?發(fā)電側(cè)無功成本與定價(jià)研究

? Abstract: Reactive power service is a key component of power market ancillary service, and reactive power pricing in the generation side is the base of reactive power market. In this paper, reactive power generation costs are discussed, which are decomposed into two parts: reactive capacity price and reactive power production price. The conceptions are clear and the calculations are convenient. Research shows that with a reasonable economic compensation, generators will act to maintain security and stability of the system on its own initiative.
　　Key words: power market; reactive power ancillary service; reactive power costs; reactive power generation market

　　摘　要：無功功率服務(wù)是電力市場輔助服務(wù)的一個(gè)重要組成部分，而發(fā)電廠的無功電價(jià)又是整個(gè)無功市場定價(jià)的基礎(chǔ)。本文對發(fā)電廠的無功生產(chǎn)成本進(jìn)行了探討，首次提出將發(fā)電廠無功電價(jià)劃分為無功容量電價(jià)和電量電價(jià)，概念清晰，易于計(jì)算。研究表明發(fā)電廠的無功服務(wù)應(yīng)得到一定的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償，使其自覺的維持電力系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定運(yùn)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(gè)重要組成部分，是保證電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)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(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益的有效手段。在放開發(fā)電側(cè)市場，實(shí)行廠網(wǎng)分開、競價(jià)上網(wǎng)后，由于輸電和發(fā)電的分離，無功費(fèi)用原則上應(yīng)涵蓋所有不屬于輸電公司的無功生產(chǎn)費(fèi)用。因此，如何獲得無功服務(wù)、如何制定無功服務(wù)的價(jià)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(gè)熱點(diǎn)問題。本文就發(fā)電側(cè)市場的無功成本和定價(jià)問題進(jìn)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(gè)環(huán)節(jié)上提供?？商峁o功服務(wù)的無功源有發(fā)電機(jī)、同步調(diào)相機(jī)、SVC靜止補(bǔ)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(jī)和調(diào)相機(jī)具有動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)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(jī)運(yùn)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(bǔ)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(fù)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(fù)荷節(jié)點(diǎn)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(jià)。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(dú)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(xiàng)單獨(dú)的業(yè)務(wù)，必須制定合理的無功服務(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。鑒于此無功功率服務(wù)的定價(jià)至少應(yīng)該包含3個(gè)層面的無功電價(jià)：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(jià)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(jià)格。發(fā)電機(jī)作為特殊的無功源既可以發(fā)出無功功率，同時(shí)它也是系統(tǒng)僅有的有功功率電源，因此除了要正確計(jì)算發(fā)電機(jī)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?jǐn)偘l(fā)電機(jī)的所有成本。本文認(rèn)為無功可以采用兩部制電價(jià)：無功容量電價(jià)和無功電量電價(jià)。
　?。?）輸電市場層面的無功服務(wù)電價(jià)主要針對的是電網(wǎng)公司所屬的無功源設(shè)備的定價(jià)。包括無功輸電服務(wù)電價(jià)和無功補(bǔ)償電價(jià)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(bǔ)償服務(wù)，相應(yīng)的電價(jià)稱為無功補(bǔ)償服務(wù)電價(jià)；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(jìn)行補(bǔ)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(bào)在有功輸電服務(wù)費(fèi)中綜合考慮。
　?。?）配電市場層面的無功銷售電價(jià)，是電網(wǎng)公司或供電公司向電力批發(fā)商或無功消費(fèi)者收取的銷售無功電價(jià)。
　　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(jià)是制定配電市場層面無功價(jià)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(jī)的無功生產(chǎn)成本進(jìn)行詳細(xì)的分析。輸電和配電層面的無功服務(wù)電價(jià)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(fèi)用與無功容量成正比。因此，發(fā)電廠有相當(dāng)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(fù)荷的增加，發(fā)電機(jī)的能量損耗也將增加。較大的氫冷發(fā)電機(jī)與負(fù)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。
　　（3）維修和維護(hù)
　　由于發(fā)電機(jī)增發(fā)無功，轉(zhuǎn)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(dǎo)體上的電磁力（以I2變化），從而加大振動(dòng)，對發(fā)電機(jī)造成一定的損害。電流也會(huì)導(dǎo)致溫度升高，熱脹冷縮加劇，造成較大的機(jī)械壓力，導(dǎo)致繞組變形和絕緣老化。因此相當(dāng)大一部分維修、維護(hù)費(fèi)是由于無功發(fā)電引起的。對兩臺(tái)同樣的發(fā)電機(jī)，以功率因數(shù)接近1運(yùn)行的機(jī)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(jī)理也會(huì)縮短發(fā)電機(jī)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(fù)荷和功率因數(shù)有關(guān)，但大部分問題與發(fā)電機(jī)和負(fù)載有關(guān)。
　?。?）風(fēng)險(xiǎn)管理
　　無功出力的增加，也會(huì)使失去發(fā)電機(jī)組的概率增加，造成非常大的費(fèi)用，即無功風(fēng)險(xiǎn)費(fèi)用，但這部分費(fèi)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(jī)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(jī)的無功功率生產(chǎn)成本一直都被認(rèn)為近似等于零而忽略，其中一個(gè)主要的原因是電機(jī)的無功生產(chǎn)幾乎不導(dǎo)致任何額外的燃料費(fèi)用。實(shí)際上，不管發(fā)電機(jī)是否發(fā)出無功功率都會(huì)引起無功生產(chǎn)/備用成本。發(fā)電機(jī)組無功電能生產(chǎn)成本主要有三部分組成：投資成本、機(jī)會(huì)成本、可變成本。
3.1 投資成本
　　實(shí)際上，發(fā)電機(jī)組的投資成本是以有功容量為依據(jù)計(jì)算的，以元/MW為單位。然而，發(fā)電機(jī)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(jìn)行投資成本分析更加切合實(shí)際[3]。當(dāng)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(dāng)機(jī)組投資成本計(jì)入無功市場時(shí)，上式可用于無功投資成本分析。
3.2 機(jī)會(huì)成本
　　如圖1所示，發(fā)電機(jī)的有功和無功輸出要受發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流（a-b段）、電樞電流（b-c段）和欠勵(lì)磁（c-d段）約束。假設(shè)發(fā)電機(jī)當(dāng)前的有功輸出為p*，則相應(yīng)的無功輸出必須在之間。可見，發(fā)電機(jī)的無功支持容量是隨著有功輸出水平而變化的。

