需求侧响应模式下新能源电站力率问题研究

梁琛， 郑伟， 智勇, 崔力心， 康晓华， 郭振

(1.国网甘肃省电力公司电力科学研究院，甘肃 兰州 730050； 2.甘肃龙源风力发电有限公司，甘肃 兰州 730050)

需求侧响应模式下新能源电站力率问题研究

梁琛1， 郑伟1， 智勇1, 崔力心1， 康晓华1， 郭振2

(1.国网甘肃省电力公司电力科学研究院，甘肃 兰州 730050； 2.甘肃龙源风力发电有限公司，甘肃 兰州 730050)

针对需求侧响应模式下，新能源具有电源和负荷的“双重角色”，导致高昂力率(即功率因数)电费成本问题。首先分析了问题产生的原因；接着提出对更加公平合理的力率计算方法，并以甘肃某光伏电站为例，验证了有效性；最后通过分析甘肃现行的相关规定，提出合理的改进措施和建议。

新能源电站；功率因数；需求侧响应；力率电费；力率计算方法；无功补偿

0 引 言

甘肃地区风、光资源丰富，截至2014年底，风电装机达1007.6万千瓦，仅次于内蒙古，位列全国第二；光伏发电装机516.8万千瓦，居全国第一。

随着“两个替代”成为世界能源发展的主要趋势，特别是分布式电源的快速发展，在需求侧响应模式下，需求侧和供电侧突破了传统定义。家用小型光伏发电的普及推广，用户可以通过向电网售电获得收益；同时，由于光伏、风电的间隙性，新能源电站在供电侧和需求侧两种角色之间不断转换。

新能源电站通常被视为“大用户”，按照《功率因数调整电费办法》对其进行功率因数考核；随着新能源大规模并网，新能源电站被纳入电监会颁布的《发电厂并网运行管理规定》《并网发电厂辅助服务管理实施细则》(简称“两个细则”)同步进行考核管理。因此，存在新能源为电网运行“做贡献”的同时却被“考核”的问题。

本文针对上述问题，首先分析了原因，研究了提出了可行的改进建议和措施，促进新能源的进一步发展，并使各政策能够发挥其积极作用，促进能源结构的优化。

1 新能源电站力率问题

新能源电站一方面将风能、光能等转换为电能，并向电网输送有功功率，具有电源性质；另一方面，由于风电和光伏输出功率和环境的风力大小、光照、温度等因素关系密切，其有功调节可控性较差，当待机、启动以及正常运行时可能需要从电网吸收一定的有功和无功功率，又具有负荷的特性。因此，新能源电站具有电源和负荷的“双重身份”。

1.1 各政策之间存在“抵触”现象

新能源电站运行过程中，在某些并网点电压长期高居不下，按照调度要求，新能源电站从电网吸收无功功率，协助电网电压的调节，为电网的电压稳定做出“贡献”；但是吸收大量无功，导致功率因数偏低，按照《功率因数电费调整办法》，却需要支付高额的力率电费，形成“贡献反而受罚”，这与力率电费为鼓励无功就地补偿，实现节能降耗的初衷不符。

1.2 力率计算方法问题

现行的新能源力率计算方法，将新能源电站完全视为大负荷，照搬大负荷力率计算方法[1]35，如公式(1)所示：

(1)

其中P为新能源每月累计从电网吸收的有功功率；Q为新能源每月累计从电网吸收的无功功率。

上述计算公式没有考虑到新能源电站的特殊性，即新能源电站向电网输送有功功率和无功功率。

1.3 相关管理办法存在不足

文献[2]于1983年由中华人民共和国水利电力部和国家物价局共同颁布，主要为了提高用户的功率因数并保持其均衡，以提高供电用双方和社会的经济效益。其实施以来，在一定时期内对于供电企业及用电客户提高功率因数，减少支出，节约成本以及电网的节能降损有一定积极的作用。但是，随着经济和社会的发展，尤其是新能源发电规模迅速扩大，在我国某些地区的能源结构中新能源逐渐占据主要地位，但是其仍然被视作大用户，按照该办法进行考核，这种现象有悖于该办法制定的初衷，其对于节能降损、新技术发展的促进作用逐渐减弱，甚至会造成阻碍[3]。

