（电气工程专业论文）电力市场辅助服务定价方法的探讨.pdf

摘要 摘要 随着电力市场改革的进一步深入，对电力市场的研究，特别是辅助服务的研究显得十分 必要和迫切。怎样形成一种公平、合理、实用的辅助服务的定价模型就成为研究电力市场必 须要面对的一个课题。对提供辅助服务的机组应根据市场运营规则的要求进行付费，以确保 提供者收回成本，保障其合理利润，提高其辅助服务的积极性因此，必须要确定与每一项 辅助服务相关的费用、各辅助服务供应者相应的贡献、各用户使用了哪些辅助服务及其使用 量。 本文对目前国内外电力市场辅助服务中备用容量、无功电压控制的定价方法的研究进 行了综述。结论是，备用容量与频率控制是紧密相连的。在时间周期上有所重叠。并且由于 作用不同或讨论的侧重点不同，同一种备用容量可能会有不同的名称：无功辅助服务的获取 方式大多数电力市场采用通过与发电厂商签订长期合同的方式获得，在现行的无功服务市场 中，无功容量和无功电量的定价方式是一个复杂的问题，需要根据各国电力系统和市场的实 际情况确定。 本文从研究电力市场下a g c 机组的调配问题入手，对一次调频和二次调频的获取和费用 支付问题进行了探讨。提出了计及a g c 调节容量变化这一因素的数学模型，并探索了利用遗 传算法进行求解的方法。实际系统的算例表明，利用遗传算法这一启发式优化方法来解决 a g c 机组调配这一实际问题是合适的，可以克服现有基于整数规划的方法所存在的问题。 本文结合了江苏省电力公司对黑启动研究和试验的实践，对黑启动服务费用的计算、收取和 支付方法从理论e 进行了探讨，明确了参与黑启动服务的各方的权利和义务。当前，在各区域电 网都在逐步推行电力市场的背景下，对于黑启动的研究及黑启动服务的提供还需要做很多的工 作。 关键词：电力市场，辅助服务，遗传算法，负荷频率控制，备用容量，无功及电压控制， 黑启动 a b s t r a c t w i t hf u r t h e r 蛐t i o no fe l e c t r i cp o w e rm a r k e t , r e a r c ho ne l e e t r i ep o w e rm a r k e t , e s p e c i a l l ya n c i l l a r ys e r v i c eb e c o m n e c e s s a r ya n dt t r g e n t h o wt oe s t a b l i s haf a i r , r e a s o n a b l e p r a c t i c a la n c i l l a r ys c i t v i e _ * p d e i gm o d e ln e c d st ob es t u d i e d u n i t sw h i c hp r o v i d ea n c i l 岫s e r v i c e s h o u l db ee l u l r g e da c c o r d i n gt ot h eo p e r a t i n gr e g u l a t i o no ft h em a r k e t , t h u st h ep r o v i d e rc 代譬o v 盯t l l e i re 0 6 t , r a i s i n gt h e i re n t h u s i a s m 勰w e l l t h e r e f o r e , i ti sr e q u i r e dt h a te a c ha n c i l l a r y r e l a t e d e o s t , c o n t r i b u t i o n o f e a c hs e i v i c c p r o v i d e r , i l t s c i s o f c e r t a i n5 c i y i c c a n d i t s q u a n t i t y b e m a d e e l e a r a t t h e f i r s t p l a c e a no v e r v i e wo f _ m mc a p a c i t y , p r i c i n gm e t h o d so fr e a c t i v e v o l t a g ec o n t r o li nb o t h d o m e s t i ca n df o r e i g np o w c i r _ m a r k e ti ss t a t e di nt h i sp a p e r t h ec o n c l u s i o ni st h a tt h em s e r v e c a p a c i t yi sc l o s e l yr e l a t e dt ot h ef r e q u e n c ye o n l r o lw i t ho v e r l a po l lt i m el i l ot h e3 a 雠n e m c a p a c i t ym i g h th