促进风电消纳的风热联营电能替代模式效益分析

贺 鹏，罗宏超，杨 林

（国网山西省电力公司电力调度与控制中心，山西 太原 030001）

0 引言

随着经济的快速发展，能源危机与环境污染问题日益加重，从长远发展来看，这样的人类发展模式比较无法保持长远，人类的发展也将受环境因素大大制约，在此背景下，全世界越来越重视可持续发展的重要作用，开始注重能源的替代模式研究，实现人类与环境的可持续友好发展[1-4]。在世界范围内，电能的使用既经济又环保，未来在供热供暖、交通出行及居民生活等多个领域会出现电能替代，从而会实现多种效益共赢的追求，环境质量得到很大的改善，经济效益予以快速的提高，因此，电能替代将是必然趋势[5-7]。

国内外许多学者已经对能源环境与电能替代关系进行了深入的研究[8-11]，在我国，国家电网公司也对电能替代予以高度重视，发布了多项相关文件，积极宣传“以电代煤，以电代替油，电从远方来”的能源消耗模式[12-15]。对电网来讲，风电存在一定的反调峰特性，尤其在冬季供热期，夜间风电大发，而负荷则处于低谷时段，风电和供热成为较为针锋相对的一对矛盾。因此，利用风电供热就具有重要研究意义，是电能替代的一个重要方向。

本文对风电供热电能替代模式的效益进行深入研究，根据目前的风热供电模式以及电网中存在的风电消纳、风电与电网电、热负荷之间的矛盾，提出了一种风热联营电能替代模式，并对此模式的经济性、电网效益、环境效益等多个方面作了深入分析与论证，最后通过量化分析得出相关结论。

1 风电消纳给电网造成的影响

通过风热联营的电能替代模式，可以将夜间剩余的风电用于供热，起到削峰填谷作用，尤其对于冬季供暖期，夜间风电大发，而供热需求量又处在高峰时段。根据国家宏观政策，尽量保证不弃风，最大限度地消纳风电，由于风电消纳，给电网造成了一些问题，主要形成了以下两个方面的矛盾。

a） 发、用电不平衡。一方面夜间电力负荷处在低谷期，用电负荷最小；另一方面夜间的风量往往处于一天中最大时段，是风电大发时段。当电网风电装机占总装机容量的比重较大时，往往会造成电能供大于求的情况出现，即电力供需出现不平衡。

b） 风电与供热矛盾。为保证不弃风，就需要减小火电机组出力，但供热电厂为保证居民供热，就必须使汽轮机出力维持较高水平，而且为防止火电厂凝结水系统的管道冻结甚至冻裂，也须保证蒸汽的温度。简单来讲，一方面为了尽量接纳风电，就要相应地减小火电出力；另一方面为保证冬季供热，火电机组出力必须保持较高水平，于是产生风电与供热之间的矛盾。

以上两方面的矛盾，给电网的调度运行造成极大的困难，对于电网调峰也提出了严峻的挑战。

2 风热联营电能替代模式的提出

2.1 风电供热的基本原理

由于风电具有反调峰特性，在电网负荷低谷期风力资源往往比较丰富，从而造成风电与电网中的供电、供热负荷间的矛盾，造成弃风现象的频繁发生。为了有效地解决上述矛盾，国内外学者们提出了风电供热的电能替代模式[16]，从而能更加充分地利用风能，在满足电网中供热、供电负荷的同时，增加风能的利用率。

风电供热的基本原理为：利用低谷期多余的风力对电热锅炉进行供电，以储热装置作为补充，将风电以热量的形式输送或储存起来，风力发电不足时以蓄热装置为主、燃煤锅炉为辅进行供热。

一个典型的风力发电供热系统运行方式如图1[17]所示。

电锅炉：用电或其他燃料加热锅炉提供一定的供热量。其中，电锅炉需要利用电能产生热能，其效率接近于100%。

热泵：利用电能驱动压缩泵，将低温介质转化为高温介质，其转换效率非常高，一般能够达到200%以上。

图1 风电供热系统结构图

蓄热装置：能够将热能存储起来的容器，用于灵活调节热负荷。

风电用于供热时，电热锅炉可以与一次网形成循环回路，也可与蓄热装置、一次热网形成循环回路，将热量储存在蓄热装置中待用，热量仍不足时燃煤锅炉补充供热。风电不用于供热或无风电时，蓄热装置与一次网构成循环回路，或蓄热装置、燃煤锅炉与一次管网形成循环回路。主要供热运行方式如表1所示。

