（电力系统及其自动化专业论文）电力市场下辅助服务的研究.pdf

a b s t r a c t t h ea n c i l l a r ys e r v i c e s ( a s ) a r ee s s e n t i a lm e a s u r e st og u a r a n t e et h eq u a l i t yo fe l e c t r i c a l p o w e ri np o w e rs y s t e m ，w h i c hm a k e st h es y s t e mt oo p e r a t es a f e l y a n d e c o n o m i c a l l y i n e l e c t r i c i t ym a r k e t ，s o m ee c o n o m ym e a s u r e sm u s tb ea d o p t e d t oa s s u r et h es t a b i l i t yi no r d e rt o p r o t e c ta g a i n s tt h es y s t e m si n s t a b i l i t y t h a tc a u s e db ys o m ec o m p a n i e s s e e k i n ge c o n o m y p r o f i t s o a sm u s tb e p u r c h a s e df r o mi n d e p e n d e n tp o w e rp r o v i d e r sb yt h es u p e r v i s o r y d e p a r t m e n to fm a r k e ta n dt h e ym u s tb ed i s p a t c h e da n du s e du n i f o r m l y b e c a u s et h ea s a r e c o m m o d i t i e s ，t h e i ru s a g em u s tb ep a i db ye s s e n t i a le c o n o m yc o m p e n s a t i o n i nt h em e a n t i m e ， t h ec o s ta n dp r i c i n go f a s ，t h eb e n e f i to f c o m p a n i e s ，o p t i m i z a t i o no f t h ew h o l ep o w e rs y s t e m m u s tb ec o n s i d e r e di nd e s i g n i n gc o m p e n s a t i o nm o d e 1 t h ef u n c t i o n ，c h a r a c t e r i s t i c s ，i m p l e m e n tm e a s u r e sa n dc o m p e n s a t i o nm e a n so fa si n p o w e rs y s t e m ，s u c ha sa g c ，r e s e r v ec a p a c i t y ( s p i n n i n gr e s e r v e s ，n o n - s p i n n i n gr e s e r v e s ， r e p l a c e m e n tr e s e r v e s ) ，r e a c t i v e & v o l t a g es u p p o r t ，r e s t o r e b l a c ks t a r t ，a r ed e t a i l e d l y i n t r o d u c e d 2 t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dp r i c i n go fs o m ea n c i l l a r ys e r v i c e sm a r k e t s u c ha sc a l i f o r n i a i n d e p e n d e n ts y s t e mo p e r a t o r , u k ，a u s t r a l i a ，a s w e l la st h es u c c e s s f u l a s p e c t s o ft h e s i m u l a t i o np o w e rm a r k e ti nc h i n aa r em e n t i o n e di nt h i sp a p e r 3 w h e nt h eg e n e r a t o rp r o v i d e sr e a c t i v ea n dv o l t a g es e r v i c ei np o w e rs y s t e m t h ea c t i v e o u t p u ti sa