動態無功補償裝置經濟性分析及價格機制研究

王曉暉 溫衛寧 王承民 盧艷超

（1.國網北京經濟技術研究院，北京100000；2.上海交通大學，上海201100）

0 引言

電網的智能化發展，對電網穩定性和電能質量提出了更高的要求，無功補償在電力系統中地位日益突出。無功補償方式已由靜態補償轉向高效的動態補償，其裝備也由傳統的同步調相機、電容器和電抗器發展到靜止無功補償器（SVC）和靜止無功發生器（SVG）。動態無功補償的主要作用：在電網側體現為增強系統暫態穩定性，提高高電壓線路的長距離輸電能力，提高功率因數，降低線損[1]；在用戶側體現為維持用戶端電壓，提高功率因數，抑制電壓波動和閃變，抑制三相不平衡，提高電能質量。大容量的動態無功補償裝置（同步調相機、靜止無功補償器和靜止無功發生器）在高電壓等級的變電站和線路上得到了廣泛應用，并在維護電網系統安全穩定上發揮了關鍵的作用。然而，在現實應用中，鮮有對不同無功補償裝置的經濟性分析，以得出不同無功補償裝置的補償成本費用；也鮮有針對加裝無功補償裝置對電網產生的效益的有效評估和衡量[2]。

本文采用成本效益增量比分析方法對不同補償裝置進行經濟性分析，用于指導動態無功補償裝置選型；收益增量/成本增量評估方法（iB/C法）是基于收益增量與成本增量比值的評估方法，為多屬性規劃[3]。與iB/C比值法相比較，傳統的經濟性分析方法采用標準驅動、最小費用、面向項目的評估和選擇過程，以確定各個項目的投資規模及相應的分配方案。該方法雖有回收周期長和長期費用最小化的優點，但也存在以下缺點：不能從戰略的角度進行綜合評估，無法滿足企業削減投資的要求，集中投資會導致負債率偏高，對設備的技術過時及債務非常敏感。為克服上述缺點，常采取修改資金時間價值因子或采用更短的評估周期等方法，不過這樣雖降低了長期不確定性問題的敏感性，但卻不能解決當前急需的降低預算的問題[4]。除了傳統的改進方法外，為了解決嚴重的費用削減問題，也可采取使用增強可靠性專用費用的方式，但這些方法大多成效不大。而iB/C比值法能夠在有限的資金范圍內選擇在一定時間里價值最大的方案，從而為選擇最佳方案提供依據[5]。

本文在對動態無功補償裝置進行經濟性分析的基礎上，對其價格機制進行深入的研究。針對無功補償裝置成本回收方法，結合不同電網設備的電價回收模式，提出了動態無功補償裝置的三種經營模式：電網統一經營、獨立經營和租賃經營。

1 動態無功補償裝置經濟性分析

1.1 成本效益增量比評估方法

本文基于成本效益增量比分析方法進行經濟性分析，通過對新建調相機、改造調相機、SVC、STATCOM成本進行核算，得出各種補償裝置的投資費用、損耗費用、運維費用值，計算出補償裝置的總費用（即成本增量）；依據北京500 kV電網相應短路故障點的負荷損失情況，計算出增加四種補償裝置前后減少的負荷損失值，并依據北京地區單位電量的經濟價值，換算出對應減少的負荷損失所增加的經濟效益（即效益增量），并進行成本效益增量比計算，結合比值大小進行經濟性分析[6]。

基本分析過程如下：

（1）列出新建調相機、改造調相機10年、改造調相機20年、加裝SVC、加裝STATCOM五種方案，基準方案為不加裝任何動態無功補償裝置。

（2）計算出每種方案相對于基準方案的成本增量（包括投資成本、運行維護費用、損耗費用）。

（3）計算每種方案加裝補償裝置后減少的負荷損失效益（即效益增量）。

（4）計算每種方案收益增量與總成本增量比值。

（5）依據收益增量/成本增量的比值對不同類型補償裝置進行經濟性分析。

1.2 動態無功補償裝置成本增量計算

本次研究的五個方案分別為新建調相機、改造調相機10年、改造調相機20年、加裝SVC和STATCOM，基準方案為不加裝任何動態無功補償裝置，動態無功補償裝置的成本即為成本增量。動態無功補償裝置的成本主要包括投資成本、運維成本、損耗成本，其中，投資成本主要包括設備費、安裝費、土建費、建場費及除建場費外的其他費用，損耗成本包括年折舊費、年線損費。

