（电力系统及其自动化专业论文）电力市场下电压偏离的经济补偿的研究.pdf

上海交通大学硕士学位论文电力市场下电压偏高的经济补傣的研究 t h ec o n p e n s a t l 0 n0 fv o l t a g ed e v i t1 0 ni nt h ep 洲e rm r i ( 盯 a b s t r a c t w i t ht h ef o u n d a t i o na n d d e v e l o p m e n to fp o w e r m a r k e t ，t h ed e m a n do f e l e c t r i c i t ys h o u l db em e ti nn o to n l yq u a n t i t yb u ta i s oq u a l i t y 。t i l i sa r t i c l e m a i n l yf o c u s c so n h o wt of i n et h ep o w e r p l a n tw h e n i t sv o l t a g eo u t p u td o e s n o tm e e tt h en a t i o n a ls t a n d a r d 。b e c a u s et o d a yn os u c har e s e a r c hh a sb e e n d o n e ，t h i sp a p e l g i v e sap r a c t i c a lw a yt oc a l c u l a t et h ef e e 。 c h a p t e r1m a i n l y f o c u so nt h ev a l u eo ft h i sa r t i c l ea n dt h ew o r kh a sb e e n d o n e i n i t 。 c h a p t e r2 d os o m er e s e a r c ho nt h er e a s o nt h a tc a u s e st h e v o l t a g e d e v i a t i o n 。i nt h i sa r t i c l ew e m a i n l yd i s c u s st h ev o l t a g ed e v i a t i o nc a u s e db y p o w e rp l a n t ，s of i r s tw es h o u l dd i s t i n g u i s h e di t f r o mo t h e rr e a s o n sw h i c h c a u s e s v o l t a g ed e v i a t i o n ，t h e n 百v e s o m ew a y st o c o m p e n s a t ev o l t a g e d e v i a t i o n 。 c h a p t e r3g i v es o m em a t h e m a t i c a lm o d e l su s e dt oc o m p u t et h ef e eo f c o m p e n s a t i o n 。f i r s tap r i c i n gm o d e li sg i v e n ， a n dp r o d u c et h ed e t a i l so f r e s o l v i n gt h i sm o d e l ；t h e nc o n s i d e rt h er e q u i r e m e n to ff a s tr e s p o n d ，w e c h o o s es e n s i t i v em a t r i xa saw a yt oc a l c u l a t et h e p a r a m e t e r o ft h e c o m p e n s a t i o ne q u i p m e n t ；f i n a l l y as u i t a b l em o d e li sp r e s e n t e dt or e c a l c u l a t e t h e o p t i m a lo p e r a t i o n d o t 。 c h a p t e r4g i v eae x a m p l et os h o wh o w t oc a l c u l a t et h ef e e ，cu s e i e e e 3 0s y s t e ma sat e s ts y s t e m ，a n dw ed os o m ec o m p a r i s o n sw h e nt h e r ea r e m o r et h a no n em e t h o dt oc a l c u l a t et h ef e ei nt h es a m ， 。