梁琛， 鄭偉， 智勇, 崔力心， 康曉華， 郭振

(1.國網甘肅省電力公司電力科學研究院，甘肅 蘭州 730050； 2.甘肅龍源風力發(fā)電有限公司，甘肅 蘭州 730050)

需求側響應模式下新能源電站力率問題研究

梁琛1， 鄭偉1， 智勇1, 崔力心1， 康曉華1， 郭振2

(1.國網甘肅省電力公司電力科學研究院，甘肅 蘭州 730050； 2.甘肅龍源風力發(fā)電有限公司，甘肅 蘭州 730050)

針對需求側響應模式下，新能源具有電源和負荷的“雙重角色”，導致高昂力率(即功率因數(shù))電費成本問題。首先分析了問題產生的原因；接著提出對更加公平合理的力率計算方法，并以甘肅某光伏電站為例，驗證了有效性；最后通過分析甘肅現(xiàn)行的相關規(guī)定，提出合理的改進措施和建議。

新能源電站；功率因數(shù)；需求側響應；力率電費；力率計算方法；無功補償

0 引 言

甘肅地區(qū)風、光資源豐富，截至2014年底，風電裝機達1007.6萬千瓦，僅次于內蒙古，位列全國第二；光伏發(fā)電裝機516.8萬千瓦，居全國第一。

隨著“兩個替代”成為世界能源發(fā)展的主要趨勢，特別是分布式電源的快速發(fā)展，在需求側響應模式下，需求側和供電側突破了傳統(tǒng)定義。家用小型光伏發(fā)電的普及推廣，用戶可以通過向電網售電獲得收益；同時，由于光伏、風電的間隙性，新能源電站在供電側和需求側兩種角色之間不斷轉換。

新能源電站通常被視為“大用戶”，按照《功率因數(shù)調整電費辦法》對其進行功率因數(shù)考核；隨著新能源大規(guī)模并網，新能源電站被納入電監(jiān)會頒布的《發(fā)電廠并網運行管理規(guī)定》《并網發(fā)電廠輔助服務管理實施細則》(簡稱“兩個細則”)同步進行考核管理。因此，存在新能源為電網運行“做貢獻”的同時卻被“考核”的問題。

本文針對上述問題，首先分析了原因，研究了提出了可行的改進建議和措施，促進新能源的進一步發(fā)展，并使各政策能夠發(fā)揮其積極作用，促進能源結構的優(yōu)化。

1 新能源電站力率問題

新能源電站一方面將風能、光能等轉換為電能，并向電網輸送有功功率，具有電源性質；另一方面，由于風電和光伏輸出功率和環(huán)境的風力大小、光照、溫度等因素關系密切，其有功調節(jié)可控性較差，當待機、啟動以及正常運行時可能需要從電網吸收一定的有功和無功功率，又具有負荷的特性。因此，新能源電站具有電源和負荷的“雙重身份”。

1.1 各政策之間存在“抵觸”現(xiàn)象

新能源電站運行過程中，在某些并網點電壓長期高居不下，按照調度要求，新能源電站從電網吸收無功功率，協(xié)助電網電壓的調節(jié)，為電網的電壓穩(wěn)定做出“貢獻”；但是吸收大量無功，導致功率因數(shù)偏低，按照《功率因數(shù)電費調整辦法》，卻需要支付高額的力率電費，形成“貢獻反而受罰”，這與力率電費為鼓勵無功就地補償，實現(xiàn)節(jié)能降耗的初衷不符。

1.2 力率計算方法問題

現(xiàn)行的新能源力率計算方法，將新能源電站完全視為大負荷，照搬大負荷力率計算方法[1]35，如公式(1)所示：

(1)

其中P為新能源每月累計從電網吸收的有功功率；Q為新能源每月累計從電網吸收的無功功率。

上述計算公式沒有考慮到新能源電站的特殊性，即新能源電站向電網輸送有功功率和無功功率。

1.3 相關管理辦法存在不足

文獻[2]于1983年由中華人民共和國水利電力部和國家物價局共同頒布，主要為了提高用戶的功率因數(shù)并保持其均衡，以提高供電用雙方和社會的經濟效益。其實施以來，在一定時期內對于供電企業(yè)及用電客戶提高功率因數(shù)，減少支出，節(jié)約成本以及電網的節(jié)能降損有一定積極的作用。但是，隨著經濟和社會的發(fā)展，尤其是新能源發(fā)電規(guī)模迅速擴大，在我國某些地區(qū)的能源結構中新能源逐漸占據主要地位，但是其仍然被視作大用戶，按照該辦法進行考核，這種現(xiàn)象有悖于該辦法制定的初衷，其對于節(jié)能降損、新技術發(fā)展的促進作用逐漸減弱，甚至會造成阻礙[3]。

國家電監(jiān)會于2006年制定了“兩個細則”。但是由于2006年風電和光伏占總裝機比例較小，“兩個細則”并沒有對風電場和光伏電站并網以及輔助服務給出相應的規(guī)定。因此，針對風電場和光伏電站考核以及有償服務沒有具體的規(guī)定。

