（电力系统及其自动化专业论文）含风电场的电力系统输电阻塞管理.pdf

堡主丝苎一 童垦皇堑箜皇垄墨竺塑皇堕墨笪里：；： a b s t r a c t w i n dg e n e r a t i o nh a sb e e nd r a w ng r e a ta t t e n t i o nw i t l lt h ei n c r e a s eo ft h ec a p a c i t yo f l a r g ew i n df a r m sc o n n e c t e dt op o w e r 舒d ，a n dw i n dp o w e r sr a n d o mb r i n g sn g w c h a l l e n g e st ot r a n s m i s s i o nm a n a g e m e n to ft r a d i t i o n a lp o w e rs y s t e m ，i nt h i sp a p e r , t r a n s m i s s i o nm a n a g e m e n ti nw i n dp o w e ri n t e g r a t e ds y s t e mi sr e s e a r c h e d b a s e do nc o m p r e h e n s i v er e f e r e n c e s ，t h i st h e s i s a n a l y s e s t h ec a u s a t i o na n d c h a r a c t e r i s t i c so ft r a n s m i s s i o nc o n g e s t i o ni np o w e rm a r k e t , s u m m a r i z e sm e t h o d sf o r a l l e v i a t i n gt r a n s m i s s i o nc o n g e s t i o n sa n dt h ee f f e c t so fc o n g e s t i o n so np o w e rm a r k e t ， a n a l y s e sa n dc o m p a r e so nc o n g e s t i o nm a n a g e m e n tm o d e l sb a s e do no p fu n d e rd i f f e r e n t p o w e rm a r k e t t h i sp a p e ra n a l y s e st h er a n d o mb e h a v i o ro ft h ep o w e ro ft h e 、；v i n df a r m i no r d e rt o c o n s i d e rt h ew i n ds p e e dr a n d o mb e h a v i o r , t l l i sp a p e rp r o p o s e sad i v i d i n g - s t a g es t r a t e g y , g e t t h ee x p e c t e dp o w e ro f t h en e x tt i m eo f t h ew i n df a r m t h et h e s i sr e s e a r c h e st h es u p p o r t i n g p o l i c yo fw i n d p o w e rh o m ea n da b r o a d ，p r o p o s e s s o m es u g g e s t i o n so nt r a n s m i s s i o n m a n a g e m e n t i nw i n dp o w e r i n t e g r a t e ds y s t e m ，d e s i g n st h e c h a r to ft r a n s m i s s i o n m a n a g e m e m i nw i n dp o w e ri n t e g r a t e ds y s t e m c o n s i d e r i n go n l yt h ea c t i v ep o w e ro ft r a n s m i s s i o nl i n eg e tc o n g e s t e da n db pn e u r a l n e t w o r ka r eg o o da ts o l v i n gi m l i n e a r i t yp r o b l e m , t h i sp a p e rp r o p o s e st h ec a l c u l a t i o no f p o w e rf l o wb a s e d o nb pn e u r a ln e t w o r k ，a n dp r o v e dt h ef e a s i b i l i t yo