解读风电场运营成本

刘 涛

“伊格岛”位于苏格兰西海岸，岛上的太阳能、风能和水能组成了一个能源系统，可以满足岛上用电总量的98%，并且都是可循环利用的能源。摄影/Mike Goldwater/Getty Images/CFP

漫画：风能利用。 摄影/GIEFEM/CFP

2000年以来在国家鼓励新能源产业发展的政策支持下，中国的风电产业得到了迅猛的发展。全国风电装机容量无论是新增装机容量还是累计装机容量在近几年都呈现出成倍增长的趋势。

国内的风电制造产业也得到快速的发展，Suzlon、Vestas、GE、Gamesa等国际著名风机制造商纷纷在中国建厂，国产风机制造厂家逐渐占领国内市场份额，华锐风电、金风科技和东方电气公司一直保持市场“三甲”的位置。

随着国产风机市场占有率的逐步增加，大型风电场的陆续建设投产，风电场运营成本管理逐步引起各大型风电场开发商的关注。目前国内的大部分风力发电机组的运行发电过程中需要吸收大量无功功率，风机自带的无功补偿装置无法满足风机的无功消耗。因供电公司将风电场视为普通的高压电用户，用《功率因素调整电费办法》考核风电场无功功率因数，导致国内大部分风电场的受电功率因数偏低影响，一般都考核不合格，部分风电场需要缴纳大额力率电费罚款。

风电场无功功率消耗

在中国新能源产业政策的鼓励下，虽然近年来中国风电行业得到了迅猛发展，但受风能不稳定性的影响，风力发电场并网对电力系统的调度和控制提出了新的要求。

风电场由风力发电机组、箱式变电站、集电线路、低压母线、主变压器和外送线路组成。风电机组产生的电能通过集电线路汇集到低压母线，经过主变压器升压后并入公共电网。

风电场存在多个无功功率消耗点，主要包括风力发电机组、箱式变电站、主变压器等，无功功率消耗十分分散。大部分风力发电机组本身不能产生无功功率，在向系统提供有功功率时，需从电网吸收大量无功功率，以满足风机自身励磁需要。目前国内大部分风场都采取一机一变，每台风机配套一台箱式变电站，能提高风电场运行管理效率，减少风机间的相互影响，但增加了风电场的无功消耗。因风电场风机分布得比较分散，低压集电线路传输距离较长，集电线路也需要消耗一定的无功功率。风电场无功功率补偿对风力发电场的正常、可靠、经济运行有重要的意义。

与普通火力或水力发电厂相比较，无功功率补偿对风力发电场的日常运行中显得更为重要。合理配置无功功率补偿容量有利于减少整个风电场功率损耗、改善电能质量、降低电能损耗、挖掘发供电设备潜力和减少用户电费支出。电力系统对无功功率补偿的基本原则为“分级补偿，就地平衡”。风电场无功功率补偿主要采取风力发电机侧分散就地补偿和低压母线侧集中补偿两种方式，需要在风力发电机组和风电场升压站两地同时配备无功补偿装置，见图1。

图1 风电场无功补偿装置配置图

上：2010年10月13日，2010北京国际风能大会暨展览会开幕。风能发电的展台前挤满了众多参观者摄影/高志星/CFP

下：据10月13日发布的《中国风电发展报告2010》显示，2009年全国新增风电装机容量1380万千瓦，全球排名第一，累积装机容量位居世界第二，今年全球每三台新安装的风电机组，就有一台在中国。图为工人在江苏虹波风电公司车间忙碌。摄影/许丛军/CFP

风电场无功功率消耗计算

现以吉林白城已投运的某风电场（定桨风力发电机组，普通异步发电机）为例介绍风电场无功功率的基本计算方法。该风电场的主要设备的基本参数情况见表1

表1 某风电场主要设备容量参数

风力发电机组是风电场主要的无功负荷，随着风力发电机组的出力增加所消耗的无功功率也将有所增加。在无功功率计算过程中需要先掌握风电场中风力发电机组的基本参数，见表2。

表2 某风电场风力发电机组主要参数

按照功率因素达到0.9考虑,单台风力发电机组不同风速情况下的出力和无功消耗情况所有不同，见表3。

表3 失速型风力发电机组不同风速情况下的无功功率消耗

从表3可以看出，风力发电机组出力超过465kW时，即使风机本身配置的补偿电容器全部投切进入运行状态，出现无功缺口，风力发电机开始从电网吸收无功。当风机处于满发状态（有功输出达到750kW），单台风机从系统中吸收的无功功率达363Kvar时，风机出口的功率因数才能达到0.9。

当整个风电场处于满发状态时，为使整个风电场各台风力发电机组的功率因数都能达到0.9，风力发电机本身无功补偿电容器全部投入运行状态后，风电场需从系统吸收无功功率为363×40=14520kVar。

满发状态下，风电场出现14520－6000=8520kVar无功功率缺口，所有无功功率缺口都需要电力系统吸收。若风电场无功功率配置不合理，则该风电场每月需要从电力系统中吸收大量的无功功率。

风电场力率考核与力率电费

吉林白城某风电场2006年底接入电网，开始风机调试和风电场试运行，电网公司按照双方签订的《高压供用电合同》中的力率条款考核风电场月度力率情况结算电费。电网公司在电费结算时把风电场视为一般用电用户，实行功率因素调整电费。在不到半年的试运行期间，该风电场发生电费接近20万元，其中功率因数调整电费中的力率电费支出接近10万元，占总电费支出的50%。