f f e c t e da n ds ot h ec o m p a n y sr e v e n u ew i l lb ei n f l u e n c e d t h eo p p o r t u n i t yc o s ta n d c a p a c i t yc o s to fr e a c t i v ep o w e r o f g e n e r a t o ra r ea n a l y z e d ，a n dam e t h o dc o n s i d e r i n gt h et o t a l c o s to f o p p o r t u n i t ya n dc a p a c i t ya sp r i c ! n go fr e a c t i v ep o w e ri sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r 4 i np o w e rm a r k e t t h el o a dc h a n g e sr a n d o m l ya n dq u i c k l ya n ds o m e t i m e st h el o a dc u r v e t a k e so nt h e “p i n p o i n t p e a k ”，s ot h er e s e r v ec a p a c i t yi sd i f f i c u l tt ob ea s c e r t a i n e d ，i nt h e m e a n t i m e ，t h e c u s t o m e r s r e q u i r e s o m e o p t i o n s t h e a b o v e m e n t i o n e dr e a s o n sa r e p a r t i c u l a r i z e d i n t h i s p a p e r am e t h o dt h a t t h e l a r g e c u s t o m e r sa n dg e n e r a t o ru n i t sa r e p e r m i t t e dt ob i da n db eq u e u e d ，t h e nb ed i s p a t c h e di nr e a lt i m ei na n c i l l a r ys e r v i c e sm a r k e ti s p u tf o r w a r d ae x a m p l e o fl o a da sn o n - s p i n n i n gr e s e r v e si ss h o w ni nt h i sp a p e r r e d u c i n gt h e p o w e rs u p p l yc o s t ，c u r i n gd o w n t h ec h a r g eo fs o m ec o n s u m e r sa n d s a t i s l y i n gr a p i dc h a n g e o f l o a dg u a r a n t e e i n gp o w e r q u a i l t ya n dr e l i a b i l i t ya r ea d v a n t a g e so f t h i sm e t h o d 5 t h em o d eo fa n c i l l a r ys e r v i c e sm a r k e t t h ec a p a b i l i t ye x a m i n a t i o na n dc h e c kf o ra s u n i t s ，t h es o u r c eo ft h ec h a r g ef o ra s ，t h ei n f o r m a t i o n ，d i s p a t c ha n ds e n l e m e n to fa sa r e d i s c u s s e db yt h en u m b e r si nt h i sp a p e r 6 t h ep r o b l e m si nc a l i f o r n i aa n c i l l a r ys e r v i c e sm a r k e ta r ea n a l y z e di na c c o r dw i t ht h i s m a r k e t sp e r f o r m a n c e s t h el e s s o n sf o r mt h i sm a r k e ta n dt h ed e v e l o p m e n to f a si nt h ef u t u r e a r ep o i n t e do u ti nt h i sp a p e r k e y w o r d s ：a n c i l l a r ys e r v i c e s ；a g c ；r e s e r v ec a p a c i t y ；r e a c t i v e v o l t a g es u p p o r t ； r e s t o r e & b l a c ks t a r t 1 绪论 1 1 电力系统中的辅助服务 电力系统的服务分成三类：发电、输配电和辅助服务。