动态无功补偿装置经济性分析及价格机制研究

王晓晖 温卫宁 王承民 卢艳超

（1.国网北京经济技术研究院，北京100000；2.上海交通大学，上海201100）

0 引言

电网的智能化发展，对电网稳定性和电能质量提出了更高的要求，无功补偿在电力系统中地位日益突出。无功补偿方式已由静态补偿转向高效的动态补偿，其装备也由传统的同步调相机、电容器和电抗器发展到静止无功补偿器（SVC）和静止无功发生器（SVG）。动态无功补偿的主要作用：在电网侧体现为增强系统暂态稳定性，提高高电压线路的长距离输电能力，提高功率因数，降低线损[1]；在用户侧体现为维持用户端电压，提高功率因数，抑制电压波动和闪变，抑制三相不平衡，提高电能质量。大容量的动态无功补偿装置（同步调相机、静止无功补偿器和静止无功发生器）在高电压等级的变电站和线路上得到了广泛应用，并在维护电网系统安全稳定上发挥了关键的作用。然而，在现实应用中，鲜有对不同无功补偿装置的经济性分析，以得出不同无功补偿装置的补偿成本费用；也鲜有针对加装无功补偿装置对电网产生的效益的有效评估和衡量[2]。

本文采用成本效益增量比分析方法对不同补偿装置进行经济性分析，用于指导动态无功补偿装置选型；收益增量/成本增量评估方法（iB/C法）是基于收益增量与成本增量比值的评估方法，为多属性规划[3]。与iB/C比值法相比较，传统的经济性分析方法采用标准驱动、最小费用、面向项目的评估和选择过程，以确定各个项目的投资规模及相应的分配方案。该方法虽有回收周期长和长期费用最小化的优点，但也存在以下缺点：不能从战略的角度进行综合评估，无法满足企业削减投资的要求，集中投资会导致负债率偏高，对设备的技术过时及债务非常敏感。为克服上述缺点，常采取修改资金时间价值因子或采用更短的评估周期等方法，不过这样虽降低了长期不确定性问题的敏感性，但却不能解决当前急需的降低预算的问题[4]。除了传统的改进方法外，为了解决严重的费用削减问题，也可采取使用增强可靠性专用费用的方式，但这些方法大多成效不大。而iB/C比值法能够在有限的资金范围内选择在一定时间里价值最大的方案，从而为选择最佳方案提供依据[5]。

本文在对动态无功补偿装置进行经济性分析的基础上，对其价格机制进行深入的研究。针对无功补偿装置成本回收方法，结合不同电网设备的电价回收模式，提出了动态无功补偿装置的三种经营模式：电网统一经营、独立经营和租赁经营。

1 动态无功补偿装置经济性分析

1.1 成本效益增量比评估方法

本文基于成本效益增量比分析方法进行经济性分析，通过对新建调相机、改造调相机、SVC、STATCOM成本进行核算，得出各种补偿装置的投资费用、损耗费用、运维费用值，计算出补偿装置的总费用（即成本增量）；依据北京500 kV电网相应短路故障点的负荷损失情况，计算出增加四种补偿装置前后减少的负荷损失值，并依据北京地区单位电量的经济价值，换算出对应减少的负荷损失所增加的经济效益（即效益增量），并进行成本效益增量比计算，结合比值大小进行经济性分析[6]。

基本分析过程如下：

（1）列出新建调相机、改造调相机10年、改造调相机20年、加装SVC、加装STATCOM五种方案，基准方案为不加装任何动态无功补偿装置。

（2）计算出每种方案相对于基准方案的成本增量（包括投资成本、运行维护费用、损耗费用）。

（3）计算每种方案加装补偿装置后减少的负荷损失效益（即效益增量）。

（4）计算每种方案收益增量与总成本增量比值。

（5）依据收益增量/成本增量的比值对不同类型补偿装置进行经济性分析。

1.2 动态无功补偿装置成本增量计算

本次研究的五个方案分别为新建调相机、改造调相机10年、改造调相机20年、加装SVC和STATCOM，基准方案为不加装任何动态无功补偿装置，动态无功补偿装置的成本即为成本增量。动态无功补偿装置的成本主要包括投资成本、运维成本、损耗成本，其中，投资成本主要包括设备费、安装费、土建费、建场费及除建场费外的其他费用，损耗成本包括年折旧费、年线损费。

