岳云力，李 倩，方 勇，劉忠華，李笑蓉，岳 昊，武冰清

（1.國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京 100038；2.北京化工大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，北京 100029）

0 引言

2015 年6 月國(guó)家能源局發(fā)布了《關(guān)于開(kāi)展風(fēng)電清潔供暖工作的通知》，鼓勵(lì)推動(dòng)風(fēng)電清潔供暖技術(shù)的應(yīng)用，促進(jìn)風(fēng)電消納，同時(shí)緩解燃煤供暖帶來(lái)的大氣污染問(wèn)題。風(fēng)電供暖作為近年來(lái)發(fā)展的新型供暖模式，不僅能提高北方風(fēng)能資源豐富地區(qū)消納風(fēng)電的能力，緩解北方地區(qū)冬季供暖期電力負(fù)荷低谷時(shí)段風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行困難，還能促進(jìn)能源的清潔化利用，對(duì)改善北方地區(qū)冬季大氣環(huán)境、霧霾天氣有積極影響。在我國(guó)風(fēng)力資源豐富地區(qū)推進(jìn)風(fēng)電供暖的發(fā)展，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前已有很多學(xué)者從風(fēng)電供暖的技術(shù)原理和經(jīng)濟(jì)性、風(fēng)電供暖實(shí)現(xiàn)路徑等方面進(jìn)行了研究。在風(fēng)電供暖的技術(shù)原理方面，文獻(xiàn)[1]研究了風(fēng)電供熱的原理，并結(jié)合我國(guó)風(fēng)電供熱實(shí)踐特點(diǎn)，證明風(fēng)電供熱有利于提高低谷風(fēng)電的消納能力，緩解棄風(fēng)現(xiàn)象。風(fēng)電供暖有多種技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式，文獻(xiàn)[2]比較了風(fēng)能-電鍋爐、風(fēng)能-地源熱泵、風(fēng)光電互補(bǔ)供熱系統(tǒng)、風(fēng)電光熱混合供熱系統(tǒng)4 種供熱系統(tǒng)的能源利用率、供熱能力、采暖價(jià)格等，其中風(fēng)能-電鍋爐技術(shù)較成熟且初始投資較低，在供熱系統(tǒng)中應(yīng)用更為廣泛。風(fēng)電供暖的經(jīng)濟(jì)性直接影響其發(fā)展的可持續(xù)性，文獻(xiàn)[3]提出了“回歸電力、市場(chǎng)購(gòu)電”的風(fēng)電供暖實(shí)現(xiàn)路徑和方式，即通過(guò)掛牌交易、優(yōu)先調(diào)度、差額收益返還等方式降低風(fēng)電供暖用戶的到戶電價(jià)，并提出供暖電量全部由超過(guò)保障小時(shí)數(shù)之外的電量提供、參與市場(chǎng)化交易風(fēng)電企業(yè)的調(diào)峰輔助服務(wù)分?jǐn)傎M(fèi)用應(yīng)核減等政策建議，以促進(jìn)風(fēng)電供暖的進(jìn)一步推廣。文獻(xiàn)[4-5]提出電采暖負(fù)荷參與實(shí)時(shí)調(diào)峰輔助服務(wù)，構(gòu)建了輔助服務(wù)市場(chǎng)下電采暖消納棄風(fēng)經(jīng)濟(jì)模型，并通過(guò)算例證明：如果風(fēng)電采暖所需電量集中在負(fù)荷低谷時(shí)段，則能夠降低耗電運(yùn)行成本；提高經(jīng)濟(jì)可行價(jià)格的范圍時(shí)，風(fēng)電供暖具有一定的競(jìng)爭(zhēng)力，同時(shí)也具備一定的經(jīng)濟(jì)可行性。由于風(fēng)電供暖涉及到多個(gè)參與方，只有保障各方的利益才能推動(dòng)電采暖的可持續(xù)發(fā)展，促進(jìn)風(fēng)電的消納。文獻(xiàn)[6]通過(guò)量化風(fēng)電減排的經(jīng)濟(jì)效益，并運(yùn)用合作博弈理論，分析在合作聯(lián)盟模式下風(fēng)電企業(yè)和電網(wǎng)公司的改進(jìn)策略，計(jì)算合作雙方成本效益變動(dòng)情況，進(jìn)而提出了一種使風(fēng)電-電網(wǎng)聯(lián)盟的總收益達(dá)到最大值的風(fēng)電場(chǎng)容量規(guī)劃模型。通過(guò)上述文獻(xiàn)分析可以發(fā)現(xiàn)，風(fēng)電供暖在技術(shù)上具有可行性，能促進(jìn)風(fēng)電消納，但其成本高、經(jīng)濟(jì)可行性較差，電網(wǎng)公司和風(fēng)電企業(yè)的運(yùn)營(yíng)成本與經(jīng)營(yíng)效益、供暖企業(yè)的投資建設(shè)成本、采暖用戶的期望電價(jià)等諸多因素都制約著風(fēng)電供暖的發(fā)展。

