4 水电机组调峰服务的成本分析及实用补偿方法
本文关键词：水电机组调峰服务的成本分析及实用补偿方法，由笔耕文化传播整理发布。
第３５卷 第２３期２０１１年１２月１０
日Ｖｏｌ．３５ Ｎｏ．２３
Ｄｅｃ．１０，２０１１
水电机组调峰服务的成本分析及实用补偿方法
王若谷１，王建学１，张 恒２，白兴忠３
（１．西安交通大学电气工程学院，陕西省西安市７１００４９；２．国家电力监管委员会西北监管局，陕西省西安市７１００７５；
）３．西北电网有限公司调度中心，陕西省西安市７１００４８
摘要：首先分析了在电力系统运行实践中，调峰服务的内涵及其与备用服务的关系；进而研究了水
指出水电机组调峰成本应重点考虑其有功出力频繁调整引起效率损失的机会成电调峰成本组成，
本。参照当前国内辅助服务管理实际，并结合水电实际运行特点，给出了水电调峰补偿的测算方
上下各浮动一定比例形成基本调峰区间，分析水法。具体测算思路以水电机组日平均出力为基准，
电机组有功出力低于基本调峰区间下限后引起的额外水量损耗，进而将其折算为利润损失，作为水电调峰的补偿。文中给出了具体算例，验证了该方法的正确性和有效性。关键词：辅助服务；水电调峰；机会成本；水电耗量特性；补偿方法
０ 引言
调峰、备用服务是电力系统中的２种重要辅助
１］
。水电机组由于其服务，主要由水、火电机组提供［良好的调节特性和低廉的调节成本，常常作为主力
在电网调峰和事故备用过程中发挥着重调节电源，
要作用。对于水电机组，长期以来认为其调峰不存
在成本，常常无偿调用。以往对水电调峰的研究也
］］２３４５－－
、、主要集中在调峰电源规划［调峰容量计算［配
］６７－
等方面。合风电调峰［
］认为由峰应当分为基本调峰和有偿调峰。文献［１０
于水电机组代替火电机组承担系统调峰任务后，水应该作为水电调峰的补偿费用。电获得支付减少，，
］文献［引入了调峰容量责任制思想，提出了采用１１等效可用负荷率指标为基础来补偿调峰容量的新方
法。目前，针对水电机组调峰成本及其补偿测算方法的研究较少，各区域辅助服务管理实施细则中也无相关规定。
本文首先讨论了在实践中调峰与备用的区别和联系；然后针对水电机组调峰的成本进行了分析，判断其是否存在成本；当存在成本时进一步得到水电机组调峰成本及其补偿实用算法；结合国内辅助服给出了考核补偿建议，以推进辅助服务务管理实际，
管理水平的提高和市场化建设。
厂网分开之后，发电企业作为独立的企业存在，所提供的辅助服务需要核计成本，遵循市场规律给予补偿。国家电力监管委员会２并网００６年颁布的《发电厂辅助服务管理暂行办法》对各类辅助服务进行了定义，并指出机组提供的调峰服务分为基本调峰服务和有偿调峰服务，对有偿调峰服务应当予以这标志着国内辅助服务管理正由无偿调用向补偿，
基于成本补偿的方式过渡。对于调峰、备用服务，华北、华东、西北等区域目前的辅助服务管理实施细则中都针对备用服务制定了相应的考核补偿规则，并针对火电机组的调峰服务制定了考核补偿规则。
然而对于水电调峰，长期以来认为其不存在显著成本，不应该给予补偿。其实水电机组长期性、大幅度、频繁承担系统调峰任务，必然对其运行经济性有较大影响，需要进一步深入研究。该问题已有一
］些初步的相关研究，文献［对水电机组承担备用时８的空耗水量给出了相应的测算方法，通过空耗水量
］可以求得备用的机会成本；文献［指出水电机组调９
；修回日期：。收稿日期：２０１１０３１７２０１１０７１５－－－－
１ 调峰服务内涵及其与备用服务的关系
国外对辅助服务的划分中并不涉及调峰的内
１２］