,e s i t u a t i o ns oa practicalway i sp r e s e n t e di tp r o v i d e sas o l i dt h e o r yf o u n d a t i o na n d p r a c t i c a lm e t h o d t ot h ep o l i c ym a k e r st om a k ead e c i s i o no nh o wt of i n et h ep o w e rp l a n tw h e n t h ee l e c t r i c i t yi tp r o v i d e dd o e sn o tm e e tt h er e q u i r e m e n t o c h a p t e r5 i sa ne l e m e n t a r yd i s c u s s i o no nt h e c o m p e n s a t i o no ft h e o v e r t u n lo fb r a n c hr e a c t i v ep o w e rf l o wl i m i t b e e a u s et h eb r a n c hr e a c t i v e p o w e rf l o wi s t h ef u n c t i o no fi t sn o d e s v o l t a g e ，w ec a nu s et h e s a m e m e t h o d 。i ns u c hac a s e ，p o w e r p l a n ts h o u l d b e p a i d o f f , k e yw o r d s ：p o w e rm a r k e t ，v o l t a g ed e v i a t i o n ，r e a lp o w e rp r i c e ， r e a c t i v ep o w e rp r i c e ，f i n a n c i a lc o m p e n s a t i o n ，s e n s i t i v em a t r i x ，w h o l e c o m p e n s a t i o n ，p a r t i a lc o m p e n s a t i o n 上海交通大学硕士学位论文 电力市场下电压偏离的经济补偿的研究 1 1 本论文研究背景 第一章绪论 1 1 1 电力市场的发展 随着电力工业的管制的解除和我国社会主义经济体制的建立，电力工业要面对市 场，引进市场竞争体制，己成为大势所趋，电力市场由此建立起来口】。电力市场是采 用法律、经济等手段，本着公平竞争、自愿互利的原则，对电力系统中发电、输电、 供电、用户等各成员组织协调运行的管理机制和执行系统的总和。电力市场的基本特 征是开放性、竞争性、计划性和协调性。 电价是电力市场的杠杆，制定电价的基本原则就是以成本为主的原则。计算电价 有三种基本的方法分别是： ( 1 ) ：综合成本法 ( 2 ) ：长期边际成本法 ( 3 ) ：实时电价理论 其中实时电价理论是当前研究的重点。因为电力系统的运行状态是随着时间变化 而不断改变的。因此系统的运行成本也是处于不断变化之中，从而电力系统中的电价 是不断的在波动并不是成不变的，所以研究如何来根据成本的波动制定出合理的实 时电价就成为研究重点。同时根据电能的使用情况不同实时电价还可以分为以下几 种： ( 1 ) ：节点实时电价。节点实时电价是在考虑运行和基本投资的情况下，在给定时段 向用户提供电能的边际成本。节点实时电价理论是现代电力市场理论的基石。迄今为 止它被认为是最为完善的电价理论体系。 ( 2 ) ：无功支持辅助服务电价。电力系统的正常运行离不开无功支持、电能储备等辅 助服务，因此这些辅助服务也应该得到合理的经济补偿。 制定了实时电价以后，通过实时电价可以计算一些与电能分配和管理的费用例 如： ( 1 ) ：传输管理电价。输电系统在提供输电服务的时候必须对于输电网进行合理的输 电管理消除网络拥挤保证电能在输电网的运行中损失最少。这部分的输电网的管理费 用可以利用实时电价来计算。 ( 2 ) ：转运费。随着电力系统的规模日益扩大，电网之间的电能交换也越来越频繁， 上海交通大学硕士学位论文 电力市场下电压偏离的经侪补偿的研究 利用实时电价可以计算转运电能所产生的经济费用。 随着电力市场的逐步发展和完善以及经济的不断发展，广大用户已经不仅满足于 电能充足，对于电能得质量的要求也越来越高。同时确保电力系统的安全经济运行， 维持良好的供电质量也是现代社会的基本要求。电能质量一般有以下几个指标组成： 电压、频率、谐波等【2 j ，其中尤其以电压为重点。电力系统的运行状况与系统电压水 平有明显的联系，同时电压水平与电力系统的无功水平又紧密相关。在考虑到电力系 统运行的稳定性和可靠性的时候电压水平与稳定极限又有关系，因此维持稳定的电压 水平对于电力系统的经济合理运行有重大的意义。对于电压的偏离用以下的指标来进 行衡量： “：! 型! 1 0 0 “ 其中：“是电压偏差、“实际电压、u 。