1.2.1 投資成本估算

本項目依據各地區的調研結果，估算出三種不同無功補償裝置的投資成本，詳細情況如表1所示。

由表1分析可知，STATCOM單位造價最高，為552～560元/kvar，新建調相機和改造調相機其次，分別為407～417元/kvar和304～314元/kvar，SVC單位造價最低，為188～213元/kvar。

表1 三種不同無功補償裝置的投資成本

結合調研的投資成本現值，按照各不同類型補償裝置使用年限，將補償裝置的投資成本現值折算成投資成本年值。

按新建調相機使用年限30年、改造調相機使用年限10年和20年、SVC和STATCOM使用年限15年，依據公式（1）計算得到不同補償裝置投資成本年值，計算結果如表2所示。

式中，A為投資費用年值（萬元）；P為投資費用現值（萬元）；i為折扣率（8%）；n為回收年限（年）。

表2 不同補償裝置投資成本年值

由于STATCOM投資總成本較高，使用壽命較短，導致STATCOM投資年值最高，為3 925.47萬元/年；改造調相機10年其次，為2 803.24萬元/年；新建調相機第三，為2 220.69萬元/年；改造調相機20年和SVC年值較低，分別為1 915.84萬元/年和1 495.42萬元/年。

1.2.2 運維費用

調相機的年運維費用按照投資成本現值的5%考慮，SVC和STATCOM的年運維費用按2.2%考慮。新建調相機的年運維費用為1 250萬元，改造調相機年運維費用為941萬元，SVC為282萬元，STATCOM為739萬元。

1.2.3 損耗費用

補償裝置的損耗費用主要為年線損費用，計算方式如下[7]：

年線損費用=年線損電量（MW·h）×電量單價（元/MW·h）

年線損電量=年傳輸電量（MW·h）×損耗率

年傳輸電量=各類型補償裝置容量×年最大利用小時數

其中，調相機、SVC和STATCOM的損耗率分別按1.5%、0.8%和1.0%考慮，電量電價按0.4元/kW·h考慮。則新建調相機年損耗費用為792萬元，改造調相機為792萬元，SVC為422萬元，STATCOM為528萬元。

1.2.4 成本增量

根據投資成本年值、年運維費用、年損耗費用的計算結果，得到各類補償裝置的成本增量。其中新建調相機為4 262.69萬元/年，改造調相機10年為4 536.24萬元/年，改造調相機20年為3 648.84萬元/年，SVC為2 199.42萬元/年，STATCOM為5 192.47萬元/年，詳細情況如圖1所示。

圖1 各類補償裝置成本增量圖圖1 變速器模型

1.3 動態無功補償裝置效益增量計算

1.3.1 計算方法及邊界條件

結合負荷損失計算結果，計算出增加補償裝置后減少的負荷損失效益，計算方法如下[7]：

負荷損失效益（萬元）=損失負荷×故障概率×全年小時數×

1 000×單位電量經濟價值/10 000

計算邊界條件為：2020年北京地區目標規劃網架計算負荷27 500 MW、裝機規模12 500 MW；考慮風電大發腰荷、南部開機方式，其中腰荷按峰荷的80%考慮，負荷水平22 000 MW；壓減北京北部機組、開北京南部機組，開機規模5 460 MW（占比24.8%），實際出力5 110 MW（占比23.2%）；北京負荷模型為60%馬達+40%恒阻抗；在此基礎上，昌平—順義500 kV線路發生“N-2”故障。

故障概率：基于中電聯統計的全年“N-2”故障概率6.418×10-6。

單位電量經濟價值：GDP總量/全社會用電量。

全年小時數：4 500 h。

1.3.2 計算結果

依據極端運行方式下的故障損失負荷計算方法，計算出未加裝動態無功補償裝置時，發生“N-2”故障損失負荷為300 MW；當加裝調相機后，10 s內電壓恢復到0.8 p.u.及以上，無負荷損失；加裝SVC后損失負荷為150 MW，加裝STATCOM后無負荷損失。