其中辅助服务 ( a n c i l l a r ys e r v i c e s ，简称a s ) 是为了满足电力系统的安全性、经济性，保 证一定的电能质量而采取的一系列必要措施。其在电力系统中的位置，如图 l 一1 示。 发电机 负荷 图1 - 1 辅助服务市场 在我国电网商业化运营不断深化，并将很快在几大跨省电网的基础上实 现全国联网的情况下，电力系统的辅助服务显得尤其重要： 电力部门不仅要满足广大用户对电能数量不断增长的需要，而且也要 满足广大用户在电能质量上更高的要求； 全国大电网的运行，要求各发电公司和区域电网严格遵守各项规程， 从而充分发挥互联的优化资源配置和提高供电可靠性的优势； 在电力市场中，为避免因片面追求经济效益而可能导致的系统不稳定， 迫切需要采取措施，保持系统的稳定性。 在电力市场中，为避免因片面追求经济效益而可能导致的系统不稳定， 迫切需要采取经济措施保证系统的稳定性。市场运行管理部门必须从独立的 发电公司购买辅助服务，并统一调度使用。 根据电力系统安全的需要，辅助服务分为基本辅助服务和有偿辅助服务 两大类。由市场运行管理部门在并网协议中明确各发电公司和发电机组所 必须具备的最低技术性能要求，即为基本辅助服务功能。基本辅助服务包括 以下措施： 根据电网结构，保证无功要求在合理的范围之内： 提供频率、电压和系统稳定的实时控制装置； 具有在低频时中断负荷的设备； 具有保护设备，可以从系统中断开故障的发电机组。 在实时运行中，由市场运行管理部门根据电力系统需要，必须购买的辅 助服务，即为有偿辅助服务( 本论文中所讨论的辅助服务，除了特别声明以 外，均指有偿辅助服务) 。不同的国家( 地区) 甚至电力公司对有偿辅助服 务有不同的分类，有的互相重复。本文的分类基于美国加州i s o ( c a l i f o r n i a i n d e p e n d e n ts y s t e mo p e r a t o r ，简称c a i s o ) 的分类。有偿辅助服务包括： 有功频率控制( r e g u l a t i o n 或a u t o m a t i c g e n e r a t i o nc o n t r o l ，简称a g c ) 在线的( o n l i n e ) 或与系统同步的( s y n c h r o n i z e d ) 发电机组，在能量管理系 统( e n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m ，简称e m s ) 的控制下，通过a g c 可以立 即增加或减少出力。用于处理负荷与发电之间较小的实时偏差，维持系统 频率稳定，并使控制区内负荷与发电偏差及控制区之间的交换功率实际值与 计划值的偏差为最小； 旋转备用( s p i n n i n g r e s e r v e s ) 在线的或旋转的( s p i n n i n g ) 发电机组，并有未带负荷的发电容量，响应调 度指令，在1 0 r a i n 内以一定的爬坡速率( r a m pr a t e ) 达到一定的出力水平，且 能够被调度提供电能至少2 小时。用于处理发电与输电系统故障使负荷与发 电发生的较大偏差，恢复负荷跟踪服务的水平，保持频率稳定； 非旋转备用( n o n s p i n n i n gr e s e r v e s ) 离线的( o f f - l i n e ) 但可以随时调度使用的发电机组容量，在1 0 m i n 内可以与系 统同步和爬坡到一定的出力水平，并且能够运行至少2 小时。或响应调度命 令，可以在1 0 m i n 内减少的负荷( c u r t a i l a b l ed e m a n d l o a d ) ，并且可以保持 减少状态至少2 小时。用于恢复可靠性备用水平： 替代备用( r e p l a c e m e n t r e s e r v e s ) 非同步运行的发电机组容量，能够响应调度命令，在6 0 m i n 内启动，与系统 同步和爬坡到一定的出力水平，并且能够运行至少2 小时。或响应调度命令， 可以在6 0 r a i n 内减少的负荷，并且可以保持减少状态至少2 小时。当a g c ， 旋转备用，非旋转备用都被调度提供能量时，替代备用提供额外的容量备用， 以满足系统稳定和备用需要； 无功及电压支持( r e a c t i v e & v o l t a g es u p p o r t ) 通过发电机或输电系统中的其它无功源( 如可投切电容器、静止无功补偿器、 同步调相机等) 向系统注入( 当系统无功缺少时) 或从系统吸收无功( 当系 统无功剩余时) ，以维持输电系统的电压在允许范围内； 恢复及黑启动( r e s t o r e & b l a c ks t a r t ) 在电力系统整体或部分系统完全失电以后，能够自己启动以恢复电力系统运 行的发电容量。 