（电气工程专业论文）发电侧电力市场无功辅助服务研究.pdf

a b s t r a c t r e a c t i v ep o w e rs e r v i c ei sas i g n i f i c a n tp a r to fe l e c t r i c i t ym a r k e t a n c i l l a r ys e r v i c e w i t ht h ed e e pd e v e l o p m e n t o fr e f o r mt oe l e c t r i c i t y m a r k e t ，t h er e a c t i v ep o w e ra n c i l l a r y s e r v i c eh a sb e c o m ea ! i 曲! i g 坠 t o p i c t h i s p a p e r a d d r e s s e st h ec o n t e n to fr e a c t i v ep o w e rs e r v i c e ，t h e p r i c i n go fr e a c t i v ep o w e rs e r v i c e a n d d e s i g n e st h em o d e lo fi t b a s e d o nt h ea n a l y s i st ot h ec o s to fr e a c t i v ep o w e r ，t h ep a p e rd i s t i n g u i s ht h e c o m p e n s a t e d s e r v i c ea n df r e es e r v ic ei n t h e r e a c ti v e p o w e r o f g e n e r a t o r t h ep a p e rp o s e sar e a c t i v ef u n c t i o nm o d ei nv i e wo ft h eb a l a n c e b e t w e e nt h ec o m p e n s a t i o na n dc o m p e l l i n g t h er e a c t i r ep o w e r e sp r o v i d e db yv a rs o u r c ef r o md i f f e r e n tp o s i t i o n i ne l e c t r i cb i th a v ec o n s i d e r a b l ed i f f e r e n tv a l u et ot h ep o w e rs y s t e m t h em e t h o do fe r ci su s e dt o ! ! q ! t h ec o e f f i c i e n to fr e a c t i v ep o w e r v a l u ew h i c ht om e a s u r e t h ed i f f e r e n c e aa c t u a l s y s t e m i su s e dt o d e m o n s t r a t et h er e s u l ta c c o r d sw i t ht h ea c t u a ls i t u a t i o n b a s e do nz h e j i a n gp r o v i n c ee l e c t r i c i t ym a r k e t ，t h ep a p e rp r o p o s e s t h ep r i c i n gm o d e lo fr e a c t i v ec o m p e n s a t i o n ，a n dd e r i v a t et h es p o tp r i c i n g o fr e a c t i v ep o w e ri nm a t ha tl a s t k e yw o r d s ：e l e c t r i c i t ym a r k e t ，t h er e a c t i v ep o w e rs e r v i c e ，t h ev a t u eo f r e a c t i v e p o w e r ，t h ep r i c i n go fr e a c t i v ep o w e r 浙江人学顾i ：学佗论文 第一章：电力市场辅助服务的论述 1 1 电力市场概况 1 1 1 电力市场的历史和现状 随着电力系统的迅速发展，电力工业高度垄断的负面影响却逐渐体现出来。 各国政府在二十世纪八十年代初开始尝试解除电力工业的垄断经营，打破一体化 的电力企业结构。将传统的一体化电力工业分解成独立的发电、输电、配电等服 务，建立竞争性的电力交易市场。由于各国国情不同，电力工业改革的步骤和建 立的电力市场的结构也因此而相互不同。 推行电力市场的目的就是要打破垄断，引入自由、平等的贸易竞争，从而降 低成本，提高效益，改善服务水平，最终实现最大化社会效益的目标。