發(fā)電側(cè)無功成本與定價研究

　　摘　要：無功功率服務(wù)是電力市場輔助服務(wù)的一個重要組成部分，而發(fā)電廠的無功電價又是整個無功市場定價的基礎(chǔ)。本文對發(fā)電廠的無功生產(chǎn)成本進行了探討，首次提出將發(fā)電廠無功電價劃分為無功容量電價和電量電價，概念清晰，易于計算。研究表明發(fā)電廠的無功服務(wù)應得到一定的經(jīng)濟補償，使其自覺的維持電力系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定運行。
　　關(guān)鍵詞：電力市場；無功輔助服務(wù)；無功成本；發(fā)電側(cè)無功市場


0 引言
　　我國電力工業(yè)正在逐步由傳統(tǒng)的管制向市場化方向過渡，無功功率服務(wù)作為電力市場輔助服務(wù)的一個重要組成部分，是保證電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行的前提，因而也是保證電能交易順利實施的一個重要條件；同時也能提高電能質(zhì)量、傳輸效率并降低電網(wǎng)損耗，從而成為提高供電質(zhì)量和電網(wǎng)運行的經(jīng)濟效益的有效手段。在放開發(fā)電側(cè)市場，實行廠網(wǎng)分開、競價上網(wǎng)后，由于輸電和發(fā)電的分離，無功費用原則上應涵蓋所有不屬于輸電公司的無功生產(chǎn)費用。因此，如何獲得無功服務(wù)、如何制定無功服務(wù)的價格、建立無功服務(wù)市場是否可行等問題已經(jīng)成為目前電力市場研究的幾個熱點問題。本文就發(fā)電側(cè)市場的無功成本和定價問題進行了探討。

1 電力市場中的無功功率服務(wù)
　　電力市場中無功功率服務(wù)可以分別在發(fā)電、輸電和配電三個環(huán)節(jié)上提供?？商峁o功服務(wù)的無功源有發(fā)電機、同步調(diào)相機、SVC靜止補償器、并聯(lián)電容器組、電抗器等，它們分別歸屬于發(fā)電廠和電網(wǎng)公司。由于發(fā)電機和調(diào)相機具有動態(tài)無功補償?shù)哪芰?，因此在維持其出口電壓水平和保證系統(tǒng)安全性方面起著十分重要的作用。對于有些效率低的發(fā)電廠雖然在有功功率發(fā)電市場缺乏競爭力，但是他們可以轉(zhuǎn)為同步調(diào)相機運行從而提供無功功率服務(wù)。輸電網(wǎng)可以利用安裝靜止補償器和并聯(lián)電容器/電抗器等來提供無功功率服務(wù)，目的是保證網(wǎng)絡(luò)的輸電能力并且在不同的負荷情況下保證系統(tǒng)的電壓質(zhì)量。配電網(wǎng)則一般通過在負荷節(jié)點上安裝并聯(lián)電容器/電抗器來改善用戶的功率因數(shù)，從而盡量減少系統(tǒng)為傳輸無功功率而付出的代價。在傳統(tǒng)一體化的電力公司中，無功功率服務(wù)的成本并不單獨結(jié)算；在電力市場下，由于無功功率服務(wù)作為輔助服務(wù)成為一項單獨的業(yè)務(wù)，必須制定合理的無功服務(wù)價格以保證服務(wù)提供商回收成本并獲得一定的利潤。鑒于此無功功率服務(wù)的定價至少應該包含3個層面的無功電價：發(fā)電市場層面、輸電市場層面和配電市場層面[1]。
　?。?）發(fā)電市場層面的發(fā)電無功電價是由電力市場交易管理部門或電網(wǎng)公司向無功服務(wù)提供者，即發(fā)電廠支付的購買無功價格。發(fā)電機作為特殊的無功源既可以發(fā)出無功功率，同時它也是系統(tǒng)僅有的有功功率電源，因此除了要正確計算發(fā)電機的所有成本外，還必須要解決如何在有功功率和無功功率生產(chǎn)之間分攤發(fā)電機的所有成本。本文認為無功可以采用兩部制電價：無功容量電價和無功電量電價。
　　（2）輸電市場層面的無功服務(wù)電價主要針對的是電網(wǎng)公司所屬的無功源設(shè)備的定價。包括無功輸電服務(wù)電價和無功補償電價兩類。并聯(lián)電容器組、電抗器、SVC等可向用戶提供容性或感性無功，這類無功服務(wù)在此稱為無功補償服務(wù)，相應的電價稱為無功補償服務(wù)電價；另一方面是對電網(wǎng)的輸變電設(shè)備在輸送有功電量過程中的（感性或容性）無功損耗進行補償，這類無功服務(wù)與有功輸電密不可分，在此稱為無功輸電服務(wù)，其回報在有功輸電服務(wù)費中綜合考慮。
　　（3）配電市場層面的無功銷售電價，是電網(wǎng)公司或供電公司向電力批發(fā)商或無功消費者收取的銷售無功電價。
　　我國電力市場初期模式是以單一購買為主的發(fā)電側(cè)開放市場，在這種單一購買模式下，發(fā)電市場層面的發(fā)電無功電價是制定配電市場層面無功價格的主要依據(jù)，因此有必要對發(fā)電側(cè)無功源即發(fā)電機的無功生產(chǎn)成本進行詳細的分析。輸電和配電層面的無功服務(wù)電價將在今后的工作中涉及。

