发电用户用大网无功【电力市场环境下发电侧无功成本分析】

　　【摘要】无功辅助服务的成本分析是电力市场环境下对无功功率部分进行定价的基础。电力市场环境下为了保持系统无功充足和维持系统电压稳定，必须对发电侧无功功率电源提供的无功服务进行经济补偿，同时发电机无功成本直接影响发电机有功出力的大小即机会成本。因此有必要分析发电机无功电源的成本，把发电侧无功服务的成本从电力生产的综合成本中区分出来研究。
　　【关键词】区别；变动成本；分析和计算
　　
　　发电侧的无功成本主要指发电机在提供无功服务时所产生的成本。无功服务的成本分为固定成本和可变成本两个分量。而可变成本又可分为显性和隐性成本[１]。显性成本即发电机运行时需要支付的运行和维护成本；隐性成本为发电机因增发无功导致有功出力减少而损失的利润，这部分称之为机会成本。发电机是电力系统中最关键的无功源，对它进行的无功成本分析最为关键。本文由此着手结合案例分析发电侧无功成本的问题。
　　１．固定成本及在有功功率和无功功率生产之间的分摊
　　1.1发电机和纯无功设备的区别
　　纯无功补偿设备的固定成本是简单、直接和易于计算的，这些设备只发出或吸收无功，即只和无功有关。但发电机则不然，发电机内部的励磁系统、调速系统等同时被用来提供有功和无功两种服务，因此固定成本不易分辨和计算。
　　1.2 发电机无功服务固定成本分摊计算方法
　　发电机提供的无功服务的固定成本是指发电机总投资成本分摊到无功容量那一部分。发电机的投资成本通常以有功功率的形式表示。但是，发电机除了要提供有功出力外，一般还要提供无功出力，因此发电机的投资成本以视在功率的形式表达在原理上更为合适。这样发电机的无功容量投资成本就可以用式（1）表示：Cph=■（1）
　　虽然分摊思想合适，但通过算例分析表明，利用上述表达式计算的无功投资成本有错误。用如下算例改正：某台发电机的典型数据为(最大额定出力P=350MW，投资成本I=200万美元/MW预期寿命yr=30年，可用率af=85%，负荷率lf=64%，额定功率因数cos=0.9)
　　首先计算出分摊到每个运行小时的有功投资成本。
　　将发电机的典型数据带入式Cph=（2）可得每小时有功投资成本为13.99美元/MW。当发电机运行在额定功率因数0.9时，按照式（1）算出的每兆伏安的投资成本CS应该是13.99/0.9=15.54美元/MVA，发电机的无功容量投资成本15.54×sin(cos-10.9)=6.67美元/Mvar。
　　2.变动成本
　　2.1 正常额定稳态运行时的变动成本
　　发电机无功的变动成本主要指为提供无功服务所引起的损耗以及所造成的机会成本。发电机在提供无功时励磁电流增大，从而引起有功损耗增加。可变成本主要是提供无功功率时在发电机和升压变压器中引起的有功电能的损耗[1]。当机组有功输出一定、升压变压器高压侧电压和档位一定时，无功功率与有功损耗具有近似二次函数关系。对机组本身，不同的无功功率输出量在发电机内部引起的有功损耗也有所不同。但根据实际运行的经验，即使发出的无功功率为零时，依然存在有功电能的损耗。所以有必要将无功导致的电能损耗从总损耗中分离出来。通过提供无功服务Q时，将无功导致的有功电能损耗ＬQ等于提供无功Q时的总有功损耗Ｌｔ减去此发电机提供的无功为0时的有功电能损耗Ｌ０。即ＬQ＝Ｌｔ－Ｌ０。在电力市场环境下，这部分有功损耗应该计入无功服务的变动成本中，但由于无功出力所造成的发电机有功微增损耗是高度非线性的，并与发电机有功运行成本相比这部分成本非常小，因而常常忽略不计。发电机提供无功服务的变动成本大部分是机会成本。
　　2.2 异常环境下机会成本的分析和计算
　　同步发电机接入电力系统同步运行时，通过调节原动机蒸汽或水的输入量，使原动机输出的机械功率变化，即可控制发电机输出的有功功率；通过调节发电机的励磁电流，可以调节发电机的端电压和输出的无功功率。两者都有最大值和最小值的限制，超出这些限制范围的发电机将不能正常运行。同步发电机安全运行极限图（以隐极机为例）如图所示。