在自由竞 争的市场环境下，各种资源可以得到最优的配置，成本高、效益低的电力企业必 然会被淘汰，而成本低、效益高的企业则将获得迅速发展。同时，用户也可以在 电力市场的环境下拥有选择权，获得更好的电力服务。 把竞争机制引入电力工业，一般要通过横向和纵向的分解。横向的分解是指 打破原来的一体化电力公司的垄断地位，在市场中形成多个可以平等竞争并可以 获利的经济实体，从而建立市场化的价格体系。纵向的分解是指改革一体化的电 力服务，将发电、输电、配电分别独立开来并建立提供这些独立服务的竞争实体。 由于输电网具有自然的垄断特征，为了保证输电网公司实现公平的传输服务和管 理，一般输电网公司由独立的系统运行员( i n d e p e n d e n ts y s t e mo p e r a t e r ，f s 0 ) 进行操作，同时政府对其进行监控。另外，电力市场还需要建立交易机构以竞投 的方式确定电能交易，然后交给i s 0 来调整并实现相应的交易。 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一个统一的 定义。一般认为，电力市场的参与者包括发电。输电，配电，用户，经纪入等各 方，市场由一个统一的管理机构进行管理并由i s 0 和交易机构( p o w e r e x e c h a n g ，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) ，电 能的交易方式一般有联营模式、双边合同模式、多边合同模式三类。电力市场的 种类通常有长期合同市场、短期合同市场、实时市场，电力期货和期权市场等等。 1 1 2 电力市场交易模武 浙江火学颂上学位论文 电力市场中电能的交易模式一般分成联营模式( p 0 0 1 ) ，双边合同( b i l a t e r a l c o n t r a c t ) 模式，多边合同( m u l i t i l a t e r a lc o n t r a c t ) 模式等三种文献 5 0 1 。 联营模式主要开放发电市场，在发电市场之间引入竞争。i s o 和p x 的组合 体负责集中管理输电网，并确定系统电价和实行输电交易( 如图1 ，1 ) 。这种联 营模式被英国国家电网公司、智利、阿根廷，大利亚等国家采用。 图1 1 电力市场联营模式 双边合同模式的电力市场如图1 2 所示，其中除了由p x 负责管理的联营市 场( p 0 0 1 ) 外，还包括由计划协调者( s c h e d u l i n g c 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 进行电力交易，然后由s c 将交易内容提交给i s o 审核。i s o 对于双边合同市场只是简单的负责实时交易。 而不在电网调度过程中考虑发电厂的电价因素。虽然双边合同模式中的联营市场 不是必须的，但在大多数此类模式的电力市场中都还保留了这个部分。由于发电 厂不仅可以通过竟价的方式向p o o l 售电，而且也可以直接和用户签订售电合同， 因此双边合同模式比联营模式更具有灵活性。双边合同模式的电力市场的主要代 表是美国加州电力市场。 t p x i s c 图1 2 双边合同的电力市场 2 浙江火学颁j 学位论文 多边合同模式的电力市场通常是联营市场、双边合同市场和多边合同市场的 组合体。多边和双边合同市场由市场经纪人进行协调，i s o 每隔一定的时间公布 输电网的运行信息，从而经纪人可以确定哪些交易可以实现，哪些交易无法实现。 然后经纪人再将需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。 在实际情况中，虽然这三种交易模式的市场同时存在，但是双边和多边合同 市场占较大的比例。这是因为采用供需方合同的形式进行长期电能交易有利于输 电网的投资和建设，而且发电厂和电力用户各自也可以得到销售和购电上的保 证。此外，困为发电厂通常鼓励合同式的电力交易，所以会提高它供给联营市场 的价格，这也是联营市场在整个电力市场中历占比重较小的原因。 电力市场中由出现了许多在竞争中所采用的风险管理手段，如远期合同 ( f o r w a r dc o n t r a c t ) 和期货合同( f u t u r ec o n t r a c t ) 等。远期合同和期货合同的 主要差别在于期货合同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。 1 1 3 具有代表性的几个电力市场 a ：英国e n g l a n d & w a l e s 电力市场 英国e n g l a n d & w a l e s 电力市场建予1 9 9 0 年3 月3 1 日，采用单一的联营模 式进行电力交易，国家电网公司作为市场管理者负责整个市场的运营。其市场的 大致结构图l 3 如下： 图1 3 英国e n g l a n d & w a l e s 电力市场结构 英国电力市场中的交易价格是根据“最后成交竟投( l a s ta c c e p t e db i d ) 价 格”而修订得到的统一市场价格。