（电力系统及其自动化专业论文）电力市场环境下的无功定价研究(1).pdf

西安理工大学硕士学位论文 t i t l e ：r e s e a r c ho nr e a c t i v ep o w e rp r i c i n gi ne l e c t r i c i t ym a r k e t m a j o r - p o w e rs y s t e ma n d i t sa u t o m a t i o n n a m e ：y a nl i u s i g n a t u r e ： s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f k a o s h ez h a n gs i g n a t u r e ： a b s t r a c t w i t ht h ed e e pd e v e l o p m e n to fr e f o m at oe l e c 虹i c i t ym a r k e t , “翻c 丘v ep o w e rs 嗣慨a n dp r i c i n g b l 沁o m e 哪i m p o r t a n t h o w e v 瓯a st h er e s e a r c hh a sn o tr e c e i v e ds i g n i a c 锄ta t t e n t i o nu n t i lr e c e n t l y , t i m es t i l lh a sn o tb e e nt h em a t u r et h e o r y t h ep a p e rp r e s e n t st h ep r e l i m i n a r y 锄a l y s i sa n dr e s e a r c h a b o u tt h er e a c t i v ep o w e r 嘶a n d p r i c i n gi nt h ee l e c l r i c i t ym a x k e t s f i r s t l y , t h e p a p e r c o n c l u d e s e l e c t r i d t y m a r k e t a n d a n c i l l a r y s e r v i c e s w h i c h i n c l u d i n g t h e c o n t e n l s a n dt h ew a yo f o b t a i nr 酬v ep o w e r 廊a n dt h ed e v e l o p m e n to f f o r e i g nm a r k e tt h em 翻面玛 a n ds t a t eo f r e a c t i v ep o w e r p r i c i n g a r ea l s od i s c u s s e d t h e s e c o n d l y , a c c e d i n gp 枷c i l l 越删y s i so f t h e c o s to f r e a a i v ep o w e r , t h ec o s ti sd i v i d e di n t o t h r e ep e r t ：i n v e s l m e n tc o s t ，o l 】p 嘶l yc o s ta n dl o s s e sc o s t a n dt h em o d e lo f c a l c u l a t eg e n e r a t o r s r e a c t i v ep o w e rc o s ti ss u g g e s t e d t h ei e a c t i v ep o w e rs o u i c ei nd i f f e r e n tp l a c eh a sd i f f e r e n t c o n t r i b u t i o nt ot h es y s t e m , s ot h ep a p e rp r e s e n t sam e t h o db a s e d0 1 1p o w e rf l o wc a l c u l a f i o n 。i tc 趾 r e f l e c tt h e 一碰o d 】i pb e t w e e nr e a c t i v ep o w e ro t 吐p a ta n ds y s t e mv o l t a g ed i r e c t l y i ti sp r o p i t i o u st o g e t r e a c t i v e p o w e r o n t h e s p o t t h e n , f r o mt h es y s t e m sp o i n to fv i e w , t h ep a p e r 珥q ，0 s e dac o m p r o m i s ef u n 曲o nw h i c ha c o m m o no