表1 目前CVT在我国市场所占的份额

2.2 风热联营电能替代模式

2.2.1 风热联营模式的提出

风电供热电能替代模式可以有效地解决风电消纳问题，缓解冬季供热期供用电平衡矛盾。不含风热联营的电热综合系统的基本结构如图2所示。在传统的风电供热模式下，风电场与热电厂相互独立运营（简称“风热独营”），为实现风电供热，促进风电消纳，需要风电场与热电厂之间签订相关的风电供热协议来交易完成。与热电厂相比，风电场数量众多，而且风能的分布情况随机性、波动性较大，不同时段的风电盈余情况也有所不同，而且由于风电预测的准确率还无法保持在较高水平，因此风电场无法根据预测情况与热电厂进行交易，而只能根据风电实际情况建立交易联系，这就大大降低了风电消纳的时效性和灵活性。

图2 不含风热联营的电热综合系统结构图

此外，由于风电场与热电厂相互独立运营，电锅炉、热泵等供热项目均由热电厂独自投资运营，其运维成本较大，而供热收入较低。因此，热电厂单独运营时往往很难实现盈利，供热经济效益较差。

为促进风电的及时消纳，降低风电供热的综合投资成本，本文提出一种风电场与热电厂联合运营、效益共享的电能替代模式，简称“风热联营”模式。该模式下，风电企业与发电企业合作运营，由风电场投资运营供暖项目，电锅炉等供热项目的投资成本由风电场利用过剩风能发电作为补偿，电网企业收取过网费即可。包含风热联营模式的电热综合系统结构如图3所示。

图3 包含风热联营模式的电热综合系统结构图

2.2.2 风热联营电能替代模式的意义

在风热联营模式下，将有效解决风电消纳、风热矛盾等问题，同时能促进电网和发电企业的健康长期发展，大大提高电网运行的综合效益。

风电场方面：风电场负责供暖项目的投资与建设，在风电盈余时，直接根据电网热负荷的需求将盈余的风电供给电锅炉，进而通过电锅炉提供热能。这就可以大大提高风电场的风电利用率。

热电厂方面：由于将供热项目的投资转移给风电场，因此可以大大减小相关投资成本；其次，根据热电厂的实时需求，通过直接交易寻找符合条件的风电场提供电量，这样既可以避免风电场固定经营模式的不足，又可以实现电锅炉厂和风电场联合运行效益共享模式，促进电采暖锅炉长期稳定发展。

电网运行方面：由于电锅炉可实现对负荷削峰填谷的作用，提高了电网消纳清洁能源的能力，同时还实现了供热的清洁化。此外，由于热电机组下调裕度的增加，使得整个电网的负备用容量也有所增加，从而提高电网在负荷低谷期的电力平衡调节能力。

可见，在风热联营模式下，风电、热电与电网企业将从各自的利益角度出发实现多方共赢，实现电能的合理利用和替代，共同促进电网向“资源节约型、环境友好型”电网的跨越，对电网乃至整个社会的长期健康发展具有重要意义。

3 风热联营模式的经济性效益评价指标

3.1 经济性指标

风热联营模式下，风电场与热电厂密切联系，联合运营，将风机与供热机组进行捆绑，通过配置电锅炉、热泵、储热罐等，灵活调节供热机组运行方式，实现综合效益的最大化。

为了便于分析风热联营模式下投资项目的经济效益，需要建立相关的项目财务评价指标，具体包括基础数据、财务评价指标以及敏感性评价指标等三个方面。

3.1.1 项目经济性评价基础数据

a） 项目基础数据。项目基础数据包括项目建设期、贷款利率、销售收入以及税金等几个方面。

b）风电场投资基本数据：固定资产投资，它通常由建筑工程、机电设备购置费、各种安装费、临时工程等其他费用；流动资金，流动资金在使用的过程中，一般将会把利息归入到发电成本中。

