（电力系统及其自动化专业论文）计及无功资源价值的无功辅助服务定价研究.pdf

顽卜论文 计及无功资源价值的无功辅助服务定价研究 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 fa n c i l l a r ys e r v i c ei nt h ep o w e rm a r k e t w i t h t h ed e e pd e v e l o p m e n to fr e f o r m a t i o nt ot h ep o w e rm 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 ea n dt h em e t h o do fp r i c i n gr e a c t i v ep o w e rh a sb e c o m eah i g h l i g h tt o p i c t h e q u e s t i o ni sf o c u s e do nh o w t og e tt h ep r o p e rr e a c t i v ep o w e rp r i c e ，b e c a u s et h ep r o p e rp r i c e c a l lm e e tt h ep r o f i t so fb o t ht h er e a c t i v ep o w e rp r o d u c e r sa n dp u r c h a s e r s ，e n c o u r a g et h e c o m p e t i t i o na m o n gt h er e a c t i v ep o w e rp r o d u c e r s ，r e d u c et h ep r o d u c t i o nc o s la n df o r mt h e r e g u l a t i o no f r e a c t i v es o u r c e si n v e s t i g a t i o na n de f f i c i e n tu s eo f d e v i e e s t h i sp a p e ra d d r e s s e st h ec o n t e n ta n di t e m so fr e a c t i v ep o w e rs e r v i c ea n dr e a c t i v e p o w e rm a r k e t o b j e c t sw h i c hr e a c t i v ep o w e rp r i c es h o u l da t t a i ni nm a k i n gi ta r ep r o p o s e d t h r e ef a c e t so ft h ep r i c es y s t e ma r ea n a l y z e di nr e a c t i v ep o w e rm a r k e t b a s e do nt h e o p e r a t i o na r e ao fg e n e r a t o r s ，t h ep a p e rg i v e st h ea n a l y s i st oc o s to ft h er e a c t i v ep o w e ro f s y n c h r o n i s mg e n e r a t o r sa n dt h er e a c t i v ec o m p e n s a t i o nd e v i c e r e a c t i v ep o w e rv a l u ei s s t u d i e d t h r e em e t h o d sh a v e b e e nu s e dt om e a s u r et h ev a l u eo fr e a c t i v ep o w e ra n dt h e s e w a y sa r ec o m p a r e di ns e v e r a la s p e c t s t h em e t h o do fe r ci si m p r o v e dt om e a s u r et h e d i f f e r e n c ea m o n gr e a c t i v er e s o u r c e s t h ed e m o n s t r a t i o ni nt h es i m u l a t i o ns h o w st h a tt h e i m p r o v e m e n tg i v e sab e t t e rw a yt oa s s e s