该风电场采用的是失速型异步发电机，发电机励磁需从电网吸收大量无功功率，无功消耗情况十分严重。风电场设计和建设时虽针对该问题，在风机内部和升压站低压侧配备了部分电容器组进行无功补偿。但风机内部的无功补偿装置仅能保证风机出口功率因素在0.9以上。升压站低压侧装设的高压无功补偿装置，由运行人员按照保证风电场66kV出口处的实时功率因素在0.9以上，进行人工投切。但因风电场所用风机不能发无功功率，在风场向电网大量输送有功功率时，不能同时向系统输送无功功率，只能从系统吸收无功。风电场接近满发时，投入风电场所有无功补偿设备后，还存在无功缺口需要由电网来提供。

电网公司用电管理部门在进行电费结算时，把风电场看作一个普通负荷，以每个月风电场从系统吸收的无功功率和有功功率的累计值来计算当月风电场的功率因素，不考虑风电场每月向外送出的大量有功功率。从月度累计计算出来风电场功率因素数值，比风电场实际功率因素数值小很多，产生了高额的力率电费支出。具体功率因素调整办法见表4-1和表4-2。

表4-1 以0.90为标准值功率因数调整电费减收表

表4-2 以0.90为标准值功率因数调整电费增收表

以2007年3月为例，虽然风电场运行人员按照实际功率因素保持在0.9以上投切无功补偿装置，但供电部门计算的当月风电场无功功率因数仅为0.07，实际运行功率因数与月累计计算功率因数出现很大的差距。当月该风电场的电费总额为6万元，而正常电费和力率罚款电费各占了一半。

降低力率电费的解决方案

完善风电场无功补偿系统。前述风电场的例子充分反应出无功功率补偿与风电场力率电费支出的基本关系。后期该风电场通过无功补偿系统的改造，从根本上解决了力率电费支出问题。

该公司在后续的辽宁铁岭风电场建设中，充分吸取吉林白城风电场实际运行教训，重视风电场无功系统的设计和配置。

该公司后续新建的风电场无功功率配置中采取以下措施：

一是选用有良好无功功率特性的风力发电机组，完善单个风力发电机组无功功率的分散补偿；

二是风电场升压站按整个风电场的无功功率消耗，配置合理的无功集中补偿容量，避免在风电场满发情况下出现无功缺口，并留有一定的裕量；

三是选用新型的动态无功功率补偿装置，提高风电场无功功率调节的响应速度，实现自动动态连续调节，减少风电场运行值班人员的劳动强度，减少高压电容器组的投切次数，提高设备运行寿命。

该风电场无功补偿装置从2008年6月投运后，到当年年末与处于同一地区相邻的未安装动态补偿装置的某能源公司和某电网公司风电场当年同期的电费比较情况：

该风电场2008下半年无功补偿设备投运后的电费统计情况见表5，力率电费以负数为主，是电网公司按照力率电费考核办法给予的奖励。当年11月电费受电容器补偿容量不够等因素影响，出现部分力率电费，下半年整体为发生力率电费为负，未产生罚款，以奖励为主。

表5 某风电场2008年下半年电费统计表

在同一地区某能源公司风电场安装了67台同类型机组，其风电场本身无功补偿装置补偿容量不能满足风电场无功消耗，且风电场升压站内采用人工手动投切电容器组，下半年力率电费支出达34.5万元，占下半年电费支出的50%，见表6。

表6 某能源公司风电场2008年下半年电费统计表

同一地区的某电力公司风电场选用GAMESA公司双馈发电机组，机组无功调节性能要优于前述两个风电场。但同样因站内未安装动态补偿装置，2008年下半年也累计支付了力率电费38.8万元，占全部电费支出的49.0%，见表7。

表7 某电力公司风电场2008年下半年电费统计表

与同地区风电场支出的电费相比，该公司风电场采取的合理的无功补偿配置方案，每年能节省电费支出近60万元。而实际单台动态无功补偿装置成本约120万元，相当于其他风电场两年力率电费用支出。因此风电场无功补偿系统的完善，能有效降低风场运营成本。

与供电部门协商准确功率因数计算方法。普通高压用电用户在实际用电过程中，不涉及向系统输送大量功率，供电公司用电管理部门目前采用的功率因素计算方法是适合的。但因风电场有普通负荷和电源点的双重身份，供电公司用电管理部门采用的功率因素计算方法不应直接在风电场中使用。有必要改变力率调整电费中的力率（功率因数）计算方法，以保证同风电场实际相符。

普通无功功率的计算方法为：

其中：P为风电场当月累计从电网吸收的有功功率；

Q为风电场当月累计从电网吸收的无功功率。

准确的计算方法应该为：

其中：P1为风电场当月受电情况下累计从电网吸收的有功功率；

Q1为风电场当月受电情况下累计从电网吸收的无功功率。

现阶段风电场电量计量均采用四象限高精度光口表，该电度表具备统计月度累计受电有功电能和月度累计受电无功电能的功能。依据月度受电读数计算风电场用电功率因数，就能将反映风电场的用电和发电区分开，将风电场与普通用户区分开，针对风电场的实际功率消耗情况考核对力率。

据统计，辽宁沈阳地区的风电项目要求电网公司按照上述公式修订风电场功率因数的计算方法后，各风电场实际力率电费的支出降低至原力率罚款的50%。

结 论

随着超大型风电场的陆续建成投产，风电场无功补偿系统的完善对风电场运行的作用将更为重要。按照风电场的实际需要配置合理的无功功率，选用先进的无功补偿装置，都可以有效降低风电场力率电费支出，降低风电场日常成本支出。

电网公司应充分结合风电场运行特点，及时修订功率因素计算方法，准确核定风电场功率因数，避免不合理收费现象发生，减少企业经济损失。