崔 楊，莊 妍，陳 志，仲悟之，崔成偉，趙鈺婷

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基于蓄熱式電鍋爐電-熱時移特性的棄風(fēng)消納方案經(jīng)濟性分析

崔 楊1，莊 妍1，陳 志2，仲悟之3，崔成偉4，趙鈺婷1

（1.東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司嘉興供電公司，浙江 嘉興 314000；3.中國電力科學(xué)研究院有限公司，北京 100192； 4.內(nèi)蒙古電力（集團）有限責(zé)任公司錫林郭勒電業(yè)局蘇尼特左旗供電分局，內(nèi)蒙古 錫林郭勒 011200）

針對我國“三北”地區(qū)冬季供暖期棄風(fēng)量巨大的問題，本文在分析蓄熱式電鍋爐電-熱時移特性的基礎(chǔ)上，考慮供暖期風(fēng)電棄風(fēng)特性及其與負荷的相關(guān)性，以及供熱面積、棄風(fēng)電量和供熱電價等因素，提出了基于蓄熱式電鍋爐和蓄熱式電鍋爐-熱電聯(lián)產(chǎn)的2種風(fēng)電供熱組合方案；從用戶側(cè)角度，建立了考慮社會綜合收益的棄風(fēng)消納組合供熱方案模型。計算結(jié)果表明，本文方案能夠在低谷時段消納更多棄風(fēng)，隨著風(fēng)電供熱成本的降低，本文2種方案的經(jīng)濟性均優(yōu)于常規(guī)供熱方案，而低谷電價降低程度的不同會改變本文方案的擇優(yōu)采用結(jié)果。

風(fēng)力發(fā)電；電-熱時移特性；蓄熱式電鍋爐；棄風(fēng)消納；風(fēng)電供熱；供熱方案；經(jīng)濟性

我國風(fēng)能資源豐富，主要集中在“三北”地區(qū)，近年來風(fēng)電裝機容量逐年增加，但風(fēng)電實際接入和消納的情況卻較差，棄風(fēng)問題十分嚴(yán)重[1]。2017年全國棄風(fēng)電量419億kW·h，“三北”地區(qū)棄風(fēng)電量占全國總量的98%，其中棄風(fēng)較嚴(yán)重的地區(qū)是甘肅、新疆、吉林和內(nèi)蒙古，棄風(fēng)率分別達到33%、29%、21%和15%[2]。為此，我國風(fēng)電“十三五”規(guī)劃的目標(biāo)是重點解決棄風(fēng)限電而不再是裝機和并網(wǎng)問題。

針對我國冬季供暖需求大且負荷水平較低的“三北”地區(qū)，一方面，冬季夜間風(fēng)大但電負荷低，而熱負荷與風(fēng)電出力的變化趨勢大致相同；另一方面，在負荷有限的條件下，保證供暖則無法保證風(fēng)電全額消納。由于“三北”地區(qū)電網(wǎng)以火電為主，靈活性差[3]，在冬季供暖期間，火電機組中占主導(dǎo)的熱電聯(lián)產(chǎn)機組“以熱定電”模式造成電網(wǎng)調(diào)峰能力不足，導(dǎo)致夜間低谷時段的大規(guī)模棄風(fēng)[4-7]。

風(fēng)電供熱是解決我國“三北”地區(qū)棄風(fēng)問題的有效途徑之一，不僅可以提高風(fēng)電消納能力，緩解傳統(tǒng)采暖燃煤污染等問題，還能提高電能占終端能源消費的比重。為此，我國明確推廣風(fēng)電供熱[8]，在吉林、內(nèi)蒙古等地建立風(fēng)電供熱試點項目[9]。文獻[10]研究了風(fēng)電供熱的原理，分析其對提高低谷風(fēng)電消納能力的作用及前景。文獻[11]給出了國內(nèi)外的風(fēng)電供熱方案，分析表明風(fēng)能-電鍋爐系統(tǒng)具有初始投資成本較低以及技術(shù)成熟的優(yōu)勢，目前通過電鍋爐完成電能轉(zhuǎn)化為熱能是風(fēng)電供熱的主要途徑。另外，國外學(xué)者也證明電鍋爐對加快新能源系統(tǒng)整合、減少CO2排放、節(jié)約成本具有重要意義[12]。

儲熱作為整個能源供熱系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，可較好地應(yīng)對風(fēng)電的間歇性和隨機波動性[13]。而蓄熱式電鍋爐是在電鍋爐的基礎(chǔ)上增加了儲熱環(huán)節(jié)，將熱能儲存起來用于其他時段的供熱，起消納風(fēng)電及削峰填谷的作用。文獻[14]對儲熱安裝位置不同（源側(cè)、荷側(cè)）所產(chǎn)生的效果進行了分析。文獻[15]提出電能易傳輸?shù)^難存儲，而熱能易存儲但較難傳輸。因此，在儲熱安裝位置上本文傾向于后者，即在負荷側(cè)安裝蓄熱式電鍋爐。文獻[16]對比3種棄風(fēng)消納方案，提出棄風(fēng)嚴(yán)重時，應(yīng)優(yōu)先發(fā)展蓄熱，將風(fēng)電供熱作為補充方案。