p o o l 将所有的发电厂和用户的竞投数据分别按 浙江人学硕士学位沦文 照价格上升和下降的次序排列并累计画出相应的供求曲线，供求曲线的交点就是 市场的成交价格( m a r k e t c l e a r i n gp r i c e ，m c p ) 。在实际的运行情况中再考虑系 统安全性和其它的运行约束的因数，最终才能形成最后的市场交易价格。 英国e n g l a n d & w a l e s 电力市场中由于存在两大占主导地位的发电商，缺乏 足够的竞争，因此发电机竟投的电价通常不能放映实际的成本。1 9 9 8 年英国提 出了新的以双边合同为主体的市场模式，以期引入更多的竞争。这个新的市场模 式在2 0 0 0 年开始正式使用，市场流程图1 4 如下： ( f 图1 4 英国新电力市场模式的交易流程 b ：澳大利亚国家电力市场 澳大利亚电力市场( n e m ) 采用与英国e n g l a n d w a l e s 电力市场类似的联营 模式，但n e m 采用实时电价( s p o t p r i c e ) 的方式制定电价。这种电价模式要求 发电厂和用户都向电网提交各自的竞价曲线，然后电网调度员通过优化得到最后 的调度安排，市场中每半小时的电价通过分别计算每五分钟的实时电价并最后取 平均值得到。澳大澳大利亚n e m 结构图1 5 如下： 电能物理流向 合同 图1 5 澳大剥亚电力市场结构 4 浙f e 大学硕卜学位论史 1 1 4 国内电力市场的现状和发展 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7 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二大电网公司和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”的华东电力市场。 1 2 电力市场辅助服务的定义模式及主要内容 1 2 1 辅助服务的定义 电力市场辅助服务文献【6 】是相对电能生产，输送和交易的主市场而言的， 目前辅助服务并没有一个统一的定义，一般认为辅助服务是为完成输电的主要功 能，即将电能从电厂输送到用户并保证安金和质量所需要采取的所有辅助措施。 1 2 2 辅助服务的内容 ( 1 ) 频率控制( 负荷跟踪) 处理较小的负荷与发电的不匹配，维持系统频率， 以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。基本上是实时的。 ( 2 ) 可靠性备用( 旋转备用和快速启动机组) 由于发电或输电系统故障，使负 荷与发电发生较大偏差时，1o n i _ 4 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( 运行备用) 3 0 m i n 内可以满发的发电备用容量，包括发电机 容量和可间断供电负荷，用于提高恢复可靠性备用的水平。 ( 4 ) 无功备用电压控制通过发电机或输电系统中的其它无功能源向系统注 浙江人学硕士学位论文 入或从系统吸收无功，以维持输电系统的电压在允许的范围内。 ( 5 ) 发电再计划( r e s e c h e d u l e ) 再分配( r e d t s p a t c h ) 对于较大的发 电负荷偏差，调度中心要重新安排各机组出力。 ( 6 ) 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赔偿。 ( 8 ) 事故恢复服务( r e s t o r a t i o ns e r v i c e ) 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。 为清楚起见，将管理服务与辅助分开，因此上述第( 5 ) ( 6 ) ( 7 ) 项服务 应归入管理服务的范畴。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柬满足系统运行的安全性和经济性。辅助服务 覆盖了扶发电、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。 1 2 3 辅助服务及获取方法 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予建立相应的市场来 提供商业化的辅助服务( 如旋转备用和a g c ) ，如美国的f e r c 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。作为一种折衷方案，一 些电力市场现在采用强制性服务和商业性服务相结台的方式，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 得方式互为补充，不过随着电力市场的发展，市场手段必然会逐渐占主要地位。 系统备用还可以通过另外的方式获得并制定价格，比如要求发电厂将备用和 发电捆绑在一起进行竟投，交易所根据竟投的情况估计出相应备用服务的机会成 本，然后以此成本补偿提供备用的发电厂。 