《電力市場(chǎng)概論》 課件 第五章 系統(tǒng)安全與輔助服務(wù)

第四章系統(tǒng)安全與輔助服務(wù)一、引言

電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性：是指應(yīng)付各種可能的擾動(dòng)以保持電力系統(tǒng)持續(xù)、可靠、優(yōu)質(zhì)運(yùn)行的能力，保證這一能力的手段在電力市場(chǎng)環(huán)境下被稱為輔助服務(wù)。

輔助服務(wù)市場(chǎng)：又稱為不平衡市場(chǎng)，顧名思義，就是實(shí)際供電與需求的差值。這一差值是電力市場(chǎng)所有參與者所固有的不確定性決定的。輔助服務(wù)的類型：（1）電壓、頻率、聯(lián)絡(luò)線功率等的調(diào)節(jié)（Regulation），－－自動(dòng)發(fā)電控制（AGC）－－自動(dòng)電壓控制（AVC）（2）旋轉(zhuǎn)備用（SpinningReserve），10分鐘以內(nèi)來自在線機(jī)組或鄰近系統(tǒng)支援的快速響應(yīng)；（3）非旋轉(zhuǎn)備用（Non-SpinningReserve），10分鐘以內(nèi)來自離線機(jī)組、可中斷負(fù)荷，或鄰近系統(tǒng)支援的快速響應(yīng)；（4）替代備用（ReplacementReserve），60分鐘以內(nèi)來自在線或離線機(jī)組、可中斷負(fù)荷，或鄰近系統(tǒng)支援的響應(yīng)；（5）電壓支撐（VoltageSupport），正?；蚬收锨闆r下為維持電壓水平所需要的無功功率調(diào)節(jié)能力；（6）黑啟動(dòng)（BlackStart），經(jīng)歷局部或全部系統(tǒng)癱瘓時(shí)可自啟動(dòng)的電源容量。電力系統(tǒng)特性決定了輔助服務(wù)在電力市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)中必須是統(tǒng)一、計(jì)劃、協(xié)調(diào)地進(jìn)行本章內(nèi)容：輔助服務(wù)的經(jīng)濟(jì)機(jī)理分析電力系統(tǒng)各類擾動(dòng)，及這些擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)安全的影響分析電力系統(tǒng)所需的典型輔助服務(wù)類型，探討如何確定各種服務(wù)量并建立實(shí)施機(jī)制從服務(wù)提供者和投資者的角度分析，如何將這些因素與電力商品交易結(jié)合使運(yùn)行利潤(rùn)最大化（一體化交易）。二、輔助服務(wù)的需求負(fù)荷與發(fā)電總體不平衡引起的安全問題和傳輸網(wǎng)絡(luò)的安全問題1、電力系統(tǒng)安全性的防御電力系統(tǒng)運(yùn)行的監(jiān)測(cè)

SCADA（SupervisoryControlAndDataAcquisition）系統(tǒng)預(yù)想事故評(píng)估完成系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)的基礎(chǔ)上對(duì)預(yù)想的事故集合進(jìn)行分析電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的條件有功、無功功率的平衡；系統(tǒng)中狀態(tài)量，如頻率、電壓、元件電流、機(jī)組功率、功角等不應(yīng)超出允許要求的范圍。