1.2.1 投资成本估算

本项目依据各地区的调研结果，估算出三种不同无功补偿装置的投资成本，详细情况如表1所示。

由表1分析可知，STATCOM单位造价最高，为552～560元/kvar，新建调相机和改造调相机其次，分别为407～417元/kvar和304～314元/kvar，SVC单位造价最低，为188～213元/kvar。

表1 三种不同无功补偿装置的投资成本

结合调研的投资成本现值，按照各不同类型补偿装置使用年限，将补偿装置的投资成本现值折算成投资成本年值。

按新建调相机使用年限30年、改造调相机使用年限10年和20年、SVC和STATCOM使用年限15年，依据公式（1）计算得到不同补偿装置投资成本年值，计算结果如表2所示。

式中，A为投资费用年值（万元）；P为投资费用现值（万元）；i为折扣率（8%）；n为回收年限（年）。

表2 不同补偿装置投资成本年值

由于STATCOM投资总成本较高，使用寿命较短，导致STATCOM投资年值最高，为3 925.47万元/年；改造调相机10年其次，为2 803.24万元/年；新建调相机第三，为2 220.69万元/年；改造调相机20年和SVC年值较低，分别为1 915.84万元/年和1 495.42万元/年。

1.2.2 运维费用

调相机的年运维费用按照投资成本现值的5%考虑，SVC和STATCOM的年运维费用按2.2%考虑。新建调相机的年运维费用为1 250万元，改造调相机年运维费用为941万元，SVC为282万元，STATCOM为739万元。

1.2.3 损耗费用

补偿装置的损耗费用主要为年线损费用，计算方式如下[7]：

年线损费用=年线损电量（MW·h）×电量单价（元/MW·h）

年线损电量=年传输电量（MW·h）×损耗率

年传输电量=各类型补偿装置容量×年最大利用小时数

其中，调相机、SVC和STATCOM的损耗率分别按1.5%、0.8%和1.0%考虑，电量电价按0.4元/kW·h考虑。则新建调相机年损耗费用为792万元，改造调相机为792万元，SVC为422万元，STATCOM为528万元。

1.2.4 成本增量

根据投资成本年值、年运维费用、年损耗费用的计算结果，得到各类补偿装置的成本增量。其中新建调相机为4 262.69万元/年，改造调相机10年为4 536.24万元/年，改造调相机20年为3 648.84万元/年，SVC为2 199.42万元/年，STATCOM为5 192.47万元/年，详细情况如图1所示。

图1 各类补偿装置成本增量图图1 变速器模型

1.3 动态无功补偿装置效益增量计算

1.3.1 计算方法及边界条件

结合负荷损失计算结果，计算出增加补偿装置后减少的负荷损失效益，计算方法如下[7]：

负荷损失效益（万元）=损失负荷×故障概率×全年小时数×

1 000×单位电量经济价值/10 000

计算边界条件为：2020年北京地区目标规划网架计算负荷27 500 MW、装机规模12 500 MW；考虑风电大发腰荷、南部开机方式，其中腰荷按峰荷的80%考虑，负荷水平22 000 MW；压减北京北部机组、开北京南部机组，开机规模5 460 MW（占比24.8%），实际出力5 110 MW（占比23.2%）；北京负荷模型为60%马达+40%恒阻抗；在此基础上，昌平—顺义500 kV线路发生“N-2”故障。

故障概率：基于中电联统计的全年“N-2”故障概率6.418×10-6。

单位电量经济价值：GDP总量/全社会用电量。

全年小时数：4 500 h。

1.3.2 计算结果

依据极端运行方式下的故障损失负荷计算方法，计算出未加装动态无功补偿装置时，发生“N-2”故障损失负荷为300 MW；当加装调相机后，10 s内电压恢复到0.8 p.u.及以上，无负荷损失；加装SVC后损失负荷为150 MW，加装STATCOM后无负荷损失。