張家口是國(guó)務(wù)院批復(fù)設(shè)立的可再生能源示范區(qū)，風(fēng)力資源豐富，在2017 年前存在較為嚴(yán)重的棄風(fēng)現(xiàn)象。為了更好地推動(dòng)風(fēng)電供暖發(fā)展，張家口于2017 年2 月首次提出建立“政府+電網(wǎng)+發(fā)電企業(yè)+用戶側(cè)”共同參與的四方協(xié)作機(jī)制，構(gòu)建了一種具有發(fā)展?jié)摿Φ碾姽┡L(fēng)電消納模式，該模式實(shí)施以來(lái)取得了很好的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益，對(duì)于風(fēng)力資源豐富的地區(qū)推動(dòng)電采暖具有典型意義。本文針對(duì)風(fēng)電供暖中存在的參與方博弈問(wèn)題，以張家口地區(qū)為例，從成本收益的角度構(gòu)建風(fēng)電供暖的合作博弈模型，分析電網(wǎng)公司、風(fēng)電企業(yè)和供暖企業(yè)在實(shí)現(xiàn)大規(guī)模風(fēng)電消納情境下的收益與成本，并提出風(fēng)電消納可持續(xù)發(fā)展的政策建議。

1 風(fēng)電供暖的模式與現(xiàn)狀

1.1 風(fēng)電供暖的模式與特點(diǎn)

風(fēng)電供暖的原理是利用電鍋爐將風(fēng)電能轉(zhuǎn)化成熱能，從而滿足供暖需求。風(fēng)電與電鍋爐聯(lián)合供熱的原理如圖1 所示。該系統(tǒng)包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、控制器、電網(wǎng)接口、蓄熱式電鍋爐、循環(huán)泵、散熱設(shè)備、熱網(wǎng)等部分。

圖1 風(fēng)電與電鍋爐聯(lián)合供熱基本原理

目前比較成熟的電鍋爐技術(shù)是電阻式鍋爐和電極式鍋爐，供熱方式可分為蓄熱式和直熱式，典型的集中式電采暖方案見(jiàn)表1。目前應(yīng)用較為廣泛且相對(duì)成熟的風(fēng)電供暖方案主要有“風(fēng)電+電熱水鍋爐+蓄熱系統(tǒng)”和“風(fēng)電+固體蓄熱鍋爐系統(tǒng)”[7]。由于蓄熱式電鍋爐能夠?qū)崮芡ㄟ^(guò)蓄熱裝置儲(chǔ)存起來(lái)，充分利用谷電或棄風(fēng)電能來(lái)加熱鍋爐，經(jīng)濟(jì)性更為突出。

1.2 風(fēng)電供暖的現(xiàn)狀

2013 年以來(lái)，隨著風(fēng)電供暖技術(shù)的不斷成熟，國(guó)家政策和財(cái)政資金逐步加大了對(duì)風(fēng)電供暖的支持力度，陸續(xù)頒布相關(guān)政策法規(guī)促進(jìn)風(fēng)電供暖的發(fā)展，形成了從中央到地方的多級(jí)財(cái)政補(bǔ)貼制度。2017 年，財(cái)政部等四部委聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于開(kāi)展中央財(cái)政支持北方地區(qū)冬季清潔取暖試點(diǎn)工作的通知》，明確中央財(cái)政將支持試點(diǎn)城市推進(jìn)清潔方式取暖替代散煤燃燒取暖，確定了包括天津、石家莊等在內(nèi)的首批12 個(gè)試點(diǎn)城市，并撥付了總共60 億元獎(jiǎng)勵(lì)資金。至2019 年，北方清潔取暖試點(diǎn)城市不斷擴(kuò)容，中央財(cái)政累計(jì)投入資金已達(dá)351.2 億元。風(fēng)電供暖的國(guó)家政策及其要點(diǎn)見(jiàn)表2。

表1 集中式電采暖典型方案

表2 風(fēng)電供暖的國(guó)家政策及其要點(diǎn)