以前，我国的辅助服务一般是调度机构指定，或者是电厂自愿提供，再 作适当的补偿。在模拟电力市场，由于e m s 、电量采集的技术限制，辅助 服务费用还难以定量表示出来，通常以奖惩电量( 或费用) 的方式进行。如 浙江电力市场的辅助服务以服务能力为依据结算。但是，随着更多的独立发 电厂( i n d e p e n d e n t p o w e rp r o v i d e r s ，简称i p p s ) 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。必须而且 只能采取经济手段，以激励发电公司主动提供辅助服务。 辅助服务本质上是一种商品，其使用应给予一定的经济补偿。因此，必 须充分考虑其成本、收益、定价及整个系统效益的优化等问题。 电力市场的目的是引入竞争，提高效率，降低电价，改善服务，持续发 展。为了达到此目的，在可能的条件下，各种水平的辅助服务必须通过市场 动力( m a r k e tp o w e r ) 决定。但这并不总是符合实际的和有效的，因为辅助 服务具有自己的特点： 提供的辅助服务难以定量和监控； 利益的分享可能导致纠纷； 某些服务的交易难以通过合同确定： 有功和无功出力相互影响：无功出力的需求直接决定于有功出力、网 络和负荷特性；同时调频容量和备用容量互相渗透： 服务可以由不同的机构提供，这将可能导致不可比性； 需求具有地方性，可能导致地方垄断和保护： 辅助服务的成本，只占电能供应总成本的很小部分。 辅助服务本身并不是新的技术，但过去没有引起人们的重视。随着电力 市场研究的不断发展和实践的不断深入，由于辅助服务问题的重要性和技术 上的复杂性，以及英国、美国、澳大利亚等国电力市场存在的一些问题【3 ”， 越来越多研究者和电力公司投入到辅助服务的研究上来，在理论上和实际上 取得了一些成绩【6 。“。 在设计辅助服务市场中，必须解决一系列问题：如辅助服务提供者的贡 献和补偿：用户使用了哪些辅助服务和使用量是多少? 确定怎样的定价机 制，既保证辅助服务供应者的成本回收和合理的利润，又能使整个供电成本 最小化? 因此，必须对辅助服务进行深入地紧密结合实际的研究，以确定一个合 适的补偿办法和价格，并逐步实行竞争的辅助服务市场，并在实践中不断完 善和发展。 1 2 本论文的主要内容 本文吸取国内外电力市场的成功经验和先进的电力科学技术，并结合我 国电力工业和电力市场的实际特点，详细论述了电力系统中辅助服务的各个 方面。全文分八章：第一章介绍了辅助服务的重要性，并对辅助服务进行了 分类，且简单说明了每种辅助服务的功能；第二章详细地介绍了有功频率调 整在电力系统中的作用，并对频率标准以及我国目前模拟电力市场对频率因 素的考虑进行了说明，指出了其不足之处，提出了改进频率考核的建议。并 重提出了有功频率控制的计费方法；第三章详细比较了三种备用容量，阐述 了市场运行管理部门对备用容量的确定原则及其分配原则。提出了可以允许 具备条件的大用户和发电机组同时参加备用市场：第四章详细地分析了发电 机无功出力的机会成本和容量成本，提出了以无功的机会成本加容量成本作 为发电机无功计价的方法；第五章说明了黑启动在现代电力系统中的重要 性，以及电力系统恢复时的主要问题。并以湖南电网及英国国家电网为例， 详细说明了黑启动的过程。同时说明了我国对黑启动的研究：第六章以英国、 美国加州的辅助服务市场为例，系统地论述了辅助服务市场模式，参与辅助 服务机组的性能检测和考核，辅助服务费用的来源，辅助服务的信息、调度 4 和结算等方面；第七章从美b ij j n , ) i 电力辅助服务市场的表现分析了其辅助服 务市场失败的原因。并指出了从加州辅助服务市场可以得到的教训，以及今 后辅助服务市场的发展方向：第八章概括性地总结了本论文所论述的重点。 本文代表本人的学术性观点，但鉴于电力系统的改革是一项需要不断探 索的系统工程，而且我国的电力市场还不完善，因此，本文的初衷是对我国 的电力改革和电力市场的完善起一点探讨性的作用。 2 有功频率控制 2 1 引言 电力系统频率( f r e q u e n c y ，简称f ) 反映了系统中有功功率的供需平衡 情况，其稳定程度依赖于发电与负荷之间复杂的平衡关系( 不平衡可能是由 于负荷预报有误差，缺少跟踪负荷变化的发电容量或由于故障造成的突然失 去发电或负荷等因素所致) 。频率不仅是电力系统中电能质量的重要指标， 也是影响电力系统安全稳定运行的重要因素。因此频率控制是现代电力系统 联合运行的基础。 频率的调整与运行费用的关系十分紧密。因为调频是通过调整各电源 机组的有功出力以达到系统有功功率的供需平衡，保持系统频率在以额定频 率为轴线的允许范围内波动。机组的有功出力改变，所消耗的燃料、潮流分 布、网损及相应的运行费用就随之改变，直接关系到电力系统运行的经济性。 因此，现代电力系统调频的主要任务，是维持系统频率在给定水平，按最经 济原则分配机组出力( e c o n o m i c a ld i s p a t c h i n gc o n t r o l ，简称e d c ) 和保持 电钟的准确性。