孫 勇，嚴(yán)干貴，鄭太一，封 科，楊國新，李軍徽，王宗寶

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電力市場背景下蓄熱式電采暖消納棄風(fēng)的經(jīng)濟(jì)性分析

孫 勇1，嚴(yán)干貴2，鄭太一1，封 科2，楊國新1，李軍徽2，王宗寶2

（1國網(wǎng)吉林省電力有限公司，吉林 長春 130021；2東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林 吉林132012）

針對冬季供熱期我國北方地區(qū)因電網(wǎng)風(fēng)電接納能力不足導(dǎo)致的嚴(yán)重棄風(fēng)問題，研究了電力市場背景下采用蓄熱式電采暖提高電網(wǎng)風(fēng)電消納規(guī)模的經(jīng)濟(jì)性評估問題，考慮棄風(fēng)電量、棄風(fēng)電價(jià)等因素影響，建立了棄風(fēng)蓄熱式電采暖系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性評估模型，分析了影響蓄熱式電采暖系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵因素。結(jié)合某清潔供暖示范工程進(jìn)行算例分析，分析了協(xié)定棄風(fēng)電價(jià)對系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的影響，對所提出的經(jīng)濟(jì)性評估模型的有效性進(jìn)行驗(yàn)證，為蓄熱式電采暖可行性分析奠定了理論基礎(chǔ)。

棄風(fēng)；蓄熱式電采暖；風(fēng)電消納；經(jīng)濟(jì)性評估

我國風(fēng)能資源豐富，主要集中在“三北”地區(qū)，風(fēng)電裝機(jī)容量快速增加，截至2014年底，我國并網(wǎng)風(fēng)電裝機(jī)容量96.37 GW[1]，全國棄風(fēng)比例為8%，其中吉林和新疆高達(dá)15%。主要由于“三北”地區(qū)電網(wǎng)以火電為主，電網(wǎng)靈活性差，在冬季供暖期間，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組“以熱定電”模式運(yùn)行[2]，機(jī)組向下調(diào)峰能力不足，導(dǎo)致夜間低谷時(shí)段大規(guī)?！皸夛L(fēng)”[3-4]。

蓄熱式電采暖是解決棄風(fēng)問題的有效手段之 一[5-6]，為解決我國風(fēng)電的消納問題，國家已經(jīng)出臺了一些措施，明確指出要推廣風(fēng)電供熱[7-8]，優(yōu)化電網(wǎng)運(yùn)行管理，著力提高風(fēng)電在電力消費(fèi)中的比重。目前我國已建設(shè)了吉林洮南供熱項(xiàng)目、內(nèi)蒙古華電輝騰錫勒供熱項(xiàng)目等多項(xiàng)清潔供暖示范工程[9-10]。風(fēng)電供熱本質(zhì)為蓄熱式電采暖，其經(jīng)濟(jì)性是影響蓄熱式電采暖的關(guān)鍵因素。