目前各地實(shí)施的風(fēng)電供暖政策對(duì)電采暖用戶的支持力度較大，主要采用優(yōu)惠電價(jià)、電采暖設(shè)備補(bǔ)貼等措施。由于風(fēng)電的波動(dòng)性和反調(diào)峰特性，大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)也帶來(lái)一系列問(wèn)題，其中較高的棄風(fēng)率成為阻礙風(fēng)電發(fā)展的主要因素之一。為了促進(jìn)大規(guī)模風(fēng)電消納，各級(jí)政府的風(fēng)電供暖政策力度很大，持續(xù)財(cái)政補(bǔ)貼使得政府面臨巨大的財(cái)政壓力；電網(wǎng)公司需要接入調(diào)風(fēng)調(diào)頻輔助設(shè)備來(lái)保證電網(wǎng)正常運(yùn)行，提高了風(fēng)電供暖的運(yùn)營(yíng)成本；風(fēng)電企業(yè)則期望靈活參與不同的市場(chǎng)獲得更高的收益。風(fēng)電供暖參與各方的不同利益訴求導(dǎo)致難以協(xié)同行動(dòng)，而一方或某幾方持續(xù)性的虧損將導(dǎo)致風(fēng)電供暖難以持續(xù)，進(jìn)而影響大規(guī)模的風(fēng)電消納，最終影響所有參與方的利益。因此，風(fēng)電消納與電供暖的問(wèn)題根源在于收益和成本的合理分?jǐn)偅瑓⑴c各方需協(xié)同才能實(shí)現(xiàn)共同利益。

2 風(fēng)電供暖的合作博弈模型

2.1 合作博弈的參與方分析

目前電采暖的成本依然較高，某一方難以經(jīng)濟(jì)性地實(shí)施風(fēng)電供暖，需要有規(guī)范的機(jī)制來(lái)推動(dòng)其實(shí)施。在風(fēng)電供暖實(shí)施過(guò)程中，政府主導(dǎo)、企業(yè)為主、市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)、全社會(huì)共同參與的模式是推進(jìn)和推廣的主要模式，主要涉及政府、發(fā)電企業(yè)、電網(wǎng)公司、綜合能源服務(wù)商（供暖企業(yè)）、用戶、金融機(jī)構(gòu)六大主體。張家口的四方協(xié)作機(jī)制則將政府、風(fēng)電企業(yè)、電網(wǎng)公司和供暖企業(yè)納入交易機(jī)制中，構(gòu)建了風(fēng)電供暖交易平臺(tái)。通過(guò)詳細(xì)規(guī)定各方的權(quán)利和義務(wù)，從政策法規(guī)上進(jìn)行激勵(lì)和約束，促進(jìn)風(fēng)電供暖的持續(xù)發(fā)展，如圖2 所示。

圖2 四方協(xié)作機(jī)制

在該機(jī)制下，張家口市政府與國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司合作建立了可再生能源電力交易平臺(tái)，同時(shí)提供補(bǔ)貼和政策支持。風(fēng)電供暖交易平臺(tái)由售電方、購(gòu)電方和輸電方構(gòu)成，其中：售電方是在交易平臺(tái)注冊(cè)的風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目，即風(fēng)電企業(yè)；購(gòu)電方是獲取相關(guān)準(zhǔn)入的電力用戶，即供暖企業(yè)；輸電方指電網(wǎng)公司。

電網(wǎng)公司主要是將風(fēng)電企業(yè)和供暖企業(yè)聯(lián)系起來(lái)，對(duì)風(fēng)電供暖項(xiàng)目起到一個(gè)整體協(xié)調(diào)的作用。風(fēng)電供暖需要電網(wǎng)公司在發(fā)電側(cè)、售電側(cè)與其他主體協(xié)調(diào)合作，制定合理的電價(jià)機(jī)制、市場(chǎng)機(jī)制，同時(shí)在電網(wǎng)公司內(nèi)部也要構(gòu)建對(duì)風(fēng)電供暖的政策爭(zhēng)取、技術(shù)推廣、示范工程建設(shè)等環(huán)節(jié)，在關(guān)注項(xiàng)目本身經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，承擔(dān)起節(jié)能減排等社會(huì)責(zé)任。

風(fēng)電企業(yè)作為風(fēng)電供暖系統(tǒng)的能源流始端，主要是在發(fā)電側(cè)將清潔能源更多地轉(zhuǎn)化為電能，并通過(guò)特高壓輸送；從電能流向來(lái)說(shuō)，風(fēng)電企業(yè)既可以向電網(wǎng)公司提供電能，又可以通過(guò)大用戶直供電形式與供暖企業(yè)直接進(jìn)行交易。

供暖企業(yè)需要投資建設(shè)電供熱的熱力站，利用現(xiàn)有的區(qū)域熱網(wǎng)或者新建熱網(wǎng)向用戶側(cè)（包括居民、工廠、企業(yè)、商場(chǎng)、學(xué)校等）供熱，在保證用戶側(cè)成本不增加的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)盈利。供暖企業(yè)可與風(fēng)電企業(yè)通過(guò)大用戶直供電形式開(kāi)展風(fēng)電供暖，也可以通過(guò)電網(wǎng)公司以三方協(xié)議形式或者市場(chǎng)交易的手段，簽訂購(gòu)售電協(xié)議，最終要通過(guò)降低電價(jià)來(lái)降低運(yùn)營(yíng)成本，增加其自身收益。

2.2 模型假設(shè)