至于由于频率控制和调整不当或电力系统承受扰动的能力不 足，引起网络潮流分布不合理，甚至从而导致系统稳定破坏等事故的发生， 会使系统遭受更大的损失，有时远远超出经济损失的范畴，长期难以弥补。 在电力系统中，为保证频率运行在额定值，通常采用两类控制措施。一 类是正常运行时的自动频率控制( a u t o m a t i cf r e q u e n c yc o n t r o l ，简称a f c ) ， 或称为自动发电控制( a u t o m a t i cg e n e r a t i o nc o n t r o l ，简称a g c ) ，其任务 是在负荷缓慢变化时，调节发电机的输出功率，以保持频率的恒定，保持系 统中联络线的功率在规定值范围之内。另一类是紧急状态下的频率控制，其 任务是在系统中有功功率出现大的扰动，频率出现大的偏差时，切除部分机 组或负荷，使频率尽快恢复至正常值，以保证电力系统的安全。 6 2 频率标准及频率考核的建议 2 2 1 频率标准 电力系统中的所有电气设备，设计时都是按额定频率来保证设备运行 的可靠性和经济性，因此，运行中必须对不可避免的频率偏差规定定的偏 差范围，以确保运行的可靠性和经济性。 频率偏差对电力系统设备的影响，或者说对其危害，取决于偏离值的大 小和偏离持续时间。概括地说，偏差在5 之内主要是经济问题，即引起 设备的效率降低( 损耗增加) 。偏离值超出5 ，不仅仅使设备效率降低， 而主要是危及设备的安全。轻则引起不可逆转的累计性损伤，重则立即损坏 设备，导致系统瓦解甚至崩溃。系统频率允许偏差，是安全、质量、经济三 方面优化组合的结果，不是越严越好，也不是越宽越好，而是存在着最佳组 合。 我国电力系统的额定频率为5 0 h z 。在电力系统频率允许漏差 ( o b t 1 5 9 4 5 9 5 ) 对频率偏差进行了规定： a 、正常允许o 2 1 - 1 ，根据系统容量可以放宽到o 5 h z ； b 、用户冲击引起的频率变动一般不得超过o 2 h z 。 2 2 2 我国目前模拟电力市场对频率因素的考虑 目前，我国模拟电力市场运营管理办法采用与频率挂钩的电价，控制系 统频率：频率高于某一门坎值时，少发电量乘以系数k 作为奖励，多发电量 乘以系数k 作为处罚；当频率低于某- - i q 坎值时，则反之。门坎值般设置 为o 0 5 h z ，如 ”p jl p ， p o p r k 0ka 目 图2 - 1 频率偏差的范围控制 7 设某时段上网电价固定为风，则发电公司在这一时段的收入( r e v e n u e ) 为 表2 - 1某一时段频率偏差与发电公司收入的关系 频率偏差( a f ( h z ) )收入 r 0 c 5风+ 晶+ + ( r 只) ( 少发时) 这种电价控制系统频率的方式存在如下缺点： 存在静态频率偏差，不可能做到无差调节； 可能存在潜在的稳定性问题：即当频率偏差处于一o 0 5 厂s o 0 5 时， 发电机不进行频率调整。当系统频率刚一越限时，各发电厂受一个阶跃的电 价信号驱使，争相调频。这样可能存在一个过调因素，从而导致系统频率发 生震荡，不利于系统的安全运行。 浙江、安徽等电力模拟市场的奖惩标准为：当系统频率在5 0 0 1 h z 范 围之外时，依据发电厂发电量、供电局购电量，结合当时系统频率，计算各 发电厂的发电奖惩电量、各供电局的购电奖惩电量，如表2 - 2 。 表2 - 2 电力模拟市场的奖惩标准”1 时段频率偏差奖电量罚电量 高峰时段4 9 9 h z 及以下时多发( 少购) 电量+ 20少发( 多购) 电量20 ( 8 1 1 1 3 2 2 时) 5 0 1 h z 及以上时少发( 多购) 电量+ 10多发( 少购) 电量+ 10 腰荷时段 4 99 h z 及以下时 多发( 少购) 电量15少发( 多购) 电量15 ( 1 卜1 3 时)5 0l l - z 及以j ：时少发( 多购) 电量+ l0 多发( 少购) 电量，10 低谷时段4 9 9 h z 及以下时多发( 少购) 电量l0少发( 多购) 电量1 o ( 2 2 次旧8 时) 5 0 1 h z 及以e 时少发( 多购) 电量20多发( 少购) 电量20 2 2 3 改进频率考核的建议 下 考虑到电价控制频率方式的缺点，可以把频率偏差的考核标准修改如 ( j p k ，一厶。) + ( f 一5 0 ) - k p 一只h 峰女2 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 式中匕。实际发电量； 调度计划发电量； 厂实际频率； k k 两个参数，由调度部门根据稳定、质量和技术要求确定。 根据上面两式，可以作出p 和的关系图，如图2 - 2 。 jl p tj l ：= ：= ， 、二：蠢t i j 图2 - 2a p 和的关系 从图2 - 2 ，可以得出以下结论： 凡与厂的偏离方向相反的j d 是有利的，但不应大于k ，。 同厂的偏离方向起推动作用的p 范围随厂的偏离的增大而减少，而 正常频率范围内的尸保持不变，使各机组在频率正常时的调节减少，在事 故情况下，也有利于频率的迅速改善。 