st h ev a l u eo fr e a c t i v er e s o u r c e s a na v e r a g e m e t h o di sp r o p o s e dt od e f i n er e a c t i v ev a l u ef a c t o r sw h i c ha l ei n t r o d u c e dt ot h eo p fm o d e l t h e nt h ep r i c i n gm o d e lo fr e a c t i v ep o w e ri sp r e s e n t e dw h i c hi n v o l v e sb o t hr e a c t i v ep o w e r c o s ta n da d j u s t m e n to f r e a c t i v ep o w e rv a l u ef a c t o r s t h es i m u l a t i o nr e s u l ti nt h ew a l d - h a l e 6 - b u ss y s t e ma n di e e e1 4 - b u ss y s t e ms h o w st h i sm o d e lm a k e st h es y s t e mg e tm o r e r e a c t i v ep o w e rf r o mg e n e r a t i o n st h a th a v el a r g e rv a l u ea n di ta l s od o e s n ti n c r e a s er e a c t i v e p r o c u r i n gc o s ta n dl o s s k e yw o r d s ：p o w e rm 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 l u eo fr e a c t i v e p o w e r , t h ep r i c i n go f r e a c t i v ep o w e r 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 。 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： z 卯，年石月2 0 日 硕士论文计及无功资源价值的无功辅助服务定价研究 1 绪论 1 1 背景 1 1 1 电力市场概述 t 当前，电力工业引入竞争、实行商业化运行的浪潮席卷全球，世界各国的电力工 业都在进行不同程度的改革。随着电力系统的迅速发展，电力工业高度垄断的负面影 响逐渐体现出来，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。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 o r s ，简称i s o ) 和交易机构( p o w e re x c h a n g e ， 简称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 “。 ； 推行电力i 订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。 电力市场的蓬勃发展不仅对电力工业的管理体制产生巨大的变革，而且对电力系 统运行的各个环节提出了许多亟待解决的、新的技术经济问题。在开放的环境下，需 要有不同的电力服务来满足不同用户的需求以及电力市场竞争的需要。电力服务总的 来说可以分为以下三类：发电服务( g e n e r a t i o n s e r v i c e s ) 、输电服务( t r a n s m i s s i o n s e r v i c e s ) 和辅助服务( a n c i l l a r ys e r v i c e s ) 。在电力市场环境下，辅助服务是电力 市场的重要组成部分，理应围绕市场有所竞争，为此，需要某种机制来刺激市场参与 者提供辅助服务和确保他们有足够的收益。辅助服务指标的量化、成本分析及其定价 是一个急待解决的问题”。 “ 无功辅助服务是电力辅助服务市场的一个重要组成部分，与有功功率主市场相 硕士论文计及无功资源价值的无功辅助服务定价研究 比，有的电力市场通过强制性手段获得发电厂提供的无功，但目前大多数国家更倾向 于建立相应的无功市场来提供商业化的无功辅助服务。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合的方式，通常这两种获得方式互为补 充，如英国e n g l a n d & w a l e s 无功市场，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。 