，容［一般将其归结在备用的框架下。国内电力系统实际中，对备用服务和调峰服务进行了细分。文］献［指出电网中电源容量大于发电负荷的部分称１３为备用容量，其作用是为了保证电力系统调峰、调频，发电设备定期检修及机组发生故障时不至于对用户停电；同时指出，调峰服务就是为了满足电网用电尖峰负荷的需要而对发电机组进行的有功出力（）以下简称“出力”调整。《并网发电厂辅助服务管理暂行办法》从规则层面上指出备用服务是为了保证可靠供电，电力调度交易机构指定的发电机组通过预留发电容量而提供的服务。但它并没有直接给出调峰服务的概念，而是分别给出了基本调峰服务和有偿调峰服务的定
—４１—
（）２０１１，３５２３
１５］
。比如某台容量为３成本中［００ＭＷ的水电机组，
在来水充足的情况下，由于系统备用不足，全天按
义。基本调峰服务是指发电机组在规定的出力调整
范围内，为了跟踪负荷的峰谷变化而有计划地、按照一定调节速度进行发电机组出力调整所提供的服
有偿调峰服务是指发电机组超过规定的调峰深务；
度进行调峰，以及火力发电机组按电力调度交易机
炉）进行调峰构的要求在规定时间内完成启／停机（
所提供的服务。
在国内细分备用服务和调峰服务的背景下，备用服务更多地表现为静态的容量特性，调峰服务更多地表现为动态的调节特性。备用容量是进行调峰服务的基础，调峰服务是为应对负荷变化而调用备
调峰服务通常具有一定的计划性。用容量的过程，
结合以上分析，给出调峰服务的概念：调峰服务
为了跟踪负荷的是系统在可以调用的备用范围内，
峰谷变化而有计划地、按照一定调节速度进行的加载或减载备用容量所提供的服务。水电机组由于其调节范围大、调节速率快、调节费用低等优点在电力系统调峰中总是被优先考虑和调用。
此时该机组提供了备用服务而没有２００ＭＷ出力，
水调峰服务。按照２００１年原国家电力公司下发的《
电厂调峰弃水损失电量计算办法》计算得到的水电调峰损失电量应归入到备用成本中。该思想在华北、华东、西北等区域的辅助服务管理规则中都已体现，均采用调峰损失电量做指标来补偿水电备用容量。
调峰主要表现为动态的调节特性，水电机组调峰的机会成本分析应主要针对其调节过程，以下将对其进行详细分析。
水电机组的耗量特性是指单位时间内消耗的水量与发电功率之间的关系。当水电机组单元中水轮机直径、转数为定值时，其耗量特性随水头情况而不同，具体可由其水头—出力—流量对照表（即Ｈ－Ｎ－Ｑ表）获得。而实际运行中，水电站每日水头变化并不明显，且多在额定水头附近，故可近似认为水电机组在额定水头下运行。水电机组在额定水头下的耗量
珚是机组实特性曲线如图１所示，其中，相对出力Ｐ
２ 水电调峰成本分析
２．１ 水电调峰成本组成分析
一般而言，机组提供调峰服务的成本主要包括：
主要包括机组因参与调峰而导致的机①固定成本，
械损失和机组调峰过程中需要的各种行为的费用；
指机组因承担调峰服务而少发电量引②机会成本，
起的利润损失。
火电机组调峰成本比较明确，以深度调峰为例，此时燃烧效率较低，甚至有可能低于锅炉的最低稳燃极限，需要采取投油等措施提高燃烧效率。因此，火电调峰的成本主要由参与调峰的固定成本分摊和投油措施带来的机会成本组成。而基本调峰服务与有偿调峰服务通常就以最低稳燃极限容量为分界
通线。这条分界线可以通过一个固定比例来确定，
常是４也可以根据实施区域内火电的０％或者５０％，
１４］
。总体情况，通过某种加权平均来动态确定［
通过对水电企业的实际调研，可以看出水电机组调峰的固定成本主要是调峰过程中频繁调整出力引起的机械损失，包括机组的振动加大、转轴磨损加重等。这部分费用一般在机组的折旧成本中已经有所考虑，因此，水电调峰的成本主要应考虑其调节过程中的机会成本。
２．２ 水电调峰的机会成本分析
首先需明确２个问题：①机组调峰过程中所牺牲的发电容量应获得的利润属于备用的机会成本，不应计入调峰机会成本中；②由于系统备用容量原因而不能按最大可发出力发电带来的弃水损失虽然习惯上称为调峰损失电量，其实应归到备用的机会—４２—
