解讀風電場運營成本

2011-05-18 08:55:54劉濤

中國三峽 2011年3期

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，可以滿足島上用電總量的98%，并且都是可循環利用的能源。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業發展的政策支持下，中國的風電產業得到了迅猛的發展。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出成倍增長的趨勢。

國內的風電制造產業也得到快速的發展，Suzlon、Vestas、GE、Gamesa等國際著名風機制造商紛紛在中國建廠，國產風機制造廠家逐漸占領國內市場份額，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。

隨著國產風機市場占有率的逐步增加，大型風電場的陸續建設投產，風電場運營成本管理逐步引起各大型風電場開發商的關注。目前國內的大部分風力發電機組的運行發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《功率因素調整電費辦法》考核風電場無功功率因數，導致國內大部分風電場的受電功率因數偏低影響，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

在中國新能源產業政策的鼓勵下，雖然近年來中國風電行業得到了迅猛發展，但受風能不穩定性的影響，風力發電場并網對電力系統的調度和控制提出了新的要求。

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

風電場存在多個無功功率消耗點，主要包括風力發電機組、箱式變電站、主變壓器等，無功功率消耗十分分散。大部分風力發電機組本身不能產生無功功率，在向系統提供有功功率時，需從電網吸收大量無功功率，以滿足風機自身勵磁需要。目前國內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電場的正常、可靠、經濟運行有重要的意義。

與普通火力或水力發電廠相比較，無功功率補償對風力發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、改善電能質量、降低電能損耗、挖掘發供電設備潛力和減少用戶電費支出。電力系統對無功功率補償的基本原則為“分級補償，就地平衡”。風電場無功功率補償主要采取風力發電機側分散就地補償和低壓母線側集中補償兩種方式，需要在風力發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。風能發電的展臺前擠滿了眾多參觀者攝影/高志星/CFP

下：據10月13日發布的《中國風電發展報告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

現以吉林白城已投運的某風電場（定槳風力發電機組，普通異步發電機）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情況見表1

表1 某風電場主要設備容量參數

風力發電機組是風電場主要的無功負荷，隨著風力發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電機組的基本參數，見表2。

表2 某風電場風力發電機組主要參數

按照功率因素達到0.9考慮,單臺風力發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，出現無功缺口，風力發電機開始從電網吸收無功。當風機處于滿發狀態（有功輸出達到750kW），單臺風機從系統中吸收的無功功率達363Kvar時，風機出口的功率因數才能達到0.9。

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

滿發狀態下，風電場出現14520－6000=8520kVar無功功率缺口，所有無功功率缺口都需要電力系統吸收。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，開始風機調試和風電場試運行，電網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，實行功率因素調整電費。在不到半年的試運行期間，該風電場發生電費接近20萬元，其中功率因數調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電機，發電機勵磁需從電網吸收大量無功功率，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，在風機內部和升壓站低壓側配備了部分電容器組進行無功補償。但風機內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無功功率，在風場向電網大量輸送有功功率時，不能同時向系統輸送無功功率，只能從系統吸收無功。風電場接近滿發時，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來提供。

電網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值，比風電場實際功率因素數值小很多，產生了高額的力率電費支出。具體功率因素調整辦法見表4-1和表4-2。

表4-1 以0.90為標準值功率因數調整電費減收表

表4-2 以0.90為標準值功率因數調整電費增收表

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僅為0.07，實際運行功率因數與月累計計算功率因數出現很大的差距。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。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的改造，從根本上解決了力率電費支出問題。

該公司在后續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的設計和配置。

該公司后續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電機組，完善單個風力發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，避免在風電場滿發情況下出現無功缺口，并留有一定的裕量；

三是選用新型的動態無功功率補償裝置，提高風電場無功功率調節的響應速度，實現自動動態連續調節，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，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相鄰的未安裝動態補償裝置的某能源公司和某電網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計情況見表5，力率電費以負數為主，是電網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，出現部分力率電費，下半年整體為發生力率電費為負，未產生罰款，以獎勵為主。

表5 某風電場2008年下半年電費統計表

在同一地區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年下半年電費統計表

同一地區的某電力公司風電場選用GAMESA公司雙饋發電機組，機組無功調節性能要優于前述兩個風電場。但同樣因站內未安裝動態補償裝置，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年下半年電費統計表

與同地區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，每年能節省電費支出近60萬元。而實際單臺動態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的完善，能有效降低風場運營成本。

與供電部門協商準確功率因數計算方法。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。有必要改變力率調整電費中的力率（功率因數）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：