电力系统经济学原理第五章ppt课件.ppt

第五章 系统安全与辅助服务,0,系统安全与辅助服务,基本内容,5.1 简介,5.2 辅助服务需求,5.3 辅助服务的获取,5.4 辅助服务的购买,5.5 辅助服务销售,5.6 推荐阅读材料,1,系统安全与辅助服务,5.1 简介,电能市场的良好运营的重要前提条件是必须有一个坚实的物理电力系统。与其他商品相比，电力市场成员只能通过已有电力系统进行电能买卖。系统使用者必然希望电力系统具有一定的可靠性，也就是系统的所有组成元件都应当运行在安全范围内。对于一个由成千上万个元件组成的系统来说，单个元件发生故障是很常见的事。如：输电线路出现负荷过载，造成线路松弛下垂发生短路事故；输电线路还会受到恶劣天气的影响。,2,系统安全与辅助服务,简介,为了能够解决可能发生的事故，系统运行人员需要考虑同时采用预防和校正措施。制定预防措施是为了对可能事故做出预先处置，即使真的发生事故，也能确保系统稳定运行在发生扰动之后需要采取校正措施，其目的是将扰动的影响限制在一定的范围内随着竞争性电力市场的建立，其中完成校正措施的有些资源已经分流到另外一些行业成员手中。对于系统运营商来说，这类资源已经变成一种需要进行付费购买的商业服务，称其为辅助服务。,系统安全与辅助服务,3,简介,辅助服务的作用是保证电能的顺利交易。专门建立有针对性的机制，确保辅助服务的有效供应与成本回收。首先分析电力系统中的扰动类型及不同类型的扰动对系统安全的影响，选择所需的辅助服务。然后，将讨论如何确定每类辅助服务的必需数量，并思考应建立怎样的获取机制。最后，将从辅助服务供应商这一角度出发，考察应当怎样将辅助服务与电能交易进行整合，从而实现经营效益最大化。,系统安全与辅助服务,4,基本内容,5.1 简介,5.2 辅助服务需求,5.3 辅助服务的获取,5.4 辅助服务的购买,5.5 辅助服务销售,5.6 推荐阅读材料,5,系统安全与辅助服务,5.2.1 系统平衡,为了简化整个系统范围内的发电与负荷平衡问题，假设所有的发电机与负荷都连接在同一条母线上。如果研究对象是一个互联系统，那么该母线应当还连接所有其他地区与国家联铬线的共同端点。作出上述简化假设后，仅需要考虑发电、负荷、频率与电能交换数量这几个系统变量。只要满足生产等于消费这一条件，系统频率及跨区电能交换量就恒定不变。,系统安全与辅助服务,6,系统不平衡的影响,发电与负荷的平衡经常会受到多种因素的干扰，如负荷发生变化、发电机出力控制不准确、偶发性的发电机组或互联系统故障停运等。在孤立系统中，发电过剩将促使系统频率上升，相反发电短缺将导致频率下降。系统不平衡会引发频率变化，变化程度取决于系统内所有发电机与旋转负荷所具有的转动惯量。在互联系统中，局部性不平衡将影响与相邻地区连接的联络线以及系统其余线路上的潮流。如果频率偏差很大的话，系统可能会崩溃。,系统安全与辅助服务,7,自动发电控制服务,自动发电控制的作用在于解决快速负荷波动与难以预测的较小程度发电变化问题。它可以使系统频率稳定在正常值或接近正常值的水平，减少与其他电力系统之间的不当交换。一般而言，自动发电控制服务主要由那些可以快速增减出力的机组提供。此类机组必须与电网相连，需要装设一个调速器，并且它们常常需要在自动发电控制模式下运行。,系统安全与辅助服务,8,负荷跟踪服务,负荷缓慢波动，尤其是那些电能市场没有考虑到的各交易时段内的负荷波动，则可以通过发电机组的负荷跟踪服务进行处理。自动发电控制的动作相对小一些，负荷跟踪动作比较容易预测。这两种服务可将系统不平衡限制在接近于0的很小范围内，使系统的频率接近正常值，通常被用作预防性安全措施。