ft h i sm e t h o dt h r o u g h o n e3 6 - z o n ep o w e rs y s t e mi n c l u d i n gw i n df a r m b a s e do no p f , t h i sp a p e rc o n s t r u c t st w ot r a n s m i s s i o nc o n g e s t i o nm o d e l so f t h ew i n d p o w e ri n t e g r a t e ds y s t e m o n em o d e l so b j e c tf u n c t i o ni sp o w e rc o s tl e a s t , a n dt h e e f f e c t i v e n e s sa n dc o m p u t a t i o np e r f o r m a n c eo ft h ep r o p o s e dm e t h o di sv e r i f i e di nt h e 8 - e n g i n es y s t e mw i t hs o m em o d i f i c a t i o n s ；a n o t h e rm o d e l so b j e c tf u n c t i o ni sc o n g e s t i o n c o s tl e a s t ，a n dt h i sm o d e li sv e r i f i e di nt h ei e e e 3 6a n di e e e 5 7s y s t e mw i t hs o m e m o d i f i c a t i o n s k e yw o r d s ：w i n df a r m ，t r a n s m i s s i o nc o n g e s t i o n , o p t i m a lp o w e rf l o w , d i v i d i n g - s t a g e s t r a t e g y h 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：望焦当三：弘勺年矽月婚 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：习之纽 弘叼年。阴胡 1 绪论 1 1 论文研究背景及意义 风能是太阳能的一种转换形式，是一种重要的自然能源。风能以其蕴量巨大，具 有可再生性和无污染的优点，得到各国的重视和开发利用。 1 9 世纪末，丹麦人首先研制了风力发电机，建成世界第一座风力发电站。1 9 7 4 年美国风能协会( a w a e ) 成立，后来欧洲风能协会( e w a e ) 成立，这些组织在美国和 全世界范围内，推广风能技术。鼓励风能资源的利用。2 0 世纪8 0 年代初风力发电场在 美国、欧洲等发达国家兴起【l 川。据欧洲风能协会提供的统计数据，2 0 0 5 年全球新增 风力发电能力1 1 8 万m w ，比2 0 0 4 年增长4 3 4 ，新增风力发电设备总价值超过 1 2 0 亿欧元。目前全球风力发电装机已达n 5 9 3 万兆瓦，比2 0 0 4 年增 3 n 2 5 ，到目前为 止，风力发电装机容量最大的国家是德国，为1 8 4 万兆瓦，其后依次是西班牙、美国、 印度和丹麦等国“1 。2 0 0 2 年欧洲风能协会和绿色和平组织签署了风力1 2 一关于2 0 2 0 年风电达到世界电力总量的1 2 的蓝图的报告，期望并预测2 0 2 0 年全球的风力发电 装机将达到1 2 4 5 亿千瓦，风力发电量将占全球发电总量的1 2 “风力1 2 ”的蓝图 展示出风力发电已经成为解决世界能源问题的不可或缺的重要力量l ”。技术方面，近 几年来也有很大发展。风电机组单机容量越来越大，m w 级的市场份额明显增大，1 9 9 7 年以前还不到1 0 ，2 0 0 2 年已经达到世界新增风电装机容量的1 9 0 4 ，当年兆瓦级风电 机组平均单机容量为1 6 1 6 k w 。 我国拥有世界级的风能资源，仅次于俄罗斯和美国，居世界第二位，陆上可开发 和利用的风能储量约为2 5 亿k w ，海上可开发利用的风能约7 5 亿k w ，共计约1 0 亿k w i l 叫。随着我国经济的高增长与能源供应能力之间的落差正日益明显，加之恶化的环 境压力，发展可再生能源成为我国可持续发展的必然选择。目前我国的风能利用方面 与国际水平还有一定差距，但是发展很快，无论在发展规模上还是发展水平上。都有很 大提高。二十世纪9 0 年代以来，风力发电场装机容量以平均每年3 0 左右的幅度递增， 2 0 0 4 年全国在建项目的装机容量约1 5 0 万k w ，其中正在施工的约4 2 万k w ，可研批复的 6 8 万k w ，项目建议书批复的4 5 万k w ，包括五个l o 万k w 特许权项目。至1 j 2 0 0 4 年底，中国 1 4 个省( 市、自治区) 已建设有风力发电场4 3 座，其主要分布在中国“三北”地区和东 南沿海，风力发电总装机规模达7 6 4 。