f t h ef u n c t i o nm i n i m i z er e a c t i v ep o w e rc o s ta n dt h ef i m c t i o nm i n i m i z ea c t i v el o s s e s t h ep r o v e di n t e r i o rm e t h o di su s e dt os o l v et i l er u n i o n a f i 盯p a 埘出蚴l y s i so f t h ef e a t u r e s 锄d c o s to fr e a c t i v ep o w e r , t h ep a p e rp r e s e n t st h es y n t h e s i z e d 豫小，ep d c j i 】gm e o l o d t h e 毋雠h e s i z e d 髓国d j v ep r i c i n gm e t h o dw h i c ha d d e dt h e 肛s m 撇v a l u ei n t op r i c i n gf 1 1 n 商o nc a ni n f e c tt h el e 础v o p o w e l p r i c 2a n de v a l u a t et h e “嚣o u r v a l u eo f r e a c t i v ep o w e ri n i t i a t i v e l y i nt h ee n d , t h e1 4 - b u sa n d3 0 - b u si e e es t a n d a r ds y s t e m s 雠u s e di nt h e 捌l l d i 鹤t os h o wt h e e f f e c t i v e n e s sa n dt h ep r a c t i c a b i l i t yo f t h ep r o p o s e dm e t h o d k e yw o r d s ：e l c c 砸c 时m a 蛾c o s ta n a l y s i s ；r e s o m e ev a l u e ；r e a c t i v ep o w e rp r i c i n g 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名： 豳垫矽。序尹月三日 学位论文使用授权声明 本人一竺【丝 在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编人有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：韭导师签名：臻竺也i 沣明三日 l 第1 章绪论 1 绪论 1 1 电力市场概述 1 1 1 电力市场的背景 随着电力系统的迅速发展，尽管电力工业的技术水平己经趋于完善，但电力工业高度 垄断性的负面影响却日益呈现。类似于电信、航空等其它传统垄断性行业的市场化，从二 十世纪八十年代起，各国纷纷开始打破电力工业的垄断经营和一体化结构，将传统的一体 化电力服务分解为独立的发电、输电、配电等服务，并建立起竞争性的电力交易市场。推 行电力市场的目的就是要打破垄断，引入竞争，从而降低成本，提高效益，改善服务，最 终实现社会效益的最大化。 电力市场作为一种新兴的市场，目前对其范围和一些概念还没有统一的定义。一般认 为，电力市场的参与者包括发电、输电、配电、用户、经纪人等各方，市场由一个统一的 管理机构进行管理并由i s o ( i n d e p e n d e n ts y s t e mo p e r a t o r , i s o ) 和交易机构( p o w e r e x c h a n g e ，p x ) 负责运行电网和实现交易。电力市场中交易的商品是电能和为实现电能交 易而必需的各种系统服务( 输电服务、配电服务、辅助服务等等) 。 国内的电力市场开始于上世纪九十年代初，1 9 9 4 年7 月浙江省建立了模拟电力市场， 开始了我国电力市场的尝试。模拟电力市场把省电力公司分为发电、供电、中心调度三个 环节。省电力公司受权中心调度所代表省电力公司向发电厂购电，向供电局售电。事后根 据实际运行情况对发电厂和供电局进行考核结算。由于未做到真正的厂网分开，没有真正 打破电力企业发供输配一体垄断经营的模式，模拟电力市场还不是真正意义上的电力市 场。 2 0 0 0 年1 月1 日我国真正意义上的电力市场浙江省发电侧电力市场开始试运行。浙 江发电侧电力市场采用实时电价结算和差价合约的模式。经过3 年的运行浙江电力市场模 式逐渐被认可。随着电力体制改革的深入，2 0 0 3 年在国家电力公司的基础上重组成五大 电网公司和5 大发电集团。国家电网公司下的区域电网公司开始挂牌( 如华东、东北电网 公司) 。在区域电网公司的基础上，区域电力市场也在有条不紊的设计中，目标是建立“统 一规划、统一规则、统一管理、协调运作、分级控制”的电力市场。 