隨著電力市場改革的不斷深化，我國將逐步在售電側(cè)引入競爭機(jī)制，完善電價(jià)體系[11]。其中開展和實(shí)行大用戶直購電具有重要的意義，蓄熱式電采暖符合大用戶直購電的準(zhǔn)入條件，研究電力市場條件下蓄熱式電采暖的經(jīng)濟(jì)性具有積極影響。近些年來，關(guān)于蓄熱式電采暖的經(jīng)濟(jì)性研究仍鮮有報(bào)道，僅從蓄熱式電采暖提高風(fēng)電消納能力角度做了可行性分析。文獻(xiàn)[12]提出了利用在熱電廠增設(shè)電熱鍋爐解耦“以熱定電”的方法，并分析了節(jié)煤效益。文獻(xiàn)[13]比較了蓄熱、風(fēng)電供暖和抽水儲能3種可行棄風(fēng)消納方案，提出在當(dāng)前棄風(fēng)現(xiàn)象非常嚴(yán)重的情況下，應(yīng)優(yōu)先發(fā)展蓄熱，將風(fēng)電供熱方案作為補(bǔ)充消納手段。文獻(xiàn)[14]中，通過引入廣泛使用的空調(diào)熱泵，在考慮集中供熱管道的延時(shí)特性的情況下，提出一種綜合熱電控制方法，研究表明，該方法可增加風(fēng)電上網(wǎng)電量13%，同時(shí)節(jié)能效果顯著，每日可減少標(biāo)煤消耗917 t。文獻(xiàn)[15]對當(dāng)前實(shí)施的風(fēng)電供熱試點(diǎn)工程進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析，但試點(diǎn)工程通常按照分時(shí)電價(jià)運(yùn)行，為了節(jié)約運(yùn)行成本往往選擇在低谷電價(jià)時(shí)刻滿功率運(yùn)行，并不能充分發(fā)揮蓄熱式電采暖消納“棄風(fēng)”的能力，同時(shí)也沒能分析影響經(jīng)濟(jì)性的因素。

本工作提出在電力市場環(huán)境下，利用蓄熱式電采暖為地區(qū)供暖，棄風(fēng)就地消納的同時(shí)達(dá)到了地區(qū)供暖減排的目的[16]。首先分析了蓄熱式電采暖提高風(fēng)電消納能力的機(jī)理，其次建立了電力市場環(huán)境下蓄熱式電采暖消納風(fēng)電的經(jīng)濟(jì)性評估模型，并分析了影響蓄熱式電采暖系統(tǒng)的關(guān)鍵因素，最后利用所建經(jīng)濟(jì)性模型對某地供暖項(xiàng)目進(jìn)行了算例分析，結(jié)果表明本工作所提方案能有效緩解棄風(fēng)狀況。同時(shí)分析了協(xié)定棄風(fēng)電價(jià)對蓄熱式電采暖經(jīng)濟(jì)性的影響，驗(yàn)證了所提經(jīng)濟(jì)模型的合理性。

1 蓄熱式電采暖提高風(fēng)電消納機(jī)理

電力系統(tǒng)往往需要預(yù)留額外的調(diào)控容量以應(yīng)對大規(guī)模風(fēng)電波動，但是在以火電調(diào)峰為主的電力系統(tǒng)中，在有些時(shí)段（如冬季負(fù)荷低谷時(shí)段），其向下調(diào)峰容量非常有限，導(dǎo)致風(fēng)電難以并網(wǎng)消納，從而迫使大規(guī)模風(fēng)電棄風(fēng)。

蓄熱式電采暖是指利用蓄熱式電鍋爐作為熱源替代燃煤鍋爐供暖的一種新型可控用電負(fù)荷，利用蓄熱系統(tǒng)的熱慣性，使其在不影響供熱質(zhì)量前提下參與電力系統(tǒng)調(diào)峰，減小電力系統(tǒng)負(fù)荷峰谷差，提高電力系統(tǒng)的風(fēng)電消納能力，其聯(lián)網(wǎng)供暖示意如圖1所示。

圖2給出了以火電調(diào)峰為主的電力系統(tǒng)中蓄熱式電采暖提高系統(tǒng)風(fēng)電接納效果示意圖，圖中g(shù)max、gmin分別為電力系統(tǒng)中火電機(jī)組出力上、下限值，L.max、L.min分別為系統(tǒng)負(fù)荷最大、最小

值，蓄熱式電采暖系統(tǒng)在22∶00—05∶00期間啟用加熱，其余時(shí)段不加熱，綠色、紅色曲線分別 為蓄熱電采暖負(fù)荷啟用前后系統(tǒng)負(fù)荷曲線，Dwind為蓄熱式電采暖負(fù)荷啟用后電網(wǎng)多接納風(fēng)電功率，蓄熱式電采暖系統(tǒng)功率越大，電網(wǎng)可接納風(fēng)電功率 越大。

