水蓄冷在削峰填谷中的效益分析

李 洋

（国瑞沃德（北京）低碳经济技术中心，北京 100053）

近年来，随着我国经济发展和居民生活水平的提高，第三产业和居民用电在全社会用电量总的比重的不断增长，电力负荷增长快于用电量增长速度，电网峰谷差逐年拉大。削峰填谷作为电力需求侧管理工作的重要内容，在提升电力供需平衡和应急保障能力、实现电力系统高效经济运行中发挥着关键的作用。此外，削峰填谷不仅可有效转移高峰用电负荷、减少电力装机需求，还可以相应地节地、节水、节材，并通过填谷来提高发电侧机组负荷率、降低发电和供电煤耗，具有多重的节约、经济、环境和社会效益。

1 分析方法

文中所采用的方法是从全社会视角出发，分析通过实施水蓄冷项目进行削峰填谷，实现削减电力容量成本、提高电力系统运行效率而为社会带来的节约效益。因此，在分析过程中将把电厂、电网与电力用户视为一个整体，即暂且不考虑三者之间的利益关系。本文对削峰填谷净效益的定义是：实施水蓄冷项目进行削峰填谷所带来的效益扣除水蓄冷项目成本之后的净效益，即：

式中：项目效益包括通过实施水蓄冷项目避免的电源建设及运行成本现值、避免的电网建设成本现值、提高供电机组效率形成的效益现值以及降低线损形成的效益现值；项目成本包括水蓄冷项目的建设投资成本以及项目的运行维护成本。

根据以上定义将式（1）展开，具体的表达式为

式中：Px为水蓄冷项目总的经济效益；Cb为水蓄冷项目所避免的电源建设成本现值；Co为水蓄冷项目所避免的电源运行成本现值；CN为水蓄冷项目所避免的电网建设成本现值；Pep为水蓄冷项目提高供电机组效率形成的效益现值；Pet为水蓄冷项目降低线损形成的效益现值；Pxb为实施水蓄冷项目所需的项目建设投资额现值；Pxo为实施水蓄冷项目所需的项目运行维护成本现值。

2 案例分析

以水蓄冷项目为例，假设某中小城市以一台600 MW的燃煤发电机组供电，简化后的负荷曲线如图1所示，电网平均最大峰谷差率为33.3%。在实施了一批总容量为10 MW的水蓄冷项目后，成功地将10 MW峰荷转移至了低谷，即实现了在供电量不变的情况下，将平均最大峰谷差率降到了30.5%。

2.1 项目效益

图1 水蓄冷项目移峰填谷负荷曲线

（1）避免发电容量成本：以火电作为基准，转移1 kW峰荷避免电源投资建设成本按5 000元计算。

（2）避免电源年运行成本：即火电厂扣除燃料成本以及折旧成本以后每年的费用支出，主要包括工资支出、水费、日常检修费用等。1 kWh电的总成本按0.35元计，其中燃料成本约占75%，即0.262 5元，折旧成本约为0.05元。扣除燃料成本和折旧成本后，即得到电厂发1 kWh的运行成本为0.037 5元，发电运行小时数按5 000 h/年计算，则单位千瓦容量发电装机年运行成本为188元。

（3）降低供电煤耗：发电机组在不同负荷下所对应的供电煤耗如图2所示，从该曲线的形状可以判断出，随着发电机组负荷的下降，供电煤耗呈现加速上升趋势，因此在供电量不变的前提下，把峰荷移至低谷的过程中总体的供电煤耗是下降的。

图2 600 MW发电机组在不同负荷下的供电煤耗

假设水蓄冷项目实施前后其它影响供电机组煤耗的因素不变，供电机组煤耗仅为负荷的函数，有项目和无项目情况下的供电煤耗之差可由公式（3）表示

通过对图1中有无项目电网负荷曲线进行对比可以判断，在0到T1区间、T2到T3区间、T4到T区间，有项目和无项目的负荷曲线不变，即有项目和无项目的负荷曲线仅在峰和谷处存在差别，因此两者的供电煤耗之差可以由公式（4）表达

式中：Δe为T期间，有项目和无项目发电机组的供电煤耗之差，g；s(p)为发电机组在负荷为p时的供电煤耗，g/kWh。

式（4）中4个积分项所对应的中值功率P分别为400 MW、600 MW、410 MW和590 MW，T1到T2、T3到T4之间的时间间距均为ΔT。根据积分中值定理，式（4）可转化为式（5）

式中：p为发电机组运行负荷，kW；S600为发电机组在600 MW负荷下运行的供电煤耗，g/kWh；S590为发电机组在590 MW负荷下运行的供电煤耗，g/kWh；S400为发电机组在400 MW负荷下运行的供电煤耗，g/kWh；S410为发电机组在410 MW负荷下运行的供电煤耗，g/kWh；ΔT为水蓄冷项目年运行时间，h。

根据多家从事水蓄冷业务的节能服务公司提供的数据，水蓄冷项目1 kW装机平均年移峰填谷电量约为675 kWh，因此ΔT可采用675 h，将此数据代入公式（4），可以得出在有项目和无项目情况下一年期间发电机组供电煤耗之差，如公式（5）所示