a v ed i f f e r e n tn a m d u et or 叩慨f l m c l i o n0 1 e m p h a s i s m o s tr e a e t i v o a n e i l l a r ys e i v i c i ：i so b t a i n e db ys i g n i n gl o n g 钯咖c o n l r a c tw i t hp o w e rs u p p l i e r n o wi c a c i v c c a p a c i t ya n di t sp f i e i gmc o m p l i c a t e di nm k e t l d l a e eb e e a u o fi h ec o m p l e x i t yo fp o w e r t h ep a p e rb e g i n sw i t ht h er e a r e l ao na g eo fu n i t sa l l o t m e n t , b r i n g i n gd i s c u s s i o no nt h e a c q u i s i t i o na n da 【p 雠o fp r i m a r yf i e q u e n e yr e g u l a t i o na n ds e c o n d a r yf r e q u e n c yr e g u l a l i o l l ( 3 e a e t i ea l g o r i t h mi su s e di nm o d e l i n ge o m i d e r i n ga c _ i cc a p a c i t yv a r i a t i o n i ti si l l u s t r a t e db ya l l e a p l eo f a c t u a ls y l l t a l lt h a tg e n e t i ca l g o r i t h mi ss u i t a b l ef o rr e s o l v i n ga g eo f t r a i t sa l l o m m l t , e x c e e d i n gi n t e g e rp r o 鲫n l m i n gi nm a n ya s p e c t s c o m b i n i n g r 目增目“岫a r i de 。t p e r i m e n t s o n b l a c ks t a r t b y j i a n g s ue l e c t r i c p o w e r c o m p a n y , t h e c a l c u l a t i o n , c h a l g ea n dp a y m e n to f b l a c ks t a r ts e l v i c ci sa n a l y z e da n dt l a er i g h ta n do b l i g a t i o no f c a e hs i d ei 搴m a d ec l e a r 1 q o w a d a y s r e g i o n a lp o w e rg r i di sd e r e g u l a t i n g l l l a tf l l l l h e l t e f f o r ti s n e e d e di ni n v e s t i g a t i n gb l a c k $ 1 a l ta n di t ss o l v i c e k e yw o r d s ：p o w e rm a r k e t , a n c i l l a r ys e r v i c e ，g e n e t i ca l g o r i t h m ，l o a df i e q u e n e y c o n t r o l , s p i n n i n g 瑚a ma n dn o n - s p i n n i n gl e s e r q e ，v o l t a g ec o n t r o l ，b l a c ks t a r t 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 一躲扯名：圭午一剐秒 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 完整意义上的电力市场不仅包括发电主市场，而且应包括辅助服务市场“。辅助服务本 身并不是新的技术，并非由于电力市场的出现才提出了辅助服务问题，在传统的电力系统管 理运行方式下，辅助服务问题一直未引起足够的重视。在电力市场环境下，独立发电厂对用 户不可能无条件的提供辅助服务。因此，必须要确定与每一项辅助服务相关的费用、各辅助 服务供应者相应的贡献、各用户使用了哪些辅助服务及其使用量。目前的电力市场一般由系 统运行部门组织和提供辅助服务，向用户合理收取费用( 计入电价) ，并向提供服务的发电 厂商( 如 g c 机组、备用容量机组等) 支付相应的服务费用。 