,系统安全与辅助服务,9,备用服务,备用服务主要用来消除那些可能危害系统稳定的和难以预测的大电能偏差备用服务可以分为旋转备用与补充事故备用提供旋转备用的机组需要能够立即对频率变化作出响应，拟定提供的全部备用容量必须在很短的时间内实现供应提供补充事故备用的机组则无需马上作出响应随着系统规模与可靠性标准的不同，上述参数可能会出现相当大的变化,系统安全与辅助服务,10,平衡电能与平衡辅助服务的获取,平衡电能与平衡辅助服务都会通过现货电能市场交易，理想情况是能在两者之间划定一个清晰的界限。然而各电力市场的规则设计存在相当大的差异，这使得不可能清楚地对平衡电能与平衡辅助服务进行界定。总的来说，若是开放市场关闭时点距离实时运行时间很短，系统运营商将能够通过现货电能市场购得大部分的平衡需求。然而如果开放市场是日前的，需要建立一套复杂的平衡服务获取机制。,系统安全与辅助服务,11,备用响应,在考察机组的平衡服务供应能力时，出力调整速度是最重要的影响因素。在许多时候，机组在电网中的位置也有可能会影响它的平衡辅助服务供应能力。如果机组通过某一输电走廊与系统主网架相连，但该输电通道常常发生阻塞，机组的出力调整程度受到输电线路约束的限制，那么它就不是一个合适的平衡辅助服务备选机组。例5-3：系统在大规模发电停运事故后的频率与备用响应情况,系统安全与辅助服务,12,5.2.2 网络问题,潮流传输限制在真实的电力系统中，用户与生产者分布在一个广袤的地理范围内，他们之间通过电网连接在一起。随着负荷与发电的变化，网络各支路上的潮流和各节点上的电压也会发生波动。基于电力系统的不同状态，扰动可能表现为以下几种形式：网络中的某条支路停运之后，该支路所承载的潮流会在网络其他部分重新分配。由于潮流超过热容量限值，网络中可能会有一条或多条支路发生过载。随着越来越多的支路发生过载，最终可能导致整个系统完全崩溃。,系统安全与辅助服务,13,电力系统中的扰动形式,在发电机组或无功补偿设备突然停运时，系统可能会缺少足够的无功支持。同样，某条重要线路停运可能会导致网络无功损耗增加，达到超过系统所能提供的水平。此时，一部分地区甚至是整个网络，可能会发生电压崩溃。过载十分严重的线路发生故障可能会导致一部分发电机的转角增加，这可能会引发局部网络与系统其他部分动态分离，进而出现发电与负荷不平衡，最终使部分或整个区域发生系统崩溃。运行人员必须采取一定的预防性措施，避免此类事情的发生。,系统安全与辅助服务,14,潮流传输限制,有些预防性措施的实施成本可能会非常低，或者可以忽略不计。例如，系统运行人员可以通过调整变压器抽头的位置、发电机电压设定值，投切电容器或电抗器等手段，使电压稳定边界得以提高。通过使用移相变压器，他们还可以改变系统中的有功潮流分布，避免系统在故障后出现过载。随着系统负荷水平的增加，一旦到达某一临界点，唯一能保证系统安全运行的手段只能是限制某些支路上的有功潮流。实际上，有功潮流约束的成本是真实存在的，有时还会非常高。例5-4,系统安全与辅助服务,15,电压控制与无功支持服务,为了增加电力网络的潮流传输容量，系统运行人员会调用各种无功资源。其中有一些资源与无功控制设备、如机械投切式电容器与电抗器、静止无功补偿器、调压变压器等，通常由系统运行人员直接控制，可以被任意使用。发电机组是实现电压控制的最佳选择，系统运行人员有时需要调用这些属于发电公司的资源，为此需要定义一种电压控制服务以反映此类情况。还可以引入一项专门的业务，即出售无功支持或电压控制服务。,系统安全与辅助服务,16,电压控制服务,电压控制服务的定义不仅需要考虑系统在正常状态下的运行情况，还应当考虑那些难以预测的停运可能产生的影响。在正常的运行条件下，通过凋用无功资源，系统运行人员可以将各母线上的电压控制在接近正常值的很小范围内:0.95p.u.U 1.05p.u.p.u.