由圖2可知，不考慮網(wǎng)損和局部線路輸電阻塞，利用蓄熱式電采暖負(fù)荷提高電網(wǎng)風(fēng)電接納原理如式(1)所示

式中，load、wind、eh分別為系統(tǒng)負(fù)荷、所接納風(fēng)電功率及蓄熱式電采暖負(fù)荷功率。

對于給定的機(jī)組組合方式，電網(wǎng)可接納風(fēng)電功率受火電機(jī)組出力下限值限制，由風(fēng)力資源決定的風(fēng)電功率定義為可發(fā)風(fēng)電功率wind.N，當(dāng)可發(fā)風(fēng)電功率超過可接納風(fēng)電功率時(shí)會導(dǎo)致棄風(fēng)，棄風(fēng)功率定義如式(2)所示

當(dāng)出現(xiàn)棄風(fēng)時(shí)，蓄熱式電采暖負(fù)荷啟動運(yùn)行，其消納的棄風(fēng)功率計(jì)算如式(3)所示

式中，ab()、eh()分別為時(shí)刻棄風(fēng)功率和蓄熱式電采暖運(yùn)行功率。

供暖期消納棄風(fēng)電量計(jì)算如式(4)～(5)所示

式中，1k、2k分別為蓄熱式電采暖每天運(yùn)行的初末時(shí)刻；為采暖期天數(shù)；為第天供熱量，MW·h；hot()為時(shí)刻的供熱功率，與供熱面積和室內(nèi)外溫差有關(guān)；為蓄熱式電采暖的電熱效率，考慮了蓄熱式電鍋爐和輸熱管道熱損失。

由式(1)～(5)可知，蓄熱式電采暖在發(fā)生棄風(fēng)時(shí)段運(yùn)行能夠消納棄風(fēng)，消納棄風(fēng)的量不僅與棄風(fēng)功率和蓄熱式電采暖運(yùn)行功率有關(guān)，還與棄風(fēng)持續(xù)時(shí)間有關(guān)。當(dāng)棄風(fēng)功率超過蓄熱式電采暖運(yùn)行功率時(shí)仍然會發(fā)生棄風(fēng)。

2 電力市場環(huán)境下蓄熱式電采暖的經(jīng) 濟(jì)性評估模型

通常大用戶與發(fā)電企業(yè)之間協(xié)商簽訂合同，雙方一般不規(guī)定具體時(shí)段的電能交易情況。在合同期內(nèi)，電網(wǎng)公司要保證所簽訂的合同電量按照合同協(xié)定電價(jià)進(jìn)行結(jié)算，其余部分按電網(wǎng)的相應(yīng)報(bào)價(jià)進(jìn)行。依據(jù)《關(guān)于完善電力用戶與發(fā)電企業(yè)直接交易試點(diǎn)工作有關(guān)問題的通知》，蓄熱式電采暖符合“大用戶直購電”的準(zhǔn)入條件，通過直接與風(fēng)電場協(xié)商，以協(xié)定電價(jià)購入棄風(fēng)電，電網(wǎng)只收取輸配電成本，其余部分電量按分時(shí)電價(jià)從電網(wǎng)購入。

蓄熱式電采暖結(jié)算關(guān)系如圖3所示，蓄熱式電采暖經(jīng)濟(jì)評估模型如式(6)所示。

式中，inc為蓄熱式電采暖綜合收益，pay為蓄熱式電采暖成本。

蓄熱式電采暖綜合收益分為供暖收益和節(jié)能減排收益兩部分。

式中，hot為售熱收益；為蓄熱式電采暖供暖面積，m2；hot為供暖收費(fèi)，元/m2。

式中，jp為節(jié)能減排收益，jp為節(jié)能減排補(bǔ)貼單價(jià)，元/ MW·h。

蓄熱式電采暖成本分為靜態(tài)投資成本和運(yùn)行成本兩部分。

式中，pay.s為靜態(tài)投資成本；pay.r為運(yùn)行成本。

靜態(tài)投資成本主要指將初投資成本IC及退役殘值DC分?jǐn)偟綁勖谀陜?nèi)的成本（本文按均攤考慮，不考慮資金的時(shí)間價(jià)值特性），計(jì)算如式(11)～(12)所示