電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)正常狀態(tài)：兩個(gè)條件必須得到滿足安全正常狀態(tài)不安全正常狀態(tài)－－預(yù)防控制緊急狀態(tài)：第二個(gè)條件不滿足，但第一個(gè)條件滿足－－校正控制（可以短時(shí)忍受）或緊急控制（必須立即處理）崩潰狀態(tài)第一個(gè)條件不滿足，系統(tǒng)處于分裂運(yùn)行；第二個(gè)條件也不滿足，系統(tǒng)處于欠安全狀態(tài)，處理不好會(huì)造成系統(tǒng)全面瓦解。恢復(fù)狀態(tài)：第一個(gè)條件不滿足，但第二個(gè)條件滿足。2、有功功率的平衡問題有功功率平衡的控制主要對(duì)應(yīng)頻率的控制。頻率調(diào)節(jié)：一次調(diào)節(jié)：利用發(fā)電機(jī)的調(diào)速裝置，按設(shè)定的調(diào)差特性，只要機(jī)組不滿載都可進(jìn)行的自動(dòng)調(diào)節(jié)，響應(yīng)時(shí)間大約為幾秒至幾十秒，只能解決微小負(fù)荷擾動(dòng)引起的頻率偏移；二次調(diào)節(jié)：利用調(diào)頻器來改變靜態(tài)頻率特性的工作設(shè)置點(diǎn)，動(dòng)作于汽門或水門，只要容量充足可以實(shí)現(xiàn)無差調(diào)節(jié)。二次調(diào)節(jié)可由人工控制實(shí)現(xiàn)，也可由自動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)（LFC），響應(yīng)時(shí)間大約為1～2mins。若按一定的控制準(zhǔn)則將多個(gè)LFC集中統(tǒng)一的進(jìn)行頻率的自動(dòng)控制，則稱為AGC。AGC可解決較大負(fù)荷變動(dòng)引起的頻率偏移，及聯(lián)絡(luò)線功率偏移的問題。三次調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)和負(fù)荷的單位調(diào)節(jié)功率均為25MW/Hz，系統(tǒng)穩(wěn)定在O點(diǎn)。當(dāng)負(fù)荷突然增加20MW時(shí)，負(fù)荷的頻率特性曲線由PL上升為PL’，此時(shí)，當(dāng)只考慮一次調(diào)頻，由于發(fā)電和負(fù)荷的一次調(diào)節(jié)作用,系統(tǒng)最終將穩(wěn)定在點(diǎn)O’運(yùn)行，此時(shí)頻率下降到49.6Hz，實(shí)質(zhì)上相當(dāng)于負(fù)荷增加了10MW，這是有差調(diào)節(jié)帶來的結(jié)果。當(dāng)考慮二次調(diào)節(jié)，即發(fā)電機(jī)增發(fā)10MW，同時(shí)再加上一次調(diào)節(jié)的作用，發(fā)電機(jī)頻率特性將由PG上升到PG’，最終系統(tǒng)穩(wěn)定在O’’點(diǎn)，頻率下降為49.8Hz。顯然，如果發(fā)電機(jī)直接增發(fā)20MW，即可實(shí)現(xiàn)無差調(diào)節(jié)。例：1995年8月15日12：25：30，1220MW發(fā)電功率突然從英國(guó)電力系統(tǒng)解列，該系統(tǒng)有65GW裝機(jī)容量，但沒有與其它系統(tǒng)進(jìn)行互聯(lián)。一次調(diào)節(jié)響應(yīng)必須在10s內(nèi)完成并持續(xù)20s，在達(dá)到49.5Hz的規(guī)定極限頻率前，頻率停止降落則一次響應(yīng)成功二次調(diào)節(jié)響應(yīng)必須在30s內(nèi)完成并持續(xù)30min，二次響應(yīng)促使系統(tǒng)頻率趨于正常，圖中12：29：20啟動(dòng)的燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)生了圖右側(cè)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(shè)備異步電動(dòng)機(jī)各種電熱設(shè)備照明家用電器電力系統(tǒng)本身電壓降低，會(huì)使網(wǎng)絡(luò)中功率損耗加大，還有可能危及電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性；電壓過高，各種電器設(shè)備的絕緣性能會(huì)受到損害，在特、超高壓電網(wǎng)中還將增加電暈損耗等。（2）無功支持的價(jià)值無功支持服務(wù)的價(jià)值在于，當(dāng)系統(tǒng)處于緊急狀態(tài)時(shí)可通過注入無功功率防止電壓崩潰。用潮流計(jì)算程序可以粗略地計(jì)算出為了避免設(shè)備故障停運(yùn)后出現(xiàn)的電壓崩潰，需要向系統(tǒng)注入多少無功功率。任一條線路停運(yùn)，自母線B處需注入的無功功率事故前，有功損耗為0.8MW，母線A處的發(fā)電機(jī)吸收線路產(chǎn)生的無功2.6Mvar。事故發(fā)生后，雖然有功損耗只增加了1.2MW，但是無功損耗增加到了159Mvar。為了防止電壓崩潰，兩臺(tái)發(fā)電機(jī)都必須向剩下的那條線路注入無功功率。4、輸電元件的傳輸能力問題線路輸電能力的主要制約因素