为标幺值的缩写：标幺值=有名值/基准值将输电电压控制在这一范围内，一方面是为了方便在配电网中进行电压调整，同时也是为了使输电系统的运行更加安全。设置电压上限的目的是为了减少绝缘失败风险，而电压下限的设置则比较随意。,系统安全与辅助服务,17,电压控制与无功支持服务,在正常情况下维持较高的电压水平，它将有利于避免系统在出现突发性停运时发生电压崩溃。但是良好的电压水平并不能保证系统的电压安全，如果某一重载输电线路停运，它就会增加系统其他线路上的无功损耗，如果不能及时补充无功，系统就会发生电压崩溃。与正常运行相比，系统在停运事故后所需要的无功数量要大得多，因此电压控制服务反映的不仅仅是正常运行状态下的电压调整能力，同时它还需要能在紧急状态下提供足够的无功。因此，电压控制服务常常被称为无功支持服务。例5-5：系统进行无功支持后的变化情况。,系统安全与辅助服务,18,稳定服务,有些系统运营商还可以通过发电机获得其他网络安全服务。例如，联锁跳闸方案可以解决暂态稳定问题。这些方案不会影响电力系统的当前状态，但是在系统发生故障时，它们可以自动实现一些发电机与负荷的解列，从而确保系统的安全稳定同样地，电力系统稳定器能够对发电机出力进行微小调整，抑制电力网络中可能出现的振荡。此类稳定器可以增加系统中传输的潮流数量。,系统安全与辅助服务,19,5.2.3 系统恢复,即使系统运行人员已经竭尽所能，但还是有极个别扰动最终会脱离他们的控制，最终导致整个电力系统崩溃。此时系统运行人员需要尽可能迅速地将系统运行恢复到正常情况。然而重新启动大型火力发电机组需要相当数量的电能，而在整个系统发生崩溃时很难实现这一要求。然而有些类型的发电机（如水力发电机组，以及一些小型柴油发电机）可以手工启动，或者通过贮存在电池中的电能实现启动。为保证系统在任何情况下都可以快速恢复运行，系统运行人员需要保证有足够的系统恢复资源可供调用。这种辅助服务通常被称为黑启动能力。,系统安全与辅助服务,20,基本内容,5.1 简介,5.2 辅助服务需求,5.3 辅助服务的获取,5.4 辅助服务的购买,5.5 辅助服务销售,5.6 推荐阅读材料,21,系统安全与辅助服务,辅助服务的获取,系统运行人员获取辅助服务的方式有两种：强制要求其他行业成员提供一部分辅助服务；将辅助服务的供应市场化。,系统安全与辅助服务,22,5.3.1 辅助服务的强制供应,采用该方法时，一部分行业成员会被强制要求提供特定类型的辅助服务，这是他们能够接入电力系统的先决条件。如要求所有联网的发电机组：装设调差系数为4%的调速器。确保所有机组均会对频率调整起到相同的作用。在功率因数位于0.85(超前）到0.9(滞后）这一范围内时，能够正常运行，并且应当安装自动电压凋节器。确保系统电压稳定。,系统安全与辅助服务,23,辅助服务的强制供应的不足,尽管强制供应方法非常简单，但它并不是一个很经济的做法，并且会带来一些操作上的困难：上述强制规定可能会引发不必要的投资，造成辅助服务资源供应量超过实际需要。例如，并不需要所有的机组都参与频率控制，维护系统安全。该方法很难鼓励技术或商业革新。因为它规定需要采用已有的技术提供辅助服务，所以行业成员没有兴趣去研究，而系统运行人员也没有动力去寻找更新、更为有效的辅助服务供应方法。,系统安全与辅助服务,24,辅助服务的强制供应的不足,对于辅助服务供应者来说，强制供应方法要求他们提供辅助服务，但由此引发的成本不能回收。例如，有发电商抱怨生产无功出力会增加同步发电机的损耗，有时甚至会减少他们所能生产与销售的有功电能数量。有些成员可能难以提供部分辅助服务，或者不能以经济的方式提供服务。例如，核电机组就无法迅速调整有功出力适应负荷的快速变化。