《电力市场概论》 课件 第五章 系统安全与辅助服务

第四章系统安全与辅助服务一、引言

电力系统运行的安全性：是指应付各种可能的扰动以保持电力系统持续、可靠、优质运行的能力，保证这一能力的手段在电力市场环境下被称为辅助服务。

辅助服务市场：又称为不平衡市场，顾名思义，就是实际供电与需求的差值。这一差值是电力市场所有参与者所固有的不确定性决定的。辅助服务的类型：（1）电压、频率、联络线功率等的调节（Regulation），－－自动发电控制（AGC）－－自动电压控制（AVC）（2）旋转备用（SpinningReserve），10分钟以内来自在线机组或邻近系统支援的快速响应；（3）非旋转备用（Non-SpinningReserve），10分钟以内来自离线机组、可中断负荷，或邻近系统支援的快速响应；（4）替代备用（ReplacementReserve），60分钟以内来自在线或离线机组、可中断负荷，或邻近系统支援的响应；（5）电压支撑（VoltageSupport），正常或故障情况下为维持电压水平所需要的无功功率调节能力；（6）黑启动（BlackStart），经历局部或全部系统瘫痪时可自启动的电源容量。电力系统特性决定了辅助服务在电力市场运营中必须是统一、计划、协调地进行本章内容：辅助服务的经济机理分析电力系统各类扰动，及这些扰动对系统安全的影响分析电力系统所需的典型辅助服务类型，探讨如何确定各种服务量并建立实施机制从服务提供者和投资者的角度分析，如何将这些因素与电力商品交易结合使运行利润最大化（一体化交易）。二、辅助服务的需求负荷与发电总体不平衡引起的安全问题和传输网络的安全问题1、电力系统安全性的防御电力系统运行的监测

SCADA（SupervisoryControlAndDataAcquisition）系统预想事故评估完成系统状态估计的基础上对预想的事故集合进行分析电力系统正常运行的条件有功、无功功率的平衡；系统中状态量，如频率、电压、元件电流、机组功率、功角等不应超出允许要求的范围。

电力系统的运行状态正常状态：两个条件必须得到满足安全正常状态不安全正常状态－－预防控制紧急状态：第二个条件不满足，但第一个条件满足－－校正控制（可以短时忍受）或紧急控制（必须立即处理）崩溃状态第一个条件不满足，系统处于分裂运行；第二个条件也不满足，系统处于欠安全状态，处理不好会造成系统全面瓦解。恢复状态：第一个条件不满足，但第二个条件满足。2、有功功率的平衡问题有功功率平衡的控制主要对应频率的控制。频率调节：一次调节：利用发电机的调速装置，按设定的调差特性，只要机组不满载都可进行的自动调节，响应时间大约为几秒至几十秒，只能解决微小负荷扰动引起的频率偏移；二次调节：利用调频器来改变静态频率特性的工作设置点，动作于汽门或水门，只要容量充足可以实现无差调节。二次调节可由人工控制实现，也可由自动装置实现（LFC），响应时间大约为1～2mins。若按一定的控制准则将多个LFC集中统一的进行频率的自动控制，则称为AGC。AGC可解决较大负荷变动引起的频率偏移，及联络线功率偏移的问题。三次调节发电机和负荷的单位调节功率均为25MW/Hz，系统稳定在O点。当负荷突然增加20MW时，负荷的频率特性曲线由PL上升为PL’，此时，当只考虑一次调频，由于发电和负荷的一次调节作用,系统最终将稳定在点O’运行，此时频率下降到49.6Hz，实质上相当于负荷增加了10MW，这是有差调节带来的结果。当考虑二次调节，即发电机增发10MW，同时再加上一次调节的作用，发电机频率特性将由PG上升到PG’，最终系统稳定在O’’点，频率下降为49.8Hz。显然，如果发电机直接增发20MW，即可实现无差调节。例：1995年8月15日12：25：30，1220MW发电功率突然从英国电力系统解列，该系统有65GW装机容量，但没有与其它系统进行互联。一次调节响应必须在10s内完成并持续20s，在达到49.5Hz的规定极限频率前，频率停止降落则一次响应成功二次调节响应必须在30s内完成并持续30min，二次响应促使系统频率趋于正常，图中12：29：20启动的燃气轮机产生了图右侧的频率上升。3、无功功率的平衡问题（1）无功不平衡的危害用电设备异步电动机各种电热设备照明家用电器电力系统本身电压降低，会使网络中功率损耗加大，还有可能危及电力系统运行的稳定性；电压过高，各种电器设备的绝缘性能会受到损害，在特、超高压电网中还将增加电晕损耗等。（2）无功支持的价值无功支持服务的价值在于，当系统处于紧急状态时可通过注入无功功率防止电压崩溃。用潮流计算程序可以粗略地计算出为了避免设备故障停运后出现的电压崩溃，需要向系统注入多少无功功率。任一条线路停运，自母线B处需注入的无功功率事故前，有功损耗为0.8MW，母线A处的发电机吸收线路产生的无功2.6Mvar。事故发生后，虽然有功损耗只增加了1.2MW，但是无功损耗增加到了159Mvar。为了防止电压崩溃，两台发电机都必须向剩下的那条线路注入无功功率。4、输电元件的传输能力问题线路输电能力的主要制约因素