国家电监会于2006年制定了“两个细则”。但是由于2006年风电和光伏占总装机比例较小，“两个细则”并没有对风电场和光伏电站并网以及辅助服务给出相应的规定。因此，针对风电场和光伏电站考核以及有偿服务没有具体的规定。

2 新能源电站力率问题原因分析

2.1 新能源的快速发展[4-6]

近年来，在国家鼓励新能源产业发展的政策支持下，风、光电装机容量呈现出成倍增长的趋势。据相关公开资料统计显示，2006年底，全国风电装机2 537 MW，占全国总装机的0.41%，光伏装机80 MW，占全国总装机的0.013%。截止2014年12月31日，全国风电装机114 609 MW，比2006年增加了44.2倍，占全国总装的8.43%；光伏装机28 050 MW，比2006年增加了349.625倍，占全国总装机的2.06%。

电监会于2006年颁布“两个细则”时，我国的电力装机结构仍然以火电为主，新能源占比不到5‰，因此对新能源电站并为网管理和参与辅助服务都没有相应的规定。随着风电、光伏发电在发电装机容量中占比逐渐提高，其对电网的影响也越来越大，因此考虑风、光电特性，修订“两个细则”势在必行。

2.2 新能源发电特性

目前常见的风力发电机组自身不会产生无功功率，因此，为了满足风机自身励磁需要，在向系统提供有功功率的同时，需从电网吸收大量无功功率。风机和其配套的箱式变压器以及其长距离集电线路均需要消耗一定的无功功率[1]31。

光伏电站运行过程中，其光伏发电单元箱变、场内集电线路以及光伏电站升压变消耗大量的无功功率，尤其是在夜间，其输出有功功率为零，但是待机过程中仍然消耗大量的无功功率，必然造成力率大幅减小。

因此，考虑到风、光电运行特性，将其在一定情况下视为负荷，按照《功率因数调整电费办法》进行考核，有助于促使新能源电站投资无功容量，进而提升设备效率，降低电网损耗，实现节能降损具有积极作用。

2.3 无功补偿技术的发展

新能源发电本身需要消耗大量的无功功率，因此，在新能源发电过程中无功功率补偿对其日常运行尤为重要。配置合理的无功功率补偿容量对于减少新能源电站功率损耗、改善新能源发电电能质量、降低发电成本和减少用户电费支出。

随着电力电子技术发展，尤其是静态无功补偿装置如SVC、SVG等技术的发展，其性能日益提升，完全可以满足电网调度需求；同时，随着逆变器技术的发展，也使光伏电站具备进相运行的能力。因此，无功补偿技术的发展也是新能源电站能类似于常规电源，响应调度指令，参与辅助服务的必要前提。

3 力率计算方法研究

目前，常用的电力计量表具备对有功正反向潮流对应无功滞后、超前的电能具备四个象限(即Q1，Q2，Q3，Q4)计量功能。根据标准《多功能电能表通信协议(DL/T645-2007)》对电能计量的四个象限定义[7]。其中，参考电流矢量如图所示为正方向，改变相角可以改变电压矢量的方向，几何示意图如图1所示。

图1 有功和无功功率几何示意图

按照图1的表述，在用户侧，电流的方向即以负荷吸收电网的有功和无功为正；在电网侧，有功和无功的方向则以下网为正。根据图1可以画出新能源电站有功、无功示意图，如图2所示，其中新能源电站从电网吸收有功或无功为正，反之为负[8]。

图2 新能源电站有功、 无功四象限示意图

其中：

Q1：表示新能源电站从电网吸收有功功率的同时从电网吸收无功功率；Q2：表示新能源电站向电网输送有功功率的同时从电网吸收无功功率；Q3：表示新能源电站向电网输送有功功率的同时向电网输送无功功率；Q4：表示新能源电站向电网吸收有功功率的同时向电网输送无功功率。

由图2看出，当新能源电站消耗有功功率时，其可能吸收无功，也可能消耗无功，因此，针对新能源站，一种比较合理的力率考核方式。

(1)当新能源电站下网有功功率时，即图2中位于第Ⅰ、Ⅳ象限，将其看作是负荷，按照《办法》进行力率考核。文献[2]中，提出无功计算的有关规定“按倒送的无功电量与实用的无功电量两者的绝对值之和的原则”，这是从电网侧考虑，因为不管上网还是下网无功，均会增加电网的损耗。

