[论文解读] Economic Valuation and Pricing of Inertia in Inverter-Dominated Power Systems

Matthieu Paturet, Uros Markovic+4 more|arXiv (Cornell University)|May 22, 2020

Microgrid Control and Optimization参考文献 14被引用 15

一句话总结

本文提出了三种新型定价机制——事後計算、基於效用函數的定價以及補貼支付，用於在以變流器為主導的電力系統中，對慣性提供者進行公平且透明的報酬。透過使用一種聯合優化電力與慣性服務的頻率約束單元啟停模型，研究表明所有方法均能提升頻率穩定性，其中補貼支付機制被證明是最具實用性且成本效益最高的解決方案，適用於系統運營商。

ABSTRACT

This paper studies the procurement and pricing of inertial response using a frequency-constrained unit commitment formulation, which co-optimizes the provision of energy and inertia services while accounting for their complementary properties. The proposed approach builds on a two-step process that allows to differentiate between the units being online for energy purposes and the ones committed additionally solely for inertia provision. Subsequently, three novel pricing and payment schemes that reimburse inertia providers in a transparent and fair manner according to their individual participation are proposed. The analysis considers both synchronous and converter-based generators and provides insights regarding the impact of each pricing scheme on total system cost, as well as on the investment signals for technologies capable of offering affordable inertial response. The results show that all three methods will have a beneficial impact on frequency stability and aid the operator in ensuring system reliability, whereas the policy implications to different inertia providing units will vary between the payment schemes.

研究动机与目标

• 應對日益增長的市場機制需求，以公平定價低慣性電力系統中由變流器資源主導的慣性響應。
• 克服現有方法的局限性，這些方法將慣性與其他服務打包，或無法反映實時價值與成本回收。
• 確保同步發電機組與提供虛擬慣性的變流器型單元之間報酬的透明與公平。
• 提供明確的價格信號，以激勵投資於低成本慣性提供技術，如電池與具備合成慣性功能的風電機組。
• 使系統運營商能根據系統狀態與稀缺性動態表達對慣性的支付意願。

提出的方法

• 提出一種兩步驟的頻率約束單元啟停（UC）公式，區分僅為電力運行而啟動的單元與專門為提供慣性而承諾的單元。
• 聯合優化電力與慣性服務，同時考慮兩者之間的互補性，並考慮同步發電機組的離散啟停狀態。
• 應用三種不同的定價方案：事後計算、基於效用函數的定價與補貼支付，以根據各單元的參與情況確定公平報酬。
• 使用混合整數二階錐規劃（MISOCP）來建模頻率安全約束，確保系統穩定。
• 納入傳統同步發電機組與提供虛擬慣性的變流器型單元（如電池、風電機組）。
• 利用具有不同虛擬慣性滲透水平的大規模測試系統，評估各方案在系統成本、支付分配與投資信號方面的影響。

实验结果

研究问题

• RQ1 在單元啟停中，慣性是一種離散且非線性的服務，且與電力具有互補性，應如何實現透明且公平的定價？
• RQ2 不同定價機制對總系統成本與慣性提供者財務可行性有何影響？
• RQ3 虛擬慣性滲透水平的變化如何影響各定價方案的性能與成本？
• RQ4 哪種定價機制最能實現同步發電機組的成本回收，同時避免對虛擬慣性提供者支付過高報酬？
• RQ5 三種方案如何影響對低成本慣性提供技術（如具備合成慣性功能的電池與風電機組）的投資信號？

主要发现

• 三種定價方法均得出相同的最佳單元啟停解，且總系統成本為€569,610，確認了UC公式在各方案間的一致性。
• 方法2（基於效用函數的定價）的總慣性支付金額最低，僅為€162,124，對輸電系統運營商（TSO）而言最具成本效益。
• 方法1（事後計算）的總支付金額為€258,160，而方法3（補貼支付）為€187,948，兩者均高於方法2。
• 隨著虛擬慣性滲透率從0%上升至35%，方法1與方法3的支付金額顯著下降，而方法2的支付金額維持在€162,124不變。
• 方法2導致18個單元中有5個出現虧損，而方法1與方法3均無虧損單位，顯示方法1與方法3在財務穩定性方面表現更佳。
• 補貼支付（方法3）被識別為最具實用性與效益的方案，因其與現有實務熟悉、無需事後計算，且與標準UC公式兼容。