北京地區2015年GDP總量為22 968.6億元，全社會用電量983.85億kW·h，計算出單位電量的經濟價值23.35元/kW·h；依據中電聯統計的“N-2”全年故障概率6.418×10-6，結合減少的負荷損失及單位電量的經濟價值，換算出加裝不同無功補償裝置后減少的負荷損失，即效益增量，如表3所示。其中加裝調相機減少的損失效益增量為20.43萬元/年，加裝SVC減少的損失效益增量為10.21萬元/年，加裝STATCOM減少的損失效益增量為20.43萬元/年。

表3 不同無功補償裝置效益增量計算表

計算結果顯示，調相機和STATCOM的效益增量較高，SVC次之。原因在于，調相機和STATCOM在響應速度、調節性能方面優于SVC，在故障發生時能夠盡可能避免負荷損失。

1.4 成本效益增量比計算

根據上節計算得到的不同補償裝置的成本增量以及加裝補償裝置后的效益增量，計算各類補償裝置的成本收益增量比，如表4所示。

表4 動態無功補償裝置成本效益增量比

計算結果顯示，SVC成本效益增量比最高，為5.15；改造調相機20年次之，為3.17；新建調相機第三，為2.71；改造調相機10年、STATCOM最小，分別為2.55和2.18。即，五種動態無功補償方案的經濟性由優至劣依次為：SVC、改造調相機20年、新建調相機、改造調相機10年和STATCOM。

成本效益增量比綜合考慮了各種補償裝置的成本及其效益。綜合來看，SVC的成本效益增量比最高，經濟性最優；而新建調相機及改造調相機的成本效益增量比低于SVC，經濟性適中；STATCOM的成本效益增量比最低，經濟性最差。

2 動態無功補償裝置價格機制研究

2.1 現階段電價模式概述

現階段電價模式分為兩部制電價和單一電量階梯電價兩種。兩部制電價由基本電價（容量電價）和電量電價（電度電價）組成，基本電價以客戶用電容量或最大需量進行計算，而電量電價以客戶每月實際用電量進行計算。兩種電價分別計算后的電費相加，經功率因數調整電費后，即為客戶應付的全部費用。單一電量階梯電價將城鄉居民每月用電量劃分為幾檔，電價實行分檔遞增[8]。

2.2 動態無功補償裝置的經營模式

針對無功補償裝置成本回收方法，結合不同電網設備的電價回收模式，提出無功補償裝置可以按以下三種方式進行成本回收[9]。

2.2.1 電網統一經營

即動態無功補償裝置不作為獨立實體，其資產所有權和經營權都屬于電網公司，由電網統一負擔無功補償裝置的成本、還本付息、利潤和稅收等開支，統一調度、統一經營。在此運營模式下，動態無功補償裝置的成本通過納入輸配電價來進行回收[10]。

2.2.2 獨立經營

即無功補償裝置作為獨立實體，其資產所有權和經營權都屬于動態無功補償裝置公司，并由該公司統一負擔無功補償電站的成本、付息、利潤和稅收等開支，統一調度、統一經營。電網公司通過購買無功服務向其支付費用，運維費用可由電網公司支付的無功服務費用進行回收。在此運營模式下，動態無功補償裝置通過單一電量電價和兩部制電價兩種模式進行成本回收[11]。

2.2.2.1 單一電量電價模式

政府主管部門核定動態無功補償裝置的上網電價，由電網公司統一支付其成本和利潤，并負責還本付息，電站僅負責按電網調度要求運行，電站經營收益通過電量電費實現[12]。

2.2.2.2 兩部制電價模式

傳統的電價制定主要是按照平均成本定價的方式，采取兩部制電價，即固定成本+可變成本。動態無功補償裝置的價格機制可采取兩部制定價模式：無功補償電價=平均成本定價（容量電價）+邊際成本定價（電量電價），兩者的關系為：x=x0+Δx。