3 7 m w ，占中国电力总装机规模的0 1 7 ，其发电 量占总发电量的0 0 8 。据2 0 0 3 年9 月国家有关部门提出的风电发展目标，到2 0 0 5 年全 国风电装机容量达到1 0 0 万千瓦，2 0 1 0 年达至l j 4 0 0 万千瓦：蛩 2 0 5 0 年后，我国的风力发 电在电源结构中的比例将达到1 0 。成为重要的发电能源。2 0 0 5 年2 月2 8 日全国人大 常委会表决通过了可以再生能源法，该法已经于2 0 0 6 年的1 月l 号开始实施，应该说 这是中国可再生能源发展的一个里程碑。同时，2 0 0 6 年国家发布了可再生能源发电 硕士论文 宣垦鱼堑鲤鱼垄墨丝塑皇里墨笪里： ：一一一 价格和费用分摊管理试行办法，进一步促进可再生能源的发展。 风力发电环境友好、技术成熟、可靠性高、成本低且规模效益显著，是发展最快 的新型能源。很多与大型风电场并网运行有关的技术课题亟待解决，例如，大型风电场 并网会改变系统原有的潮流及网损的分布，对电网的规划提出了新的要求：可能给配 电网带来电能质量问题，如谐波污染、电压波动及闪变：对系统的功角、频率以及电压 稳定性产生不利影响：风电具有很强的随机性，需要研究能够考虑风电特点的发电和 运行计划方法：重新评估系统的发电可靠性，分析风电的容量可信度：研究新的无功调 度及电压控制策略等。感应发电机因为结构简单、并网方便，一度成为风力发电机组 的首选，很多研究也是基于这样一个事实。随着电力电子元件的性价比不断提高，采用 同步电机、双馈电机等新型发电机组是大势所趋，风电场可以像常规机组一样，承担电 压及无功控制的任务，出现了许多新的富有挑战性的研究课题。风力发电作为电力系 统中一个崭新的领域，正吸引越来越多的研究机构和人员从事风电并网技术的研究和 咨询工作。 另一方面发、输、配电的长期垂直垄断使得电力产业缺乏竞争、效率低下，不利 于实现资源的优化配置和降低成本，电力服务与价格均难以满足社会发展的需求。解 决这一问题的根本办法是打破行业垄断、引入竞争机制、建立电力市场。而竞争要求 保证市场的自由度，即市场必须使得商品可以自由流通。在电力市场中，就要求输电 网络对所有市场参与者公平开放【6 7 】。 对我国这样一个幅员辽阔、自然资源缺乏的国家，输电开放显得尤为重要，它将 有利于实现全国资源的优化配置，促进水利资源的充分利用，降低发电成本，同时 带动资源丰富的西部经济的发展。在理想的电力市场中，电力系统中任意节点的发电 机可以自由地向任意节点的负荷供电，从而保证市场的最大自由度。然而输电系统的 两个基本特性输电阻塞和网损极大地限制了这种自由度。在实际的电力市场运作 中，随着发电、用电市场规模的增大，阻塞出现的机会也增大。研究合理化解输电阻 塞和降低网损方法的输电阻塞管理成为输电管理的核心内容。 输电阻塞( t r a n s m i s s i o nc o n g e s t i o n ) 是指输电系统由于本身网络的容量限制，不能 满足所希望的输电计划的状态。它通常指输电系统在正常运行或进行事故安全检查时 出现了以下两种情况i s l ：1 ) 输电线路或变压器有功潮流超过允许极限：2 ) 节点电压越 限。在电力市场化以前，由于系统调度和各发电厂同属一个实体，输电阻塞管理只需 由垄断电力公司中的调度员向各个电厂发出调度指令，根据需要调节机组出力，直 至电力系统运行在输电约束之内即可【9 1 。但是，电力市场化之后，输电系统和发电厂 成为彼此独立的经济实体，负责系统运行的独立系统调度员( i s o ) 必须平等对待各 个市场参与者，在社会效益最大化和购电成本最小化等目标下找出合理的输电阻塞 管理方法，调整网络潮流，在保证系统安全的同时，也要维护市场的效率【1 0 】。 2 传统的发电计划基于电源的可靠性以及负荷的可预测性，以这两点为基础，发电 计划的制定和实施有了可靠的保证。但是，如果系统内含有风电场，风电场出力的随机 性使得发电计划的制定变得困难起来。如果把风电场看做负的负荷，不具有可预测性： 如果把它看做电源，可靠性没有保证。正因为如此，含风电场电力系统的运行计划成 为热点研究课题。 l 。2 国内外风力发电研究现状 利用风能发电始于1 9 世纪末，到上世纪8 0 年代通过建立大型风电场来大规模利用 风能，风力发电运行技术及并网研究得到较大发展。以下就本文涉及到的电力市场下 含大型风电场的电力系统输电阻塞管理相关领域，分析国内外进展。 1 2 1 风速预测 由于风能的随机性和不可调度性，风电场风速预测对于风电场的规划设计、运行 调度都具有重要的意义，对风能以及风电场的风速顶测研究也逐渐受到人们的重视， 特别是欧美国家在这方面做了大量的研究。 风电场风速预测有短期预测和中长期预测两大类。为保证电网稳定运行，当风电 并网时须加大旋转备用容量，会带来附加惩罚成本，增加旋转备用】，也增加了对电 网计划和调度的难度，然而，可以通过准确短期预测风电发电量来降低电网旋转备用， 降低惩罚成本，充分地利用风力资源，获得一定的经济效益，并且为电网运行和调度 提供依据。 文献【1 2 】根据风力发电量主要受风速和风向的影响，用神经网络技术直接预测风 力发电量，将其用于发电系统管理和判断机组是否需要维修。