对于输电网络来说，无功功率服务是其希望获得的主要的辅助服务之一。无 6 浙江人学硕l 学位论立 功功率主要来源于发电机和输电网中的无功补偿设备，具有较强的地域性，难以 建立一个垒网范围的充满竟争的无功功率市场，因而通过强制手段要求无功服务 也有一定的合理性。不过有些学者也提出了相反的观点，认为无功功率服务提供 商可以不受地域限制，在任何地区根据需要安装自己的无功补偿设备，从而增加 局域性的无功服务市场的竞争。不管怎样，电力市场中的无功功率的获得和补偿 设备的布置肯定与其传统的方式不同。美国f e r c 规定对发电机和补偿设备费用 的一部分以嵌入成本形式进行回收，而发电机发出的无功功率的成本作为电压控 制服务成本的一部分进行回收。 1 2 4 辅助服务市场的模式分析 1 2 4 1 辅助服务的模式 辅助服务的市场模式文献【2 有统一型、投标型、双边合同型三种，或是其 中两种的结合。统一型是指辅助服务由市场操作员统一安排，各市场参与者必须 提供的服务，结算时市场操作员根据各参与者对辅助服务命令的执行情况给予奖 惩。投标型是指各市场参与者对菜种辅助服务进行投标，市场操作员根据投标情 况来排定优先次序和制定供应计划使辅助服务的总费用最小，并根据系统边际成 本对参与者进行结算。双边合同型是指需要辅助服务的用户直接与提供者签订双 边合同，结算时用户按合圊价格付给提供者报酬，另外还要付给电网公司相应的 网损和管理费用。 1 2 4 2 各国辅助服务模式的介绍 美国加州电力市场的辅助服务含旋转备用、非旋转备用、a g c 、替代备用、 电压支持和黑启动。其中前四种由独立系统操作员( i s o ) 通过日前竞争拍卖获 取，这些拍卖是在电力交易中心( p x ) 的电能拍卖完成之后进行的。这些拍卖的 顺序是：a g c 、旋转备用、非旋转备用、替代备用。电压支持和黑启动则以长期 合同方式进行交易，市场参与者分别是提交备用容量报价和备用电量报价。成功 的报价者不论其是否被调度，都将得到一笔备用容量费用，在备用容量被调度加 载时，报价者还将得到一笔电量电费。辅助服务市场的模式为投标型。 英国新英格兰电力联营体模式下，联邦能源管制委员会( f e r c ) 要求建立分 类计价的电力市场，这使得辅助服务竞争出价和电能竞价一样重要。辅助服务调 度相应地和电能一样由新英格兰i s o 安排，各种辅助服务调度相应地和电能一起 浙江人学硕i 。学位论文 采用竞争价的方式。辅助服务模式为投标型。 澳大利亚电力市场中，电网调度员和电力市场操作员是合而为一的，以电力 联营体( p o o l ) 为中心，负责辅助服务的管理和操作。其辅助服务含有无功和黑 启动能力等。辅助服务费从发电商和配电商那里按确定的比例收缴，然后又金部 分配给有关辅助服务的提供者。辅助服务的模式为统一型。 英国e n g l a n d & w a l e s 电力市场的电能交易是通过p o o l 来完成的，同时辅助 服务是通过辅助服务商行( a b s ) 来操作的。a s b 的作用是以商业的方式向各辅 助服务提供者购买各种辅助服务，以便使系统频率和电压维持在规定的限值内。 a s b 根据每月的情况向辅助服务提供者支付报酬。其辅助服务的主要内容有频率 响应、备用支持，无功和黑启动。这些服务以两种形式提供，一种是系统辅助服 务，即发电商有义务向国家电网公司( n g c ) 提供诸如频率响应、无功等辅助服 务；另一种是商业辅助服务，即发电商没有义务向n g c 提供该服务，但若双方经 协商可达成合同交易方式提供( 含非发电商) 。根据英格兰一威尔士发电主市场 运行规则，提供辅助服务必须服从中央调度，本质上是以p o o l 为中心，在竞价 上网的基础上实行统一调度，显然，其辅助服务模式为统一型。 1 3 无功辅助服务构残特点和市场模式分析 电力市场下的无功管理对电网公司的运行和经营具有重要意义，无功服务独 立于有功服务进行分析，买卖双方对无功单独结算。因此无功管理必须规范化科 学化。 1 3 1 电力市场的无功功率服务 1 3 1 1 无功功率辅助服务内容 电力市场中无功功率服务的内容包括满足用户和系统运行的无功功率需求、 控制系统电压水平、提供足够的无功功率事故备用、降低有功功率网络损耗等， 服务提供方式通常分为无功功率容量服务和无功功率电能服务两种。 用户的无功功率需求一般与其有功功率的需求变化一致，而系统的无功功率 需求则与线路、变压器和电缆的负载情况等有关。无功功率服务的提供商需要保 证提供足够的无功功率满足用户和系统的需要，在系统重负荷情况下生产足够的 无功功率，而在系统轻负荷下吸牧过多的系统剩余无功功率。 浙江人学硕j 。学位论文 在系统枢纽节点上提供足够的无功功率支持可以使这些节点的电压得到较 好的控制，从而使整个系统的电压维持在安全水平，保证系统可靠运行。 系统中的无功功率服务除了需要满足无功功率的需求之外，还要提供足够的 事故备用无功功率容量( 包括容性和感性无功功率) 。一旦系统发生故障，整个 系统的无功功率需求会立即发生变化，因此必须要有足够的无功功率备用来保证 事故下系统的安全运行。 