另外，也不能为了获得备用服务，强制要求高效率的机组只带部分负荷。,系统安全与辅助服务,25,5.3.2 辅助服务市场,强迫行业成员参与辅助服务的供应是一种缺乏经济效率的方法，并且也存在实际操作困难，因此需要建立一套市场供应机制。市场机制的实现形式与辅助服务的特性有关：对于需求量在很长时间内基本不变或变化很小的辅助服务，以及那些供应能力主要取决于设备参数的辅助服务，长期合同是一种更为合适的手段。有些辅助服务一天之内都会产生相当大的波动，或者它们的报价数量与电能市场存在紧密关联，此类辅助服务则应当通过现货市场进行交易。,系统安全与辅助服务,26,辅助服务市场,与强制供应相比，市场机制是一种更具有灵活性、也更经济的辅助服务获取方法。不是所有的辅助服务都适用于市场方法。例如在输电网络的某些偏远部分，可能只有一台发电机能在事故状态下提供有效的无功支持服务。所以无功市场也必须受到严密监控，以避免出现滥用巿场力的情况。,系统安全与辅助服务,27,5.3.3 辅助服务需求侧响应,在电力行业引入竞争以前，垂直一体化公用事业拥有的发电机组实际上承担了所有的辅助服务供应任务。但在一个完全竞争的市场上，如果其他供应者也能够提供同样质量的服务，系统运营商将没有义务、也没有动力只选择发电商作为辅助服务供应者，他同样可以选择用户提供辅助服务。,系统安全与辅助服务,28,辅助服务需求侧响应,用户提供辅助服务的优点:辅助服务提供者数目将增多，能促进辅助服务市场的竞争；从宏观经济角度看，用户提供辅助服务会增加资源的利用效率。例如，如果能够利用可中断负荷满足备用需求，预留作备用的发电容量可以适当减少。与大型发电机组相比，用户会是更为可靠的辅助服务供应者。需求侧辅助服务会由数量众多的小负荷用户分摊，所有小负荷同时出现故障的概率要比大型发电机小得多，他们不能准时交付重要辅助服务的概率非常小。,系统安全与辅助服务,29,基本内容,5.1 简介,5.2 辅助服务需求,5.3 辅助服务的获取,5.4 辅助服务的购买,5.5 辅助服务销售,5.6 推荐阅读材料,30,系统安全与辅助服务,辅助服务的购买,辅助服务的目的在于发生突发事故时，保证系统安全稳定运行。对于购买辅助服务要注意的三个问题：需求确认；集中市场上的电能与备用联合优化；成本分摊,系统安全与辅助服务,31,5.4.1 需求确认,理想情况下，为了确定合理的安全水平与辅助服务购买数量，系统运营商必须进行严格的成本效益分析。当新增安全服务的边际生产成本恰好等于该安全服务所能实现的价值时，系统安全即处于最佳状态。为了帮助系统运行人员按照安全标准管理电力系统，确定实现安全目标所需要的辅助服务数量，人们还研究出一些非常复杂的模型与计算工具。,系统安全与辅助服务,32,5.4.2 集中市场上的电能与备用联合优化,有些辅助服务与电能交易、甚至其他服务之间存在密切的耦合关系，很难合理地给出它们的购买价格。现在的处理方式：电能与备用应当在联合市场上进行报价交易，两种商品市场应实现同时出清，从而实现电能与备用服务供应总成本的最小化。由于电能生产与备用服务供应之间存在紧密的联系，联合优化是非常有必要的。,系统安全与辅助服务,33,联合优化的影响,部分载荷机组出售的电能数量与以前相比会减少；为了满足负荷需求，通常需要调用其他成本更高的机组，让它们提供更多的电能；提供旋转备用的机组由于不能满载发电，相比之下效率可能会降低，因此需要在电能生产时获得更多的收入补偿。为了满足备用要求，电能价格可能会增加。例5-6：说明如何在集中市场上进行联合优化，从而最小化电能生产与辅助服务供应总成本。,系统安全与辅助服务,34,5.4.3 成本分摊,系统安全对不同用户具有不一样的价值。