利用弃风电量供暖的运营模式及经济性分析

2016-02-05杨锡运雷学丽董德华

分布式能源 2016年1期

关键词：电锅炉电价风电场

杨锡运，雷学丽，任杰, 董德华

(1.华北电力大学控制与计算机工程学院，北京昌平 102206;2.中国大唐集团科学技术研究院有限公司，北京昌平 102206)

利用弃风电量供暖的运营模式及经济性分析

杨锡运1，雷学丽2，任杰1, 董德华1

(1.华北电力大学控制与计算机工程学院，北京昌平 102206;2.中国大唐集团科学技术研究院有限公司，北京昌平 102206)

受多种因素的影响，河北张家口地区弃风现象严重。针对该地区的弃风问题，提出了利用弃风电量供暖的弃风消纳方法及其运营模式。在该运营模式的基础上，分析了影响弃风供暖项目经济性的主要因素，研究了项目的经济可行性。实例分析表明，弃风供暖项目在缓解弃风问题的同时，通过对各方利益的合理分配，具有显著的社会效益和经济效益。

风电消纳；供暖；经济性；运营模式

0 引言

随着经济的快速发展，能源消耗日益增加。为应对能源危机，合理调整能源结构，我国出台一系列能源政策，大力推动可再生能源的发展。风力发电技术相对成熟，便于大规模开发利用，近年来我国风电产业快速发展[1-3]。受风电外输能力不足、就地消纳风电能力有限等因素限制，风电产业集中的“三北”(东北、华北、西北)地区风电并网困难，弃风现象严重，严重制约了风电产业的健康发展[4-8]。

在弃风严重的地区，利用过剩风电代替煤炭产热供暖，增加风电的就地消纳能力，是解决弃风问题的有效途径之一。目前针对弃风供暖的研究尚处于起步阶段，相关研究成果不多。文献[9]通过分析风电供暖的运营模式，从新能源公司、电网公司和供热公司的角度出发，研究了风电供暖的经济性与价格机制。文献[10]提出在二级热网增设调峰电锅炉的弃风消纳方案，增加风电上网空间。文献[11]建立了评价风电供热经济性和节煤效果的模型，并进行相关算例分析。

本文选取弃风严重的张家口地区作为典型区域进行分析，提出了弃风供暖项目的运营新模式。本文通过风电场让利，提出了风电场、电网公司和供热公司联合参与的运营模式。在该运营模式的基础上分析影响弃风供暖项目的主要因素，研究各因素与风电场、电网公司和供热公司利益的量化关系，分析弃风供暖项目的经济可行性。实例测算表明，弃风供暖项目通过对各方利益合理分配，具有经济可行性。

1 张家口地区弃风现状

张家口地区是我国风能资源丰富的区域之一，近年来风电产业迅速发展。截至2014年底，张家口地区风电并网容量达5.98×103MW，未来规划增加风电装机容量4×103MW。其风电产业主要集中在张北县、尚义县、康宝县、沽源县等地区。

张家口地区消纳风电能力有限，电网跨区域输电能力不足，风电并网配套设施基础薄弱，造成该地区弃风现象严重。张北县、尚义县、康宝县、沽源县等地区风电装机容量和风电受限功率如表1所示。

表1 张家口部分地区风电受限情况Table 1 State of wind power in Zhangjiakou

由表1可知，张北县风电受限功率为457 MW，尚义县风电受限功率达916 MW，沽源县风电受限功率为440 MW，弃风率都在50%左右，弃风限电问题十分严重，造成风电资源的严重浪费。

2013年8月15日，国家电网公司发布《国家电网公司电能替代实施方案》[12]，提倡建立“以电代煤、以电代油、电从远方来”的能源消费新模式，积极倡导电能替代能源消费理念，为解决张家口地区日益严重的弃风问题提供了新思路。

张家口地区供暖以煤炭锅炉为主，一个供暖期消耗大量煤炭资源，同时对环境产生不利影响。采用电锅炉替代燃煤锅炉，利用过剩风电代替燃煤进行供暖，不仅可以解决张家口地区日益严重的弃风问题，促进风电产业的健康发展，同时能够减少煤炭等不可再生能源的消耗，具有显著的经济效益和环境效益。图1为弃风供暖项目示意图。