额定电压 电能质量供电电压允许偏差( g b l 2 3 2 5 - - 9 0 ) 对电压偏差的限值的规定为 3 5 k v 及以上的供电电压的正负偏差的绝对值之和不超过1 0 。这也是文中的算例取 偏差值为5 原因，即假设正负偏差相等，则最大正偏差为5 。同样对于频率的衡 量指标是： v = 等 其中：，频率偏差、，实际频率、 额定频率( 5 0 h z ) 电能质量电力系统频率允许偏差( g b t 1 5 9 4 5 - - 9 5 ) 对频率偏差的规定为电 力系统正常频率偏差允许值0 2 h z ，当系统容量较小时候可以放宽到0 5 h z 。 对于谐波指标我们一般用谐波包含各次含量以及各次谐波的大小来表示电压的 畸变情况。 1 1 2 电能质量的要求提高 由于电能质量关系着电网的安全经济运行，是工业产品质量的保证，对降低损耗 及人类生活环境等产生重要影响。现代工业和科学技术中的重要精密仪器设备、复杂 的控制系统和工艺流程，对电自2 质量的要求越来越高。电能质量关系着国民经济的总 体效益。电动机是电网的主要设备，占总负荷的6 0 以上电网电压和频率的偏差、 谐波含量会直接影响输出的力矩，从而影响生产的功效和产品的质量。纺织机、造纸 机等一些复杂的生产机组对频率是较敏感的，若频率变化过大容易出废品和损害机 组。电网的谐波增大，将导致电器设备的寿命缩短，网损加大。高次谐波对电容器的 影响最大，由于电容器对高次谐波的阻抗随着频率的增大而减小，因此谐波电流可能 会很大使电容器不能正常运行或长期过负荷运行，甚至发生爆炸。谐波还使系统发生 2 一1 旷孤一一 上海交通大学硕士学位论文 电力市场下电压偏离的经济补偿的研究 谐振的可能性加大，并有可能使继电保护装置误动。所以提高电能质量对于系统安全、 稳定运行有重大意义。 如何来提高电能质量有以下几方面的工作要做： 1 ：建立质量管理体系 将电能质量的监督正式纳入电力生产轨道，同时建立国家、网省、地市三极电能 质量管理体系。作为电能性质量指标的电压，频率偏差，基本上有各级电力调度部门 进行日常监管。谐波难以做到实时监管，一般由实验部门定期进行测量 2 ：制定与国家标准配套的行业标准或规程、导则 电能质量的标准工作，不能停留在以制定出的几个国家标准，国标贯彻中会出现 许多需要进一步明确的问题。这些问题有的属于组织管理方面，有的属于技术方面的 均须制定相应的技术导则或操作规程作为执行的依据。 3 ：加强电能质量的科研 贯彻标准中存在大量的科研课题，例如：需要研究不同干扰条件下电能质量指标 的科学测量方法；研制适用于各种用途的测量仪器和设备包括研制作为测量基准的标 准仪器。 各种电能质量的指标均应有合理的计算分析方法，特别是针对不同的干扰源的预 测计算方法及其误差分析，应建立电能质量指标计算分析程序和数据库从而改善电能 质量。 建立电力市场以后电力系统的运行与经济效益的关系更加紧密，作为电力系统的 调度方为了维护系统正常运行必须根据系统的实时情况进行调度。本文主要考虑发电 机出口节点电压偏离作为系统状态改变的原因。当发电机节点电压偏离一定的允许范 围为了保证一定的供电质量和安全稳定裕度，调度人员必定会对该节点的电压偏离进 行调节，它包括：发电厂无功输出调节、可调变压器分接头的调节、无功补偿装置的 投入等。如何计算对于调节该节点电压而产生的费用便成为现在研究重点。本文中这 部分的费用计算与传统只计及补偿装置的使用费用不同的是：现在由于电力市场的建 立系统运行状态变化与电能价格有相当紧密的关系，同时由于补偿装置的投入使得电 力系统的网络参数发生了改变，从而使得系统的运行状态发生改变。 本论文的目的就是如何把电压偏离后进行的经济补偿与电价和系统运行状态相 联系起来，计算由此所需要的经济补偿费用。从而为相关部门在对于电压偏离进行经 济处罚时候有一定的理论依据并提供一个具有实用性的算法。由于系统中的支路无功 潮流是其两端电压的函数，所以在本文最后初步探讨了支路无功越限后，输电方如何 对发电厂进行经济补偿。 1 2 本论文主要工作 1 制定合理的实时电价数学模型 3 一一1 盯囊r 上海交通大学硕士学位论文 电力市场下电压偏离的经济补偿的研究 由于考虑到节点电压偏离以后，补偿装置的投入或发电厂无功输出的调节对于各 个电厂与网调之间的电能交易有密切的影响。而网调与各个电厂的电能交易是以电价 为基础的，因此电价是计算这部分影响的关键。传统有功电价的数学模型忽略了无功 的价格，在电压偏离的校正中恰恰其实质就是无功潮流的改变，因此这里所要考虑的 实时电价一定是有功、无功的一个联合电价，需要制定一个合理的有功、无功定价模 型。 2 补偿模型的制定 当节点电压偏离以后如何投入各补偿设备或改变发电机无功输出就成为重点，根 据不同的补偿模型计算出的补偿量是不一样的，补偿量的不同对于以后计算其对于经 济的影响是不一样的，由此产生一个问题：如何来选择计算补偿量的模型，所以要根 据研究的问题选择合理的补偿模型。 3 补偿后最优运行点计算模型 在进行补偿装置投入或发电厂无功输出调节以后，相当于原来网络的参数或运行 状态发生了改变，由于调度人员在进行调度时候总是希望整个系统的某项经济指标达 到最优，因此在网络参数改变以后，要对于系统的最优运行点进行调整。