目前國內(nèi)已有很多文獻對風(fēng)電棄風(fēng)供熱進行了研究[17-19]，文獻[20]在電力市場中對蓄熱式電采暖消納棄風(fēng)進行了經(jīng)濟性分析。實際實施方面，國內(nèi)一些省市也出臺了鼓勵用戶使用風(fēng)電供熱的相關(guān)措施[21-22]，如吉林省采用蓄熱式電鍋爐清潔供暖，按供熱面積對其投資主體給予不低于28元/m2的補助；張家口市風(fēng)電供暖上網(wǎng)電價和過網(wǎng)費分別不高于0.05元/(kW·h)和0.1元/(kW·h)，總體不超過0.15元/(kW·h)。

然而，現(xiàn)有基于蓄熱式電鍋爐風(fēng)電供熱系統(tǒng)的研究或相關(guān)激勵措施，大多考慮消納棄風(fēng)的方法和效果，而對棄風(fēng)量不足時蓄熱式電鍋爐的風(fēng)電供熱方案研究較少。為此，本文基于實際數(shù)據(jù)分析供暖期風(fēng)電棄風(fēng)特性及其與負荷的相關(guān)性，定義并分析蓄熱式電鍋爐的電-熱時移特性，利用棄風(fēng)電量和蓄熱式電鍋爐將儲熱與風(fēng)電供熱相結(jié)合以達到充分消納棄風(fēng)的目的。針對棄風(fēng)量不足的情況，提出蓄熱式電鍋爐的兩種供熱組合方案，并給出方案選擇流程圖。通過算例分析，與常規(guī)供熱方案進行經(jīng)濟性比較，并結(jié)合未來電力市場的需求進行了分析。

1 蓄熱式電鍋爐電-熱時移特性分析

1.1 蓄熱式電鍋爐消納棄風(fēng)原理

在熱電聯(lián)產(chǎn)機組以熱定電的傳統(tǒng)供熱模式中，為保證全社會供暖需求，需保證機組發(fā)電出力維持在較高水平，而電網(wǎng)調(diào)峰能力有限，特別是夜間負荷水平較低時，不得不限制風(fēng)電出力來維持電力供需平衡，這樣對風(fēng)電的消納非常不利。

圖1為某調(diào)度日棄風(fēng)示意。在火電機組運行至最小出力水平時，電網(wǎng)可接納最多的風(fēng)電，即電網(wǎng)的最大風(fēng)電接納空間。圖1中的火電最小出力是指純供電的純凝式火電機組和供熱的熱電聯(lián)產(chǎn)機組最小出力之和。

圖1 某調(diào)度日內(nèi)棄風(fēng)示意

圖1中豎線陰影面積為風(fēng)電的接納空間，可計算為

式中，wind、load、h.min分別為所接納風(fēng)電功率、系統(tǒng)負荷和火電機組最小出力。

由于電網(wǎng)可接納風(fēng)電功率受火電機組出力下限值限制，當(dāng)可發(fā)風(fēng)電功率wind.N超過可接納風(fēng)電功率時會導(dǎo)致棄風(fēng)，棄風(fēng)功率qf可表示為

橫線陰影面積表示棄風(fēng)電量qf，可表示為

式中，為供暖期天數(shù)，S為第天的棄風(fēng)電量，qf.i()為第天時刻的棄風(fēng)功率，1、2分別為供暖期內(nèi)每天每次棄風(fēng)發(fā)生的始末時刻。

蓄熱式電鍋爐作為一種新型可控用電負荷，夜晚利用低谷時段棄風(fēng)電量進行直接供熱和蓄熱，白天利用儲存的熱能向用戶供熱，打破了以熱定電的限制，大大提高電網(wǎng)系統(tǒng)靈活性。這樣不僅可以充分利用過剩風(fēng)電，提高電網(wǎng)風(fēng)電消納能力，還能達到削峰填谷、節(jié)能減排的目的。

蓄熱式電鍋爐使用壽命長（20~25年），結(jié)構(gòu)簡單、供熱效率高；智能控制，無人工費用。常見蓄熱式電鍋爐有固體蓄熱式和水蓄熱式。本文選用固體蓄熱式電鍋爐，優(yōu)點是占地面積小，單位體積儲熱密度大，不需額外配備蓄熱設(shè)備。

1.2 電-熱時移特性

圖2為電-熱時移特性棄風(fēng)消納示意，2個坐標(biāo)圖互為映射，熱負荷為供暖期供熱負荷。為消納1-2時段的棄風(fēng)電量，考慮熱的存儲特性，將1-2時段的風(fēng)電轉(zhuǎn)換成熱1儲存起來，用于供給非棄風(fēng)時段的供熱需求2+3。由此，非棄風(fēng)時段的電負荷也將減少的部分2+3通過以熱定電產(chǎn)生對應(yīng)的電量，由此實現(xiàn)到在時間上的轉(zhuǎn)移。

在保證供熱需求前提下，到1實現(xiàn)了電熱能量之間的轉(zhuǎn)移，2+3到1實現(xiàn)了熱在時間上的轉(zhuǎn)移。通過熱負荷的時移實現(xiàn)電負荷的時移，本文將此特性定義為電-熱時移特性。