1 1 2 国内电力市场的发展 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，开始了我国电力市场的尝试。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。2 0 0 3 年开始全国范围内的电力体制改革，首先以六省市为试点，以“厂网 分家，竞价上网”为原则把发电企业和电网分开，实行发电侧开放的电力市场，具体 要求是总体设计、分步实施、积极稳妥、配套推进，分阶段地完成改革任务。 电力体制改革的总体目标是，打破垄断，引入竞争，提高效率，降低成本，健全 电价机制，优化资源配置，促进电力发展，推进全国联网，构建政府监管下的政企分 开、公平竞争、开放有序、健康发展的电力市场体系“1 。电力体制改革的主要内容是， 为在发电环节引入竞争机制，首先要实现“厂网分开”，将国家电力公司管理的电力 资产按照发电和电网两类业务进行划分。 发电环节按照现代企业制度要求，将国家电力公司管理的发电资产直接改组或重 组为规模大致相当的几个全国性的独立发电公司，逐步实行“竞价上网”，开展公平 竞争。2 0 0 3 年我国成立了国家电网公司、中国南方电网有限公司，以及中国华能集团 公司、中国大唐集团公司、中国华电集团公司、中国国电集团公司、中国电力投资集 团公司等五家发电公司。 电网环节分别设立国家电网公司和中国南方电网有限责任公司。国家电网公司下 设华北、东北、华东、华中和西北5 个区域电网公司。国家电网公司主要负责各区域 电网之间的电力交易、调度，参与跨区域电网的投资与建设：区域电网公司负责经营 管理电网，保证供电安全，规划区域电网发展，培育区域电力市场，管理电力调度交 易中心，按市场规则进行电力调度。区域内的省级电力公司改组为区域电网公司的分 公司或子公司。目标是要以合理的电价机制为核心，通过深化电力体制改革，构建起 省汲、区域级和国家级三级电力市场体系。 1 2 无功辅助服务 1 2 i 无功辅助服务的内容 2 硕士论文计及无功资源价值的无功辅助服务定价研究 一般来说，电力市场中的辅助服务是指为了保障电力系统安全、促进电力交易和 保证电力供应，由发电商提供的除正常电能生产外的额外服务”1 文献 7 认为辅助 服务包括系统备用( 含自动发电控匍j a g c ) 、无功电压控制和系统恢复服务( 含黑启 动) 文献 8 】认为辅助服务包括：频率和联络线潮流控制、电压控制和无功支持、 系统的有功无功备用和其它系统安全控制措施。文献 9 将辅助服务分为：旋转备用、 非旋转备用、a g c 、替代备用、电压支持和黑启动。文献 1 0 ，1 1 认为辅助服务包括 频率调节、旋转备用、冷备用、电压控制和无功管理。文献 1 2 ，1 3 认为辅助服务是 指那些为满足输电的可靠性和经济性要求而必须提供的服务，包括调度、电压和无功 功率控制、频率控制、各种系统备用、稳定控制等。文献 1 4 ，1 5 将输电损耗、负荷 管理也归为辅助服务内容。应该认识到在不同的电力市场中，由于电源结构、电网结 构、负荷分布和负荷特性的不同，所需要的辅助服务种类和数量均不相同n 8 1 。尽管如 此，从上述各种分类的方法中可以看出，以下三点是普遍认为的辅助服务的基本内容： 系统备用( s y s t e mr e s e r v e ) 、无功电压控制( r e a c t i r ea n dv o l t a g ec o n t r 0 1 ) 、系 统恢复服务( b l a c ks t a r t ) ，而无功电压控制无疑是一种重要的辅助服务之一。 无功辅助服务作为辅助服务中的一种，是指电机或电网中的其它无功源向系统注 入或吸收无功功率，以维持电网中的节点电压在允许范围内，以及在电力系统故障后 提供足够的无功支持以防止系统电压崩溃“7 】- 【”】电力市场中无功功率服务的作用在 于维持系统的电压在安全的水平和维持有功潮流的传送，具体来讲包括满足用户和系 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。满足负荷无功功率需求以及提供系统电压支持属于辅助服务范 畴，一般由系统运行员进行集中优化调度和控制计算，并向相应的辅助服务提供者购 买无功功率与容量和将成本分摊到用户。其目的，一是为电力系统安全稳定和优质运 行提供电压支持，二是满足用户的无功功率需求。 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 在系统轻负荷下吸收过多的系统剩余无功功率。 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。