将p + ，作为考核的指标，鼓励a p 对频率误差的反方向调节。 减少，p 增加，可以减少a g c 机组的调节，而使大多数机组按经济曲线 运行。既减少了机组的频繁调节，又提高了整个系统的经济效益。 2 3 有功频率控制的付费 电力市场化后，行政命令手段将失效，但可以运用经济手段和法律法规， 维持电力系统的安全运行和保持优良的电能质量。当系统中有功功率过剩 时，装备有a g c 装置的机组会自动减少有功出力，防止频率增加。当电厂 发出的有功功率不满足用户要求出现差额时，为了阻止系统频率下降，调频 电厂机组的a g c 自动调节，增加旋转备用机组出力，以填补有功差额，满 足负荷要求。改变出力意味着本电厂( 或机组) 的出力与调度计划有偏差， 同时它为整个电固的稳定和电能质量做出了贡献，所以应受到经济补偿和奖 励。 2 3 1 调频机组的基本标准 在实际运行中，为了使各调频机组能够及时迅速响应系统中有功频率的 变化，调整其机组有功出力，调频机组必须具备以下的基本标准： 根据已有的通讯设备和控制系统，它们能够接受能量管理系统e m s 的实 时控制和监视； 它们必须达到报价时所提交的所有调频容量的最低爬坡速率( r a m pr a t e ) 标 准( 以m w m i n 增加和减少) i 发电机组提供的调频容量不能超出本机组的最大爬坡速率( m w m i n ) 与 某一段时间( 3 0 m i l l ) 的乘积； 调频机组必须能够以申报容量满容量自动运行，而不须任何人工干预。 2 3 2 调频机组的计费 美国加州对调频机组的付费比较复杂：既要考虑不同交易时段每机组的次 日调频容量，时前调频容量，实时调频容量，和相对这三个时间的调频支付 价格，又要考虑机组的增加出力调频容量和减少出力调频容量。因此考虑到 备用服务与调频服务紧密相连，在时间上有所重叠，且调频容量不大( 如图 2 3 ) ，可考虑用简单的方法对调频机组计费：装备有a g c 装置的机组，响 应系统负荷和频率的变化，自动调整其有功出力，当其实际有功出力与计划 有功出力相差在5 之内时，作为强制义务，可以不考虑其经济补偿。当 其有功出力的变化超出5 时，多发有功，其总收入会增加，也可不给补 偿；只有在其被迫减少有功出力超出一5 时，可以考虑把这一段有功差作 为旋转备用容量。只要补偿旋转备用的费用和实际发电的收入相差不大时， 各电厂会积极调整其有功出力的。 在向参与调频的机组进行经济补偿的同时，也应该对引起功率大幅度变 化而导致频率偏差过大的机组( 如带基荷的机组因故障而退出) 进行处罚。 现阶段，不可能对引起负荷变化较大的大用户进行惩罚。但随着电力市场的 进一步发展，大用户所预测的负荷将对电力系统负荷预测和电网调度产生较 1 0 大的影响，那时应考虑对引起负荷变化较大的大用户进行惩罚。 图2 - 3 美国加州1 9 9 9 年1 0 月与2 0 0 0 年1 0 月的调频容量 进入竞争的电力市场后，通过经济杠杆和经济信号( e c o n o m i cs i g n s ) ， 就能调动各公司的调频积极性，它们也可得到应有的补偿。这样，具有优良 调频特性的新建电厂的机组就会积极主动地争取调频，以获取比带基荷更多 的利益。同时也能促进调频电厂的建设和合理的地理分布。 2 3 3 有功频率控制还可以采取的措施 在实际运行中，我们还可以采取以下措施，系统的有功频率进行控制。 在电力系统电源中，若水电机组所占比例小，除水电机组参与a g c 控制外，还应考虑火电机组参与a g c 控制； 将火电机组的机械式调速器甚至电液调速器尽量换成为微机电气液压 调速器，以提高a g c 机组的响应速度，改善a g c 调节质量： 加强抽水蓄能机组的a g c 性能，以提高电网的事故备用和调峰能力； 系统中a g c 的可调容量，应尽量与系统负荷增长相协调，保持a g c 可调容量达到系统最大负荷的8 1 0 i 当系统发生有功严重缺额( 如有功缺额大于系统有功出力的3 0 及 以上) 时，可以切除部分有功负荷，但应补偿此类用户的经济损失，或对其 实行优价供电。 3 备用容量 3 1 引言 在电力系统运行时，所有电源机组的有功出力总和，任何时刻都必须与 当时负荷的有功需求及网络中各种有功损耗的总和相平衡。由于不可能准确 地预测每时每刻变化着的电力负荷并且电能不可能大量地储存，需要在计划 的电源容量中，有一定比例的备用容量，用于调整大机组跳闸、区外来电中 断或负荷预测偏差。系统电源容量大于发电容量部分称系统的备用容量 ( r e s e r v ec a p a c i t y ) 。备用可分为旋转备用( s p i n n i n gr e s e r v e s ) ，运转着的 电源机组具有的随时可增减的出力；非旋转备用( n o n s p i n n i n gr e s e r v e s ) ， 处于随时可以启动的电源容量，一旦系统运行中的某一电源发生故障或负荷 增长时，可及时启动；替代备用( r e p l a c e m e n tr e s e r v e s ) 。三者的区别只在 于机组喻应调度的速度的快慢，如表3 一l 。 