我国电力体制改革至少有5 个战略层次和制度创新任务，改革可以分阶段进行，但必 须从我国的国情出发，配套推进。这5 个战略层次是m ： ( 1 ) 电力体制改革和分段推进策略：例如国务院近期批准的电力改革方案，但在实 施中还有大量艰巨工作要做； ( 2 ) 电力交易市场的建立，包括市场模式、规则和电价机制； ( 3 ) 电力投融资体制和电力金融财税体制的改革，建立规范的电力投资市场和金融 西安理工大学硕士学位论文 市场； ( 4 ) 建立现代企业制度，搞活国有电力企业： ( 5 ) 电力的立法和监管，规范两大电力市场，转变政府职能，保护投资者、经营者 和广大用户利益。 1 1 2 电力市场交易模式 电力市场的交易模式“1 ，一般有联营模式( p o o l ) 、双边合同模式( b i l a t e r a l c o n t r a c t ) 、多边合同模式( m u l t i l a t e r a lc o n t r a c t ) 等三种。 联营模式的电力市场主要开放发电市场，在发电厂之间引入竞争i s o 和p x 负责集 中管理输电网，并确定电价和实现输电交易。在电力市场中，联营模式主要是与日前主市 场结合，在日前主市场交易与定价的基础上，日前事先制定，当日服从调度，日后如实结 算，而主市场通常为电力库联营模式，因而没有独立的运行备用市场，因而简称联营模式。 e n g l a n d & w a l e s 的电力市场就是这种模式的。 双边合同模式的电力市场除了由p x 负责管理的联营市场外，还包括由计划协调者 ( s c h e d u l i n gc o o r d i n a t o r ，s c ) 负责的双边合同市场。双边合同市场允许发电厂和电力用 户通过s c 进行电能交易，然后由s c 将交易内容提交给i s o 审核由于发电厂不仅可以 通过竞价的方式向p o o l 售电，而且也可直接和用户签订贸易合同，因此双边合同市场比 联营模式更具灵活性。美国加州电力市场采用的就是这种模式。 多边合同模式的电力市场既有联营市场的运行方式，也有双边合同和多边合同的交 易，不同之处在于其一笔电能交易可能涉及多个发电厂和多个用户多边和双边合同市场 由市场经纪人( s c 或b r o k e r ) 进行协调，i s o 每隔一定时间公布输电网的运行情况，从 而经纪人可以确定哪些交易可以实现，而哪些交易无法实现；然后经纪人将要进行的交易 提交给i s o 审核，并由i s o 实现可行的电力交易。 在电力市场实际运行中，虽然这三种交易模式的市场同时存在，但双边和多边合同市 场占较大比例。这是因为采用供需双方合同的形式进行长期的电能交易可确保发电厂的电 力销售和用户的电能供应，从某种程度上回避了发电厂的市场风险。 此外，为回避市场风险，电力市场中同时也存在远期合同和期货合同等交易模式。远 期合同和期货合同的主要差别在于对远期合同不存在一个自由流通的交易市场，而期货合 同则有一个期货交易市场可以进行自由买卖。美国和挪威的电力市场已经采用期货市场作 为一种交易手段。 由于一系列因素的制约，电力市场初期的无功市场模式可走类似英国“p o o l ”市场 模式的道路。电网公司为单一的无功购买者，发电机、电容器为无功供给者。在“p o o l ” 市场模式下，对无功的管理责任仍归于电网，对无功的补偿政策可采取全补偿、半补偿和 竞价与补偿相结合的模式。 我国初级电力市场中，为摸索市场化运营经验和保证电力系统运行的安全稳定，宜采 2 第1 章绪论 取统一调度、合理补偿的方式，随着电力市场发展和运营机制完善，再采取投标和双边合 同的方式。 1 1 3 无功电力市场的发展状况 在以往一体化的电力公司中，无功服务的成本并不单独结算：在电力市场下，由于无 功服务作为一种辅助服务成为单独的业务，必须制定合理的无功服务价格以保证服务提供 商回收成本并获得一定利润因此，如何获取无功服务，如何制定无功服务的价格，建立 无功服务市场是否可行等问题已经成为目前电力市场研究的几个热点问题。 从经济学的角度来说，通过市场竞争决定商品的价格是最大化社会效益的最有效手 段。但是，无功功率潮流有一个不同于有功功率潮流的特点，即无功功率有较强的地域性， 其传输过程中的高损耗率使得系统不应该将一个地区的无功功率远距离传输到另一个地 区。因此，无功服务自然就具有十分明显的地区垄断特征，较难建立全网范围内公平竞争 的无功服务市场。另外，对无功功率很难做到准确计量，也增加了建立电力市场的难度。 从长远来看，建立公平竞争的地区性无功服务竞标市场是电力市场发展的必然趋势，也是 电力市场建设中非常重要的一个步骤。 下面介绍目前国外几个比较典型的无功电力市场发展状况1 3 1 在美国，纽约i s o 规定对发电机由于发出或吸收无功而产生的机会成本进行补偿：加 利福尼亚1 s 0 规定，发电机在滞后0 9 和超前0 9 5 功率因数范围内提供无功服务为指令 性无功服务，而在超出该范围后服务，发电机将获得经济补偿，其补偿费用包括运行维护 成本和损失的机会成本：在p j m 互联电网中， s o 规定发电机提供的无功支持为辅助服 务，而对无功的付费由两部分组成：一部分为针对发电机额定无功容量的付费，主要用于 发电机无功投资成本的回报；另一部分为针对机会成本的付费，当发电机由于提供无功而 产生机会成本时，发电机将获得机会成本的补偿。 