市場環(huán)境下電力系統有功調度與無功優(yōu)化的經濟規(guī)律研究.pdf

1、電力商品供給與需求的平衡過程是以光速來衡量的，同時又必須遵循KCL和KVL兩個定律，以及諸多質量和安全的要求。因此與一般普通商品相比，電力商品有其極度的復雜性和差異性。由此電力市場僅依據現有的經濟理論而不充分結合電力系統的運行規(guī)律，難以準確、到位地解釋電力系統運行中的市場經濟問題，這在某種程度上阻礙或制約了電力工業(yè)改革的良性、穩(wěn)健發(fā)展。以此為出發(fā)點，本文結合經濟學思想，針對電力商品生產、傳輸、使用各環(huán)節(jié)構成的電力系統，從運行調度(ISO

2、)層面，深入研究了計及各種制約影響所反映出的經濟規(guī)律和市場規(guī)律，以促進市場環(huán)境下電力系統運行調度理論的發(fā)展。 在經濟學理論基礎上，通過對電力商品供給、需求及其平衡規(guī)律的分析，給出了電力商品兩個屬性，即積分和微分屬性的定義，以及更苛刻條件下的一個屬性，即實時匹配屬性的定義。在此背景下，依據優(yōu)化數學理論，提出等效電力商品的概念及其表達，并給出了有數學依據并符合資源優(yōu)化配置的論證。合格的電力商品需要多種輔助手段(目前稱為輔助服務)才能

3、得以實現和使用，輔助服務正是電力市場實施的難點，也是市場環(huán)境下電力系統運行調度研究的焦點。等效電力商品將輔助服務蘊于其中，由此提出了等效度量輔助服務的思想。為實現這一思想，本文建立了滿足凸規(guī)劃假設條件下的廣義優(yōu)化模型，以優(yōu)化結果的信息刻畫輔助服務的價值，體現等效的數學本質，奠定了本研究的理論基礎。 以上述思想、理論為核心，本文研究市場環(huán)境下電力系統運行調度的經濟規(guī)律，涉及電力系統運行中，有功調度問題，無功調度問題，以及有功與無功

4、聯合調度的問題。另外，針對實際電力系統運行調度中非凸性所引起的成本回收問題，在本文思想和理論的基礎上，就市場機制下成本補償產生原因及補償機制進行了初步探討，從而使本文的研究在體系上進一步完整。具體主要體現在： 首先在直流潮流基礎上，對有功運行調度問題進行了深入研究，主要貢獻體現在四個方面： (1)就有功備用而言，設置的目的是應對運行中發(fā)生的不確定性因素，如發(fā)電的不確定性、輸電網絡的不確定性、負荷的不確定性等。通過分析這些

5、不確定性因素對電力系統運行的影響及后果，闡明了不確定性引起備用的因果，揭示了有功備用的機理，明確了備用的責任，提出了按影響系統風險水平程度大小來分攤備用責任的思想和量化表達。研究表明，按一定風險準則，備用為明確的對象而配置，備用的提供者和享用者具有明了的映射關系，對大系統來講又具有重疊性，參與者各負其責且相互共享備用是一定安全水平下最好的共贏局面。 (2)依據上述思想，提出一定風險準則下，計及備用的新的電力系統有功調度模型。該模

6、型引入具有明確對象和責任的備用約束，使備用的配置能夠剛好覆蓋預想的風險水平，并顯現備用的邊際價值信號，同時明確量化備用的提供者和享用者，以及各自應該承擔的責任。這一思想與傳統方法有著本質的區(qū)別，能夠適應市場環(huán)境下備用配置透明、清晰的需要，同時機會成本作為反映備用價值的信息，進一步透射出等效電力商品的意義。 (3)輸電網絡是備用得以使用的通道，若輸電網絡出現制約現象，必然會造成備用的無效。因此，當考慮輸電網絡的不確定性時，備用發(fā)生

7、轉移現象是不可避免的。本文根據系統給定的風險準則，建立了計及輸電網絡不確定性的有功調度模型，即上述模型的擴展。該模型對輸電網絡不確定性事件發(fā)生所引起的備用配置進行了有效的修正，明確了備用配置(無輸電網絡制約時)轉移的機理，使備用的邊際價值信號由系統轉移到了節(jié)點，出現了空間上的差異，進一步完善和發(fā)展了上述模型。 (4)需求側在市場機制下成為主動者是電力市場的一個顯著特點，另外不確定性事件是隨機的，可見上述的研究在某種程度上尚存在保