在風(fēng)電供暖的協(xié)作機(jī)制中，政府為風(fēng)電供暖出臺(tái)相關(guān)支持政策，對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行監(jiān)督與監(jiān)管，保障交易、投資等過(guò)程規(guī)范與合法，并要協(xié)調(diào)好各個(gè)主體在促進(jìn)風(fēng)電供暖過(guò)程中的關(guān)系，并不參與聯(lián)盟利益的分配，在合作博弈中稱為無(wú)為博弈方，不參與合作模型的構(gòu)建。由此，本文構(gòu)建電網(wǎng)公司、風(fēng)電企業(yè)和供暖企業(yè)的風(fēng)電供暖三方合作博弈模型，研究三方之間的博弈關(guān)系，并作出如下假設(shè)：

（1）博弈中的主體都是有限理性的，即在決策過(guò)程中，各主體根據(jù)獲取的有限信息作出合作與否的決定，并從中選出利益最大化的方案。

（2）參與主體的收益僅考慮風(fēng)電供暖的運(yùn)營(yíng)期，即從可持續(xù)風(fēng)電消納的角度出發(fā)，只有參與方持續(xù)從風(fēng)電供暖中盈利才能維持合作。

（3）風(fēng)電供暖所需電量由風(fēng)電企業(yè)保障收購(gòu)小時(shí)數(shù)以外電量提供。根據(jù)張家口地區(qū)的負(fù)荷運(yùn)行曲線，目前超額電量大于風(fēng)電供暖所需電量。

2.3 風(fēng)電供暖的合作博弈模型

風(fēng)電供暖的運(yùn)營(yíng)階段，電網(wǎng)公司、風(fēng)電企業(yè)和供暖企業(yè)三者無(wú)論是各自單獨(dú)經(jīng)營(yíng)還是聯(lián)合經(jīng)營(yíng)都有一定的經(jīng)濟(jì)收益。如果各主體之間的收益不存在抵消性，即合作不會(huì)使個(gè)體收益減少，聯(lián)合經(jīng)營(yíng)的總收益超過(guò)各自獨(dú)立經(jīng)營(yíng)之和，那么電網(wǎng)公司、風(fēng)電企業(yè)和供暖企業(yè)便會(huì)選擇合作而放棄單獨(dú)行動(dòng)，并且所有主體都參加合作可以實(shí)現(xiàn)收益最大化。因此，需確定參與方集合中每個(gè)聯(lián)盟所對(duì)應(yīng)的特征函數(shù)v（S）。令N={電網(wǎng)公司，風(fēng)電企業(yè)，供暖企業(yè)}，那么就有23種聯(lián)盟可能，并構(gòu)造參與主體獨(dú)立行動(dòng)、兩方合作和三方合作情況下的收益函數(shù)，通過(guò)收益函數(shù)的求解而找到最優(yōu)的合作方案，即S0=?，SA=｛電網(wǎng)公司｝，SB=｛風(fēng)電企業(yè)｝，SC=｛供暖企業(yè)｝，SAB=｛電網(wǎng)公司，風(fēng)電企業(yè)｝，SAC=｛電網(wǎng)公司，供暖企業(yè)｝，SBC=｛風(fēng)電企業(yè)，供暖企業(yè)｝，SABC=｛電網(wǎng)公司，風(fēng)電企業(yè)，供暖企業(yè)｝。

2.3.1 單個(gè)主體的成本收益分析

風(fēng)電供暖的3 個(gè)主體分別單獨(dú)行動(dòng)時(shí)，電網(wǎng)公司的收入包括電供暖的電費(fèi)收入、除了電供暖電量外的其余超發(fā)電量的電費(fèi)收入、所有超發(fā)電量的輸配電費(fèi)收入，成本是從風(fēng)電企業(yè)購(gòu)電的費(fèi)用。隨著電供暖面積增大，電供暖電量增加，電網(wǎng)公司電供暖電費(fèi)收入增加，同時(shí)支付給風(fēng)電企業(yè)的上網(wǎng)電費(fèi)也會(huì)增加。電網(wǎng)公司的收益表達(dá)式如下：

式中：EA為電網(wǎng)公司的收益；h1為風(fēng)電利用小時(shí)數(shù)；h2為風(fēng)電保障收購(gòu)小時(shí)數(shù)；W1為風(fēng)電并網(wǎng)量；Q 為采暖負(fù)荷電量；s1為輸配電中谷電比例；s2為居民供暖電量占電供暖總電量比例；s3為超發(fā)電量扣除電供暖電量后居民用電的比例；ps1為谷電輸配電價(jià)；ps2為一般輸配電價(jià)；pg1為居民電供暖電價(jià)；pg2為工商業(yè)電供暖電價(jià)；pm1為居民購(gòu)電電價(jià)；pm2為工商業(yè)購(gòu)電電價(jià)；pq為風(fēng)電強(qiáng)制結(jié)算電價(jià)。