在進(jìn)行線路傳輸能力分析時(shí)，應(yīng)考慮熱限制、電壓限制和穩(wěn)定極限限制三方面的影響因素

線路傳輸能力的熱限制分析

靜態(tài)熱定值

動(dòng)態(tài)熱定值

電壓支撐能力與穩(wěn)定性對(duì)線路傳輸能力的影響5、電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)問題大擾動(dòng)后電力系統(tǒng)的穩(wěn)定問題，小擾動(dòng)后電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定問題，以及電力系統(tǒng)的低頻震蕩問題6、黑啟動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)崩潰后，系統(tǒng)運(yùn)行員必須保證任意時(shí)刻都能提供足夠的儲(chǔ)備電源保證系統(tǒng)迅速恢復(fù)，這項(xiàng)輔助服務(wù)稱為黑啟動(dòng)能力（BlackStartCapabilty）。有些機(jī)組（如水輪機(jī)和小型燃油機(jī)組）能手動(dòng)重啟或用儲(chǔ)能電池重啟。三、輔助服務(wù)的獲取

處理輔助服務(wù)有兩種機(jī)制強(qiáng)制性的提供輔助服務(wù)通過市場(chǎng)機(jī)制來提供輔助服務(wù)從經(jīng)濟(jì)學(xué)角度看，兩種機(jī)制各有優(yōu)劣。再者，輔助服務(wù)機(jī)制的選擇不僅受到輔助服務(wù)類型的影響，也受電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和歷史環(huán)境的影響。1、強(qiáng)制性提供輔助服務(wù)的機(jī)制該機(jī)制要求接入系統(tǒng)的參與者必須無原則的提供某一類型的輔助服務(wù)例，對(duì)并網(wǎng)機(jī)組的要求必須配備自動(dòng)調(diào)頻裝置，同時(shí)具有一次、二次調(diào)節(jié)的功能，這一要求可以確保所有機(jī)組共同參與頻率調(diào)節(jié)；能夠運(yùn)行在0.85超前到0.9滯后功率因數(shù)范圍內(nèi)并配有自動(dòng)調(diào)壓裝置，這一要求能保證所有機(jī)組參與電壓控制。實(shí)施難點(diǎn)導(dǎo)致不必要的投資并使發(fā)電量大于需求在技術(shù)或商業(yè)上沒有革新的空間參與者不愿意提供這種義務(wù)服務(wù)，因?yàn)閺?qiáng)迫提供輔助服務(wù)沒有報(bào)酬，同時(shí)還增加成本一些參與者可能沒有能力提供輔助服務(wù)或不能有效提供強(qiáng)制性機(jī)制并不適用于所有的輔助服務(wù)。另外，該機(jī)制中，還要免除一些參與者的輔助服務(wù)，這種免除無疑使市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)受到扭曲。2輔助服務(wù)提供的市場(chǎng)機(jī)制長(zhǎng)期合同適用于需求量不變或者變化很小的服務(wù)，以及提供服務(wù)多少主要由設(shè)備特性決定的服務(wù)。黑啟動(dòng)能力、系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)跳閘方案、電力系統(tǒng)穩(wěn)定器和頻率調(diào)節(jié)等，通常適用于長(zhǎng)期合同。實(shí)時(shí)市場(chǎng)適用于一天內(nèi)需求變化很大的服務(wù)和因市場(chǎng)交易供應(yīng)量變化的服務(wù)。例如，部分備用經(jīng)常通過短期市場(chǎng)機(jī)制獲得。成熟市場(chǎng)中，備用服務(wù)提供者需要同時(shí)參與短期合同和長(zhǎng)期合同。市場(chǎng)方式下能否應(yīng)用于所有輔助服務(wù)還不清楚。3需求側(cè)提供輔助服務(wù)鼓勵(lì)消費(fèi)者提供輔助服務(wù)的好處很多大量提供者增加了輔助服務(wù)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)性；從全局經(jīng)濟(jì)性考慮，由需求側(cè)提供輔助服務(wù)改善了電力的利用率；需求側(cè)提供輔助服務(wù)比大型機(jī)組更為可靠，其提供某種服務(wù)的同時(shí)失敗率較小。四、輔助服務(wù)市場(chǎng)機(jī)制的實(shí)現(xiàn)1備用容量的確定理想情況下，通過購(gòu)買備用提供的安全水平應(yīng)該由成本效益分析決定，該分析將備用邊際成本等于安全邊際價(jià)值設(shè)為最佳點(diǎn)。邊際成本容易計(jì)算，代表消費(fèi)者期望的邊際價(jià)值卻很難計(jì)算。需要設(shè)計(jì)一種激勵(lì)機(jī)制鼓勵(lì)系統(tǒng)運(yùn)行員不僅將購(gòu)買備用的成本最小化而且將所購(gòu)備用的量限制到保證安全性的實(shí)際需要值。2、電能和備用聯(lián)合交易的市場(chǎng)模式早期電力市場(chǎng)電能和備用分別交易，按服務(wù)響應(yīng)速度分別結(jié)算。經(jīng)驗(yàn)顯示這個(gè)方法存在問題，所以已經(jīng)被淘汰?，F(xiàn)在廣泛認(rèn)可的是電能和備用在同一市場(chǎng)交易，且同時(shí)結(jié)算以使提供電能和備用的總成本最小。由于電能供給和備用供給相互影響，因此它們需要協(xié)同優(yōu)化。

