楊錫運，雷學麗，任 杰, 董德華

(1.華北電力大學 控制與計算機工程學院，北京 昌平 102206;2.中國大唐集團科學技術研究院有限公司，北京 昌平 102206)

利用棄風電量供暖的運營模式及經(jīng)濟性分析

楊錫運1，雷學麗2，任 杰1, 董德華1

(1.華北電力大學 控制與計算機工程學院，北京 昌平 102206;2.中國大唐集團科學技術研究院有限公司，北京 昌平 102206)

受多種因素的影響，河北張家口地區(qū)棄風現(xiàn)象嚴重。針對該地區(qū)的棄風問題，提出了利用棄風電量供暖的棄風消納方法及其運營模式。在該運營模式的基礎上，分析了影響棄風供暖項目經(jīng)濟性的主要因素，研究了項目的經(jīng)濟可行性。實例分析表明，棄風供暖項目在緩解棄風問題的同時，通過對各方利益的合理分配，具有顯著的社會效益和經(jīng)濟效益。

風電消納；供暖；經(jīng)濟性；運營模式

0 引言

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，能源消耗日益增加。為應對能源危機，合理調(diào)整能源結(jié)構，我國出臺一系列能源政策，大力推動可再生能源的發(fā)展。風力發(fā)電技術相對成熟，便于大規(guī)模開發(fā)利用，近年來我國風電產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展[1-3]。受風電外輸能力不足、就地消納風電能力有限等因素限制，風電產(chǎn)業(yè)集中的“三北”(東北、華北、西北)地區(qū)風電并網(wǎng)困難，棄風現(xiàn)象嚴重，嚴重制約了風電產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展[4-8]。

在棄風嚴重的地區(qū)，利用過剩風電代替煤炭產(chǎn)熱供暖，增加風電的就地消納能力，是解決棄風問題的有效途徑之一。目前針對棄風供暖的研究尚處于起步階段，相關研究成果不多。文獻[9]通過分析風電供暖的運營模式，從新能源公司、電網(wǎng)公司和供熱公司的角度出發(fā)，研究了風電供暖的經(jīng)濟性與價格機制。文獻[10]提出在二級熱網(wǎng)增設調(diào)峰電鍋爐的棄風消納方案，增加風電上網(wǎng)空間。文獻[11]建立了評價風電供熱經(jīng)濟性和節(jié)煤效果的模型，并進行相關算例分析。

本文選取棄風嚴重的張家口地區(qū)作為典型區(qū)域進行分析，提出了棄風供暖項目的運營新模式。本文通過風電場讓利，提出了風電場、電網(wǎng)公司和供熱公司聯(lián)合參與的運營模式。在該運營模式的基礎上分析影響棄風供暖項目的主要因素，研究各因素與風電場、電網(wǎng)公司和供熱公司利益的量化關系，分析棄風供暖項目的經(jīng)濟可行性。實例測算表明，棄風供暖項目通過對各方利益合理分配，具有經(jīng)濟可行性。

1 張家口地區(qū)棄風現(xiàn)狀

張家口地區(qū)是我國風能資源豐富的區(qū)域之一，近年來風電產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展。截至2014年底，張家口地區(qū)風電并網(wǎng)容量達5.98×103MW，未來規(guī)劃增加風電裝機容量4×103MW。其風電產(chǎn)業(yè)主要集中在張北縣、尚義縣、康寶縣、沽源縣等地區(qū)。

張家口地區(qū)消納風電能力有限，電網(wǎng)跨區(qū)域輸電能力不足，風電并網(wǎng)配套設施基礎薄弱，造成該地區(qū)棄風現(xiàn)象嚴重。張北縣、尚義縣、康寶縣、沽源縣等地區(qū)風電裝機容量和風電受限功率如表1所示。

表1 張家口部分地區(qū)風電受限情況Table 1 State of wind power in Zhangjiakou

由表1可知，張北縣風電受限功率為457 MW，尚義縣風電受限功率達916 MW，沽源縣風電受限功率為440 MW，棄風率都在50%左右，棄風限電問題十分嚴重，造成風電資源的嚴重浪費。