風(fēng)電企業(yè)單獨(dú)行動(dòng)時(shí)，上網(wǎng)電價(jià)由四方協(xié)作機(jī)制決定，不合作時(shí)風(fēng)電企業(yè)上網(wǎng)電價(jià)為強(qiáng)制結(jié)算電價(jià)。風(fēng)電企業(yè)的單獨(dú)收入是將所有超發(fā)電量以強(qiáng)制結(jié)算電價(jià)賣給電網(wǎng)公司的收益和政府清潔能源補(bǔ)貼。風(fēng)電企業(yè)的收益表達(dá)式如下：

式中：EB為風(fēng)電企業(yè)的收益；pb為清潔能源補(bǔ)貼。

供暖企業(yè)單獨(dú)行動(dòng)時(shí)，收入是居民和工商業(yè)用戶繳納的取暖費(fèi)，按每個(gè)取暖季為5 個(gè)月計(jì)算，取暖費(fèi)用由取暖面積和每月取暖費(fèi)用相乘，成本是供暖企業(yè)向電網(wǎng)公司繳納的電供暖電費(fèi)（包括輸配電費(fèi)和政府基金及附加）。供暖企業(yè)的收益表達(dá)式如下：

式中：EC為供暖企業(yè)的收益；M 為風(fēng)電集中供暖面積；p1為單位面積居民采暖每月費(fèi)用；p2為單位面積工商業(yè)采暖每月費(fèi)用；pz為政府基金及附加。

2.3.2 2 個(gè)主體合作成本收益分析

風(fēng)電供暖的主體兩方合作時(shí)，風(fēng)電企業(yè)和電網(wǎng)公司合作則可以促進(jìn)風(fēng)電的消納，棄風(fēng)電量可以上網(wǎng)參與供暖；風(fēng)電企業(yè)和供暖企業(yè)合作，則供暖企業(yè)可以享受低谷的購(gòu)電價(jià)格。通過(guò)上述合作博弈的分析，可以構(gòu)造出電網(wǎng)公司、風(fēng)電企業(yè)和供暖企業(yè)三大博弈主體中兩方合作的收益函數(shù)，分為三種情況：電網(wǎng)公司和風(fēng)電企業(yè)合作；電網(wǎng)公司和供暖企業(yè)合作；風(fēng)電企業(yè)和供暖企業(yè)合作。

（1）電網(wǎng)公司和風(fēng)電企業(yè)合作。在這個(gè)合作聯(lián)盟中滿足輸電約束條件下，風(fēng)電企業(yè)發(fā)電量可全部上網(wǎng)，不存在棄風(fēng)情況。并且按四方交易機(jī)制的規(guī)定，風(fēng)電企業(yè)參與交易的超額發(fā)電量進(jìn)行差額收益返回，風(fēng)電企業(yè)未參與交易的超額發(fā)電量不參加差額收益返還。電網(wǎng)公司和風(fēng)電企業(yè)合作的收益表達(dá)式如下：

式中：EAB為電網(wǎng)公司和風(fēng)電企業(yè)合作的收益；W2為風(fēng)電裝機(jī)量；s4為風(fēng)電企業(yè)參與四方協(xié)作交易的超額發(fā)電量的比例；pa為標(biāo)桿上網(wǎng)電價(jià)。

（2）電網(wǎng)公司和供暖企業(yè)合作。在這個(gè)合作聯(lián)盟中，電網(wǎng)企業(yè)能夠減少風(fēng)電并網(wǎng)限制，提高區(qū)域風(fēng)電滲透率，在用電低谷時(shí)段向供暖企業(yè)出售更多電能，降低供暖企業(yè)的運(yùn)營(yíng)成本。合作的收益表達(dá)式如下：

式中：EAC為電網(wǎng)公司和供暖企業(yè)合作的收益。

（3）風(fēng)電企業(yè)和供暖企業(yè)合作。在這個(gè)合作聯(lián)盟，雙方可采取大用戶直購(gòu)電方式，供暖企業(yè)與風(fēng)電企業(yè)直接交易，上網(wǎng)電價(jià)與輸配電價(jià)分別核算。收益表達(dá)式如下：式中：EBC為風(fēng)電企業(yè)和供暖企業(yè)合作的收益。

2.3.3 3 個(gè)主體合作成本收益分析

電網(wǎng)公司、風(fēng)電企業(yè)、供暖企業(yè)三方合作情況下，在四方交易機(jī)制的框架內(nèi)，風(fēng)電企業(yè)可以將棄風(fēng)電量全部并入電網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)收益增加，電網(wǎng)公司獲得更多的輸配電收益，供暖企業(yè)則全部采用低谷電價(jià)，降低自己的運(yùn)營(yíng)成本。合作聯(lián)盟成立的情況下，聯(lián)盟的總收益包括供暖公司的取暖費(fèi)用、全部超額發(fā)電電量的電費(fèi)收入（包括輸配電費(fèi)）、供暖電量的電費(fèi)收入，成本是政府基金及附加。電網(wǎng)公司、風(fēng)電企業(yè)和供暖企業(yè)三者合作的收益表達(dá)式如下：

