电力市场背景下蓄热式电采暖消纳弃风的经济性分析

孙 勇，严干贵，郑太一，封 科，杨国新，李军徽，王宗宝



电力市场背景下蓄热式电采暖消纳弃风的经济性分析

孙 勇1，严干贵2，郑太一1，封 科2，杨国新1，李军徽2，王宗宝2

（1国网吉林省电力有限公司，吉林 长春 130021；2东北电力大学电气工程学院，吉林 吉林132012）

针对冬季供热期我国北方地区因电网风电接纳能力不足导致的严重弃风问题，研究了电力市场背景下采用蓄热式电采暖提高电网风电消纳规模的经济性评估问题，考虑弃风电量、弃风电价等因素影响，建立了弃风蓄热式电采暖系统的经济性评估模型，分析了影响蓄热式电采暖系统经济性的关键因素。结合某清洁供暖示范工程进行算例分析，分析了协定弃风电价对系统经济性的影响，对所提出的经济性评估模型的有效性进行验证，为蓄热式电采暖可行性分析奠定了理论基础。

弃风；蓄热式电采暖；风电消纳；经济性评估

我国风能资源丰富，主要集中在“三北”地区，风电装机容量快速增加，截至2014年底，我国并网风电装机容量96.37 GW[1]，全国弃风比例为8%，其中吉林和新疆高达15%。主要由于“三北”地区电网以火电为主，电网灵活性差，在冬季供暖期间，热电联产机组“以热定电”模式运行[2]，机组向下调峰能力不足，导致夜间低谷时段大规模“弃风”[3-4]。

蓄热式电采暖是解决弃风问题的有效手段之 一[5-6]，为解决我国风电的消纳问题，国家已经出台了一些措施，明确指出要推广风电供热[7-8]，优化电网运行管理，着力提高风电在电力消费中的比重。目前我国已建设了吉林洮南供热项目、内蒙古华电辉腾锡勒供热项目等多项清洁供暖示范工程[9-10]。风电供热本质为蓄热式电采暖，其经济性是影响蓄热式电采暖的关键因素。

随着电力市场改革的不断深化，我国将逐步在售电侧引入竞争机制，完善电价体系[11]。其中开展和实行大用户直购电具有重要的意义，蓄热式电采暖符合大用户直购电的准入条件，研究电力市场条件下蓄热式电采暖的经济性具有积极影响。近些年来，关于蓄热式电采暖的经济性研究仍鲜有报道，仅从蓄热式电采暖提高风电消纳能力角度做了可行性分析。文献[12]提出了利用在热电厂增设电热锅炉解耦“以热定电”的方法，并分析了节煤效益。文献[13]比较了蓄热、风电供暖和抽水储能3种可行弃风消纳方案，提出在当前弃风现象非常严重的情况下，应优先发展蓄热，将风电供热方案作为补充消纳手段。文献[14]中，通过引入广泛使用的空调热泵，在考虑集中供热管道的延时特性的情况下，提出一种综合热电控制方法，研究表明，该方法可增加风电上网电量13%，同时节能效果显著，每日可减少标煤消耗917 t。文献[15]对当前实施的风电供热试点工程进行了经济性分析，但试点工程通常按照分时电价运行，为了节约运行成本往往选择在低谷电价时刻满功率运行，并不能充分发挥蓄热式电采暖消纳“弃风”的能力，同时也没能分析影响经济性的因素。

本工作提出在电力市场环境下，利用蓄热式电采暖为地区供暖，弃风就地消纳的同时达到了地区供暖减排的目的[16]。首先分析了蓄热式电采暖提高风电消纳能力的机理，其次建立了电力市场环境下蓄热式电采暖消纳风电的经济性评估模型，并分析了影响蓄热式电采暖系统的关键因素，最后利用所建经济性模型对某地供暖项目进行了算例分析，结果表明本工作所提方案能有效缓解弃风状况。同时分析了协定弃风电价对蓄热式电采暖经济性的影响，验证了所提经济模型的合理性。

1 蓄热式电采暖提高风电消纳机理

电力系统往往需要预留额外的调控容量以应对大规模风电波动，但是在以火电调峰为主的电力系统中，在有些时段（如冬季负荷低谷时段），其向下调峰容量非常有限，导致风电难以并网消纳，从而迫使大规模风电弃风。

蓄热式电采暖是指利用蓄热式电锅炉作为热源替代燃煤锅炉供暖的一种新型可控用电负荷，利用蓄热系统的热惯性，使其在不影响供热质量前提下参与电力系统调峰，减小电力系统负荷峰谷差，提高电力系统的风电消纳能力，其联网供暖示意如图1所示。

图2给出了以火电调峰为主的电力系统中蓄热式电采暖提高系统风电接纳效果示意图，图中gmax、gmin分别为电力系统中火电机组出力上、下限值，L.max、L.min分别为系统负荷最大、最小

