美国得克萨斯州电力可靠性委员会在风电调度运行管理方面的经验和启示
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LUO Xu1，MA Ke2
(1. The Electric Reliability Council of Texas, Inc., Austin, Texas 78744, USA; 2. National Electric Power Dispatching and Communication Center, Xicheng District, Beijing 100031, China) ABSTRACT: ERCOT region has witnessed the booming of wind generation development in recent years and leads the U.S. with the most installed wind generation capacity. ERCOT has gained rich experience in operations of wind generation. This paper introduces wind power forecast ， and day-ahead and real-time operations of wind generation in ERCOT nodal power market. ERCOT’s emergency operations in wind related events are also presented. The paper is concluded with a summary of ERCOT’s experience that can be learned to improve operations of wind generation in China. KEY WORDS: Electric Reliability Council of Texas (ERCOT); power grid; wind generation; operation and administration 摘要：近年来，美国得克萨斯州电力可靠性委员会(electric reliability council of Texas，ERCOT)在风电调度运行管理方 面积累了丰富经验。 该地区电网风电发展迅猛， 风电装机容 量位居美国各州首位。 主要介绍了在 ERCOT 地区电网电力 市场模式下风电的功率预测、日前和实时调度运行以及 ERCOT 地区电网应对风电紧急事件的实例，并对我国可借 鉴的 ERCOT 地区电网调度运行风电经验进行了总结。 关键词：美国得克萨斯州电力可靠性委员会；电网；风电； 调度运行管理
Fig. 1 图 1 美国各州 50 m 高度的风能资源情况 Wind resource distribution of the United States
第 35 卷 第 10 期
电
网
技
术
141
萨斯州及美国其它各州风能资源分布情况。截至 2009 年底， 得克萨斯州风电装机容量已达 9.41 GW， 占全美风电装机容量(容量为 35 GW)的 26.9%， 位居 各州首位，远大于排名第 2 的爱荷华州 ( 容量为 3.67 GW)和第 3 的加利福尼亚州(容量为 2.72 GW) 。 得克萨斯州的风电主要分布在偏远西部，负荷则主 要集中在北部、东部和南部，风电送出主要通过 345 kV 和 138 kV 输电线路。风电装机比例在 2009 年底达到 11.2%。 由于历史和政治架构的原因， 得克萨斯州的电 力体制较特殊。该州大部分县市的电网组成一个 交流同步电网，与外界只通过小功率直流联络线 联网。这个电网被得克萨斯州公用事业主管部门 — — 得 克 萨 斯 州 公 用 事 业 委 员 会 (Public Utility Commission of Texas，PUCT)授权给得克萨斯州电 力 可 靠 性 委 员 会 (Electric Reliability Council of Texas ， ERCOT) 调 度 运 行 管 理 ， 故 该 电 网 称 为 ERCOT 电网。ERCOT 电网覆盖得克萨斯州 75% 的地域和 85%的负荷。因为风电开发和送出的情 况与我国风电装机容量较大的区域或省级电网相 似，所以本文将主要介绍美国得克萨斯州 ERCOT 电网在风电功率预测、日前和实时调度运行以及 应对与风电相关的紧急事件的规则和经验，以期 为我国风电调度运行管理提供参考。
[10]
。
在 ERCOT 批发电力市场中，市场成员按功能 角色被分为 5 种，如表 1 所示。市场交易的产品主 要包括电能、辅助服务和阻塞收入权 (congestion
operator，ISO)，开始运行 ERCOT 电网和批发电力