2013年8月15日，國家電網(wǎng)公司發(fā)布《國家電網(wǎng)公司電能替代實施方案》[12]，提倡建立“以電代煤、以電代油、電從遠方來”的能源消費新模式，積極倡導電能替代能源消費理念，為解決張家口地區(qū)日益嚴重的棄風問題提供了新思路。

張家口地區(qū)供暖以煤炭鍋爐為主，一個供暖期消耗大量煤炭資源，同時對環(huán)境產(chǎn)生不利影響。采用電鍋爐替代燃煤鍋爐，利用過剩風電代替燃煤進行供暖，不僅可以解決張家口地區(qū)日益嚴重的棄風問題，促進風電產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，同時能夠減少煤炭等不可再生能源的消耗，具有顯著的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。圖1為棄風供暖項目示意圖。

圖1 棄風供暖項目示意圖Fig.1 Schematic diagram of using curtailed wind power to heat

2 棄風供暖項目運營模式

利用棄風供暖，推動電能替代項目的實施涉及到風電場、電網(wǎng)公司和蓄熱電鍋爐供熱公司的利益。為協(xié)調(diào)各方利益，本文提出棄風供暖項目的運營新模式。棄風供暖項目運營模式示意圖如圖2所示。由圖2可知，本文提出的運營模式由風電場、電網(wǎng)公司、蓄熱電鍋爐供熱公司聯(lián)合參與，通過風電場的讓利，可實現(xiàn)對棄風供暖項目利益的合理分配。

圖2 棄風供暖項目運營模式示意圖Fig.2 Operating model of using curtailed wind power to heat

棄風供暖項目的實施過程中，電網(wǎng)公司處于主導地位。電網(wǎng)公司參與棄風供暖項目，可通過電網(wǎng)公司促進電能替代和棄風利用的市場優(yōu)化配置。項目運行過程中，電網(wǎng)公司增加風電上網(wǎng)電量，并轉(zhuǎn)供該部分增發(fā)電量給供熱公司。項目執(zhí)行谷期電價，電網(wǎng)公司從售出電價和上網(wǎng)電價的差額中獲得收益。

棄風供暖項目運行模式中，供熱公司投資建設和運營管理熱源站，負責制熱蓄熱并向用戶供暖，是項目成本的主要承擔方之一。而風電場因獲得增發(fā)上網(wǎng)電量以及根據(jù)增發(fā)電量兌現(xiàn)的政府風電補貼，是項目的受益主體。因此，項目運行過程中，風電場根據(jù)項目消納的棄風電量讓渡供熱公司一定收益，以促進項目的開展和實施。

3 棄風供暖項目影響因素分析

根據(jù)本文提出的棄風供暖項目運營模式，影響棄風供暖經(jīng)濟性的因素主要有風電上網(wǎng)電價、電網(wǎng)售電電價、用電量、風電場讓利、熱源站投資等。

風電上網(wǎng)電價。風電上網(wǎng)電價是影響風電場和電網(wǎng)公司收益的主要因素。風電上網(wǎng)電價高，則風電場售電收益增加，但考慮電網(wǎng)公司的輸電費用，電網(wǎng)售電電價也相應升高，影響電網(wǎng)公司和供熱公司的收益。

電網(wǎng)售電電價。電網(wǎng)售電電價是電網(wǎng)公司與供熱公司的結(jié)算電價。供熱公司根據(jù)電網(wǎng)售電電價和用電量向電網(wǎng)公司支付用電費用，是供熱公司主要開支之一。電網(wǎng)公司從售出電價和上網(wǎng)電價的差額中獲得收益。提高售電電價在增加電網(wǎng)公司收益的同時加大供熱公司的支出。

用電量。棄風供暖項目的用電量由供暖面積決定，供暖面積越大，則項目用電量越大。根據(jù)電鍋爐產(chǎn)熱效率和采暖熱指標，可得供暖面積S與用電量Q關系為：

(1)

式中：W為采暖熱指標；T為供暖時間；η1為電鍋爐產(chǎn)熱效率；η2為管網(wǎng)熱損耗。

風電場讓利。風電場作為項目的受益主體，為促進項目的開展，風電場讓利給供熱公司，以提高供熱公司使用風電供暖的積極性。風電場讓利過低，則供熱公司缺乏使用風電供暖的積極性；讓利過高，直接影響風電場推動棄風供暖項目的積極性。