珚际出力Ｐ和机组额定出力ＰＮ的比值，相对流量Ｑ
［］１６１７－
。是实际流量Ｑ和最大流量Ｑｍａｘ的比值
图１ 额定水头下水电机组的耗量特性
Ｆｉ．１ Ｃｏｎｓｕｍｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｈｄｒｏｏｗｅｒ ｇｐｙｐ
ｕｎｉｔｕｎｄｅｒｒａｔｅｄｈｅａｄ
耗水率ρ是表征水电机组效率的重要参数，定
／即ρ＝Ｑ义为单位千瓦出力所消耗的水量，Ｐ。额
定水头下水电机组的耗水率相对值如图２所示，其
耗水率相对值ρ中，珋是实际耗水率ρ和最小耗水率ｉｎ的比值。ρｍ
珚的关系图２ 额定水头下水电机组ρ珔与Ｐ
珚ｏＦｉ．２ ＲｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｂｅｔｗｅｅｎｎｄＰｆｈｄｒｏｏｗｅｒ珔ａ ｇｐｙｐ ρ
ｕｎｉｔｕｎｄｅｒｒａｔｅｄｈｅａｄ
由图２可见，额定水头下，机组最小耗水率ρｍｉｎ
·绿色电力自动化· 王若谷，等 水电机组调峰服务的成本分析及实用补偿方法
并不对应于机组额定出力ＰＮ，而是略小于额定出力，即图中ＰＢ点所示位置。可知水电机组因参与
调峰服务而做出的加载或减载备用容量，都将使得机组的耗水率和效率发生变化。
进一步分析额定水头下耗水率随出力变化的规律：减载ΔＰ－出①当机组在０～ＰＢ范围内调节时，，加载Δ力时耗水率相应增加ΔＰ＋出力时耗水率珋＋ρ
，；当机组出力在相应减少Δ并且有Δ珋珋珋－＋＞Δ－②ρρρ
加载ΔＰＢ～ＰＮ范围内进行调节时，Ｐ＋出力使耗水
，，率增大δ减载Δ且有Ｐ－出力使耗水率减小δ珋珋＋－ρρ；当机组出力在ＰＢ的一个邻域内调节δ珋δ珋＋＞－③ρρ
加载或减载出力都将使耗水率增大。可见上下时，
调整相同出力时，通常情况下因耗水率增大所损失的水量大于因耗水率减小所节约的水量。
水电机组理想出力曲线应为全天按相同容量发电，然而实际调度中，常常要求水电机组频繁加减出力以提供调峰服务，因此可认为其全天出力围绕日
参照日平均出力可以得到机组的调平均出力波动，
峰电量，故本文选取日平均出力作为基准。另一方面，经常参与调峰任务的大型水电机组出力波动幅度较大，且大部分时段只能达到额定容量的４０％～
此时出力调节主要对应图２中出力在０～ＰＢ６０％，
范围内调节的情况。给定时段内以水电机组平均出力为基准，则向下调峰（减载备用）时因耗水率增大而损失的水量必然大于向上调峰（加载备用）时因耗水率减小而节约的水量。这部分水量本有机会发电获利，但却由于调峰而丧失获利机会，是调峰的机会水量。将这部分水量转换为发电利润，即是调峰的机会成本。可见，水电调峰存在机会成本，其主要表现为因提供调峰服务而导致的机组发电效率损失。
必须明确的是，水电机组提供调峰服务和备用服务的机会成本是完全不同的。前者的机会成本主要是由于水电机组出力变化引起耗水率变化，进而发电量减少所致的利润损失；后者的机会成本主要是其因预留备用容量而造成水量损失（即空耗水量）所致的利润减少。可见，前者主要是频繁调整的效率损失，而后者主要是由于压低出力的容量损失。
实际，提出水电机组调峰补偿的测算思路。
目前，各区域辅助服务管理实施细则中关于火电机组调峰的规则都根据《并网发电厂辅助服务管
，理暂行办法》区分了火电机组的基本调峰服务和有偿调峰服务，且对有偿调峰服务按照规则进行补偿。
例如２西北区域并网发电厂辅助服务管理００９年的《》实施细则（试行）规定“按照调度指令安排提供有偿
按照比基本调峰调峰服务的非供热燃煤火电机组，
，少发的电量，每万千瓦时补偿１分”其中，非供热燃