另外，无功功率服务也是减少网络损耗的有效手段。合理配置的无功功率电 源和电压水平可以降低网络中的有功功率损耗，从而提高整个系统的运行效率。 电力市场中无功功率服务可以分别在发电、输电和配电三个环节上提供。由 于发电机和调相机具有动态无功补偿的能力，因此在维持其出口电压水平和保证 系统安全性方面起着十分重要的作用。对于有些效率低的发电厂，虽然在有功功 率发电市场中缺乏竟争力，但是它们也可以转成同步调相机运行从而提供无功功 率服务，目的是保证网络的输电能力并且在不同的负荷情况下保证系统的电压质 量。配电网则一般通过在负荷节点上安装并联电容器电抗器来改善用户的功率 因数，从而尽量减少系统为传输无功功率而付出的代价。 1 3 2 影响无功服务的技术因数 1 3 2 1 无功需求 电力系统的无功需求是多层次的。 ( 1 ) 容量需求 电网规划运行时应该提供的无功容量需求。主要应考虑的因素有： 1 ) 使用容量和备用容量 2 ) 超前容量和滞后容量 3 ) 无功容量的位置 ( 2 ) 备用需求 正常运行情况下，动态无功源不应以最大容量运行，所有同步机和s v c 等都应留有无功备用，以便无功负荷跟踪和故障后的无功供应。根据无功就 地平衡原则，备用无功应分配于各个节点，这是保证系统电压稳定的基本要 求，在价格结构中必须加以考虑( 无功的价值不同) 。无功备用水平依赖于 系统运行的状况，在特殊的情况下，无功备用的增长应i 失：- 7 - 无功输出的增长。 浙江人学硕士学能论文 ( 3 ) 使用需求 以m v a r h 量测为单位，预测系统所需的超前和滞后无功负荷，并分配到 各无功源，表1 列出了常见的无功源。 表l ：无功功率源 发出无功( 容性)吸收无功( 感性) 过励磁同步机欠励磁同步机 电容器电抗器 s v c 的容性电流s v c 的感性电流 轻载线路重载线路 电缆变压器和感性电机 ( 4 ) 响应需求 在不同的工况下，系统对无功响应的时间和速度有不同要求的，从时间 上可以划分为暂态响应，动态响应和慢速响应，其特点列于表中。 表2 ：无功响应 响应类型响应方式 作用响应时间手段 暂态响应自动系统稳定性必须短暂时廷 a v r 、s v c 等 动态响应自动无功负荷跟踪，故固定时间有载调压、同步 障后的无功供应调相机、s v c 、a v r 快速响应手动自大量无功负荷的较长时间电容器、电抗 2 茹投切 1 3 3 无功服务的特点 无功服务对于电力系统的经济、安全和可靠运行有着非常重要的作用。在电 力市场中，对于每个交易，必须提供满足可靠性要求的一定数量的无功功率，以 维持输电电压在规定的范围内。与有功服务相比，无功服务有如下特点文献 5 】： ( 1 ) 供应的地域性：由于远距离输送无功需要发电和接受点之间较大的电压 差，因此无功供应原则上应就地平衡。 ( 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， 必须依赖于该节点的电压控制。 0 浙江大学硕士学位论史 ( 3 ) 手段的多样性有功只能由发电机提供不同，无功除了发电机外，还可以 由调相机和静止无功补偿器甚至输电线路等无功源提供。 ( 4 ) 分析的复杂性：有功的费用主要是发电费用，而无功运行费用很小但投资 费用很大，分析起来比较复杂。 无功服务的特点决定了对无功的管理必须规范化，科学化，对无功成本要进 行详细分析。同时。由于发电和输电的分离，无功成本也应对不同的服务进行具 体的分析，区分各无功源的无功生产成本和输电系统的无功输电成本。因此，无 功定价必须协调多种相互关联的甚至相互矛盾的目标函数，如维持系统可靠性， 为系统扩建提供正确的经济信号，简化管理过程和保证用户间的平等等。 1 3 4 无功功率服务市场 在以往一体亿的电力公司中，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 定无功服务的份格、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。 目前，无功功率服务一般通过以下的方法提供： ( 1 ) 强制性免费服务一一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 f f ) 一一无功功率服务成本通过一定的费率从电价中回收。 ( 3 ) 双边合同一供需双方自由制定无功功率服务合同。 ( 4 ) 竟标市场一通过市场竟标机制实现无功功率服务交易。 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昀特点，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，较难建立全网范围肉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，也增加了建立市场的难度。 从长远来看，建立公平竞争的地区性无功服务竟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。