力率计算方法如公式(2)所示：

(2)

其中无功功率为Q1+Q4，有功功率以其实际消耗的有功进行计算。

(2)当新能源电站向电网送出有功功率时，即图2中位于第Ⅱ、Ⅲ象限，将其看作是电源，按照电监会“两个细则”等相关规定进行管理考核，此时不应进行力率考核。

4 算例分析

甘肃某光伏电站总装机容量150 MW，配有±16 MVar SVG 2台，10 MVar SVG 1台，占装机容量的28%；另可利用逆变器无功调相能力±60 MVar，总补偿度可达68%，力率调整电费考核标准为0.85。

某月下网有功电量：P=235 840 kWh；下网电价格以0.430 7元/kWh。

(1)只考虑下网有功、无功电量，即图2：Q1+Q2=1 457 280 kVarh；(现行算法)

计算结果如表1所示。

表1 两种力率计算方法力率电费对比

由上表可以看出，采用本文建议算法后，利用有功功率的上网或下网，将新能源电站的“双重角色”解耦，能比较真实地反映实际情况，更有利于鼓励就地分散进行无功补偿，有利于促进效率提升和节能减排，同时减轻新能源企业负担，促进新能源产业健康发展。

5 改进措施和建议

(1)西北电监局于2011年下达了西北区域“两个细则”， 2014年10月，西北能监局向企业下发两个细则(修订稿)。这份修订后的文件拓宽了适用范围，“本细则适用于西北电力系统内由省级及以上调度机构直调的发电厂(含并网自备电厂)和由地调直调的风电、光伏、装机容量50 MW及以上的水电站。”风电场、光伏电站被明确纳入考核范围。但是 “辅助服务管理细则”中第十八条规定火电机组每万千乏时补偿8分、水电机组每万千乏时补偿4分。未对本次加入考核范围的风电场、光伏站进行补偿。建议在辅助细则中对光伏和风电参加辅助服务给出明确的补偿机制。

(2)建议针对新能源电站在发电期间，新能源电站执行调度指令，免予功率因数考核。

(3)建议针对新能源力率计算，将其作为负荷时，即受电时的有功和无功(正向和反向绝对值求和)进行力率计算，将更具有公平合理性。

6 结束语

本文通过对甘肃地区新能源电站力率问题进行深入研究，提出了更为合理的新能源力率计算方法，通过对甘肃某地光伏电站力率电费实际计算，验证了该方法的有效性。并结合甘肃地区现行管理办法提出增加对光伏和风电参与辅助服务补偿机制和改进力率计算方法的措施和建议，为电网公司制定新能源政策提供有益参考，促进了新能源与电网的和谐发展。

[1] 刘涛.解读风电场运营成本[J].中国三峡，2011,18(3):8-10.

[2] 水利电力部，国家物价局．功率因数调整电费办法[Z]．北京：水利电力部，国家物价局，1983.

[3] 周喜超,王维洲,郑伟.客户功率因数调整电费及优化策略研究[J].电力需求侧管理,2010,12(6)：62-64.

[4] 2014年中国风能装机容量统计[S].中国可再生能源学会风能专业委员会,2015.

[5] 2014年光伏发电统计信息[EB/OL].(2015-03-09).http://www.nea.gov.cn/2015-03/09/c_134049519.htm.

[6] 2006-2012全球和中国光伏年装机总览(表)[EB/OL].(2013-12-26).http://guangfu.bjx.com.cn/ news/20131226/482750.shtml.

[7] 张强等.调整功率因数对考核发电厂发电出力的技术探讨[J].计量与测试技术，2014，41(2):5.

[8] 戴丽玮.利用ALPHA电能表合理考核小水电上网力率[J].福建电力与电工，2002，22(3):36.

保护动物就是保护我们的同类。

地球上没有动物，那是一个没有活力的世界。

动物是人类亲密的朋友，人类是动物信赖的伙伴。

不要让我们的孩子只能在博物馆里才能见到今天的动物。

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

国家电网公司科技项目(52272215000A)

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.02.019

TM614 TM615

A

1000-3886(2017)02-0063-03

梁琛(1985-)，男，甘肃人，电气工程师，专业：智能电网，新能源、微电网新技术。

定稿日期: 2016-06-30