結(jié)合以上分析，某調(diào)度日內(nèi)的電-熱時移特性可表示為

式中：為電熱效率，3、4分別為非棄風(fēng)時段電負荷轉(zhuǎn)化成熱負荷的始末時刻，1為棄風(fēng)發(fā)生次數(shù)，2為非棄風(fēng)時段電負荷轉(zhuǎn)化成熱負荷的次數(shù)，qf.j()為第次時刻的棄風(fēng)功率，Q()為第次時刻的供熱功率。

圖2 電-熱時移特性棄風(fēng)消納示意

蓄熱式電鍋爐因其與熱電廠供給同一熱負荷用戶，所以在保證供熱質(zhì)量的前提下，利用電-熱時移特性，可降低熱電聯(lián)產(chǎn)機組強迫出力，減小負荷峰谷差，提高電網(wǎng)的風(fēng)電消納能力。利用蓄熱式電鍋爐進行風(fēng)電供熱提高風(fēng)電接納能力原理為

式中eb為蓄熱式電鍋爐負荷功率。

2 風(fēng)電棄風(fēng)特性及其與負荷相關(guān)性

采用“三北”地區(qū)某省2011—2012年冬季供暖期實測棄風(fēng)數(shù)據(jù)和實際電負荷數(shù)據(jù)，對棄風(fēng)特性及其與負荷的相關(guān)性進行分析，以此說明“三北”地區(qū)通過棄風(fēng)供熱從而消納棄風(fēng)的實際可行性，并確定蓄熱式電鍋爐的工作時間。

整個供暖期（20111025—20120410，169天）共有6 519個時段（15 min為1個時段）存在棄風(fēng)，約占供暖期總時段數(shù)40.18%，供暖期風(fēng)電棄風(fēng)量為307.9萬MW·h，占全年總棄風(fēng)量77.6%。

圖3為供暖期日內(nèi)各時段棄風(fēng)功率分布三維圖，由圖3可見，棄風(fēng)不僅存在于夜間低谷時段，也存在于各個時段，只不過在低谷時段棄風(fēng)發(fā)生次數(shù)較多，棄風(fēng)功率較大，并且棄風(fēng)具有不確定性。本文采用典型日棄風(fēng)實際數(shù)據(jù)分析和一般日棄風(fēng)概率分析2種方法來說明供暖期棄風(fēng)特性。典型日棄風(fēng)方式及負荷分析曲線如圖4所示，供暖期棄風(fēng)概率的日內(nèi)分布（各小時出現(xiàn)棄風(fēng)的時段數(shù)占供暖期總時段數(shù)的概率，總和為0.401 8 pu）如圖5所示，典型日熱負荷波動較小，故設(shè)為定值。

圖3 供暖期日內(nèi)各時段棄風(fēng)功率分布三維圖

圖4 典型日棄風(fēng)及負荷分布曲線

圖5 供暖期棄風(fēng)概率日內(nèi)分布

由圖4可見：24:00至次日6:00電負荷值最低，棄風(fēng)也出現(xiàn)在這個時段。且由圖5可見：1:00—7:00時段棄風(fēng)概率較高，而冬季供暖期熱負荷一般呈現(xiàn)夜晚需求大、白天需求小的特點。由此可知，電負荷低谷時段，正是發(fā)生棄風(fēng)的主要時段，這恰好與基于電-熱時移特性的蓄熱式電鍋爐用電規(guī)律相匹配，說明通過消納棄風(fēng)電量來解決冬季供暖需求的思路具有可行性。蓄熱式電鍋爐的運行方式分為固定時段運行和隨棄風(fēng)時段變化運行，2種運行方式消納棄風(fēng)效果和運行所需費用見表1，分時電價見表2。

表1 2種運行方式消納棄風(fēng)電量及運行所需費用對比

Tab.1 The abandoned wind power consumptions and operation costs of the two operation modes

表2 分時電價

Tab.2 The time-of-use price list

在隨棄風(fēng)時段變化運行方式下，每個時段的棄風(fēng)供熱的電價都依據(jù)該時段的實時電價（峰、谷、平電價）計算，而固定時段運行方式只需要使用谷段電價計算；由圖3—圖5及表1—表2可知，棄風(fēng)存在于各個時段且大多集中在負荷低谷時段，為了盡可能多消納棄風(fēng)的同時保證經(jīng)濟性，并充分利用其電-熱時移特性，將蓄熱式電鍋爐運行時間設(shè)定在低谷時段，即當(dāng)日23:00至次日7:00，其余時段電鍋爐只向外放熱。

3 棄風(fēng)消納供熱組合方案及其模型

本文方案基于冬季供暖需求全部由風(fēng)電供熱，由上節(jié)可知，棄風(fēng)發(fā)生具有不確定性，個別時段內(nèi)，棄風(fēng)電量甚至可完全滿足整日供熱需求；而某些時段內(nèi)則無棄風(fēng)或棄風(fēng)較少，無法完全滿足蓄熱式電鍋爐供熱的用電需求，此時不足部分需由其他能源來滿足。為此，本文提出2種蓄熱式電鍋爐的供熱組合方案，其棄風(fēng)消納方案選擇流程如圖6所示。由圖6可見：已知量為供暖期棄風(fēng)功率qf和電供熱所需用電量h，無棄風(fēng)采用目前的常規(guī)供熱方式；有棄風(fēng)，則根據(jù)電-熱時移特性定義，式(4)中棄風(fēng)電量與h比較大小。若≥h，則蓄熱式電鍋爐可完全使用棄風(fēng)進行供熱；若＜h，則進行供熱方案1和方案2的選擇。