在欧洲，英国n g c ( 国家电网公司) 规定对发电机和电容器实行按容量及电量分别 投标的政策，竞争上无功出力的发电机和电容器将同时获得容量和电量效用的回报。在瑞 典，规定无功实行就地平衡的政策，区域网络公司负责各区域的电压控制，正常情况下， 区域网调尽可能利用静止无功补偿器的无功出力，大量的发电机一般留作紧急状态下的各 用而很少参与电压的一次调整，规定无功源的无功出力为义务服务而不进行补偿。芬兰电 力市场规定，其主网的电压水平用电容器和电抗器控制，不同电压级问通过有载调压变压 器分接头进行电压控制。2 0 0 2 年，芬兰电力市场己出台了把无功服务纳入辅助服务而接 受财政补偿的规划。 在澳大利亚，n e m c o ( 国家电力市场管理公司) 承认发电机及同步电容器提供的无 功支持为辅助服务，并接受财政补偿。进一步规定，凡被纳入辅助服务的无功源首先将接 受一种效用付费，随后，当电容器被调用时还将接受电量付费；而对发电机则规定，在滞 后0 9 和超前o 9 3 的功率因数范围内提供无功为指令性无功计划，如在该范围外则对发电 西安理工大学硕士学位论文 机按照机会成本付费。 在我国，东北区域电力市场规定发电机进相运行吸收的无功电量将获得付费，而其它 区域电力市场也正在制订或即将制订相应的无功管理办法。 健全的无功市场的基本原则是：协调电力生产的各元素，以最低的价格为用户提供满 足质量和可靠性要求的电力。考虑这一点，是因为电力发展的最终目的是为用户服务，只 有用户满意，才可能取得满意的社会效益。为达此目的，需要电网公司有可靠的无功容量 和电量供应，并且在满足质量和安全水平的前提下为用户提供尽可能低的电价。 1 2 无功辅助服务概述 1 2 1 无功辅助服务的定义、内容及特点 一般将辅助服务( a u c i l l a r ys e r v i c e ) 定义为：为完成输电的主要功能将电能从 发电厂输送到用户，并保证安全和质量所需要采取的所有辅助措施称为辅助服务k i l o 辅助服务主要包括以下几方面内容“： ( 1 ) 负荷跟踪与频率控制。实时处理较小的负荷与发电功率的不匹配，维持系统频 率，并使控制区内负荷与发电的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。 ( 2 ) 旋转备用。由于发电或输电系统故障，使负荷与发电发生较大偏差时，1 0 r a i n 内可以提供急需的发电容量( 增加降低) ，恢复负荷跟踪服务的水平。 ( 3 ) 非旋转备用( 也称运行备用) 。3 0 m i n 内可达到最大的发电备用容量。包括发电 机容量和可中断负荷。用于恢复旋转备用的水平。 ( 4 ) 无功备用和电压控制。通过发电机或输电系统中的其它无功源向系统注入或从 系统吸收无功功率，以维持输电系统的电压在允许范围内。 ( 5 ) 发电再计划( 也称校正计划) 。对于较大的发电负荷偏差，调度中心要重新安排 各机组发电功率。 ( 6 ) 处理能量不平衡。补偿实际的交易量与计划交易量的差额。 ( 7 ) 有功网损补偿。输电时造成的功率损耗通过此项服务来补偿。 ( 8 ) 事后恢复服务。提供重大事故发生后系统恢复所需的功率。 ( 9 ) 稳定控制服务。f a c t s ，p s s ，a s g 等。 ( 1 0 ) 其他。 上述服务在电力市场出现前都可以由系统运行员直接操作发电机和输电网的相关控 制设备来实现。随着电力市场的建立，电力工业的各个功能都相互独立开来，从而无法保 证电网各个部分在任何情况下都配合系统运行，需要通过有偿的辅助服务形式来满足系统 运行的安全性和经济性。辅助服务覆盖了从发电、输电到负荷的所有环节，不过大部分的 辅助服务是由发电厂提供的。 与有功服务相比，无功辅助服务具有以下特点： 4 第1 章绪论 ( 1 ) 供应的地域性。由于远距离输送无功需要发电端和收电端之间有较大的电压差， 因此无功供应原则上是就地平衡。 ( 2 ) 控制的分散性。与频率控制需要有功平衡类似，电压控制需要无功的平衡。但 频率是全网统一的，依赖于全网的有功平衡，而电压是各节点不同的，必须依赖于该节点 或就近节点的电压控制。 ( 3 ) 手段的多样性。与有功只能由发电机供应不同，电力系统中的无功电源除发电 机和负荷外，还包括电容器和静止无功补偿器等，而且电网本身也是无功电源。 ( 4 ) 分析的复杂性。有功的费用主要是发电费用，而无功的运行费用很小但投资费 用很大，分析起来比有功复杂。无功的生产不消耗燃料，但却与机组的同步运行合为一体， 所以要把无功的相关费用从总的费用中分离出来是十分困难的。 电力市场中，无功辅助服务是保证电能交易顺利实施的一个重要条件，同时也是提高 电能质量、降低电网有功损耗、保证电网安全经济运行的有效手段。但发电机输出无功时 的直接成本不像有功发电那样明确。对发电厂向系统提供的无功服务，我国目前实施的是 按功率因数和母线电压合格率进行考核和奖励，尚未实行竟价机制，也没有合理的费用补 贴方法，无法调动各个发电厂参与系统无功电压调整的积极性。