文献 1 3 1 根据历史风速 数据和地形等空间关系，在相邻测风站点风速之间相关性基础上，用人工神经网络技 术来预测风速，提前几小时预测风电场的输出功率及发电量。文献 1 4 1 用一个站点短 期测量风速数据，结合附近站点长期测量数据，用人工神经网络技术来预测这个站点 的风能资源潜力，其结果的准确性主要取决于这两站点风速之间相关性。文献 1 5 】应 用数字天气预报模型预测风速，进而估算出风电输出功率。 由于风能的惯性，当前的风速值对以后风速有一定的影响，风速是具有自相关性。 文献1 6 】研究风速和风力发电输出功率的自相关性和同一风带上风电场风速之间的 相关性。文献f 1 7 】应用风速w e i b u l l 分布和风速自相关系数产生模拟风速序列，计算风 力发电量，用于风电场规划。文献 1 8 由历史风速数据，得出风速r a y l e i g h 分布参数 和风速自相关性矩阵，进而模拟产生每小时风速序列，并用条件概率分布来处理风电 场之间风速相关性。 风电场每小时风速数据属于是时间序列，风速序列本身具有时序性和自相关性， 风速序列的数据顺序和数据大小表现出风速变化的动态过程，蕴含了能反映出风速变 3 硕士论文台风电场的电力系统输电阻塞管理 化的信息。很多文献采用时间序列法建立的风速预测模型，根据己有的历史风速数据， 利用模型进行趋势外推预测，而后对模型预测值进行评价和修正，得到风速序列预测 结果。文献【1 9 】采用自回归a r 模型来预测每小时风速。文献 2 0 】采用自回归滑动平均 模型越l i m a ，使用b o x - j e n k i n s 方法来预测每小时风速，通过比较由实测数据和预测 数据计算出来的平均风速、标准偏差、相关系数等指标，说明该方法的实用性。文献 2 1 2 2 1 建立每小时风速随机模拟和预测模型时，考虑了风速的自相关性、n o n - g a u s s i a n 分布、波动性，用自回归滑动平均模型a r m a 模型实现建模。文献【2 3 】根据历史风速数 据，采用自回归滑动平均模型a r m a 模型预测未来风速。并用f 准则和q 测试来检验 模型的准确性。 文献【2 4 】基于时间序列法和神经网络法，对风速预测进行了研究，提出了预测风 速的时序神经网络法。该方法用时间序列法建模，得到风速特性的基本参数，并用这 些参数选择神经网络的输入变量；为了提高预测精度，提出了滚动式权值调整手段。 该方法有效地提高了风速预测的精度。 1 2 2 含风电场的电力系统潮流计算 风能具有随机性、间歇性和不可调度性的缺点，随着风电机组单机容量和风电场 规模的增大，追切需要研究大型风电场并网后对电力系统的影响。含风电机组的潮流 计算常用于评估风电机组并网后对电网稳态运行的影响，同时也是分析风电对电网稳 定性影响等其他理论研究工作的基础。 含风电场的电力系统潮流计算【2 5 j 的关键是如何正确处理异步风力发电机组。文献 2 6 2 7 研究风电机组稳态问题时把它视为p q 节点，即根据给定风速和功率因素，算出 风电机组的有功功率和无功功率：文献【1 8 】建立p q 模型时考虑了风电场无功功率受到 节点电压等影响，使其模型得以改善。文献 2 8 1 提出风电场采用r x 模型，认为此模型 充分考虑风力发电机的输出功率特性，比其他模型完善，但在模型中将迭代过程分为 两步：常规潮流迭代计算和异步风力发电机的滑差迭代计算，其总的迭代次数多，收 敛速度慢。 在以上基础上，文献 2 9 1 提出了改进模型，考虑了的原动力与尖速比、滑差等 之间的函数关系，在牛顿一拉夫逊计算方法中，通过引入异步风力发电机的滑差修正 量，相应地对雅可比矩阵形成加以修改。使迭代过程仍保持牛顿一拉夫逊法所具有平 方收敛性，和i 模型相比，保持计算准确性的同时明显地加快了收敛速度。本文还 在改进模型基础上，结合常规p q 模型的特点，建立了简化模型，i l p p z 模型。 文献【3 0 】为了解决计算精度与迭代效率之间的矛盾，本文在简化异步发电机稳 态等效电路的基础上，提出了含风电场的电力系统潮流计算的联合迭代算法，通过修 正雅克比矩阵的方法达到了简化迭代过程的目的，解决了计算精度与迭代效率之间的 4 矛盾。该方法既考虑了风电机组机端电压、有功功率、无功功率以及滑差之间的耦合 关系，又大大缩短了潮流计算时间。 文献 3 h 分析p - q 简化模型过于粗略，而p q 迭代和r x 迭代模型与传统潮流计算 相比增加了一个迭代过程，要求得最终的潮流解，需要付出较长的计算时间，不适合 用于含风电场的优化潮流计算。给出一种考虑异步发电机的无功电压特性的求解潮流 方法( 简称q v 模型潮流计算) 。 1 2 3 含风电场的电力系统调度 风电是可再生的清洁能源，无需燃科费用，发电成本低廉，与水火电相比，无疑 是十分经济的。但是，风电场的出力是随机变化的，无法人为控制，因此风电是不可 靠的。为了消除风电随机性波动对系统的不利影响，主要采取了两种策略：一是限制 系统准入的风电功率，使其造成的影响处于系统的承受能力范围以内；二是调整系统 的旋转备用，提高系统的动态响应能力，随时弥补风电波动造成的功率不匹配。