2 無功服務(wù)對發(fā)電廠的影響
　　電力市場中無功交易的關(guān)鍵是電網(wǎng)公司和發(fā)電廠之間的無功結(jié)算問題。因此必須搞清楚無功生產(chǎn)對發(fā)電廠的影響[2]。
　?。?）投資增加
　　為滿足電網(wǎng)規(guī)約所要求的無功容量，發(fā)電設(shè)備就必須更大、更重、更昂貴。設(shè)備的大小和費用與無功容量成正比。因此，發(fā)電廠有相當大一部分投資是用于無功容量的。
　?。?）能量損耗
　　定子、轉(zhuǎn)子的損耗均與I2R（I為電流）成正比。雜散損耗與I2成正比。因此，隨著無功負荷的增加，發(fā)電機的能量損耗也將增加。較大的氫冷發(fā)電機與負荷相關(guān)的損耗占總損耗的75％，并且無功出力的微增損耗是非線性的。
　?。?）維修和維護
　　由于發(fā)電機增發(fā)無功，轉(zhuǎn)子定子電流增加，因此不但會增加能量損耗，還會增加作用于導體上的電磁力（以I2變化），從而加大振動，對發(fā)電機造成一定的損害。電流也會導致溫度升高，熱脹冷縮加劇，造成較大的機械壓力，導致繞組變形和絕緣老化。因此相當大一部分維修、維護費是由于無功發(fā)電引起的。對兩臺同樣的發(fā)電機，以功率因數(shù)接近1運行的機組的定子事故發(fā)生率比發(fā)無功的定子事故率要小得多。
　?。?）設(shè)備磨損
　　上述損害機理也會縮短發(fā)電機的主要設(shè)備的使用壽命。雖然，并非所有設(shè)備更換都與負荷和功率因數(shù)有關(guān)，但大部分問題與發(fā)電機和負載有關(guān)。
　　（5）風險管理
　　無功出力的增加，也會使失去發(fā)電機組的概率增加，造成非常大的費用，即無功風險費用，但這部分費用比較難以評估。需要研究無功容量和無功出力對發(fā)電機可靠性的影響。

3 發(fā)電廠的無功生產(chǎn)成本
　　長期以來，發(fā)電機的無功功率生產(chǎn)成本一直都被認為近似等于零而忽略，其中一個主要的原因是電機的無功生產(chǎn)幾乎不導致任何額外的燃料費用。實際上，不管發(fā)電機是否發(fā)出無功功率都會引起無功生產(chǎn)/備用成本。發(fā)電機組無功電能生產(chǎn)成本主要有三部分組成：投資成本、機會成本、可變成本。
3.1 投資成本
　　實際上，發(fā)電機組的投資成本是以有功容量為依據(jù)計算的，以元/MW為單位。然而，發(fā)電機組不僅生產(chǎn)有功電能P，而且也生產(chǎn)無功電能Q。因此，用視在功率容量S進行投資成本分析更加切合實際[3]。當有功容量投資成本給定時，投資成本可以視在功率描述為：

　　當機組投資成本計入無功市場時，上式可用于無功投資成本分析。
3.2 機會成本
　　如圖1所示，發(fā)電機的有功和無功輸出要受發(fā)電機的勵磁電流（a-b段）、電樞電流（b-c段）和欠勵磁（c-d段）約束。假設(shè)發(fā)電機當前的有功輸出為p*，則相應的無功輸出必須在之間。可見，發(fā)電機的無功支持容量是隨著有功輸出水平而變化的。