北京地区2015年GDP总量为22 968.6亿元，全社会用电量983.85亿kW·h，计算出单位电量的经济价值23.35元/kW·h；依据中电联统计的“N-2”全年故障概率6.418×10-6，结合减少的负荷损失及单位电量的经济价值，换算出加装不同无功补偿装置后减少的负荷损失，即效益增量，如表3所示。其中加装调相机减少的损失效益增量为20.43万元/年，加装SVC减少的损失效益增量为10.21万元/年，加装STATCOM减少的损失效益增量为20.43万元/年。

表3 不同无功补偿装置效益增量计算表

计算结果显示，调相机和STATCOM的效益增量较高，SVC次之。原因在于，调相机和STATCOM在响应速度、调节性能方面优于SVC，在故障发生时能够尽可能避免负荷损失。

1.4 成本效益增量比计算

根据上节计算得到的不同补偿装置的成本增量以及加装补偿装置后的效益增量，计算各类补偿装置的成本收益增量比，如表4所示。

表4 动态无功补偿装置成本效益增量比

计算结果显示，SVC成本效益增量比最高，为5.15；改造调相机20年次之，为3.17；新建调相机第三，为2.71；改造调相机10年、STATCOM最小，分别为2.55和2.18。即，五种动态无功补偿方案的经济性由优至劣依次为：SVC、改造调相机20年、新建调相机、改造调相机10年和STATCOM。

成本效益增量比综合考虑了各种补偿装置的成本及其效益。综合来看，SVC的成本效益增量比最高，经济性最优；而新建调相机及改造调相机的成本效益增量比低于SVC，经济性适中；STATCOM的成本效益增量比最低，经济性最差。

2 动态无功补偿装置价格机制研究

2.1 现阶段电价模式概述

现阶段电价模式分为两部制电价和单一电量阶梯电价两种。两部制电价由基本电价（容量电价）和电量电价（电度电价）组成，基本电价以客户用电容量或最大需量进行计算，而电量电价以客户每月实际用电量进行计算。两种电价分别计算后的电费相加，经功率因数调整电费后，即为客户应付的全部费用。单一电量阶梯电价将城乡居民每月用电量划分为几档，电价实行分档递增[8]。

2.2 动态无功补偿装置的经营模式

针对无功补偿装置成本回收方法，结合不同电网设备的电价回收模式，提出无功补偿装置可以按以下三种方式进行成本回收[9]。

2.2.1 电网统一经营

即动态无功补偿装置不作为独立实体，其资产所有权和经营权都属于电网公司，由电网统一负担无功补偿装置的成本、还本付息、利润和税收等开支，统一调度、统一经营。在此运营模式下，动态无功补偿装置的成本通过纳入输配电价来进行回收[10]。

2.2.2 独立经营

即无功补偿装置作为独立实体，其资产所有权和经营权都属于动态无功补偿装置公司，并由该公司统一负担无功补偿电站的成本、付息、利润和税收等开支，统一调度、统一经营。电网公司通过购买无功服务向其支付费用，运维费用可由电网公司支付的无功服务费用进行回收。在此运营模式下，动态无功补偿装置通过单一电量电价和两部制电价两种模式进行成本回收[11]。

2.2.2.1 单一电量电价模式

政府主管部门核定动态无功补偿装置的上网电价，由电网公司统一支付其成本和利润，并负责还本付息，电站仅负责按电网调度要求运行，电站经营收益通过电量电费实现[12]。

2.2.2.2 两部制电价模式

传统的电价制定主要是按照平均成本定价的方式，采取两部制电价，即固定成本+可变成本。动态无功补偿装置的价格机制可采取两部制定价模式：无功补偿电价=平均成本定价（容量电价）+边际成本定价（电量电价），两者的关系为：x=x0+Δx。