圖6 棄風(fēng)消納方案選擇流程

方案1 僅利用蓄熱式電鍋爐。當(dāng)?shù)凸葧r段棄風(fēng)無法滿足供熱需求時，則需在低谷時段從電網(wǎng)購電來使蓄熱式電鍋爐供熱。

方案2 蓄熱式電鍋爐+熱電聯(lián)產(chǎn)。當(dāng)?shù)凸葧r段棄風(fēng)無法滿足供熱需求時，則采用熱電聯(lián)產(chǎn)替代電鍋爐直接供熱。

方案選擇的3個因素為供熱面積、棄風(fēng)電量以及供熱電價，可根據(jù)需要考慮的因素，對以上2個方案進行經(jīng)濟性對比，擇優(yōu)采用。

3.1 系統(tǒng)用電負荷計算模型

系統(tǒng)供熱一日所需用電量h，即系統(tǒng)一日最大程度消納棄風(fēng)電量的計算公式[17]為

式中：為采暖熱負荷指標(biāo)，W/m2；hot為供暖面積，m2；h為日供暖時間，h。

3.2 系統(tǒng)消納棄風(fēng)能力計算模型

本文風(fēng)電供熱系統(tǒng)消納棄風(fēng)的能力與低谷時段棄風(fēng)量有關(guān)。當(dāng)?shù)凸葪夛L(fēng)功率大于蓄熱式電鍋爐電功率eb時，僅利用棄風(fēng)就能滿足供熱的用電需求，但多余部分棄風(fēng)無法消納；當(dāng)?shù)凸葪夛L(fēng)功率小于eb時，雖能完全消納低谷棄風(fēng)，但無法滿足供熱的用電需求，系統(tǒng)還需要同時消耗其他能源。系統(tǒng)消納棄風(fēng)能力為

式中：qf為系統(tǒng)一日消納的棄風(fēng)電量，MW·h；qf.l.h為低谷時段第個采樣點的棄風(fēng)功率，MW；eb為一日蓄熱式電鍋爐工作時長；為所選時間尺度；為所選時間尺度下的數(shù)據(jù)采樣點數(shù)。

3.3 棄風(fēng)消納供熱組合方案計算模型

本文從用戶側(cè)角度出發(fā)，以社會綜合收益（效益與成本之差）最大為目標(biāo)函數(shù)，即

式中，p為系統(tǒng)效益，eb為蓄熱式電鍋爐投資成本，CHP為熱電聯(lián)產(chǎn)供熱成本（方案1中為0）。

3.3.1系統(tǒng)效益p

利用棄風(fēng)代替煤炭燃燒的棄風(fēng)供熱，其效益主要體現(xiàn)在風(fēng)電環(huán)境效益及節(jié)約燃煤量，

式中：f為風(fēng)電環(huán)境效益，元/(MW·h)；c為標(biāo)煤價格，元/t；為節(jié)約標(biāo)煤量，t。

3.3.2 蓄熱式電鍋爐投入成本eb

eb分為靜態(tài)投資成本eb.s和運行成本eb.w，

靜態(tài)投資成本包含一次性投資費用IC及退役殘值DC分攤到年內(nèi)的成本[18]；運行成本指供暖期蓄熱式電鍋爐運行用電費用，

式中：qf.n為系統(tǒng)一日消納的非棄風(fēng)電量（方案2中為0），MW·h；0為民用低谷電價（本文中低谷電價即為供熱電價），元/(kW·h)。

3.3.3熱電聯(lián)產(chǎn)供熱成本CHP

熱電聯(lián)產(chǎn)這部分的供熱費用按熱計量方式收費，供熱成本等于基本熱費與計量熱費之和：

式中：a為基本熱費單價，元/m2；b為計量熱費單價，元/(MW·h)。

3.3.4常規(guī)供熱成本hot

一般按1個采暖季的建筑面積來收費，則常規(guī)供熱成本計算為

式中，r為常規(guī)供暖價格，元/m2。

3.3.5未來電力市場影響因子

本文將未來電力市場條件改變對模型中效益、成本的影響，采用參數(shù)表示，={12345,6}。

標(biāo)煤價格：

靜態(tài)投資成本：

運行成本：

CHP供熱成本：

常規(guī)供熱成本：

風(fēng)電環(huán)境效益：

式中：1為標(biāo)煤價格的環(huán)比，由國家發(fā)改委價格監(jiān)測中心可得；2為政府提供的優(yōu)惠補貼單價，元/m2；3為民用電價的變化率；4為熱電聯(lián)產(chǎn)供熱成本的年變化率；5為常規(guī)供暖價格的年變化率；6為風(fēng)電環(huán)境效益的變化率。

4 應(yīng)用實例

4.1 計算條件

以東北某市級電網(wǎng)總裝機容量為348.7 MW的8個風(fēng)電場實際棄風(fēng)數(shù)據(jù)為例，分析2種供熱方案的經(jīng)濟性，并與常規(guī)供熱方案進行比較。給定計算條件如下。

1）供暖條件，見表3。

表3 供暖條件

Tab.3 The heating conditions

2）蓄熱式電鍋爐參數(shù)