市场。2001 年，ERCOT 将网内的 10 个平衡控制区 合并成一体，并开始按区域模式(zonal market)运行 批发电力市场。从 2010 年 12 月 1 日起，为提高电 力市场运行和电网调度运行的协调性，使阻塞成本 的分摊更透明，ERCOT 批发电力市场由区域模式 改为节点模式(nodal market)
煤
2
时刻 (a) 2010 年 2 月某日
22%
负荷/GW
核电 6% 水电、生物质、其它 天然气 59% (a) 电源结构
风力 6% 水电、生物质、 其它 天然气 42%
50 40 0 00:00 02:00 04:00 30 风电功率 风电功率 2 0
06:00
08:00
10:00
12:00
14:00
罗旭 1，马珂 2
（1．得克萨斯州电力可靠性委员会，美国 得克萨斯州 奥斯丁市 78744； 2．国家电力调度通信中心，北京市 西城区 100031）
Experience and Enlightenment in Operations of Wind Generation in ERCOT Grid
50 46 负荷/GW 42 38 34 00:00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 30 0 风电功率 负荷 风电/GW 4 6
1 ERCOT 电网简介
截至 2009 年底，ERCOT 电网的发电装机容量 约 84 GW，在 2009 年实现发电量约 308 TW·h。图 2 为 2009 年 ERCOT 电网的电源结构和发电量结构[7]。
[6]
ERCOT 电网中的高压输电线路有 69 kV 、 138 kV、345 kV 3 个电压等级，截至 2009 年底的高 压输电线路长度合计约 64 900 km[7]。 为进一步促进 风电开发，实现风电场与输电走廊的协同规划， ERCOT 电网在得克萨斯州西部规划了 5 个竞争性 可再生能源区(competitive renewable energy zones， CREZ)， 并计划在 2013 年底前建成总长约 3 700 km 的多条 345 kV 线路，以满足当地 18.5 GW 风电装 机容量的送出需求[8-9]。 ERCOT 电网因纬度较低，每年的用电高峰都 出现在夏季，目前出现过的最大用电负荷发生在 2010 年 8 月 23 日下午，其值达 65.8 GW。ERCOT 电网的日用电负荷曲线在多数季节里是单个高峰 的形态，但在冬季却为早晚双高峰形态。 ERCOT 电网风电出力的反调峰特性明显，日 最大出力多在夜间，目前出现过的最大风电出力发 占到 生在 2010 年 6 月 12 日夜间， 其值达 7.0 GW， 当时全网用电负荷的 15.8%。图 3 为 ERCOT 电网 2010 年冬夏 2 个典型日的用电负荷和风电出力 曲线。
国 第 一 个 独 立 电 网 调 度 机 构 (independent system
求。各电厂据此通过交易系统提交次日可出售的电 能和辅助服务报价。竞价交易通过以安全约束机组 合(security constrained unit commitment，SCUC)为 内核的清算程序进行清算， 在 13:30 公布出清结果。 日前市场出清后 1 h 内，电厂根据出清结果更 新运行计划中次日的部分并通过交易系统上报。运 行计划的内容包括当前时刻开始的 168h 内每 h 每 台机组预期的状态、发电能力和辅助服务可提供 量，其中发电能力为机组的最大和最小出力限值。 日前市场出清 1 h 后的 14:30，ERCOT 根据各 厂上报的运行计划开始进行名为日前可靠性机组 组合的 SCUC，对次日开机方式进行校核调整，以 满足系统发电容量要求和电网安全约束。与日前市 场的 SCUC 清算程序相比， 该 SCUC 使用负荷预测 结果而不是购电出清量作为负荷边界条件，同时剔 除了市场成员进行虚拟电力交易的干扰，这对保障 电网安全运行的意义更大。
0 引言
截至 2009 年底，全国大陆地区的并网风电装 机容量已达 25.8 GW，连续 4 年翻番增长[1]。由于 当前风电开发主要集中在华北、东北、西北地区， 所以在北方个别电网中风电装机容量已占到了总 装机容量的 10%以上，风电接入的规模和比例均 处于世界前列。但在这些电网中，风电大规模集 中接入引发的电网阻塞和调峰调频困难，已成为
调度机构目前面对的主要挑战[2]。所以，亟需在现 有发电调度运行管理体系中引入一些成熟且适用 于 我国风电开 发特点的调 度运行管理 技术与 经 验，以保障电网安全稳定运行，达到可再生能源 消纳的要求。 作为风电开发的起源地，西欧因为地域狭小、 负荷及网架密度大， 所以风电并网的主要形式是分布 式接入负荷区内部或边缘的中低压电网[3]。 我国幅员 辽阔， 用电负荷主要分布在中东部和发达城市及其周 边地区， 而风电则集中分布在电网薄弱、 负荷极轻的 偏远地区， 所以需要通过主网架远距离送出风电[4-5]。 在西欧的电源结构中， 燃气、 水电和抽水蓄能等具备 快速调节能力的机组比例高。 我国的电源结构则以调 节速度较慢的燃煤蒸汽轮机为主， 所以欧洲的风电调 度运行管理经验并不完全适合我国。 美国得克萨斯州是美国本土面积最大的州，位 于美国本土南部，处在落基山脉南缘和墨西哥湾之 间，地形以平原为主，风能资源富集。图 1 为得克
