1、第五章 系統平安與輔助效力1引言2輔助效力的需求描畫3輔助效力的獲取4輔助效力的購買 .一、引 言 電力系統運轉的平安性：是指應付各種能夠的擾動以堅持電力系統繼續、可靠、優質運轉的才干，保證這一才干的手段在電力市場環境下被稱為輔助效力。 輔助效力市場：又稱為不平衡市場，顧名思義，就是提供規定條件電壓、頻率下維持供電與需求間實時平衡效力的市場。這一差值是電力市場一切參與者所固有的不確定性決議的。 輔助效力的類型：1電壓、頻率、聯絡線功率等的調理Regulation， 自動發電控制AGC 自動電壓控制AVC2旋轉備用Spinning Reserve，10分鐘以內來自在線機組或臨近系統援助的快速呼應

2、；.3非旋轉備用Non-Spinning Reserve，10分鐘以內來自離線機組、可中斷負荷，或臨近系統援助的快速呼應；4替代備用Replacement Reserve，60分鐘以內來自在線或離線機組、可中斷負荷，或臨近系統援助的呼應；5電壓支撐Voltage Support，正常或缺點情況下為維持電壓程度所需求的無功功率調理才干；6黑啟動Black Start，閱歷部分或全部系統癱瘓時可自啟動的電源容量。.不平衡量有三個元素：快速的隨機動搖，緩慢的周期變化，忽然的大幅偏向電力系統特性決議了輔助效力在電力市場運營中必需是一致、方案、協調地進展。它是電力商品市場必要且充分的補充，如何在其中引入

3、競爭機制，是電力市場機制復雜性的根本。 .二、輔助效力的需求描畫1、電力系統平安性的防御 電力工業運營機制無論發生什么變化，保證電力系統運轉于一定的平安程度上是不可忽視的問題。 .2、有功功率的平衡問題 有功功率平衡的控制主要對應頻率的控制 .頻率調理一次調理：利用發電機的調速安裝，按設定的調差特性，只需機組不滿載都可進展的自動調理，呼應時間大約為幾秒至幾十秒，只能處理微小負荷擾動引起的頻率偏移；二次調理：利用調頻器來改動靜態頻率特性的任務設置點，動作于汽門或水門，只需容量充足可以實現無差調理。二次調理可由人工控制實現，也可由自動安裝實現LFC，呼應時間大約為12mins。假設按一定的控制準那

4、么將多個LFC集中一致的進展頻率的自動控制，那么稱為AGC。AGC可處理較大負荷變動引起的頻率偏移，及聯絡線功率偏移的問題。三次調理.發電機和負荷的單位調理功率均為25MW/Hz，系統穩定在O點。當負荷忽然添加20MW時，負荷的頻率特性曲線由 上升為 ，此時，當只思索一次調頻，由于發電和負荷的一次調理作用, 系統最終將穩定在點 運轉，此時頻率下降到49.6Hz，本質上相當于負荷添加了10MW，這是有差調理帶來的結果。當思索二次調理，即發電機增發10MW，同時再加上一次調理的作用，發電機頻率特性將由 上升到 ，最終系統穩定在 點，頻率下降為49.8Hz。 顯然，假設發電機直接增發20MW，即可實

5、現無差調理。 .例：1995年8月15日12：25：30 ，1220MW發電功率忽然從英國電力系統解列，該系統有65GW裝機容量，但沒有與其它系統進展互聯。 一次調理呼應必需在10s內完成并繼續20s，在到達49.5Hz的規定極限頻率前，頻率停頓降落那么一次呼應勝利 二次調理呼應必需在30s內完成并繼續30min，二次呼應促使系統頻率趨于正常， 圖中12：29：20啟動的燃氣輪機產生了圖右側的頻率上升。 .3、無功功率的平衡問題1無功不平衡的危害用電設備 異步電動機 各種電熱設備 照明 家用電器電力系統本身 電壓降低，會使網絡中功率損耗加大，還有能夠危及電力系統運轉的穩定性； 電壓過高，各種電

6、器設備的絕緣性能會遭到損害，在特、超高壓電網中還將添加電暈損耗等。 .2無功支持的價值 無功支持效力的價值在于，當系統處于緊急形狀時可經過注入無功功率防止電壓解體。 用潮流計算程序可以粗略地計算出為了防止設備缺點停運后出現的電壓解體，需求向系統注入多少無功功率。 .一條線路停運，自母線B注入無功功率.事故前，有功損耗為0.8MW，母線A處的發電機吸收線路產生的無功2.6Mvar。事故發生后，雖然有功損耗只添加了1.2MW，但是無功損耗添加到了159Mvar。為了防止電壓解體，兩臺發電機都必需向剩下的那條線路注入無功功率。 .4、電力系統的動態問題 電力系統的動態問題：大擾動后電力系統的穩定問題