在如何保证市场的竞争性上， 浙江人学硕上学位论文 一些可行的解决方案包括： ( 1 ) 在各个地区开放安装无功补偿设备的权力，从而取消无功服务的地域性 贸易壁垒，保证所有服务商都能够在各地区安装无功补偿设备参与当地的无功服 务市场竞争。 ( 2 ) 增加无功服务合同的期限，如要求竟标的无功服务合同必须在3 年以上， 从而让无功服务的提供商有足够时间在服务区域建立自己的无功补偿设备。 ( 3 ) 建立完善的市场监督管理机制和制定合理的无功服务价格，保证市场健 康发展。 1 3 4 1 无功市场构成及特点 买方：电网公司或其下属部门。买方对无功市场的要求： ( 1 ) 一个真正竞争的市场机制； ( 2 ) 无功供应有可靠的保障； ( 3 ) 没有任何一个无功供应者可垄断市场。 卖方：无功市场潜在的卖主。如：发电厂；电网公司( 作为线路、变压器、 s v c 、电容电抗器的所有者) ；同步调相机的所有者；安装自动切负荷或功率因 数校正设备的用户。 无功市场的特点： ( 1 ) 电网公司作为单一的无功购买者，既购买无功容量又购买无功功率； ( 2 ) 无功生产的费用与无功的价值有很大的不同； ( 3 ) 无功设备投资较大； ( 4 ) 发电厂的无功费用必须从无功容量收费和使用费用中得到完全补偿； ( 5 ) 有功的收入与无功的收入关系不大； ( 6 ) 地区内的无功供应是有限度的竞争。 1 3 4 2 无功市场模式 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。 ( 1 ) 无功电价必须满足的目标 i ，无功的供应者的费用应得到补偿( 包括适当的利润) ； 2 ，为降低无功服务的总费用提供动力； 浙江入学硕士学位论文 3 ，能保证和提高无功服务水平； 4 ，在任何时刻都能保证充足的无功供应； 5 ，价格不能超过无功的价值或少于提供无功服务的费用。 有些国家( 如英国) 为确保充足的无功供应，规定入网的各电厂其功率因数 必须能够达到0 8 5 ( 滞后) ，而不论系统需要与否。这种方式在电力市场初期都 是较好的方法，但会导致过度的投资，造成系统的无功容量过剩，造成投资的浪 费。因此需要建立一种更符合上述曰标的无功市场机制。 1 。3 。4 。3 无功市场的机裁特征 ( 1 ) 对无功费用的补偿应包括容量和功率两方面； ( 2 ) 所有的无功供应者应与电网公司签订无功供应合同； ( 3 ) 电网规约中，不硬性规定无功容量( 功率因数) 的值； ( 4 ) 电网公司的无功补偿设备与其它的无功供应者同等对待； ( 5 ) 电网公司应对无功的买卖建立单独帐目。 措施： 由于无功的地域性，电网公司应对无功进行分区管理，以减少无功管理的困 难，但必须防止因此而导致的地区性垄断。为此，可行的措施有： ( 1 ) 补偿设备提供的无功容量应有一个中期价格上限； ( 2 ) 如果供应者有垄断行为，管理机构应有相应的处罚措施。 1 3 5 一些国家的无功功率服务 a 英国e n g l a n d & w a l e s 电力市场无功服务 英国电力市场同时有强制性和通过市场交易的无功功率服务。英国 e n g l a n d & w a l e s 电网管理条例要求大于5 0 m w 的发电机都有在0 8 5 的滞后功率因 数和o 9 5 的超前功率因数之间运行的能力。 目前英国市场中的发电机通过竞标市场和费率的方式来回收无功功率成本。 费率是英国电力市场中较早期的定价方式，包括无功功率电能费用和区域性的无 功功率容量费用，其中区域性的容量费用是根据各区域对超前和滞后的无功功率 需求来制定的。在具有多余发电容量的英国北部，无功功率容量费用接近于零； 而在缺乏无功的地区该容量费用则非常大。 无功功率服务的竞标市场是由n g c 管理的。n 6 c 每半年举行一次无功功率服 渐t 丁人学坝l 学位论文 务竞标，内容包括无功功率电能投标和无功功率容量投标。所有的合同期限都必 须在一年以上，并以半年为单位时间长度。 英国的电力市场的无功功* - f l g t 务交易方式正在逐步改变，可以相信不久英国 将取消无功功率的强制服务，而代替以单一的无功功率服务市场。 b 挪威电力市场无功服务 在挪威，系统主要通过强制手段获得无功功率服务。系统可以免费使用所有 运行在0 9 2 8 滞后功率因数和0 9 8 超前功率因数的发电机的无功功率出力。如 果超出这个范围的话，系统则支付给发电机一定的费用，另外，挪威电网对电厂 无功功率的备用不支付任何费用。 c 西班牙电力市场无功服务 1 9 9 7 年西班牙电力法确定了辅助服务的概念并且把它与电力生产区分开 来，由系统运行人员负责辅助服务的管理。类似挪威的电力市场，西班牙电网对 一部分因系统安全要求而必须的无功功率采用向电厂强制免费获取的方式，而对 这之外的无功功率采用付费获取的方式。对于所有大于3 0 i v 偈的发电机，系统强 制要求免费提供在0 9 8 9 滞后功率因数和0 9 8 9 超前功率因数之间发出的无功功 率。 目前有关辅助服务的一些管理条例还正在出政府部门进行审批。这些管理条 例规定了无功功率服务发提供者包括：系统中所有大于3 0 m w 的发电机、输电公 司、具有15 m w 自备发电能力的用户；具有电压控制能力的配电公司等。