例如，与普通居民用户相比，中断半导体工厂或造纸厂的供电服务，他们的损失要大得多，所以有些用户可能愿意支付更多的钱，从而获得更高的供电可靠性；与之对应，另一些用户为了降低自己的供电服务成本，可能愿意接受可靠性较低的服务。为了分摊全部辅助服务成本，需要找到一些指标，较好地量度用户对系统的使用程度。部分用户的行为对电力系统安全起着相当大的影响。,系统安全与辅助服务,35,备用成本分摊对象,备用发电容量的作用在于避免系统负荷与发电之间出现较大偏差，从而发生系统崩溃。少数不太可靠的大型发电机组会增加系统的运行备用需求。市场的优化目标是在不影响系统安全水平的情况下，最小化备用供应成本。在向各机组分摊备用服务费用时，最公平的激励机制是以机组对系统备用需求的影响程度为分摊指标，发电商只有提高电能报价才能将备用成本转移给用户。与易发生故障的大型发电机组相比，可靠性更高的小型发电机组具有更多的竞争优势。,系统安全与辅助服务,36,自动发电控制与负荷跟踪成本分摊对象,卡比和赫斯特(2000年）分析了电力系统的实际与典型负荷跟踪和自动发电控制服务需求。他们引入一套比较合理的方法，实现了上述服务需求在工业用户与非工业用户之间的公平分摊。同是工业用户，不同种类的用户对系统的影响程度也存在相当大的差别。例如，电解铝厂与造纸厂的负荷几乎不随时间变化，所以它们也就不会影响系统的自动发电控制与负荷跟踪需求。,系统安全与辅助服务,37,基本内容,5.1 简介,5.2 辅助服务需求,5.3 辅助服务的获取,5.4 辅助服务的购买,5.5 辅助服务销售,5.6 推荐阅读材料,38,系统安全与辅助服务,辅助服务销售,辅助服务销售为发电公司带来了一种不同于电能销售的业务机会。由于技术约束与成本影响，无法将诸如备用、电压控制等辅助服务销售与电能销售截然分开。例如，如果发电机要出售旋转备用或无功支持服务，就必须开机并且至少提供超过最小发电出力约束的电力。相反，如果发电机组已经处于最大出力值，那么它已经没有更多的发电空间，也就没有办法出售备用容量。减少发电出力的机会成本可能会很大，发电公司有必要对电能与备用服务销售进行联合优化。,系统安全与辅助服务,39,辅助服务销售,通过例子说明电能与备用服务销售之间的相互影响。假设竞争性电力市场上有这样一台机组，它既能销售电能，又可以出售旋转备用。电能与备用市场都是完全竞争的，该机组是价格接受者。这也就意味着它的报价对电能与备用服务的价格均不会有影响，它可以选择向任何一个市场出售任意数量的电能或备用。不考虑机组启动成本、最小运行时间与最小停机时间等问题。,系统安全与辅助服务,40,分析需要用到的符号,p1：电能市场上每兆瓦时电能的价格；p2：旋转备用市场上单位容量的价格；x1：发电商在电能巿场上的电能报价数量；x2：发电商在备用市场上的备用报价数量；Pmin：机组的最小发电出力约束；Pmax：机组的最大发电出力约束；Rmax：机组所能提供的备用容量上限；C1（x1）：x1数量电能的生产成本；C2（x2）：x2数量电能的生产成本；,系统安全与辅助服务,41,辅助服务销售分析,构造成一个有约束优化问题。发电商的经营目标是通过出售电能与备用，实现利润最大化，优化问题的目标函数是电能与备用的利润：f(x1,x2)=p1 x1+p2 x2-C1(x1)-C2(x2)电能报价与备用报价的数量之和不能超过机组的最大出力范围：x1+x2 Pmax机组不能运行在最小发电出力约束以下：x1 Pmin机组的备用服务申报量不能超过它的实际供应能力：x2 Rmax,系统安全与辅助服务,42,辅助服务销售分析,在给定的优化目标与约束条件下，得到优化问题的拉格朗日函数：l(x1,x2,m1,m2,m3)=p1x1+p2x2 