　　在經(jīng)濟(jì)運(yùn)行條件下，發(fā)電機(jī)組應(yīng)工作在有功輸出力上限pmax，當(dāng)系統(tǒng)要求發(fā)電機(jī)組增加其無功容量時(shí)，有功出力應(yīng)向下調(diào)整，例如，下調(diào)到p*。對于發(fā)電機(jī)的無功功率發(fā)電成本，可以認(rèn)為是一種機(jī)會(huì)成本，也即無功功率的生產(chǎn)導(dǎo)致有功功率生產(chǎn)能力的下降，從而影響了發(fā)電機(jī)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(jī)無功機(jī)會(huì)成本的計(jì)算比較復(fù)雜，要根據(jù)電力市場中實(shí)時(shí)的有功供需關(guān)系等信息得出。為了簡化起見，提出了一個(gè)新的計(jì)算方法，即認(rèn)為無功機(jī)會(huì)成本是該發(fā)電機(jī)因輸出無功功率而損失的有功功率發(fā)電容量所對應(yīng)的利潤[4]。如果忽略原動(dòng)機(jī)的出力極限，并假設(shè)，該機(jī)會(huì)成本可以近似表示如下：
?
其中 SGi,max為發(fā)電機(jī)的額定視在功率；QGi為發(fā)電機(jī)的無功功率出力；k為發(fā)電機(jī)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(jī)發(fā)出還是吸收無功功率都會(huì)有無功功率的機(jī)會(huì)成本。?
3.3 可變成本
　　發(fā)電機(jī)組的可變成本指發(fā)電機(jī)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(jī)組的特性。當(dāng)機(jī)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(shí)，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(jī)組本身而言，不同的無功電能輸出量在發(fā)電機(jī)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(yīng)該計(jì)算在無功電能的生產(chǎn)成本中，有功損耗應(yīng)按照發(fā)電機(jī)母線的邊際價(jià)格計(jì)算。

4 發(fā)電側(cè)無功定價(jià)
　　本文將發(fā)電側(cè)的無功電價(jià)分為兩個(gè)部分：無功容量電價(jià)和無功電量電價(jià)。無功容量電價(jià)主要涉及的是發(fā)電機(jī)的固定投資成本分?jǐn)偟綗o功出力部分；無功電量電價(jià)主要涉及的是發(fā)電機(jī)的無功機(jī)會(huì)成本和有功損耗費(fèi)用。為簡化起見，本文在無功電量電費(fèi)中只討論無功的機(jī)會(huì)成本。
4.1 無功容量電價(jià)
　　無功容量電價(jià)應(yīng)該涵蓋提供無功支持的發(fā)電機(jī)的固定成本，以保證設(shè)備投資成本的回收。發(fā)電機(jī)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(jì)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(jià)
　　無功電量電價(jià)應(yīng)該涵蓋提供無功支持的發(fā)電機(jī)的可變成本，以保證電廠運(yùn)行成本的回收。無功電量電價(jià)應(yīng)該主要考慮發(fā)電無功電量和無功備用容量的機(jī)會(huì)成本以及發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行時(shí)的補(bǔ)償費(fèi)用。無功電量定價(jià)的原則是以發(fā)電機(jī)的運(yùn)行約束，即容量極限圖為基礎(chǔ)，用有功發(fā)電機(jī)會(huì)成本來折算無功電價(jià)，合理補(bǔ)償無功服務(wù)提供者的經(jīng)濟(jì)損失。
4.2.1 遲相運(yùn)行無功電量電價(jià)
　　以圖3所示的三節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)為例來說明無功電量電價(jià)的計(jì)算。

