（电力系统及其自动化专业论文）电力市场环境下的无功优化规划的研究.pdf

o p t i m a lr e a c t i v ep o w e rp l a n n i n gi np o w e rm a r k e t a b s t r a c t i np o w e rm a r k e t ，t h e r ei saf i n a n c i a lc o m p e n s a t i o nt r e n df o rr e a c t i v ep o w e ra n c i l l a r ys e r v i c e ，w i t ht h er e a c t i v e p o w e rp r i c e si n f l u e n c et ot h eo p e r a t i o no f s y s t e ma n dr e a c t i v ep o w e rp l a n n i n g b a s e do nt h er e s e a r c ht or e a c t i v ep o w e ra n c i l l a r ys e r v i c ea c q u a i n l a n c em o d ei nm o s tp o w e rm o r k e t s ，an e w r e a c t i v ep o w e ro p t i m a lp l a n n i n gi np o w e rm a r k e ti sm o d e l e d ，t a k i n gi n t oa c c o u n tt h ei n f l u e n c eo f r e a c t i v ep o w e r p r i c i n ga n dr e a c t i v ep o w e ra n c i l l a r ys e r v i c ep u r c h a s ec o s t a n dan e ws e l f - a d a p t i v eg e n e t i ca l g o r i t h mi s a p p l i e di n t ot h er e a c t i v ep o w e ro p t i m a lp l a n n i n gi np o w e r m a r k e t , a n das y n t h e t i c a l l ys e n s i t i v em e t h o di sa p p l i e da sv i e l lt of i n dt h ec a n d i d a t ep o i n to fr e a c t i v ec o m p e n s a t i n g f a c i l i t i e s t h eo p t i m i z a t i o nr e s u l t si ns e v e r a lr e a c t i v ep o w e rp r i c i n gm o d e sa r ec o m p a r e da n da n a l y z e d ，a n da tl a s t s o m es i g n i f i c a n tr e s u l t se m e r g e t h er e s u l t so fe x a m p l e ss h o wt h a tt h es e l f - a d a p ew e i g h ts k i mm e t h o dw i l lg u a r a n t e et h em u l t i - o r i e n t a t i o n s e a r c h i n gt ot h eo p t i m i z a t i o no r i e n t a t i o n a n dt h es e l f - a d a p t i v ep u n i t i v ef i m c t i o ni sa p p r o v e d e f f e c t i v et od e a lw i t h t h ei n e q u a t i o n t h e r e f o r e ，t h es e l f - a d a p t i v eg e n e t i ca l g o r i t h mc a nb ea p p l i e dt od e a lw i t hm u l t i o b j e c t i v er e a c t i v e o p t i m i z a t i o na n dt h r o u g he x a m p l er e s u l tc o m p a r i s o nw i t ht r a d i t i o n a lf i x e dw e i g h ts o ma n df i x e dp u n i t i v ew e i g h t a l g o r i t h m , t h eb e t t e rp e r