式中，eh.N為購置蓄熱式電鍋爐總額定功率，MW，eh.N為購置蓄熱式電鍋爐總額定容量，MW·h，、分別為蓄熱式電鍋爐的單位造價(jià)，元/MW 、元/MW·h，為一常數(shù)。

運(yùn)行成本是指整個(gè)供暖期蓄熱式電鍋爐運(yùn)行所消耗電量對應(yīng)的成本，計(jì)算如式(13)所示

式中，ab、n分別為蓄熱式電采暖消耗的棄風(fēng)電量和非棄風(fēng)電量，與蓄熱式電鍋爐運(yùn)行功率eh()、棄風(fēng)功率ab()及供熱功率hot()等有關(guān)，MW；agr、n分別表示與風(fēng)電場簽訂的協(xié)定電價(jià)和民用電價(jià)， 元/kW·h；td表示電網(wǎng)公司輸配電成本，元/kW·h。

3 蓄熱式電采暖系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性影響因素分析

蓄熱式電采暖系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)評估模型由式(6)～(13)構(gòu)成，整理如式(14)所示

由式(14)可知，蓄熱式電采暖系統(tǒng)的綜合收益是關(guān)于7個(gè)價(jià)格的變量：hot、jp、Peh.N、Qeh.N、agr、C、td；3個(gè)供熱狀況變量：、、hot()；5個(gè)蓄熱式電采暖系統(tǒng)狀況變量：eh.N、eh.N、、eh()、及1個(gè)協(xié)定風(fēng)電場棄風(fēng)狀況變量：ab()，共16個(gè)變量的非線性函數(shù)。

一般而言，一個(gè)供熱項(xiàng)目確定后hot、jp、Peh.N、Qeh.N、n、td、、、eh.N、eh.N、都將確定，則蓄熱式電采暖系統(tǒng)的綜合收益將變成agr、hot()、eh()、ab()的非線性函數(shù)，如式(15)所示，為常數(shù)。

hot()由天氣溫度等確定，ab()由風(fēng)力資源、電網(wǎng)負(fù)荷大小等因素確定。隨著預(yù)測技術(shù)的進(jìn)步，hot()、ab()可認(rèn)為是確定時(shí)，則蓄熱式電采暖系統(tǒng)的綜合收益為運(yùn)行狀態(tài)的變量eh()和協(xié)定電價(jià)agr的非線性函數(shù)，如式(16)所示，其中、、為常數(shù)。

蓄熱式電采暖系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)eh()決定了其消納棄風(fēng)電量ab，協(xié)定電價(jià)agr直接決定了收購棄風(fēng)電量ab的成本。因此運(yùn)行狀態(tài)eh()和協(xié)定棄風(fēng)電價(jià)agr是影響蓄熱式電采暖系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵因素，研究運(yùn)行狀態(tài)eh()和協(xié)定棄風(fēng)電價(jià)agr對蓄熱式電采暖系統(tǒng)的綜合收益的影響至關(guān)重要。

4 算例分析

4.1 算例簡介

以某清潔供暖示范工程為例分析棄風(fēng)蓄熱供熱系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性，給定計(jì)算條件如下。

（1）供熱條件。①供暖期：2013.11.1— 2014.4.30，共181天；②供熱面積：20萬m2；③供熱負(fù)荷曲線：單位面積供熱負(fù)荷曲線如圖4所示，整區(qū)日熱負(fù)荷曲線如圖5所示；④供暖價(jià)格：20.375元/m2；因政府尚未能出臺相關(guān)政策，節(jié)能減排補(bǔ)貼單價(jià)取為0。

