發(fā)電側無(wú)功成本與定價(jià)研究

　　摘　要：無(wú)功功率服務(wù)是電力市場(chǎng)輔助服務(wù)的一個(gè)重要組成部分，而發(fā)電廠(chǎng)的無(wú)功電價(jià)又是整個(gè)無(wú)功市場(chǎng)定價(jià)的基礎。本文對發(fā)電廠(chǎng)的無(wú)功生產(chǎn)成本進(jìn)行了探討，首次提出將發(fā)電廠(chǎng)無(wú)功電價(jià)劃分為無(wú)功容量電價(jià)和電量電價(jià)，概念清晰，易于計算。研究表明發(fā)電廠(chǎng)的無(wú)功服務(wù)應得到一定的經(jīng)濟補償，使其自覺(jué)的維持電力系統的安全和穩定運行。
　　關(guān)鍵詞：電力市場(chǎng)；無(wú)功輔助服務(wù)；無(wú)功成本；發(fā)電側無(wú)功市場(chǎng)


0 引言
　　我國電力工業(yè)正在逐步由傳統的管制向市場(chǎng)化方向過(guò)渡，無(wú)功功率服務(wù)作為電力市場(chǎng)輔助服務(wù)的一個(gè)重要組成部分，是保證電力系統安全、穩定運行的前提，因而也是保證電能交易順利實(shí)施的一個(gè)重要條件；同時(shí)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(kāi)發(fā)電側市場(chǎng)，實(shí)行廠(chǎng)網(wǎng)分開(kāi)、競價(jià)上網(wǎng)后，由于輸電和發(fā)電的分離，無(wú)功費用原則上應涵蓋所有不屬于輸電公司的無(wú)功生產(chǎn)費用。因此，如何獲得無(wú)功服務(wù)、如何制定無(wú)功服務(wù)的價(jià)格、建立無(wú)功服務(wù)市場(chǎng)是否可行等問(wèn)題已經(jīng)成為目前電力市場(chǎng)研究的幾個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。本文就發(fā)電側市場(chǎng)的無(wú)功成本和定價(jià)問(wèn)題進(jìn)行了探討。