式中：EABC為電網(wǎng)公司、風(fēng)電企業(yè)和供暖企業(yè)三方合作的收益。

風(fēng)電供暖從風(fēng)力發(fā)電單元出力到用戶側(cè)轉(zhuǎn)換為熱能，還需滿足電力系統(tǒng)和供熱系統(tǒng)的約束。在電力平衡約束下，由于綠色電力的優(yōu)先調(diào)度，風(fēng)力發(fā)電獲得優(yōu)先發(fā)電機(jī)會(huì)，系統(tǒng)主要由水電和火電承擔(dān)調(diào)峰調(diào)頻服務(wù)，整體上達(dá)到了電力的實(shí)時(shí)平衡。在供熱系統(tǒng)的熱平衡約束下，風(fēng)電與電鍋爐聯(lián)合供暖時(shí)，儲(chǔ)熱罐將在谷負(fù)荷時(shí)吸收熱能，在峰負(fù)荷時(shí)輸出熱力，實(shí)現(xiàn)熱力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡。風(fēng)電供暖的系統(tǒng)約束主要包括：

（1）電力平衡約束。

式中：Pew，w為等效風(fēng)電廠電出力；Pei，w為獨(dú)立電廠電出力；Pab為目標(biāo)風(fēng)電場(chǎng)的電出力。

（2）供熱約束。

式中：Heb，u為電鍋爐提供給用戶的熱功率；Hta，o為儲(chǔ)熱罐輸出熱功率；Hnhl為用戶的熱負(fù)荷。

（3）風(fēng)電廠出力約束。

式中：Pab，ow為目標(biāo)風(fēng)電場(chǎng)棄風(fēng)功率。

2.4 模型求解

對(duì)于多方合作博弈的求解，美國(guó)經(jīng)濟(jì)學(xué)家Shapely 于1953 年首次提出了Shapely 值法[8]。Shapely 值作為合作博弈中一個(gè)流行解概念，為聯(lián)盟博弈的參與人提供了唯一配置。Shapely 值法對(duì)成本收益分?jǐn)偟脑瓌t是按照其所有邊際貢獻(xiàn)進(jìn)行分?jǐn)?。?dāng)n 個(gè)參與主體從事某種經(jīng)濟(jì)活動(dòng)時(shí)，各參與成員之間會(huì)形成不同的合作方式，任一合作方式都能夠獲得一定的收益。如果各參與主體之間的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)是非對(duì)抗性的，那么合作主體數(shù)量n 的增加不會(huì)使得到的收益減少，所以全部參與主體合作將會(huì)獲得最大化的收益。按照Shapely值法的思想，局中人i（i=1，2，…，n）所應(yīng)承擔(dān)的成本或所應(yīng)獲得的收益等于該局中人對(duì)每個(gè)參與聯(lián)盟的邊際貢獻(xiàn)平均值。其定義如下：

記集合N={1，2，…，n}，S 是N 的任意子集，? 表示空集，v（S）是定義在N 上的特征函數(shù)，代表S 的收益，并且滿足以下條件：

設(shè)φi為參與主體i 的收益，Shapely 值計(jì)算公式為：

3 算例分析

3.1 算例場(chǎng)景

張家口是我國(guó)風(fēng)能資源和太陽(yáng)能資源最豐富的地區(qū)之一，尤其壩上地區(qū)是全國(guó)少有的風(fēng)能集中區(qū)，風(fēng)能可開(kāi)發(fā)資源超過(guò)40 GW[9]。豐富的可再生能源為張家口市清潔取暖提供了良好的資源保障。目前，張家口市風(fēng)電國(guó)家保障小時(shí)數(shù)以外的發(fā)電量可支撐20 km2以上電供暖面積；到2020年，裝機(jī)將達(dá)到13 GW，可支撐約30 km2電供暖面積。此外，張家口是京津冀地區(qū)重要的生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)及2022 年冬奧聯(lián)合舉辦城市，在申辦奧運(yùn)時(shí)提出“確保到2022 年賽時(shí)空氣質(zhì)量達(dá)到世界衛(wèi)生組織標(biāo)準(zhǔn)”。因此風(fēng)電供暖是張家口市開(kāi)展大規(guī)模清潔取暖的主要途徑。