（2）蓄熱式電采暖系統(tǒng)參數(shù)。①蓄熱式電采暖系統(tǒng)由9臺電鍋爐（其技術(shù)參數(shù)見表1）構(gòu)成；②電熱轉(zhuǎn)化效率：=95%；③管網(wǎng)散熱損失：5%；④蓄熱式電采暖系統(tǒng)靜態(tài)投資成本：100萬元，取20、初期投資成本250萬×9、退役殘值250萬；⑤與風(fēng)電場協(xié)議電價(jià)：0.29535元/kW·h；

蓄熱式電采暖系統(tǒng)運(yùn)行分為兩種運(yùn)行模式：低谷時(shí)段全功率制熱、蓄熱供給全天供暖模式；棄風(fēng)時(shí)段經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式，即協(xié)定風(fēng)電場棄風(fēng)時(shí)啟動運(yùn)行模式，棄風(fēng)電量不足時(shí)購買電網(wǎng)電量以滿足供暖 需求。

圖6為供暖期某天蓄熱式電采暖系統(tǒng)分別采用模式1和模式2的運(yùn)行狀況示意圖，圖中可以看出在滿足供暖的前提下蓄熱式電采暖系統(tǒng)以模式2運(yùn)行比模式1消納的棄風(fēng)量多。

（3）其它參數(shù)。①協(xié)定風(fēng)電場總裝機(jī)400 MW，棄風(fēng)狀況如圖7所示；②電網(wǎng)公司輸配電成本對應(yīng)收取容量電費(fèi)為0.11元/kW·h；分時(shí)電價(jià)見表2。

表1 示范工程單臺電鍋爐主要技術(shù)參數(shù)

表2 分時(shí)電價(jià)表

4.2 消納棄風(fēng)分析

本工作以整個(gè)供熱期（2013年11月1日—2014年4月30日）為例，分析了蓄熱式電鍋爐系統(tǒng)在模式1、模式2兩種運(yùn)行模式下棄風(fēng)消納情況，所對應(yīng)的棄風(fēng)如圖8、圖9所示。

對比圖8和圖9可以看出，蓄熱式電采暖系統(tǒng)不同的運(yùn)行模式其消納棄風(fēng)電量大不相同。由于棄風(fēng)本身的不確定性，協(xié)定風(fēng)電場棄風(fēng)并未能滿足蓄熱式電采暖系統(tǒng)的供熱需求，兩種模式運(yùn)行下，蓄熱式電采暖用電情況見表3。

表3 電鍋爐系統(tǒng)促進(jìn)風(fēng)電接納電量

4.3 經(jīng)濟(jì)性評估

兩種不同模式下，蓄熱式電采暖系統(tǒng)通過從風(fēng)電場直購棄風(fēng)供暖，整個(gè)供暖期經(jīng)濟(jì)效益見表4。蓄熱式電采暖整個(gè)供暖期綜合經(jīng)濟(jì)虧損分別為494.93萬元和519.02萬元，主要原因?yàn)檫\(yùn)行電價(jià)較高以及政府目前仍然沒有相應(yīng)的環(huán)境補(bǔ)貼政策。

表4 蓄熱式電采暖供暖期經(jīng)濟(jì)性效益

在電力市場環(huán)境下，蓄熱式電采暖系統(tǒng)通過與風(fēng)電場協(xié)商，降低棄風(fēng)協(xié)定電價(jià)，可以進(jìn)一步降低運(yùn)行成本，提高綜合收益，如圖10所示。對于模式1，因消納棄風(fēng)電量少，即使協(xié)定棄風(fēng)電價(jià)等于零，蓄熱式電采暖系統(tǒng)都將虧損。對于模式2，隨著電價(jià)的逐步降低，蓄熱式電采暖系統(tǒng)逐步扭虧為盈，當(dāng)調(diào)整協(xié)定棄風(fēng)價(jià)格為0.014元/kW·h時(shí)，蓄熱式電采暖系統(tǒng)達(dá)到利益平衡點(diǎn)。

