procured because of the need to deal with the largest generation/demand loss in the system (or smaller losses that could potentially compromise frequency stability). Thus, a question that arises is: who should pay for frequency-containment AS? In this work, we propose a cost-allocation methodology based on the nucleolus concept, in order to distribute the total payments for frequency-containment AS among all generators or loads that create the need for these services. It is shown that this method complies with necessary properties for the AS market, such as avoidance of cross-subsidies and maintaining players in this cooperative game. Finally, we demonstrate its practical applicability through a case study for the Great Britain power system, while comparing its performance with two alternative mechanisms, namely proportional and Shapley value cost allocation.

研究动机与目标

• 应对由于可再生能源接入导致系统惯性下降，频率控制辅助服务（AS）成本分摊需求日益增长的问题。
• 识别并解决现有按比例成本分摊方法中存在的交叉补贴问题，避免对某些发电机组或负荷造成不公平负担。
• 通过一致且稳定的成本分摊机制，确保造成AS需求的市场参与者承担相应责任。
• 在实际电力系统应用中，展示合作博弈理论方法（特别是核心值、夏普利值和按比例分配）的可行性。
• 通过将系统集成成本内化至发电机组规划，为未来投资决策提供框架，推动支持电网的先进技术发展。

提出的方法

• 将AS成本分摊问题建模为合作博弈，其中参与者（发电机组、负荷、储能）共同贡献于频率控制服务的需求。
• 应用合作博弈理论中的核心值概念，以确保公平性、效率性和稳定性，实现总AS成本的分摊。
• 利用拉格朗日松弛法对系统级频率安全约束（RoCoF、最低点、q-s-s）进行建模，推导出代表AS市场出清价格的对偶变量。
• 将核心值与两种替代机制进行比较：基于对系统损耗贡献的按比例分配方法，以及合作博弈中标准的公平解——夏普利值。
• 在混合整数线性规划（MILP）框架中实现该方法，应用于英国电网系统，整合了发电、储能及可再生能源容量的真实数据。
• 利用优化模型中的对偶变量，推导出惯性、一次调频响应（PFR）和增强型频率响应（EFR）的市场出清价格，作为成本分摊过程的依据。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在导致系统不稳定的发电机组和负荷之间公平分摊频率控制辅助服务（AS）的成本？
• RQ2 在AS市场背景下，按比例成本分摊方法在理论和实践上存在哪些局限性，特别是关于交叉补贴的问题？
• RQ3 核心值方法在公平性、稳定性及计算可行性方面，相较于夏普利值和按比例分配方法有何差异？
• RQ4 像核心值这样的合作博弈理论方法能否在高比例可再生能源渗透的大规模电力系统中实现实际应用？
• RQ5 所提出的成本分摊机制对大型发电机组与支持电网技术的未来投资激励有何影响？

主要发现

• 按比例成本分摊方法会产生交叉补贴，导致部分发电机组或负荷承担的费用与其对系统不稳定的实际贡献不匹配。
• 夏普利值和核心值机制均通过满足核心公平性属性，实现公平的成本分摊，但核心值唯一保证了稳定性（一致性），即没有任何参与者有动机退出合作博弈。
• 在英国电网案例研究中，按比例分配下海上风电承担了超过77%的总AS成本，而核心值和夏普利值方法下仅承担50%，更准确地反映了其对系统的实际影响。
• 在英国系统中，核心值方法与夏普利值方法结果差异极小，但因其具有一致性属性，能确保长期市场参与，因而更受青睐。
• 所提出的基于核心值的机制能够将系统集成成本内化，可能通过激励小型机组或惯性支持设备（如同步调相机）的部署，影响未来投资决策。
• 该方法在计算上对实际电力系统可行，因为AS成本分摊问题的结构与机场问题相似，可通过MILP高效求解。