1 電力市場(chǎng)中的無(wú)功功率服務(wù)
　　電力市場(chǎng)中無(wú)功功率服務(wù)可以分別在發(fā)電、輸電和配電三個(gè)環(huán)節上提供?？商峁o(wú)功服務(wù)的無(wú)功源有發(fā)電機、同步調相機、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(chǎng)和電網(wǎng)公司。由于發(fā)電機和調相機具有動(dòng)態(tài)無(wú)功補償的能力，因此在維持其出口電壓水平和保證系統安全性方面起著(zhù)十分重要的作用。對于有些效率低的發(fā)電廠(chǎng)雖然在有功功率發(fā)電市場(chǎng)缺乏競爭力，但是他們可以轉為同步調相機運行從而提供無(wú)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(lái)提供無(wú)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的電壓質(zhì)量。配電網(wǎng)則一般通過(guò)在負荷節點(diǎn)上安裝并聯(lián)電容器/電抗器來(lái)改善用戶(hù)的功率因數，從而盡量減少系統為傳輸無(wú)功功率而付出的代價(jià)。在傳統一體化的電力公司中，無(wú)功功率服務(wù)的成本并不單獨結算；在電力市場(chǎng)下，由于無(wú)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(wú)功服務(wù)價(jià)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(wú)功功率服務(wù)的定價(jià)至少應該包含3個(gè)層面的無(wú)功電價(jià)：發(fā)電市場(chǎng)層面、輸電市場(chǎng)層面和配電市場(chǎng)層面[1]。
　?。?）發(fā)電市場(chǎng)層面的發(fā)電無(wú)功電價(jià)是由電力市場(chǎng)交易管理部門(mén)或電網(wǎng)公司向無(wú)功服務(wù)提供者，即發(fā)電廠(chǎng)支付的購買(mǎi)無(wú)功價(jià)格。發(fā)電機作為特殊的無(wú)功源既可以發(fā)出無(wú)功功率，同時(shí)它也是系統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(wú)功功率生產(chǎn)之間分攤發(fā)電機的所有成本。本文認為無(wú)功可以采用兩部制電價(jià)：無(wú)功容量電價(jià)和無(wú)功電量電價(jià)。
　?。?）輸電市場(chǎng)層面的無(wú)功服務(wù)電價(jià)主要針對的是電網(wǎng)公司所屬的無(wú)功源設備的定價(jià)。包括無(wú)功輸電服務(wù)電價(jià)和無(wú)功補償電價(jià)兩類(lèi)。并聯(lián)電容器組、電抗器、SVC等可向用戶(hù)提供容性或感性無(wú)功，這類(lèi)無(wú)功服務(wù)在此稱(chēng)為無(wú)功補償服務(wù)，相應的電價(jià)稱(chēng)為無(wú)功補償服務(wù)電價(jià)；另一方面是對電網(wǎng)的輸變電設備在輸送有功電量過(guò)程中的（感性或容性）無(wú)功損耗進(jìn)行補償，這類(lèi)無(wú)功服務(wù)與有功輸電密不可分，在此稱(chēng)為無(wú)功輸電服務(wù)，其回報在有功輸電服務(wù)費中綜合考慮。
　?。?）配電市場(chǎng)層面的無(wú)功銷(xiāo)售電價(jià)，是電網(wǎng)公司或供電公司向電力批發(fā)商或無(wú)功消費者收取的銷(xiāo)售無(wú)功電價(jià)。
　　我國電力市場(chǎng)初期模式是以單一購買(mǎi)為主的發(fā)電側開(kāi)放市場(chǎng)，在這種單一購買(mǎi)模式下，發(fā)電市場(chǎng)層面的發(fā)電無(wú)功電價(jià)是制定配電市場(chǎng)層面無(wú)功價(jià)格的主要依據，因此有必要對發(fā)電側無(wú)功源即發(fā)電機的無(wú)功生產(chǎn)成本進(jìn)行詳細的分析。輸電和配電層面的無(wú)功服務(wù)電價(jià)將在今后的工作中涉及。

2 無(wú)功服務(wù)對發(fā)電廠(chǎng)的影響
　　電力市場(chǎng)中無(wú)功交易的關(guān)鍵是電網(wǎng)公司和發(fā)電廠(chǎng)之間的無(wú)功結算問(wèn)題。因此必須搞清楚無(wú)功生產(chǎn)對發(fā)電廠(chǎng)的影響[2]。
　?。?）投資增加
　　為滿(mǎn)足電網(wǎng)規約所要求的無(wú)功容量，發(fā)電設備就必須更大、更重、更昂貴。設備的大小和費用與無(wú)功容量成正比。因此，發(fā)電廠(chǎng)有相當大一部分投資是用于無(wú)功容量的。
　?。?）能量損耗
　　定子、轉子的損耗均與I2R（I為電流）成正比。雜散損耗與I2成正比。因此，隨著(zhù)無(wú)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(wú)功出力的微增損耗是非線(xiàn)性的。
　?。?）維修和維護
　　由于發(fā)電機增發(fā)無(wú)功，轉子定子電流增加，因此不但會(huì )增加能量損耗，還會(huì )增加作用于導體上的電磁力（以I2變化），從而加大振動(dòng)，對發(fā)電機造成一定的損害。電流也會(huì )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(wú)功發(fā)電引起的。對兩臺同樣的發(fā)電機，以功率因數接近1運行的機組的定子事故發(fā)生率比發(fā)無(wú)功的定子事故率要小得多。
　?。?）設備磨損
　　上述損害機理也會(huì )縮短發(fā)電機的主要設備的使用壽命。雖然，并非所有設備更換都與負荷和功率因數有關(guān)，但大部分問(wèn)題與發(fā)電機和負載有關(guān)。
　?。?）風(fēng)險管理
　　無(wú)功出力的增加，也會(huì )使失去發(fā)電機組的概率增加，造成非常大的費用，即無(wú)功風(fēng)險費用，但這部分費用比較難以評估。需要研究無(wú)功容量和無(wú)功出力對發(fā)電機可靠性的影響。