表3 - 1 三种备用的比较 备用种类运行和与系统同步响应时间比例来源 调度以后，1 0 m i n最大负荷在线的发电机组： 内带满申报容量，的2 5 从外区购入的电能 旋转备用是 并且保持这种运行 状态至少2 小时 调度以后，l o m i n最大负荷通过调度可减少的负 内带满申报容量， 5 1 0 ， 荷；可中断的电能出 非旋转备用 否 并且保持这种运行且不小于运口；从外区得到的电 状态至少2 小时行中的毋大能；具有提供非旋转 机组的容量服务的离线发电机组 调度以后，6 0 m i n通过调度可减少的负 内带满申报容量，荷；可中断的电能出 替代备h 否 并且保持这种运行口：从外区得到的电 状态至少2 小时能：具有提供非旋转 服务的离线发电机组 + 必须考啦用户所提交负茼需求的祟加和系统负荷预测之间的偏差；考患朱计划俭修的发电机组的故 障彤；考虑发i 乜计划和实际发电和需求之间的短缺关系；考虑不可顶料的输电故障：考虑可能额外 需要替代备用的季节偏差；考鬯对i 乜同的安全运行产生影响的l t - 它凶数。 系统频率变化时，发电功率也将相应地变化，这就是所谓的发电频率 特性，或称为发电频率调节效应。发电频率特性与系统备用容量的数量及投 入时间有关。当系统频率降低时，首先由汽轮机调速器动作投入瞬时备用容 量。当低频持续时间较长时( 例如1 0 s 左右) ，则系统的自动调频装置( a f c ) 将开始起作用，投入运行备用容量。当时间更长时，则可启动备用水轮发电 机、燃气轮机、甚至汽轮发电机。当系统失去大电源时，备用容量的启动情 况，如图3 1 所示。 图3 - i 系统备用容量的启动情况 当电力系统因较大事故而出现严重的有功功率缺额，其缺额值超出了正 常旋转备用可以调节的能力，频率将随之急剧下降，可能导致“频率崩溃”。 此时，自动低频减载装置动作，切除部分负荷，以使系统频率恢复到可以安 全运行的水平以内。 3 2 备用的配置原则 由于电力系统中的备用在未被调度发电时，不能给电厂和电力系统带来 直接经济效益，备用容量安排过多会使运行成本大幅度上升，不利于合理利 用资源和降低电价；备用容量安排过少又难以满足调节和事故处理的需要， 不利于电力系统的安全稳定运行。因此，必须确定正确的备用容量。 根据国际经验，在电网中随着水、火电比例不同，其所需备用容量也不 同。火电为主的系统其备用高一些，而水电为主的系统则备用可低一些。备 用容量一般在1 0 2 0 之间。如美国田纳西河流域管理局( t v a ) 的火、 水、核、燃气、抽蓄、其它机组所占比例为5 3 5 ：1 0 5 ：1 9 6 ：8 o ：5 7 ：2 6 ，保持 其备用容量在1 2 ，不足时考虑外购电力。 市场运行管理部门应对各成员公司提出备用容量的确定和分配原则： 总旋转备用容量至少等于调度机构所属范围内，最大一台发电机组额 定功率： 运行备用功率( 旋转备用和非旋转备用容量之和) 至少等于调度机构 所属范围内最大一台发电机组额定功率的两倍； 将备用容量在各成员公司分配的原则：根据各成员公司的最大一台发 电机功率占各成员公司最大发电容量之和的百分比，及各成员公司占全网最 高负荷之和的百分比，平均后取得，如表3 2 ；合理分配备用可降低运行成 本，减少安装功率，从而减少发电成本。 表3 2 美国佛罗里达电力联营集团备用分配数据1 1 电力公司 最大机组峰荷备用比例运行旋转 替代备用 功率百分比功率百分比 ( )备用备用 ( m w ) f m w 、( )( m w )( ) ( m w )( m w ) f p l7 2 202 7 9 67 4 0 005 01 93 90 85 6 42 8 22 8 2 f p c5 2 702 01 43 3 7 002 28 62 】6 33 1 21 5 61 5 6 t a m p ae l e c t r i c 3 5 0 01 35 61 6 6 0 0 l l2 61 2 4 i1 7 99 09 0 j a c k s o n v i l l e2 7 501 06 5j 1 3 6077 091 81 3 36 69 0 o r l a n d o3 2 701 26 54 1 3028 077 31 1 25 65 6 l a c kl a n d1 1 504 4 52 1 80 l4 829 74 32 l2 1 t a l l ah a s s 畦7 5029 02 2 30l5 l22 13 21 61 6 g a i n e s v i e8 5032 91 5 50l0 521 73 l1 61 6 lf o r tp i e f c e3 80 l4 75 900 4 009 41 477 ll a k e w o r t h3 50 l3 65 4003 708 61 266 lv e r o b e a c h3 50 12 85 60o - 3 80 8 31 266 l 总和2 5 8 209 97 l1 4 7 4 4 01 0 0 0 01 0 00 i1 4 4 47 2 27 2 2 3 3 备用容量定价方法 3 3 1 国外经验 美国加州i s o 中用式( 3 1 ) 计算在某时段旋转备用的收入r 。