CN112003270B - 一种应用于电力市场环境下的无功辅助服务优化调度方法 - Google Patents

一种应用于电力市场环境下的无功辅助服务优化调度方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种应用于电力市场环境下的无功辅助服务优化调度方法，首先进行无功辅助服务成本分析，包括电网侧无功辅助服务成本和发电侧无功辅助服务成本，电网侧无功辅助服务成本仅由固定成本和可变成本两部分构成，发电侧无功辅助服务成本主要为发电机成本，由容量成本和机会成本构成；然后根据无功辅助服务成本，绘制发电机补偿曲线进行分析，分成三个区域，对于不同的区域实现相应的无功辅助服务的优化调度。本发明对电网公司更好地运行具有重要的意义，体现出正确的无功价格对电网经济效益有推动作用，正确的无功投资也可以激励无功设备的再投资，保持系统充裕的无功备用，增加系统的安全稳定裕度，有益于电力市场的发展。

Description

一种应用于电力市场环境下的无功辅助服务优化调度方法
技术领域
本发明涉及电力市场无功辅助服务研究领域，尤其涉及一种应用于电力市场环境下的无功辅助服务优化调度方法。
背景技术
一般来讲，电力市场辅助服务的获取主要可以通过强制性手段和市场手段两种方式。强制性手段获取方式为系统运行部门可以强制要求发电厂提供电力市场辅助服务。市场手段获取方式的根本在于通过建立竞争市场来提供商业化的电力市场辅助服务，应用广泛。
美国加州电力市场指出独立系统运营商(ISO)通过长期合同的方式从发电机组获取无功容量；并且，加州独立交易运行机构(CAISO)要求，发电机组运行在功率因数为-0.95～0.90的范围内时需要提供强制性的无偿无功支持，无功辅助服务市场获取机制。在澳大利亚电力市场中，任何运行在功率因数-0.93～0.90范围内的发电机都被强制要求提供无偿无功辅助服务；澳大利亚与加州电力市场最大的区别在于，澳大利亚电力市场存在部分未得到明确的定义的无功电价。在英国电力市场中，所有发电容量大于50MW的发电机都要强制提供基本无功辅助服务。无功辅助服务获取方式为机组竞标，中标机组与英国国家电网公司签订最少一年的无功服务合同，合同包括发电机的无功容量价格、可用无功容量价格和无功电量价格，由NGC按月支付以机组无功容量价格构成的固定费用。对于未中标机组而言，NGC要获取无功服务，就要在无功出力[Qdown,Qup]范围内给予机组2.40$/Mvarh的补偿费用。
以上国外电力市场的研究并未涉及到无功辅助服务成本方案的细致分析，并未给出一种详细的对电厂多发无功的补贴方法，也没有给出一种适合电力市场的无功辅助服务交易规则。本发明以无功辅助服务成本分析为基础，通过对电网侧与发电侧多种无功源发出无功的成本进行对比，初步得出本发明所提无功辅助策略的经济性，然后进行电力市场某实施例分析，对比现有策略与本发明策略的优劣性。最后根据分析所得结论，给出一系列电力市场的无功辅助服务规则作为探讨，对无功辅助服务的经济性问题有所启发，对电力市场无功缺额的补充形式与优化配置提供了新的分析思路。
发明内容
本发明目的在于针对现有技术的不足，提出一种应用于电力市场环境下的无功辅助服务优化调度方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种应用于电力市场环境下的无功辅助服务优化调度方法，该方法包括以下步骤：
S1，进行无功辅助服务成本分析：
无功辅助服务的成本包括电网侧无功辅助服务成本和发电侧无功辅助服务成本；
所述电网侧无功辅助服务成本仅由固定成本和可变成本两部分构成，相当于设备的成本和其提供无功服务产生的网损；
所述发电侧无功辅助服务成本主要为发电机成本，由容量成本和机会成本构成；
所述容量成本如下：
发电侧产生的无功辅助服务的容量成本是发电机总投资成本分摊到无功容量的部分。因此，引入视在容量进行分析。