合理配黄的无功功率电源和 颂t 论文 计及无功资源价值的无功辅助服务定价研究 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 缺乏竞争力，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啪】_ 【”。 1 2 2 无功辅助服务的特点 无功辅助服务的特点主要有嘲“： 1 ) 无功一般不进行远距离输送，呈现较大的本地供应特性，而且无功的资源价 值随无功源在电力系统中的位置不同而不同，无功源响应系统无功功率需求的能力不 同，能动态响应无功功率需求的发电机、调相机更为重要，成本也相对较高； 2 ) 在厂网分开后，它们一般独立于电网经营，电网要向它们购买无功功率，发 电侧的无功采购定价主要考虑这些动态无功源； 3 ) 无功成本分为固定成本和可变成本，两者分别对应于无功生产的容量成本和 与实际供应量有关的运行成本，无功定价中，无功容量和电量都应予以考虑； 4 ) 负荷处于峰、谷时，系统的无功功率需求可能呈现完全不同的特性，发电机 发出和吸收无功都是无功服务，需要指出的是，除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。 1 2 3 无功辅助服务的获取方式 无功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。强制性的手段 多少带有一些传统电力工业的色彩，而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，随着电力市场的发展，市场手段必然会逐渐占主要地位，但不 同国家的无功辅助服务市场，具体所采用的无功获取方法并不完全相同。具体来讲， 电力市场环境下无功辅助服务的获取有如下几种方式嘲临) ： 1 ) 强制性无偿提供：系统强制性要求供方提供无功辅助服务并且没有额外的付 费，广泛地用于垂直垄断结构的电力工业中，可以降低终端用户承担的服务费用，但 它并未真正地达到了辅助服务定价机制的目标。 2 ) 按费率结算：无功辅助服务通过一定的费率从电价中回收，这种机制可使无 功服务提供者获得一定的经济收益，其主要问题是如何确定费率的比例。 3 ) 双边合同：由双方协商形成辅助服务的价格，不足之处是由于双边合同内在 封闭性，合同之外的第三方不能够得到辅助服务的价格和其他信息，因此无法据此提 4 颂士论文 计及无功资源价值的无功辅助服务定价研究 供更优质廉价的服务。 4 ) 投标市场：在这种机制下，供方按一定的技术要求进行投标，需方按照服务 水平和投标价格在供方间进行选择。 5 ) 实时竞争定价：价格通常是由市场竞争或交易协议短期提前确定的，实时定 价机制已经广泛应用于电能交易市场中，最大的缺点是操作复杂、运作它的资金消耗 是很大的。 1 2 4 国外无功辅助服务 1 2 4 i 欧洲国家的无功辅助服务 1 ) 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。英国电网管理条例 要求大于5 0 删的发电机都有在0 8 5 的滞后功率因数和0 9 5 的超前功率因数之间运 行的能力。目前荚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国家电网公司( n g c ) 管理的。n g c 每半年举行一次 无功功率服务竞标，内容包括无功功率电能投轫；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率服务交 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啪l 。 2 ) 瑞典的电力市场无功服务 瑞典电力系统具有小电站居多的特性，而且主要分布在北部，但大多数用电单位 在南部。故需长距离输送电力。由于无功不适宜长距离输送，故一般是就地提供无功 电源。s v e n s k ak r a f t n a t 拥有国家电网( 4 0 0 k v 和2 2 0 k v ) 执行i s o 的责任，同时，区 域网络公司运行子电网和配电网( 1 3 0 k ”。 瑞典是在指令的基础上提供无功，到目前为止还没有对无功服务进行经济补偿。 国家电网上的无功交换受s v e n s k ak l - a f t n a t 的指令控制，其推荐在网络中的不同地 方之间的无功潮流近似为零。s v e n s k ak r a f t n a t 有权控制直接连到国家电网的旋转 发电机提供无功。区域网络公司负责本地区的电压控制，通常情况下，区域网络运行 商尽可能使用s v c 。大型发电机很少用做二次电压调整和严重情况下的各用，这样的 发电机只在稳态运行点附近保持恒定无功输出。 