依據(jù)供熱面積選用11臺固體蓄熱式電鍋爐（技術(shù)參數(shù)見表4）。使用壽命取20年，電熱轉(zhuǎn)化效率為98%，初期投資成本為325萬元×11，退役殘值為178.75萬元，靜態(tài)投資成本為169.8萬元。

表4 單臺電鍋爐主要技術(shù)參數(shù)

Tab.4 Main technical parameters of the single regenerative electric boiler

3）其他參數(shù)

風(fēng)電環(huán)境效益為230元/(MW·h)[23]，1度電約需要360 g標(biāo)準(zhǔn)煤，標(biāo)準(zhǔn)煤平均價格為535元/t[24]。

4.2 計算結(jié)果

將各參數(shù)數(shù)據(jù)應(yīng)用于本文棄風(fēng)消納供熱組合方案模型，供暖期消納棄風(fēng)電量如圖7所示。

圖7 供暖期消納棄風(fēng)電量

由圖7可以看出：1個供暖期消納棄風(fēng)電量為6 659.6 MW·h，占供暖期低谷時段棄風(fēng)總量的34.84%，占整個供暖期棄風(fēng)總量的28.02%，相當(dāng)于節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤2 125 t，折合減少CO2排放量5 311 t。

4.2.1經(jīng)濟性分析

本文2種風(fēng)電供熱方案及常規(guī)供熱方案1個供暖期的經(jīng)濟性對比見表5。由表5可知，本文2種風(fēng)電供熱方案中方案2（蓄熱式電鍋爐+熱電聯(lián)產(chǎn)）綜合收益較優(yōu)，更適用于本文算例；2種方案成本均較常規(guī)供熱方案高，即使有一定的風(fēng)電環(huán)境效益和節(jié)煤效益，綜合起來也高于常規(guī)供熱，這主要體現(xiàn)在運行成本方面，實質(zhì)上就是低谷電價。

表5 供熱方案經(jīng)濟性對比

Tab.5 The economy comparison of the heating schemes

4.2.2未來市場需求經(jīng)濟性分析

由上節(jié)結(jié)果可知，目前電力市場環(huán)境下風(fēng)電供熱模式的經(jīng)濟性較差，成本價格是阻礙風(fēng)電供熱發(fā)展和影響其經(jīng)濟性的主要因素。因此，本文從3個方面對未來電力市場需求進行分析。

1）激勵政策 隨著風(fēng)電上網(wǎng)資源的豐富，社會的進步以及國家政策的開放，風(fēng)電供熱必將受到許多優(yōu)惠補貼[20]，整個系統(tǒng)效益也將逐漸提高。

2）價格機制 風(fēng)電供熱基本方式為風(fēng)電企業(yè)低價向電網(wǎng)出售供熱總用電量，電網(wǎng)收取輸電費用并將電量轉(zhuǎn)供給供熱單位?，F(xiàn)今出現(xiàn)由市場供需和成本來確定風(fēng)電供熱價格的新型價格機制[21]，將有利于消納更多棄風(fēng)。

3）運營模式 目前電力市場的調(diào)控手段仍比較單一，且電價不能隨意改變。此外，風(fēng)電、電網(wǎng)、供熱是3個獨立的利益?zhèn)€體，相互間的利益難以協(xié)調(diào)。隨著電力改革深入及市場機制逐步完善，風(fēng)電、電網(wǎng)和供熱同屬一個利益共同體的運營模式將成為常態(tài)，這樣省去中間交易過程，售電價格將省去各方調(diào)控的約束，市場自由度也將逐步擴大。

上述3方面因素相互作用的結(jié)果將直接體現(xiàn)為風(fēng)電供熱成本價格的變化。表6為未來市場需求下模型中成本的變化趨勢，以低谷電價下降趨勢百分比為自變量，重新計算方案1和方案2與常規(guī)方案的綜合收益對比，不同低谷電價對綜合收益差的影響如圖8所示。

表6 未來市場需求下模型中成本的變化趨勢

Tab.6 Changing trends of the cost in model in the future market demand

圖8 低谷電價不同對綜合收益差的影響

圖8中2條直線分別代表方案1和方案2與常規(guī)方案的綜合收益差。由圖8可以看出：當(dāng)縱坐標(biāo)綜合收益差為0時，方案1和方案2的橫坐標(biāo)分別為51.11%和13.26%，即當(dāng)?shù)凸入妰r分別降低至當(dāng)前價格的51.11%（0.143 0元/(kW·h)）和13.26%（0.037 1元/(kW·h)）時，方案1和方案2的綜合收益與常規(guī)方案相同；當(dāng)?shù)凸入妰r分別小于51.11%和13.26%時，2個方案各自的綜合收益將高于常規(guī)方案；2條直線存在交點，當(dāng)?shù)凸入妰r下降百分比小于該交點橫坐標(biāo)57.26%（0.160 2元/(kW·h)）時，方案1的綜合收益優(yōu)于方案2，反之，方案2的綜合收益優(yōu)于方案1。以上分析表明，低谷電價的降低會提高本文方案的社會綜合收益，且低谷電價降低程度的不同會影響本文方案的擇優(yōu)采用結(jié)果。