f o r m a n c eo f s e l f - a d a p t i v eg e n e t i ca l g o r i t h mi sp r o v e d 1 e e e1 4 一b u se x a m p l e so f r e a c t i v ep o w e ro p t i m a lp l a n n i n gi n3d i v e r s er e a c t i v ep o w e rm o d e sa r ec a l c u l a t e d r e s p e c t i v e l y , m a dt h eg o o de f f e c to f t h eo p t i m a lp l a n n i n gm e t h o di nt h i sp a p e ri sp r o v e da sw e l l t h er e s u l t ss h o w t h a td i f f e r e n tr e a c t i v ep r i c i n gm o d ew i l ll e a dt od i f f e r e n tp l a n n i n gr e s u l t s o p t i m a lp l a n n m gt a k i n gi na c c o u n tt h e r e a c t i v ep r i c ew i l lr e s u l tt ot h eh i g h e ri n v e s t m e n tc o s t ，y e tt h el o w e rr e a c t i v ep u r c h a s ec o s t t h u st h ee x c e s s i v e i n v e s t m e n tc o s tc a nb ec o m p e n s a t e di ns h o r tt e r m f u r t h e r m o r e ，t h eb m a d e n i n go f r e s t r i c t i o no nt h er e a c t i v ep o w e r o f g e n e r a t o rc a nr e d u c et h er e a c t i v ec o m p e n s a t i n gf a c i l i t y si n v e s t m e n tc o s ta sw e l l k e yw o r d s ：p o w e rm a r k e t ；r e a c t i v ep o w e r ；r e a c t i v ea n c i l l a r ys e r v i c e ；o p t i m a lr e a c t i v ep o w e r p l a n n i n g ；s e l f - a d a p t i v eg e n e t i ca l g o r i t h m ；m u l t i - o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o n i i 东齑大学学健论文独裁蛙声臻 本人声聪黪呈交数学氇论文是我个人在导爆撂导下遵霉亍静磺究工作及取褥蛉蟒 窥成栗。尽我所翔，除了文中特鬟热叛橱洼稻致谢魏地方并，论文中不包含蒸能人 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激宵机构的学位戚 涯书两镬爝过鹣材辩。与畿一嚣工作静溺志对本砭究菠镁斡任嚣黉献趱已在论文中 作了葫确懿说确并表示了谢意。 研究生签名：鍪兰耋日期：剑。荸 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、国家图书馏有权保留本人所送交学位论 文的复印件和睦予文档，可以采用影印、缩印或其他复毒l 手段保存论文。本人电予 变接蘸蠹容程羝囊迨文瓣岗密穗一致。滁在僳密羯霸懿瀑密论文辨，竞诲论文羧鹰 阔和借阅，可以公布( 包擒刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊熬) 授权东南大学研究生院办遐。 磅究生签名：菱盔浮帮签名： e |戆：纽 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 在电力系统中，同有功电源一样，无功电源的合理规划和运行也是电力系统安全经济运行的保 障。衡量电能质量的一个重要标忐是系统的电压水平。而系统的无功平衡是保证电压水平的基本条 件。如果无功电源不足，会使电网的无功电源和无功负荷处于低电压的平衡状态，从而给系统带来一 系列的危害，如设各山力不足，系统有功、无功损耗增加，设备升温，系统稳定性降低等，甚至造 成系统解列。同时，系统中的无功损耗比较大，无功潮流不适宜远途输送，所以无功电源的规划和 运行必须保持分层分区就地平衡。即要求在各电压层之间以及同电压等级相邻地区电网之间尽量没 有无功潮流流动。 