Cp＝Cs*cos(cos-1pf)＝Cs*pf
Cq＝Cs*sin(cos-1pf)
式中，Cq为单位无功容量成本，单位为＄/MVar；Cs为单位视在容量成本，单位为＄/MVA；Cp为单位有功容量成本，单位为＄/MW；pf为额定功率因数，一般取0.85-0.97。
所述机会成本如下：
发电机机会成本计算方法为：
Figure BDA0002621686640000021
式中，Cqgi(QGi)为发电机提供无功服务时所产生的机会成本，QGi为发电机无功功率，SGmax为发电机额定视在功率，Cpgi为发电机提供的有功服务的成本，k为发电厂的利润率，取值为5％-10％。
S2，根据无功辅助服务成本，绘制发电机补偿曲线进行分析；
以无功功率Q为横坐标，无功辅助服务成本为纵坐标绘制坐标系，对坐标系中限定三个区域，区域1为
Figure BDA0002621686640000022
与坐标轴围成的矩形区域，Qbs为发电机满足自身运行需要时的无功出力，C为发电机满足自身运行需要时对应的成本；区域2为
Figure BDA0002621686640000023
围成的三角形区域，Qa为发电机不影响其有功出力时提供的无功出力，A为发电机不影响其有功出力时提供的无功出力对应的成本；区域3为
Figure BDA0002621686640000024
围成的区域，Qb为发电机牺牲有功出力来提供的无功出力，B发电机牺牲有功出力来提供无功出力对应的成本。
(1)区域1内发电机无功出力是为了满足自身运行需要，因此不必向发电厂支付无功发电量费用；
(2)区域2内发电机提供无功出力并不影响其有功出力的大小。此时，虽然无功出力增加了，但是发电成本并没有增加，可以根据增加的无功出力向发电厂支付服务费；
(3)区域3内发电机为了提供更多的无功出力将以牺牲有功出力为代价，发电者从电力系统中的电网公司获得的补偿费用应与其所发出的无功电量成正比例，即会产生机会成本。
S3，根据步骤S2中三个区域的分析，实现无功辅助服务的优化调度；
对于区域1，发电厂机组上报无功调节能力上下限，在机组滞相运行的情况下，考虑升压变无功损耗，在从电网吸收无功到向电网提供一定功率因数无功的范围内，功率因数选择为0.97，调度机构在电厂上报的机组无功调节能力范围内对无功辅助服务进行自由调度，不对无功电量进行补偿。
对于区域2，对参与自动电压控制AVC的机组按上报无功调节能力上下限进行无功容量费用补偿。
对于区域3，机组滞相运行时，无功计量点取为发电厂网侧，对超出无功辅助服务的上网无功部分进行报价。
进一步地，步骤S1中，所述固定成本如下：
对于无功补偿装置，固定成本即投资成本，折算到每一年，采取下列公式进行计算：
Figure BDA0002621686640000031
式中，A为折算到每年的年度固定成本，i为每年的资金回报率，取10％。n为无功补偿装置预期的使用寿命，I为总投资成本即安装成本。
进一步地，步骤S1中，所述可变成本如下：
除了固定成本，无功非发电设备产生无功功率时会有产生网损的情况，进而产生额外的成本，即为可变成本。
进一步地，步骤S3中，对于区域2，发电厂向电力系统提供无功功率会引起发电机绕组损耗的增加，但改变发电机的无功功率时不需要调整发电机的有功功率，发电成本没有增加，因此向发电厂支付发电机运行的无功固定成本作为补贴。
进一步地，步骤S3中，对于区域3，优先选择投入电网侧无功源来提供无功出力，当电网侧无功源不足以补充时，再选择发电机提供更多的无功出力。
本发明的有益效果：
本发明细致分析了无功辅助服务的成本构成，并根据成本以及发电机补偿曲线的分析，给出一系列无功辅助服务优化调度方法，对电网公司更好地运行具有重要的意义，体现出正确的无功价格对电网经济效益有推动作用，正确的无功投资也可以激励无功设备的再投资，保持系统充裕的无功备用，增加系统的安全稳定裕度，有益于电力市场的发展。
附图说明
图1为本发明流程图；
图2为发电机经济补偿曲线；