科学合理的无功服务价格 可调动市场参与者提供无功服务的积极性，也可以成为决策无功电源投资和设备有效利用 的科学依据。 1 2 2 无功辅助服务获取 目前，无功辅助服务获取机制主要包括以下几种： ( 1 ) 强制性免费服务一为了系统的安全运行，系统对所有的发电厂强制要求提供 免费的无功功率； ( 2 ) 费率( t a r i 舯无功功率服务成本通过一定的费率从电价中回收； ( 3 ) 双边合同供需双方自由制定无功功率服务合同； ( 4 ) 竞标市场通过市场竞标机制实现无功功率服务交易。 对于短期内存在地理垄断性的无功电压辅助服务，一般认为采用竞标市场或双边合同 的机制计较适合。 总的来说，辅助服务主要可通过强制性手段和市场手段两种方式来获得。有些电力市 场通过强制性手段获得发电厂提供的辅助服务，比如系统运行部门可以要求发电厂提供频 率控制和a g c 作为其上网的前提条件，不过这种强制性的手段多少带有一些传统电力工 业的色彩。目前，大多数国家更倾向于建立相应的市场来提供商业化的辅助服务( 如旋转 备用和a g c ) ，如美国的联邦能源监管委员会( f e d e r a l e n e r g y r e g u l a t i o n c o m m i s s i o n ) 就 要求辅助服务必须作为一种商品提供给用户，并通过市场决定其价格。作为一种折中方案， 一些电力市场现在采用强制性服务和商业性服务相结合的方式，如西班牙就要求发电机必 须提供备用服务，而a g c 则通过市场手段获得。通常这两种辅助服务的获得方式互为补 西安理工大学硕士学位论文 充，不过随着电力市场的发展，市场手段必然会逐渐占据主要地位。 1 3 电力市场中的无功定价问题 将自由、平等的竞争机制引入电力工业有利于打破垄断格局，但世界上真正意义上的 电力市场不过兴起十几年，电力市场下还有很多未知的东西需要学习探讨。一方面，建立 电力市场有利于搞活企业、吸引外资、提高电网的运行效率和水平；另一方面，电网的天 然垄断性使其需要特定的商业运行规则和高科技支持手段。因此，发展电力市场是一个循 序渐进的过程，不可一蹴而就，需要深入的理论研究和详细的试验探索“，以避免历史 性的挫折和反复。电力市场下，电能交易是市场的主体，但电能交易离不开辅助服务，辅 助服务是电能交易顺利实施的有力保障。因而，电力市场下必须进行各种辅助服务的研究。 无功功率服务是辅助服务的一部分，电力市场下无功的管理和定价对电网公司的运行和经 营具有重要的意义。在这样的实际背景下，本文展开了无功辅助服务的定价研究。 1 3 1 无功定价的研究现况 电力市场中的定价方法是电力市场相关理论研究的重点。价格作为一个平衡市场供需 关系的工具，与整个市场的结构和运营机制息息相关，是市场经济的重要基础。一个合理 的定价方法必须能够保证生产成本的有效回收、生产者的扩大再生产及合理的利润；能够 提供一定的经济信息，指引市场的供需平衡1 7 1 1 1 1 1 0 确定无功电价要处理各种相互影响、制约的因素，必须协调多种相互关联甚至相互矛 盾的目标函数，有很多因素尤其是服务定价，目前难以从经济学角度定义，也没有形成一 定的理论。但由于在电力市场中电压控制及其无功服务的重要性，九十年代以后国外学者 对无功服务及其定价研究也较多。 1 9 8 8 年，s c h e w e p p e 等人将实时电价的概念引入电力系统，提出了有功功率的实时 电价理论 1 i p 其实时电价的获得是基于经典的经济调度和直流潮流的概念根据微观经 济学的理论，所提出的实时定价方法，可以提供最优的价格信号，提高生产效率和产生最 大的社会效益。该理论可以说是现代电力市场理论体系的基石。现在看来，要将这一理论 应用于电力市场的实践还需要做许多修正和补充，但迄今为止它仍被认为是最为完善的电 价理论体系。尽管无功功率和大部分辅助服务的定价在该理论中未被提及，它作为那些成 功的后续研究的基础和起点，在无功定价问题的研究中占有举足轻重的地位。 随后，r a v 和a v a r a d o 使用考虑了有功负荷的价格响应的修改的o p f 模型来进行实 时定价方法的研究“。这是将o p f 作为实时电价的一种计算工具的第一次尝试，发展了 基于最优潮流的实时电价理论，本身又是一个很大的进步。 1 9 9 1 年，b a u g h m a n 和s i d d i q i 将这一修改的o p f 模型引入到无功定价方法中，第一 次提出了求解无功实时电价的方法“”。其最重要的贡献是发现了o p f 中对应于潮流平衡 方程的拉格朗日乘子以、与有功、无功负荷的实时电价具有相同的经济含义从而说 6 第1 章绪论 明了o p f 是一种极具潜力的实时电价计算方法。然而，由于其目标函数是使总的有功生 产成本最小化，该模型在没有无功发电容量越限时，发电机节点的实时无功价格为零。这 意味着发电厂的无功容量越大，越是得不到任何鼓励和奖励，而无功容量越小的发电厂或 补偿设备却有可能因容量越限而获得经济补偿。 