熱源站投資。熱源站投資包括蓄熱式電鍋爐、循環(huán)水泵、熱源站管路等制熱設備采購費用和熱源站運行管理費用，是影響棄風供暖項目經(jīng)濟性的主要因素之一[9]。

4 棄風供暖項目經(jīng)濟性分析

根據(jù)本文提出的運營模式，該項目涉及電網(wǎng)公司、風電場、供熱公司的利益，維持各方利益的均衡是推動該項目實施的關鍵。

4.1 電網(wǎng)公司相關經(jīng)濟因素分析

電網(wǎng)公司從售出電價和上網(wǎng)電價的差額中獲得收益，維持購售電價差是促使電網(wǎng)公司參與該項目的關鍵。

棄風供暖項目主要用電負荷集中在電網(wǎng)負荷低谷時段，當供暖面積較小時，電網(wǎng)現(xiàn)有配電設施能夠容納新增谷期用電負荷。而供暖面積較大時，現(xiàn)有供電設施不能容納新增谷期用電負荷，此時需要對現(xiàn)有配電設施進行改造，增加電網(wǎng)公司的支出。

棄風供暖項目采用蓄熱式電鍋爐產(chǎn)熱供暖，電鍋爐蓄熱時間為Ts；則蓄熱時段電鍋爐用電負荷Ps為：

(2)

設電網(wǎng)負荷峰谷差為Pc，則根據(jù)蓄熱時段電鍋爐用電負荷和電網(wǎng)負荷峰谷差可得最大可增供暖面積Smax為：

(3)

當SIg1時，電網(wǎng)公司可獲益。

式中：Q為用電量；C1為風電上網(wǎng)電價；C2為電網(wǎng)售電電價。

當S>Smax時，電網(wǎng)公司需要對現(xiàn)有配電設施進行改造，新增投資費用為Ig3。此時對于電網(wǎng)公司，棄風供暖項目在經(jīng)濟上可行需滿足條件為：

Ig2>Ig1+Ig3

(6)

4.2 供熱公司相關經(jīng)濟因素分析

棄風供暖項目中，供熱公司采用風電代替煤炭產(chǎn)熱供暖，向電網(wǎng)公司支付用電費用的同時節(jié)省購買煤炭費用。為維持風電代替煤炭產(chǎn)熱供暖的經(jīng)濟可行性，風電綜合產(chǎn)熱費用不高于產(chǎn)生相同熱量所需要的煤炭價格。

根據(jù)能量對等原則，可替代煤炭質(zhì)量M為：

式中：Qc為燃煤的熱量；ηc為燃煤鍋爐產(chǎn)熱效率；δ為燃煤熱值。

燃煤單價為J時，節(jié)省購買煤炭費用Ie1為：

Ie1=M·J

(9)

供熱公司按照消納的棄風量，從風電場獲得讓利收益Ie2，讓利收益Ie2計算公式為：

Ie2=Q·C3

(10)

式中C3為風電場讓利額。

供熱公司的主要支出項為支付給電網(wǎng)公司的購電費用Ie3和熱源站投資費用Ie4。供熱公司的收支情況如表2所示。

表2 供熱公司收支情況Table 2 Revenue and expenditure of the project by energy service company

對于供熱公司，棄風供暖項目在經(jīng)濟上可行需滿足條件為：

Ie1+Ie2>Ie3+Ie4

(11)

由上式可得讓利額C3取值范圍為：

(12)

4.3 風電場相關經(jīng)濟因素分析

棄風供暖項目中，風電公司因獲得增發(fā)上網(wǎng)電量以及根據(jù)增發(fā)上網(wǎng)電量兌現(xiàn)的政府風電補貼收入，是項目的受益主體。項目運行中，風電場按增發(fā)上網(wǎng)電量給供熱公司讓利。風電場收支情況如表3所示。

表3 風電場收支情況Table 3 Revenue and expenditure of the project by wind farm

當Iw1+Iw2>Iw3時，風電場可直接獲利。

5 實例分析

以張北縣為例進行分析。棄風供暖項目擬供暖面積為10萬m2。采暖熱指標W為55 W/m2，電鍋爐產(chǎn)熱效率η1為95%，網(wǎng)管熱損耗η2為5%。日供暖時間為24 h，采暖期共183天，電鍋爐每日蓄熱時間為8 h。