目前，关于调频、无功及电压支持、备用容量等辅助服务的定价研究还在深入进行中， 针对不同的市场结构，怎样确定辅助服务的内容及分类，发展科学的定价机制，在费用和可 靠性之间找到最佳的平衡点，就成为电力市场辅助服务中的一个重要的研究课题网。 1 2 电力市场辅助服务概述 电力市场中，辅助服务一般定义为，为将电能从发电厂输送到用户。并保证安全和质量 所需要采取的所有辅助措施。不同的国家甚至电力公司对辅助服务的定义也不尽相同。因为 辅助服务的供应由电力系统需要决定主要包括以下决定因素： ( 1 ) 电力系统协调方式。有无统一的电力系统调度中心决定了辅助服务供应的模式。 ( 2 ) 电源结构。电网中各类电源所占比例决定了辅助服务的重要程度。 ( 3 ) 电网结构决定各种辅助服务的具体需要。 ( 4 ) 管理模式。在电力市场发育的不同阶段，为避免过于剧烈的振荡，可以采取不同 的辅助服务定价方法。 ( 5 ) 标准。电力系统的运行水平不同，质量和安全标准也不同。 ( 6 ) 量测和监视系统。辅助服务定价采用的算法要以系统的量测和监视水平为基础， 水平较低的电力系统不能采用那些信息量需求较大的算法。 根据上述定义，辅助服务应主要包括以下几类： ( 1 ) 负荷跟踪与频率控制( a g c ) 。实时处理较小的负荷与发电功率的不匹配，维持系 统频率，并使控制区内负荷与发电功率的偏差及控制区之间的交换功率实际值与计划值的偏 差最小 ( 2 ) 旋转备用及快速启动备用。由于发电或输电系统故障，使负荷与发电功率发生较 大不平衡时，l o m i n 内可以提供急需的发电容量( 增加或降低) ，提高负荷跟踪服务的水平。 ( 3 ) 非旋转备用。3 0 m i n 内可达到最大的发电设备容量，也包括可中断负荷，用于恢复 旋转备用的水平。 ( 4 ) 无功电压控制。通过发电机或输电系统中的其他无功电源向系统注入和从系统吸 收无功功率，以维持输电系统的电压在允许范围内。 ( 5 ) 黑启动。整个电力系统因故障停运后，不依赖别的网络的帮助，通过系统中具有 自启动能力机组的启动，带动无自启动能力的机组，逐步扩大电力系统的恢复范围，最终实 现整个电力系统的恢复。黑启动作为辅助服务的一种，是电力系统安全运行的重要措施之一。 ( 6 ) 其他。 归纳各国电力市场的经验，提供辅助服务的模式一般有三种，统一型、投标型和双边合 东南大学工程硕士学位论文 同型。统一型是指，辅助服务必须由系统调度员统一安排协调，结算时根据各参与者对辅助 服务命令执行的情况进行奖惩。投标型是指，各用户分别对每一种辅助服务进行投标，调度 员根据用户们的投标情况捧定优先次序，安排辅助服务供应计划，使提供辅助服务的费用最 小。双边合同型是指，某一辅助服务的用户直接与供应者签订双边合同，从而得到其所需的 辅助服务，而无须通过电力系统调度人员。某一服务到底应采取哪种供应方式，这与整个电 网的管理运行水平和电力市场发育的完善程度有关。如英国、阿根廷等国采用统一型模式提 供频率响应与无功控制等服务；而美国西部加州电网，以投标型与双边合同型结合的方式提 供负荷跟踪与频率响应的服务 1 3 国际电力市场辅助服务应用现状 在国际上已经运行的电力市场，不同的国家和地区根据自身的特点采用了不同的辅助服 务获取与定价方式英格兰和威尔士电力市场采用的辅助服务获取与定价方法与其联营体的 经营模式紧密相关。系统的备用容量既可以通过a s b ( a n c i l l a r ys e r v i c e sb u s i n e s s ) 机构与 发电公司之间签订长期合同来获得，也可以利用未列入调度计划的发电机的富裕容量和相邻 电网的发电机富裕容量。对于提供a g c 辅助服务的发电机组除支付其频率响应辅助服务报 酬外，还利用失利润支付( l o s so f p r o f i tp a y m e n t ) 来补偿机组由于参与频率调节使所带负 荷受到限制而引起的机会成本 1 3 1 美国加州电力市场中的辅助服务 美国加州电力系统于1 9 9 8 年3 月3 1 日正式实行市场化运营h 3 1 。首先就加州电力市场的 运行实体及其职能进行简单介绍： 1 3 1 1 加州电力市场的运行实体及其职能 市场实体主要职能 发电公司( g e n e r a t o r s )可直接选择售电用户，市场经销商或代理商。但所有售电交易都必 须通过s c 或p x 进行。 电力服务供应商为电能的买卖提供撮合服务。向零售用户收取电能及其服务费；通 衄锄g y s e r v i c e过p x 或s c 安排负荷及发电计划；向s c 及发电商支付相应的电能 p r o v i d e r ) 或电力市场 及辅助服务费。每一电力服务供应商都要通过s c 保证其负荷与发 经销商( p o w e r电平衡，而s c 则必须向i s o 递交平衡的购售电计划。 m 缸k e m 、 计划协调所计划安排发电调度、输电通道预留、传送电能并提供市场成员相应 s c ( s c h e d u l i n g 容量的电能，s c 必须经i s o 认证，以确保其具备从事相应工作的 c a m r d i n a t o r ) 资格。