图3本发明实施例某地一天内8:00-9:00无功缺额情况对比；
图4为本发明实施例某地24h无功缺额情况对比；
图5为现有方法与本发明方法成本对比。
具体实施方式
以下结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细说明。
本发明提供了一种应用于电力市场环境下的无功辅助服务优化调度方法，该方法包括以下步骤：
S1，进行无功辅助服务成本分析：
无功辅助服务的成本包括电网侧无功辅助服务成本和发电侧无功辅助服务成本；
所述电网侧无功辅助服务成本仅由固定成本和可变成本两部分构成，相当于设备的成本和其提供无功服务产生的网损，具体为：
所述固定成本如下：
对于无功补偿装置，固定成本即投资成本可以折算到每一年，采取下列公式进行计算：
Figure BDA0002621686640000041
式中，A为折算到每年的年度固定成本，i为每年的资金回报率，取10％。n为无功补偿装置预期的使用寿命，I为总投资成本即安装成本。
所述可变成本如下：
除了固定成本，无功非发电设备产生无功功率时会有产生网损的情况，进而产生额外的成本，即为可变成本。
所述发电侧无功辅助服务成本主要为发电机成本，由容量成本、机会成本和管理成本构成；
所述容量成本如下：
发电侧产生的无功辅助服务的容量成本是发电机总投资成本分摊到无功容量的部分。因此，引入视在容量进行分析。
Cp＝Cs*cos(cos-1pf)＝Cs*pf
Cq＝Cs*sin(cos-1pf)
式中，Cq为单位无功容量成本，单位为＄/MVar；Cs为单位视在容量成本，单位为＄/MVA；Cp为单位有功容量成本，单位为＄/MW；pf为额定功率因数，一般取0.85-0.97。
所述机会成本如下：
发电机机会成本计算方法为：
Figure BDA0002621686640000051
式中，Cqgi(QGi)为发电机提供无功服务时所产生的机会成本，QGi为发电机无功功率，SGmax为发电机额定视在功率，Cpgi为发电机提供的有功服务的成本，k为发电厂的利润率，取值为5％-10％。
S2，根据无功辅助服务成本分析情况收集数据，模拟成本方案，发电机补偿曲线分析；
发电机组成本
某发电机最大额定出力Pmax为600MW，投资成本I为400万元/MW，预期寿命yr为30年，可用率af为85％，负荷率lf为64％，功率因数pf为0.9。
(1)固定成本
此处发电机容量成本可以归为一种固定成本。根据1-2所提公式，得出机组运行时分摊到每小时的有功功率投资成本，即有功功率固定成本为28元/MWh；由pf＝0.9得此机组视在功率成本为25.20元/MVAh；按三角关系计算可得有功、无功单位固定成本；最后可求得600MW机组无功辅助固定成本为3196.60元/h。
(2)机会成本
某发电机在能量市场的无约束有功出力为600MW，市场清除价为300元/MWh。保持此有功出力运行1小时。假设减少1MW的有功出力，能够发0.5MVar的无功出力，则无功的成本为600元/MVarh。
变电站电容、电抗器成本(220kv变电站配置)
设计方案：一个变电站配一个电抗器，四个电容器，容量每组10MVar。
(1)固定成本
如一个10MVar的电容器投资成本为7万元，电抗器投资成本为14万元，若其使用寿命为15年，则由1.1.1所提公式可以得到折算到电容器、电抗器每小时的固定成本分别为1.05元/h，2.10元/h。
(2)操作成本
在设备的使用期限内，只能承受有限次数的投切操作。因此每一次投切操作都对应着投资成本的贬值。35kV的电容器开关售价大概50000元，若一天操作开关两次，则开关寿命在4.1年～13.7年之间，且每次投切操作的成本为5～16.67元之间，取20元/天。
成本分析
如图2所示，绘制发电机补偿曲线分析，以无功功率Q为横坐标，成本为纵坐标绘制坐标系，区域1为
Figure BDA0002621686640000061