可以 说，这2 种措施都是不得已而为之，采用这种策略后不但降低了风电的利用率，而且 增加了系统的燃料成本。为了提高风电的利用率，同时尽量降低系统的运行成本，有 必要研究风电并网后电力系统调度问题。 文献【3 2 】研究了风力发电并网以后，如果电力系统的运行方式不相应地做出调整 和优化，系统的动态响应能力将不足以跟踪风电功率的大幅度、高频率的波动，系统的 电能质量和动态稳定性将受到显著影响，这些因素反过来会限制系统准入的风电功率 水平，因此有必要对电力系统传统的运行方式和控制手段做出适当的改进和调整，研 究随机的发电计划算法和a g c 算法，以便正确考虑风电的随机性和间歇性特性。文献 【3 3 的研究表明，旋转备用的容量和类型对系统的可靠性、安全性指标的影响都是至 关重要的。燃气轮机组和柴油机组反应速度快，很适合作为旋转备用机组配合风电场 的运行，但是其燃料费用昂贵，这种方案明显提高了系统正常的运行成本，风电的价值 也因此大打折扣。文献 3 4 ，3 5 研究了较高水平的风电穿透功率对系统的发电计划、 经济调度、调频和调峰等控制手段的影响，讨论了修改发电计划的方法、成本及修改 发电计划可能带来的收益。提出一种梯度穿透功率约束的概念，其实质是限制风电功 率的变化率，防止水火电机组频繁调整出力，增加运行及维护成本。文献 3 6 】提出对风 电并网以后的系统发电计划进行优化的算法，该算法基于对风速和负荷的预测。实践 表明：对风柴混合电力系统的运行计划进行优化以后，能够避免频繁启动和调整柴油 机组，有效防止柴油机组过度疲劳，减少了维护成本和运行成本。 文献 3 1 对含风电场的电力系统优化潮流问题进行了研究，建立了多时段动态优 化潮流模型，为了考虑风速随机变化的特点，提出了分时段策略，将风机在每个时段 输出功率的期望值用于优化潮流的计算。文献 3 7 】应用模糊理论建立了含风电场电力 硕士论文台风电场的电力系统输电阻塞管理 系统动态经济调度的模糊模型，使调度结果能够表达决策者的意愿，从而更好的适应 风机输出功率的随机性。在优化算法上，利用下降搜索思想对传统粒子群算法进行了 改进，并将改进后的算法用于求解提出的动态经济调度问题。文献【3 8 】：提出了一种 基于机会约束规划的风电并网系统的有功优化潮流模型和算法。引入了表示风电场发 电功率和母线负荷的随机变量，以概率的形式描述约束条件( 如线路潮流、节点电压、 旋转备用以及稳态频率偏移等) 。 i 3 电力系统输电阻塞研究现状 阻塞是由网络输电容量与交易计划( 包括联营体p o o l 中的交易计划，也包括双边 多边交易计划) 之间的矛盾引起的，合理解决阻塞的方法主要有两类：基于输电网运行 参数优化的阻塞消除方法和基于交易计划调整的阻塞消除方法 3 9 ，4 0 。前一类阻塞消 除方法是通过优化输电网络结构和控制器参数或者f a c t s 装爱来改变网络潮流，以消 除阻塞 4 1 ，4 2 这种方法避免了市场交易计划韵更改，可以获得最好的市场经济效 益。在目前利用f a c t s 解决阻塞的文献中，大多数都只涉及技术而未提及其费用问题。 由于f a c t s 设备投资较高，用于阻塞管理，从经济角度来讲是否可行尚有待研究。另 外，有关f a c t s 的研究并未充分考虑f a c t s 设备与其他控制手段之间的相互配合来共 同消除阻塞，有关这一方面的研究还需迸一步加强。于是人们纷纷展开了第二类阻塞 消除方法的研究，这也是本文研究的重点。阻塞管理中交易计划的调整既涉及技术又 涉及经济问题。从短期而言，它需要制定公平的交易裁减和调整方案，确保系统的安 全可靠运行；从长期而言，它需要制定正确的阻塞电价为系统的长期健康发展提供激 励【4 3 州。 电力市场存在多种交易模式，如联营体交易模式、双边和多边交易模式，以及联 营体和双边混合交易模式。在不同的交易模式下，系统调度人员将面对不同的优化问 题。目前的优化调度大多是以最优潮流为出发点的。以下对不同交易模式下的最优调 度进行分析讨论。 1 3 1 单纯联营体交易模式的阻塞调度 在单纯联营体交易模式中，发电公司( 有些电力市场大用户也参与投标) 向市场 组织者提交下一交易时段所能提供的电力和价格曲线，组织者根据负荷预测及所有投 标，按照满足负荷要求、供需平衡且生产成本最低原贝4 确定发电计划和交易价格。联 营体交易模式下的阻塞管理方法可分为两类：一类是考虑各种系统约束，直接利用最 优潮流( o p f ) 得到满足约束条件的最优发电计划；另一类在投标确定的市场出清价 ( m a r k e tc l e a r i n gp r i c em c p ) 基础上，根据某种原则对发电计划进行安全校正。 a ) 直接o p f 阻塞管理 文献f 4 5 l 提出的以经济调度为基础的实时电价理论，已经隐含了p o o l 模式的雏 6 含风电场的电力系统输电阻塞管理 形：文【4 6 】有了发展，提出了节点电价模型( n o d a lp r i c i n g ) 和p o o l c o 交易模式，其 阻塞管理的实质就是基于集中调度的最优潮流问题。 联营体交易模式中的最优调度与传统的最优潮流的最大区别在于以发电厂和用 户的投标数据替代了实际成本及效益数据。