值，蓄热式电采暖系统在22∶00—05∶00期间启用加热，其余时段不加热，绿色、红色曲线分别 为蓄热电采暖负荷启用前后系统负荷曲线，Dwind为蓄热式电采暖负荷启用后电网多接纳风电功率，蓄热式电采暖系统功率越大，电网可接纳风电功率 越大。

由图2可知，不考虑网损和局部线路输电阻塞，利用蓄热式电采暖负荷提高电网风电接纳原理如式(1)所示

式中，load、wind、eh分别为系统负荷、所接纳风电功率及蓄热式电采暖负荷功率。

对于给定的机组组合方式，电网可接纳风电功率受火电机组出力下限值限制，由风力资源决定的风电功率定义为可发风电功率wind.N，当可发风电功率超过可接纳风电功率时会导致弃风，弃风功率定义如式(2)所示

当出现弃风时，蓄热式电采暖负荷启动运行，其消纳的弃风功率计算如式(3)所示

式中，ab()、eh()分别为时刻弃风功率和蓄热式电采暖运行功率。

供暖期消纳弃风电量计算如式(4)～(5)所示

式中，1k、2k分别为蓄热式电采暖每天运行的初末时刻；为采暖期天数；为第天供热量，MW·h；hot()为时刻的供热功率，与供热面积和室内外温差有关；为蓄热式电采暖的电热效率，考虑了蓄热式电锅炉和输热管道热损失。

由式(1)～(5)可知，蓄热式电采暖在发生弃风时段运行能够消纳弃风，消纳弃风的量不仅与弃风功率和蓄热式电采暖运行功率有关，还与弃风持续时间有关。当弃风功率超过蓄热式电采暖运行功率时仍然会发生弃风。

2 电力市场环境下蓄热式电采暖的经 济性评估模型

通常大用户与发电企业之间协商签订合同，双方一般不规定具体时段的电能交易情况。在合同期内，电网公司要保证所签订的合同电量按照合同协定电价进行结算，其余部分按电网的相应报价进行。依据《关于完善电力用户与发电企业直接交易试点工作有关问题的通知》，蓄热式电采暖符合“大用户直购电”的准入条件，通过直接与风电场协商，以协定电价购入弃风电，电网只收取输配电成本，其余部分电量按分时电价从电网购入。

蓄热式电采暖结算关系如图3所示，蓄热式电采暖经济评估模型如式(6)所示。

式中，inc为蓄热式电采暖综合收益，pay为蓄热式电采暖成本。

蓄热式电采暖综合收益分为供暖收益和节能减排收益两部分。

式中，hot为售热收益；为蓄热式电采暖供暖面积，m2；hot为供暖收费，元/m2。

式中，jp为节能减排收益，jp为节能减排补贴单价，元/ MW·h。

蓄热式电采暖成本分为静态投资成本和运行成本两部分。

式中，pay.s为静态投资成本；pay.r为运行成本。

静态投资成本主要指将初投资成本IC及退役残值DC分摊到寿命期年内的成本（本文按均摊考虑，不考虑资金的时间价值特性），计算如式(11)～(12)所示

式中，eh.N为购置蓄热式电锅炉总额定功率，MW，eh.N为购置蓄热式电锅炉总额定容量，MW·h，、分别为蓄热式电锅炉的单位造价，元/MW 、元/MW·h，为一常数。

运行成本是指整个供暖期蓄热式电锅炉运行所消耗电量对应的成本，计算如式(13)所示

式中，ab、n分别为蓄热式电采暖消耗的弃风电量和非弃风电量，与蓄热式电锅炉运行功率eh()、弃风功率ab()及供热功率hot()等有关，MW；agr、n分别表示与风电场签订的协定电价和民用电价， 元/kW·h；td表示电网公司输配电成本，元/kW·h。

3 蓄热式电采暖系统经济性影响因素分析

蓄热式电采暖系统的经济评估模型由式(6)～(13)构成，整理如式(14)所示

由式(14)可知，蓄热式电采暖系统的综合收益是关于7个价格的变量：hot、jp、Peh.N、Qeh.N、agr、C、td；3个供热状况变量：、、hot()；5个蓄热式电采暖系统状况变量：eh.N、eh.N、、eh()、及1个协定风电场弃风状况变量：ab()，共16个变量的非线性函数。

一般而言，一个供热项目确定后hot、jp、Peh.N、Qeh.N、n、td、、、eh.N、eh.N、都将确定，则蓄热式电采暖系统的综合收益将变成agr、hot()、eh()、ab()的非线性函数，如式(15)所示，为常数。

hot()由天气温度等确定，ab()由风力资源、电网负荷大小等因素确定。随着预测技术的进步，hot()、ab()可认为是确定时，则蓄热式电采暖系统的综合收益为运行状态的变量eh()和协定电价agr的非线性函数，如式(16)所示，其中、、为常数。

蓄热式电采暖系统的运行状态eh()决定了其消纳弃风电量ab，协定电价agr直接决定了收购弃风电量ab的成本。因此运行状态eh()和协定弃风电价agr是影响蓄热式电采暖系统经济性的关键因素，研究运行状态eh()和协定弃风电价agr对蓄热式电采暖系统的综合收益的影响至关重要。