合理科学的无功规划对于电力系统的安全经济运行带来颇多益处： 1 )从安全性考虑：提高系统安全度；改善系统的无功分布，使系统的电压保持良好的水平； 改善系统的运行水平； 2 ) 从经济性考虑：可以改善系统的交换能力，提高系统的有功传输能力；降低系统的网损； 减少发电机的有功功率输出，降低系统运行费用。 一般，系统无功优化规划是在对系统负荷预测和电网规划( 有功规划) 、变电站选址等工作的基 础之上，确定无功规划水平年内无功设备的安装位置和容量，确保电网在不同负荷水平及不同运行 方式下都能满足一定的运行条件，并实现经济运行。一般规划期在l 3 年左右。 在我国，无功规划及优化问题尤为突出，这是由于以前我国电力系统建设方面氏期重电源建设、 轻电网建设的思想造成的结果，不仅如此，在运行管理方面也有重有功、轻无功的思想。这就导致 了电网建设跟不上电源建设，而无功补偿装置严重不足，调压手段缺乏。系统运行中存在“负荷高 峰低电压，负荷低谷高电压”的现象，进一步导致了电网中无功大量流动，电压质量不高，有功网 损较大的情况。在工程设计中，无功补偿设备的安装规划也多限于变电站设计的附属内容”。所以 在我国目前负荷高速增睫，全国加快电源和电网建设的情况下，对电网无功规划及优化的研究非常 必要。 另外。电力市场化改革已在包括我国在内的世界很多国家逐步展开。电力市场竞争的引入对电 力系统的运行造成了多方位的影响，对系统的安全经济运行提i 了更高的要求、。在厂网一体化管理 时，所有电力服务提供由电力调度机构统一安排，加之电力系统发输配售的利润捆在一起，发电厂 按调度指令提供服务，无须因多提供一些额外辅助服务得到相应经济补偿：而厂网分开后，实行竞 价上网，发电厂与电网经营企业都成了相对独立的市场主体，分处不同利益群体，作为独立的市场 主体都必须实行独立经济核算，辅助服务提供者提供了电网所需要的辅助服务就应该得到相应的经 济补偿，否则会影响到电力系统的安全稳定运行。而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。在无功成为一种商品进行交易的情况下， 无功电价势必对系统的运行产生影响，进而对将来的规划产生影响。所以，需要对无功电价对无功 规划的影响做一研究，将无功服务采购费用最小作为目标函数之一记入无功优化规划。 1 2 电力系统无功电压控制的一般概念 电力系统中，无功电源包括：发电机( 包括调相机) 、串、并联电容器电抗器( 电抗器可视为 东南大学硕士学位论文 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，f 联电容电抗器为静态无功补偿。另外，在l i o k v 及 以上等级的架空线路和3 5 k v 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1 1 无功电压控制的概况图 图1 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( 包括凋相机) 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 a 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同内，保障系统的安全稳定运行。 在传统的电力系统运行模式下，上述无功电源均由电网调度人员进行统一的凋度，电厂和电网 的规划也是统一进行。而且，由于改变发电机机端电压这种方式不耗费投资且效果直接，一般被认 为优先考虑的无功电压的调= 肯手段。但是，在厂网分开的电力市场环境下，发电厂和电网不再属于 统一的利益群体，只有安装在输配电网中无功补偿设备产权和调度权都归系统运行人员所有，而发 电机和调相机为各发电厂所有。所以，在电力市场环境下，采用何种合理的激励机制促进发电厂配 合电网无功电压控制也成为众多学者专家研究的重点d - g 。从而，无功采购费用作为一种运行成本 的出现也成为规划、调度人员在系统的规划和运行过程中需要重视的问题，具有较强的现实意义。 1 3 无功优化规划问题概述 电力系统中对无功的规划可分为两类：无功功率的投资规划和无功功率的运行规划。无功功率 的投资规划是满足系统发展需要，在系统中安装新的无功设备与容量；无功功率的运行规划则是根 据电网负荷预测，利用现有的无功补偿设备来改善运行情况，制定运行计划。当然，在系统的实时 运行时还可根据运行计划，结合系统的实际情况决定实际设备的运行，这是系统无功设备实时控制 的范畴，不属本文讨论范围，在此不再赘述。 不同于在线运行的无功实时调度和控制，系统的无功投资规划和无功运行规划都是离线的无功 规划，优化亦为离线运行。后两者所考虑的因素并不完全相同，其追求的目标和手段亦不相同。见 表1 1 。 