一把来说，s c 负责支付i s o 费用、提交每年及每周的负荷 预测、提交用户委托的下一天或下一小时计划( 包括输电损耗的调 整) ；结算与其他s c 之间的交易；提供所需的辅助服务；遵循各种 规则，并保证2 4 小时持续运行。 电力交易所p x ( p o w e r为非盈利性机构，其职能是为所有的电能供应商和实时电力市场购 e x c h a n g e ) 买者提供公正、公开的电能竞价交易场所，以使参与交易的客户可 以根据市场购得相应得电能。安排电能的提前竞价交易；向i s o 提 交所有p x 成员的平衡计划；接受其他成员的购售电报价，并确定 2 第一章绪论 市场实体主要职能 电能成交的市场价格m c p ( m a r k e tc l e a r i n gp r i c e ) j c 于于成功的交 易，p x 向i s o 提交平衡的购售电计划；还可提交用于减轻或消除 输电网络阻塞的电能调整报价；完成与i s o 、p x 的市场成员以及 与其他s c 之间的结算功能；向i s o 报告用于结算的电能使用情况， 并向发电商和零售商提供部分运行指令。 独立系统运行机构 为非盈利性机构，其职能是作为加州地区的调度和控制机构，负责 i s o ( c a l i f o m i a 维持发电与负荷的平衡。负责协调发电调度、保证输电网络的可靠 i n d e p e n d e n t s y s t e m性并提供对输电网络的开放式利用：i s o 作为输电网络的控制和管 o p e m t ) 理者，要求每个s c 都遵守工业可靠性标准：根据s c 及p x 所提交 的预测计划，确定维持系统可靠运行所需的辅助服务类型和数量。 这些要求可以由s c 所提交的发电商自身提供，或者通过竞价从其 他s c 购买。 配电公司u d c c o 衄t y提供本地的输配电服务并将电能直接送至用户。还负责对电能的计 d i s t r i b u t i o n 量，收取电能费及输配电费；通过s c ，可以向其用户提供电量； c o m p a n i e s ) 可以从p x 批发电量并提供可选的电能计量服务。 电力用户( c u s t o m e r s ) 居民、工业和商业用户可直接购电。零售用户可选择经配屯公司直 接从电能服务提供商获得电能或与发电商以合同形式购电电力用 户可选择作为单一用户或作为结合负荷的一部分根据公共费率及 实时市场赞率购电，也可按双边合同或差价合同从本地电力零售 商、电能服务提供商或发电商购电。 1 3 1 2 加，f i 电力市场的交易过程 加州电力市场的营运过程包括几个并行和重叠的交易过程，同时要确定不同的能量价 3 东南大学工程硕士学位论文 i 3 i 3 能量市场和辅助服务市场 图l - 2 加州的超前市场模式 由于美国加州电力市场存在两类彼此分离的市场，所以各发电商就可以根据不同的情 况，在这两类市场中作出选择，以取得最大的利益，如图l - 3 。 总容量= 1 0 0 m w 丸可利用总容量 b 计划发电能量( 包括容量) c 为计划容量( 备用) 图l - 3 发电商可以在能晕和服务中作出选择 o 美国加州电力市场强辅助服务与电能销售分离，在主电能市场之外设立了竞争的辅助服 务市场( a g c 调节，旋转运行备用，非旋转运行备用，替代运行备用) ，由i s o ( i d c p e n d e n t s y s t e mo p e r a t o r ) 管理。加州最初是对这四种辅助服务采取序列投标的模式购买，运行经验 证明，采用四个辅助服务市场分别出清无法引导出一个高效率的市场，有些发电公司利用 4 第一章绪论 该方法的缺陷牟取暴利，价格出现背离因此，加州i s o 不得不对其进行了重新设计，最 主要的变化之一是自1 9 9 9 年8 月1 8 日起采用了理性买家算法( r a t i o n a lb u y e ra l g o r i t h m ) 作为辅助服务市场的出清方法，至今运行良好 1 3 2 世界其他主要电力市场中的辅助服务 美国p j m 调节和频率响应服务的最大特点是不单独设立调频电厂，而将调频义务分配 到每个传输用户传输用户可以利用自己的发电资源或通过与第三方签订合同来满足自己的 调频义务，也可以从p j m 购买这个服务。p i m 必须提供旋转备用服务，以在系统发生事故 时及时带上负荷，每个r t o 和网络用户必须向p j m 购买这个服务。在美国新英格兰、新西 兰、澳大利亚等地，运行备用等辅助服务被允许参与市场进行公开竞价在西班牙电力市场 中，强制性要求发电机免费提供频率调节服务，如果发电机无法提供，则它需要从别的发电 机处购买，a g - c 服务采用基于拍卖的竞争方式获取英国电力市场中，黑启动的补偿为： 与n g c 签订了黑启动辅助服务的机组可以从n g c 得到黑启动有效性收入，另外从p o o l 得 到由辅助机组的有功容量决定的容量收入。除了以上收入外，当机组进行测试或实行黑启动 时，机组还可以得到使用收入。