觀念攝影在裝置作品中的應(yīng)用越來(lái)越普遍，而且，隨著攝影設(shè)備的更新發(fā)展，圖像質(zhì)量越來(lái)越高。法國(guó)藝術(shù)家首次提出了在裝置作品中應(yīng)用觀念攝影藝術(shù)品，其首次設(shè)計(jì)的藝術(shù)品與一般的攝影作品相比更具有獨(dú)特性。一般的攝影技術(shù)中，由于圖片是單面的，所以對(duì)于場(chǎng)地的選擇非常嚴(yán)格，并且還限制了人們對(duì)作品的想象和觀看，因此，通過(guò)攝影作品和裝置的結(jié)合，就極大的融合了多種不同空間、不同時(shí)間等，對(duì)于作品內(nèi)涵的表達(dá)有很大幫助。就現(xiàn)在觀念攝影在裝置方面的分類，主要包括更好的刻畫(huà)圖片的內(nèi)涵的圖片為主，實(shí)物為輔類；分散或者依附于實(shí)物表面的實(shí)物和場(chǎng)景為主類；單純依賴于圖片相互之間的空間關(guān)系的完全脫離實(shí)物類；

張家口風(fēng)電供暖獲得了中央和地方政府的大力支持。2017 年張家口市首創(chuàng)了“政府+電網(wǎng)+發(fā)電企業(yè)+用戶側(cè)”共同參與的四方協(xié)作機(jī)制，成為全國(guó)首個(gè)將可再生能源電力納入市場(chǎng)直接交易的成功范例，并獲得了國(guó)務(wù)院的通報(bào)表彰。在運(yùn)營(yíng)的兩年時(shí)間里，四方協(xié)作機(jī)制實(shí)現(xiàn)了“政府要綠、企業(yè)要利、居民要暖”的多贏訴求，電網(wǎng)企業(yè)主動(dòng)承擔(dān)央企社會(huì)責(zé)任，探索符合張家口實(shí)際的清潔取暖新機(jī)制，提高新能源企業(yè)效益，降低用戶取暖成本[10]。2017—2018 年采暖期，納入市場(chǎng)交易的風(fēng)電企業(yè)有47 家，裝機(jī)容量約為5.83 GW，累計(jì)交易掛牌電量合計(jì)1.4×108kWh，其中納入四方協(xié)作機(jī)制，享受市場(chǎng)化交易優(yōu)惠電價(jià)政策的有138 戶電供暖用戶，供暖面積1.39 km2。

從風(fēng)能資源儲(chǔ)量、風(fēng)電供暖發(fā)展需求和實(shí)際成效等多方面的影響因素來(lái)看，張家口大規(guī)模發(fā)展風(fēng)電供暖，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電的有效消納具有典型意義，本文根據(jù)張家口風(fēng)電供暖情況，對(duì)風(fēng)電供暖的合作模型進(jìn)行驗(yàn)證分析。

3.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

3.2.1 電網(wǎng)公司基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

根據(jù)河北省發(fā)改委印發(fā)的《清潔供暖有關(guān)價(jià)格政策》（冀發(fā)改價(jià)格[2017]1376 號(hào)），通過(guò)市場(chǎng)化交易方式購(gòu)電的采暖用電，谷段輸配電價(jià)可享受50%的優(yōu)惠政策。冀北地區(qū)的輸配電價(jià)為0.170 7元/kWh（冀價(jià)管[2018]115 號(hào)），則合作模式下電采暖谷段的輸配電價(jià)為0.085 35 元/kWh。根據(jù)河北省物價(jià)局《關(guān)于合理調(diào)整電價(jià)結(jié)構(gòu)有關(guān)事項(xiàng)的通知》（冀價(jià)管[2017]89 號(hào)），冀北地區(qū)燃煤標(biāo)桿上網(wǎng)電價(jià)（含脫硫、脫銷和除塵）為0.372 元/kWh，風(fēng)電項(xiàng)目的標(biāo)桿上網(wǎng)電價(jià)為0.45 元/kWh，則可再生能源補(bǔ)貼為0.078 元/kWh。根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)有限公司對(duì)張家口風(fēng)電供暖的詳細(xì)規(guī)劃，設(shè)定3 個(gè)階段，第一階段為2017—2019 年，第二階段為2020—2021 年，第三階段為2022—2025 年，不同階段的相關(guān)參數(shù)值設(shè)定見(jiàn)表3。

3.2.2 風(fēng)電企業(yè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

在四方協(xié)作機(jī)制中，風(fēng)電企業(yè)承諾保障利用小時(shí)數(shù)以外的發(fā)電量全部參與市場(chǎng)化交易，并承諾在協(xié)議期內(nèi)每年自愿將不低于10%的發(fā)電量（保障小時(shí)數(shù)以上電量）按照不高于0.05 元/kWh的交易價(jià)格，用于保障電供暖用戶需求，其中電采暖用戶掛牌價(jià)格（發(fā)電側(cè)）為0.05 元/kWh，電能替代用戶掛牌價(jià)格（發(fā)電側(cè)）為0.1 元/kWh。張家口風(fēng)電并網(wǎng)的利用小時(shí)數(shù)平均為2 250 h，風(fēng)電保障收購(gòu)小時(shí)數(shù)為1 900 h，不參與市場(chǎng)交易的風(fēng)電強(qiáng)制結(jié)算電價(jià)為0.296 88 元/kWh，棄風(fēng)率為7%。