图1 弃风供暖项目示意图Fig.1 Schematic diagram of using curtailed wind power to heat

2 弃风供暖项目运营模式

利用弃风供暖，推动电能替代项目的实施涉及到风电场、电网公司和蓄热电锅炉供热公司的利益。为协调各方利益，本文提出弃风供暖项目的运营新模式。弃风供暖项目运营模式示意图如图2所示。由图2可知，本文提出的运营模式由风电场、电网公司、蓄热电锅炉供热公司联合参与，通过风电场的让利，可实现对弃风供暖项目利益的合理分配。

图2 弃风供暖项目运营模式示意图Fig.2 Operating model of using curtailed wind power to heat

弃风供暖项目的实施过程中，电网公司处于主导地位。电网公司参与弃风供暖项目，可通过电网公司促进电能替代和弃风利用的市场优化配置。项目运行过程中，电网公司增加风电上网电量，并转供该部分增发电量给供热公司。项目执行谷期电价，电网公司从售出电价和上网电价的差额中获得收益。

弃风供暖项目运行模式中，供热公司投资建设和运营管理热源站，负责制热蓄热并向用户供暖，是项目成本的主要承担方之一。而风电场因获得增发上网电量以及根据增发电量兑现的政府风电补贴，是项目的受益主体。因此，项目运行过程中，风电场根据项目消纳的弃风电量让渡供热公司一定收益，以促进项目的开展和实施。

3 弃风供暖项目影响因素分析

根据本文提出的弃风供暖项目运营模式，影响弃风供暖经济性的因素主要有风电上网电价、电网售电电价、用电量、风电场让利、热源站投资等。

风电上网电价。风电上网电价是影响风电场和电网公司收益的主要因素。风电上网电价高，则风电场售电收益增加，但考虑电网公司的输电费用，电网售电电价也相应升高，影响电网公司和供热公司的收益。

电网售电电价。电网售电电价是电网公司与供热公司的结算电价。供热公司根据电网售电电价和用电量向电网公司支付用电费用，是供热公司主要开支之一。电网公司从售出电价和上网电价的差额中获得收益。提高售电电价在增加电网公司收益的同时加大供热公司的支出。

用电量。弃风供暖项目的用电量由供暖面积决定，供暖面积越大，则项目用电量越大。根据电锅炉产热效率和采暖热指标，可得供暖面积S与用电量Q关系为：

(1)

式中：W为采暖热指标；T为供暖时间；η1为电锅炉产热效率；η2为管网热损耗。

风电场让利。风电场作为项目的受益主体，为促进项目的开展，风电场让利给供热公司，以提高供热公司使用风电供暖的积极性。风电场让利过低，则供热公司缺乏使用风电供暖的积极性；让利过高，直接影响风电场推动弃风供暖项目的积极性。

热源站投资。热源站投资包括蓄热式电锅炉、循环水泵、热源站管路等制热设备采购费用和热源站运行管理费用，是影响弃风供暖项目经济性的主要因素之一[9]。

4 弃风供暖项目经济性分析

根据本文提出的运营模式，该项目涉及电网公司、风电场、供热公司的利益，维持各方利益的均衡是推动该项目实施的关键。

4.1 电网公司相关经济因素分析

电网公司从售出电价和上网电价的差额中获得收益，维持购售电价差是促使电网公司参与该项目的关键。

弃风供暖项目主要用电负荷集中在电网负荷低谷时段，当供暖面积较小时，电网现有配电设施能够容纳新增谷期用电负荷。而供暖面积较大时，现有供电设施不能容纳新增谷期用电负荷，此时需要对现有配电设施进行改造，增加电网公司的支出。

弃风供暖项目采用蓄热式电锅炉产热供暖，电锅炉蓄热时间为Ts；则蓄热时段电锅炉用电负荷Ps为：

(2)