根据市场开放程度的不同，o p f 模型的 目标函数也有所不同。对于仅允许发电侧投标的单一买方市场，o p f 的目标函数为购 电成本最4 , 5 3 1 。而对于允许负荷侧投标的市场，o p f 的目标函数则变为社会效益最 大，即以最小的电能生产成本获得最大的收益 4 7 ，4 8 。 b ) 基于安全校正的阻塞管理 英国的早期电力市场是通过联营体进行电力交易的 4 9 】。它与直接考虑输电约 束的o p f 计算稍有不同的是，调度过程分为两个阶段：先用“发电排序及加载”程 序排出最小成本发电计划，不计及系统约束，最后l 台排入计划的机组的报价即为 系统边际价格( s y s t e mm a r g i n a lp r i c e ，s m p ) ；然后由国家电网公司进行安全校核。 由阻塞管理要求开机和多发的机组称为“限上”( c o n s t r a i n e d o n ) ，停机和少发的机组 称为“限下”( c o n s t r a i n e d - o f f ) 。 文献【5 0 】以发电机发电功率成本最小为调度优化目标，当调整机组发电功率到达 上下限后仍有阻塞时，则重新进行机组组合。文中是利用基于线性规划的对偶单纯形 法、松弛技术和降阶基方程技术进行求解的。 文献【5 l 】采用灵敏度分析方法构造了阻塞管理模型，并讨论了两种优化目标：发 电机的发电功率及负荷的调整容量之总和最小为目标；发电机的发电功率及负荷的调 整成本之总和最少为目标。 1 3 2 双边交易模式的阻塞调度 电力市场的双边交易模式是指发电商和用户直接签订购售电交易计划。大量的双 边交易很难保证同时可行，i s o 必须对双边交易进行校核。因此双边交易阻塞管理是 如何调整和削减双边交易，不同的调整目标即有不同的调整模式。 文献 5 2 1 弓j 入支付因子( w i l l i n g - t o - p a y ) 作为衡量交易重要程度的指标，并建立 了如式( 1 1 ) 的交易调整模式。 m i n f ( u ，z ) = 【( 一“o ) 彳】i , g 【( 一u o ) 7 彳r ( 1 1 ) 式中w 为支付因子矩阵，表示交易商为避免交易被调整所愿意支付的价格：, 为 调整后的交易量；甜。为原始交易量；a 为调整策略矩阵。 文献 5 3 1 也分析了双边交易的阻塞调度直流模式，优化目标为发电机的调整成本 最小。 由于电力商品必须实时平衡，因而完全的双边交易模式的电力市场通常都与其他 交易模式相配合。 ， 硕士论文台风电场的电力系统输电阻塞管理 文献【5 4 】分析了多边交易调整的公平性问题，提出了公平的调整准则：对所有交 易削减同样电量，或按同样比例削减。但前者对小交易商有失公允，而后者的削减计 划又比较保守，因此该文作者又提出了满足最大交易量的削减准则 1 3 3 联营体和双边交易混合模式的阻塞调度 联营体和双边交易混合模式是目前几乎所有电力市场都采用的交易模式。在此 模式下，既存在发电商和用户之间的双边长期供电合同，也设立日前( d a y a h e a d ) 和 时前( h o u r - a h e a d ) 联营体模式现货投标市场，同时为保证系统的安全、频率和负荷 平衡，还设立了实时平衡市场( r e a l t i m eb a l a n c i n gm a r k e t ) 。 目前对混合模式下阻塞管理的研究主要集中在两个方面：当预测到阻塞发生时 按照何种原则进行调整和削减各种交易；实时平衡市场如何调度。 文献【5 5 】提出了虚拟交易网络( v i r t u a lt r a n s a c t i o nn e t w o r k ) 和交易矩阵 ( t r a n s a c t i o nm a t r i x ) 的概念。各种交易模式( p o o l ，b i l a t e r a l ，m u l t i l a t e r a l ) 均可用交 易矩阵表示。以此为分析框架，输入变量为交易计划，处理网络阻塞对不考虑经济性， 使用o p f 程序进行调整，调整原则为交易矩阵的偏差最小。文献 5 7 】以文献【1 6 】的交 易矩阵为分析框架，分析了混合模式下的调度策略。双边合同作为固定交易( f i r m ) 处理。 文献 5 7 】讨论了调度的优先级问题。优先级不同的调度模式有：p o o l 和双边交易 优先级相同模式( f r e em o d e ) ，p o o l 交易优先模式( p o o lp r o t e c t i o nm o d e ) ，双边合 同优先模式( c o n t r a c t p r o t e c t i o n m o d e ) 。优先级的处理方法是增加调度目标中相应的 权重。 文献 5 8 】构造了目标函数为满意度最大的调度模式。定义满意度的思路是：若合 同电量完全被满足或超过，则满意度为1 ；若合同电量被削减，则满意度线性下降。 应该指出，这种满意度的定义较为粗糙。 文献 5 9 1 介绍了美国加州的阻塞调度模式，它为一线性约束的直流o p f 问题，其 中一个重要约束条件为必须满足双边交易，即已签订好的双边合同不能破坏。