与坐标轴围成的矩形区域；区域2为
Figure BDA0002621686640000062
围成的三角形区域；区域3为
Figure BDA0002621686640000063
围成的区域。
(1)区域1内发电机无功出力是为了满足自身运行需要，因此不必向发电厂支付无功发电量费用；
(2)区域2内发电机提供无功出力并不影响其有功出力的大小。此时，虽然无功出力增加了，但是发电成本并没有增加，可以按一定比例向发电厂支付服务费；
此处电容器在进行无功辅助服务时，每天投切次数较少，只需投切2次左右且投切时间较长，所以成本选用元/天作为单位；而发电机组每天只需在部分时段提供无功服务，则单位选用元/h。
根据图2中区域2内的情况，在早晚用电高峰时，无功功率不足会产生无功缺口，分为以下几种情况分析：
1)无功缺口为3MVar时，10MVar电容器容量太大，选择不投切电容器，仅靠发电机供给无功，此时应支付3*10.99＝33元/h作为发电机补贴；
2)无功缺口为10MVar时，电容器所剩容量足够，选择投切10MVar电容器，一天投切2次，此时应支付(20元/天+1.05元/h)的成本；
(3)区域3内发电机为了提供更多的无功出力将以牺牲有功出力为代价，发电者从电力系统中的电网公司获得的补偿费用应与其所发出的无功电量成比例，即会产生机会成本。
无功缺口为10MVar时，考虑电容器所剩容量不足的情况，因4台电容器已使用3台，仍有10MVar的无功缺口，此时应比较最后一台所剩10MVar电容器与发电机额外发出10MVar成本相比较:
如表1和表2所示，10MVar电容器成本：一天投切2次，此时应支付(20元/天+1.05元/h)的成本；
机组发出10MVar无功成本：600*10＝6000元/h；
对于剧烈变化的负荷而言，则需要使用时变的或动态的无功支持设备，如SVC、同步调相机等，他们可以快速地发出和吸收无功，可选择作为无功辅助设备。
表1各成本对比
Figure BDA0002621686640000071
表2区域2、3内成本情况
Figure BDA0002621686640000072
电力市场具体实例分析
某地一天中参与AVC运行的发电机组共243台，投切的电容器共155个，大部分投切动作是1-2次。
(1)如图3所示，某地一天内8:00-9:00无功缺额情况；
通过数据分析可以得到，在一天中8:00-9:00的时段无功缺口较大，但由于电容器运行成本低，补充无功缺额势必比机组便宜的多，所以此处不深入分析电容器投切费用，主要对比高成本的发电机在本发明方法使用前后的费用情况。
在现有策略的控制下，电网公司对电厂实行15元/Mvarh的补贴，上述实施例中发电机组补充无功缺额总量为110475.9MVar，即8:00-9:00时段需补贴电厂1657138.5元。本发明暂且考虑机组滞相运行的情况，在参与电力市场无功辅助服务的情况下，机组功率因数在0.97-1之间，落在区域1内即无需补偿；功率因数在0.85-0.97之间，且有功量测值在最大有功出力的50％-95％的范围内，则落在区域2，需对电厂提供补偿费用；功率因数在0-0.85之间，且有功量测值小于最大有功出力的50％时落在区域3，即需要考虑机组机会成本。参考图2，发电机组落在区域1、2、3内的无功缺额如表3所示，分为不补偿、给予电厂补贴、以及电厂根据机会成本报价三部分。其中补贴为10.99*60793.8所得，机会成本为无功缺额*(600元/MVarh)，可以发现费用明显降低。某地24h的实施例情况同理。
表3无功辅助服务成本对比
Figure BDA0002621686640000081
(2)某地24h无功缺额和无功辅助服务成本对比情况，如图4和表4所示；
表4某天无功辅助服务成本对比
Figure BDA0002621686640000082
综上所述，在本发明所提方法下，费用比现有策略明显降低。
(3)轻负荷、重负荷的情况分析