由于此时的 情况与初始状态略有不同，无功补偿装置、可调变压器的变比等用于调节电压的装置 的运行参数已经确定，因而与初始的最优计算模型有所不同，要找一个比较合理的数 学模型重新计算此时电力系统的最优运行点。 4 经济费用的计算 在经过以上的各项计算以后，得出各补偿装置的使用情况和系统中的潮流改变情 况，以及新的最优点的运行情况。然后根据前面利用定价模型计算出的实时有功、无 功电价和补偿装置的使用计费方法，来计算由于电压偏离进行补偿所产生的经济费 用。考虑到补偿的情况有多种多样，所以在讨论补偿费用的计算情况的时候也分开进 行讨论。分为：1 ：某一电厂电压偏离的完全补偿和不完全补偿的费用计算。2 ：几家 电厂同时电压偏离的完全补偿和不完全补偿的补偿费用的计算以及费用的分摊方法。 5 支路无功越限的经济补偿 由于支路无功潮流是其两端节点电压的函数，因此可以利用同样的计算方法来计 算支路无功越限后，输电方或者调度对于发电厂的经济补偿。不同于上面讨论的是， 此时发电厂是获得经济补偿。 上海交通大学硕士学位论文 电力市场下电压偏离的经济补偿的研究 2 1 引言 第二章电压偏离问题的探讨 电力系统在正常运行中各个节点的电压是处于不断的变化之中，但是这些变化是 非常微小的。对于电能质量指标之一的电压，我们同样是规定了一个正常的变化范围， 在范围内的电压变化是允许的，但是超过范围的电压变化我们是不允许的。这个范围 是由实际电力系统运行的稳定裕度、用户对于电能质量的需求、电力设备的绝缘水平、 无功储备等因素决定的。但是在实际中，节点电压的变化往往会超过一定的允许变化 范围，给用户带来经济损失以及系统的安全带来隐患，从而使得调度人员不得不投入 电压补偿设备来稳定电压。 2 2 电压偏离原因 2 2 1发电厂自身原因 对于连接在节点上的每一个发电厂来说，它对于所发电的电压是有一定的控制 的，但是由于管理或是故障等原因使得其发出的电的电压有时候会偏离一定的要求。 如：当发电机的强力励磁系统不能够使得励磁电流保持在一定的数值，从而无法保持 一定的输出无功等等，就会使得发电机出线母线上的输出电压产生的变化偏离规定的 范围。同样由于平时维护不当，发电机在正常运行的时候，由于发电机定子内部产生 匝间短路同样会使得输出电压偏离规定值。这些电压偏离的原因完全在于发电厂自 身，对于市场条件下的电能供应方，维持稳定的电压和确保一定的电能质量是电能供 应方的责任，当它没有尽到它的责任，即发出的电能的质量不满足一定的要求就应当 受到经济上的处罚，这也是电力市场下的基本特点。本文就是要考虑当电厂承担电能 质量不满足要求的全部责任的时候，如何对其进行经济处罚，处罚的理论依据是什么。 2 2 2用户侧原因 同样对于用户侧来说，如果用户的负荷直接连在发电厂出线母线上，由于用户的 功率因素的变化或者是突然启动或退出大功率的电机会导致该母线上的电压发生偏 离，尤其是当该变化电机的功率占该母线的负荷比例较大的时候。它的变化会使母线 上的电压发生较大的改变，如果此时通过电压互感器进行电压检测会发现电压变化有 可能超过规定的标准，但是此时的电压变化并不是由于发电厂的管理或控制原因造成 上海交通大学硕士学位论文电力市场下电压偏离的经济补偿的研究 的，因而进行经济补偿时候不应该对电厂进行处罚。所以在对电压偏离进行分析时候 就要把这隋况同由于电厂的管理和控制不当造成的电压偏离区分开来。在这种情况下 电能质量的不合格，发电厂不应当承担任何责任。 2 2 3输电网原因 由于输电网络的原因也会使得母线电压发生偏离。例如当该母线所连接的输电线 路发生了接地故障，故障点处的电压会降到很低，而对于离故障不远的该母线的电压 也会由于故障而降到一个相当底的水平，从而被认为电压发生偏离，一般来说由于接 地故障会使电压超出标准许多，这时候就不是认为电压偏离了而是故障情况，这与本 论文讨论的是不同的情况。但是在大多数情况下输电线路没有接地故障而是其他故障 的时候，电压的变化比较小、偏离程度不是很大，因而同样要进行校正。和上面一样 此时要区分电压偏离不是由于发电厂的原因而是输电网络的原因，此时经济补偿的对 象是输电公司对发电厂。 2 3电压偏离的危害 2 3 1对用电设备的影响 一：对照明设备的影响 用电设备是按照额定电压进行设计、制造的。照明常用的白炽灯、荧光灯，其发 光效率、光通量和使用寿命，均与电压有关由下图可见，当电压较额定电压降低5 时，白炽灯的光通量减少1 8 ；当电压降低1 0 时，光通量减少3 0 ，使照度显著 降低。当电压比额定电压搞1 0 时，寿命减少一半，这将使白炽灯的损坏数量显著 图2 1 白炽灯的电压特性 ( f i g2 - i ：t h e v o lr a g ec h a r a c t e ro f t h el a m l ) ) 二：对交流电动机的影响 异步电动机占交流电机的9 0 以上，在电网负荷中占6 0 以上。因此要详细研究 异步电动机运行受电压偏离的影响。 