在进行线路传输能力分析时，应考虑热限制、电压限制和稳定极限限制三方面的影响因素

线路传输能力的热限制分析

静态热定值

动态热定值

电压支撑能力与稳定性对线路传输能力的影响5、电力系统的动态问题大扰动后电力系统的稳定问题，小扰动后电力系统的静态稳定问题，以及电力系统的低频震荡问题6、黑启动整个系统崩溃后，系统运行员必须保证任意时刻都能提供足够的储备电源保证系统迅速恢复，这项辅助服务称为黑启动能力（BlackStartCapabilty）。有些机组（如水轮机和小型燃油机组）能手动重启或用储能电池重启。三、辅助服务的获取

处理辅助服务有两种机制强制性的提供辅助服务通过市场机制来提供辅助服务从经济学角度看，两种机制各有优劣。再者，辅助服务机制的选择不仅受到辅助服务类型的影响，也受电力系统运行状态和历史环境的影响。1、强制性提供辅助服务的机制该机制要求接入系统的参与者必须无原则的提供某一类型的辅助服务例，对并网机组的要求必须配备自动调频装置，同时具有一次、二次调节的功能，这一要求可以确保所有机组共同参与频率调节；能够运行在0.85超前到0.9滞后功率因数范围内并配有自动调压装置，这一要求能保证所有机组参与电压控制。实施难点导致不必要的投资并使发电量大于需求在技术或商业上没有革新的空间参与者不愿意提供这种义务服务，因为强迫提供辅助服务没有报酬，同时还增加成本一些参与者可能没有能力提供辅助服务或不能有效提供强制性机制并不适用于所有的辅助服务。另外，该机制中，还要免除一些参与者的辅助服务，这种免除无疑使市场竞争受到扭曲。2辅助服务提供的市场机制长期合同适用于需求量不变或者变化很小的服务，以及提供服务多少主要由设备特性决定的服务。黑启动能力、系统联动跳闸方案、电力系统稳定器和频率调节等，通常适用于长期合同。实时市场适用于一天内需求变化很大的服务和因市场交易供应量变化的服务。例如，部分备用经常通过短期市场机制获得。成熟市场中，备用服务提供者需要同时参与短期合同和长期合同。市场方式下能否应用于所有辅助服务还不清楚。3需求侧提供辅助服务鼓励消费者提供辅助服务的好处很多大量提供者增加了辅助服务市场的竞争性；从全局经济性考虑，由需求侧提供辅助服务改善了电力的利用率；需求侧提供辅助服务比大型机组更为可靠，其提供某种服务的同时失败率较小。四、辅助服务市场机制的实现1备用容量的确定理想情况下，通过购买备用提供的安全水平应该由成本效益分析决定，该分析将备用边际成本等于安全边际价值设为最佳点。边际成本容易计算，代表消费者期望的边际价值却很难计算。需要设计一种激励机制鼓励系统运行员不仅将购买备用的成本最小化而且将所购备用的量限制到保证安全性的实际需要值。2、电能和备用联合交易的市场模式早期电力市场电能和备用分别交易，按服务响应速度分别结算。经验显示这个方法存在问题，所以已经被淘汰。现在广泛认可的是电能和备用在同一市场交易，且同时结算以使提供电能和备用的总成本最小。由于电能供给和备用供给相互影响，因此它们需要协同优化。

例：需求在300MW到720MW之间变化的小型电力市场，假设只需要250MW备用来保证系统运行的安全性，系统中有4台机组。机组1和4不允许提供备用，机组2和3可以提供备用，其限制如表所示。发电机组

边际成本（$/MWh）机组容量（MW）机组备用（MW）1234217202825023024025001601900忽略机组最小技术输出功率；假设市场运行在集中模式下，且机组报价等于其真实边际成本；备用不单独报价，机组提供备用没有直接成本不同负荷下的优化方案确定备用价格以负荷为420MW到470MW之间为例，此时机组2至少提供60MW备用，其输出功率不能超过170MW机组3成为边际机组，输出功率为0到50MW之间，并决定电价为20＄/MWh，同时提供190MW备用为得到大于或等于250MW的备用，不得不减少机组2的输出功率，增加机组3的输出功率。如，机组2减少1MW，机组3必增加1MW，因而获得备用的总成本为20－17＝3＄/MWh。提供备用的收入等于它不能卖电的机会成本考虑机组提供备用的成本，同时假设机组4可提供最多150MW的备用不同负荷下的优化方案3、基于风险约束的备用配置方法

系统的运行风险可以分为投运风险和响应风险，前者与给定时间内的机组投运安排相关，后者与已投运机组的调度决策相关。

在基于响应风险约束的备用配置方法中，负荷并不认为是不可中断的，而是要保证负荷中断的风险（如系统的电力不足期望EDNS）小于一定水平，这使得系统的运行决策可以建立在社会效益期望最大化的基础上，而不是一味保守地保证负荷的电力供应。4、成本分摊在现有技术条件下系统运行员无法实现不同安全水平的输电。因此，当前所有用户得到的安全水平是相同的，那么按照所用电量分摊辅助服务成本就是可行的，通常以消费或生产的电能来计量。一些用户的行为可能给系统造成不成比例的压力，处罚这些用户可鼓励他们改变做法，减少所需辅助服务，从而降低达