2 第一章绪论 表l _ 1 传统的无功的投资规划和运行规划的异同点 无功的投资规划无功的运行规划 考虑 无功补偿设各安装在哪里；在那些点投入无功补偿设备； 新装无功源为何种类型无功源投运容量多少； 因素 在候选安装点安装多少容量的无功源，各点有载调压器主变抽头如何变化： 新安装无功补偿设备的投资费用最低；有功网损最低： 在各种运行方式下满足安全运行要求，发电厂有功出力最小； 追求并使各方面运行性能得到改善，尽可能 选取节点电压偏离规定值最小； 目标达到最优，这部分目标可以涵盖右面表电网静态稳定裕度最大； 不同点 格中的内容；无功采购费用最低；( 电力市场计及无 功电价情况下) 结合系统现有无功补偿设备以台理调节现有各种无功补偿设备、调 前提 压装置为前提 新增无功补偿设备，安排无功补偿设备的投切： 手段安排扩建后无功补偿的投切，有载调压变压器主变抽头的合理调节； 有载调压主变抽头的合理调节。 相同点均为离线运行 需要注意的是，两者虽然存在不同，但是在进行无功投资规划时，所确定的无功规划水平年内 无功设备的安装位置和容量，要确保电网在不同负荷水平及不同运行方式下都能满足一定的运行条 件，实现安全经济运行。无功优化规划不能只考虑投资效益的最优，还需考虑到在未来实际运行时 能否达到运行效益的晟优，所以，无功补偿设各的最优规划既有投资变量又有运行变量，既有投资 约束，又有运行约束，是一个比较复杂的问题，涉及到很多技术和经济因素。很多学者在这方面做 了大量的研究。 1 0 - 1 7 1 1 4 电力市场无功辅助服务及无功定价机制概述 电力市场化改革已在包括我国在内的世界很多国家逐步展开。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。在无功辅助服务成为一种商品进行交易的情况下，无功电价势必对系统的运行产生影 响，进而对将来的规划产生影响。所以，需要就无功电价对无功规划的影响做一研究，将无功服务 采购费用最小作为目标函数之一计入无功优化规划。 目前各国在无功辅助服务方面的市场化改革几乎都仅进行到发电侧，规定仅发电公司提供的无 功功率可作为电网调度公司或i s o 的辅助服务。此外，无功辅助服务还存在其他的特点，如，存在 地域性限制，即系统中无功功率不适合长距离传输：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，即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，不同模式的无功 辅助服务市场，并制定了各自不同的无功服务定价机制。具体内容将在第二章进行介绍。 1 5 相关问题的研究内容现状 1 5 1 电力市场下无功优化规划模型的研究 东南大学颂十学位论文 多年来，对于无功规划优化数学模型本身的研究并未有多大变化，其目标函数多为：扩建投资 费用最小和有功网损最小( 运行费用) ，也有一些文献考虑安装无功补偿设备后减少的有功网损量最 大作为目标”1 ，还有文献将系统电压静态稳定性 1 4 , 1 9 , 2 0 1 ，电乐越限惩罚费用1 2 0 , 2 t l 考虑进去。随着电 力市场的展开，也有文献在无功优化规划中考虑了电力市场环境的影响 2 2 , 2 3 1 ，将无功网损考虑进优 化目标中，考虑降低有功网损和无功网损所带米的综合效益最大化。 随着电力市场的逐步放开，在电网的经济运行中需要计及向无功电源购买无功服务的成本。电 网公司可以通过向发电机，调相器等动态无功电源购买无功，或者调节变压器变比、投切电容器、 电抗器等进行无功和电压的控制。虽然文 2 2 考虑了电力市场无功定价带来的影响，但是由于对无 功定价概念较为模糊，将无功采购成本等同于所有无功网损的价值，作者并未对实际的电力市场无 功辅助服务作深入的了解，首先无功网损不等于所有无功源输出功率，因为，尤其对于高压输电网， 线路上存在大量的充电功率。而且，目前很多电力市场中开展无功辅助服务仅进行到发电侧，除了 发电商的发电机组调相机等外，电网侧、用户侧的静态无功补偿设各、s v c 设备变压器等的无功服 务尚未进行计费。所以，目前在电力市场环境。r ，系统运行中电网需要支付无功服务费用的无功电 量也不等同于所有无功源的发出的无功电量。所以这种电力市场下的无功优化规划模型与目前实际 情况是不相符的。 文 2 3 将电网公司购买的无功电量计入目标函数，提出了以满足负荷要求前提下电网公司用于 购买有功、无功电量支出最小为目标函数的无功优化数学模型，但是文章认为无功电量价格为实时 的无功边际成本，却未对此成本进行具体分析，在现有的电力市场模式中，各国的无功定价策略也 存在很大差别，要进行无功优化规划，需要根据具体电力市场及其具体的无功定价策略进行具体分 析。 1 5 2 无功优化规划算法的研究现状 正如1 2 ，1 3 节所述，无功电压的控制变量中，投切电容组和有载调压器主变抽头位置都是离 散变量，发电机端电压为连续变量，系统潮流的方程为非线性，所以无功的优化规划问题是一个多 维的、连续变量和离散变量混和的、非线性、多目标规划问题。 为了解决这个问题，多年来很多专家学者在无功优化规划的算法方面做了大量的研究。在众多 的优化算法中，基本可分为运筹学的数学优化方法和人工智能技术两大类。 6 0 年代后，运筹学上的多种优化方法几乎都在无功优化计算上作了研究、尝试和应用。其中比较 经典的算法有：梯度类算法，牛顿法，二次规划法和线性规划法。 