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18:00
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(b) 发电量结构
2009 年 ERCOT 电网的电源结构和发电量结构 Fig. 2 Composition of installed capacity and energy production by fuel type of ERCOT grid in 2009
图2
2 ERCOT 电网的运行机制
2.1 电力市场体系
ERCOT 电网目前以批发电力市场模式运行。
22:00
风电/GWቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
风力 11%
煤 37%
核电 14%
60
负荷 负荷
6 4
142
罗旭等：美国得克萨斯州电力可靠性委员会在风电调度运行管理方面的经验和启示
Vol. 35 No. 10
1996 年，在得克萨斯州公用事业委员会主导下， ERCOT 由一家电力可靠性技术服务机构改制成美
时刻 (b) 2010 年 7 月某日
图3
ERCOT 电网与美国东部同步互联电网和墨西 哥电网通过 4 个直流背靠背换流站和 1 个可变频变 压器站联网，输电容量合计约 1 GW。由于联络线 交换功率很小且基本可控，所以 ERCOT 电网的自 动发电控制模式为定频率控制。
ERCOT 电网典型日的负荷与风电功率 Fig. 3 Typical day load and wind power curves of ERCOT grid
第 35 卷 第 10 期 2011 年 10 月 文章编号：1000-3673（2011）10-0140-07
电 网 技 术 Power System Technology 中图分类号：TM 614 文献标志码：A
Vol. 35 No. 10 Oct. 2011 学科代码：470·4054
美国得克萨斯州电力可靠性委员会在 风电调度运行管理方面的经验和启示
(1. The Electric Reliability Council of Texas, Inc., Austin, Texas 78744, USA; 2. National Electric Power Dispatching and Communication Center, Xicheng District, Beijing 100031, China) ABSTRACT: ERCOT region has witnessed the booming of wind generation development in recent years and leads the U.S. with the most installed wind generation capacity. ERCOT has gained rich experience in operations of wind generation. This paper introduces wind power forecast ， and day-ahead and real-time operations of wind generation in ERCOT nodal power market. ERCOT’s emergency operations in wind related events are also presented. The paper is concluded with a summary of ERCOT’s experience that can be learned to improve operations of wind generation in China. KEY WORDS: Electric Reliability Council of Texas (ERCOT); power grid; wind generation; operation and administration 摘要：近年来，美国得克萨斯州电力可靠性委员会(electric reliability council of Texas，ERCOT)在风电调度运行管理方 面积累了丰富经验。 该地区电网风电发展迅猛， 风电装机容 量位居美国各州首位。 主要介绍了在 ERCOT 地区电网电力 市场模式下风电的功率预测、日前和实时调度运行以及 ERCOT 地区电网应对风电紧急事件的实例，并对我国可借 鉴的 ERCOT 地区电网调度运行风电经验进行了总结。 关键词：美国得克萨斯州电力可靠性委员会；电网；风电； 调度运行管理