文献 6 0 1 发展了文献 5 9 1 的模型，在交流o p f 模型的约束条件中加入了机组的爬坡约束。即考 虑了机组各时段的耦合关系( 对于只前市场是一时间约束阻塞管理( t c c m ) 问题， 对于时前市场则是一单时段优化问题) ，并采用解耦的内点法求解。 市场交易模式的多样化，增大了系统实时调度的压力。实时平衡市场的设立主 要是为了当发生紧急情况时能确保系统的安全性。文献【8 】提出了实时阻塞管理的框 架。在实时市场中，发电商和用户都可以进行增量和减量投标。在系统可调用的资源 难以解决阻塞时，也可以调整双边合同。文章对有功和无功进行了解耦处理，有功的 阻塞管理是消除支路潮流越界，无功的阻塞管理则处理节点电压越界。 8 文献【6 2 】针对加州电力市场，分析了整个市场的现金流，提出了以所有市场成 员利益最大化为目标的阻塞管理和辅助服务模型。 1 4 论文工作 风电的随机性与波动性给风电并网带来了新的挑战，由于常规电力系统调度是基 于常规能源的可靠性，如何在随机性比较大的风电并网后实现风电的经济调度成为了 一个热点。针对当前风电研究和阻塞管理的研究现状本文对于含风力发电的电力系统 输电阻塞管理作了一下几方面工作： a ) 研究当前电力市场下电力系统输电阻塞管理现状，分析不同电力市场模式下 基于最优潮流计算的输电阻塞管理模型。 协分析含风电场电力系统输电阻塞管理与常规电力系统阻塞管理的不同与难 点，分析了风电出力的特点，指出风电的随机性是关键，提出采用分时段策略来处理 风速的随机性，满足了阻塞管理中对电源的可靠性要求；同时分析当前国内的风电政 策，提出了阻塞管理中风电场的激励方案；结合常规电力系统输电阻塞的流程，设计 了含风电场的电力系统输电阻塞管理流程。 c ) 针对阻塞管理中，实际主要是线路的有功潮流越限发生阻塞，需在机组预分 配方案出来后快速判断线路有功潮流是否发生越限的问题，提出基于b p 人工神经网 络的含风电场电力系统输电阻塞判断，并以修改后的e p r i 一3 6 节点系统验证基于b p 人工神经网络的输电阻塞判断法的可行性。 d ) 针对风电场不参与发电竞价，在最优潮流计算中不参与再调整的特点，建立 电力联营体模式下以阻塞费用最小为目标函数的输电阻塞管理模型，并以一八机系统 进行了仿真验证；另建立以购电费用最小为目标函数的含风电场电力系统输电阻塞管 理模型，并以修改后的i e e e - 3 0 节点和i e e e 5 7 节点系统验证了该模型的可行性。 9 2 电力市场下电力系统输电阻塞 2 1 引言 电力市场的出现就是要合理分配资源，公正、公平、公开的对待所有参与者。传 统的解决支路越限的方法，在新的环境下已不再适用，于是阻塞问题便应运而生。另 一方面，由于电力商品具有无法大量存储，且必须实时平衡等特点，所以目前所有的 电力市场都设立了系统运行机构( 如：i s o ) ，以负责系统的安全调度、执行阻塞管理 等任务。短期阻塞管理是交易计划调整策略的制定问题，即最优调度问题。它决定系 统资源的短期优化配雹并确保系统的安全性。 目前的优化调度大多是以最优潮流为出发点的。电力市场存在多种交易模式，如 联营体交易模式、双边和多边交易模式，以及联营体双边混合交易模式。在不同的 交易模式下，系统调度人员将面对不同的优化问题。本章分析了电力市场下输电阻塞 问题，讨论了不同交易模式下常规电力系统基于最优潮流的输电阻塞管理模型。 2 2 电力市场下输电阻塞问题 2 2 1 阻塞问题的产生 输电阻塞是指输电系统由于本身网络的容量限制，不能满足所希望的输电计划的 状态。它通常指输电系统在正常运行或进行事故安全检查时出现了以下几种情况i s ： 1 ) 输电线路或变压器有功潮流超过允许极限；2 ) 节点电压越限；3 ) 超过输电线路的 热容量限制和系统稳定性的限制。在电力体制改革以前，电力交易通常只在相邻区域 进行，输电阻塞发生几率较小。电力市场环境下，由于输电网的完全开放准入，供需 双方可以自由确定双边合同，自由竞价，互联区域的交易增多，甚至出现第三方转运 交易，网络的运行方式不再由系统调度员单方面所能决定。而是由市场中所有电能交 易的共同组合来决定。其中，由于任意一笔交易的电量和传输路径均具有不可预测性， 因此网络运行方式的变化完全是随机的。在理想的电力市场中，电力系统中任意节点 的发电机可以自由地向任意节点的负荷供电，从而保证市场的最大自由度。然而输电 系统的两个基本特性一一输电阻塞和网损极大地限制了这种自由度。在实际的电力市 场运作中，随着发电、用电市场规模的增大，功率流动的随意性增大，且网络潮流的 分布主要取决于电力交易的分布，而电力交易以利润最大化为导向，电网将不可避免 地出现输电费用较低的线路传输功率较大。发电成本较低的机组出力较大的情况，增 加了发生阻塞的机会，特别是对于网络中原先输电能力较薄弱的区域内输电线路、变 压器以及跨区域联络线来说，如果不采取任何干预措施，将会出现潮流越限的电能交 易组合，形成阻塞1 6 2 6 3 1 。 阻塞现象的发生将会影响到输电网络的安全与稳定运行，对输电定价和电厂竞价 策略均会带来显著影响。阻塞对电力市场运营和发展产生的影响有： 1 ) 输电阻塞将削弱电力市场竞争机制。