国外最早提出的较有影响力的无功优化算法足h w d o m m e l 和wf t i n n e y 在1 9 6 8 年提出的，他 们提出的简化梯度法模型“利用目标函数的一阶导数，以目标函数的负梯度方向搜索。这对后来的 研究产生了很大的影响。接着d a v i di s u n l 2 5 和严正“等提出了牛顿优化算法，其中用拉格朗日扩展 目标函数的稀疏海森矩阵求解最优无功潮流，利用电力系统导纳矩阵的稀疏结构，还考虑梯度自身的 变化趋势，收敛速度极快。但梯度法的锯齿现象及不能有效的处理不等式约束，使其在实际应用中 尤其是在解决大规模电力系统o p f 问题时受到了极大的限制。 针对无功优化目标函数形式是二次函数的电力系统，还出现了二次规划算法【lo ，“j ，要求无功优 化目标函数具有二次函数的形式，是一种特定形式的非线性规划解。由于二次规划目标函数的一阶 偏导数是线眭的，所毗二次规划又可以转化为线性规划问题进行求解。为了进一步提高算法的适用 性，在它们的基础上又衍生出很多其它的改进算法。 此外，在9 0 年代，还提出了各种不同类型的内点法“”“j ，如仿射尺度法，路径跟随法，原一对 偶内点法等。用它们解线性规划或者二次规划问题的主要优点是：计算时间对问题的规模不敏感， 不会随问题规模的增大而显著增大。文 3 2 】证明了原一对偶法内点法内嵌函数的算法可有效求解连续 变量和离散变量混和的无功优化问题，在计算速度收敛性能和迭代精度方面较优。 4 第一苹绪论 7 0 年代，人工智能方法的出现为解决无功优化算开辟了新的道路，包括现代启发式搜索算法、 专家系统和人工神经元网络等。尤其是现代启发式算法及其相应的改进措施在电力系统无功优化问 题方面的应用中取得了大量的研究成果。现代启发式法的优点在于其所具备的鲁棒性。对于无功优 化问题提供了较为可靠的解。文 2 0 采用了模糊集理论和模拟退火法求解多目标无功优化的问题。文 f 3 3 对各种运筹学规划算法和人工智能方法在无功优化中的应用的优缺点进行了比较。从研究现状来 看，近儿年对内点法和遗传算法的研究应用较多，很多文献表明这些算法已得到了实际应用，收效良 好。文 3 4 1 比较了基于内点法和遗传算法在无功优化领域的应用，从算例的计算结果及计算用时看， 内点法无功优化的结果比改进遗传算法无功优化的结果差，且处理离散变量不方便，但计算速度快 于改进遗传算法。 需要注意的是，无功优化规划的目的是通过调整投资变量和运行变量使投资费用和运行效用达 到综合最优，即在满足系统运行和投资限制的等式约束和不等式约束的基础上使投资和运行的综合 效用最高。由于投资费用为服役期内的耗费量，而运行费用为运行瞬时的耗费量，在运行环节，有 的还要求静态稳定性最高等，其目标函数各部分的量纲是不同的，所以很多学者会采用b e n d e r s 分 解法将此问题分为投资规划主问题和运行规划子问题两部分【j 7 , 3 5 - 3 9 。在运行规划子问题中，按最小运 行费用优化调度已有的发电机端电压、并联无功电源和变压器抽头整定值。在投资规划主问题中， 按最小总费用( 运行和投资) 优化配置新的无功电源。通过分解一协调的方法得到一个最优的投资 策略，但这种方法存在耗时i 圭的缺点。 也有学者没有做这样的分解，而采用加权法或者模糊数学隶属度函数理论解决多目标综合最优 化问题，文 1 6 直接在遗传算法的适应度函数中采用合理的表达方式将投资最优问题和运行最优问 题都包含在内，既避免了相应的分解和协调过程，x 避免了量纲不同给目标函数的确定带来的麻烦。 当然，在进行无功补偿设备规划前。首先要进行无功补偿设备安装点的选取，缩小安装点的选 取范围，以减少控制变量的维数，同时节省计算时间。一般采用基于无功电压灵敏度计算的方 法【1 6 ”1 找出系统内的电压控制弱节点，文 1 6 还采用了电压越限筛选和灵敏度计算选取相结合的方 法，选取适合的无功补偿设备安装点，从而对以后遗传算法的优化计算节省了时间。 1 5 本文的主要工作 对于电网规划人员而言，在电力市场环境下，面临运行成本中新增的无功采购成本，要进行无功优化 规划，是否需要计及在未来规划水平年无功采购费用作为一项运行成本所带来的影响，无功采购费用如何 计算，这些都是系统规划人员需要考虑的问题。 本论文就是耍在对电力市场无功服务较充分研究基础之上，进行电力市场下，计及发电厂无功服务成 本的电力系统无功优化规划，建立相应的数学模型，提出将一种白适应遗传算法应用于多目标无功优化规 划中，并进行多种无功定价模式下的比较，将电力市场的无功电价和无功采购费用对系统规划的影响进行 量化的分析比较，得出一些有益的结果。 本文主要章节安排如下： 第一章：绪论 介绍了本文的研究背景、意义，该相关问题的研究现状和存在的问题，以及本文的主要工作。 第二章：电力市场环境下无功优化规划的数学模型的建立 首先系统地介绍了传统无功优化规划问题，并讨论了电力市场环境下，在无功优化规划中计及无功采 购成本的必要性。而后在引入电力市场无功辅助服务的概念基础上，介绍并总结了目前世界各国的无 功服务获取机制和无功定价方法。然后考虑了两种实际获得应用的无功电价定价策略，建立电力市场 东南大学硕士学位论文 环境下，符合无功功率特点和系统实际运行方式的，计及无功电价的无功优化规划数学模型，发展了新模 型。 