7、，小擾動后電力系統的靜態穩定問題，以及電力系統的低頻振蕩問題 。5、系統恢復 整個系統解體后，系統運轉員必需保證恣意時辰都能提供足夠的貯藏電源保證系統迅速恢復，這項輔助效力稱為黑啟動才干Black Start Capabilty。有些機組如水輪機和小型燃油機組能手動重啟或用儲能電池重啟。.三、輔助效力的獲取 處置輔助效力有兩種機制強迫性的提供輔助效力，經過市場機制來提供輔助效力。從經濟學角度看，兩種機制各有優劣。再者，輔助效力機制的選擇不僅遭到輔助效力類型的影響，也受電力系統運轉形狀和歷史環境的影響。 .1、強迫性提供輔助效力的機制 該機制要求接入系統的參與者必需無原那么的提供某一類型的輔助效

8、力 例，對并網機組的要求必需配備自動調頻安裝，同時具有一次、二次調理的功能，這一要求可以確保一切機組共同參與頻率調理；可以運轉在0.85超前到0.9滯后功率因數范圍內，并配有自動調壓安裝，這一要求能保證一切機組參與電壓控制。 .實施難點：導致不用要的投資并使發電容量大于需求在技術或商業上沒有革新的空間參與者不情愿提供這種義務效力，由于強迫提供輔助效力沒有報酬，同時還添加本錢。一些參與者能夠沒有才干提供輔助效力或不能有效提供。 強迫性機制并不適用于一切的輔助效力。另外，該機制中，還要免除一些參與者的輔助效力，這種免除無疑使市場競爭遭到扭曲。 .2 輔助效力提供的市場機制 長期合同適用于需求量不變

9、或者變化很小的效力，以及提供效力多少主要由設備特性決議的效力。黑啟動才干、系統聯動跳閘方案、電力系統穩定器和頻率調理等，通常適用于長期合同。 實時市場適用于一天內需求變化很大的效力和因市場買賣供應量變化的效力。例如，部分備用經常經過短期市場機制獲得。 系統運轉員經常尋求經過一些長期合同提供備用，以減少備用缺乏的風險或降低本錢的方式。成熟市場中，備用效力提供者需求同時參與短期合同和長期合同。 市場方式下能否運用于一切輔助效力還不清楚.3 需求側輔助效力的提供 鼓勵消費者提供輔助效力的益處很多 首先，大量提供者添加了輔助效力市場的競爭性； 其次，從全局經濟性思索，由需求側提供輔助效力改善了電力的利

10、用率。 最后，需求側作為某些輔助效力比大型機組更為可靠，需求側按時傳輸主要效力的失敗率較小。.四、輔助效力的購買 1 輔助效力需求的量化理想情況下，經過購買輔助效力提供的平安程度應該由本錢效益分析決議，該分析將效力邊沿本錢等于平安邊沿價值設為最正確點。邊沿本錢容易計算，代表消費者期望的邊沿價值卻很難計算。需求設計一種鼓勵機制鼓勵系統運轉員不僅將購買輔助效力的本錢最小化而且將所購輔助效力的量限制到保證平安性的實踐需求值。 .2、集中方式下電力市場電能和備用的優化 早期電力市場電能和備用分別買賣，按效力呼應速度分別結算。閱歷顯示這個方法存在問題，所以曾經被淘汰。如今廣泛認可的是電能和備用在同一市場

11、買賣，且同時結算以使提供電能和備用的總本錢最小。由于電能供應和備用供應相互影響，因此它們需求協同優化。. 例：需求在300MW到720MW之間變化的小型電力市場，假設只需求250MW備用來保證系統運轉的平安性，系統中有4臺機組。機組1和4不允許提供備用，機組2和3可以提供備用，其限制如表所示 。發電機組 邊際成本1234217202825023024025001601900.忽略機組最小技術輸出功率；假設市場運轉在集中方式下，且機組報價等于其真實邊沿本錢；備用不單獨報價，機組提供備用沒有直接本錢 ：.不同負荷下的優化方案.提供備用的收入等于它不能賣電的時機本錢 .3、本錢分攤 在現有技術條件下