電力市場的逐步完善將會促使蓄熱式電采暖系統(tǒng)運(yùn)行完全由棄風(fēng)承擔(dān)，如圖10中100%棄風(fēng)模式所示，此時(shí)電價(jià)0.045元/kW·h時(shí)達(dá)到盈虧平衡。隨著國家對霧霾問題的重視，蓄熱式電采暖將會得到推廣，蓄熱式電采暖節(jié)能減排的功能將會得到一定的補(bǔ)貼，其經(jīng)濟(jì)效益也能夠得到大幅度改善。

5 結(jié) 論

針對冬季供熱期我國北方地區(qū)因電網(wǎng)調(diào)峰容量不足導(dǎo)致的嚴(yán)重棄風(fēng)問題，提出了利用蓄熱式電采暖技術(shù)消納棄風(fēng)方案，建立了電力市場背景下蓄熱式電采暖系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性評估模型，分析了棄風(fēng)電價(jià)對系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性影響，結(jié)果表明。

（1）采用蓄熱式電采暖系統(tǒng)可以有效減少風(fēng)電場棄風(fēng)電量，系統(tǒng)運(yùn)行方式、消納棄風(fēng)電量、協(xié)定棄風(fēng)電價(jià)是影響其經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵因素。

（2）算例分析表明，在給定條件下，分別在電力系統(tǒng)負(fù)荷低谷時(shí)段全功率運(yùn)行模式、風(fēng)電場棄風(fēng)時(shí)段啟動運(yùn)行等二種模式下，蓄熱式電采暖系統(tǒng)在整個(gè)供暖期內(nèi)可消納棄風(fēng)電量分別為4912.07 MW·h、17574.83 MW·h；當(dāng)蓄熱式電采暖系統(tǒng)以模式2運(yùn)行，棄風(fēng)協(xié)定電價(jià)降至0.014元/kW·h時(shí)，蓄熱式電采暖達(dá)到盈虧平衡點(diǎn)。隨著國家對蓄熱式電采暖的推廣，環(huán)境效益將得到一定的補(bǔ)貼，屆時(shí)蓄熱式電采暖效益將會得到更大的提高。棄風(fēng)協(xié)定電價(jià)是影響蓄熱式電采暖經(jīng)濟(jì)性的重要因素，完善棄風(fēng)協(xié)定電價(jià)交易機(jī)制還需進(jìn)一步研究探討。

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Economic analysis of electrical heating with heat storage using grid integrated wind power

1,2,1,2,1,2,2

(1State Grid Jilin Electric Power Co., Ltd, Changchun 130021, Jilin, China;2Northeast Dianli University, School of Electrical Engineering, Jilin 132012, Jilin, China)

An economic assessment of the use of wind power for electrical space heating in winter was carried out. The study was done under current of electrical market in China, considering factors such as the curtailed wind power and electrical prices etc. An economic model was constructed for the electrical heating system using abandoned wind power and a number of key factors were analyzed. A case study on a Clean Heating Demonstration Project was conducted to analyze the effect of the abandoned wind power price on wind electricity economy, to verify the effectiveness of the proposed economic assessment.

wind power curtailment; electric heating with heat storage; wind power accommodation; economic analysis

10.12028/j.issn.2095-4239.2016.04.020

TM 721

A

2095-4239（2016）04-532-07

2015-11-18；修改稿日期：2016-01-29。

孫勇（1980—），男，博士，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)調(diào)度運(yùn)行、新能源調(diào)度運(yùn)行與控制技術(shù)，E-mail：sunyong_hit@16.com；通訊聯(lián)系人：李軍徽，副教授，研究方向?yàn)榇笠?guī)模風(fēng)電聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行關(guān)鍵技術(shù)，E-mail：lijunhui@nedu.edu.cn。