第三章：基于自适应遗传算法的多目标无功优化 介绍了自适应遗传算法在多目标无功优化规划中的应用，采用了自适应权重和方式处理多目标 优化问题，在处理不等式约束方面采用了一种新的罚函数选取法适应性罚函数法。并对i e e e l 4 节点系统进行多目标无功优化计算，结果表明采用自适应权重和的方法能使搜索方向多向性，并朝 着整个搜索空间的最优解方向发展，处理不等式约束的适应性罚函数的惩罚效果较好，说明采用基于 自适应遗传算法能有效应用于多目标无功优化规划。 第四章：电力市场下计及无功电价的多目标无功优化规划 介绍了整个无功优化规划的计算过程。并基于i e e e l 4 节点的系统，采用自适应遗传算法，分别就传 统的无功优化规划模型和两种计及无功电价的无功优化规划模型进行计算。还对不同的无功定价机制下无 功优化规划结果进行了比较。并对优化结果进行分析比较，比较内容有：最后投资量、系统有功网损量、 系统电压稳定裕度、无功采购量、节点电压越限情况、发电机无功出力越限情况。以及在不同无功定价模 式下无功优化规划中是否计及无功电价给规划结果带米的影响，从而得到无功电价对于系统无功规划影响 的量化结果。 第五章：总结和展望 对本文研究的内容进行了总结，并列电力市场下电力系统的无功优化规划提出了展望。 6 第二章电力市场环境下无功优化规划的数学模型的建立 第二章电力市场环境下无功优化规划的数学模型的建立 2 1 传统无功优化规划数学模型 如前文所述，无功优化规划的目的是使确定的无功规划水平年内无功设备的安装位置和容量确 保电网在不同负荷水平及不同运行方式下都能满足一定的运行条件，实现安全经济运行。在控制变 量中，投切电容组干u 有载调压器主变抽头位置是离散变量，发电机端电压为连续变量，系统潮流的 方程为非线性的，所以无功的优化规划问题为一个多维的、连续变量和离散变量混和的、非线性、 多目标规划问题。 2 1 1 无功补偿电源的投资成本最低 主要考虑扩建无功补偿电源的安装成本最低。目标函数为 r a i n ( + c q ) i = l 其中：c n 在节点i 安装无功源的固定成本 g ，安装在节点i 无功源的可变成本，主要包括运行和维护成本 n c 安装无功源的候选母线数。 2 i 2 系统运行时有功网损最低 舭 m i n ，= m i n q ( 阱+ 叼- 2 u ，u jc o s ( d k = l 其中：n l 网络支路总数； g 女( q ) 支路k 的电导； i ，j 支路k 两端节点号； u 。，分别为节点i ，j 的电压值 一，正分别为节点i ，j 的电压相角。 2 1 3 系统静态稳定裕度最大 哆) ( 2 1 ) ( 2 2 ) 特别是对于输电网而言，系统的电压稳定性对于系统的安全稳定运行非常重要，所以在规划、 运行中需要考虑电压稳定裕度对系统的影响。 在规划阶段，一般计及电压的静态稳定裕度。系统静态稳定裕度可用多种状态指标法米求得， 有灵敏度分析法、模态分析法、奇异值分解法、连续潮流法等等。根据不同的分析方法求得不同的 东南大学硕士学位论文 状态指标来量化系统或各节点的静态电压稳定裕度。文 4 1 用潮流计算收敛雅克比矩阵最小特征根 的模值来表现电压静态稳定裕度，如式( 2 ，3 ) 所示： m a x 厂，m 6 = m a x g 一 其中，氏。雅克比矩阵的最小奇异值。 ( 2 3 ) 文 2 0 】采用连续潮流法计算各节点p v 曲线( 如图2 1 ) ，求出节点最大负荷裕度m o 作为系统静 态电压稳定指标，将其作为优化目标之一进行了无功补偿设备的优化规划。、目标函数如式( 2 4 ) ： m a x m 6 = m a x m o( 24 ) 2 1 4 无功的分层分区平衡 幽 脚 蝌 甘 图2 1 系统某负荷节点p v 曲线图 由于无功不适宜长距离传输，故一般要求无功功率在电网中要做到分层分区的平衡，也可以表 述为电压层间和区域电网之间的联络线上功率因数绝对值应尽可能大，尽可能接近1 ，可表示为： m a x f p f = m a x ， ( 2 5 ) 其中，厶，”为表示电压层间联络线( 变压器) 两节点或者区域联络线两端i j 间潮流的功率因 数绝对值。 2 1 _ 5 传统多目标优化规划的数学模型 由于各个目标函数的量纲不同，可以概要表示为 m i a f 。m i n f p j 。s m a x f 。b & m a x f p ( 2 6 ) ( 2 7 ) 其中，h ( u ，x ) = 0 为等式约束；g ( u ，x ) 0 为不等式约束。其中u 为控制变量，包括：发电机 机端电压发电机输出或吸收的无功功率，并联电容电抗的投运量，有载调压器主变抽头位置。x 为 状态变量。包括除平衡节点外其它所有节点的电压相角，除发电机和具有无功补偿设备节点的电压 8 o u = ：鬻紫 的区域 q b * 1 1 4 - 1 l 运行。 q “ 广一一_ ，_ 。罗一1 一 、功定了咀为n 5 m t g h o d c g 斓黛黼纛飘藤 ￥，流撒限 0 鬟蓊黼熏鬻戮缀瀚糕 f 一 m m c a 。，| = ；o ，【 “茹美” m t a 羹赵匡肆一一”樨- o 。