3 ) 芬兰的电力市场无功服务 1 9 9 5 年芬兰出台了电力市场法放开了电力市场，1 9 9 8 年6 月成立了n o r d p o o l s 颂t - 论文计及无功瓷源价值的无功辅助服务定价研究 运营中心。芬兰i s o 负责系统电压的调节，故它需要进行无功供给。其主电网的电压 用电容器和电抗器控制，不同电压等级间的电压比率用变压器分接头进行控制。 芬兰的无功备用服务具有以下特点m 1 ：a ) 在芬兰电力系统中芬兰电网公司负责维 持适当的无功备用，这可通过它自己的无功电源和从独立电厂获得无功来满足需要， 到2 0 0 2 年出台竟价机制之前，无功备用的提供为指令性的服务，按照指导，大于1 0 m v a 的发电机在正常情况下要求维持系统无功备用：b ) 连到4 0 0 k v 电网的发电机除了维持 变压器和电厂本身消耗的无功外，其总无功容量还应满足瞬时备用和指令性用电；c ) 连到2 2 0 k v 和i i o k v 电网的发电机其指令性瞬时无功备用不应少于功率因数为0 9 时计算的无功容量的一半，其余的可用于商业服务；d ) 连到1 i o k v 以下电网的发电机， 一半的无功吸入容量被用作瞬时扰动备用和指令性用电。 1 2 4 2 美国的无功辅助服务 北美电力可靠性协会( n e r c ) 在其提交的互连电网运行服务( i o s ) 标准自皮书 中指出，只有发电机才被授权提供无功作为l o s 或辅助服务。别的实体提供的无功不 被当作l o s 因而也不会得到相应的经济补偿。但是，由运营机构协调整个系统中的静 态无功设备的使用，所有的同步发电机都被要求运行在励磁系统自动电压调节方式 下，以便在紧急情况下发电机的无功输出能力不会下降。尤其在发电机运行在高于其 额定有功运行点时保证这一点很重要，因为此时电枢电流的热极限限制了无功输出， 在这种情况下，如果发电机的端电压降落( 由于某种紧急情况) ，发电机的无功输出将 减少很多，从而使系统的稳定性遭到威胁。 1 ) 纽约的无功市场 纽约的i s o ( n y i s o ) 负责提供无功支持服务，并以隐式成本的方式付费。运行在 其容量范围内的发电机资源，由n y i s o 指导吸收或生产无功以维持电压在允许范围 内。n y i s o 通过累加提供这种服务的所有费用来计算无功成本。它包括总的年隐式成 本、任何损失的机会成本和前一年的平衡调整。年隐式成本的组成包括资源、资金投 入和用于提供无功支持的运行和维护费用。在n y i s o 指令发电机减少有功输出时，发 电机将被支付按损失的机会成本( l o c ) 计算的补偿费用。l o c 的计算基于以下几种因 素：长期边际价格( l b m p ) ；原有功调度点和新有功调度点；发电机提供无功服务的投 标曲线等。 2 ) 加利福尼亚无功市场 在加利福尼亚电力系统中i s o 获得无功支持的办法是通过与那些可靠而必须运行 的机组签订长期合同。实际的短期需求则通过提前一天在有功市场定下其电量需求。 其后，i s o 根据系统潮流分析决定无功发电的地域性需求量，并提交日电压计划给区 域内已签订合同的发电机和网络运行商。发电机被要求功率因数在滞后0 9 和超前 0 9 5 的范围内提供无功在运行于该范围之外的发电机吸收发出无功，发电机都将得 6 硕士论文计及无功瓷源价值的无功辅助服务定价研究 到经济补偿，因为它们被要求减少有功输出从而损失了机会成本。 i 2 4 3 澳大利亚的无功辅助服务 澳大利亚电力市场及其i s o ，国家电力市场管理公司( n e m m c o ) 只承认同步发电机 和同步电容器提供的无功为辅助服务，并对他们的服务进行经济补偿，所有无功辅助 服务的提供者都有资格获得经济补偿。同步补偿器在其服务被i s o 采用时可进一步获 得授权付费；另一方面，由于市场决策而使发电机有功出力受到约束时，基于机会成 本，发电机将获得补偿费用。 1 3 无功辅助服务定价问题 1 3 1 无功定价的研究意义 无功电压调整是保证电力系统安全、稳定运行的前提条件之一，电力市场中， 无功输出作为一种辅助服务，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。 电力系统中，发电机既是有功电源，同时也是无功及电压支持的蘑要设备。在传 统的垂直垄断的电力工业中，发电、输电、配电、供电部属于同一电力公司，电力公 司运营的日标就是在满足安全运行的条件下使总成本最小；发电机提供电能还足辅助 服务完全由系统调度员决定，调度员可以命令电厂无偿提供诸如自动发电控制、备用 容量等辅助服务，不存在单独核算辅助服务的成本和单独计费的问题。但在电力市场 环境下，大多数辅助服务是由生产电能的同样设备一发电机提供的，发电和提供辅助 服务紧密联系，发电商为提供辅助服务有成本支出，如设备投资、因放弃在其他市场 中的收益而导致的机会成本等，作为独立的经济实体，不愿无偿提供辅助服务，同 时希望每种服务都应有明确的定价。