Fig. 1 图 1 美国各州 50 m 高度的风能资源情况 Wind resource distribution of the United States
第 35 卷 第 10 期
电
网
技
术
141
萨斯州及美国其它各州风能资源分布情况。截至 2009 年底， 得克萨斯州风电装机容量已达 9.41 GW， 占全美风电装机容量(容量为 35 GW)的 26.9%， 位居 各州首位，远大于排名第 2 的爱荷华州 ( 容量为 3.67 GW)和第 3 的加利福尼亚州(容量为 2.72 GW) 。 得克萨斯州的风电主要分布在偏远西部，负荷则主 要集中在北部、东部和南部，风电送出主要通过 345 kV 和 138 kV 输电线路。风电装机比例在 2009 年底达到 11.2%。 由于历史和政治架构的原因， 得克萨斯州的电 力体制较特殊。该州大部分县市的电网组成一个 交流同步电网，与外界只通过小功率直流联络线 联网。这个电网被得克萨斯州公用事业主管部门 — — 得 克 萨 斯 州 公 用 事 业 委 员 会 (Public Utility Commission of Texas，PUCT)授权给得克萨斯州电 力 可 靠 性 委 员 会 (Electric Reliability Council of Texas ， ERCOT) 调 度 运 行 管 理 ， 故 该 电 网 称 为 ERCOT 电网。ERCOT 电网覆盖得克萨斯州 75% 的地域和 85%的负荷。因为风电开发和送出的情 况与我国风电装机容量较大的区域或省级电网相 似，所以本文将主要介绍美国得克萨斯州 ERCOT 电网在风电功率预测、日前和实时调度运行以及 应对与风电相关的紧急事件的规则和经验，以期 为我国风电调度运行管理提供参考。
[10]
。
在 ERCOT 批发电力市场中，市场成员按功能 角色被分为 5 种，如表 1 所示。市场交易的产品主 要包括电能、辅助服务和阻塞收入权 (congestion
operator，ISO)，开始运行 ERCOT 电网和批发电力
市场。2001 年，ERCOT 将网内的 10 个平衡控制区 合并成一体，并开始按区域模式(zonal market)运行 批发电力市场。从 2010 年 12 月 1 日起，为提高电 力市场运行和电网调度运行的协调性，使阻塞成本 的分摊更透明，ERCOT 批发电力市场由区域模式 改为节点模式(nodal market)
煤
2
时刻 (a) 2010 年 2 月某日
22%
负荷/GW
核电 6% 水电、生物质、其它 天然气 59% (a) 电源结构
风力 6% 水电、生物质、 其它 天然气 42%
50 40 0 00:00 02:00 04:00 30 风电功率 风电功率 2 0
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10:00
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罗旭 1，马珂 2
（1．得克萨斯州电力可靠性委员会，美国 得克萨斯州 奥斯丁市 78744； 2．国家电力调度通信中心，北京市 西城区 100031）
Experience and Enlightenment in Operations of Wind Generation in ERCOT Grid
50 46 负荷/GW 42 38 34 00:00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 30 0 风电功率 负荷 风电/GW 4 6
1 ERCOT 电网简介
截至 2009 年底，ERCOT 电网的发电装机容量 约 84 GW，在 2009 年实现发电量约 308 TW·h。图 2 为 2009 年 ERCOT 电网的电源结构和发电量结构[7]。
[6]
ERCOT 电网中的高压输电线路有 69 kV 、 138 kV、345 kV 3 个电压等级，截至 2009 年底的高 压输电线路长度合计约 64 900 km[7]。 为进一步促进 风电开发，实现风电场与输电走廊的协同规划， ERCOT 电网在得克萨斯州西部规划了 5 个竞争性 可再生能源区(competitive renewable energy zones， CREZ)， 并计划在 2013 年底前建成总长约 3 700 km 的多条 345 kV 线路，以满足当地 18.5 GW 风电装 机容量的送出需求[8-9]。 ERCOT 电网因纬度较低，每年的用电高峰都 出现在夏季，目前出现过的最大用电负荷发生在 2010 年 8 月 23 日下午，其值达 65.8 GW。ERCOT 电网的日用电负荷曲线在多数季节里是单个高峰 的形态，但在冬季却为早晚双高峰形态。 ERCOT 电网风电出力的反调峰特性明显，日 最大出力多在夜间，目前出现过的最大风电出力发 占到 生在 2010 年 6 月 12 日夜间， 其值达 7.0 GW， 当时全网用电负荷的 15.8%。图 3 为 ERCOT 电网 2010 年冬夏 2 个典型日的用电负荷和风电出力 曲线。