1 9 9 5 年，印度人c h a t t o p a d h y a y 和b h a t t a c h a r y a 等人指出无功电价不但应该覆盖运行 成本，还应该包括电容器的资本投资t i l l 为无功定价的研究注入了新的元素。然而，仍 然忽略了发电机的无功生产成本。 1 9 9 6 年，英国国家电网公司( n g c ) 的研究人员通过引入与标准的有功费用二次曲 线极其类似的无功费用曲线，首次在目标函数中考虑了发电机的无功生产费用，并用逐次 线性规划( s l p ) 的方法求解这一非线性无功优化问题”。然而，无功功率对有功损耗 的影响未被考虑，且无功成本的二次曲线如何获得并没有被提及到。 1 9 9 7 年，美国太平洋燃气和电气公司( p g & e ) 的s h a o 和a p a p a l e x o p o u l o s 详细讨 论了提供无功服务支持的经济和技术问题，提出了依据无功容量费用的无功定价方法，一 种基于无功功率调节因子( r p a f ) 的区域收费系统t 1 3 1 。允许用户在一个局部的无功电力 市场内通过节点电价自由地获得所需要的无功容量，即特定的功率因数标准不再强加给用 户，用户的无功费用依赖于由r p a f 所反映的实际使用的无功功率。较高的区域r p a f 意 味着有更多的无功功率不足，这个地区的用户就要偿付较高的无功电价。这对于完善无功 服务的定价结构是一次努力的尝试，但对于长距离的双边交易，会产生不公平。 1 9 9 8 年，韩国人c h o i ，r i m 等人对无功定价问题作了进一步的研究 1 4 1 p 以最大化社 会效益取代通常的最小化生产费用作为目标函数，并将负荷的功率因数加入到约束条件 中。然而，一些测试结果中的无功边际价格变得比有功边际价格还高很多，不能让人十分 信服。 1 9 9 9 年，j o h nl a m o n t 和j i a nf u 第一次对无功功率的经济成本作了详细分析，提出 无功生产成本应包括发电机的无功功率显性成本( e x p l i c i tc o s t ) 和机会成本( o p p o r t m f i t y c o s t ) 以及无功补偿装置的显性成本“”。其中用代表发出的无功容量的资本成本构成发 电机的无功功率显性成本。机会成本是指根据发电机运行的容量限制，由于其无功出力而 损失的有功发电能力所对应的最大利润。无功补偿装置其单位容量的显性成本近似用设备 寿命期内的投资总额的折旧率来计算。第一次将最小化总生产成本作为无功优化调度模型 的目标函数，其测试结果显示比以往的调度模型节省更多的费用。这种方法对于无功定价 模型的完善起到了重要的作用。2 0 0 0 年，浙江大学的戴彦在他的博士论文中，将总的有 功无功生产费用的最小化作为目标函数，对无功定价问题进行了分析，并用序列二次规划 ( s q p ) 的算法对o p f 模型进行了求解，取得了令人满意的结果“”。 1 9 9 7 年，a a e 1 k c i b 和x m a 考虑了在线应用的实用性和灵活性，将有功无功生产 的短期边际成本( s r m c ) 的计算分解为有功、无功两个子问题分别求解，并把有功无功 的s r m c 表示为不同价格构成的组合，以代表不同的物理意义。并提出旋转备用( s p i n n i n g 7 西安理工大学硕士学位论文 r e s e r v e ) 对于电力系统短期运行的可靠性和安全性起着重要的作用，应该加入到o p f 的 约束条件中，以得到更加合理的o p f 的解“”。 2 0 0 0 年，k a j ) ( i 。和y o n g h u a s o n g 提出了一个有功无功一体的最优实时电价( i o s p ) 模型，并将实时电价作进一步的推导，使之分解为不同的价格构成，来反映系统边际成本、 损耗补偿、电压支持和阻塞管理的影响。然而无功补偿设备的投资成本没有考虑到。其 i o s p 模型的实现是通过修改的基于原始对偶内点算法的o p f 模型。结果表明此算法非常 令人满意，首先对偶变量提供了有意义的经济信息；其次，由于使用松弛变量的对数障碍 罚函数作为软约束，可以避免实时电价的大幅波动；最后，该算法可以很好地处理不等式 约束1 1 8 1 。 目前，对于无功定价方法的研究还包括增量平均法( i n c r e m e n t a la v e r a g e a p p r o a c h ) ， 通过比较交易前后两次潮流的结果，估算一次单独交易所增加的无功损耗，对于大量的同 时交易要重复估算多次取其平均值作为每次交易的无功损耗部分。每次交易的无功功率使 用量由其无功负荷和相应的无功损耗 之和表示。这种方法看起来适合仅存在双边交易的电力市场的无功定价，然而，对于 大量的同时交易十分耗时，并且不能对减轻线路负荷和电抗损耗的交易提供激励 t i t l e 另外，还有无功潮流跟踪法( r e a c t i v ef l o wt r a c i n gm e t h o d ) ，起始于一个潮流或状态 估计一的解，跟随无功潮流从一个特定的发电机节点到网络中的负荷节点，求出发电机对 无功负荷的贡献。该方法的一个特点就是能够回答每台发电机提供给特定负荷的功率。