　　（1）實(shí)例1：垂直管理體制下的發(fā)電費(fèi)用
　　在統(tǒng)一調(diào)度運(yùn)行方式下，所有的機(jī)組屬于同一個(gè)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(fèi)用最小。假設(shè)母線1的發(fā)電機(jī)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(jī)的邊際發(fā)電成本相對較高為$30/MWh。并假設(shè)機(jī)組1的容量受圖1所示的曲線約束，發(fā)電機(jī)2的有功和無功容量為無窮大。
　　從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，運(yùn)行人員將首先考慮邊際成本較低的發(fā)電機(jī)1，在其滿發(fā)運(yùn)行（500MW）后不足部分（200MW）由成本較高的發(fā)電機(jī)2提供。因此總的發(fā)電費(fèi)用為$16000（500*$20+200*$30）。運(yùn)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?yàn)橐坏┠妇€1的發(fā)電機(jī)滿發(fā)運(yùn)行，根據(jù)圖1所示的容量曲線，機(jī)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(jī)組1提供81MVAR的無功支持。由于母線2的發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓設(shè)置早已處于最高值，這就意味著在該運(yùn)行方式下，為了維持母線1的電壓，只有依靠母線1的機(jī)組提供無功支持，因此只有減少其有功出力。機(jī)組1減少的有功將由發(fā)電成本較高的2號(hào)機(jī)組來提供。運(yùn)行結(jié)果如表2所示，此時(shí)總的發(fā)電費(fèi)用為$17000（400*$20+300*$30）。

　　兩種運(yùn)行方式的費(fèi)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(fèi)用。在垂直管理體制下，機(jī)組1損失的發(fā)電費(fèi)用將由機(jī)組2來彌補(bǔ)。
　　（2）實(shí)例2：市場競爭下的發(fā)電費(fèi)用
　　區(qū)別于實(shí)例1，電力市場開放后，不同的機(jī)組分屬于不同的經(jīng)濟(jì)實(shí)體。每臺(tái)機(jī)組通過投標(biāo)向系統(tǒng)運(yùn)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(yùn)行人員一般以總運(yùn)行費(fèi)用最小為目標(biāo)，確定滿足各種約束條件的系統(tǒng)運(yùn)行方式，以及相應(yīng)的系統(tǒng)邊際價(jià)格。在該實(shí)例中，由于未考慮傳輸線路的容量約束，每臺(tái)機(jī)組都是以系統(tǒng)邊際價(jià)格付費(fèi)。運(yùn)行結(jié)果如表2所示的，系統(tǒng)的邊際價(jià)格為$30/MWh。為了滿足電壓要求，在實(shí)際運(yùn)行中，運(yùn)行人員將機(jī)組1的有功出力強(qiáng)制減少了100MW，從而使其利潤損失了$1000，即機(jī)組1由于提供無功支持而導(dǎo)致的機(jī)會(huì)成本，如圖4所示。

　　為了鼓勵(lì)機(jī)組在系統(tǒng)無功緊缺時(shí)放棄有功而增發(fā)無功，運(yùn)行人員應(yīng)補(bǔ)償機(jī)組的無功機(jī)會(huì)成本。因此，該實(shí)例中，機(jī)組1除了獲得按系統(tǒng)邊際價(jià)格$30/MWh支付的400MW有功功率的費(fèi)用外，還將獲得由于運(yùn)行需要而少發(fā)的100MW有功損失的利潤$1000。換句話說，由于機(jī)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(yùn)行方式對機(jī)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(jìn)相運(yùn)行無功電量電價(jià)
　　在系統(tǒng)負(fù)荷低谷時(shí)，發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行吸收無功功率已成為高壓電網(wǎng)保證運(yùn)行電壓合格率的重要手段。發(fā)電機(jī)在進(jìn)相運(yùn)行時(shí)，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(yùn)行人員加大監(jiān)視和管理力度。因此，進(jìn)相運(yùn)行時(shí)，除了無功的機(jī)會(huì)成本外還應(yīng)該考慮無功輔助服務(wù)的管理費(fèi)。
? 發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行曲線可以通過專門的進(jìn)相試驗(yàn)得到，通過對發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行的典型運(yùn)行點(diǎn)進(jìn)相靜穩(wěn)分析得到的一些離散點(diǎn)進(jìn)相曲線擬合，可以得到發(fā)電機(jī)有功和無功在進(jìn)相運(yùn)行時(shí)的隱函數(shù)關(guān)系：
?
　　計(jì)算無功電量電價(jià)的方法與上述遲相運(yùn)行時(shí)計(jì)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(diǎn)和成本特性，無功輔助服務(wù)中的獨(dú)立發(fā)電廠的無功需求和定價(jià)問題顯得十分復(fù)雜，但又是非常重要的。本文針對我國電力市場初期的特點(diǎn)，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(jià)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(jià)劃分為兩部分：無功容量電價(jià)和無功電量電價(jià)。對于發(fā)電側(cè)無功市場定價(jià)結(jié)構(gòu)的建立具有一定的指導(dǎo)意義。