因此，没有辅助服务的额外付费，很难保证系统 得到充足的辅助服务，也就难以保障电力系统安全、促进电力交易和保证电力供应， 建立合理的辅助服务定价机制是必要的。 另外，对无功服务的成本进行分析，以及评估无功资源的价值并制定合理的无功 价格，对整个系统的运行和经营具有重要作用。这表现在o ”1 ：a ) 通过无功辅助服 务的额外付费以保证系统得到充足的辅助服务，可以改善电压波形，提高电能质量， 也提高输电服务质量。b ) 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。c ) 从长期利益来看，在我国这样一个发展中国家资 金不十分充足的情况下实行电力市场，应通过从经济学角度分析无功优化配置，可以 减少不必要的无功补偿设备投资。d ) 可以正确地反映系统实际运行情况，更好地划分 电力市场各参与者责任与权利，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。 在我国初级电力市场中，为调动发电厂参与无功电压调整的积极性，确保系统 7 硕士论文计及无功资源价值的无功辅助服务定价研究 安全稳定运行。必须改变传统的只对有功计价。而不对无功计价的计费办法。无功功 率的购买价格应为辅助服务提供者提供经济补偿和激励信息，同时在用户i 丑j 合理分摊 成本，这其中有一系列的问题需要解决，譬如：如何优化动态无功源( 如发电机、调 相机) 的无功功率供应以满足用户对无功功率的需求，同时使计及资源价值因素的无 功功率成本最小；如何分析、计算电压控制的成本；如何把无功和电压辅助服务的成 本迸一步合理分摊到用户( 或交易) 嘲一l 掰。 1 3 2 无功定价方法 价格作为一个平衡市场供需关系的工具，是和整个市场的结构和运营机制息息相 关的，价格是市场经济的重要基础。一个合理的定价方案制定出来的价格必须具备以 下两个功能：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；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，无功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 于会计学定价方法，经济学定价方法足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啪1 。 另外，定价方法如果按时间长度来分有长期( l o n g r u n ) 和短期( s h o r t r u n ) 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( 未来2 4 小时和未来l 小时) ，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( 如电网规划) 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汹1 。论文中讨论的是短期 的定价方法。 此外研究无功辅助服务的定价方法，还必须考虑到无功定价中一些特点啪“”： 1 ) 无功辅助服务研究的实质是研究电力系统运行中无功电压控制手段对电力系 统总的运行水平的影响，有其安全性、经济性的考虑，而对这种控制手段给予相应的 经济价格，这在实际上是比较难以量化的。 2 ) 各国的国情不同，软硬件发展水平不尽相同，不可能建立一种类似于有功发 电计划那样一种各国大致相似的无功算法，一般都是根据自己的实际情况，制定相应 的算法和定价策略。 3 ) 由于电网结构的不同，无功辅助服务在电网中起的作用不同。对于无功电源 比较充足的电网，无功电压控制比较容易，也不会再大量投资设置无功新设备，无 颂士论文 计及无功资源价值的无功辅助服务定价研究 功的电价波动自然也不会很大，相反，对于无功比较缺乏的地区，无功电源有限，无 功电压调节显得比较重要。对于功率因数过低的用户，无功电价变化幅度将较大，无 功电价的算法将对电力的生产和运行消费有很大的影响。 1 3 3 无功定价研究现状 对于无功定价问题的研究始于2 0 世纪8 0 年代末期，其研究主流是以实时电价理 论为基础进行推广和发展的。传统的实时电价理论采用经济调度和直流潮流模型，没 有考虑无功功率和其他辅助服务“”1 ”。1 9 9 1 年，b a u g h m a n 在实时电价理论的基础上， 首先研究了无功实时电价问题，采用了以交流潮流为基础的最优潮流( o p f ) 模型，将 有功实时电价的概念和计算过程推广到了无功实时电价，并明确指出了在最优潮流收 敛时分别对应于有功和无功潮流平衡方程的拉格朗日乘子 。和x 。分别为节点i 上的 有功和无功实时电价，从而说明o p f 是计算实时电价的一个重要工具“7 h 。 早期的无功定价研究采用了与有功定价类似的方法。