这笔收入由机组类型、燃料类型、提供的有功能量、提供的 无功能量、发电机组的启动价格、未带负荷运行时的价格、调度时间等因素决定。 在由挪威，瑞典、芬兰和丹麦组成的北欧电力市场，提供常规的调频和备用等辅助服务 作为发电公司参与电力市场运行的必要条件，相应的成本分摊到用户的输电费用中。特别是 挪威的发电容量几乎1 0 0 为水电，从而有很强的调峰调压能力和充裕的备用容量来提供辅 助服务，因此其辅助服务的获取与定价采用了相当简单的方法。阿根廷电力市场中也采用了 类似简单的处理，由联营体的运行部门负责协调辅助服务的调度，发电企业有责任提供适当 水平的各种辅助服务，其成本隐含在电价中，并辅以一定的经济补偿手段，其补偿价格由市 场( 如备用容量) 或系统运行部门( 如无功管理) 适当确定。在澳大利亚的新南威尔士市场 也采用了相对简单的补偿方法 1 3 3 小结 无论采取何种方式获取辅助服务，维护电力系统的安全可靠运行始终是市场化改革得以 顺利进行的必要前提。美国纽约、新英格兰、加州等市场已为此付诸行动。在纽约，试图通 过识别和解决东西部地区之间的网络阻塞问题来减少辅助服务市场上的市场势力( m a r k e t p o w e r ) ：在新英格兰，通过在运行备用市场中引入价格弹性和修改调度协议来消除市场中 的博弈行为；加州的改革目标是增加辅助服务市场的透明度和提高效率，以降低购买成本， 其中最关键的一环是采用了理性买家算法( r a t i o n a l b u y e r a l g o d t h m ) 作为辅助服务市场的出 清算法。美国联邦能源管制委员会( f e r c ) 所提出的标准化市场设计( s t a n d a r dm a r k c t d e s i g n ) 中就特别强调在维护系统安全可靠运行的前提下开展主辅联合优化的问题。自2 0 0 1 年3 月开始，英国开始实施的新一轮电力改革方案( n e w e l e c t r i c i t y t r a d i n g a r r a n g e m e n t s ) ， 其主要目标是在维护系统安全可靠运行的同时，提高市场运作效率，并为市场参与者提供更 多选择 1 4 国内电力市场辅助服务研究现状 以前，我国的辅助服务一般是由调度机构指定，或者是电厂资源提供，再作适当的补偿 随着更多的独立发电厂的建立以及发电侧的完全开放，各个发电公司均成为真正的法人实体 5 东南大学工程硕士学位论文 和独立核算、自主经营、自负盈亏的市场竞争主体，其经营发电和参与竞争的目的是使其利 益最大化。因此，当传统的集中管理被分散决策所代替后。电网的安全将受到一定的影响。 必须通过经济手段，以激励发电公司主动提供辅助服务“”。 目前，在有关辅助服务的定价研究中，无功备用及电压支持、备用容量的服务及定价最 受关注 无功及电压支持服务的定价不仅要计及无功功率的成本包括发电机因发无功功率而减 少发有功功率造成的损失补偿，以及发电机、调速器及电容器提供无功功率的不变和可变成 本，而且要计及由于电能质量的要求，应维持节点电压在一定的水平，特别是枢纽节点电压 控制的成本。理论上，可根据实时电价理论和用o p f 可算出节点无功电价以及节点电压控制 边际成本，但计算过程比较复杂，收敛性及计算时间均不一定能满足实时电力系统的需要， 而且由于无功生产及输送成本占总电能成本比例很少，因此，许多实用的近似计算方法得到 研究。而在电力市场的初期，电压控制成本没有必要单独精确计算。因此，目前宜采用实用 的近似计算方法来替代。 对于备用容量的获取和定价，目前基本上采用基于联营体模式由中央决策的备用容量市 场，即市场运营部门根据全网备用容量的需要。在备用容量市场上作为。单一买方”统一向 备用容量供应商购买，再将成本分摊到用户。由于有的发电厂在主能量现货市场结束后系统 旋转备用能量不足，而抬高备用容量报价，故一些文献建议主电能现货市场和旋转备用统一 一次报价，并由市场运行人员根此持续进行发电计划和备用容量计划。这一类备用容量获取 方法的优点在于简单、实用，和目前电力市场运行环境下备用容量的决策易衔接。其缺点为 用户无选择权，运行部门无激励做优化决策，对备用容量供应商无机制保证其确实投入备用 容量，一旦出事故，用户停电风险大因此，一些文献提出了新的备用容量分散决策的方法 并引入了保险理论初步的研究成果表明，引入保险机制后，用户可对备用容量做分散优化 决策，市场运营人员也有激励机制做优化调度，代表用户向供应商购买备用容量；出事故时， 用户停电风险也可得到缓解；证明了分散优化全局优化决策有相关的最优解，而具有高效率。 同时还证明了p o o l - b a s e d 比c o n t r a c t - b a s e d 备用容量获取模式更经济。 随着电力市场改革的深入，区域电力市场的辅助服务实施方案也在不断研究出台。2 0 0 4 年4 月，国家发改委与国家电监会制定了东北区域电网发电企业辅助服务补偿暂行办法， 成为辅助服务市场建设的指南。华东区域电力市场执行华东电力市场运营规则) 。辅助服 务的类型包括系统调频、系统备用、电压无功支持、黑启动等。