2.2.3 租赁经营

租赁经营方式，即组建的动态无功补偿装置运营公司把设备租赁给电网公司或其他经营实体经营，以收取租赁费保证自身的还本付息及适当盈利的经营管理模式[13]。

此模式下通常是电网公司租赁，租赁方与动态无功补偿装置运营公司可以灵活确立租赁方式。举例如下：

（1）可以直接将经营权转让给电网公司，电网公司负责其全部的生产经营活动并承担运营风险，租赁期内的收益全部归电网公司获得，运营公司仅以租赁费用实现其还本付息并适当盈利。

（2）可以只转让容量支配权，在租赁期间，电网公司全权进行调配，运行过程中发电带来的收益，由双方协商分配。在此运营模式下，动态无功补偿装置通过租赁费的价格机制实现成本回收[14]。

表5简要总结了电网统一经营、独立经营、租赁经营三种经营模式的优缺点。

2.3 动态无功补偿装置对终端电价的影响

2.3.1 电网统一经营

投资回收年限：新建调相机为30年；调相机改造1为10年；调相机改造2为20年；SVC为15年；STATCOM为15年。补偿装置容量：600 Mvar/台。电价水平：0.4元/kW·h。

根据以上测算参数的确定对动态无功补偿装置的全部供电成本、运维损耗费用进行计算，得出其测算的电价。

2.3.2 独立经营

2.3.2.1 单一电价

为改变发电侧成本无约束、价格无控制的状况，1998年，国家适时出台了“经营期电价”政策取代“还本付息电价”政策。经营期电价的含义就是在整个经济寿命期内（火电20年，水电30年）保证投资者合理回报的均衡电价。经营期电价测算方法的主要理论基础是资金的时间价值理论，而资金的时间价值就体现在IRR（内部收益率）上。测算时，通过调整电价水平，直到下式中的IRR满足约定水平[15]。

表5 动态无功补偿电站经营模式利弊对比

∑[（现金流入-现金流出）/（1+IRR）n]=0 （2）

本文按经营期上网电价的测算办法对动态无功补偿装置的上网电价进行测算。

2.3.2.2 两部制电价

成本核算：逐项目核算供电成本，求和得到固定电力成本（固定投资）和可变电量成本（运维费用）[16-18]。

（1）容量电价：

1）投资利润的计算：

投资利润（税前）=总投资×资金利润率

2）容量费用的计算：

销售税金附加=增值税×（城市建设维护税率+教育附加税率）=容量费用×增值税率×（城市建设维护税率+教育附加税率）

容量费用=投资利润+固定成本+附加税

联立上述两个方程组得到容量费用。

3）容量价格的计算

容量价格=容量费用/设计上网容量

（2）电量电价：

电量费用包括可变经营成本及可变税金。

1）可变经营成本包括损耗费用、运维费用等成本。

2）可变税金：

销售税金附加=电量费用×增值税率×附加税率

电量费用=可变经营成本+销售税金附加

3）电量价格：

电量价格=电量费用/设计电站上网电量

2.3.3 租赁经营

租赁费的测算与经营期电价测算方法相类似，主要理论基础是资金的时间价值理论，而资金的时间价值就体现在IRR（内部收益率）上[19-20]。

2.3.4 电价计算结果

计算结果如表6所示。

3 结论

（1）本文采用成本效益增量比（iB/C）方法对动态无功补偿装置的经济性进行分析，为补偿装置的设备选型提供参考。综合考虑补偿装置的运行特性，根据计算得到的不同补偿装置的成本增量以及加装补偿装置后的效益增量，计算各类补偿装置的成本收益增量比，计算结果显示：SVC的值最大，其次是调相机改造20年，第三是新建调相机，第四为调相机改造10年，最后为STATCOM。即SVC的成本效益增量比最高，经济性最优；而新建调相机及改造调相机的成本效益增量比低于SVC，经济性适中；STATCOM的成本效益增量比最低，经济性最差。

表6 电网统一经营、独立经营和租赁经营的电价汇总（元/kvarh）

（2）本文针对无功补偿装置成本回收方法，结合不同电网设备的电价回收模式，提出三种无功补偿装置的经营模式：电网统一经营、独立经营、租赁经营；并结合不同回收模式的边界条件，计算出了每种经营模式下的固定成本、运维费用、损耗费用等对电网企业终端电价的影响。

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