9 龇3 o c 。j 。，”囊蕊定 q d 图2 4 澳大利亚电力市场发电机无功辅助服务获取机制 图2 4 中，p 一为发电机所能发出的最大有功功率。p a ，q a 和p b ，q e 分别对应于发电机组滞 相运行于a 点和b 点的有功功率输出和无功功率输出。q c 为发电机组进相运行，对应于有功输出 为p 。的无功输出功率。p d ，q d 为发电机组进相运行于d 点的有功功率和无功功率输出。m t g ， m m c g ，m m c a ，m t a 的含义详见下文解释。 无功辅助服务费用包括三部分： ( 1 )无功辅助服务供应商由于同意在系统需要时提供无功服务而得到的“可用无功费用”： 这部分费用在机组进相和滞相运行状态时表示不同，公式如下： _ 滞相运行可用无功容量费用： f c g = m v a r g ( m t g - - m m c g )( 2 15 ) 其中： m v a r g ( $ m v a r ) 协议中签约发电机在滞相运行时的可_ = | 无功容量价格； m t g ( m v a r ) 以下三项中最小值： ( a )经测试确定，当发电机运行在额定有功功率时可发出的最大无功功率； ( b ) m t o i ，协议中签订的机组可用输出无功容量； ( c )在无功电量交易生效前，晟新通报的发电机滞相运行最大无功容量； m m c grm v a r ) 协议中确定的发电机滞相运行时无偿提供的无功补偿容量( 规定 为额定有功容量下功率因数为0 9 日l j 的无功容量值，即p r 0 4 8 4 ) 15 东南大学硕士学位论文 一 进相运行可用无功容量费用： f c a = m v a r a ( m t a - - m m c a ) ( 2 1 6 ) 其中： m v a r a ( $ m v a r ，一协议中签约发电机在进相运行时的可用无功容量价格； m t a ( m v a r ) 以下三项中最小值： ( a ) 经试验测试，当发电机运行在额定有功功率时可吸收的最大无功功率； ( b )m t a i , 协议中签订的机组可用吸收无功容昔； ( c )在无功电量交易启动前，最新通报的发电机进相运行无功容量； m m c a ( m v a r ) = 协议中确定的发电机进相运行时无偿提供的无功补偿容量( 规定为 额定有功容量下功率因数为0 9 3 时的无功容量值，即p 。xo 3 9 5 ) ( 2 ) 同步调相机由于在系统需要无功支持的时候接受i s o 调度，而得到的“设各启动费用” ( 包括发电机组作为同步调相机使用的情况) f s c = ( m v a r e ( m t g + m t a ) ) 十( e p e u ) ( 2 1 7 ) 其中： m v a r e ( $ m v a r ) 协议中约定的同步调相机的无功容量启动价格； m t a ( m v a r 卜一以下三项中的最小值： ( a )经过试验测试同步调相机可吸收的虽大无功容量； ( b )m t a l ，协议中约定的吸收无功容量值； ( c )在发电机提供有偿无功服务前，可吸收最大无功容量( 对于那些可作为同步调 相机使用的发电机而言) ； m t g ( m v a r 卜一以下三项中的最小值： ( a )经过试验测试，作为同步调相机运行时可输f b 的最大无功容量； ( b )m t g i ，协议中约定的输出无功容量值； ( c )在发电机提供有偿无功服务前，可输出的最大无功容量( 对于那些可作为同步 调相机使用的发电机而言) ； e p = m ( p p ，( m p 1 1 ) ) 0 5 ( 2 1 8 ) e p ( $ m w ) _ 一设备启动价格； p p ( $ m w h ) 同步调相机的运行价格( 运行时耗费能源所计及的价格) ； m p ( $ m w h 卜一该地区发电机输出有功功率的边际价格： e u ( m w ) 当签约发电机运行在同步调相机状态时，预计的有功功率耗费量； 0 5 ( h ) 无功电量计费的时段，一般每半小时计算一次无功电量费用；， ( 3 ) 同步发电机由于为了根据系统需要增加无功功率而降低有功功率得到的基于机会成本 的“经济补偿费用”。这部分费用( f l o c ) 的计算方式和n y i s o 制定的l o c ( 损失机会 成本) 相似。 1 6 第二章电力市场环境下无功优化规划的数学模型的建立 f l o c ( $ ) = ( m 口一e b p ) x r d t x 0 5 ( 2 1 9 ) 其中： m p ( $ m w h ) 区域有功功率边际价格； e b p ( $ ，m w h ) 在系统运行过程中，发电机组进入提供有偿无功电量服务启动点的 有功功率报价，系统要求发电机组对此时的有功功率价格报价合理，能促使发电机为了满 足输出吸收无功功率需要而造成有功功率损失的情况得以缓解。 