上海交通大学硕士学位论文电力市场下电压偏高的经济补偿的研究 异步电动机的最大力矩为：k 3 百1 丽习m 雨l p u 2 i 丽 z c i2 ，矿一+ 2 + f 五+ c 工：1 2 1 式中：m 是定子绕组数 f 是电源频率 c t 是系数 u 是定子绕组电压 p 是极对数 异步电动机的启动力矩为：l 2 鬲芤磊了面m 了l p u 2 石r 2 i 丽 由此可见再给定异步电机的参数和电源频率的情况下，异步电机的最大力矩和启 动力矩是与定子绕组的端电压u 的平方成正比。当端电压从额定电压降至额定电压的 9 0 时候，其最大转矩和启动转矩将分别下降至额定值的8 l ，可见端电压降低对 于需要在重负荷下启动和运行的电动机的安全是十分不利的。 异步电动机的有功损耗，与电机的参数、k 等有关，也与电机的负荷率有 关系。当负荷率比较高时，电机机端电压下降引起电流增大，在定子绕组和转子中的 损耗增大，电机的总损耗增大；当负荷率较低的时候，电压降低引起激磁损耗的下降 的因素太于电流增大造成定子绕组和转子损耗加大的因素，电机的总损耗会降低。 异步电机如果长期处于低电压运行，会导致烧坏电动机绕组，绕组绝缘老化而降 低电机使用寿命等。 同样由于同步电动机的最大转矩为：= 詈 t d 式中：q 为同步电机的机械转速。 同步电机运行时的转矩不可大于瓦。，否则就会失去稳定。从上可见，瓦。的 大小是与同步电机的端电压u 以及电动势e 有关，u ，e 下降会使k 下降，会影响 同步电动机运行的稳定性。同步电动机一般采用异步启动，电网电压降低，不仅会影 响他的稳定运行，也会影响同步电动机的启动。此外，同步电动机的转速是不变的， 因此电压的降低，为了保持功率输入不变，电流必然增大，可能引起过电流。 三：对电力变压器的影响 变压器空载损耗包括：铁损耗和附加损耗，由于变压器运行时铁芯中有磁通，会 产生磁滞损耗及涡流损耗，这与磁感应强度有关。变压器电压升高，磁感应强度增加， 铁耗也会增大。 在传输同样的功率的条件下，变压器电压降低，会使电流增大，变压器绕组损耗 - 7 - 1 。1 n 盯一一 上海交通大学硕士学位论文 电力市场下电压偏离的经济补偿的研究 增大。当传输功率比较大时，低电压运行会使变压器过电流。 同样由于变压器油在运行中会逐渐老化变质，通常可以分为热老化及电老化两大 类。热老化在所有变压器中都存在。电老化指高场强处产生局部放电，会堵塞油道， 影响散热，同时逸出低分子气体，使放电更易发生。变压器高电压运行会使场强增加， 加快电老化。 四：对电力电容器影响 并联电容器是电力系统广泛使用的无功补偿设备。若其并联电容器的容抗为：工， 则它为系统提供的无功功率为： q ：生 工c u 为电容器电压。当电压u 下降时，由于电容器向电网提供的无功与电压平方成正比， 因此会下降更多。但是电容器上的电压太高，会影响电容器的正常寿命。 五：对家用电器的影响 许多家用电器内装有动力装置，但是约8 5 用的是单项异步电机，单项异步电机 和三相异步电机相似，电压过低会影响电动机启动，使转速降低，电流增大，甚至造 成绕组烧毁。电压过高，有可能损坏绝缘或由于励磁过大而过电流。 2 3 2电压偏差对电力系统稳定和经济运行的影响 一对同步稳定的影响 电力系统中的同步发电机都是并联运行，使并联运行的所有发电机保持同步是电 力系统维持正常运行的最基本条件之一。 同步发电机的转速决定于作用在其轴上的转矩，当转矩变化时转速也将相应的发 生变化。正常运行时，原动机的功率与发电机的输出功率是平衡的，因此发电机以恒 定的同步转速运行。 但是，这种平衡状态是相对的、暂时的。当系统由于负荷变化、操作或发生故障 就会打破原动机功率与发电机的输出功率之间的平衡。如果经过一段时间后，各发电 机组能够回到原来的平衡状态或出现一个新的平衡状态，这样系统就是稳定的。对于 如下所示单机无穷大系统： 图2 2 ：单机无穷太系统 f i g2 - 2 ： n f i n l t es y s t e mw i t ho n eg e n e r a t o r - 8 - 。删1 哪一 统电e - ) 上海交通大学硕士学位论文电力市场下电压偏离的经济补偿的研究 可得p = e u x ：s i n j ，根据稳定性的要求芸 。得 a ，p 。：o 时候为烈定极限。此时对应：p 眦= 譬。称为稳定极限。为保证输电系 口0 v 统的静态稳定，线路上输送的功率不能超过静稳极限，而且要有足够的储备。可见在 系统的参数一定的情况下，静稳极限与电压成正比，电压升高能够大大提高系统的静 态稳定极限。 二对电压稳定的影响 由于对于单机无限大系统，其无功与电压关系：q ：u ( e c o ，s ，s - u ) 槲 z 的条件可知电压稳定的判据是：等 。a 对应q 的最大值处的电压以称为临界电压。 某一方式下电压稳定的稳定储备系数为： 臣：坠旦 。 u 其中：以是临界电压 u 是实际电压 由于电压稳定与系统无功电源不足等因素密切相关。为了防止电压不稳定现象， 电网运行电压不能太低，系统要保持充足的无功电源，还要保留足够的事故无功功率 储备。在系统发生事故后，要求能提供紧急无功功率补偿。 三对电两经济运行的影响 输电线路和变压器在输送相同功率的条件下，其电流大小与运行电压成反比。电 网低电压运行，会使线路和变压器电流增大。线路和变压器绕组的有功损耗与电流平 方成正比。低电压运行会使电网有功功率损耗和无功功率损耗大大增加，增大了供电 成本。 