然 而由于大量并联线路的存在，使得互联网络的无功潮流非常复杂，无功潮流跟踪变得十分 困难甚至不可能l 1 0 1 随着我国电力市场改革发展，国内很多学者也对无功定价进行了一定的研究 1 9 9 7 年，谢开、于尔铿等人从技术、经济的角度阐述了电力市场中无功管理的特点，讨 论了无功需求、无功生产费用和无功市场模式。并介绍了几种无功定价方法，包括依据运 行费用的实时定价和依据容量费用的无功定价方法“”。 1 9 9 9 年，上海交大的赵晋泉，侯志俭等人提出了一种基于o p f 的有功无功一体化的 实时电价模型，考虑了电厂无功支持辅助服务的定价，同时采用电网可交成本函数，保证 了电网公司的投资回收 2 2 1 。 2 0 0 2 年，张粒子、李亚男等人将无功电价划分为发电市场层面的发电无功电价、输 电市场层面的无功服务电价和用电市场层面的无功销售电价。以发电机的运行约束为基 础，提出了用有功发电损失的机会成本折算无功电价的新思路 n l 。 华南理工的吴国丙、任震，分析了无功服务的特点，强调在电力市场中必须考虑无功 成本，并从经济学角度对无功发电成本和无功输电成本进行了详细分析“n 2 5 2 “。另外， 四川大学的孔飘红、刘俊勇首次提出了有效无功容量( e r c ) 的概念，并建立了基于统一 优化补偿的无功市场模型，强调应根据无功源对系统安全与稳定的贡献来确定其价值“”。 南京工程学院的蒋志平等人提出一种将边际成本法和综合成本法结合起来的定价方法，使 8 第1 章绪论 无功定价既能有效回收成本，又含有一定的经济信息。这些研究对于我国的电力市场 无功定价都具有一定的现实意义。 1 3 2 电力市场环境下无功定价的意义 我国没有实行电力市场的时期，无功都是靠调度所强加给电厂，通过提高功率因数， 并通过功率因数的高低进行奖惩的制度来实现无功需求的，无功的损耗不计入电价，无功 优化都是以有功网损最小或电压实际偏差量最小为目标函数。但随着电力市场理论的完善 及其推广，各个发电公司迫于各种竞争压力，为了提高运营效益，都在挖掘自身的设备潜 力，都想使有功达到极限而不愿意多发无功”。因此，许多专家学者意识到无功合理定 价的重要性。 无功功率是交流电力系统不可分割的一部分，没有无功功率的支持，有功功率就无法 传送到用户。传统电力体制下，无功的生产和分配完全由系统调度员统一安排，不存在对 无功服务进行成本核算和单独计费问题。随着全球电力工业的市场化改革，电力服务逐步 向市场化方向转变，一个竞争有序、运行良好的电力市场，其电价必然是公平合理的，而 其模型也尽量能真实可靠地反映发电、输电、配电及用户的供用电情况尽可能兼顾各参与 者的利益。无功服务作为一项重要的辅助服务，其由无偿提供转向有偿服务已成为电力市 场发展的必然趋势，正确合理的无功服务定价也成为近年来研究的热点问题。 电力市场中，发电、输电、供电是各自独立的经济实体，无功电价的制定将关系到这 三方的利益。因此，电力市场下的无功定价对整个系统的运行和经营具有重要意义： ( 1 ) 首先经过无功的优化配置，可以减低电网公司的有功网损，提高电网的传输效 率，提高经济效益。 ( 2 ) 在电力市场中，迫于各种竞争的压力，电力系统各方为了提高运行效益，都在 挖掘自身的设备潜力，使得许多发电、输电设备都接近于极限条件下运行，这样会产生一 些新的电网功角失稳，电压不稳，过负荷甚至系统崩溃等问题，使得系统运行的安全运行 受到很大的考验。在电力市场下系统运行的复杂性使得无功调节成为维护系统稳定的重要 手段之一 ( 3 ) 通过无功管理改善电压波形，提高电能质量，也提高输电服务质量。 ( 4 ) 从长远利益来看，在我国这样一个发展中国家资金不充足的情况下搞电力市场， 通过经济学角度分析无功优化配置，减少不必要的无功补偿设备投资。 ( 5 ) 可以正确地反映系统实际运行情况，更好地划分电力市场各参与者的责任和权 利，否则由于分配不均，对电力市场产生消极影响，甚至危害电力系统的安全。 在电力市场初期，对无功的定价将受以下条件的制约：首先，电价的管制性。在市场 初期，对电价的管制还将持续相当长一段时间，从而决定了无功定价只能走适当管制的市 场道路，随着市场的逐步发展，不断寻求更具活力和市场效率的无功定价方法。其次，市 场技术支持条件不完善。如市场技术平台、无功的计量条件等都制约了无功价格机理的发 9 西安理工大学硕士学位论文 展。再者，费用来源。一部制电价涵盖了电力生产的所有费用，如何从现有的一韶制电价 中分离出辅助服务的费用是电力市场初期的一个难题。 1 4 本文的主要工作 通过对近年来国内外发表的学术资料的研究，以及对现有电力市场的分析基础上，本 文主要做了以下工作： ( 1 ) 概括性介绍了电力市场的发展情况，电力市场中各组成部分以及市场中的一些 基本原则，仔细分析了辅助服务特别是无功服务的构成和特点及其研究现状。 ( 2 ) 在电力市场条件下，本文综合分析了发电厂无功辅助服务成本，将发电机组无 功电能生产成本分为投资成本、机会成本、损耗成本三部分详细分析。 ( 3 ) 不同位置的无功源提供的无功对于系统的贡献程度不同，在潮流计算的基础上 提出直接反映无功出力与系统电压之间关系的无功资源价值评价方法，有利于无功功率在 市场环境下达到就地补偿。 ( 4 ) 从系统角度出发，提出综合考虑无功运行成本最小和有功网损最小的折中优化 模型，并采用具有良好计算性能的改进内点算法进行求解。 ( 5 ) 计及无功资源价值无功综合定价法更加强调无功的地域贡献，并把这种地域贡 献量化为价值系数计入无功的结算电价中。具有电网主动评估无功地域价值的作用。通过 对i e e e - 1 4 节点系统和i e e e - 3 0 节点系统进行算例分析，表明本文无功定价方法的有效性 及实用性。 1 0 第2 幸无功生产成本分析 2 无功生产成本分析 在电力市场条件下发电厂为系统提供无功功率支持是一种重要的辅助服务，也是保证 系统安全稳定运行、提高电能质量、降低损耗、确保电能交易顺利进行的有效手段“”。 正确核算无功功率的成本不管是对提供者还是系统来说都是非常重要的，无功功率服务的 价格必须能够让提供者回收成本并有一定的利润，保证市场的健康发展。因此，必需对无 功支持服务进行综合成本分析。 发电机、调相机能够动态响应无功功率需求，相对而言更为重要且成本较高。在厂网 分开后，它们一般独立于电网经营，电网必须要向它们购买无功功率。因而发电侧主要考 虑这些动态无功源。除了发电机和调相机等动态无功源外，电网公司还可以通过调节变压 器变比、投切电容器、电抗器等进行无功和电压控制。这些无功与电压辅助服务的成本可 由输电网确定，并适当分摊到用户。 电网中的无功功率电源一般包括同步发电机、同步调相机、静止无功补偿器( s v c ) 、 静止同步补偿器、并联电容器电抗器及f a c t s 装置等。 由于无功服务的复杂性，各国电力市场对无功辅助服务的划分范围、补偿对象、费用 机理和补偿程度各不相同。美国、英国、澳大利亚等国家把无功服务纳入1 s 0 付费范围， 而一些电力市场如北欧及法国等尚未把无功服务纳入付费范围。各国对无功支付对象的划 分也不尽相同，如美国仅把发电机划为无功付费对象，而英国和澳大利亚则把发电机和同 步电容器纳入无功付费对象。我国东北区域电力市场规定发电机进相运行吸收无功功率时 为无功付费对象。从目前世界各国电力市场对无功辅助服务支付对象的划分可看出，仅发 电机及电容器被划为辅助服务支付对象，故本文主要考虑发电机和并联电容器的生产成 本。 对于所有的无功补偿设备，提供无功支持服务是它们的唯一功能。但对于发电机组， 既可以提供有功也可以提供无功，因此要将发电机组生产有功的成本和生产无功的成本分 开。长期以来，发电机的无功功率生产成本一直都被认为近似等于零而忽略，其中一个主 要的原因是电机的无功生产几乎不导致任何额外的燃料费用。实际上，发电机中有相当一 部分的投资为无功投资，目前只是没有将发电机投资区分为有功、无功而已。因此，不管 发电机是否发出无功功率都会引起无功生产成本及无功备用成本。 从经济学角度来说，无功成本由显性成本和隐性成本组成。显性成本是指必须直接付 费的成本，包括设备的资本成本和商品的运行成本；隐性成本是指机会成本，即商品在其 最佳利用时间时的价值。本文将发电机组无功电能生产成本主要分为投资成本、机会成本、 损耗成本三部分考虑，其中投资成本和损耗成本属于显性成本，机会成本属于隐性成本。 通过对生产成本的详细分析，提出发电机无功综合成本曲线，只有当无功参与者提出的无 功报价曲线与其成本曲线相应时才能使发电机得到充分的无功补偿。 西安理工大学硕士学位论文 2 1 发电机无功生产成本 2 1 1 发电机投资成本 无功设备投资成本部分主要是为了补偿发电机无功投资成本，以鼓励其增加无功投 资，为系统提供充足的无功源。因此，发电机的无功设备投资成本应该在发电机运行时得 到全面的补偿。 发电机的投资成本是以有功容量为依据的，单位为元孵。因此，用视在功率容量s 进行投资成本分析更加切合实际t 3 2 | 。当有功容量投资成本给定时，投资成本可用视在功 率描述为： 元m w - 元m 、，a c o s 0 ，即c ，一g c o s 0 其中：c o s 0 为发电机的额定功率因数。 元m v 缸一元m v a s i n 0 ，即( k g 。s i n 0 用g 、c ，和q 分别表示发电机的单位容量投资成本、有功分量投资成本和无功分量 投资成本，由于发电机的资本成本一般都用有功分量成本q 来表示，因此，机组无功投 资成本可以定义为： c - c ，器- c p t a n 口 ( 2 1 ) 其中：c k 为发电机的无功单位容量成本( 元u m v a r h ) 。 发电机的无功单位容量电价为： 一 p 崎_ 口- = u 了a g 一p p - 口t a n 0 p p ( 2 2 ) l p 其中：口为有功容量成本在电价中所占的比例； g 为市场上的平均单位有功投资成本( 元唧h ) ； p ，为市场上的平均有功电价( 元姗h ) 。 2 1 2 发电机损耗成本 发电机组的损耗成本指发电机和升压变压器中由于无功电能引起的有功电能损耗。从 系统角度看，升压变压器高压侧的有功电能、无功电能、电压决定了发电机组的特性。当 机组有功输出、升压变压器高压侧电压、升压变压器档位一定时，无功电能与有功损耗具 有近似二次函数关系3 ”。对发电机组本身而言，不同的无功电能输出