《電力市場概論》 課件 第五章 系統(tǒng)安全與輔助服務

第四章系統(tǒng)安全與輔助服務一、引言

電力系統(tǒng)運行的安全性：是指應付各種可能的擾動以保持電力系統(tǒng)持續(xù)、可靠、優(yōu)質運行的能力，保證這一能力的手段在電力市場環(huán)境下被稱為輔助服務。

輔助服務市場：又稱為不平衡市場，顧名思義，就是實際供電與需求的差值。這一差值是電力市場所有參與者所固有的不確定性決定的。輔助服務的類型：（1）電壓、頻率、聯(lián)絡線功率等的調節(jié)（Regulation），－－自動發(fā)電控制（AGC）－－自動電壓控制（AVC）（2）旋轉備用（SpinningReserve），10分鐘以內來自在線機組或鄰近系統(tǒng)支援的快速響應；（3）非旋轉備用（Non-SpinningReserve），10分鐘以內來自離線機組、可中斷負荷，或鄰近系統(tǒng)支援的快速響應；（4）替代備用（ReplacementReserve），60分鐘以內來自在線或離線機組、可中斷負荷，或鄰近系統(tǒng)支援的響應；（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節(jié)能力；（6）黑啟動（BlackStart），經(jīng)歷局部或全部系統(tǒng)癱瘓時可自啟動的電源容量。電力系統(tǒng)特性決定了輔助服務在電力市場運營中必須是統(tǒng)一、計劃、協(xié)調地進行本章內容：輔助服務的經(jīng)濟機理分析電力系統(tǒng)各類擾動，及這些擾動對系統(tǒng)安全的影響分析電力系統(tǒng)所需的典型輔助服務類型，探討如何確定各種服務量并建立實施機制從服務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合使運行利潤最大化（一體化交易）。二、輔助服務的需求負荷與發(fā)電總體不平衡引起的安全問題和傳輸網(wǎng)絡的安全問題1、電力系統(tǒng)安全性的防御電力系統(tǒng)運行的監(jiān)測

SCADA（SupervisoryControlAndDataAcquisition）系統(tǒng)預想事故評估完成系統(tǒng)狀態(tài)估計的基礎上對預想的事故集合進行分析電力系統(tǒng)正常運行的條件有功、無功功率的平衡；系統(tǒng)中狀態(tài)量，如頻率、電壓、元件電流、機組功率、功角等不應超出允許要求的范圍。

電力系統(tǒng)的運行狀態(tài)正常狀態(tài)：兩個條件必須得到滿足安全正常狀態(tài)不安全正常狀態(tài)－－預防控制緊急狀態(tài)：第二個條件不滿足，但第一個條件滿足－－校正控制（可以短時忍受）或緊急控制（必須立即處理）崩潰狀態(tài)第一個條件不滿足，系統(tǒng)處于分裂運行；第二個條件也不滿足，系統(tǒng)處于欠安全狀態(tài)，處理不好會造成系統(tǒng)全面瓦解。恢復狀態(tài)：第一個條件不滿足，但第二個條件滿足。2、有功功率的平衡問題有功功率平衡的控制主要對應頻率的控制。頻率調節(jié)：一次調節(jié)：利用發(fā)電機的調速裝置，按設定的調差特性，只要機組不滿載都可進行的自動調節(jié)，響應時間大約為幾秒至幾十秒，只能解決微小負荷擾動引起的頻率偏移；二次調節(jié)：利用調頻器來改變靜態(tài)頻率特性的工作設置點，動作于汽門或水門，只要容量充足可以實現(xiàn)無差調節(jié)。二次調節(jié)可由人工控制實現(xiàn)，也可由自動裝置實現(xiàn)（LFC），響應時間大約為1～2mins。若按一定的控制準則將多個LFC集中統(tǒng)一的進行頻率的自動控制，則稱為AGC。AGC可解決較大負荷變動引起的頻率偏移，及聯(lián)絡線功率偏移的問題。三次調節(jié)發(fā)電機和負荷的單位調節(jié)功率均為25MW/Hz，系統(tǒng)穩(wěn)定在O點。當負荷突然增加20MW時，負荷的頻率特性曲線由PL上升為PL’，此時，當只考慮一次調頻，由于發(fā)電和負荷的一次調節(jié)作用,系統(tǒng)最終將穩(wěn)定在點O’運行，此時頻率下降到49.6Hz，實質上相當于負荷增加了10MW，這是有差調節(jié)帶來的結果。當考慮二次調節(jié)，即發(fā)電機增發(fā)10MW，同時再加上一次調節(jié)的作用，發(fā)電機頻率特性將由PG上升到PG’，最終系統(tǒng)穩(wěn)定在O’’點，頻率下降為49.8Hz。顯然，如果發(fā)電機直接增發(fā)20MW，即可實現(xiàn)無差調節(jié)。例：1995年8月15日12：25：30，1220MW發(fā)電功率突然從英國電力系統(tǒng)解列，該系統(tǒng)有65GW裝機容量，但沒有與其它系統(tǒng)進行互聯(lián)。一次調節(jié)響應必須在10s內完成并持續(xù)20s，在達到49.5Hz的規(guī)定極限頻率前，頻率停止降落則一次響應成功二次調節(jié)響應必須在30s內完成并持續(xù)30min，二次響應促使系統(tǒng)頻率趨于正常，圖中12：29：20啟動的燃氣輪機產(chǎn)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(tǒng)本身電壓降低，會使網(wǎng)絡中功率損耗加大，還有可能危及電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性；電壓過高，各種電器設備的絕緣性能會受到損害，在特、超高壓電網(wǎng)中還將增加電暈損耗等。（2）無功支持的價值無功支持服務的價值在于，當系統(tǒng)處于緊急狀態(tài)時可通過注入無功功率防止電壓崩潰。用潮流計算程序可以粗略地計算出為了避免設備故障停運后出現(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，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，兩臺發(fā)電機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