上海交通大学硕士学位论文电力市场下电压偏离的经济补偿的研究 第三章电压偏离补偿的数学模型 3 1 有功、无功定价模型 对于电压偏离的经济补偿来说电价是补偿的基础，补偿设备的投入和网络潮流的 改变都要涉及到发电厂和网调之间的电能交易量的变化，由于这种电能交易是以电价 来结算的，考虑到实时性本文中用实时电价来计算，因此实时电价就十分重要。电价 的制定要符合三条基本原则：成本为主、合理利润、公平负担。 成本为主的原则要求供电企业依据发、供电成本制定电价；合理利润的原则保证 供电企业具有扩大再生产能力，同时保护用户的利益：公平负担的原则要求对不同类 型的用户，按各自不同的供电成本制定电价，而且对同一类型的用户一视同仁。同时 电价应能给予用户正确的用电信号，从而获得最有的社会效益。 由此可见，电价应能鼓励用户在适当的时候以适当的方式用电。侧如：可以采 用分时电价的措施，鼓励用户将高峰期的负荷移至低谷期；可以采用功率因素调整电 价，鼓励用户使用无功补偿使功率因素接近l ；可以采用可停电电价，使用户的一部 分负荷允许电力系统在任何时候断电，鼓励用户承担系统备用。 传统的定价模型主要考虑的是有功电价忽视了无功电价，而电压偏离补偿要考虑 系统中的无功功率的校正和无功补偿装置的投入，都与无功功率有较为密切的关系。 同时无功作为对于系统的重要辅助服务也应该收取一定的使用费。因此综合考虑有 功，无功电价的电压偏离补偿模型更具有实用意义。传统的实时电价理论应用到当前 的厂网分家的电力市场还要解决一个由于电网的规模经济效应造成的电网公司收入 不足问题。边际成本定价法能够有效地引导用户经济的利用现有的输电资源，但是不 同于电厂部分，电网部分的固定成本是运营成本的主要部分，建网资金不能回收的问 题十分突出。传统的输电定价的四中嵌入成本方法，能够保证电网公司的收支平衡， 但是价格不包含任何经济学信息，因而无法引导电网资源的优化运用。所以在在制定 定价模型时候模型中加入输电设备的可变成本函数使得制定的电价，能够保证电网公 司的合理收入p j 。 首先谈论报价函数的构造，假设有功报价函数和发电厂的成本函数一致。从发 电机组的有效功率图可见 1 0 上海交道大学硕士学位论文电力市场下电压偏离的经济补偿的研究 f i 9 3 1 t h ec o n s t r a i no fg e n e r a t o t s o u t t ) u t 无功的输出是以有功输出的减小为代价的，在模型中考虑到有功、无功的相互制 约但是并没有把他们结合起来进行建模，而是采用该图中最大矩形作为有功和无功的 限值。从发电机的有功、无功运行极限可见发电机有功、无功极限是互相有联系的。 有些文中1 4 1 用 j 2 p 9 2 + 岛2 把有功转化为无功的函数从而在约束条件中加入，但是实际上由上图可见有功与无功 并不完全是这样的函数关系，所以该种方法进行计算就有可能使得计算出的无功输出 或有功输出的数值，偏离了机组功率约束。为了使得计算结果具有可行性，所以选用 图内的最大矩形作为约束。虽然这样使得有功，无功的限制范围变小，但是与实际情 况相差不大，是可以接受的。同时这样使得有功与无功解藕，使得计算的收敛性更好。 作为辅助服务的无功无论是生产或吸收都是支持服务在负荷高峰时候发电机发 出无功、并联电容器被投入以抵消输电线路的感性无功消耗；在低负荷时候发电机 要吸收感性无功，并联电抗器被投入以抵消输电线路的容性充电功率，所以在报价模 型中无功无论是生产还是吸收都要计入成本中的( 在此忽略了无功的容量成本) 。由 此构造有功报价函数为： o , - = 口i 焉+ 6 f 弓+ c 。( 3 - - 1 ) 其中：a ；、b 。、c ；为成本参数 对于无功报价函数，假设就是无功成本函数设为： r = 口繇+ 叫+ c ； ( 3 2 ) 其中：a ；、6 ；、c ；为无功成本参数 其次对于输电设备的可变成本函数，假设一条输电线路固定投资收回是为该线路 估计使用寿命中，平均运行功率为其最大设计极限功率的a 倍( 0 a 0 时，有些变量不等式射和函数不等式就可能出现越限，于 中选出较重要得不起作用集转换到当前起作用集内，从而判别符c o y 2 仍为0 。在经 过若干次主迭代后，有些变量或函数经过或 的符号检验将被强行制约在相应的限 值上而成为受制约集；同时，其余变量或函数则进入限值以内而成为不起作用集，这 时可置c o v 2 = - - - 1 。 第四、五框：根据z ( 计算梯度向量。若所有梯度向量的元素其绝对值均小于或 睡1 等于占( 一般取为o 0 0 5 ) ，则认为满足了一i 新i 的收敛条件，于是置c o v l = l ，否 l g ( x ) j 则仍保持e o v l = 0 。 第六框：若有e o v l 、c o v 2 均等于1 ，则满足了收敛条件。于是可阻输出计算结 果，否则根据是否满足c o v 2 = l 的条件而进入第七或第九框。 第七、八框：如果梯度向量判据c o v l l ，但是有c o v 2 = 1 则可以进入主迭代框。 在此框内根据z 算出w ( “，并进行三角因子分解，然后在第八框内解出z “”。 