2.2.3 租賃經營

租賃經營方式，即組建的動態無功補償裝置運營公司把設備租賃給電網公司或其他經營實體經營，以收取租賃費保證自身的還本付息及適當盈利的經營管理模式[13]。

此模式下通常是電網公司租賃，租賃方與動態無功補償裝置運營公司可以靈活確立租賃方式。舉例如下：

（1）可以直接將經營權轉讓給電網公司，電網公司負責其全部的生產經營活動并承擔運營風險，租賃期內的收益全部歸電網公司獲得，運營公司僅以租賃費用實現其還本付息并適當盈利。

（2）可以只轉讓容量支配權，在租賃期間，電網公司全權進行調配，運行過程中發電帶來的收益，由雙方協商分配。在此運營模式下，動態無功補償裝置通過租賃費的價格機制實現成本回收[14]。

表5簡要總結了電網統一經營、獨立經營、租賃經營三種經營模式的優缺點。

2.3 動態無功補償裝置對終端電價的影響

2.3.1 電網統一經營

投資回收年限：新建調相機為30年；調相機改造1為10年；調相機改造2為20年；SVC為15年；STATCOM為15年。補償裝置容量：600 Mvar/臺。電價水平：0.4元/kW·h。

根據以上測算參數的確定對動態無功補償裝置的全部供電成本、運維損耗費用進行計算，得出其測算的電價。

2.3.2 獨立經營

2.3.2.1 單一電價

為改變發電側成本無約束、價格無控制的狀況，1998年，國家適時出臺了“經營期電價”政策取代“還本付息電價”政策。經營期電價的含義就是在整個經濟壽命期內（火電20年，水電30年）保證投資者合理回報的均衡電價。經營期電價測算方法的主要理論基礎是資金的時間價值理論，而資金的時間價值就體現在IRR（內部收益率）上。測算時，通過調整電價水平，直到下式中的IRR滿足約定水平[15]。

表5 動態無功補償電站經營模式利弊對比

∑[（現金流入-現金流出）/（1+IRR）n]=0 （2）

本文按經營期上網電價的測算辦法對動態無功補償裝置的上網電價進行測算。

2.3.2.2 兩部制電價

成本核算：逐項目核算供電成本，求和得到固定電力成本（固定投資）和可變電量成本（運維費用）[16-18]。

（1）容量電價：

1）投資利潤的計算：

投資利潤（稅前）=總投資×資金利潤率

2）容量費用的計算：

銷售稅金附加=增值稅×（城市建設維護稅率+教育附加稅率）=容量費用×增值稅率×（城市建設維護稅率+教育附加稅率）

容量費用=投資利潤+固定成本+附加稅

聯立上述兩個方程組得到容量費用。

3）容量價格的計算

容量價格=容量費用/設計上網容量

（2）電量電價：

電量費用包括可變經營成本及可變稅金。

1）可變經營成本包括損耗費用、運維費用等成本。

2）可變稅金：

銷售稅金附加=電量費用×增值稅率×附加稅率

電量費用=可變經營成本+銷售稅金附加

3）電量價格：

電量價格=電量費用/設計電站上網電量

2.3.3 租賃經營

租賃費的測算與經營期電價測算方法相類似，主要理論基礎是資金的時間價值理論，而資金的時間價值就體現在IRR（內部收益率）上[19-20]。

2.3.4 電價計算結果

計算結果如表6所示。

3 結論

（1）本文采用成本效益增量比（iB/C）方法對動態無功補償裝置的經濟性進行分析，為補償裝置的設備選型提供參考。綜合考慮補償裝置的運行特性，根據計算得到的不同補償裝置的成本增量以及加裝補償裝置后的效益增量，計算各類補償裝置的成本收益增量比，計算結果顯示：SVC的值最大，其次是調相機改造20年，第三是新建調相機，第四為調相機改造10年，最后為STATCOM。即SVC的成本效益增量比最高，經濟性最優；而新建調相機及改造調相機的成本效益增量比低于SVC，經濟性適中；STATCOM的成本效益增量比最低，經濟性最差。

表6 電網統一經營、獨立經營和租賃經營的電價匯總（元/kvarh）

（2）本文針對無功補償裝置成本回收方法，結合不同電網設備的電價回收模式，提出三種無功補償裝置的經營模式：電網統一經營、獨立經營、租賃經營；并結合不同回收模式的邊界條件，計算出了每種經營模式下的固定成本、運維費用、損耗費用等對電網企業終端電價的影響。

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