12、系統運轉員無法實現不同平安程度的輸電。因此，當前一切用戶得到平安程度是一樣的，那么按照所用電量分攤輔助效力本錢就是可行的，通常以消費或消費的電能來計量。 一些用戶的行為能夠給系統呵斥不成比例的壓力，處分這些用戶可鼓勵他們改動做法，減少所需輔助效力，從而降低到達一定平安程度所需的本錢 .第六章 電力市場與輸電網絡1引言2經輸電網絡的分散買賣3經輸電網絡的集中買賣.一、 引言輸電網開放是電力市場的重要特征。 輸電網開放就是輸電網的一切者必需將輸電網無歧視地開放給一切運用者。面臨的問題電力調度集中調度Pool Dispatch雙邊調度Bilateral Dispatch多邊調度Multilatera

13、l Dispatch阻塞管理Congestion Management 根本思緒：建立競爭機制，利用價錢手段進展電力買賣量的增減，從而降低過載線路的潮流功率。.輸電費用輸電費用計算方法輸電費用分攤方法網損分攤方法可用傳輸才干Available Transfer Capacity，ATC.二、經輸電網絡的分散買賣兩份買賣：G1L1：300MW；G2L2：200MW當AB間的傳輸容量低于500MW時，為保證買賣的順利實現，可購買物理輸電權physical transmission rights 輸電權是對輸電容量的一種權益，PTR賦予其一切者在特定時間在給定輸電支路上傳輸一定容量電力的權益。.PT

14、R存在的問題：1、并行途徑問題：忽略電阻、無功功率、損耗 傳輸途徑由物理定律而不是市場參與者的志愿決議. 例如設BY：400MW， 其中I ：123：160MW， II：13：240MW， . 但受線路容量限制，實踐上 Pmax(0.5/0.2)*126=315MW 再思索DZ：200MW， 其中 321：80MW， 31：120MW， . 于是，線路中的實踐潮流為： 12：1608080MW，不越限。 13：240120120MW2、逆向流問題3、物理輸電權與市場力 兩節點例子中的G3.三、經輸電網絡的集中買賣此時，系統運轉員也起著市場運轉員的作用采用節點電價nodal price或區域電價

15、zonal price .1、兩節點的例子 兩地域的供應函數分別為： B區：B100.01PB $/MWh， DB500MW S區： S130.02PS $/MWh， DS1500MW1不互聯時的分析： B區：PB500MW， B 15$/MWh S區：PS1500MW，S 43$/MWh2互聯線路能傳送1600MW 由于B區電價低，負荷全部由B承當，那么 B區：PB2000MW， B 30$/MWh S區：PS0MW， S 13$/MWh.3市場平衡的情況： 邊沿電價B S 24.3$/MWh， 供電量 PB1433MW，PS=567MW BS：933MW .4線路受限情況： 線路傳輸才干4

16、00MW。結果： PB900MW， B 19$/MWh PS1100MW， S 35$/MWh .小結：只需互聯線路的輸電容量低于自在買賣所需的容量，兩地域間的差價就一定存在。由于維持系統平安而產生的約束使得輸電網產生阻塞，將一致的市場分割為各自獨立的市場，各地域負荷的添加將必需由當地機組單獨來承當。因此，各國的發電邊沿本錢是不同的。假設各分別的電力市場依然是充分競爭的話，那么，其各自的價錢依然等于其邊沿本錢。由于各邊沿本錢因發電、用電地點的不同而不同，可稱之為實時價錢。假設系統中每個節點都定義不同的電價，那么又稱為節點價錢。通常買進功率的地域的實時價錢高，而賣出功率的那么低。 . 5阻塞剩余

17、 用戶付費： 發電商收益. 聯絡線功率MW.買賣中心付給發電商： 9001911003555600 $買賣中心收到用戶電費： 5001915003562000 $阻塞剩余： 62000556006400 $ 4003519 40016 阻塞價錢：351916 $/MWh.2、三節點系統.潮流計算的數學模型 節點方程 . 快速解耦潮流計算的原理是：1、由于交流高壓電網中輸電線路等元件的xr,因此電力系統有功功率的變化主要決議于電壓相位角的變化，而無功功率的變化那么主要決議于電壓模值的變化。反映在雅可比矩陣的元素上，就是N及M二個子塊元素的數值N相對于H、L二個子塊的元素要小的多。作為簡化的第一步

18、，可以將它們略去不計。2、在實踐的高壓電力系統中，以下的假設普通都能成立： 1線路兩端的相角差不大小于10度20度 2與節點無功功率相對應的導納通常遠小于節點的自導納Bii 于是得到： 上述二式中的系數矩陣B及B由節點導納矩陣的虛部所組成，從而是一個常數且對稱的矩陣。.為了加速收斂，目前通用的快速解耦法又對B及B的構成作了以下進一步修正。1在構成B時略去那些主要影響無功功率和電壓模值，而對有功功率及電壓角度關系很少的要素，這些要素包括輸電線路的充電電容以及變壓器非規范變比。2為了減少在迭代過程中無功功率及節點電壓模值對有功迭代的影響，將式右端U的各元素均設為標么值1.0，也即令U作為單位陣。3