负荷很小时，发电机有功出力很小，区域1可以提供的无功出力也很小，所以主要按图2中区域2、3的情况补充无功。区域2中有功出力范围在0.5Pmax～0.95Pmax之间，现有策略无功补贴15元/Mvarh，本发明所提策略补贴10.99元/Mvarh，即节省4元/Mvarh；区域3有功出力范围在0～0.5Pmax之间时，本发明策略产生的机会成本为无功缺额*(600元/MVarh)，具体情况如图5所示，图中横坐标为无功缺额Qv，10.99/Mvarh线段后的曲线为机会成本。当SB>SA时，本发明所提策略花费要超出现有策略。
通过计算可以得到机组最大有功出力Pmax>625MW时，本发明所提方法产生的费用比现有策略高。取1000MW机组为例，一般情况下发出600MW有功出力，若机组满发到1000MW，在负荷低的时候可以不采取本发明策略，留做备用容量。在负荷轻的情况下，如果系统发出的无功比较大，会需要电厂进相运行，这样就会产生管理成本等更多的费用。在负荷重的情况下，由于机组在区域2提供的无功较多，很难进入区域3，所以对于电网侧不太会产生额外的无功费用。
S3，根据步骤S2中三个区域的分析，实现无功辅助服务的优化调度。
无功辅助服务中进相及滞相无功应该分开考虑，本发明主要考虑非进相运行区域。前提是发电厂分机组应上报无功调节能力上下限。
在区域1中发电厂有义务提供基本的无功辅助服务，在机组非进相运行的情况下，在从电网吸收无功(考虑升压变无功损耗)到向电网提供一定功率因数无功的范围内，调度机构在电厂上报的机组无功调节能力范围内，对无功辅助服务进行自由调度，不对无功电量进行补偿。调度方法如下：
(1)无功辅助服务中进相及滞相无功分开考虑。
(2)发电厂分机组上报无功调节能力上下限。
(3)调度机构可以在电厂上报的机组无功调节能力范围内对无功辅助服务进行自由调度。
(4)发电厂有义务提供基本的无功辅助服务，在机组非进相运行的情况下，在从电网吸收无功(考虑升压变无功损耗)到向电网提供一定功率因数无功(如0.97)的范围内，调度机构可以对无功辅助服务进行自由调度，不对无功电量进行补偿。
在区域2中发电厂向系统提供无功功率会引起发电机绕组损耗的增加，但改变发电机的无功功率时不需要调整发电机的有功功率，发电成本没有增加，可以向发电厂支付发电机运行的无功固定成本作为补贴。调度方法如下：
(5)对参与AVC的机组按上报无功调节能力上下限进行一定的无功容量费用补偿。
在区域3中优先选择投入电容器等电网侧无功源来提供无功出力，以达到支付最少费用的目的。当无功缺口过大，电网侧无功源不足以补充时，再选择发电机提供更多的无功出力，对超出基本无功辅助服务的上网无功部分进行报价，允许分三段报价，每段要求单调递增，并按发电机报价向电厂支付服务费。调度方法如下：
机组滞相运行时，无功计量点取为发电厂网侧，对超出基本无功辅助服务的上网无功部分进行报价，允许分三段报价，每段要求单调递增。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，熟悉该本领域的技术人员应该明白本发明包括但不限于上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

Claims (5)

1.一种应用于电力市场环境下的无功辅助服务优化调度方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1，进行无功辅助服务成本分析：
无功辅助服务的成本包括电网侧无功辅助服务成本和发电侧无功辅助服务成本；
所述电网侧无功辅助服务成本仅由固定成本和可变成本两部分构成，相当于设备的成本和其提供无功服务产生的网损；
所述发电侧无功辅助服务成本主要为发电机成本，由容量成本和机会成本构成；
所述容量成本如下：
发电侧产生的无功辅助服务的容量成本是发电机总投资成本分摊到无功容量的部分；因此，引入视在容量进行分析；
