解讀風電場運營成本

劉 濤

“伊格島”位于蘇格蘭西海岸，島上的太陽能、風能和水能組成了一個能源系統(tǒng)，可以滿足島上用電總量的98%，并且都是可循環(huán)利用的能源。攝影/Mike Goldwater/Getty Images/CFP

漫畫：風能利用。 攝影/GIEFEM/CFP

2000年以來在國家鼓勵新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策支持下，中國的風電產(chǎn)業(yè)得到了迅猛的發(fā)展。全國風電裝機容量無論是新增裝機容量還是累計裝機容量在近幾年都呈現(xiàn)出成倍增長的趨勢。

國內(nèi)的風電制造產(chǎn)業(yè)也得到快速的發(fā)展，Suzlon、Vestas、GE、Gamesa等國際著名風機制造商紛紛在中國建廠，國產(chǎn)風機制造廠家逐漸占領國內(nèi)市場份額，華銳風電、金風科技和東方電氣公司一直保持市場“三甲”的位置。

隨著國產(chǎn)風機市場占有率的逐步增加，大型風電場的陸續(xù)建設投產(chǎn)，風電場運營成本管理逐步引起各大型風電場開發(fā)商的關注。目前國內(nèi)的大部分風力發(fā)電機組的運行發(fā)電過程中需要吸收大量無功功率，風機自帶的無功補償裝置無法滿足風機的無功消耗。因供電公司將風電場視為普通的高壓電用戶，用《功率因素調(diào)整電費辦法》考核風電場無功功率因數(shù)，導致國內(nèi)大部分風電場的受電功率因數(shù)偏低影響，一般都考核不合格，部分風電場需要繳納大額力率電費罰款。

風電場無功功率消耗

在中國新能源產(chǎn)業(yè)政策的鼓勵下，雖然近年來中國風電行業(yè)得到了迅猛發(fā)展，但受風能不穩(wěn)定性的影響，風力發(fā)電場并網(wǎng)對電力系統(tǒng)的調(diào)度和控制提出了新的要求。

風電場由風力發(fā)電機組、箱式變電站、集電線路、低壓母線、主變壓器和外送線路組成。風電機組產(chǎn)生的電能通過集電線路匯集到低壓母線，經(jīng)過主變壓器升壓后并入公共電網(wǎng)。

風電場存在多個無功功率消耗點，主要包括風力發(fā)電機組、箱式變電站、主變壓器等，無功功率消耗十分分散。大部分風力發(fā)電機組本身不能產(chǎn)生無功功率，在向系統(tǒng)提供有功功率時，需從電網(wǎng)吸收大量無功功率，以滿足風機自身勵磁需要。目前國內(nèi)大部分風場都采取一機一變，每臺風機配套一臺箱式變電站，能提高風電場運行管理效率，減少風機間的相互影響，但增加了風電場的無功消耗。因風電場風機分布得比較分散，低壓集電線路傳輸距離較長，集電線路也需要消耗一定的無功功率。風電場無功功率補償對風力發(fā)電場的正常、可靠、經(jīng)濟運行有重要的意義。

與普通火力或水力發(fā)電廠相比較，無功功率補償對風力發(fā)電場的日常運行中顯得更為重要。合理配置無功功率補償容量有利于減少整個風電場功率損耗、改善電能質(zhì)量、降低電能損耗、挖掘發(fā)供電設備潛力和減少用戶電費支出。電力系統(tǒng)對無功功率補償?shù)幕驹瓌t為“分級補償，就地平衡”。風電場無功功率補償主要采取風力發(fā)電機側(cè)分散就地補償和低壓母線側(cè)集中補償兩種方式，需要在風力發(fā)電機組和風電場升壓站兩地同時配備無功補償裝置，見圖1。

圖1 風電場無功補償裝置配置圖

上：2010年10月13日，2010北京國際風能大會暨展覽會開幕。風能發(fā)電的展臺前擠滿了眾多參觀者攝影/高志星/CFP

下：據(jù)10月13日發(fā)布的《中國風電發(fā)展報告2010》顯示，2009年全國新增風電裝機容量1380萬千瓦，全球排名第一，累積裝機容量位居世界第二，今年全球每三臺新安裝的風電機組，就有一臺在中國。圖為工人在江蘇虹波風電公司車間忙碌。攝影/許叢軍/CFP

風電場無功功率消耗計算

現(xiàn)以吉林白城已投運的某風電場（定槳風力發(fā)電機組，普通異步發(fā)電機）為例介紹風電場無功功率的基本計算方法。該風電場的主要設備的基本參數(shù)情況見表1

表1 某風電場主要設備容量參數(shù)