例：需求在300MW到720MW之間變化的小型電力市場(chǎng)，假設(shè)只需要250MW備用來保證系統(tǒng)運(yùn)行的安全性，系統(tǒng)中有4臺(tái)機(jī)組。機(jī)組1和4不允許提供備用，機(jī)組2和3可以提供備用，其限制如表所示。發(fā)電機(jī)組

邊際成本（$/MWh）機(jī)組容量（MW）機(jī)組備用（MW）1234217202825023024025001601900忽略機(jī)組最小技術(shù)輸出功率；假設(shè)市場(chǎng)運(yùn)行在集中模式下，且機(jī)組報(bào)價(jià)等于其真實(shí)邊際成本；備用不單獨(dú)報(bào)價(jià)，機(jī)組提供備用沒有直接成本不同負(fù)荷下的優(yōu)化方案確定備用價(jià)格以負(fù)荷為420MW到470MW之間為例，此時(shí)機(jī)組2至少提供60MW備用，其輸出功率不能超過170MW機(jī)組3成為邊際機(jī)組，輸出功率為0到50MW之間，并決定電價(jià)為20＄/MWh，同時(shí)提供190MW備用為得到大于或等于250MW的備用，不得不減少機(jī)組2的輸出功率，增加機(jī)組3的輸出功率。如，機(jī)組2減少1MW，機(jī)組3必增加1MW，因而獲得備用的總成本為20－17＝3＄/MWh。提供備用的收入等于它不能賣電的機(jī)會(huì)成本考慮機(jī)組提供備用的成本，同時(shí)假設(shè)機(jī)組4可提供最多150MW的備用不同負(fù)荷下的優(yōu)化方案3、基于風(fēng)險(xiǎn)約束的備用配置方法

系統(tǒng)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)可以分為投運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)和響應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)，前者與給定時(shí)間內(nèi)的機(jī)組投運(yùn)安排相關(guān)，后者與已投運(yùn)機(jī)組的調(diào)度決策相關(guān)。

在基于響應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)約束的備用配置方法中，負(fù)荷并不認(rèn)為是不可中斷的，而是要保證負(fù)荷中斷的風(fēng)險(xiǎn)（如系統(tǒng)的電力不足期望EDNS）小于一定水平，這使得系統(tǒng)的運(yùn)行決策可以建立在社會(huì)效益期望最大化的基礎(chǔ)上，而不是一味保守地保證負(fù)荷的電力供應(yīng)。4、成本分?jǐn)傇诂F(xiàn)有技術(shù)條件下系統(tǒng)運(yùn)行員無法實(shí)現(xiàn)不同安全水平的輸電。因此，當(dāng)前所有用戶得到的安全水平是相同的，那么按照所用電量分?jǐn)傒o助服務(wù)成本就是可行的，通常以消費(fèi)或生產(chǎn)的電能來計(jì)量。一些用戶的行為可能給系統(tǒng)造成不成比例的壓力，處罰這些用戶可鼓勵(lì)他們改變做法，減少所需輔助服務(wù)，從而降低達(dá)