Cp＝Cs*cos(cos-1pf)＝Cs*pf
Cq＝Cs*sin(cos-1pf)
式中，Cq为单位无功容量成本，单位为＄/MVar；Cs为单位视在容量成本，单位为＄/MVA；Cp为单位有功容量成本，单位为＄/MW；pf为额定功率因数，取0.85-0.97；
所述机会成本如下：
发电机机会成本计算方法为：
Figure FDA0003461721990000011
式中，Cqgi(QGi)为发电机提供无功服务时所产生的机会成本，QGi为发电机无功功率，SGmax为发电机额定视在功率，Cpgi为发电机提供的有功服务的成本，k为发电厂的利润率，取值为5％-10％；
S2，根据无功辅助服务成本，绘制发电机补偿曲线进行分析；
以无功功率Q为横坐标，无功辅助服务成本为纵坐标绘制坐标系，对坐标系中限定三个区域，区域1为
Figure FDA0003461721990000012
与坐标轴围成的矩形区域，Qbs为发电机满足自身运行需要时的无功出力，C为发电机满足自身运行需要时对应的成本；区域2为
Figure FDA0003461721990000013
围成的三角形区域，Qa为发电机不影响其有功出力时提供的无功出力，A为发电机不影响其有功出力时提供的无功出力对应的成本；区域3为
Figure FDA0003461721990000021
围成的区域，Qb为发电机牺牲有功出力来提供的无功出力，B发电机牺牲有功出力来提供无功出力对应的成本；
(1)区域1内发电机无功出力是为了满足自身运行需要，因此不必向发电厂支付无功发电量费用；
(2)区域2内发电机提供无功出力并不影响其有功出力的大小；此时，虽然无功出力增加了，但是发电成本并没有增加，根据增加的无功出力向发电厂支付服务费；
(3)区域3内发电机为了提供更多的无功出力将以牺牲有功出力为代价，发电者从电力系统中的电网公司获得的补偿费用应与其所发出的无功电量成正比例，即会产生机会成本；
S3，根据步骤S2中三个区域的分析，实现无功辅助服务的优化调度；
对于区域1，发电厂机组上报无功调节能力上下限，在机组滞相运行的情况下，考虑升压变无功损耗，在从电网吸收无功到向电网提供功率因数为0.97的无功的范围内，调度机构在电厂上报的机组无功调节能力范围内对无功辅助服务进行自由调度，不对无功电量进行补偿；
对于区域2，对参与自动电压控制AVC的机组按上报无功调节能力上下限进行无功容量费用补偿；
对于区域3，机组滞相运行时，无功计量点取为发电厂网侧，对超出无功辅助服务的上网无功部分进行报价。
2.根据权利要求1所述的一种应用于电力市场环境下的无功辅助服务优化调度方法，其特征在于，步骤S1中，所述固定成本如下：
对于无功补偿装置，固定成本即投资成本，折算到每一年，采取下列公式进行计算：
Figure FDA0003461721990000022
式中，A为折算到每年的年度固定成本，i为每年的资金回报率，取10％；n为无功补偿装置预期的使用寿命，I为总投资成本即安装成本。
3.根据权利要求1所述的一种应用于电力市场环境下的无功辅助服务优化调度方法，其特征在于，步骤S1中，所述可变成本如下：
除了固定成本，无功非发电设备产生无功功率时会有产生网损的情况，进而产生额外的成本，即为可变成本。
4.根据权利要求1所述的一种应用于电力市场环境下的无功辅助服务优化调度方法，其特征在于，步骤S3中，对于区域2，发电厂向电力系统提供无功功率会引起发电机绕组损耗的增加，但改变发电机的无功功率时不需要调整发电机的有功功率，发电成本没有增加，因此向发电厂支付发电机运行的无功固定成本作为补贴。
5.根据权利要求1所述的一种应用于电力市场环境下的无功辅助服务优化调度方法，其特征在于，步骤S3中，对于区域3，优先选择投入电网侧无功源来提供无功出力，当电网侧无功源不足以补充时，再选择发电机提供更多的无功出力。
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