風力發(fā)電機組是風電場主要的無功負荷，隨著風力發(fā)電機組的出力增加所消耗的無功功率也將有所增加。在無功功率計算過程中需要先掌握風電場中風力發(fā)電機組的基本參數(shù)，見表2。

表2 某風電場風力發(fā)電機組主要參數(shù)

按照功率因素達到0.9考慮,單臺風力發(fā)電機組不同風速情況下的出力和無功消耗情況所有不同，見表3。

表3 失速型風力發(fā)電機組不同風速情況下的無功功率消耗

從表3可以看出，風力發(fā)電機組出力超過465kW時，即使風機本身配置的補償電容器全部投切進入運行狀態(tài)，出現(xiàn)無功缺口，風力發(fā)電機開始從電網(wǎng)吸收無功。當風機處于滿發(fā)狀態(tài)（有功輸出達到750kW），單臺風機從系統(tǒng)中吸收的無功功率達363Kvar時，風機出口的功率因數(shù)才能達到0.9。

當整個風電場處于滿發(fā)狀態(tài)時，為使整個風電場各臺風力發(fā)電機組的功率因數(shù)都能達到0.9，風力發(fā)電機本身無功補償電容器全部投入運行狀態(tài)后，風電場需從系統(tǒng)吸收無功功率為363×40=14520kVar。

滿發(fā)狀態(tài)下，風電場出現(xiàn)14520－6000=8520kVar無功功率缺口，所有無功功率缺口都需要電力系統(tǒng)吸收。若風電場無功功率配置不合理，則該風電場每月需要從電力系統(tǒng)中吸收大量的無功功率。

風電場力率考核與力率電費

吉林白城某風電場2006年底接入電網(wǎng)，開始風機調(diào)試和風電場試運行，電網(wǎng)公司按照雙方簽訂的《高壓供用電合同》中的力率條款考核風電場月度力率情況結算電費。電網(wǎng)公司在電費結算時把風電場視為一般用電用戶，實行功率因素調(diào)整電費。在不到半年的試運行期間，該風電場發(fā)生電費接近20萬元，其中功率因數(shù)調(diào)整電費中的力率電費支出接近10萬元，占總電費支出的50%。

該風電場采用的是失速型異步發(fā)電機，發(fā)電機勵磁需從電網(wǎng)吸收大量無功功率，無功消耗情況十分嚴重。風電場設計和建設時雖針對該問題，在風機內(nèi)部和升壓站低壓側(cè)配備了部分電容器組進行無功補償。但風機內(nèi)部的無功補償裝置僅能保證風機出口功率因素在0.9以上。升壓站低壓側(cè)裝設的高壓無功補償裝置，由運行人員按照保證風電場66kV出口處的實時功率因素在0.9以上，進行人工投切。但因風電場所用風機不能發(fā)無功功率，在風場向電網(wǎng)大量輸送有功功率時，不能同時向系統(tǒng)輸送無功功率，只能從系統(tǒng)吸收無功。風電場接近滿發(fā)時，投入風電場所有無功補償設備后，還存在無功缺口需要由電網(wǎng)來提供。

電網(wǎng)公司用電管理部門在進行電費結算時，把風電場看作一個普通負荷，以每個月風電場從系統(tǒng)吸收的無功功率和有功功率的累計值來計算當月風電場的功率因素，不考慮風電場每月向外送出的大量有功功率。從月度累計計算出來風電場功率因素數(shù)值，比風電場實際功率因素數(shù)值小很多，產(chǎn)生了高額的力率電費支出。具體功率因素調(diào)整辦法見表4-1和表4-2。

表4-1 以0.90為標準值功率因數(shù)調(diào)整電費減收表

表4-2 以0.90為標準值功率因數(shù)調(diào)整電費增收表

以2007年3月為例，雖然風電場運行人員按照實際功率因素保持在0.9以上投切無功補償裝置，但供電部門計算的當月風電場無功功率因數(shù)僅為0.07，實際運行功率因數(shù)與月累計計算功率因數(shù)出現(xiàn)很大的差距。當月該風電場的電費總額為6萬元，而正常電費和力率罰款電費各占了一半。

降低力率電費的解決方案

完善風電場無功補償系統(tǒng)。前述風電場的例子充分反應出無功功率補償與風電場力率電費支出的基本關系。后期該風電場通過無功補償系統(tǒng)的改造，從根本上解決了力率電費支出問題。