表3 不同場(chǎng)景下各參數(shù)值設(shè)定

3.2.3 供暖企業(yè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

張家口市冬季每月取暖價(jià)格為住宅5.91 元/m2，公建9.8 元/m2，按5 個(gè)月取暖計(jì)算為29.55 元/m2和49 元/m2。根據(jù)四方協(xié)作機(jī)制在張家口的實(shí)際運(yùn)營(yíng)情況，通過(guò)調(diào)研和查閱相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)風(fēng)電供暖相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)如表4 所示。

表4 風(fēng)電供暖相關(guān)參數(shù)值

3.3 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)合作博弈的Shapley 值求解方法，即根據(jù)式（9），將設(shè)定參數(shù)和各個(gè)階段數(shù)據(jù)代入計(jì)算過(guò)程，可以計(jì)算出張家口四方協(xié)作機(jī)制下風(fēng)電供暖三階段規(guī)劃中電網(wǎng)公司、風(fēng)電企業(yè)、供暖公司各自的收益。

在第一階段，電網(wǎng)公司的收益為104 104.17萬(wàn)元，風(fēng)電企業(yè)的收益為137 936.03 萬(wàn)元，供暖企業(yè)的收益為3 585.79 萬(wàn)元；在第二階段，電網(wǎng)公司的收益為89 181.56 萬(wàn)元，風(fēng)電企業(yè)的收益為155 852.15 萬(wàn)元，供暖企業(yè)的收益為10 748.77萬(wàn)元；在第三階段，電網(wǎng)公司的收益為54 314.76萬(wàn)元，風(fēng)電企業(yè)的收益為168 490.62 萬(wàn)元，供暖企業(yè)的收益為21 493.24 萬(wàn)元。三階段收益分?jǐn)偨Y(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 三階段收益分?jǐn)偨Y(jié)果

從圖3 可見(jiàn)，隨著風(fēng)電供暖的持續(xù)深入開(kāi)展，電網(wǎng)公司、風(fēng)電企業(yè)、供暖企業(yè)都能從中獲得收益，能夠持續(xù)有效地推動(dòng)張家口富裕風(fēng)電的大規(guī)模消納。風(fēng)電供暖的四方協(xié)作機(jī)制是一種有效的發(fā)展模式，風(fēng)電企業(yè)和供暖企業(yè)收益增加，將會(huì)有力支持風(fēng)電供暖的實(shí)施和開(kāi)展。但從投資和收益角度來(lái)看，隨著供暖面積的增大，電網(wǎng)公司承擔(dān)了更多的供暖電量補(bǔ)償，收益會(huì)減少，這方面應(yīng)加強(qiáng)政策性支持。

4 結(jié)語(yǔ)

從風(fēng)電大規(guī)模消納的角度，本文構(gòu)建了風(fēng)電供暖的多方合作博弈模型，以張家口地區(qū)為例，用Shapely 值法對(duì)模型求解。通過(guò)對(duì)電網(wǎng)公司、風(fēng)電企業(yè)、供暖企業(yè)的收益分析，發(fā)現(xiàn)四方協(xié)作機(jī)制能有效推動(dòng)風(fēng)電供暖的實(shí)施，參與各方均能獲得一定的收益，尤其是風(fēng)電企業(yè)和供暖企業(yè)收益能夠持續(xù)增加，但隨著供暖面積的增加，電網(wǎng)公司收益會(huì)下降。從大規(guī)模風(fēng)電消納和持續(xù)推動(dòng)風(fēng)電供暖角度，提出以下政策建議：

（1）政府制定相關(guān)的風(fēng)電供暖政策時(shí)，要合理控制風(fēng)電供暖面積與風(fēng)電供暖電量的比例。做好風(fēng)電供暖的合理規(guī)劃設(shè)計(jì)，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)和風(fēng)電供暖面積要統(tǒng)籌規(guī)劃。

（2）建立清潔取暖成本全社會(huì)分?jǐn)倷C(jī)制。統(tǒng)籌考慮熱源、熱網(wǎng)和居民采暖承受能力，可以按照合理成本加收益的原則制定風(fēng)電供暖電專項(xiàng)電價(jià)和專項(xiàng)暖價(jià)?？紤]適時(shí)提高終端供暖價(jià)格，緩解供暖成本壓力，在可接受范圍內(nèi)使居民參與分?jǐn)傠姴膳杀尽?/p>

（3）深入推動(dòng)電力體制改革，推動(dòng)綠色電力市場(chǎng)交易，適當(dāng)減免清潔供暖用電中的政府性基金及附加費(fèi)，并參考峰谷電價(jià)制度建立蓄熱式電采暖彈性輸配電價(jià)制度。