　　在經(jīng)濟運行條件下，發(fā)電機組應工作在有功輸出力上限pmax，當系統(tǒng)要求發(fā)電機組增加其無功容量時，有功出力應向下調(diào)整，例如，下調(diào)到p*。對于發(fā)電機的無功功率發(fā)電成本，可以認為是一種機會成本，也即無功功率的生產(chǎn)導致有功功率生產(chǎn)能力的下降，從而影響了發(fā)電機通過生產(chǎn)有功功率來獲取的利潤額。從原理上看，發(fā)電機無功機會成本的計算比較復雜，要根據(jù)電力市場中實時的有功供需關(guān)系等信息得出。為了簡化起見，提出了一個新的計算方法，即認為無功機會成本是該發(fā)電機因輸出無功功率而損失的有功功率發(fā)電容量所對應的利潤[4]。如果忽略原動機的出力極限，并假設(shè)，該機會成本可以近似表示如下：

其中 SGi,max為發(fā)電機的額定視在功率；QGi為發(fā)電機的無功功率出力；k為發(fā)電機有功功率生產(chǎn)的利潤，一般在5％～10。從上式可以看到，不管發(fā)電機發(fā)出還是吸收無功功率都會有無功功率的機會成本。
3.3 可變成本
　　發(fā)電機組的可變成本指發(fā)電機和升壓變壓器中由無功電能引起的有功電能損耗。從系統(tǒng)角度看，升壓變壓器高壓側(cè)的有功電能、無功電能、電壓決定了發(fā)電機組的特性。當機組有功輸出、升壓變壓器高壓側(cè)電壓、升壓變壓器檔位一定時，無功電能與有功損耗具有圖2所示的近似二次函數(shù)關(guān)系[5]。對發(fā)電機組本身而言，不同的無功電能輸出量在發(fā)電機內(nèi)部引起的有功損耗也不同。在電力市場中，這些有功損耗應該計算在無功電能的生產(chǎn)成本中，有功損耗應按照發(fā)電機母線的邊際價格計算。

4 發(fā)電側(cè)無功定價
　　本文將發(fā)電側(cè)的無功電價分為兩個部分：無功容量電價和無功電量電價。無功容量電價主要涉及的是發(fā)電機的固定投資成本分攤到無功出力部分；無功電量電價主要涉及的是發(fā)電機的無功機會成本和有功損耗費用。為簡化起見，本文在無功電量電費中只討論無功的機會成本。
4.1 無功容量電價
　　無功容量電價應該涵蓋提供無功支持的發(fā)電機的固定成本，以保證設(shè)備投資成本的回收。發(fā)電機的有功發(fā)電成本函數(shù)一般為二次函數(shù)[6]，即：

　　根據(jù)無功發(fā)電成本函數(shù)是從有功發(fā)電成本函數(shù)等效而來，用公式（2）可以計算出無功功率與無功發(fā)電成本之間的關(guān)系，同樣可以得到無功發(fā)電成本函數(shù)，即：

4.2 無功電量電價
　　無功電量電價應該涵蓋提供無功支持的發(fā)電機的可變成本，以保證電廠運行成本的回收。無功電量電價應該主要考慮發(fā)電無功電量和無功備用容量的機會成本以及發(fā)電機進相運行時的補償費用。無功電量定價的原則是以發(fā)電機的運行約束，即容量極限圖為基礎(chǔ)，用有功發(fā)電機會成本來折算無功電價，合理補償無功服務(wù)提供者的經(jīng)濟損失。
4.2.1 遲相運行無功電量電價
　　以圖3所示的三節(jié)點系統(tǒng)為例來說明無功電量電價的計算。

　?。?）實例1：垂直管理體制下的發(fā)電費用
　　在統(tǒng)一調(diào)度運行方式下，所有的機組屬于同一個部門，其電力調(diào)度的目的是在滿足系統(tǒng)要求的前提下使總費用最小。假設(shè)母線1的發(fā)電機的邊際發(fā)電成本恒為$20/MWh，最大發(fā)電容量為500MW。母線2的發(fā)電機的邊際發(fā)電成本相對較高為$30/MWh。并假設(shè)機組1的容量受圖1所示的曲線約束，發(fā)電機2的有功和無功容量為無窮大。
　　從經(jīng)濟角度出發(fā)，運行人員將首先考慮邊際成本較低的發(fā)電機1，在其滿發(fā)運行（500MW）后不足部分（200MW）由成本較高的發(fā)電機2提供。因此總的發(fā)電費用為$16000（500*$20+200*$30）。運行結(jié)果如表1所示。