c） 发电总成本费用：主要包括经营成本、折旧费、摊销费以及利息支出。

3.1.2 项目投资的财务评价指标

风热联营项目是否能够得到成功应用和推广，需要协调好项目投资方和参与方各方的成本、利益与风险分摊。投资项目评价的基本财务指标主要有以下几个。

a） 净现值。

净现值（net present value，NPV） 计算方案在计算期内在基准折现率下收益现值与开支现值的代数和，其公式计算如下。

其中，CI表示现金流入量；CO表示现金流出量；t表示年份；n表示项目计算期；i0表示基准折现率（下同）；（CI-CO）t表示第t年的净现金流量。

若NPV≥0，则项目可接受；若NPV＜0，项目不可接受。

b） 内部收益率。

内部收益率 （Internal Rate of Return，IRR）是项目现金流入量现值等于现金流出量现值时折现率，即净现值等于零时的折现率。

若IRR≥i0，则项目可接受；若IRR＜i0，项目不可接受。

c） 投资回收期。

投资回收期亦称投资返本期，是指项目投产后用所获得的净收益偿还全部投资（包括固定资产投资和流动资金）所需要的时间。具体计算公式如下。

3.2 电网效益指标

根据风热联营模式对电网的影响分析，可知风热联营模式下的电网效益指标主要有两个方面，一是风热联营风电场对风电的消纳量，二是由于风电供热给电网带来的旋转负备用容量。

3.2.1 风电消纳量

结合图3以及相关论述可知，在风热独营模式下，系统的热负荷组成如下所示。

式中H表示系统的热负荷总量；HD1表示热电联供电厂直接供热的热负荷；HD2表示电网向电锅炉供电产生的热负荷；表示风热独营模式下利用盈余风能为电锅炉供电产生的热负荷；表示风热独营模式下其他火电机组为电锅炉供电产生的热负荷。

风热联营模式下，系统的热负荷组成关系如下。

式中HL1表示风热联营模式下，热电联产电厂直接供热的热负荷；HL2表示电网向电锅炉供电产生的热负荷；Hw表示风热联营风电场直接向电锅炉供电产生的热负荷；表示不参与风热联营的其他风电场利用盈余风能向电锅炉供电产生的热负荷；表示其他火电机组为电锅炉供电产生的热负荷。

根据以上分析，可知一般情况下，HD1往往大于HL1，因此相应的有HL2与Hw之和大于HD2。

a） 风电场与热电厂独立运营时，风电场利用盈余风电为电锅炉提供的电负荷为

b）风电场与热电厂联合运营时，风电场利用盈余风电为电锅炉提供的电负荷为

由于风热独营模式下，电锅炉由热电厂自行建设维护，在给电锅炉供电时会产生一定的损耗成本，而且热电厂直接供热的负荷需要考虑储热设备的运维成本以及发电机组的下调裕度，因此往往给电锅炉提供的电能比例较小。而在风热联营模式下，电锅炉完全由风电场运行维护，而且风电场与热电厂之间具有相互协作的关系，为实现互利共赢，就必然会使热电厂减少供热负荷，使风电场尽量充分利用盈余电能来供热，因此该模式下风热联营的风电场为电锅炉提供的电负荷会有所增加。为简化分析，可将两者关系表示如下。

式中μ为风热联营模式下电锅炉负荷的增加系数。

风热独营、风热联营模式下的风电消纳量可分别表示如下。

3.2.2 电网负备用容量

由于风热联营模式下，热电厂会相应减少直接供热负荷，这就会使机组运行压力减小，下调裕度增加，从而增加了整个电网的负备用容量，提高了负荷低谷时段发用电平衡的调节能力。

热电联供机组的出力下限与供热负荷之间的关系如下。

风热独营、联营两种模式下的机组下调裕度为

风热独营、风热联营模式下电网的旋转负备用容量分别为

3.3 环境效益评价指标

3.3.1 节能效益指标

采暖期内，对于室外温度的差别，采暖的耗热量多少，可按照采暖热负荷公式加以计算，参照计算公式为

其中，Ht为室外温度下的电网热负荷，MW；Hmax为集中供热采暖热负荷，MW；q为采暖热指标，W/m2；S为集中供热面积，m2；tn为室外采暖计算温度，℃；tw为采暖期室外温度，℃；tw为室内设计采暖温度，℃。