該公司在后續(xù)的遼寧鐵嶺風電場建設中，充分吸取吉林白城風電場實際運行教訓，重視風電場無功系統(tǒng)的設計和配置。

該公司后續(xù)新建的風電場無功功率配置中采取以下措施：

一是選用有良好無功功率特性的風力發(fā)電機組，完善單個風力發(fā)電機組無功功率的分散補償；

二是風電場升壓站按整個風電場的無功功率消耗，配置合理的無功集中補償容量，避免在風電場滿發(fā)情況下出現(xiàn)無功缺口，并留有一定的裕量；

三是選用新型的動態(tài)無功功率補償裝置，提高風電場無功功率調(diào)節(jié)的響應速度，實現(xiàn)自動動態(tài)連續(xù)調(diào)節(jié)，減少風電場運行值班人員的勞動強度，減少高壓電容器組的投切次數(shù)，提高設備運行壽命。

該風電場無功補償裝置從2008年6月投運后，到當年年末與處于同一地區(qū)相鄰的未安裝動態(tài)補償裝置的某能源公司和某電網(wǎng)公司風電場當年同期的電費比較情況：

該風電場2008下半年無功補償設備投運后的電費統(tǒng)計情況見表5，力率電費以負數(shù)為主，是電網(wǎng)公司按照力率電費考核辦法給予的獎勵。當年11月電費受電容器補償容量不夠等因素影響，出現(xiàn)部分力率電費，下半年整體為發(fā)生力率電費為負，未產(chǎn)生罰款，以獎勵為主。

表5 某風電場2008年下半年電費統(tǒng)計表

在同一地區(qū)某能源公司風電場安裝了67臺同類型機組，其風電場本身無功補償裝置補償容量不能滿足風電場無功消耗，且風電場升壓站內(nèi)采用人工手動投切電容器組，下半年力率電費支出達34.5萬元，占下半年電費支出的50%，見表6。

表6 某能源公司風電場2008年下半年電費統(tǒng)計表

同一地區(qū)的某電力公司風電場選用GAMESA公司雙饋發(fā)電機組，機組無功調(diào)節(jié)性能要優(yōu)于前述兩個風電場。但同樣因站內(nèi)未安裝動態(tài)補償裝置，2008年下半年也累計支付了力率電費38.8萬元，占全部電費支出的49.0%，見表7。

表7 某電力公司風電場2008年下半年電費統(tǒng)計表

與同地區(qū)風電場支出的電費相比，該公司風電場采取的合理的無功補償配置方案，每年能節(jié)省電費支出近60萬元。而實際單臺動態(tài)無功補償裝置成本約120萬元，相當于其他風電場兩年力率電費用支出。因此風電場無功補償系統(tǒng)的完善，能有效降低風場運營成本。

與供電部門協(xié)商準確功率因數(shù)計算方法。普通高壓用電用戶在實際用電過程中，不涉及向系統(tǒng)輸送大量功率，供電公司用電管理部門目前采用的功率因素計算方法是適合的。但因風電場有普通負荷和電源點的雙重身份，供電公司用電管理部門采用的功率因素計算方法不應直接在風電場中使用。有必要改變力率調(diào)整電費中的力率（功率因數(shù)）計算方法，以保證同風電場實際相符。

普通無功功率的計算方法為：

其中：P為風電場當月累計從電網(wǎng)吸收的有功功率；

Q為風電場當月累計從電網(wǎng)吸收的無功功率。

準確的計算方法應該為：

其中：P1為風電場當月受電情況下累計從電網(wǎng)吸收的有功功率；

Q1為風電場當月受電情況下累計從電網(wǎng)吸收的無功功率。

現(xiàn)階段風電場電量計量均采用四象限高精度光口表，該電度表具備統(tǒng)計月度累計受電有功電能和月度累計受電無功電能的功能。依據(jù)月度受電讀數(shù)計算風電場用電功率因數(shù)，就能將反映風電場的用電和發(fā)電區(qū)分開，將風電場與普通用戶區(qū)分開，針對風電場的實際功率消耗情況考核對力率。

據(jù)統(tǒng)計，遼寧沈陽地區(qū)的風電項目要求電網(wǎng)公司按照上述公式修訂風電場功率因數(shù)的計算方法后，各風電場實際力率電費的支出降低至原力率罰款的50%。

結 論

隨著超大型風電場的陸續(xù)建成投產(chǎn)，風電場無功補償系統(tǒng)的完善對風電場運行的作用將更為重要。按照風電場的實際需要配置合理的無功功率，選用先進的無功補償裝置，都可以有效降低風電場力率電費支出，降低風電場日常成本支出。

電網(wǎng)公司應充分結合風電場運行特點，及時修訂功率因素計算方法，準確核定風電場功率因數(shù)，避免不合理收費現(xiàn)象發(fā)生，減少企業(yè)經(jīng)濟損失。