3 發(fā)電廠(chǎng)的無(wú)功生產(chǎn)成本
　　長(cháng)期以來(lái)，發(fā)電機的無(wú)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(gè)主要的原因是電機的無(wú)功生產(chǎn)幾乎不導致任何額外的燃料費用。實(shí)際上，不管發(fā)電機是否發(fā)出無(wú)功功率都會(huì )引起無(wú)功生產(chǎn)/備用成本。發(fā)電機組無(wú)功電能生產(chǎn)成本主要有三部分組成：投資成本、機會(huì )成本、可變成本。
3.1 投資成本
　　實(shí)際上，發(fā)電機組的投資成本是以有功容量為依據計算的，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(wú)功電能Q。因此，用視在功率容量S進(jìn)行投資成本分析更加切合實(shí)際[3]。當有功容量投資成本給定時(shí)，投資成本可以視在功率描述為：

　　當機組投資成本計入無(wú)功市場(chǎng)時(shí)，上式可用于無(wú)功投資成本分析。
3.2 機會(huì )成本
　　如圖1所示，發(fā)電機的有功和無(wú)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。假設發(fā)電機當前的有功輸出為p*，則相應的無(wú)功輸出必須在之間?？梢?jiàn)，發(fā)電機的無(wú)功支持容量是隨著(zhù)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，當系統要求發(fā)電機組增加其無(wú)功容量時(shí)，有功出力應向下調整，例如，下調到p*。對于發(fā)電機的無(wú)功功率發(fā)電成本，可以認為是一種機會(huì )成本，也即無(wú)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(guò)生產(chǎn)有功功率來(lái)獲取的利潤額。從原理上看，發(fā)電機無(wú)功機會(huì )成本的計算比較復雜，要根據電力市場(chǎng)中實(shí)時(shí)的有功供需關(guān)系等信息得出。為了簡(jiǎn)化起見(jiàn)，提出了一個(gè)新的計算方法，即認為無(wú)功機會(huì )成本是該發(fā)電機因輸出無(wú)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(dòng)機的出力極限，并假設，該機會(huì )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(wú)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(wú)功功率都會(huì )有無(wú)功功率的機會(huì )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(wú)功電能引起的有功電能損耗。從系統角度看，升壓變壓器高壓側的有功電能、無(wú)功電能、電壓決定了發(fā)電機組的特性。當機組有功輸出、升壓變壓器高壓側電壓、升壓變壓器檔位一定時(shí)，無(wú)功電能與有功損耗具有圖2所示的近似二次函數關(guān)系[5]。對發(fā)電機組本身而言，不同的無(wú)功電能輸出量在發(fā)電機內部引起的有功損耗也不同。在電力市場(chǎng)中，這些有功損耗應該計算在無(wú)功電能的生產(chǎn)成本中，有功損耗應按照發(fā)電機母線(xiàn)的邊際價(jià)格計算。

4 發(fā)電側無(wú)功定價(jià)
　　本文將發(fā)電側的無(wú)功電價(jià)分為兩個(gè)部分：無(wú)功容量電價(jià)和無(wú)功電量電價(jià)。無(wú)功容量電價(jià)主要涉及的是發(fā)電機的固定投資成本分攤到無(wú)功出力部分；無(wú)功電量電價(jià)主要涉及的是發(fā)電機的無(wú)功機會(huì )成本和有功損耗費用。為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，本文在無(wú)功電量電費中只討論無(wú)功的機會(huì )成本。
4.1 無(wú)功容量電價(jià)
　　無(wú)功容量電價(jià)應該涵蓋提供無(wú)功支持的發(fā)電機的固定成本，以保證設備投資成本的回收。發(fā)電機的有功發(fā)電成本函數一般為二次函數[6]，即：

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

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

　?。?）實(shí)例1：垂直管理體制下的發(fā)電費用
　　在統一調度運行方式下，所有的機組屬于同一個(gè)部門(mén)，其電力調度的目的是在滿(mǎn)足系統要求的前提下使總費用最小。假設母線(xiàn)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(xiàn)2的發(fā)電機的邊際發(fā)電成本相對較高為$30/MWh。并假設機組1的容量受圖1所示的曲線(xiàn)約束，發(fā)電機2的有功和無(wú)功容量為無(wú)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(mǎn)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）。運行結果如表1所示。

