发电商有功备用容量和无功辅助服务探讨

管制下的电力系统以电网为独立核算企业法人，实行统一核算、统一管理、统一规划、统一调度，其备用政策是：总旋转备用（热备用）水平至少等于所有发电机组中最大的一台发电机组的额定峰值功率，运行备用（包括旋转备用、快速备用和中间备用）水平至少等于最大的一台发电机组额定功率的两倍。为保障正常运行时系统的无功需求，除专门的无功补偿与调节设备之外，发电机组也是电力系统主要的无功电源。

电力市场环境下，有功备用容量的交易方式主要有两种：一种是签订长期合同并在系统需要时调用；另一种是建立有功备用市场，采用竞标的方式。对于发电商的无功支持服务，建议发电机接入系统时应给定其功率因数限制。在给定的功率因数范围内，发电厂商要依照调度员的指令提供无偿的无功支持。在本章的分析中发现，这种方法并不利于实际的系统优化运行，而应该根据发电厂商在系统优化运行时提供的无功支持付给其相应的费用，尤其对那些为了维持系统的电压安全稳定运行增加无功出力且大大减少其有功出力的发电机拥有商应给予更多的经济补偿，以提高其参与维持系统电压安全稳定运行的积极性。

为便于分析独立发电商对维持系统电压安全所做的贡献以及所耗费的成本，表4-1和表4-2分别列出了本书第3章中计及最小电压安全裕度指标的模糊最优潮流与以最小化有功功率发电成本为目标函数的单目标最优潮流应用于IEEE-57节点系统的详细优化结果^[6]。发电商有功功率发电成本采用传统的二次函数表示为

式中，N_G表示系统发电机数；P_Gpi表示系统当前运行点第i台发电机的有功出力（单位为MW）；k_2i、k_1i和k_0i分别为第i台发电机的有功出力二次成本系数（单位为美元/MW²·h）、一次成本系数（单位为美元/MW·h）和固定成本系数（单位为美元/h）。

表4-1 IEEE-57节点系统优化结果比较

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表4-2 IEEE-57节点系统各发电机有功与无功出力优化结果比较

在表4-2中，取当前负荷水平d_p=1.00，即系统给定的负荷条件，单目标最优潮流节点电压约束取0.90p.u.～1.10p.u，模糊最优潮流节点电压约束取0.94p.u.～1.06p.u，节点电压模糊参数向量δ_s=0.04e，最小电压安全裕度λ_th=0.20、最小电压安全裕度模糊参数δ_λ=0.05；P_gi和P_gimax分别表示发电机i的有功出力和有功出力上限；Q_gi、Q_gimax和Q_gimin分别表示发电机i的无功出力和无功出力上、下限。

由表4-1可见，同一负荷水平下，考虑系统电压安全裕度比不考虑该指标时系统总发电成本增加了816.33美元/h；系统发电机总有功出力稍微有所增加，变化不大；系统总有功损耗增加了2.06MW；系统发电机总无功出力有较大变化，增加了17.52Mvar。

表4-2中各发电机的发电出力在考虑系统电压安全裕度指标前后有比较明显的变化，除了满负荷运行的发电机2、3、6、9之外，其他节点的发电机有功出力在两种优化结果下有较大的调整，导致了考虑系统电压安全裕度后的发电成本显著增加（所有发电机经济参数相同）。考虑系统电压安全裕度之前，发电机1、8、9的有功出力相对于各自的有功出力上限比较均衡，而考虑系统电压安全裕度之后，发电机8、9的有功出力明显增加，尤其发电机9达到了其有功出力上限，而发电机1的有功出力却下降到不足其有功出力上限的1/10。比较两种优化结果的发电机无功出力可以发现，没有考虑系统电压安全裕度时，发电机2、9以无功出力的上限向系统提供无功功率，考虑系统电压安全裕度后发电机2、8进相运行，而且两种优化策略下各节点发电机的无功出力差异较大。另外，没有考虑系统电压安全裕度时发电机1有功出力比较大，而无功出力相对较小，考虑系统电压安全裕度后，其有功出力大大减小，远远小于其有功出力上限，但无功出力却比较大。

由以上优化结果分析可见，发电机的无功功率对提高系统电压安全水平起到了至关重要的作用。虽然两种优化策略下的系统总发电成本有很大差别，发电出力的安排也有较大差别，但发电机总有功出力却相差不大，因此，可根据系统运行需要选择优化策略，然后协调各发电厂商，安排发电计划。但对于各发电厂商的无功服务应给予一定的付费。尤其对于像发电机1的情况，在考虑系统电压安全裕度后，有功出力大大减少而无功出力相对增多，如果仅令其提供无偿的无功支持，而对其减少有功出力损失的经济利益不予补偿，将会打击该发电厂商参与维持系统电压安全稳定的积极性。