第九、十框：无论解算是在主迭代进程中或是试验迭代进程中，只要上次迭代后 的解不在可行域内，就应进入试验迭代框。在此框中进行如下两项运算： ( 1 )根据当前起作用集，用惩罚权因子修改1 4 - 仆的有关对角元。然后用部分重新 因子化法求得新的因子表。 ( 2 )用罚函数的一阶导数修正梯度向量相应元素得到d 1 “。 最后，在第十框内求出= “，以修正上一次迭代后的解，从而有 = ( “1 1 = z ”+ z # “。 上海交通大学硕士学位论文电力市场下电压偏离的经济补偿的研究 牛顿法解解该模型的流程示意图 2 0 上海交通大学硕士学位论文 电力市场下电压偏离的经济补偿的研究 3 2 补偿设备投入或参数改变量计算模型 3 2 1 前提假设 在讨论电压校正模型以前首先做以下假设： ( 1 ) 电压偏离与各发电机节点的负荷功率因素的改变或负荷波动无关。纯粹是由于发 电机运行状态改变而引起的。这一点是非常重要的，如果电压偏离是由于负荷波动或 功率因素的改变引起的，则对于发电厂来说不是属于他们的管理和运行的责任，所以 在进行电压偏离补偿以前要先区分一个责任归属的问题。 ( 2 ) 不考虑在进行电压监控时线路故障引起的电压变化，以及由于气候等原因造成的 电压偏离。 ( 3 ) 偏离指电压已经偏离了一定的允许范围，在标准范围内的电压变化不需要进行补 偿。 ( 4 ) 若某时刻电压偏离即认为在该时段内( 即实时电价的报价间隔) 电压均偏离。 ( 5 ) 假设可调变压器的变比是连续可调的，同时无功补偿电抗器组和电容器组的参数 也是连续变化的。 其中第一、二点是非常重要的，如果电压偏离是由于负荷波动或功率因素等的改 变引起的，则对于发电厂来说不是属于他们的管理和运行的责任，所以在进行电压偏 离补偿以前要先区分一个责任归属的问题。第一、二点假设就是排除其他有可能造成 电压偏离的原因，认为电压偏离就是由于发电厂的运行和管理存在一定的问题还不是 十分完善而造成的。 第三条假设是由于电压偏移在系统正常运行中是一直存在的，而且不是一偏移就 会对系统正常运行带来危害，正常的偏移是允许的。所以只有超出一定的偏移范围才 需要进行补偿。 第四条假设是在计算由于电压偏离而需要承担经济责任时候，由于实际操作中对 于发电厂的电压偏离的考核是在每个时段的结束时候进行的，所以此时考核不合格就 认为该时段内的电压不符合要求该电厂就必须承担一定的经济责任。 第五条假设是因为本论文考虑的是发电厂出口母线电压的偏离，由于在这种情况 下电压变化还是比较小的，通过计算得出的无功补偿设备的运行参数变化量也是比较 小，因此在这里假设可调变压器的变比是连续可调的，同时用于补偿的电抗器和电容 器组的参数也是连续可调的，由于变化比较小，所以给假设对于计算不会有很大的影 响。假设某发电厂与另一发电厂电气距离较近就有可能会出现当另一发电厂母线出 口电压偏离咀后导致该发电厂母线出口电压偏离这也是要区分的。 3 2 2 数学模型 传统的电压偏离的后的调整是指在各种不同的运行方式下，使用户的电压偏差保 持在规定的范围之内。电力系统电压的监视和调整可以通过对中枢点电压的监视和调 t 上海交通大学硕士学位论文 电力市场下电压偏离的经济补偿的研究 整来实现。中枢点是指电力系统中可以反映系统电压水平的主要发电厂和变电站的母 线很多负荷都由这些母线供电。 由于本文考虑的是发电厂出口母线电压的偏离，所以本文的调整是指对于发电厂 出口母线电压偏离的调整。调整结果使得母线出口电压偏离在允许范围以内或者没有 偏离，同时系统内其它各节点的电压满足要求。调压的方法由以下几种： 1 发电机调压 发电机不仅能发出有功功率，也能发出无功功率，有些发电机还能吸收无功功率， 所以可以用调整发电机的无功输出的方法进行调压。通过改变发电机的无功输出从而 改变系统中的无功分布情况达到调整电压的目的。 2 变压器调压 一般考虑到无载调压变压器的调压范围不大，而且调压的时候必须停电，所以不 能经常调整。因此系统中多用有载调压变压器调压，它的调压范围要大，而且可以随 时调整，容易满足电力用户对电压的要求，因此在电力系统中得到广泛的使用，在一 些经济发达国家中，普遍使用有载调压变压器，作为保护用户电压质量的主要手段。 3 并联电容器组或电抗器组 并联电容器组、电抗器组是电网中用的最多的一种专用无功功率补偿设备。他们 的特点是价格便宜，易于安装维护。主要作为无功功率补偿调节手段并联电容器组 一般用于当系统负荷较高，无功功率储备较低的时候，此时投入电容器组，可使得系 统的无功水平大大提高，从而稳定电压。并联电抗器组，用于系统轻载的时候，用于 消耗系统中多余的无功功率。并联电容器补偿的缺点是其输出无功功率与安装处电压 平方成正比。当电压降低时，特别是由于故障电压下降对，系统要得到无功支持，而 并联电容器组的输出无功功率却急剧下降。 4 同步调相机 同步调相机实际上是一种不带机械负载的同步电动机，调节其励磁，既可以发出 无功功率，也可以吸收无功功率。它是最早采用的一种无功补偿设备，其主要缺点是 投资大，运行维护复杂。同步调相机容量越丈，经济指标也越好。 5 静止补偿器 静止补偿器是近年来发展起来的一种动态无功功率补偿装置，它的特点是调节速 度高、运行维护工作量小、可靠性较高。