文献 5 0 ，5 13 运用最优潮流 ( o p f ) 确定有功、无功的实时电价：文献 5 2 引入了无功功率的发电成本和无功补偿 器成本之后，运用最优潮流方法，分析了各种不同的优化目标及不同的约束条件对无 功电价的影响；文献 5 3 将有功转运的概念引入无功定价中。文献 5 4 考虑实时有功、 无功电价模型，采用有功和无功经济调度模型约束的乘子及系统的运行状态表示实时 电价，并用二次规划法求解。这些研究大多都没有考虑无功的特点，无功服务定价仅 仅是简单套用有功定价的模式，因此其分析方法并不十分合理嘟】- 【”。文献 3 8 3 认为 无功发电成本是由于发电机增加无功出力而损失的有功发电出力所对应的利润，文献 5 8 对各种无功电源的直接和间接成本进行了详尽分析：文献 5 9 在分析发电机无功 成本的基础上，提出了一种无功价格结构和相应的无功定价算法；文献 6 0 ，6 1 给出 了同时考虑无功容量和消耗量的无功定价算法；文献 6 2 3 分析了无功边际电价各分量 的物理意义，并提出无功市场的概念性框架。这一系列研究的特点是，从成本角度出 发探讨无功市场和无功定价，但主要只考虑发电机这一无功源的成本。需要指出的是， 除发电机和调相机等动态无功源外，输电网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，因此无功补偿装置的成本也应当予以适当考虑，并适 当分摊到用户。文献 3 8 ，3 9 提出了按投资总额的折旧率来计算电容器组等的显形成 本。 上述方法多采用的是基于边际成本的经济学方法和实时电价理论，文献 6 3 指出 实时电价收费获得的收入可能会较大地偏离实际运行成本，文献 6 4 指出实时电价对 系统结构参数和运行工况较敏感，导致短时间内因系统运行的轻微变化而出现较大波 动，且计算较复杂，不易收敛，在实际大规模电力系统中应用有一定的难度。因此另 一类研究采用的是基于综合成本的会计学方法，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。综合成本法的优点是计算 9 颂t 论文计及无功资源价值的无功辅助服务定价研究 简单，价格稳定，并能够保证成本回收和一定的利润率，而采用最多的是潮流跟踪的 方法汹”脚1 。文献 6 9 将矩阵法用于潮流跟踪，同时建立了基于潮流跟踪的电力市场 有功电价、无功电价的计算方法，文献 6 4 利用无功功率潮流组成分析的结果，对系 统中的无功功率发电成本和无功功率传输成本进行分摊，最后得到负荷应该支付的无 功服务费用。 由此可见，早期研究无功服务定价仅仅是简单套用有功定价的模式，因此其分析 方法并不十分合理，而从成本角度出发探讨无功市场和无功服务定价，考虑到了无功 辅助服务应获得的经济补偿，但是并没有体现出无功辅助服务对电力系统安全运行和 促进电力交易的贡献”。 无功电压控制对电力系统安全运行和电力市场中实现有功能量交易起着至关重 要的作用，无功源的资源价值就是无功源对于维护系统电压安全性和维持有功潮流传 送的贡献大小。但目前的研究大多仅从无功辅助服务成本角度出发探讨无功市场和无 功定价，这种作用并没有从经济上给予明确的反映，无功的价值与价格严重背离”。 由于电网中不同位置不同种类的无功电源所提供的无功功率对电网的贡献不同( 即资 源价值不同) ，使无功电价不能像有功电价一样仅由成本( 无功的投资成本或机会成 本) 来决定，还应体现无功源对系统安全运行的贡献。文献e t l 在发电侧采购定价 中考虑了无功资源价值的因素，利用无功源的资源价值因子对计算无功实时定价的最 优潮流目标函数进行了修正；文献 7 2 则提出了一种基于潮流计算的判断无功资源价 值大小的方法，并在无功实时定价中考虑了无功资源价值对于定价的影响；文献 7 3 ， 7 4 指出，电网不同位置的无功源提供的无功功率对电网的价值有很大不同，并提出 等效无功补偿方法来确定动态无功源在电网中的资源价值；文献 7 5 归纳和比较了几 种确定无功资源价值的方法，即电压灵敏度法、p v 曲线法、等效无功补偿法和备用发 电机法。无功的资源价值从本质上来说是无功电源相对重要性的量度，与电网结构、 无功电源所处的位置及系统的运行状态有关，与无功电源的成本没有直接关系。有的 无功电源可能成本很高，但资源价值很低，它对系统的无功支持作用就很小。 总的来说，如何合理获取无功辅助并适当定价已引起了越来越多的关注，国内外 在这方面已做过不少研究工作，但对无功实时电价算法的研究较多，对无功服务获取 机制的研究较少：对发电机的成本与作用考虑较多，而对无功补偿装置的成本及贡献 考虑较少：对无功生产成本的分析较多，对无功资源价值的考虑不足。 1 4 论文的主要工作 论文针对电力市场环境下无功辅助服务的定价问题进行了研究，主要工作包括以 下几个方面： 1 ) 分析了电力市场中无功辅助服务的内容、特点、获取方式以及无功辅助服务 1 0 硕 论文计及无功资源价值的无功辅助服务定价研究 定价的国内外研究现状。 