C1(x1)C2(x2)+m1(Pmax-x1-x2)+m2(-x1-Pmin)+m3(Rmax-x2)将拉格朗日函数对决策变量求偏导，并令其等于零得最优条件：(1)(2),系统安全与辅助服务,43,辅助服务销售分析,最优解还要满足如下约束：(3)(4)(5)同时要满足补充松弛条件：m1(Pmax-x1-x2)=0(6)m2(x1-Pmin)=0(7)m3(Rmax-x2)=0；(8)m1 0；m2 0；m3 0(9),系统安全与辅助服务,44,辅助服务销售分析,无论不等式约束起作用或不起作用，它们均应当满足松弛条件。如果约束起作用，那么它就变成等式约束，此时它所对应的拉格朗日乘子即为该约束的边际或影子成本，起作用的不等式约束对应的拉格朗日乘子必定为正数。没有起作用的不等式约束不会对与最优解对应的生产成本有任何影响，所以它的拉格朗日乘子为0。,系统安全与辅助服务,45,8种可能组合,上面9个式子给出了求解问题最优解的必要且充分条件，它们通常称为Karush Kuhn Tucker(KKT)条件。KKT条件并不能直接告诉是哪些不等式约束起作用了。8种可能的组合：组合1：m1=0,m2=0,m3=0此时所有的拉格朗日乘子都为0，没有约束起作用，等式(1)、(2)可简化为：发电机组的电能供应量与备用供应量会处于它们各自的边际成本与市场价格相等这一点上。此时电能巿场与备用市场间不存在联系，相当于在完全竞争的市场上进行电能与备用销售。,系统安全与辅助服务,46,8种可能组合,组合2：m10,m2=0,m3=0此时，电能与备用的总供应量恰好达到发电容量上限：x1+x2=Pmax将拉格朗日乘子代入等式(1)、(2)得：表明电能与备用销售均可以取得一定的利润，并且当电能市场的边际收益恰好等于备用市场的边际收益时，该机组的生产会实现自身利润最大化。拉格朗日乘子m1表示的是当机组出力约束上限增加时，它所能实现的额外边际利润。,系统安全与辅助服务,47,8种可能组合,组合3：m1=0,m20,m3=0机组的电能生产受到最小稳定发电约束的限制：x1=Pmin等式(1)、(2)可以化简为：由于起作用的约束所对应的拉格朗日乘子取正值，电能生产的边际收益为负值。表明机组会持续提供备用服务，直到使备用服务的边际供应成本恰好等于备用的市场价格为止。,系统安全与辅助服务,48,8种可能组合,组合4：m10,m20,m3=0 组合5：m10,m20,m30由于假设的爬坡速率比较小，机组的备用容量小于机组的运行区间，所以这两个组合在实际中不存在，就不做深入分析。组合6：m1=0,m2=0,m30唯一起作用的是机组爬坡速率对备用容量的约束，得到：x2=Rmax；表明电能销售已经实现了利润最大化，但是如果放松爬坡速率约束，备用销售的利润还会增加。,系统安全与辅助服务,49,8种可能组合,组合7：m10,m2=0,m30在这一组合下，最大容量与爬坡速率约束同时起作用：x1+x2=Pmax；x2=Rmax得：x1=Pmax-Rmax根据最优解条件(1)、(2)得到电能与备用的边际收益：由于m1与m3大于零，上式表明电能与备用销售量越大，机组的收益越多。但由于出售备用容量能够实现大于电能销售的收益，因此机组不会将全部的容量都用于电能生产。,系统安全与辅助服务,50,8种可能组合,组合8：m1=0,m20,m30此时，电能销售量与备用销售量分别取决于：x1=Pmin；x2=Rmax根据最优解条件(1)、(2)得到电能与备用的边际收益：表明备用销售能够实现收益，如果放松爬坡速率约束，备用销售的利润还会增加。但电能销售不能赚钱，甚至如果不是因为存在最小稳定发电约束，它还会亏损得更厉害。所以在这种情况下，需要利用目标函数对实际运行点的收益情况进行检验。,系统安全与辅助服务,51,