静止无功补偿器是将可控电抗器与电容器并 联使用。电容器可以发出无功功率，可控电抗器可以吸收无功功率。根据负荷的情况， 静止补偿器可以迅速改变输出的无功功率或保持母线电压恒定。 对于电压偏离后，如何计算补偿设备是否投入或者已经在运行的补偿设备的运行 参数如何改变有多种方法，如：利用优化原理的无功校正安全分析，考虑实时、快速 的灵敏度分析法等等。 利用优化原理的无功校正安全分析的方法是在满足某些规定的约束条件下，通过 控制变量的调整( 再安排) ，使系统达到一个最优。因此安全约束最优化实际上也属 于一种优化潮流问题。利用优化原理进行校正的最大优点在于通过校正后得出的运行 2 2 - = 1 n i r 一一 上海交通大学硕士学位论文 电力市场下电压慵离的经济补偿的研究 参数变化量也是满足一定的最优条件的无须再进行优化，减少了计算步骤。但是在解 优化问题的时候，算法的收敛性、快速性很重要而这两者又常常是不可兼得的。往往 收敛性好，但是计算的速度太慢，速度加快了，但是往往收敛性又不好。 灵敏度分析法的最大优点是快速。在系统电压出现异常时候，运行人员关注的是： 如何进行发电量的再安排以及补偿设备如何及时的投入或参数如何及时改变，而不是 要求研究在满足安全约束条件下系统的最优运行状态。也就是此时最重要的是要以最 快的速度提高系统的安全性而不是保证此时系统具有最小的运行费用。 基于实时和快速的要求，本文选用灵敏度分析法来计算电压偏离以后，应当投入 的补偿设备的参数量或已经运行中的补偿设备的参数改变量。对于灵敏度分析法，首 先要选择如何建立灵敏度矩阵。由于在本文算例中的控制变量是：发电机输出无功、 可调变压器的变比、无功补偿装置的参数。而状态变量是：发电厂出口处母线电压。 扰动变量是各母线上的负荷。在本文中不考虑扰动变量对于状态变量的影响，所以扰 动变量均取为0 。由此灵敏度矩阵的形式为： 巩 血2 “嵋 抛却，加。o c 。 抛：向钆：a c 。 孤。，加。加。 幻。 幻。 岔1 址 c 1 c 。 ( 3 2 1 ) 其中：c 为无功补偿装置包括电容器组和电抗器等，其总的个数为：0 。 t a p 为总的可调变压器的个数。 n g 为总的可调无功发电机的个数。 上式可简写为：缸= s 。a u 其中：e 即为灵敏度矩阵。 对于灵敏度矩阵中的各元素的求取有以下几种途径删：1 运用计算机等计算工 具作潮流计算，求各控制变量单独变化时所有状态变量的变化量，然后按列形成；2 在 系统中进行实测：3 对于简单系统还可以用解析法求得。 由式： g i 一吼一u v ，( 嘭s i n 岛一岛c o s s f ) = 0 p l - p “- - v i 叶( 岛c o s s f + 易血岛) = o 2 3 盯疆r 一 上海交通大学碗士学位论文 电力市场下电压偏离的经济补偿的研究 可见每个节点母线电压不仅与该节点无功注入有关系，而且与与该节点有电气连 接的节点的电压有关系，对于如没有和该节点有直接电气联系的节点电压，如它与与 该节点有直接电气联系的节点有直接的电气联系，则它的改变对于该节点电压也是有 影响的。所以在灵敏度矩阵的各元素的求取中，考虑到对于每一个状态变量，其实整 个系统中的每一个控制变量对他都有影响。般而言实测法在实际运用中有些困难， 所以就面临用解析法还是数值法。考虑到解析法对于小系统比较适合，而且用解析法 必不可少要做一些数值上的简化。相反实际中由于控制变量对于每一个状态变量都有 控制作用所以在灵敏度矩阵中对应的元素尽管可能是很小的，但是至少不为0 。而用 解析法由于简化的原因，就有可能使得对于该状态变量的控制较弱的控制变量再灵敏 度矩阵中对应的元素为0 ，这样从精度上来说就比数值法的误差要大。因为数值法是 在计算潮流的基础上按列形成的，而在计算潮流的过程中，控制变量的单独变化对于 各个状态变量的影响在结算所得的结果中已经显露出来了。所以数值法相对于解析法 更加精确。故在本论文中灵敏度矩阵的形成采用数值法。其计算步骤是： 1 首先计算初始的潮流以及各个要控制的母线的电压 2 单独改变控制变量中的一个，再次计算该系统潮流以及要控制的母线电压 3 按列形成灵敏度矩阵中的各列元素，直至所有的控制变量都单独变化完毕 对于该式的解法，由于现在是左端电压偏离了标准范围，要求的是右端的控制变 量的变化值，而灵敏度矩阵不一定是一个方阵，所以求解该式的方法是用右伪逆法求 得右边的控制变量的解【5 】。 同样因为控制变量的调节是有一个范围的，当通过灵敏度矩阵求出的控制变量的 改变量大于系统中此时控制变量的改变量的最大可行值的时候，就出现了矛盾。如何 解决那就是把此时的控制变量固定在其限值上，同时把灵敏度矩阵中其对应的行和列 划去，这是由于此时其已经没有调节能力了，然后用更新后的灵敏度矩阵进行计算， 直至没有控制变量违限为止。 3 3 补偿后优化模型 在通过灵敏度矩阵的计算以后，根据计算结果投入了补偿装置或改变了原来正在 使用的补偿装置的参数。这种改变在系统中就表现为系统的参数的改变，这样本来在 初始参数的基础上得出的最优运行点，由于系统参数的改变而已经不再是最优运行点 了，所以此时要重新计算最优运