r d t ( m w ) 发电机组为了满足系统无功功率要求降低有功功率的输出量 0 5 ( h ) 无功电量计费的时段，一般每半小时计算一次无功电量费用： 结合该无功辅助服务获取机制和无功定价机制，澳大利亚国家电力市场管理公司( n e m c o ) 采用的无功电压控制方案如下： ( 1 ) 通过负荷潮流分析软件确定系统对无功的需求量 ( 2 ) 首先对电容、电抗组、s v c 等器件进行投切； ( 3 ) 而后，调节运行中的发电机输出无功功率。其中，没有和国家电力市场管理公司( n e m c o ) 签订辅助服务合同的发电机也必须提供在义务无功出力范围内提供无偿的无功服务。与n e m c o 签 订无功服务合同的发电机除了必须根据要求在无偿范围内提供无功服务外，更要根据调度指令要求 提供有偿的无功服务。 ( 4 ) 而后，根据生效的无功电价选择同步调相机进行无功调节： ( 5 ) 如果系统对无功仍有需求，i s o 考虑降低机组有功出力来提高无功功率输出量 ( 6 ) 如果在某种运行状态下，p a 上i g 些无功支持仍不能保障系统稳定性，则需取消无功辅助服 务市场交易。 2 5 3 英国电力市场 从2 1 世纪9 0 年代中期，英i 虱初步建立了无功辅助服务市场。当时英国电网法规规定：容量超过 5 0 m w 的发电机组均应提供基本的强制性服务，要求每台发电机组运行在0 9 5 o 8 5 的功率因数范围 内( 发电厂升压变高压侧) ，并配备连续、稳定的自动励磁系统。 英国国家电网公司( n g c ) 是英国电网运行者和所有者，在系统运行中给发电厂商发出信号，使 发电机在需要的范围内输出有功和无功功率。无功辅助服务的获取方式有两种：其一为通过无功竞 标与电网签订至少为期一年的无功服务合同，( n g c 另外设立了无功投标市场，在每年4 月1 日和1 0 月1 日举行两次投标) ，台同内容包括：同步发电机无功容量价格( m v a r ) ，可用无功容量价格 ( m v a r ) ，无功电量价格( m v a r h ) 。其中，前两类价格属于容量价格范畴。图2 5 给出了竞 价市场中发电机组的同步无功容量价格和可用无功容量价格曲线，每条容量价格曲线在进相容量和 滞相容量段各由2 3 段递增的容量价格折线组成。与容量竞价结构相似，在进相和滞相运行阶段， 无功电量价格曲线也由5 段折线组成，如图2 ，6 。电网公司在近2 0 个电网区域对协议内容、历史情况、 各发电机响应各地区负荷需求的有效性进行评估，确定签订最后的合同。为发电机提供有利于满足 系统需求、降低输电网投资需求的激励信号。无功容量价格作为固定费用由n g c 每月向相应发电机组 支付。其二，如果发电机组未与n g c 签订合同，则机组在一定无功容量范围 q b 。，q 。 内运行时 发电机得到约为2 4 0 $ n v l v a r h 的默认补偿费用，见图2 7 。其中，q 。= - 0 3 3 b r ( 对应于功率 1 7 东南大学硕士学位论文 阑数一0 9 5 ) ；f = 0 6 2 最r ( 对应于功率因数为o 8 5 ) ，昴r 为机组撷蹴有功容量。 “m m h j 图2 5 英国无功服务竞标市场同步无功容量价格和可用无功容量计费结构 j ，_ v 卜 b蚶d辐冒b=女 鹜2 。6 英国无功鼗务竟标市场无功毫量诗费结构 j无功补偿埘川 一? j i n “p ( 羔 圈2 7 英国无功市场申未与n g c 签订长期合同的发电机组采用默认无功服务费用 2 0 0 1 年3 月2 7 品，英国敬消了p o o l 模式，正式改行“新电力交易规划( n e t a ) ”，主臻特色 摄以长期双边交易为主，辅以按报价结算的短期平衡市场。媳主要目标是魑信电方各购电方直接进 行交易，已避兔电力库模式中的一些弊端，无功服务的获取机制也随之发生变化，强制要求发电公 弼提供无功服务的做法被逐步取濮。值得注意的照，在这一步改革中，捐蒋s v s 、电容器魄抗器的 燮电站氇能撮掭箕参与无功邂援控翻放两褥委l 经济报偿。这说鞠，英蓍邀力市场至多在无麓辅助鞭 务市场方面已经走在世界电力市场发展的前端。 2 5 4 北欧嗽力市场 在挪威，在正常情况下，发电机组运行在功率因数。0 9 8 0 9 2 8 之间所发出的无功属于强制无 俊提供的范围。只有当系统调殿员要求发电机组超出这一范阐运行时所发出的无功属于额外的无功 辅助服务，调度机构向发电公司提供经济补偿。且不存在对觅功备用的补偿。按照系统对于电厂的 技拳要求，在电网电压标么蕊势1 时，发电撬熬嫒端王鸯率因数必须在0 ，9 5 0 。8 6 之润运雩亍。 瑞典由于电源地理分布狠不均匀等因素没有开展无功电力市场。无功电力的服务是强制性的， 受系统运行方s v e n s k ak r a f t n 苴t 指令控制。不阀电压等级之间一般不交换无功。不同区域电网之间 的无功交流也要求为零。直接避接到主电网的发电厂升压变压器高压侧的功率因数有以下嚣求：发 奄撬疆涝援运智时最太无功蘩舞痰| 萋霹达1 3 的娥太有功辕鑫鬟( 都壤媾功拳霸数为0 。9 5 ) ；懿发连 撬 为进相运行，对水电厂和火电厂的功率因数簧求不同：水电厂功率因数可达到，0 8 3 3 ，丽火电厂嗣 骚求其不能进相运行。在正常运行情况下，地陋电网调度员尽可能使用静态无功补偿设备谶行无功 电压控制，大型的发电厂一般用于严重故障下的备用。 1 8