国 第 一 个 独 立 电 网 调 度 机 构 (independent system
求。各电厂据此通过交易系统提交次日可出售的电 能和辅助服务报价。竞价交易通过以安全约束机组 合(security constrained unit commitment，SCUC)为 内核的清算程序进行清算， 在 13:30 公布出清结果。 日前市场出清后 1 h 内，电厂根据出清结果更 新运行计划中次日的部分并通过交易系统上报。运 行计划的内容包括当前时刻开始的 168h 内每 h 每 台机组预期的状态、发电能力和辅助服务可提供 量，其中发电能力为机组的最大和最小出力限值。 日前市场出清 1 h 后的 14:30，ERCOT 根据各 厂上报的运行计划开始进行名为日前可靠性机组 组合的 SCUC，对次日开机方式进行校核调整，以 满足系统发电容量要求和电网安全约束。与日前市 场的 SCUC 清算程序相比， 该 SCUC 使用负荷预测 结果而不是购电出清量作为负荷边界条件，同时剔 除了市场成员进行虚拟电力交易的干扰，这对保障 电网安全运行的意义更大。
0 引言
截至 2009 年底，全国大陆地区的并网风电装 机容量已达 25.8 GW，连续 4 年翻番增长[1]。由于 当前风电开发主要集中在华北、东北、西北地区， 所以在北方个别电网中风电装机容量已占到了总 装机容量的 10%以上，风电接入的规模和比例均 处于世界前列。但在这些电网中，风电大规模集 中接入引发的电网阻塞和调峰调频困难，已成为
调度机构目前面对的主要挑战[2]。所以，亟需在现 有发电调度运行管理体系中引入一些成熟且适用 于 我国风电开 发特点的调 度运行管理 技术与 经 验，以保障电网安全稳定运行，达到可再生能源 消纳的要求。 作为风电开发的起源地，西欧因为地域狭小、 负荷及网架密度大， 所以风电并网的主要形式是分布 式接入负荷区内部或边缘的中低压电网[3]。 我国幅员 辽阔， 用电负荷主要分布在中东部和发达城市及其周 边地区， 而风电则集中分布在电网薄弱、 负荷极轻的 偏远地区， 所以需要通过主网架远距离送出风电[4-5]。 在西欧的电源结构中， 燃气、 水电和抽水蓄能等具备 快速调节能力的机组比例高。 我国的电源结构则以调 节速度较慢的燃煤蒸汽轮机为主， 所以欧洲的风电调 度运行管理经验并不完全适合我国。 美国得克萨斯州是美国本土面积最大的州，位 于美国本土南部，处在落基山脉南缘和墨西哥湾之 间，地形以平原为主，风能资源富集。图 1 为得克
16:00
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(b) 发电量结构
2009 年 ERCOT 电网的电源结构和发电量结构 Fig. 2 Composition of installed capacity and energy production by fuel type of ERCOT grid in 2009
图2
2 ERCOT 电网的运行机制
2.1 电力市场体系
ERCOT 电网目前以批发电力市场模式运行。
22:00
风电/GWቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
风力 11%
煤 37%
核电 14%
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负荷 负荷
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罗旭等：美国得克萨斯州电力可靠性委员会在风电调度运行管理方面的经验和启示
Vol. 35 No. 10
1996 年，在得克萨斯州公用事业委员会主导下， ERCOT 由一家电力可靠性技术服务机构改制成美
时刻 (b) 2010 年 7 月某日
图3
ERCOT 电网与美国东部同步互联电网和墨西 哥电网通过 4 个直流背靠背换流站和 1 个可变频变 压器站联网，输电容量合计约 1 GW。由于联络线 交换功率很小且基本可控，所以 ERCOT 电网的自 动发电控制模式为定频率控制。
ERCOT 电网典型日的负荷与风电功率 Fig. 3 Typical day load and wind power curves of ERCOT grid
第 35 卷 第 10 期 2011 年 10 月 文章编号：1000-3673（2011）10-0140-07
电 网 技 术 Power System Technology 中图分类号：TM 614 文献标志码：A
Vol. 35 No. 10 Oct. 2011 学科代码：470·4054
美国得克萨斯州电力可靠性委员会在 风电调度运行管理方面的经验和启示