辅助服务分为基本和有偿两 种，市场主体应根据并网调度协议向系统提供基本辅助服务，有偿辅助服务原则上通过 商场有偿获得。在华东电力市场一期，辅助服务暂不列入竞争范围，系统所需有偿辅助服务 由市场运营机构向发电企业以合同方式采购。 参考文献i s 根据山东发电侧电力市场的试运行实践，建立了以辅助服务提供者调整能 力和实际服务效果为评价标准的调频、调峰、调压和备用四种辅助服务的付费模型同时， 提出了辅助服务定额单价的确定原则文献 6 】则提出了同时考虑多项辅助服务，并在考虑 具体的电网约束和参与机组技术参数下，以购电费用最小为目标的优化计算模型，得到机组 组合以及竞价结果，这涉及在逐时段获得众多准确参数基础上的多次计算文献 7 】则以社 会效益最大化为目标函数，用变步长动态规划法求解 g c 辅助服务模型，但社会效益的定 量化是一个问题 1 5 本文的主要工作 本论文就是要在对电力市场辅助服务较充分研究基础之e ，首先对备用容量、无功及电压控 制等辅助服务的定价地研究成果进行了综述；其次，重点对在进行电力市场下，计及机组a g c 调 节容量变化的的数学模型，利用遗传算法求解电力市场下a g c 机组调配及定价问题；最后，鉴于 6 墨二兰塑丝 目前对辅助服务中黑启动服务定价的研究甚少，针对目前国内已有的实践，对基于用户分摊的黑 启动服务定价机制作了些积极地探讨，得出了一些有益的结果 本文主要章节安捧如下： 第章：绪论 介绍了本文的研究背景、意义，该相关问题的研究脚存在的问题，以及本文的主要工作。 第二章：备用容量和无功电压控制服务定价研究综述 第三章：基于遗传算法的 g c 机组调配及定价机制 第四章：基于用户分摊的黑启动服务定价机制 第五章：总结和展望 对本如 究的内容进行了总结并对电力市场下辅助服务的远景进行了展望。 7 东南大学工程硕士学位论文 第二章备用容量和无功，电压控制服务定价研究综述 2 1 备用容量 备用容量服务是指电力系统除满足预计负荷需求外，为保证电能质量和系统安全稳定运 行而保持的有功功率储备。从运行状态来看，对处于热状态或冷状态下的备用机组分别称为 热备用和冷备用水电机组、燃气轮机由于具有快速启动的特性，因此它们的冷热备用的启 动时间的差别并不大。但对于火电机组来说，热备用启动时间明显短于冷备用。目前，我国 大部分的电网中，通常由低于装机容量运行的机组提供热备用，而冷备用由调度按照电网的 需要由指定机组提供。从本质上说，各种备用的根本特征是响应速度，据此可将备用分为瞬 时响应备用、1 0 m i n 旋转备用、3 0 m i n 非旋转备用等p 捌。其中，瞬时备用即指调频备用。 本章主要讨论旋转备用和非旋转备用的定价。 2 1 1 旋转备用 旋转备用随“又称热备用，指能够保证1 0 r a i n 内增加的同步容量。对水电厂来说，旋转备用 般为总容量的1 0 ，对火电厂来说，则为最大出力与当前出力的差值嗡“在竞争型的市场 中，提供旋转备用的一般过程为： ( 1 ) 发电厂投标 发电厂提前2 4 h 向调度中心进行旋转备用投标。投标信息包括投标容量和投标价格，投标价 格可表示为： 露= e n i + k e s i 式中，斟t 为备用容量的能量价格， 价格。 ( 2 1 ) 即使用旋转备用容量发电的价格；髓s l 为备用容量的容量 ( 2 ) 投标选择 调度中心根据p i 值排定提供旋转备用的优先次序表，市场结算价格为优先次序表中边际机组 的p 值，即： 只=enm+re8(2-2) ( 3 ) 服务结算 对每个中标的旋转备用容量供应者，应该得到如下的报酬： 圪= q 【( e ：+ 嘁) 一e m 】+ 假一e 厶) o 妥v ：+ 城) ( 2 - 3 ) 式中，c - 为第i 个供应者提供的旋转备用容量，e l 为其实际发电值，e i 一为其计划发电值( 不 包括旋转备用) 。啦, - - e - o 为被调度中心用于发电的备用容量。这种结算方法，可以使发电厂提供 旋转备用的收入与参加发电的收入相仿。 旋转备用容量是种发电能力，它与系统同步，随时可以用于满足负荷需求。电网必须拥有 或购买一部分旋转备用容量，以便在运行的发电胡绸、输电线路或其他设备突然发生故障时，仍 能可靠供电。长期以来，电力系统所需的备用容量是根据系统内单个机细最大容量或者系统负荷 百分比确定。文献 3 提出根据可靠性定价数学模型研究并确定旋转备用容量定价机制和政策。 在这个新的价格机制下，购买附加的旋转备用将使用户得益( 主要是由于降低了有功和无功功率 8 第二章备用容量和无功电压控制服务定价研究综述 价格，并改善了系统可靠性) 。分级可靠性定价方法是将反映电力质量的各个属性放入到定价中 去采用这个方法确定的电价能够反映供电的真实边际成本，其中包括发电机组和输电线路非计 翅l 停运故障对用户产生的停电损失 2 1 2 非旋转备用 非旋转备用“4 8 般由峰荷火电机组提供，指能在2 0 - 3 0 m i n 内启动并达到正常电力输出。 在投标型电力市场中，般按以下原则安排备用容量： ( 1 ) 发电厂投标 发电厂提供的投标信息包括投标容量、投标价格及响应时间。