事實上，目前我國部分地區(qū)已經(jīng)出臺了相關(guān)電價補貼政策，用以降低電供熱成本。如北京市實施“煤改電”政策，居民在采暖季享受補貼后的低谷電價為0.1元/(kW·h)[25]。若以此價格進行計算，方案1和方案2的社會綜合收益分別為–365.62萬元和–612.84萬元，與表5結(jié)果相比本文方案綜合收益大大提高，且方案1綜合收益高于常規(guī)方案。

隨著風(fēng)電技術(shù)的日益成熟及電力市場的逐步優(yōu)化，風(fēng)電供熱系統(tǒng)所需電能全部由低谷時段棄風(fēng)提供時，因存在消納棄風(fēng)所帶來的風(fēng)電環(huán)境效益，所以低谷電價只要低于0.500 2元/(kW·h)，風(fēng)電供熱經(jīng)濟性（社會綜合收益）就優(yōu)于常規(guī)供熱方案。

目前國家大力推廣風(fēng)電供熱的清潔供暖方式，更多地利用棄風(fēng)能帶來更高的環(huán)境減排效益，則社會綜合收益也將大幅增加，形成良性循環(huán)。

5 結(jié) 論

1）本文提出的2種風(fēng)電供熱方案能有效消納棄風(fēng)，實例計算表明，1個供暖期消納棄風(fēng)電量為6 659.6 MW·h，占低谷時段棄風(fēng)總量的34.84%，占整個供暖期棄風(fēng)總量的28.02%，相當(dāng)于節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤2 125 t，折合減少CO2排放量5 311 t。

2）低谷電價的降低會提高本文方案的社會綜合收益，當(dāng)棄風(fēng)量不足時，低谷電價降低程度的不同會影響本文方案的擇優(yōu)結(jié)果；當(dāng)風(fēng)電供熱系統(tǒng)所需的電能全部由棄風(fēng)提供時，低谷電價只要低于0.500 2元/(kW·h)，風(fēng)電供熱的經(jīng)濟性就優(yōu)于常規(guī)供熱方案。在未來電力市場需求下，本文方案的經(jīng)濟性將逐步顯現(xiàn)并優(yōu)于常規(guī)供熱方案。

［1］ 周強, 汪寧渤, 何世恩, 等. 高棄風(fēng)棄光背景下中國新能源發(fā)展總結(jié)及前景探究[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2017, 45(10): 146-154. ZHOU Qiang, WANG Ningbo, HE Shien, et al. Summary and prospect of China’s new energy development under the background of high abandoned new energy power[J]. Power System Protection and Control, 2017, 45(10): 146-154.

［2］ 國家能源局. 2017年風(fēng)電并網(wǎng)運行情況[EB/OL]. [2018-02-01]. http://www.nea.gov.cn/201802/01/c_1369 42234.htm. National Energy Administration. Wind power grid operation in the first half of 2017[EB/OL]. [2018-02-01]. http://www.nea.gov.cn/2018-02/01/c_136942234.htm.

［3］ 李春山, 任普春, 吳姜. 扎魯特直流對吉林省風(fēng)電消納影響研究[J]. 東北電力大學(xué)學(xué)報, 2018, 38(6): 1-8. LI Chunshan, REN Puchun, WU Jiang. The study on the impact of wind power consumption in Jilin province from Zhalute DC[J]. Journal of Northeast Dianli University, 2018, 38(6): 1-8.

［4］ 劉吉臻. 大規(guī)模新能源電力安全高效利用基礎(chǔ)問題[J]. 中國電機工程學(xué)報, 2013, 33(16): 1-8. LIU Jizhen. Basic issues of the utilization of large-scale renewable power with high security and efficiency[J]. Proceedings of the CSEE, 2013, 33(16): 1-8.

［5］ 朱凌志, 陳寧, 韓華玲. 風(fēng)電消納關(guān)鍵問題及應(yīng)對措施分析[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2011, 35(22): 29-34. ZHU Lingzhi, CHEN Ning, HAN Hualing. Key problems and solutions of wind power accommodation[J]. Automation of Electric Power Systems, 2011, 35(22): 29-34.

［6］ 呂泉, 王偉, 韓水, 等. 基于調(diào)峰能力分析的電網(wǎng)棄風(fēng)情況評估方法[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2013(7): 1887-1894. LV Quan, WANG Wei, HAN Shui, et al. A new evaluation method for wind power curtailment based on analysis of system regulation capability[J]. Power System Technology, 2013(7): 1887-1894.

［7］ 劉波, 賀志佳, 金昊. 風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]. 東北電力大學(xué)學(xué)報, 2016(2): 7-13. LIU Bo, HE Zhijia, JIN Hao. Wind power status and development trends[J]. Journal of Northeast Dianli University, 2016(2): 7-13.

［8］ 國家能源局綜合司. 國家能源局綜合司關(guān)于開展風(fēng)電清潔供暖工作的通知(國能綜新能〔2015〕306號) [EB/OL]. [2015-06-05]. http://zfxxgk.nea.gov.cn/auto87 /201506/t20150615_1938. htm. Comprehensive Department of National Energy Administration. Notice on the work of clean heating using wind power (No. 306, 2015) [EB/OL]. [2015-06-05]. http://zfxxgk.nea.gov.cn/auto87/201506/t 20150615_1938.htm.