设电网负荷峰谷差为Pc，则根据蓄热时段电锅炉用电负荷和电网负荷峰谷差可得最大可增供暖面积Smax为：

(3)

当SIg1时，电网公司可获益。

式中：Q为用电量；C1为风电上网电价；C2为电网售电电价。

当S>Smax时，电网公司需要对现有配电设施进行改造，新增投资费用为Ig3。此时对于电网公司，弃风供暖项目在经济上可行需满足条件为：

Ig2>Ig1+Ig3

(6)

4.2 供热公司相关经济因素分析

弃风供暖项目中，供热公司采用风电代替煤炭产热供暖，向电网公司支付用电费用的同时节省购买煤炭费用。为维持风电代替煤炭产热供暖的经济可行性，风电综合产热费用不高于产生相同热量所需要的煤炭价格。

根据能量对等原则，可替代煤炭质量M为：

式中：Qc为燃煤的热量；ηc为燃煤锅炉产热效率；δ为燃煤热值。

燃煤单价为J时，节省购买煤炭费用Ie1为：

Ie1=M·J

(9)

供热公司按照消纳的弃风量，从风电场获得让利收益Ie2，让利收益Ie2计算公式为：

Ie2=Q·C3

(10)

式中C3为风电场让利额。

供热公司的主要支出项为支付给电网公司的购电费用Ie3和热源站投资费用Ie4。供热公司的收支情况如表2所示。

表2 供热公司收支情况Table 2 Revenue and expenditure of the project by energy service company

对于供热公司，弃风供暖项目在经济上可行需满足条件为：

Ie1+Ie2>Ie3+Ie4

(11)

由上式可得让利额C3取值范围为：

(12)

4.3 风电场相关经济因素分析

弃风供暖项目中，风电公司因获得增发上网电量以及根据增发上网电量兑现的政府风电补贴收入，是项目的受益主体。项目运行中，风电场按增发上网电量给供热公司让利。风电场收支情况如表3所示。

表3 风电场收支情况Table 3 Revenue and expenditure of the project by wind farm

当Iw1+Iw2>Iw3时，风电场可直接获利。

5 实例分析

以张北县为例进行分析。弃风供暖项目拟供暖面积为10万m2。采暖热指标W为55 W/m2，电锅炉产热效率η1为95%，网管热损耗η2为5%。日供暖时间为24 h，采暖期共183天，电锅炉每日蓄热时间为8 h。

5.1 电网利益

由式1、式2可得，电锅炉蓄热时段用电负荷Ps为18.3 MW，供暖期消耗电量0.268 亿kW·h。张北县用电高峰时段电网负荷约为80 MW，谷期用电负荷约为35 MW，峰谷差Pc为45 MW。Pc>Ps，故电网无需对现有配电设施进行改造。张家口地区风电上网电价C1为0.391 7元/(kW·h)，当电网售电电价C2大于C1时，电网公司即可获利。即当C2取张家口地区谷期电价0.411元/(kW·h)，电网公司即可盈利。

5.2 蓄热电锅炉热力公司利益

燃煤锅炉采用燃煤产热，项目可替代燃煤0.35万t。取燃煤单价为650元/t，则Ie1为227.5万元时。蓄热式电锅炉费用为200元/m2时，锅炉总投资为2 000万元。蓄热式电锅炉设备按20年折旧期，40%残值率计算，年设备折旧费用Ie4为60万元。由式(12)可得，当风电场按照0.34元/(kW·h)让利时，供热公司可达到盈亏平衡，超过该价格时，即可获利。

5.3 风电场利益

风电场在获得增发上网电量收益的同时得到政府补贴，收益为0.54元/(kW·h)，让利支出低于该价格，风电场可获利。如果按照风电场让利热力公司大于0.34元/(kW·h)，则风电场增发电量的收益小于0.20元/(kW·h)。

6 结论

针对张家口地区的弃风问题，本文提出利用弃风供暖增加风电就地消纳水平的方案，并建立了电网公司、风电场和供热公司联合参与的运营新模式。在该模式基础上，本文分析了影响项目运营的风电上网电价、电网售电电价、用电量、风电场让利、热源站投资等经济因素，研究了该项目的经济可行性。实例分析表明，弃风供暖项目可增加风电并网功率，缓解严重的弃风问题，同时可维持各方利益，具有一定的经济可行性。