2 新能源電站力率問題原因分析

2.1 新能源的快速發(fā)展[4-6]

近年來，在國家鼓勵新能源產業(yè)發(fā)展的政策支持下，風、光電裝機容量呈現(xiàn)出成倍增長的趨勢。據相關公開資料統(tǒng)計顯示，2006年底，全國風電裝機2 537 MW，占全國總裝機的0.41%，光伏裝機80 MW，占全國總裝機的0.013%。截止2014年12月31日，全國風電裝機114 609 MW，比2006年增加了44.2倍，占全國總裝的8.43%；光伏裝機28 050 MW，比2006年增加了349.625倍，占全國總裝機的2.06%。

電監(jiān)會于2006年頒布“兩個細則”時，我國的電力裝機結構仍然以火電為主，新能源占比不到5‰，因此對新能源電站并為網管理和參與輔助服務都沒有相應的規(guī)定。隨著風電、光伏發(fā)電在發(fā)電裝機容量中占比逐漸提高，其對電網的影響也越來越大，因此考慮風、光電特性，修訂“兩個細則”勢在必行。

2.2 新能源發(fā)電特性

目前常見的風力發(fā)電機組自身不會產生無功功率，因此，為了滿足風機自身勵磁需要，在向系統(tǒng)提供有功功率的同時，需從電網吸收大量無功功率。風機和其配套的箱式變壓器以及其長距離集電線路均需要消耗一定的無功功率[1]31。

光伏電站運行過程中，其光伏發(fā)電單元箱變、場內集電線路以及光伏電站升壓變消耗大量的無功功率，尤其是在夜間，其輸出有功功率為零，但是待機過程中仍然消耗大量的無功功率，必然造成力率大幅減小。

因此，考慮到風、光電運行特性，將其在一定情況下視為負荷，按照《功率因數(shù)調整電費辦法》進行考核，有助于促使新能源電站投資無功容量，進而提升設備效率，降低電網損耗，實現(xiàn)節(jié)能降損具有積極作用。

2.3 無功補償技術的發(fā)展

新能源發(fā)電本身需要消耗大量的無功功率，因此，在新能源發(fā)電過程中無功功率補償對其日常運行尤為重要。配置合理的無功功率補償容量對于減少新能源電站功率損耗、改善新能源發(fā)電電能質量、降低發(fā)電成本和減少用戶電費支出。

隨著電力電子技術發(fā)展，尤其是靜態(tài)無功補償裝置如SVC、SVG等技術的發(fā)展，其性能日益提升，完全可以滿足電網調度需求；同時，隨著逆變器技術的發(fā)展，也使光伏電站具備進相運行的能力。因此，無功補償技術的發(fā)展也是新能源電站能類似于常規(guī)電源，響應調度指令，參與輔助服務的必要前提。

3 力率計算方法研究

目前，常用的電力計量表具備對有功正反向潮流對應無功滯后、超前的電能具備四個象限(即Q1，Q2，Q3，Q4)計量功能。根據標準《多功能電能表通信協(xié)議(DL/T645-2007)》對電能計量的四個象限定義[7]。其中，參考電流矢量如圖所示為正方向，改變相角可以改變電壓矢量的方向，幾何示意圖如圖1所示。

圖1 有功和無功功率幾何示意圖

按照圖1的表述，在用戶側，電流的方向即以負荷吸收電網的有功和無功為正；在電網側，有功和無功的方向則以下網為正。根據圖1可以畫出新能源電站有功、無功示意圖，如圖2所示，其中新能源電站從電網吸收有功或無功為正，反之為負[8]。

圖2 新能源電站有功、 無功四象限示意圖

其中：

Q1：表示新能源電站從電網吸收有功功率的同時從電網吸收無功功率；Q2：表示新能源電站向電網輸送有功功率的同時從電網吸收無功功率；Q3：表示新能源電站向電網輸送有功功率的同時向電網輸送無功功率；Q4：表示新能源電站向電網吸收有功功率的同時向電網輸送無功功率。

由圖2看出，當新能源電站消耗有功功率時，其可能吸收無功，也可能消耗無功，因此，針對新能源站，一種比較合理的力率考核方式。

(1)當新能源電站下網有功功率時，即圖2中位于第Ⅰ、Ⅳ象限，將其看作是負荷，按照《辦法》進行力率考核。文獻[2]中，提出無功計算的有關規(guī)定“按倒送的無功電量與實用的無功電量兩者的絕對值之和的原則”，這是從電網側考慮，因為不管上網還是下網無功，均會增加電網的損耗。

力率計算方法如公式(2)所示：

(2)

其中無功功率為Q1+Q4，有功功率以其實際消耗的有功進行計算。

(2)當新能源電站向電網送出有功功率時，即圖2中位于第Ⅱ、Ⅲ象限，將其看作是電源，按照電監(jiān)會“兩個細則”等相關規(guī)定進行管理考核，此時不應進行力率考核。

