基于最优潮流的实时无功辅助服务定价分析

2012-06-15陈驾宇刘阳升宋尖李湘华张斌

湖南电力 2012年5期

陈驾宇，刘阳升，宋尖，李湘华，张斌

(1.湖南省电力公司，湖南长沙 410007;2.长沙理工大学，湖南长沙 410004)

无功服务是保证电力系统安全稳定运行的有效手段，无功辅助服务需要提供2种能力——电压调节能力和防止系统电压崩溃的能力，这就要求发电机的无功具有一定的可调节范围并且具有足够的无功备用容量。传统电力系统条件下发电机的无功服务为义务提供，整个系统的无功平衡通过免费调度来完成。自从我国实行电力市场以来，传统的行政调控手段已逐渐被经济手段所取代，建立无功电力市场是大势所趋〔1〕。目前我国电力市场对发电侧的无功服务规定了发电机功率因数在0.85(滞后)～0.98(超前)为无偿服务。而负荷侧按功率因数调整电费的方法亟待修订〔2〕。由于无功服务的区域性、分散性、多样性和复杂性的特点，使得无功的定价、管理和控制都比较复杂，因此，如何分析无功成本和合理制定无功电价势在必行。

文献〔2〕着重研究了FACTS设备对无功电价的影响;文献〔3〕计入了有功备用容量的约束，将实时有功电价和无功电价分解到各种辅助服务中，并探讨了拉格朗日乘子λp和λq的经济意义，但是没有考虑无功补偿设备和可调变压器的调压对电价的影响;文献〔4〕考虑了输电成本，在电价中增加了输电网络固定成本的回收，但也没有考虑调压设备对电价的影响;文献〔5〕考虑了文献〔3〕和文献〔4〕没有考虑的因素，并且增加了区域无功备用和静态电压稳定裕度的约束，采用了并行遗传算法进行求解，但是文献〔5〕直接把所有无功备用相加作为区域无功备用，而无功运行和电压稳定属于系统区域问题，因各发电机分布在系统的各个地方，故发电机的无功备用容量对提高系统电压稳定裕度贡献也不同，不能简单地将各发电机的无功备用容量之和作为系统的无功备用容量;文献〔1〕把无功结算电价分成电量电价和从一部制电价中分离出来的容量电价2部分，提出了一种新的两部制无功定价机理。

本文以最优潮流为手段，分析了无功负荷与无功电价的关系，通过对比有功电价与无功电价，验证了在该定价方法下无功生产投资费用可得到有效回收，提出了无功定价的研究方向。

1 无功定价成本分析

无功的成本分析是无功定价的基础，定价不仅要保证能使投资成本的有效回收，还应获得一定的利润。

式中k为发电厂的利润率，一般为5%～10%。

图1 无功生产费用曲线

同步发电机以滞后功率因数运行为主，此时向电网提供无功功率，也可以进相运行从电网吸收无功功率，但发电机必须严格按照有功功率－无功功率 (P－Q)极限曲线运行，如图2所示。发电机的运行范围为abcde，在ce段无功出力的增加不会影响到有功出力的大小，此时无功生产费用的变化对应图1中的OQA段;当发电机运行在c点时，若无功出力增加，则有功出力就会受到限制，即需要牺牲有功来换取无功，此时无功生产费用对应图1中的QAQO段，该阶段的无功生产费用应高于OQA段;当发电机进相运行时运行极限不能超过ab范围，由于发电机处于欠励磁状态，易引起定子端部温度升高导致发电机寿命缩短，此时无功生产费用(图1的OQmin段)较QAQO段高。基于以上分析，可以将无功的生产成本近似为无功出力的二次函数，如式 (2)所示。

图2 发电机的P－Q曲线

2 计算方法与步骤

2.1 目标函数

由发电机的成本分析可得到本文的目标函数如式 (3)所示，目标函数包含了有功功率和无功功率的生产费用。

式中CGPi(PGi)，CGQi(QGi)分别为机组的有功和无功费用函数。

2.2 约束条件

(1)等式约束，即潮流平衡约束

(2)不等式约束

a.发电机有功功率和无功功率的出力约束

b.节点电压约束

c.线路潮流约束

2.3 定价模型

构造拉格朗日函数，将目标函数 (3)和约束条件 (5)— (7)转换为无约束优化问题:

根据短期边际成本理论得出各节点的实时电价为:

式中*代表最优解点;λpi和λqi分别为节点的有功电价和无功电价。

3 算例分析

以IEEE 30节点系统为算例进行仿真计算，系统接线图如图3所示，节点1，2，5，8，11，13为发电机节点，平衡节点设为1号节点，基准功率取100 MVA。根据文献〔3〕，平衡节点的有功和无功生产的费用函数分别为0.1+1.2PG+0.6(美元)和0.015+0.1QG+0.12(美元)，而其它发电机节点均分别为0.01+0.12PG+0.06(美元)和0.005+0.01QG+0.008(美元)。

利用MATLAB的matpower优化工具箱进行优化计算，结果如图4，5及表1所示。