2 ) 分析了无功辅助服务市场的构成主体、电价体制、交易模式以及无功功率平 衡问题，确定了论文无功辅助服务定价研究的无功市场环境。 3 ) 分析了电力系统中各种无功源的成本计算问题。结合同步发电机的功率特性 和运行区域对发电机的无功生产成本进行了研究，同时也分析了电容器和同步调相机 无功生产成本的计算。 4 ) 研究了电力系统中无功源的资源价值问题，对p v 曲线法、无功备用法、等效 无功补偿法三种评估无功资源价值大小的方法进行了深入比较，提出了改进的无功等 效补偿法并结合算例进行了仿真，结果表明改进后的方法使等效无功补偿分布反映了 系统负荷的分布，提高了无功资源价值评估效果。 5 ) 提出了一种平均值法将无功资源价值的判断指标转化为无功资源价值因子， 并将其引入到最优潮流模型的目标函数中，建立了无功资源价值和无功成本一并考虑 情况下的无功实时定价模型，结合a l d h a l e 六节点和i e e e l 4 节点系统进行了仿真分 析，结果表明在考虑各无功源的无功资源价值以后，系统从无功资源价值大的无功源 采购了更多的无功以满足系统要求，提高了系统电能传输的安全性和稳定性，整个系 统的无功更接近于就地补偿，而同时也没有造成无功采购成本和网损的增加。 颂。f - 论文计及无功资源价值的无功辅助服务定价研究 2 无功辅助服务市场和无功生产成本 2 1 无功市场的构成主体与无功功率平衡 2 i 1 无功市场的构成主体 一个完整的电力市场的构成首先必须具备买方和卖方，市场买卖双方的行为构成 了竞争市场的主体。 需要无功的买方为：一般用户，电网公司及供电公司。买方需要一个合适的能正 确反映市场需求的价格信号，无功的供应应有可靠的保证；鉴于无功供应的区域性， 无功虽是区域供应，但不应由此而出现垄断价格。如英国的国家电网公司的无功购买 由其下属的辅助服务部门负责。买方对无功市场的要求是：一个真正竞争的市场机制， 无功供应应有可靠的保障，没有任何一个无功供应者有垄断市场的能力1 。 因为有功的传输离不开无功的支持，无功的卖方可以是发电公司、电网公司( 作 为线路、变压器、静止无功补偿器、电容电抗器的所有者) 、供电公司、无功补偿设 备的拥有者( 其中也可以是用户或设备投资者) 。电力系统可以看作无功源的有发电 机、并联电容器组、s v c 静止补偿器、同步调相机、电抗器等。许多国家把发电机或 者加上少许电容器作为单一的无功补偿对象，这是有局限性的，并非一视同仁的市场 行为。这里我们强调所有的无功供给者都应该参与竞争，以调动所有的市场热情，但 具体执行情况应遵循每个国家或地区的实际情况而定，最好走计划与市场相结合的道 路，以促进电力系统的安全和可靠性。 2 1 。2 无功功率平衡 电网中各节点的电压水平对系统的安全运行至关重要。电压水平与频率不同之处 是全系统的频率处处相同，而电压水平则处处不同。由于引起线路电压损耗的主要原 因是无功功率的传输，因此保持区域内发出和消耗无功大致相等，减少区域间线路无 功功率的传输量，是保证系统电压水平最有效的手段。 2 1 2 1 无功功率源 无功功率电源可分为动态无功源和静态无功源两种。动态无功源是指那些可以在 短时间内快速控制无功功率出力的无功电源设备，包括发电机、调相机和静止无功补 偿器等。静态无功源则不具备动态控制出力的能力，包括并联电容器、并联电抗器等 设备。电力系统规划和运行人员可以调节多种设备向系统注入、吸收或者强制改变无 功潮流来实现电压控制。这些设备在响应速度、控制的连续性、对系统电压变化的响 应、容量以及运行费用等各性能上存在较大差异汹。 2 1 2 2 无功功率负荷 各种用电设备中，除相对量很小的自炽等照明和电热设备仅消耗有功功率外，绝 大多数消耗感性或容性的无功功率，也即具有不为l 的负荷功率因数。其中消耗容性 硕士论文计及无功资源价值的无功辅助服务定价研究 无功功率( 具有超前功率因数) 的负荷是系统中为数不多的同步电动机，而大多数的负 荷都消耗感性无功功率，功率因数在0 6 o 9 2 _ 间汹。 2 1 2 3 无功功率损耗 系统中无功功率损耗主要包括线路无功功率损耗和变压器无功功率损耗。线 路无功损耗又分成两部分，即并联电纳和串联电抗中的无功功率损耗。并联电纳 中的无功损耗也称为线路无功充电功率，与线路电压的平方成正比，呈容性。串 联电抗器中的损耗与负荷电流的模的平方成正比，呈感性。 以往大部分对网损分配的讨论限于根据有功功率的传输来确定，而在考虑了无功 功率的潮流之后，由于线路传输功率变为复数，因此在网损分配上应同时考虑线路上 无功和有功功率的传输情况。 比如对于如图2 1 所示的线路： i 墨协歌写，蔓1 q i 嚣可 坷工气工 线路中的阻抗支路复数网损为： 心= 阱： 娩。， 其中受；足+ q 。 定义a