4 算例分析

4.1 算例简介

以某清洁供暖示范工程为例分析弃风蓄热供热系统经济性，给定计算条件如下。

（1）供热条件。①供暖期：2013.11.1— 2014.4.30，共181天；②供热面积：20万m2；③供热负荷曲线：单位面积供热负荷曲线如图4所示，整区日热负荷曲线如图5所示；④供暖价格：20.375元/m2；因政府尚未能出台相关政策，节能减排补贴单价取为0。

（2）蓄热式电采暖系统参数。①蓄热式电采暖系统由9台电锅炉（其技术参数见表1）构成；②电热转化效率：=95%；③管网散热损失：5%；④蓄热式电采暖系统静态投资成本：100万元，取20、初期投资成本250万×9、退役残值250万；⑤与风电场协议电价：0.29535元/kW·h；

蓄热式电采暖系统运行分为两种运行模式：低谷时段全功率制热、蓄热供给全天供暖模式；弃风时段经济运行模式，即协定风电场弃风时启动运行模式，弃风电量不足时购买电网电量以满足供暖 需求。

图6为供暖期某天蓄热式电采暖系统分别采用模式1和模式2的运行状况示意图，图中可以看出在满足供暖的前提下蓄热式电采暖系统以模式2运行比模式1消纳的弃风量多。

（3）其它参数。①协定风电场总装机400 MW，弃风状况如图7所示；②电网公司输配电成本对应收取容量电费为0.11元/kW·h；分时电价见表2。

表1 示范工程单台电锅炉主要技术参数

表2 分时电价表

4.2 消纳弃风分析

本工作以整个供热期（2013年11月1日—2014年4月30日）为例，分析了蓄热式电锅炉系统在模式1、模式2两种运行模式下弃风消纳情况，所对应的弃风如图8、图9所示。

对比图8和图9可以看出，蓄热式电采暖系统不同的运行模式其消纳弃风电量大不相同。由于弃风本身的不确定性，协定风电场弃风并未能满足蓄热式电采暖系统的供热需求，两种模式运行下，蓄热式电采暖用电情况见表3。

表3 电锅炉系统促进风电接纳电量

4.3 经济性评估

两种不同模式下，蓄热式电采暖系统通过从风电场直购弃风供暖，整个供暖期经济效益见表4。蓄热式电采暖整个供暖期综合经济亏损分别为494.93万元和519.02万元，主要原因为运行电价较高以及政府目前仍然没有相应的环境补贴政策。

表4 蓄热式电采暖供暖期经济性效益

在电力市场环境下，蓄热式电采暖系统通过与风电场协商，降低弃风协定电价，可以进一步降低运行成本，提高综合收益，如图10所示。对于模式1，因消纳弃风电量少，即使协定弃风电价等于零，蓄热式电采暖系统都将亏损。对于模式2，随着电价的逐步降低，蓄热式电采暖系统逐步扭亏为盈，当调整协定弃风价格为0.014元/kW·h时，蓄热式电采暖系统达到利益平衡点。

电力市场的逐步完善将会促使蓄热式电采暖系统运行完全由弃风承担，如图10中100%弃风模式所示，此时电价0.045元/kW·h时达到盈亏平衡。随着国家对雾霾问题的重视，蓄热式电采暖将会得到推广，蓄热式电采暖节能减排的功能将会得到一定的补贴，其经济效益也能够得到大幅度改善。

5 结 论

针对冬季供热期我国北方地区因电网调峰容量不足导致的严重弃风问题，提出了利用蓄热式电采暖技术消纳弃风方案，建立了电力市场背景下蓄热式电采暖系统的经济性评估模型，分析了弃风电价对系统经济性影响，结果表明。

（1）采用蓄热式电采暖系统可以有效减少风电场弃风电量，系统运行方式、消纳弃风电量、协定弃风电价是影响其经济性的关键因素。

（2）算例分析表明，在给定条件下，分别在电力系统负荷低谷时段全功率运行模式、风电场弃风时段启动运行等二种模式下，蓄热式电采暖系统在整个供暖期内可消纳弃风电量分别为4912.07 MW·h、17574.83 MW·h；当蓄热式电采暖系统以模式2运行，弃风协定电价降至0.014元/kW·h时，蓄热式电采暖达到盈亏平衡点。随着国家对蓄热式电采暖的推广，环境效益将得到一定的补贴，届时蓄热式电采暖效益将会得到更大的提高。弃风协定电价是影响蓄热式电采暖经济性的重要因素，完善弃风协定电价交易机制还需进一步研究探讨。

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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。

孙勇（1980—），男，博士，研究方向为电力系统调度运行、新能源调度运行与控制技术，E-mail：sunyong_hit@16.com；通讯联系人：李军徽，副教授，研究方向为大规模风电联网运行关键技术，E-mail：lijunhui@nedu.edu.cn。