4 算例分析

甘肅某光伏電站總裝機容量150 MW，配有±16 MVar SVG 2臺，10 MVar SVG 1臺，占裝機容量的28%；另可利用逆變器無功調相能力±60 MVar，總補償度可達68%，力率調整電費考核標準為0.85。

某月下網有功電量：P=235 840 kWh；下網電價格以0.430 7元/kWh。

(1)只考慮下網有功、無功電量，即圖2：Q1+Q2=1 457 280 kVarh；(現(xiàn)行算法)

計算結果如表1所示。

表1 兩種力率計算方法力率電費對比

由上表可以看出，采用本文建議算法后，利用有功功率的上網或下網，將新能源電站的“雙重角色”解耦，能比較真實地反映實際情況，更有利于鼓勵就地分散進行無功補償，有利于促進效率提升和節(jié)能減排，同時減輕新能源企業(yè)負擔，促進新能源產業(yè)健康發(fā)展。

5 改進措施和建議

(1)西北電監(jiān)局于2011年下達了西北區(qū)域“兩個細則”， 2014年10月，西北能監(jiān)局向企業(yè)下發(fā)兩個細則(修訂稿)。這份修訂后的文件拓寬了適用范圍，“本細則適用于西北電力系統(tǒng)內由省級及以上調度機構直調的發(fā)電廠(含并網自備電廠)和由地調直調的風電、光伏、裝機容量50 MW及以上的水電站?！憋L電場、光伏電站被明確納入考核范圍。但是 “輔助服務管理細則”中第十八條規(guī)定火電機組每萬千乏時補償8分、水電機組每萬千乏時補償4分。未對本次加入考核范圍的風電場、光伏站進行補償。建議在輔助細則中對光伏和風電參加輔助服務給出明確的補償機制。

(2)建議針對新能源電站在發(fā)電期間，新能源電站執(zhí)行調度指令，免予功率因數(shù)考核。

(3)建議針對新能源力率計算，將其作為負荷時，即受電時的有功和無功(正向和反向絕對值求和)進行力率計算，將更具有公平合理性。

6 結束語

本文通過對甘肅地區(qū)新能源電站力率問題進行深入研究，提出了更為合理的新能源力率計算方法，通過對甘肅某地光伏電站力率電費實際計算，驗證了該方法的有效性。并結合甘肅地區(qū)現(xiàn)行管理辦法提出增加對光伏和風電參與輔助服務補償機制和改進力率計算方法的措施和建議，為電網公司制定新能源政策提供有益參考，促進了新能源與電網的和諧發(fā)展。

[1] 劉濤.解讀風電場運營成本[J].中國三峽，2011,18(3):8-10.

[2] 水利電力部，國家物價局．功率因數(shù)調整電費辦法[Z]．北京：水利電力部，國家物價局，1983.

[3] 周喜超,王維洲,鄭偉.客戶功率因數(shù)調整電費及優(yōu)化策略研究[J].電力需求側管理,2010,12(6)：62-64.

[4] 2014年中國風能裝機容量統(tǒng)計[S].中國可再生能源學會風能專業(yè)委員會,2015.

[5] 2014年光伏發(fā)電統(tǒng)計信息[EB/OL].(2015-03-09).http://www.nea.gov.cn/2015-03/09/c_134049519.htm.

[6] 2006-2012全球和中國光伏年裝機總覽(表)[EB/OL].(2013-12-26).http://guangfu.bjx.com.cn/ news/20131226/482750.shtml.

[7] 張強等.調整功率因數(shù)對考核發(fā)電廠發(fā)電出力的技術探討[J].計量與測試技術，2014，41(2):5.

[8] 戴麗瑋.利用ALPHA電能表合理考核小水電上網力率[J].福建電力與電工，2002，22(3):36.

保護動物就是保護我們的同類。

地球上沒有動物，那是一個沒有活力的世界。

動物是人類親密的朋友，人類是動物信賴的伙伴。

不要讓我們的孩子只能在博物館里才能見到今天的動物。

Research on the Power Factor of New Energy Power Stations in the Demand Side Response Mode

Liang Chen1, Zheng Wei1, Zhi Yong1, Cui Lixin1, Kang Xiaohua1, Guo Zhen2

(1. State Grid Gansu Electric Power Co. Electric Power Research Institute, Lanzhou Gansu 730050, China；2. Gansu Long Yuan Wind Power Co., Ltd., Lanzhou Gansu 730050, China)

In the mode of demand-side response, new energy sources play the “due role” of power source and load, resulting in high factor adjusted power price. First, this paper analyses the cause of the problem, and then puts forward a more fair and reasonable power factor calculation method. Its effectiveness is verified by taking a photovoltaic power station in Gansu as an example. Finally, based on an analysis of relevant prevailing regulations in Gansu, it puts forward reasonable improvement measures and suggestions.

new energy power station; power factor;demand side response;factor adjusted power prices;power factor calculation method; reactive power compensation

國家電網公司科技項目(52272215000A)

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.02.019

TM614 TM615

A

1000-3886(2017)02-0063-03

梁琛(1985-)，男，甘肅人，電氣工程師，專業(yè)：智能電網，新能源、微電網新技術。

定稿日期: 2016-06-30