【4 0 】： r s = c ，+ m i n ( p , w c e ，p ) ( 3 - 1 ) 式中c ，发电机组在次日( d a y a h e a d ) 市场和时前( h o u r a h e a d ) 市场中被接受的旋转备用容量； p m c p 最终接受的旋转备用结算价格； p w 联邦能量协调委员会( f e d e r a le n e r g yr e g u l a t o r y c o m m i s s i o n ，简称f e r c ) 规定的某些机组的最高价格， 这些机组的报价不能高于此价格。 非旋转备用和替代备用也有相似的计费方式。 3 3 2 备用容量的定价 我国现行的模拟电力市场的电能结算规定：由于a g c 装置的投入，使 实际发电功率低于日发电有功功率，所少发的电量按每千瓦时0 1 元的上网 电量计算。 由于备用容量定价的复杂性：既要考虑机组的备用容量的多少、爬坡速 率、冷热启动时间、启停成本、机组最小开停机时间限制、机组的最小出力， 又要考虑火电机组的环境污染、水电机组的库容、机组与负荷中心的地理位 置等综合因素。必须采用比较简单实用，而且比较客观准确的定价方法。使 用代表备用容量的电量价格p ，( 反应备用容量发电的变动成本) 和容量价 格p ，( 反应备用容量的固定成本) 之和来对备用计价似乎比较合理。该方 法的计价过程如下： 市场运行管理部门提前2 4 小时公布所需辅助服务容量，包括旋转备用 容量、非旋转备用容量和替代备用容量。发电公司向交易中心提交投标容量 和投标价格，其中投标价格包括电量价格p 。( 元m w h ) 和容量价格p 。( 元 m w h ) ，并且可以特别强调只投标三种容量的某种或几种。交易中心按照 旋转备用，非旋转备用再替代备用的次序，根据( p j 。+ p 。) 的值由低到高 排序，分别得到旋转备用的结算价格( p 。，4 - p s m ，, ) 和非旋转备用、替代 备用的结算价格( n ，+ p m p ) 。 排入提供辅助服务序列内的第i 台旋转备用机组可得的收入r 。为 r 9 = q d + ( p s m e4 - p s m w p m ) + + q 目+ p s u ( 3 2 ) 式中q 。第f 台机组提供总的旋转备用容量： p 。旋转备用结算容量价格； _ d 。第f 台机组提供旋转备用电量报价； f l 第i 台机组提供旋转备用的时间： q 。第i 台机组提供总的旋转备用容量中被调度提供的电能； p s , , v l ，旋转备用结算电量价格。 排入提供辅助服务序列内的第f 台非旋转备用机组或替代备用机组可得 的收入r 为 r ，= g 月+ p w + ，24 - 瓯+ p ( 3 - 3 ) 式中绋第i 台机组提供总的非旋转备用或替代备用容量； p 、。，非旋转备用、替代备用的结算容量价格； ，第i 台机组提供非旋转备用、替代备用的时间； q 。第f 台机组提供总的非旋转备用容量或替代备用容量中被调度 提供的电能； p 。，非旋转备用、替代备用的结算电量价格 3 3 3 改进方法 由于在辅助服务市场中，电网运行管理部门一方面要求发电公司预留容 量，另一方面要求发电公司在实时调度中提供调节电量，故必须支付发电公 司两方面的费用。为了使辅助服务成本最小化，电网运行管理部门不能仅考 虑容量报价或仅考虑电量报价，而必须估计备用容量在实际运行时被调用的 概率。在采购容量时，根据p 。，4 - x + p ，。进行排序，其中x 为备用容量被调 度发电的概率因子。为了使得竟价更透明，x 必须由电网运行管理部门预先 设定，并予以公布。 备用市场中已经中标的机组将付给的容量价格为 6 p p = m a x p + x + p w j x + n n ( 3 4 ) 如果此机组在实时被调度发电，则它还将获得按p ；。的电能价格。 3 4 负荷参与备用市场 3 4 1 负荷参与备用市场的原因 在电力系统中，备用的作用是保持电力系统的实时供需平衡、保证供 电可靠性和一定的电能质量。电力系统的实时能量平衡为 p g ，= 最+ j d ( 3 - 5 ) 式中最，系统中发电机有功功率总和： p ，系统中的用电总负荷； p 系统中的有功损耗。 传统地，人们通过调节发电机的出力来保证系统的供需平衡。其实，也 可以通过实时调节( 3 - 5 ) 式的右端的负荷，而保持能量的平衡。 虽然，负荷参与辅助服务市场，要考虑一些因素，比如负荷与调度和e m s 之间的通讯及数据实时传输；负荷和电力市场之间的经济结算和激励等。但 负荷参与辅助服务市场的原因如下： 电力系统中的备用容量难以确定。发电备用关系到系统的安全，在确 定备用时，是寻求经济性和安全性的最佳平衡，但由于各种因素的影响，备 用容量难以确定。 在实时电力市场中，由于负荷变化的随机性和快速性，某些备用机组 ( 主要是火电机组) ，受其出力增长速率的限制，不可能迅速响应负荷的变 化；也可能由于气候异常等原因，负荷中心的用电负荷急剧增加，而远方的 电能( 主要是水电资源) 受网络阻塞或系统稳定等因素的限制，不能向负荷 中心供应更多的电能。或者由于负荷变化太大，频繁地启停机组造成很大的 浪费。如1 2 5 m w 的火电机组，按启停一次耗油2 1 吨，燃油价格4 2