式中：ΔE为有项目和无项目情况下发电机组一年期间的供电煤耗之差，g。

图2为某600 MW发电机组在不同负荷下所对应的供电煤耗，基于该组实验数据，利用最小二乘法进行二次多项式拟合，可以得出该发电机组供电煤耗与负荷的关系曲线及其表达式

式中：S为机组供电煤耗，g/kWh；P为机组运行负荷，MW。

由式（7）可以计算出，该机组在600 MW、590 MW、410 MW以及400 MW负荷下运行的供电煤耗分别为295.3 g/kWh、295.4 g/kWh、301.5 g/kWh和302.1 g/kWh。将以上数据代入式（6），可以计算出ΔE为80 325 kgce。2012年1—6月份，秦皇岛港的5 500 kcal动力煤港口平均平仓价格是769元/t，折算成标准煤（7 000 kcal）约978元/t，按此价格计算，水蓄冷项目实施后，通过削峰填谷降低发电设备供电煤耗每年节约的燃料费用约为78 558元。

（4）避免输配电容量成本：水蓄冷项目的实施可以降低峰荷时系统对电网输电容量的需求，从而节省输配电网的建设投资。“十一五”期间我国电源工程累计完成投资17 602亿元，同期，电网工程建设累计完成投资14 785亿元[3]，以此计算我国电源与电网投资比例为1∶0.84。按照该比例，以及上文中转移1 kW峰荷避免发电厂投资建设成本5 000元的假设计算，转移1 kW峰荷避免的输配电容量成本为4 200元。

（5）降低线损：在电网运行过程中，在同样的时间段内输送相同的电量的情况下，线损是由网线电流、线损电阻和负荷的持续时间决定的，其计算公式为

式中：e为电网的电能损耗；Ip为电网平均负荷电流；r为线损电阻；ΔT为测计期时间。

根据图1中的水蓄冷项目移峰填谷负荷曲线，不言而喻，有项目和无项目进行的是同一时段的比较，即ΔT=ΔT有项目=ΔT无项目，由此可以得出以下计算式

式中：i600为无项目600 MW时的网线电流；i400为无项目400 MW时的网线电流；i590为有项目590 MW时的网线电流；i410为有项目410 MW时的网线电流。

设有项目与无项目电网电压不变，则电流与功率成正比（i=P/V），所以

2010年我国火力平均供电煤耗为333 g/kWh，线损率为6.53%，输送单位电量的线损，即e无项目为21.7 g/kWh，代入公式（10）可以计算出水蓄冷项目实施后电网的线损即e有项目为21.5 g/kWh。

相比较无项目情况下，有项目情况下电网的线损减少了0.2 g/kWh，一年的发电设备运行小时数按675 h计算，则1 kW水蓄冷装机一年由于削峰填谷降低电网线损可节能135 gce，年节约燃料费用约0.132元。

2.2 项目成本

上述水蓄冷项目的成本包括该项目的建设投资成本以及项目每年的运行维护成本。在项目成本的计算中暂且忽略水蓄冷设备的用电成本以及占地成本。

（1）项目投资成本：根据收集到的水蓄冷项目投资数据，如表1所示，专家根据该数据估算出水蓄冷项目转移1 kW高峰负荷的平均投资额现值约为3 000元。

表1 水蓄冷项目投资

（2）项目运行成本：水蓄冷项目的年运行费用按照项目投资额的3%计算，即每年90元/kW。

2.3 项目现金流

基于以上对水蓄冷项目收益与成本的分析，假设水蓄冷项目以及火电厂的项目寿命期均为40年，资金折现率为10%，对上述水蓄冷项目成本与收益的现金流进行分析，其结果如表2所示。

表2 10 MW水蓄冷项目成本与收益的现金流量表万元

10 MW水蓄冷项目效益主要由避免的电厂建设投资、避免的电厂运行维护成本以及避免的电网建设投资构成，其现值分别为4 545万元、1 838万元和4 091万元，在项目收益中所占的比例分别为43.07%、17.42%和38.77%。

根据以上分析结果可以计算得出，平均转移1 kW峰荷在项目寿命期内所能实现的净效益现值为6 946元，将其按照等额支付的方式以10%的现金贴现率分摊到项目期内的每一年，则每年分摊到的效益为710元。根据统计数据，水蓄冷项目单位千瓦装机平均可实现年填谷电量675 kWh，如果将削峰填谷全部的经济效益全部用于低谷电价的补贴，则分摊到每千瓦时电的补贴额度约为1.052元/kWh。

3 结论

综上所述，以实施水蓄冷项目的方式进行削峰填谷，能够有效地减少供电容量成本、提高电力系统运行效率，从而实现电力系统的高效经济运行以及全社会资源的优化配置。按照本文中水蓄冷项目案例的成本效益分析结果，平均每实现1kW的削峰填谷，可带来项目寿命期累计6 946元的效益现值，而如何科学合理地将这部分效益在电厂、电网、用户以及节能服务公司等相关部门之间进行分配，形成有效的激励机制，则有待于进一步的研究。

[1]汪卫华，张慧敏，陈方.用削峰填谷方法提高供电企业效益的分析[J].电网技术,2008,28(18):79-81.

[2]张育.负荷率对配电网线损的影响[C]//中国电器工业协会.中国电力系统保护与控制学术研讨会论文集.广东：2006.

[3]中国电力工业统计数据分析[R].北京：中国电力企业联合会，2011.