［9］ 王建強. 中電投內(nèi)蒙古四子王旗風(fēng)電供熱項目介紹及示范作用[J]. 華電技術(shù), 2014, 36(7): 32-33. WANG Jianqiang. Introduction of CPI inner Mongolia Siziwang banner wind power heat supply project and its demonstration effect[J]. Huadian Technology, 2014, 36(7): 32-33.

［10］ 王彩霞, 李瓊慧, 謝國輝. 風(fēng)電供熱提高低谷風(fēng)電消納能力評估[J]. 中國電力, 2013, 46(12): 100-106. WANG Caixia, LI Qionghui, XIE Guohui. Evaluation of wind power heating in facilitating wind power integration capability during valley load period[J]. Electric Power, 2013, 46(12): 100-106.

［11］ 許夢瑩, 蔣東翔. 風(fēng)電供熱系統(tǒng)的能源利用率和經(jīng)濟性分析[J]. 可再生能源, 2015, 37(8): 42-47. XU Mengying, JIANG Dongxiang. Energy efficiency and economic analysis of wind power heating system[J]. Renewable Energy Resources, 2015, 37(8): 42-47.

［12］ DIANA B, MARIO G, MYRTO T, et al. Control power provision with power-to-heat plants in systems with high shares of renewable energy sources: an illustrative analysis for Germany based on the use of electric boilers in district heating grids[J]. Energy, 2015(82): 157-167.

［13］ 鄭國太, 李昊, 趙寶國, 等. 基于供需能量平衡的用戶側(cè)綜合能源系統(tǒng)電/熱儲能設(shè)備綜合優(yōu)化配置[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2018, 46(16): 8-18. ZHENG Guotai, LI Hao, ZHAO Baoguo, et al. Comprehensive optimization of electrical/thermal energy storage equipments for integrated energy system near user side based on energy supply and demand balance[J]. Power System Protection and Control, 2018, 46(16): 8-18.

［14］ 陳磊, 徐飛, 王曉, 等. 儲熱提升風(fēng)電消納能力的實施方式及效果分析[J]. 中國電機工程學(xué)報, 2015, 35(17): 4283-4290. CHEN Lei, XU Fei, WANG Xiao, et al. Implementation and effect of thermal storage in improving wind power accommodation[J]. Proceedings of the CSEE, 2015, 35(17): 4283-4290.

［15］ 徐飛, 閔勇, 陳磊, 等. 包含大容量儲熱的電-熱聯(lián)合系統(tǒng)[J]. 中國電機工程學(xué)報, 2014, 34(29): 5063-5072. XU Fei, MIN Yong, CHEN Lei, et al. Combined electricity-heat operation system containing large capacity thermal energy storage[J]. Proceedings of the CSEE, 2014, 34(29): 5063-5072.

［16］ 呂泉, 李玲, 朱全勝, 等. 三種棄風(fēng)消納方案的節(jié)煤效果與國民經(jīng)濟性比較[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2015, 39(7): 75-83. LV Quan, LI Ling, ZHU Quansheng, et al. Comparison of coal-saving effect and national economics indices of three feasible curtailed wind power accommodating strategies[J]. Automation of Electric Power Systems, 2015, 39(7): 75-83.

［17］ 賀惠民, 王海燕, 任杰, 等. 利用風(fēng)電棄風(fēng)電量進行電能替代冬季供熱的可行性研究[J]. 華北電力技術(shù), 2016(1): 1-5. HE Huimin, WANG Haiyan, REN Jie, et al. Study on wind power accommodation by using curtailed wind power to heat for power alternative[J]. North China Electric Power, 2016(1): 1-5.

［18］ 孫勇, 嚴(yán)干貴, 鄭太一, 等. 電力市場背景下蓄熱式電采暖消納棄風(fēng)的經(jīng)濟性分析[J]. 儲能科學(xué)與技術(shù), 2016, 5(4): 532-538. SUN Yong, YAN Gangui, ZHENG Taiyi, et al. Economic analysis of electrical heating with heat storage using grid integrated wind power[J]. Energy Storage Science and Technology, 2016, 5(4): 532-538.

［19］ 崔楊, 陳志, 嚴(yán)干貴, 等. 基于含儲熱熱電聯(lián)產(chǎn)機組與電鍋爐的棄風(fēng)消納協(xié)調(diào)調(diào)度模型[J]. 中國電機工程學(xué)報, 2016, 36(15): 4072-4080. CUI Yang, CHEN Zhi, YAN Gangui, et al. Coordinated wind power accommodating dispatch model based on electric boiler and CHP with thermal energy storage[J]. Proceedings of the CSEE, 2016, 36(15): 4072-4080.

［20］ 吉林省人民政府. 吉林省人民政府辦公廳轉(zhuǎn)發(fā)省能源局等部門關(guān)于推進電能清潔供暖實施意見的通知(吉政辦發(fā)〔2017〕49號)[EB/OL]. [2016-06-20]. http:// xxgk. jl.gov.cn/szf/gkml/201706/t20170623_2500165. html?from=timeline&isappinstalled=0.

People’s Government of Jilin Province. Notice on advancing the implementation of energy clean heating (No.49, 2017)[EB/OL]. [2016-06-20]. http://xxgk.jl.gov. cn/szf/ gkml/201706/t 20170623_2500165.html?from=timeline &isappinstalled=0.