管理条 侧针对电压控制还规定了系统运行爨的责任： 1 ，定系统中需要进行电压监控的母线； 2 ，据系统运行需要向电力公司发出调度指令； 3 ，对无功功率服务的提供者进行准确曲计量，以完成财务结算工作； 4 ，在系统紧急情况下提供其它手段保证安全运行。 对于超过系统安金要求的其它无功功率容量( 包括无功功率备用容量和实际 出匀) 系统将对提供者支付一定的费用。费用的大小由管理部门裁定。 1 4 电力市场的定价问题 电力市场中的定价方法一直是国际上电力市场研究的主要问题之一。随着电 1 4 浙江人学硕士学位论文 力市场的发展，辅助服务不可避免地逐渐走向市场化的道路，从而发展辅助服务 的定价方法也逐渐成为一个重要的研究课题。在这样的背景下，本文对电力市场 中无功服务的定价问题进行了深入的研究，以期提出一种能在市场条件下应用且 较具合理性的无功定价方法。 1 4 1 价格 价格作为一个平衡市场供需关系的工具，和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制定出来的价格必须具有以 下两个功能： ( 1 ) 能够保证生产成本的有效回收、生产者的扩大再生产和合理的利润； ( 2 ) 能够提供一定的经济信息，具有平衡市场供需的功能。 总的来说，定价方法一般分为会计学定价方法和经济学定价方法两大类。会 计学方法以回收成本为根本目的，即根据生产总成本和应得利润的大小制定出相 应的电价。因而，会计学定价方法的特点是静态的平衡和基于历史数据的统计平 均。不同子会计学定价方法，经济学定价方法是以最优化配置资源为目的，根据 系统的边际成本制定电价。它的特点是能够调节市场供需平衡并达到总体效益最 优。由于这两种方法各具特点，在实际应用中都得到了较为广泛的应用。在研究 电力市场中的价格的时候也都离不开这两大类方法。 另外，定价方法如果按时间长度来分有长期和短期两种。在电力市场中，对 有功功率来说主要涉及的是短期电力交易，因此大部分的定价方法都与短期合同 价格有关。而对其它一些服务来说，可能较多采用长期的定价方法。应当指出， 除了和时间相关联的一些因素对长期合同价格产生影响之外，长期合同价格和短 期合同价格的机理本质上没有太大的区别，所以短期定价方法可以同样推广应用 到长期定价中。 本文中的讨论一般是指短期的无功定价方法。 1 4 2 电力市场中有功功率的定价方法 由于电力市场中最主要的商品是有功功率电能，所以自八十年代来国际上 对有功功率的定价方法进行了大量的研究。有功电价的制定过程中主要考虑两个 因素，即发电费用和输电费用。 h 有功发电费用 浙江夫学硕j 学位论文 在电力市场中，某个发电机的有功发电费用印为该发电机的报价曲线，也就 是发电出力一价格曲线，由发电厂自行制定。如果架设所有的发电厂都以最大化 其利润为目标，则在理想情况下有功发电费用为发电机的边际成本。不过由于市 场一般不能达到完全竞争的状态，容易被少数几个发电公司所影响( 寡头垄断) ， 所以发电厂可以通过一定的竟投策略( r i d d i n gs t r a t e g y ) ，即改变发电机的报 价曲线使其偏离边际成本，从而达到增加其利润的目的。 b 有功输电费用 对于输电费用，常用的有边际成本法( 即经济学定价方法) 和综合成本法( 即 会计学定价方法) 两种。 输电边际成本的数值等于网络传输量的单位增加所导致的成本，即边际稠损 成本和网络拥挤成本等。输电边际成本可以通过计算网络中节点的边际成本得 到。首先进行最优化潮流( o p f ) 计算，其中优化目标是使系统总成本最小，约 束包括潮流等式约束、网络传输约束、安全性约束、发电机出力约束等等。o f f 中每个节点等式约束相应的l a g r a n g e 乘子计算结果即为节点边际成本。任意两 个节点之间的输电价格等于这两个节点的边际成本之差。 输电综合成本 3 5 】文献的基本特点是将所有的网络输电成本( 又称嵌入成 本，如网损费用、电网设备折旧费用等等) 累计起来然后分摊在每一项输电交易 中。根据分摊算法的不同，又分为合同路径法、邮票法、边界潮流法、m w m i l e 、 逐线计算法等等。输电综合成本法的优点是计算简单，价格稳定，并且能够保证 成本回收和一定的利润率。 c 有功电价 采用经济学定价方法的有功电价为相应节点处的有功实时电价，其数值可以 通过计算带约束的o p f 文献【9 、4 5 、4 3 得到。节点的有功实时电价一般包括系 统有功发电边际成本、发电机出力约束边际成本、网损边际成本、网络拥挤边际 成本等。通过修改o p e 的目标函数和约束条件，还可以得到考虑其它各种因素下 的有功实时电价。 采用会计学定价方法的有功电价为分摊相应负荷节点上的有功发电费用和 输电费用，其计算方法相对实时电价要简单得多。根据成本分摊方法的不同，可 以得到不同的有功电价。 1 6 浙江大学硕 学位论文 1 4 3 电力市场中无功功率服务的定价方法 传统的电力工业中，系统提供的无功服务一般通过两种途径回收：一种是作 为输电成本在电费中回收；另一种是对工业用户或其他大用户根据功率因数进行 收费，当用户的功率因数低于一定值时，以收取罚金的形式来回收无功服务的成 本并鼓励用户改善其功率因数。