19、在計算B 時，略去串聯元件的電阻。于是，目前通用的快速解耦潮流算法的修正方程式可寫成： .近似模型直流潮流 . 支路導納組成的對角矩陣 與節點導納矩陣相關 網絡的支路節點關聯矩陣 .取節點1為參考點求逆復原.1網絡無約束時，經濟調度 PA125MW， PB 285MW。 網絡中的潮流情況: a. 由KAL、KVL定律 b. 利用疊加原理 首先，12的60MW電力傳輸引起的潮流 其次，13的300MW電力傳輸引起的潮流. 潮流結果：12：156MW， 13：204MW， 23：96MW 購電費用：1257.528562647.5$.2修正經濟調度： 12越限，需進展調整。 首先思索添加母線2的出

20、力，即機組C發電 設在bus2添加1MW，那么bus1需減少1MW，對潮流的影響為：12潮流的變化：減少0.6MW 23潮流的變化：減少0.4MW . 要消除30MW的越限，那么 PC30/0.650MW，PA 減到75MW， PB 仍為285MW。 潮流結果： 12：126MW 23：116MW 13：184MW 購電費用：757.5285650142972.5$3思索添加母線3的出力進展調整.4節點電價計算：在該節點以最經濟的方式多供應1MW負荷所需的本錢。 bus1，17.5$/MWh bus3，由發電機A供，會呵斥線路12過流，所以由發電機D供， 3 10$/MWh bus2，由發電機

21、C供太貴，應由bus1或3的發電機供，同時，不能呵斥線路12過流，分析得： P1P31MW 0.6P10.2P30 解得：P10.5MW P31.5MW 所以， 2 1.5100.57.511.25$/MWh.在一個沒有輸電約束的系統中，假設我們將一切機組視為恒邊沿本錢模型，那么除一臺機組邊沿機組之外的一切機組要么滿負荷發電，要么不發電。邊沿機組的邊沿本錢決議了整個系統的電價。當輸電限值約束了經濟調度時，某些機組的出力遭到限制，將介于上下限之間而成為邊沿機組。通常，系統中假設存在m個輸電約束，那么就有m+1個邊沿機組。每一臺邊沿機組都決議著它所在節點的邊沿價錢。其他節點的邊沿價錢是由一切邊沿機

22、組的價錢組合所決議的，這種組合又取決于約束網絡中KVL的作用。 . 計算機求解的方法OPFi三節點例子的表達 . 設PB=285， PC=0，P12126 結果：PA50， PD75， P2366， P13159 Cost2835ii普通表達.商業剩余節點 1節點 2節點 3系統負荷(MW)5060300410發電(MW)335075410節點電價($/MWh)7.511.2510用戶付費($/h)37567530004050發電商收益($/h)2512.507503262.5阻塞剩余($/h)787.5.5非直觀的經濟流.6嚴重的非直觀經濟價錢 當支路2-3的容量降為65MW時情況 .7節點

23、價錢與市場力 假設支路2-3而不是支路1-2存在約束 機組C叫價低于目前的節點邊沿價錢5.00$/MWh，它決議以3.00$/MWh參與競爭 節點2處提出一個較低的叫價，使節點3處的電價從10.00$/MWh上升到12.00$/MWh，并且其發電量從77.5MW上升到85MW . 機組D抬高其價錢到20.0$/MWh 機組D抬高其叫價，除了使機組C虧本外，還會添加本人的收益，即使是在出力減少的時候： .8小結在沒有邊沿機組的節點處，其節點價錢與有邊沿機組的節點價錢相比，可高可低，也可介于其中，甚至節點價錢可以為負數！上述結果能夠違反普通意義上的經濟概念，但是它們在數學上是正確的。這些價錢不僅受

24、制于經濟還受制于KVL。甚至在簡單的三節點系統中，了解這些價錢也是很費時費力的。對于實踐的系統，這種分析會更加復雜。非直觀價錢在很多實踐系統中都已發現過。 .3、集中買賣系統中傳輸風險的管理 需求什么樣的新合約方式用于控制與輸電阻塞相關的風險 討論的結論可同樣解釋損耗引起的影響.1新的合約方式 回想：集中買賣市場中的參與者也允許進展雙邊合同買賣，以躲避節點電價變化帶來的風險。 B和S間無輸電阻塞，B的電廠與S的鋼鐵廠簽署差價合同：400MW，30$/MWh。實時電價為24.30$/MWh，結算情況： B的電廠售電400MW，得到收益為40024.3=$9720 S的鋼鐵公司買進400MW，支付