[1]柴大鹏, 李钰龙, 马明娟, 等. 低碳背景下风电与输电网综合协调投资规划模型研究[J]. 华北电力大学学报(自然科学版), 2014, 41(4): 107-112. CHAI Dapeng, LI Yulong, MA Mingjuan, et al. Research on comprehensive and coordinated planning of wind power and transmissions investment model based on mixed-integer linear programming[J]. Journal of North China Electric Power University(Natural Science Edition), 2014, 41(4): 107-112.

[2]吕泉, 姜浩, 陈天佑, 等. 基于电锅炉的热电厂消纳风电方案及其国民经济评价[J]. 电力系统自动化, 2014, 38(1): 6-12. LYU Quan, JIANG Hao, CHEN Tianyou, et al. Wind power accommodation by combined heat and power plant with electric boiler and its national economic evaluation[J]. Automation of Electric Power Systems, 2014, 38(1): 6-12.

[3]陈磊, 徐飞, 王晓, 等. 储热提升风电消纳能力的实施方式及效果分析[J]. 中国电机工程学报, 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.

[4]郭飞, 王智冬, 王帅, 等. 我国风电消纳现状及输送方式[J]. 电力建设, 2014, 35(2): 18-22. GUO Fei, WANG Zhidong, WANG Shuai, et al. Consumption situation and transmission modes of wind power in China[J]. Electric Power Construction, 2014, 35(2): 18-22.

[5]刘畅, 吴浩, 高长征, 等. 风电消纳能力分析方法的研究[J]. 电力系统保护与控制, 2014, 42(4): 61-66. LIU Chang, WU Hao, GAO Changzheng, et al. Study on analysis method of accommodated capacity for wind power[J]. Power System Protection and Control, 2014, 42(4): 61-66.

[6]王彩霞, 李琼慧, 谢国辉. 风电供热提高低谷风电消纳能力评估[J]. 中国电力, 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.

[7]裴哲义, 范高锋. 中国风电运行消纳相关问题研究[J]. 中国电力, 2014, 47(4): 1-4. PEI Zheyi, FAN Gaofeng. Research on wind power operation and accommodation problems in China[J]. Electric Power, 2014, 47(4): 1-4.

[8]张运洲, 胡泊. “三北”地区风电开发、输送及消纳研究[J]. 中国电力, 2012, 45(9): 1-6. ZHANG Yunzhou, HU Bo. Study on wind power exploitation, transmission and accommodation in northern region of China[J]. Electric Power, 2012, 45(9): 1-6.

[9]王彩霞, 李琼慧, 谢国辉. 风电供热价格机制研究及经济性分析[J]. 中国电力, 2014, 47(10): 156-160. WANG Caixia, LI Qionghui, XIE Guohui. Pricing mechanism and economic analysis of heating supply by wind power[J]. Electric Power, 2014, 47(10): 156-160.

[10]李佳佳, 胡林献. 基于二级热网电锅炉调峰的消纳弃风方案研究[J]. 电网技术, 2015, 39(11): 3286-3291. LI Jiajia, HU Linxian. Research on accommodation scheme of curtailed wind power based on peak-shaving electric boiler in secondary heat supply network[J]. Power System Technology, 2015, 39(11): 3286-3291.

[11]吕泉, 李玲, 朱全胜, 等. 三种弃风消纳方案的节煤效果与国民经济性比较[J]. 电力系统自动化, 2015, 39(7): 75-83. LYU Quan, LI Ling, ZHU Quansheng, et al. Comparison of coal-saving effect and national economic indices of three feasible curtailed wind power accommodating strategies[J]. Automation of Electric Power Systems, 2015, 39(7): 75-83.

[12]国家电网公司. 电能替代实施方案[R]. 北京: 国家电网公司, 2013. State Grid. Alternative implementation plan of electric energy[R]. Beijing: State Grid, 2013.

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