结合式（6）、式（8）， 可知

由于风热联营模式的作用，热电厂减少了直接供热负荷，风电场增加了利用盈余风能供热的负荷，结合式（7）、式（9）。可知，风热独营、联营模式下供热方面节约的电能有如下关系。

3.3.2 减排效益指标

电网中的热负荷往往是以煤炭为能源提供的，用煤炭供热会产生一定数量的CO2、SO2、NOx和灰渣烟尘等污染物质，对环境造成不利影响。通过风热联营，充分利用风电供热可以在很大程度上减少对环境的污染，具体减排指标如下。

式中MCO2、 MSO2、 MNOx、Mdust分别为每年减少的 CO2、 SO2、 NOx和烟尘的质量； ηCO2、 ηSO2、ηNOx、ηdust分别为各类污染物质的单位排放系数。

综上所述，促进风电消纳的风热联营项目的环境效益指标主要通过ΔQhD、ΔQhL、MCO2、MSO2、MNOx、Mdust等指标进行定量分析。

4 算例分析

4.1 算例基础数据

本项目以X镇城区为例，X镇城区年冬季典型日用电负荷为196 MW，集中供热面积为6万m2。该城区共有5家风电场，装机容量如表2所示。风电场负责投资建设电锅炉供热设备，电锅炉容量为30 MW，投资成本50万元/MW，风电供热系统至热力供热主管网，管网长度为60 m。室外采暖计算温度为-5℃；为采暖期室外温度为-10℃；室内设计采暖温度为28℃。

表2 风电场供热方式与装机容量 MW

项目的建设计算期为21年；贷款利率为7.05%；上网电价为1.42元/（kW·h） （含税），风电所得税税率为25%，固定资产投资为45808万元。X镇冬季日负荷和热负荷取电网典型日曲线，风电平均日供热时间为8 h，风电供热天数为120天/年，电厂煤耗为350 g/（kW·h）。风电场供热的利用系数λi均为0.2；电锅炉负荷的增加系数μ取0.3；标准煤燃烧产生的污染物质排放系数如表3。

表3 标准煤燃烧对应的污染物质排放系数

4.2 风热联营综合效益分析

4.2.1 经济性效益分析

结果显示，风电场在增加供热站投资与运营后，内部收益率由6.14%提高到6.45%，财务净现值由475万元提高到1628万元，投资回收期由11.9年减少到11.7年。从财务评价结果看，项目1和项目2的财务投资内部收益率均高于设定的行业收益率，财务净现值大于零，项目各年的财务状况也较好，具有一定的抗风险能力。

因此，从财务角度讲两个项目都可以接受。但是，风热联营与风热独营项目相比，风电场的抗风险能力和盈利性明显有所增加，财务净现值与投资回收期指标都有所提升，可见风热联营项目具有一定的经济性和推广价值。

4.2.2 电网效益分析

2号风电场在风热独营模式和风热联营模式下的风电消纳量和电网负备用容量情况如表4所示。与风热独营模式相比，风热联营项目的风电消纳量增加了617万kW·h，增长了约24%；电网负备用容量增长了8.4 MW，负备用容量占电网总负荷的比例由8.7%增长到10.9%。

表4 两种模式下电网效益统计结果

4.2.3 环境效益分析

风热独营、联营两种模式下节能减排效益如表5所示。从表5中可以看出，风热联营模式下，参与供热的年风电发电量约1800万kW·h，每年供热所消耗的电量替代了约6500 t标煤用于供热，其节能减排效益比风热独营模式提升了29.6%，能更加有效地实现节能减排的目标。

表5 两种模式下节能减排效益统计结果

5 结语

本文在风电与电网之间的矛盾的基础上，分析了传统风电供热模式存在的不足，进而提出了一种更为有效的促进风电消纳风电供热模式，即风热联营电能替代模式，并建立了风热联营模式的经济性效益、电网效益和环境效益评价模型。通过算例，从项目的经济效益、电网效益和环境效益等方面对风热独营和风热联合两种模式进行了定量分析，并得出结论：风热联营模式在以上几个方面均优于风热独营模式，风热联营模式是一种更为有效的促进风电消纳的电能替代模式。该模式的进一步推广与应用将为风电企业以及供热企业带来更多的经济效益、环境效益，对电网的经济、高效、环保运行起到一定的促进作用。