投标价格仍由两部分组成：备 用容量的能量价格e n , ，即使用旋转备用容量发电的价格；备用容量的容量价格i ! s “ ( 2 ) 投标选择 根据过去一段时间内各发电厂对备用配额的完成情况，将各电厂按其表现进行评估，这可作 为投标选择的个主要原则。在6 0 天内三次未完成指标的发电厂将失去投标资格。然后依据备 用的使用概率进行投标选择，投标价格司表示为： = 幽+ 础置 ( 2 4 ) 式中，e “为节点i 的某一备用使用容量，为该情况下发生的概率按照( 2 - 4 ) 的值 确定提供非旋转备用的有限次序按照式( 2 5 ) 计算容量价格： p 迎s f e e = 岫s 。+ 矾。瓦。厶。一叫蜀。) ( 2 5 ) 最终非旋转备用供应者得到的报酬可表示为： 心= q r e s f e e + 慨一) 矾 g 为一系数，用户最终得到的报酬应与其最大负荷成比例。 2 2 无功电压控制 随着厂网分开的电力市场化改革的推进，无功电压辅助服务作为一项重要的辅助服务， 由无偿提供到有偿服务已成为电力市场发展的必然趋势。 在电力系统中，无功电压控制口叩7 l 是保证电力系统安全稳定运行的前提，发电侧的无功 电压支持作为一种辅助服务，是保证电能交易顺利进行，提高电能质量、降低电网有功损耗、 保证电网安全经济运行的有效手段，尤其在输电网重负荷下运行时，无功电压的支持变得格 外重要。与有功不同。电力系统中的无功源除发电机和负荷外，还包括串、并联电容器电抗 器( 电抗器可视为负的容性补偿装置) 、以及静止无功补偿器( s v c ) 、f a c t s 设备等无功补 偿设备，他们为系统提供无功的支持，进一步控制系统电压，降低网损。其中，发电机( 包 括调相机) 、静止无功补偿装置、f a c t s 设备能提供连续的动态无功补偿，与之相对，并联 电容电抗器为静态无功补偿。另外，在i i o e w 及以上等级的架空线路和3 5 k w 及以上等级的 电缆线路的充电功率也可视为一种天然的无功源。在系统运行中，改变变压器主变抽头的位 9 东南大学工程硕士学位论文 置能改变节点电压和潮流分布，但是本身不产生无功功率。而系统的无功负荷主要由异步电 动机，变压器和线路的无功损耗组成 图2 i 无功电压控制的概况图 图2 1 表示了目前大多数电网进行无功电压控制一般情况，可以看到，系统无功电压控 制主要有以下手段：改变发电机( 包括调相机) 机端电压，串并联电容电抗器的分组投运 切除，改变有载调压器的主变抽头位置。其中，改变发电机机端电压一般是通过调节发电机 励磁来进行的。随着电力电子技术的发展，s v c 、f c t s 等设备的研制成功和运行，为系统 无功补偿源家族增添了新的成员，它们能实时为系统提供动态连续的无功补偿，而且能避免 其它无功源的某些限制，进一步提高系统稳定性，防止电压崩溃。但是由于其较高的价格， 所以目前在系统内投运数量不多。通过这一系列的手段，可以使系统母线电压保持在一定的 范围内，保障系统的安全稳定运行 在电力系统中，由于并联电容器，电抗器、静止同步补偿器、静止无功补偿器及其他 f a c t s 设备都安装在输配电网中，产权和调度权都归系统运行人员所有，所以可由系统运 行人员自由调度。所以，目前很多学者对于无功服务的研究重点就放在了如何从发电公司获 取无功服务的问题上。这一点在很多国家的相应的电力市场规约中也有所体现。北美电力可 靠性委员会0 n i r c ) 1 9 9 9 年发表的白皮书中规定：只有发电公司提供的无功功率可作为i s o 的辅助服务，而由其他实体提供的无功支持不列入i s o 的辅助服务之列，因而没有经济补 偿且i $ o 有权调度输电系统中所有的静止无功电源根据中国国家电监会在2 0 0 4 年1 月 2 日颁布的电网辅助服务补偿办法，也对无功服务做出定义：。无功服务又称无功支持服 务或无功电压控制服务，指发电机组向电网注入或吸收无功功率，以维持系统正常运行时节 点电压波动水平在允许范围内，在电力系统故障后提供足够的无功支持以防止系统电压崩溃 的服务。” 我们还注意到，无功辅助服务存在很大的地域性限制，即系统中无功潮流不适合长距离 传输，所以无功辅助服务的价值随着其在电力系统中的位置而有明显的变化这种物理性质 某种程度上会阻碍竞争性无功电力市场的发展，因为在大多数区域只有单一的无功辅助服务 供应者和单一的无功服务购买者。而系统中无功辅助服务会对电力系统安全性的影响非常之 大，导致了现在很多系统仍规定无功辅助服务的提供商必须履行一个提供最低限度无功电量 的无偿服务。 另外，无功辅助服务市场中，无功服务的提供者是位于不同地理位置不同容量的发电机 组、同步调相机等，而买方只有一家，叩各地区的电力传输网( 或i s o ) 。 根据无功传输的特点，在各个开展电力市场的国家逐步建立了适合自身特点，不同机制 的无功辅助服务市场，并制定了对无功服务的定价方式。 1 0 第二章备用容量和无功，电压控制服务定价研究综述 2 2 1 无功辅助服务获取机制及定价方式的研究 2 2 1 1 无功辅助服务获取机制的分类 一般，无功辅助服务可通过5 种方式获取： ( 1 ) 强制性无偿提供：出于对系统安全性考虑，强制发电机提供一定数量的无功功率， 一般在发电机额定功率因数范围内，如瑞典电力市场，中国华东区域电力市场。 ( 2 ) 按费率结算；无功辅助服务的费用根据制定好的价目表计算。如比利时、中国东 北地区等。这种机制可使无功服务的提供者获得一定的经济效益，但是如何确定费率比例是 一个需要研究的问题。 ( 3 ) 双边合同：系统调度机构和发电公司签署购买无功辅助服务的合同。如美国的加 州、纽约州、p j m 电力市场，澳大利亚电力市场等。这种获取方式的特点是：如果定价由 双方协商形成，则合同之外的第三方不能得到无功服务的价格和其他信息，系统也无法获取 更加优质廉价的无功服务，如果采用统一的定价规则，则应制定合理的无功采购算法。在正 常情况下这种市场机制的操作费用较低 ( 4 ) 市场投标方式：无功辅助服务的提供者按一定的技术条件进行投标，系统调度机 构按照服务水平和投标价格在各供应商之间进行选择。双方签订双边合同，在合同期内价格 固定。这一机制一般将双方固定于中期( o 5 2 年) 的合同中，因而在一个较长时间内是固 定的。投标内容包括无功电源的技术参数和无功报价。如果某机组仅仅因无功需要丽启动，而有 功发电保持在最小值，报价应包括此时的无功价格( 元m v a r h ) 和有功价格( 元m 胁) 。投标 选择的主要依据是每宗投标对解决电压问题的重要性。当存在足够的无功供应者时，按照他们的 费用高低次序排队当供应者不足时。应提供相应的价格刺激。 ( 5 ) 基于报价的动态实时竞价市场：这种实时竞价的机制对系统运行状态变化非常敏 感，会随系绕运行状况轻微变化而出现较大波动。但缺点是操作复杂，运作资金消耗大；随 系统运行状态的变化，节点无功电价波动大，用户难以适应，执行费用较高，且无功辅助服 务成本不能完全回收。能否建立这样的市场机制是一个很有争议的问题，而问题症结所在也 是无功传输的地域性。 在电力市场的实际操作中，系统电压控制需要各参与方共同承担责任。发电厂和用户都要满 足各自的电压功率因数限值。发电厂必须提供p - q 曲线，并要保证在较长时问内。无功发电可以 达到其极限的9 0 ，或者保证在2 0 m i n 内提供1 0 0 的无功发电。输电公司应负责保持系统电压， 对5 0 0 k v 线路，其节点电压波动应在3 以内，2 2 0 k v 和1 1 0 k v 线路应在5 以内，中心调度员应 能控制电网中所有的电压调节设备。配电公司和大用户应与输电公司签订合同，确定在峰、谷和 其他时段应保证的功率因数及相应的奖惩手段。目前，学术界一般认为，对于短期内存在地理 垄断性的无功电压辅助服务，较为适合采用投标市场或双边合同的机制。 2 2 1 2 无功辅助服务的定价方式的分类 表2 1 对目前无功辅助服务定价方式做了归类： 表2 1 无功辅助服务定价方式 东南大学工程硕士学位论文 定价模式特点具体的定价方式 一般都是事先通过长期双边合 基于无功成本分析制定无功容量价格 同或者某一固定费率表确定其 基于无功源无功容无功容量和相应的费用： 通过事先竞价的制定无功容量价格 量的定价方法当发电机组( 同步调相机) 不 在一定范围内的无功容量为义务性 能根据系统指令对无功进行控 质。可用容量减去这部分无偿服务的 制时将会受到经济惩罚。 容量范围得到补偿； 在一定的功率因数范围内或者无功容 量范围内不计费； 基于机组有功损失机会成本制定无 基于实时无功电量 发电机组因根据系统调度的无 功电量价格； 功功率的输出量获取无功服务 的定价方法 事先制定区域内统一的无功电量价目 费用； 表； 通过实时市场的无功竞价制定本地区 的无功电量清算价格；( 仅限于理论) 无功容量和无功电 在一定无功容量范围内得到无 量相结合的定价方 功容量费用；具体的无功容量定价方式和无功电量 在这一范围之外输出吸收无定价方式的组合 式 功功率得到无功电量费用 注：机组有功损失机会成本是指发电机组为了根据系统要求多发无功功率而损失了有 功功率输出量，由此造成的发电机组经济损失： 2 2 2 各国电力市场对无功定价机制的实践 2 2 2 1 美国电力市场 美国加州电力市场在能量市场外设立了以竞价为基础的辅助服务市场但不包括无功 辅助服务。i s o 通过长期合同方式从发电机组获取无功容量，正常情况下，要求这些发电机 组运行在功率因数m 9 5 0 9 内，这个范围内运行的无功服务是强制性无偿的。只有当 a u s o 要求这些发电机组发出或吸收的无功功率超出此范围才能得到经济补偿( 见图2 2 ， 点a 到点b ) ，补偿费用中包括发电机由于发出或吸收无功功率而导致有功出力减少所引起 的机会成本当然，每隔一段时间，需要对发电机组进行滞相深度和进相深度的试验以保证 合同的有效性。需要注意的是，c a i s o 也有权利调动其他未签约的发电机组在- o 9 5 0 9 0 功率因数范围内运行。 第二章备用容量和无功电压控制服务定价研究综述 图2 2 美国加州无功辅助服务市场获取机制 图2 2 中p r 为发电机组的额定有功功率，p 一为发电机所能发出的最大有功功率p ， q 和p b ，q b 分别对应于发电机组运行于a 点和b 点的有功功率输出和无功功率输出q w