在电力市场中，属于系统辅助服务之一的无功服 务的合理收费成为一个新的研究课题，因为传统的收费方法已经不能适用于市场 环境下计费”公平、公正、公开”的要求。 无功服务作为辅助服务的一种，其价格问题一直以来都没有受到足够的重 视，而大多数的研究重点都放在了电力市场中的主要商品一有功功率的价格问题 上。国内外学者对无功价格的研究大约在九十年代初期开始逐渐深入，并着重在 无功实时电价的研究上。 无功实时电价 由于研究有功实时电价时所采用的d c 潮流模型不再适用于无功价格的研 究，m l b a u g h m a b i 等在文献【7 、9 、17 ，1 8 、2 1 的基础上首先采用了基于a c 潮 流的0 p f 模型，将有功实时电价的概念和计算推广到了无功实时电价中。不过， 文献【2 8 】在o p f 模型中认为发电机的无功生产成本等于零，因此当发电机的无功 功率出力没有越限时，该节点的无功功率实时电价为零，从而使无功容量大的发 电机反而无法获得任何无功服务报酬，不利于无功服务市场的形成。针对这个问 题，文献提出了一种基于解耦0 p f 的有功和无功实时电价方法。文献 2 7 ，2 s 从总体上讨论了无功服务的内容，提出了解决无功服务定价问题的若干可行方 法。 总的来说，前面介绍的文献在无功实时电价的研究中都没有很好地解决一个 问题，即如何确定无功生产成本。目为发电机曲无功生产基本上不引起任何额外 的运行费用，所以多数文献都忽略了无功生产成本，因而得到的无功实时电价缺 乏合理性。另外，虽然文献【4 9 】中提出了用二次函数来近似计算无功生产成本， 但是这种方法也缺乏足够的依据。 经济学理论认为企业的生产成本应该包括显性成本和隐性成本两种。尽管发 电机无功功率的生产不具有任何显性成本( 即燃料成本) ，但是发电机的无功输 出会间接导致发电机有功容量的减少，从而使发电视无法获得这部分减少的有功 浙江大学硕上学位论文 容量所可能创造的利润，这种损失应当就是无功生产的隐性成本，或称为无功机 会成本。 文献4 9 首先提出了发电机的无功机会成本的概念，并给出了一个机会 成本的计算方法。不过，由于机会成本要根据实时市场中的需求关系和其它相关 的市场经济信息才能确定，因此计算复杂且带有很大的不确定性，在实际应用中 有较大的困难。 1 5 本文的工作 通过对近年来发表的学术资料研究和本人在电力系统的工作经验，把本论文 将针对发电侧电力市场无功辅助服务展开几个方面的研究： 1 ，介绍我国和其它一些过国家电力市场辅助服务的现状； 2 ，讨论无功辅助服务的内容、性质及无功服务获取的方式； 3 ，从经济学角度和工程技术角度对无功发电和无功输电成本进行分析： 4 ，通过等效无功补偿法( e r c ) 对无功价值进行研究。并对浙江温州局部电 网中的发电机组无功价值进行潮流计算； 5 ，以实例计算无功灵敏度系数，并指导调度运行工作； 6 ，针对目前国内发电侧电力市场，提出发电侧无功市场框架和基于无功价 值基础上的有功发电损失折算无功电价的无功服务定价方法。并结合目 前浙南电网的实例进行对比分析； 7 ，对今后的无功实时电价进行研究推导。 浙江大学颁十学位论文 第二章无功辅助服务的定价及其方法 2 1 无功电价体制和无功市场框架 2 1 1 无功电价体制 在电力市场中，可提供无功服务的无功源有发电机、同步调相机、s v c 静 止补偿器、并联电容器组、电抗器等。目前它们分别归属于发电厂和电网公司。 因此，无功辅助服务的电价体制至少要分3 个层面：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。 f 1 ) 发电市场层面的发电无功电价，是由电力市场交易管理部门或电网公司 向无功服务提供者，即向发电厂支付购买无功价格。发电机即可发出有功，也可 发出无功，但生产的主要产品是有功电量，无功电量是副产品，因而难以确定哪 一部分为有功设备投资，哪一部分是无功设备投资。鉴于发电无功容量投资和有 功发电容量投资密不可分，建议无功电价采用一部制电价，不计及无功容量电价， 无功电源建设的投资回报在无功电量电费中体现。 ( 2 ) 输电市场层面的无功服务电价，包括无功输电服务电价和无功补偿服务 电价2 类，电网中可看作无功源的有并联电容器组、s v c 静止补偿器、同步调 相机、电抗器，甚至还有电缆，轻负荷线路等。其中电缆和轻负荷线路所提供的 无功难以控制，且常常对系统电压安全不利，将线路产生的无功按对系统电压安 全的影响分为有利无功和不利无功，其作用应和电网中的其它无功补偿设备所提 供的服务综合考虑，而不单独考虑其费用问题。并联电容器组、电抗器、s v c 等可向用户提供容性或感性无功，这类无功服务( 包含上述的电缆、轻载线路产 生的有利无功) 在此称为无功补偿服务，应从用户支付的无功电费中得到补偿， 相应的电价称为无功补偿服务电价；另一方面是对电网输电设备在输送有功电量 的过程中( 感性或容性) 无功损耗( 也包括上述的电缆、轻载线路生产的不利无 功) 进行补偿，这类无功服务和有功服务密不可分，在此称为无功输电服务，其 回报应在有功输电服务费中综合考