煤火电机组的基本调峰系数为６即６０％（０％～低于１００％额定容量范围内的调峰为基本调峰，
。另一方面，在实６０％额定容量的调峰为有偿调峰）
际系统运行中，调度机构向水电企业下达调峰指令，水电企业依据指令做出相应调整。水电机组向上调峰时，机组耗水率减小、效率提高，水电企业从中获利，不需再计及调峰成本并对其进行补偿；同时，水
不属于违规获利，电机组是遵从调度指令进行调节，
也不应对其进行考核。而当水电机组向下调峰时，
是由于系统原因导致的水电企业利益受损，需要计及调峰成本并对其进行补偿。因而只需针对水电机组向下调峰进行调峰成本和补偿的测算。
水电机组向下调峰时成本和补偿测算思路如下。）可认为水电机组调峰过程中的机会成本即是１
其真实的调峰成本。对水电机组调峰的补偿，需要根据《并网发电厂辅助服务管理暂行办法》划出免予仅对超出基本调峰区间进行补偿的基本调峰区间，
对水电机组调有偿调峰的部分按成本补偿。可见，
峰的补偿是基于其调峰成本的部分补偿。
）以水电机组的日平均出力ＰＡＶＥ作为基准，上２，下各浮动α并将［ＰＮ（ＰＡＶＥ－αＰＮ，α为百分比）
作为水电机组的基本调峰区间。当α＝ＰＡＶＥ＋ＰＮ］α测算得到的是水电机组调峰的真实成本；０时，α＞０
时，通过测算得到的则是水电机组调峰的补偿结果。因此，将水电调峰成本和补偿的测算方法合并论述，下文不再赘述。
））当机组实际出力值Ｐ（水３ｔＰＮ时，＞ＰＡＶＥ＋α电机组工况趋于有利，按照前面讨论，不应计及成本并给予补偿。
））当机组实际出力值Ｐ（机４ｔＰＮ时，＜ＰＡＶＥ－α组工况趋于不利，使得机组耗水率增大，此时应计及成本并给予补偿，此时的调峰电量Ｗ为：
（）］Ｗ＝［ＰＡＶＥ－αＰＮ）ｔｄｔ－Ｐ（
３ 水电调峰服务成本及补偿实用测算方法
通过上节分析可知，水电机组提供调峰服务存
在成本，且主要表现为机会成本，它是机组出力频繁调整时，因耗水率变化而导致机组效率损失产生的。为便于为水电机组的调峰服务制定相应的补偿措施，有必要对水电机组此部分的成本进行量化。同时，本文以国家电力监管委员会发布的《并网发电厂辅助服务管理暂行办法》为依据，并结合水电调峰的
）；式中：ＰＡＶＥ－ＰＮ＞Ｐ（ｔαα为基本调峰系数。
水电机组调峰补偿金额的计算如下。）））用式（对Ｐ（１１ｔＰＮ的区间进行积＜ＰＡＶＥ－α
—４３—
∫
（）１
（）２０１１，３５２３
分，求出其对应的调峰电量Ｗ。）根据耗水率概念，在额定水头下将调峰电量２
Ｗ折算成其消耗的水量Ｖ：
））［（）］Ｐ（ｔＰＡＶＥ－αＰＮ）ｔｄｔ－Ｐ（ Ｖ＝ρ（
）；））式中：为机组在额定水ＰＡＶＥ－ＰＮ＞Ｐ（ｔＰ（ｔαρ（
）头下的耗水率，它是机组出力Ｐ（的函数。ｔ
）通过基本调峰下界ＰＡＶＥ－α３ＰＮ出力点对应的水耗率ρ将Ｖ折算成不进行向下调峰时的最少０，可发电量Ｗ０：
∫
（）２
（）Ｗ０＝３
０ρ
设水Ｗ０－Ｗ即为进行有偿调峰的机会电量，
电机组单位发电利润为ｐｗ，则其补偿金额Ｓ（当α＝
为：Ｓ表示成本）０时，
（）Ｓ＝ｐｗ（Ｗ０－Ｗ）４））为简化计算，实际测算时将式（中的ρ（２）Ｐ（ｔ
）取为积分区间内的平均值ρ，则式（简化为：２
（）Ｖ＝ρＷ５
）、）结合式（式（可得：３４（）Ｓ＝ｐｗＷ－１６
０ρ
为了便于分析调峰服务的单位补偿价格，引入调峰百分比单价概念。调峰百分比是指水电机组提供调峰服务所应补偿的电量（即调峰电量）与当日实发电量以百分比形式表示的比值。调峰百分比单价特指每增加一个调峰百分比时调峰的补偿金额。
在实际采用以上思想分析时，需要通过大量水电机组调峰的实际数据进行计算，得到水电调峰的
这可为在辅助服务管理实施细则中制定水电成本，