8、守性的弱點。若進一步按市場機制考慮需求側對備用的貢獻以及不確定性事件發(fā)生的概率，就會帶來更客觀的效益。由此，在上述研究基礎上，引入各種不確定性事件發(fā)生的概率，以社會效益期望最大化為目標，建立了概率條件下的有功調度模型。該模型進一步實現效益與風險的折中處理，使其更加符合市場實際，即通過引入不同預想事件發(fā)生的概率，構成目標的期望加權，實現按概率風險水平調度有功及備用，進而獲取社會效益的提高。 其次，在有功運行調度研究基礎上，進一步對

9、有功調度受無功、電壓影響所反映的經濟規(guī)律進行了研究，主要貢獻體現在四個方面： (1)在電力系統運行中，無功的價值體現在維持正常情況或異常情況所需無功支撐的貢獻，以及正常情況下運行費用(損耗)的節(jié)約。因此，本文分別從無功供給和需求兩個角度出發(fā)，給出了無功在電力系統運行中引起成本變化的數學描述。分析表明，無功的需求或供給沒有嚴格的界限，其價值由是否引起有功運行成本變化決定，若引起有功調度成本增加，則需對其懲罰，反之則需對其進行補償；

10、懲罰或補償的影子反映無功的邊際價值信息；同時無功的需求或供給都是無條件必須完成的，否則既會影響自身利益，又會影響其他成員，這是電力系統特有的物理規(guī)律決定的。 (2)正常運行狀況下，當發(fā)電機組輸出無功而未制約其有功輸出時，無功分布引起有功調度成本增加，主要是由于無功需求或供給引導電壓水平變化伴隨網損功率的增減而產生的機會成本。在這種情況下，當有功調度方式給定時，以網損最小為目標進行無功優(yōu)化，伴隨無功優(yōu)化的副產品(各類乘子)，給出了

11、節(jié)點邊際價格的快速近似修正方法。這一修正的本質是對網損(包含有功分布產生和無功分布產生)引起成本增加的分配，以體現各參與者對損耗貢獻的獎懲機制，也顯現在實際電力系統運行調度中對無功價值的度量。 (3)進一步，又從數學優(yōu)化角度按無功分布與電壓水平之間牽制的疏密程度定義了三種無功優(yōu)化解的狀態(tài)，即松弛狀態(tài)、制約狀態(tài)和臨界狀態(tài)。并對這三種狀態(tài)下無功引起成本增加的變化規(guī)律進行分析，揭示了無功支撐系統電壓水平所產生的價值。結果表明：當處于松

12、弛狀態(tài)時，無功分布幾乎逼近電流的經濟分布條件，此時輸電網上流動的無功最少，單位無功流變化引起的損耗流最小，由此其邊際價值也最小。當處于制約狀態(tài)時，一定有節(jié)點電壓達到了下限，無功分布為支撐這一局面導致了損耗增加，相應節(jié)點的無功邊際價值隨之增大，由此顯現網損增大的主要責任者。當處于臨界狀態(tài)時，意味著能剛好滿足系統電壓水平的要求，此時無功邊際價值將陡升。按三種狀態(tài)，可以界定無功供給或需求的程度，以引導無功資源布局的合理性。 (4)另一

13、種情況，當發(fā)電機組由于輸出無功而制約其有功輸出時，如輕載下可能需要某些發(fā)電機組的進相運行等，導致有功方式受到無功牽制的情況出現。通過完整的最優(yōu)潮流求解，對該情況下無功引起的機會成本本質進行了推導。分析表明，無功支撐作用的代價不僅包含網損變化引起的機會成本，同時也包含有功無功牽制所產生的顯著機會成本，此情況顯現無功和有功的當量交換，出現無功實質性的邊際價值。 最后，上述市場環(huán)境下電力系統調度理論的研究，均隱含一種假設，即研究對象構

14、成的模型滿足凸規(guī)劃條件。而由于發(fā)電機組準固定成本的存在，如無負荷費用、啟停費用等，若按邊際價格清除，必然會出現成本補償問題而無法實現有效的市場交易。由此，從完全競爭的理論出發(fā)，分析、比較了按成本最小和按用戶付費最小兩種目標的調度方法，后者不存在成本補償問題，但不能引導出使社會效益發(fā)展最好的信息，前者則相反，同時反射本文思想取前者的理由。對此，本文利用了附加成本函數的概念，實現了成本補償問題的處理，并給出基本的方法和深層次問題處理的思路。