5.1 電網(wǎng)利益

由式1、式2可得，電鍋爐蓄熱時段用電負荷Ps為18.3 MW，供暖期消耗電量0.268 億kW·h。張北縣用電高峰時段電網(wǎng)負荷約為80 MW，谷期用電負荷約為35 MW，峰谷差Pc為45 MW。Pc>Ps，故電網(wǎng)無需對現(xiàn)有配電設施進行改造。張家口地區(qū)風電上網(wǎng)電價C1為0.391 7元/(kW·h)，當電網(wǎng)售電電價C2大于C1時，電網(wǎng)公司即可獲利。即當C2取張家口地區(qū)谷期電價0.411元/(kW·h)，電網(wǎng)公司即可盈利。

5.2 蓄熱電鍋爐熱力公司利益

燃煤鍋爐采用燃煤產(chǎn)熱，項目可替代燃煤0.35萬t。取燃煤單價為650元/t，則Ie1為227.5萬元時。蓄熱式電鍋爐費用為200元/m2時，鍋爐總投資為2 000萬元。蓄熱式電鍋爐設備按20年折舊期，40%殘值率計算，年設備折舊費用Ie4為60萬元。由式(12)可得，當風電場按照0.34元/(kW·h)讓利時，供熱公司可達到盈虧平衡，超過該價格時，即可獲利。

5.3 風電場利益

風電場在獲得增發(fā)上網(wǎng)電量收益的同時得到政府補貼，收益為0.54元/(kW·h)，讓利支出低于該價格，風電場可獲利。如果按照風電場讓利熱力公司大于0.34元/(kW·h)，則風電場增發(fā)電量的收益小于0.20元/(kW·h)。

6 結(jié)論

針對張家口地區(qū)的棄風問題，本文提出利用棄風供暖增加風電就地消納水平的方案，并建立了電網(wǎng)公司、風電場和供熱公司聯(lián)合參與的運營新模式。在該模式基礎上，本文分析了影響項目運營的風電上網(wǎng)電價、電網(wǎng)售電電價、用電量、風電場讓利、熱源站投資等經(jīng)濟因素，研究了該項目的經(jīng)濟可行性。實例分析表明，棄風供暖項目可增加風電并網(wǎng)功率，緩解嚴重的棄風問題，同時可維持各方利益，具有一定的經(jīng)濟可行性。

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Operation Model and Economic Analysis of Using Curtailed Wind Power for Heat

YANG Xiyun1, LEI Xueli2， REN Jie1, DONG Dehua1

(1. Department of Control and Computer Engineering, North China Electric Power University,Changping District, Beijing 102206, China;2. China Datang Corporation Science and Technology Research Institute Co., Ltd., Changping District, Beijing 102206, China)

Influenced by many factors, Zhangjiakou (Hebei) is faced with a problem of tremendous curtailment of wind power. In order to solve this problem, an operation model of using curtailed wind power for heat is proposed in this paper. On the basis of this operation model, the economic factors affecting this project are analyzed, and the project’s economic feasibility is researched at the same time. The result shows that this operation model can accommodate curtailed wind power, and has social and economic benefits by rational allocation of the interests of all parties.

wind power consumption; heat supply; economics; operation model

楊錫運

TK9

A

2096-2185(2016)01-0028-05

國家自然科學基金項目(51677067)；中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金(2015MS32)

2016-04-05

楊錫運(1973—)，女，博士，教授，主要研究方向為新能源發(fā)電控制以及復雜系統(tǒng)建模，yangxiyun916@sohu.com；

雷學麗(1971—),女，碩士，教授，主要研究方向為過程自動化控制，leixueli@cdt-kxjs.com;

任杰(1992—)，男，碩士研究生，主要研究方向為電池儲能系統(tǒng)控制與典型工況分析，renjienh@126.com；

董德華(1993—)，男，碩士研究生，主要研究方向為大規(guī)模電池儲能系統(tǒng)建模與控制，dongdehua04@163.com。

Project supported by National Natural Science Foundation of China(51677067)；the Fundamental Research Funds for the Central Universities(2015MS32).