在進行線路傳輸能力分析時，應考慮熱限制、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

動態(tài)熱定值

電壓支撐能力與穩(wěn)定性對線路傳輸能力的影響5、電力系統(tǒng)的動態(tài)問題大擾動后電力系統(tǒng)的穩(wěn)定問題，小擾動后電力系統(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、黑啟動整個系統(tǒng)崩潰后，系統(tǒng)運行員必須保證任意時刻都能提供足夠的儲備電源保證系統(tǒng)迅速恢復，這項輔助服務稱為黑啟動能力（BlackStartCapabilty）。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、輔助服務的獲取

處理輔助服務有兩種機制強制性的提供輔助服務通過市場機制來提供輔助服務從經(jīng)濟學角度看，兩種機制各有優(yōu)劣。再者，輔助服務機制的選擇不僅受到輔助服務類型的影響，也受電力系統(tǒng)運行狀態(tài)和歷史環(huán)境的影響。1、強制性提供輔助服務的機制該機制要求接入系統(tǒng)的參與者必須無原則的提供某一類型的輔助服務例，對并網(wǎng)機組的要求必須配備自動調頻裝置，同時具有一次、二次調節(jié)的功能，這一要求可以確保所有機組共同參與頻率調節(jié)；能夠運行在0.85超前到0.9滯后功率因數(shù)范圍內并配有自動調壓裝置，這一要求能保證所有機組參與電壓控制。實施難點導致不必要的投資并使發(fā)電量大于需求在技術或商業(yè)上沒有革新的空間參與者不愿意提供這種義務服務，因為強迫提供輔助服務沒有報酬，同時還增加成本一些參與者可能沒有能力提供輔助服務或不能有效提供強制性機制并不適用于所有的輔助服務。另外，該機制中，還要免除一些參與者的輔助服務，這種免除無疑使市場競爭受到扭曲。2輔助服務提供的市場機制長期合同適用于需求量不變或者變化很小的服務，以及提供服務多少主要由設備特性決定的服務。黑啟動能力、系統(tǒng)聯(lián)動跳閘方案、電力系統(tǒng)穩(wěn)定器和頻率調節(jié)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服務和因市場交易供應量變化的服務。例如，部分備用經(jīng)常通過短期市場機制獲得。成熟市場中，備用服務提供者需要同時參與短期合同和長期合同。市場方式下能否應用于所有輔助服務還不清楚。3需求側提供輔助服務鼓勵消費者提供輔助服務的好處很多大量提供者增加了輔助服務市場的競爭性；從全局經(jīng)濟性考慮，由需求側提供輔助服務改善了電力的利用率；需求側提供輔助服務比大型機組更為可靠，其提供某種服務的同時失敗率較小。四、輔助服務市場機制的實現(xiàn)1備用容量的確定理想情況下，通過購買備用提供的安全水平應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值設為最佳點。邊際成本容易計算，代表消費者期望的邊際價值卻很難計算。需要設計一種激勵機制鼓勵系統(tǒng)運行員不僅將購買備用的成本最小化而且將所購備用的量限制到保證安全性的實際需要值。2、電能和備用聯(lián)合交易的市場模式早期電力市場電能和備用分別交易，按服務響應速度分別結算。經(jīng)驗顯示這個方法存在問題，所以已經(jīng)被淘汰。現(xiàn)在廣泛認可的是電能和備用在同一市場交易，且同時結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，假設只需要250MW備用來保證系統(tǒng)運行的安全性，系統(tǒng)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(fā)電機組

邊際成本（$/MWh）機組容量（MW）機組備用（MW）1234217202825023024025001601900忽略機組最小技術輸出功率；假設市場運行在集中模式下，且機組報價等于其真實邊際成本；備用不單獨報價，機組提供備用沒有直接成本不同負荷下的優(yōu)化方案確定備用價格以負荷為420MW到470MW之間為例，此時機組2至少提供60MW備用，其輸出功率不能超過170MW機組3成為邊際機組，輸出功率為0到50MW之間，并決定電價為20＄/MWh，同時提供190MW備用為得到大于或等于250MW的備用，不得不減少機組2的輸出功率，增加機組3的輸出功率。如，機組2減少1MW，機組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會成本考慮機組提供備用的成本，同時假設機組4可提供最多150MW的備用不同負荷下的優(yōu)化方案3、基于風險約束的備用配置方法

系統(tǒng)的運行風險可以分為投運風險和響應風險，前者與給定時間內的機組投運安排相關，后者與已投運機組的調度決策相關。

在基于響應風險約束的備用配置方法中，負荷并不認為是不可中斷的，而是要保證負荷中斷的風險（如系統(tǒng)的電力不足期望EDNS）小于一定水平，這使得系統(tǒng)的運行決策可以建立在社會效益期望最大化的基礎上，而不是一味保守地保證負荷的電力供應。4、成本分攤在現(xiàn)有技術條件下系統(tǒng)運行員無法實現(xiàn)不同安全水平的輸電。因此，當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攤輔助服務成本就是可行的，通常以消費或生產(chǎn)的電能來計量。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他們改變做法，減少所需輔助服務，從而降低達