　　图隐极式同步发电机PQ曲线
　　图中A为额定运行点，PA和 QA分别为发电机的额定有功和无功功率。假设发电机仅为维持自身辅助设备的运转而不向电力系统提供无功支持的情况下，其必须发出无功功率为QBS，称为发电机最小无功出力，相应的运行点为（PA,QBS）由图可知，该发电机无需减少有功功率便可通过励磁调节增发无功到QA 如果系统需要该台发电机增发无功功率以满足系统需求，在发电机运行极限范围内，从A点QA。增发无功到B点QB时，则发电机必须调整有功出力由PA降至PB以满足增加无功的需求。此时无功出力的增加是以有功出力的减少为代价。为在运行范围内B点提供无功，发电机除了将进一步增加损耗成本外还将减少有功交易，从而带来损失的机会成本，因为（PA－PB）这部分出力本来可以在有功市场上出售而获利的。
　　对于大部分发电机来说，在额定无功之前，提供无功功率的多少对于有功输出没有任何影响，但如果超过额定点A点，无功功率成本将突然增大。以至于为了多得到1Mvar的无功，可能要减少好几兆瓦的有功输出。
　　在电力市场环境下发电厂为创造经济效益，希望多发有功电量。正常情况下，发电机无功出力低于额定值时，不会影响有功发电能力。但出于系统安全的考虑，有时需要发电厂多发无功或预留较多的无功备用容量，这样就影响到该发电厂的有功发电能力，此时应计及该电厂由此而失去的输出更多有功电量的机会成本。
　　经济学中机会成本是指在若干备选方案中因选定某一方案而放弃另一种方案时所丧失的潜在收益。因无功功率生产导致了有功功率生产能力的下降，从而影响了发电机通过生产有功功率来获取利润。设在某段时间△ｔ内的机会成本为ＣＯＰ，则该成本分量可用式（8）（9）表示。Cop=ρ△P△t-△Cp△t（8）△Cp=C(P)-C?�P-△P?�（9）
　　然而，通常在市场竞价之前并不能准确得知市场的出清价格，但是发电机的无功机会成本却是和当时有功电价有关。为了在市场竞价前获悉机会成本的信息，本文认为无功机会成本是因输出无功功率而损失的有功功率发电容量对应的利润。根据功率三角形，QGi的机会成本可以近似表示为COP(QGi)=kC(SGi)-C(f(QGi))(10)，式中COP(QGi)为发电机组i的无功发电成本函数；C(f(QGi))为发电机组i的有功发电成本函数。式（9）中的C(P)为发电机有功功率成本函数。一般用C(P)=a+bP+cP2其中a、b、c为经济参数。
　　3.结语
　　上述分析可得无论是发电机发出还是吸收无功功率，都要产生无功机会成本。本文论述的发电机的无功服务的固定成本和可变成本在有功和无功之间进行分摊，分析了电力市场环境下机会成本的计算方法。为无功成本分析对无功源的经济补偿以及电力市场环境下开展无功竞价提供了理论基础。■
　　
　　【参考文献】
　　［１］J．Barquin， D． Soler，O．Largo，et al．On the cost of Reactive Power Generation and Voltage support service．Symposium on Bulk Power System Dynamics and Control IV，National Technical University，Athens，1998．
　　［２］J．W．Lamont，J．Fu．Cost Analysis of Reactive Power Support．IEEE Transactions on Power Systems，1999，14(3)：890~898．
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