［21］ 河北省發(fā)改委. 關(guān)于征求《張家口風(fēng)電供暖實施方案》意見的函[EB/OL]. [2016-06-20]. http://www.hbdrc.gov. cn/web/web/nyj_xnyc_gzdt/4028818b5bae62e1015 bd72b9 bc75d3f.ht. Hebei Development and Reform Commission. Letter on the consultation on the implementation plan of Zhangjiakou wind power heating[EB/OL]. [2016-06-20]. http://www.hbdrc.gov.cn/web/web/nyj_xnyc_gzdt/40288 18b5bae62e1015bd72b9bc75d3f. ht.

［22］ 北京市煤氣熱力工程設(shè)計院. 城市熱力網(wǎng)設(shè)計規(guī)范: CJJ 34—2010[S]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2010: 21-30. Beijing Gas and Heating Engineering Design Institute. Design code of district heating network: CJJ 34—2010[S]. Beijing: China Architecture & Building Press, 2010: 21-30.

［23］ 嚴(yán)干貴, 劉嘉, 崔楊, 等. 利用儲能提高風(fēng)電調(diào)度入網(wǎng)規(guī)模的經(jīng)濟性評價[J]. 中國電機工程學(xué)報, 2013, 33(22): 45-52. YAN Gangui, LIU Jia, CUI Yang, et al. Economic evaluation of improving the wind power scheduling scale by energy storage system[J]. Proceedings of the CSEE, 2013, 33(22): 45-52.

［24］ 國家發(fā)改委. 中國電煤價格指數(shù)[EB/OL]. [2016-06-20]. http://jgjc.ndrc.gov.cn/zgdmjgzs.aspx?clmId= syjgzs6. National Development and Reform Commission. China coal electricity price index[EB/OL]. [2016-06-20]. http:// jgjc.ndrc.gov.cn/zgdmjgzs.aspx?clmId=syjgzs6.

［25］ 北京市環(huán)境保護局. 關(guān)于完善北京城鎮(zhèn)居民“煤改電” “煤改氣”相關(guān)政策的意見[EB/OL]. http://www. bjepb. gov. cn/bjhrb/xxgk/fgwj/qtwj/hbjfw/604463/ index. html. Beijing Municipal Environment Protection Bureau. Suggestions on improving the policy of “coal to electricity” and “coal to gas” in Beijing urban residents[EB/OL]. [2016-06-20]. http://www.bjepb.gov.cn/ bjhrb/xxgk/fgwj/qtwj/ hbjfw/604463/index.html.

Economic analysis of abandoned wind power consumption schemes based on electric-thermal time shift characteristics of regenerative electric boiler

CUI Yang1, ZHUANG Yan1, CHEN Zhi2, ZHONG Wuzhi3, CUI Chengwei4, ZHAO Yuting1

(1. School of Electrical Engineering, Northeast Electric Power University, Jilin 132012, China; 2. Jiaxing Power Supply Company, State Grid Zhejiang Electric Power Company, Jiaxing 314000, China; 3. China Electric Power Research Institute Co.,Ltd., Beijing 100192, China; 4. Inner Mongolia Power (Group) Co., Ltd., Xilingol Electric Power Bureau Sunite Right Power Supply Branch, Xilingol 011200, China)

Aiming at the issue of a huge amount of wind power abandonment in winter heating period in the "Three North regions" in China, two wind power heating schemes, based on regenerative electric boiler (REB) and REB with combined heat and power generation (CHP), were proposed, by analyzing the electric-thermal time shift characteristics of the REB and taking into account the characteristics of abandoned wind power and its correlation with the load, as well as factors such as heating area, abandoned wind power and heating power price. From the perspective of the user side, a model of abandoned wind consumptive combination heating scheme that considers comprehensive social benefits was established. The results show that, the proposed schemes can consume more winds during low power output periods. With the reduction of wind power heating cost, the economy of the proposed schemes will be superior to the conventional heating schemes, and the difference of reduction degrees of electricity price during low power output periods will change the preferential consequence.

wind power generation, electric-thermal time shift characteristics, regenerative electric boiler, abandoned wind power consumption, wind power heating, heating scheme, economy

National Natural Science Foundation of China (51777027); The “13th Five-Year” Scientific Research Planning Project of Department of Education of Jilin Province (JJKH20170099KJ)

崔楊(1980—)，男，博士，教授，主要研究方向為電力系統(tǒng)運行分析及新能源聯(lián)網(wǎng)發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)，cuiyang0432@163.com。

TK82

A

10.19666/j.rlfd.201810190

崔楊, 莊妍, 陳志, 等. 基于蓄熱式電鍋爐電-熱時移特性的棄風(fēng)消納方案經(jīng)濟性分析[J]. 熱力發(fā)電, 2019, 48(6): 9-17. CUI Yang, ZHUANG Yan, CHEN Zhi, et al. Economic analysis of abandoned wind power consumption schemes based on electric-thermal time shift characteristics of regenerative electric boiler[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(6): 9-17.

2018-10-25

國家自然科學(xué)基金項目(51777027)；吉林省教育廳“十三五”科學(xué)研究規(guī)劃項目(JJKH20170099KJ)

莊妍(1994—)，女，碩士研究生，zhuangyanjyjy@163.com。

（責(zé)任編輯 杜亞勤）