阻塞的产生在一定程度上限制了远方发 电企业进入本地电力市场，另一方面减少了本地发电企业的竞争对手，从而 使竞争机制在电力市场中得不到真正的体现。 2 ) 无法建立新合同，并使部分电力合同不能正常实施，出现预料之外的强迫停 运，传输网络中各节点的用户电力交易也发生变化，调度员要重新安排调整 发电计划，增加调度难度。 3 ) 引起阻塞成本，增加电力运行成本，从而增加售电价格，损害客户利益。 4 ) 影响电力价格的界定，可能引起电价的扭曲，局部地区的电价垄断。 5 ) 影响资源的优化配置和利用，导致市场力的滥用。 2 2 2 输电阻塞的消除 在传统的垂直垄断一体化经营环境下，电力传输调度都是在电力调度中心事先知 道发电企业发电成本的基础上进行的，电力调度中心根据各发电企业的发电成本特 点，利用最优潮流程序计算合理安排运行方式可以比较好地避免出现阻塞。即使在出 现阻塞时，由于系统调度和各发电厂同属一个实体，输电阻塞管理只需由垄断电力公 司中的调度员向各个电厂发出调度指令，根据需要调节机组出力，直至电力系统运行 在输电约束之内即可。但是，电力市场化之后，输电系统和发电厂成为彼此独立的经 济实体，各市场成员之间的关系是纯粹的经济利益关系，传统的以行政命令方式来消 除输电阻塞的方法已不再奏效，而负责系统运行的独立系统调度员( i s o ：i n d e p e n d e n t s y s t e mo p e r a t o r ) 必须平等对待各个市场参与者，以经济为杠杆，在社会效益最大化 和购电成本最小化等目标下找出合理的输电阻塞管理方法，调整网络潮流，在保证系 统安全的同时，也要维护市场的效率【4 2 】。 从长期角度来看，提高网络的输送能力是解决阻塞问题的根本办法。目前提高输 送能力的办法主要有两种：一种是充分利用现有网络的资源，采用阻塞线路切换、调 节变压器和调相器抽头、安装部分f a c t s 器件调整网络参数等手段提高网络的整体 输送能力；另一种则是对电网采取适当的投资，新建或扩建部分线路。对应这两种不 同的措施，阻塞管理系统的功能也各不相同。基于经济和环保因素的考虑，发达国家 电力系统的发展将更多地依赖于现有传输系统容量的扩充，而不是靠建设新的输电线 路和变电站。随着电力电子技术的进一步发展，通过在联络线上装设潮流控制器也可 以实现增加传输容量和精确控制联络线潮流使之满足预设值的需求。理论上来说，这 些控制器可以在不改变系统稳定边界和安全边界的前提下，控制输电线上的电压幅 值、有功功率和无功功率，使它们接近安全稳定极限和热稳定极限。但就我国的具体 情况而言，以上几个从网络物理特性方面的考虑，由于受设备性能及资金投入的限制， 硕士论文台风电场的电力系统输电阻塞管理 对减轻网络阻塞f i r m 甚微应用程度有限。至今阻塞缓解研究的热点是以经济性为目 标，合理调整各市场参与者的输电计划，即建立一套有效规则以在最大化市场效率的 前提下保证对生产者和用户有足够的控制，从而在短期和长期条件下使电力系统的安 全与可靠性维持在一个可以接受的水平上，规则必须公正对待所有的市场参与者；同 时它应该是非常透明的，所有参与者都清楚输电阻塞管理的机制：规则应当强硬、完 善，以免参与者不惜以市场效率为代价，利用阻塞形成局部市场以获取垄断利润。输 电计划调整应当遵循以下原则： a ) 最低竞价优先并网发电原则。输电计划调整是在交易中心进行的，独立系统 调度员( i s 0 ) 按照竞价由低到高的顺序来安排发电厂并网发电。在一定的交易电量下， 哪个企业的竞价最低就先并网，直到满足给定交易量为止，而竞价高的发电企业就可 能不能并网，从而体现竞争性和公平性。 b ) 电力交易成交量最大化。在一个特定的输电网络里，在保证输电网络安全可 靠运行的前提下，尽可能地实现交易，使输电网络在成交量最大的情况下运行。 c ) 输电网络安全可靠运行原则。要保证输电网络在成交量最大的情况下运行， 首先要保证输电网络的畅通无阻。但是，实际很难做到这一点，因为输电线总是有一 个安全传输容量，若线路传输容量超过安全传输容量极限，就会对输电线路安全造成 威胁，为此应该准确制定各输电线路的极限容量。 现行的调整输电计划以解决阻塞问题的手段主要有以下三种：【矾6 5 6 q a ) 基于集中优化，用最优潮流( o p f ：o p t i m a lp o w e rf l o w ) 方法或依靠i s o 控制阻 塞。最优潮流计算可以从理论上较好地解决阻塞管理问题，针对特定的运行状态，优 化潮流方法可以提供非常好的运行方案。它可以综合利用系统中所有可以用来调节的 因素，以求得系统总体效益最高的运行方案。采用此方法时，发电者按其所在区域的 价格收费，负荷按其所在区域的价格付费。o p f 方法就是通过区域价格的差异来控制 系统的潮流和处理阻塞问题以维持系统安全。i s o 在系统阻塞时收集了区域价格差异 的余额，可以将其作为合同网络权( c o n t r a c tn e t w o r kr i g h t ) 的来源，而合同网络权是用 来作为控制阻塞时价格变化的金融手段。此方法易于实施，但是价格统一确定以后， 市场参与者无法根据当前的价格再调整交易计划，缺少市场反馈。同时这种方法应用 于电力市场时，因为其计算复杂、费