　　然而，在該調度方式下，系統電壓將無(wú)法滿(mǎn)足要求。因為一旦母線(xiàn)1的發(fā)電機滿(mǎn)發(fā)運行，根據圖1所示的容量曲線(xiàn)，機組將失去無(wú)功支持能力。而母線(xiàn)1的電壓要維持在1.0p.u，需要機組1提供81MVAR的無(wú)功支持。由于母線(xiàn)2的發(fā)電機機端電壓設置早已處于最高值，這就意味著(zhù)在該運行方式下，為了維持母線(xiàn)1的電壓，只有依靠母線(xiàn)1的機組提供無(wú)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(lái)提供。運行結果如表2所示，此時(shí)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(mǎn)足電壓需求而提供無(wú)功無(wú)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(lái)彌補。
　?。?）實(shí)例2：市場(chǎng)競爭下的發(fā)電費用
　　區別于實(shí)例1，電力市場(chǎng)開(kāi)放后，不同的機組分屬于不同的經(jīng)濟實(shí)體。每臺機組通過(guò)投標向系統運行人員提交包括有功功率的成本函數以及可用容量等信息。在這些信息的基礎上，運行人員一般以總運行費用最小為目標，確定滿(mǎn)足各種約束條件的系統運行方式，以及相應的系統邊際價(jià)格。在該實(shí)例中，由于未考慮傳輸線(xiàn)路的容量約束，每臺機組都是以系統邊際價(jià)格付費。運行結果如表2所示的，系統的邊際價(jià)格為$30/MWh。為了滿(mǎn)足電壓要求，在實(shí)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(wú)功支持而導致的機會(huì )成本，如圖4所示。

　　為了鼓勵機組在系統無(wú)功緊缺時(shí)放棄有功而增發(fā)無(wú)功，運行人員應補償機組的無(wú)功機會(huì )成本。因此，該實(shí)例中，機組1除了獲得按系統邊際價(jià)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(huà)說(shuō)，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(méi)有什么區別，這樣系統的安全性得到了保證。
4.2.2 進(jìn)相運行無(wú)功電量電價(jià)
　　在系統負荷低谷時(shí)，發(fā)電機進(jìn)相運行吸收無(wú)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(jìn)相運行時(shí)，定子端部溫度升高，靜穩裕度減少，易失去靜穩定，需要運行人員加大監視和管理力度。因此，進(jìn)相運行時(shí)，除了無(wú)功的機會(huì )成本外還應該考慮無(wú)功輔助服務(wù)的管理費。
發(fā)電機進(jìn)相運行曲線(xiàn)可以通過(guò)專(zhuān)門(mén)的進(jìn)相試驗得到，通過(guò)對發(fā)電機進(jìn)相運行的典型運行點(diǎn)進(jìn)相靜穩分析得到的一些離散點(diǎn)進(jìn)相曲線(xiàn)擬合，可以得到發(fā)電機有功和無(wú)功在進(jìn)相運行時(shí)的隱函數關(guān)系：

　　計算無(wú)功電量電價(jià)的方法與上述遲相運行時(shí)計算方法相同。

5 結語(yǔ)
　　由前面的討論可知，由于無(wú)功功率的物理特點(diǎn)和成本特性，無(wú)功輔助服務(wù)中的獨立發(fā)電廠(chǎng)的無(wú)功需求和定價(jià)問(wèn)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(chǎng)初期的特點(diǎn)，將發(fā)電廠(chǎng)無(wú)功生產(chǎn)成本作為發(fā)電市場(chǎng)側的無(wú)功定價(jià)的核心內容。具體分析了發(fā)電廠(chǎng)無(wú)功生產(chǎn)中涵蓋的各種成本，將無(wú)功電價(jià)劃分為兩部分：無(wú)功容量電價(jià)和無(wú)功電量電價(jià)。對于發(fā)電側無(wú)功市場(chǎng)定價(jià)結構的建立具有一定的指導意義。