　　然而，在該調(diào)度方式下，系統(tǒng)電壓將無法滿足要求。因為一旦母線1的發(fā)電機滿發(fā)運行，根據(jù)圖1所示的容量曲線，機組將失去無功支持能力。而母線1的電壓要維持在1.0p.u，需要機組1提供81MVAR的無功支持。由于母線2的發(fā)電機機端電壓設(shè)置早已處于最高值，這就意味著在該運行方式下，為了維持母線1的電壓，只有依靠母線1的機組提供無功支持，因此只有減少其有功出力。機組1減少的有功將由發(fā)電成本較高的2號機組來提供。運行結(jié)果如表2所示，此時總的發(fā)電費用為$17000（400*$20+300*$30）。

　　兩種運行方式的費用差值$1000即為為滿足電壓需求而提供無功無功支持的額外費用。在垂直管理體制下，機組1損失的發(fā)電費用將由機組2來彌補。
　　（2）實例2：市場競爭下的發(fā)電費用
　　區(qū)別于實例1，電力市場開放后，不同的機組分屬于不同的經(jīng)濟實體。每臺機組通過投標向系統(tǒng)運行人員提交包括有功功率的成本函數(shù)以及可用容量等信息。在這些信息的基礎(chǔ)上，運行人員一般以總運行費用最小為目標，確定滿足各種約束條件的系統(tǒng)運行方式，以及相應的系統(tǒng)邊際價格。在該實例中，由于未考慮傳輸線路的容量約束，每臺機組都是以系統(tǒng)邊際價格付費。運行結(jié)果如表2所示的，系統(tǒng)的邊際價格為$30/MWh。為了滿足電壓要求，在實際運行中，運行人員將機組1的有功出力強制減少了100MW，從而使其利潤損失了$1000，即機組1由于提供無功支持而導致的機會成本，如圖4所示。

　　為了鼓勵機組在系統(tǒng)無功緊缺時放棄有功而增發(fā)無功，運行人員應補償機組的無功機會成本。因此，該實例中，機組1除了獲得按系統(tǒng)邊際價格$30/MWh支付的400MW有功功率的費用外，還將獲得由于運行需要而少發(fā)的100MW有功損失的利潤$1000。換句話說，由于機組1發(fā)500MW和0MVAR或者發(fā)400MW和62Mvar的總的利潤都是$5000，因此兩種運行方式對機組1而言沒有什么區(qū)別，這樣系統(tǒng)的安全性得到了保證。
4.2.2 進相運行無功電量電價
　　在系統(tǒng)負荷低谷時，發(fā)電機進相運行吸收無功功率已成為高壓電網(wǎng)保證運行電壓合格率的重要手段。發(fā)電機在進相運行時，定子端部溫度升高，靜穩(wěn)裕度減少，易失去靜穩(wěn)定，需要運行人員加大監(jiān)視和管理力度。因此，進相運行時，除了無功的機會成本外還應該考慮無功輔助服務(wù)的管理費。
發(fā)電機進相運行曲線可以通過專門的進相試驗得到，通過對發(fā)電機進相運行的典型運行點進相靜穩(wěn)分析得到的一些離散點進相曲線擬合，可以得到發(fā)電機有功和無功在進相運行時的隱函數(shù)關(guān)系：

　　計算無功電量電價的方法與上述遲相運行時計算方法相同。

5 結(jié)語
　　由前面的討論可知，由于無功功率的物理特點和成本特性，無功輔助服務(wù)中的獨立發(fā)電廠的無功需求和定價問題顯得十分復雜，但又是非常重要的。本文針對我國電力市場初期的特點，將發(fā)電廠無功生產(chǎn)成本作為發(fā)電市場側(cè)的無功定價的核心內(nèi)容。具體分析了發(fā)電廠無功生產(chǎn)中涵蓋的各種成本，將無功電價劃分為兩部分：無功容量電價和無功電量電價。對于發(fā)電側(cè)無功市場定價結(jié)構(gòu)的建立具有一定的指導意義。