调峰的补偿措施提供依据。具体可参照如下方法：对为系统调峰的水电站，以某一α为基本调峰系数，以每吉瓦平均出力为基准，每月调峰百分比每增加一个百分点给予一定补偿。
需要注意的是，调峰服务跟踪负荷变化，其波动
因此进行调峰成本和补偿测算时，最好采速度很快，
用分钟级的实际出力数据。
图３ 某日３台机组的实际出力Ｆｉ．３ Ｏｕｔｕｔｓｏｆｔｈｒｅｅｕｎｉｔｓｏｎｏｎｅｄａ ｇｐｙ
采用本文第３节介绍的方法，分别取α＝０，
对３台机组的调峰成本进行测２０％，３０％，４０％时，
算，机组１和２的测算结果如表１和图４所示。机组３由于出力波动幅度小，当α＝２０％，３０％，４０％时均没有超出基本调峰区间，其有偿调峰电量为０；仅当α＝０时，其调峰电量为１机会电３１．８ＭＷ·ｈ，量为２调峰成本为０４．６ＭＷ·ｈ，．４９万元。
表１ 机组１和２的调峰电量及机会电量
Ｔａｂ．１ Ｐｅａｋｉｎｅｌｅｃｔｒｉｃｕａｎｔｉｔａｎｄｏｏｒｔｕｎｉｔ ｇｑｙｐｐｙ
ｅｌｅｃｔｒｉｃｏｆｕｎｉｔ１ａｎｄｕｎｉｔ２ｕａｎｔｉｔ ｑｙ
机组１
／％α０ ２０ ３０ ４０
调峰电量／（）ＭＷ·ｈ５７０．６ １０１．９ ６６．４ ３１．６
机会电量／
（）ＭＷ·ｈ３３．９ ２１．１ １６．６ ９．７
机组２
调峰电量／
（）ＭＷ·ｈ１１２５．１ ６４１．５ ４４１．５ ２４２．２
机会电量／
（）ＭＷ·ｈ２０２．４１７２．３１４２．８９５．７
）
４ 算例分析
设某水电站额定水头为１有３台容量均００ｍ，
为３机组的年均耗水率为００ＭＷ的同型机组，
３／（），／（），单位发电利润为０３．７５ｍｋＷ·ｈ．２元ｋＷ·ｈ
测算其调峰成本。如前所述，水电调峰波动速度较快，取其分钟级实际出力数据如图３所示
。
图４ 调峰成本及补偿测算结果
ｅａｋｉｎＦｉ．４ Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｏｆｃｏｓｔａｎｄ ｐｇｇ
ｃｏｍｅｎｓａｔｉｏｎｔｈｅｉｒ ｐ
由图４可见：机组２调峰的成本及补偿都远大
于机组１，主要是由于其出力波动幅度大，超出基本区间的调峰电量远大于机组１；随着基本调峰系数α的增大，调峰的补偿金额逐渐减小，这说明可以通过基本调峰区间的范围大小控制调峰补偿的力度。
如前所述，为便于制定调峰服务补偿规则，将
—４４—
·绿色电力自动化· 王若谷，等 水电机组调峰服务的成本分析及实用补偿方法
０％，３０％，４０％时求得的调峰补偿金额换算为α＝２
调峰百分比单价，其测算结果如图５所示。
，（）：Ｐｏｗｅｒ１９９９，３２１１４０４３．－
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由图可见，虽然机组１和２调峰总成本差距较大，但转化为调峰百分比单价表示时相差不大。取对应于α＝２调峰其平均值可知，０％，３０％，４０％时，百分比单价分别约为２５２９元、３０４８元和３７３１元。
由图４、图５可知，水电调峰的补偿力度和基本调峰区间的划分密切相关。在具体实施时，应该根对区域内参与调峰据本区域电力系统的运行特性，
的水电机组的各类典型调峰数据进行测算，并确定本区域的具体系数α。
５ 结语
本文首先明确了电力系统运行实践中调峰服务进而通过分析，指出水电和备用服务的联系与区别，
机组调峰存在成本，并进一步给出了其成本和补偿可以得到水的实用测算方法。通过典型机组测算，
电调峰的真实成本区间以及合理的补偿策略，为区域水电调峰的辅助服务管理办法的制定提供依据。目前还需进一步研究的工作有：水电基本调峰区间的合理划分；比较调峰电量和调峰百分比作为调峰计量单位的利弊等。
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