25、40024.3=$9720 鋼鐵公司支付400(30-24.30)=$2280給B以處理差價合約。 B的電廠和S的鋼鐵公司以30$/MWh的有效電價進展了400MW的買賣。 假設節點價錢比30$/MWh高, B的電廠將支付S的鋼鐵公司差價以處理合約。 . 假設聯絡線傳輸功率限制為400MW，那么B的節點價錢為19.00$/MWh,而S的節點電價上升為35.00$/MWh，結算： B以19.00$/MWh的價錢售電400MW， 實時市場得到收益為：40019=$7600 差價合同結算的收益為：40030=$12000， 因此，按現貨價錢虧$4400，應該由S的鋼鐵公司根據合約來支付。 S的鋼鐵公

26、司以35.00$/MWh的價錢購買400MW， 實時市場應支付：40035=$14000 差價合同應支付：40030=$12000。 因此，按現貨價錢多支出$2000，S的鋼鐵公司等待B的電廠按差價合約來承當。有阻塞時，差價合同不能正常進展 .2金融輸電權 Financial transmission rights 差價合同中的總缺額為: 444020006400 $/h 阻塞剩余 400(3519)6400 $/h推導阻塞存在時處置差價合約的解析表達 設：差價合約敲定價為 , 合同量為 F .按合同 鋼鐵公司支付 電廠得到收益按現貨市場 鋼鐵公司支付 電廠得到收益假設 鋼鐵公司希望得到補償：

27、 電廠希望得到補償. 假設 ，可見 在 時，結論：到達最大傳輸才干時，阻塞剩余便表征兩地市場按差價合約的補償數量 處理方法：金融輸電權FTRs.金融輸電權：是指在網絡的恣意兩節點之間，賦予持有者的一種特權，該特權的收益為購買的傳輸量和兩節點間價錢差的乘積假設傳輸沒有阻塞，節點B和節點S間就沒有差價, FTRs的持有者就得不到收益 FTRs的持有者發電者或用電者對傳輸量的起點和終點并不關懷 S的一個用戶擁有F MWh的金融傳輸權，他可以:在B以電價 購買F MWh，運用它的傳輸權使其可以“免費到達S，此時有效地支付為 ；在S以電價 購買F MWh，需支付 ，但運用它的傳輸權又可獲得收益為 。 .

28、發電者與用電者如何得到FTRs 在每一市場周期內,系統運轉員應該確定聯絡線上所能傳輸的才干。這一才干的FTRs被拍賣給最高價的招標者。這種拍賣對一切參與者發電、用電，以及尋求差價來盈利的投機者開放，同時該權益可以自在買賣。 .3點對點的金融輸電權 FTRs被定義為網絡中從任一節點到任何其它節點間的輸電權，這兩個節點間不一定有支路的直接銜接。優點：不需對網絡復雜性有充分的思索，功率在網絡中流通的途徑并不重要。 三節點算例的再討論 假設節點3的一個用戶與節點1的發電方簽署了一個差價合約，該合約敲定價為8.00$/MWh，傳輸電力為100MW，這個合約的參考價錢是節點1 。用戶同時也購買了節點1到節

29、點3的100MW的FTRs 。. 節點1和節點3的價錢分別為7.50$/MWh和10.00 $/MWh，合約的結算：用戶從節點3獲取100MW，向市場運轉員支付 10010$1000；發電方從節點1注入100MW，向市場運轉員收取 1007.5$750用戶為履行差價合約向發電方支付 1008-7.5 $50；用戶擁有節點1到3 的FTRs，向市場運轉員收取 10010-7.5 $250； 上述完成后，用戶共為100MW電力商品的運用支付$800，其電價為8$/MWh。 .市場運轉員出賣的FTRs不應超越網絡的實踐才干 .線路2-3傳輸容量限制在65MW . 節點2的用戶簽署60MW，價錢為8.00$/MWh的差價合約，其參考價錢仍為節點1，同時購買從節點1到節點2間 60MW FTRs，結算： 用戶從節點2獲取功率60MW，支付給市場運轉員 605$300； 發電方在節點1注入功率60MW，從市場運轉員收取 607.5$450； 按差價合約，用戶支付給發電方 6087.5 $30； 為結算FTRs，用戶支付給市場運轉員 607.55 $150； 上述完成后，用戶為運用60MW電力商品需支付$480，相當于差價合約敲定的價錢8$/MWh。.市場運轉員獲取的商