基于蓄熱式電鍋爐電-熱時(shí)移特性的棄風(fēng)消納方案經(jīng)濟(jì)性分析

崔 楊，莊 妍，陳 志，仲悟之，崔成偉，趙鈺婷

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基于蓄熱式電鍋爐電-熱時(shí)移特性的棄風(fēng)消納方案經(jīng)濟(jì)性分析

崔 楊1，莊 妍1，陳 志2，仲悟之3，崔成偉4，趙鈺婷1

（1.東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司嘉興供電公司，浙江 嘉興 314000；3.中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司，北京 100192； 4.內(nèi)蒙古電力（集團(tuán)）有限責(zé)任公司錫林郭勒電業(yè)局蘇尼特左旗供電分局，內(nèi)蒙古 錫林郭勒 011200）

針對(duì)我國(guó)“三北”地區(qū)冬季供暖期棄風(fēng)量巨大的問(wèn)題，本文在分析蓄熱式電鍋爐電-熱時(shí)移特性的基礎(chǔ)上，考慮供暖期風(fēng)電棄風(fēng)特性及其與負(fù)荷的相關(guān)性，以及供熱面積、棄風(fēng)電量和供熱電價(jià)等因素，提出了基于蓄熱式電鍋爐和蓄熱式電鍋爐-熱電聯(lián)產(chǎn)的2種風(fēng)電供熱組合方案；從用戶側(cè)角度，建立了考慮社會(huì)綜合收益的棄風(fēng)消納組合供熱方案模型。計(jì)算結(jié)果表明，本文方案能夠在低谷時(shí)段消納更多棄風(fēng)，隨著風(fēng)電供熱成本的降低，本文2種方案的經(jīng)濟(jì)性均優(yōu)于常規(guī)供熱方案，而低谷電價(jià)降低程度的不同會(huì)改變本文方案的擇優(yōu)采用結(jié)果。

風(fēng)力發(fā)電；電-熱時(shí)移特性；蓄熱式電鍋爐；棄風(fēng)消納；風(fēng)電供熱；供熱方案；經(jīng)濟(jì)性

我國(guó)風(fēng)能資源豐富，主要集中在“三北”地區(qū)，近年來(lái)風(fēng)電裝機(jī)容量逐年增加，但風(fēng)電實(shí)際接入和消納的情況卻較差，棄風(fēng)問(wèn)題十分嚴(yán)重[1]。2017年全國(guó)棄風(fēng)電量419億kW·h，“三北”地區(qū)棄風(fēng)電量占全國(guó)總量的98%，其中棄風(fēng)較嚴(yán)重的地區(qū)是甘肅、新疆、吉林和內(nèi)蒙古，棄風(fēng)率分別達(dá)到33%、29%、21%和15%[2]。為此，我國(guó)風(fēng)電“十三五”規(guī)劃的目標(biāo)是重點(diǎn)解決棄風(fēng)限電而不再是裝機(jī)和并網(wǎng)問(wèn)題。

針對(duì)我國(guó)冬季供暖需求大且負(fù)荷水平較低的“三北”地區(qū)，一方面，冬季夜間風(fēng)大但電負(fù)荷低，而熱負(fù)荷與風(fēng)電出力的變化趨勢(shì)大致相同；另一方面，在負(fù)荷有限的條件下，保證供暖則無(wú)法保證風(fēng)電全額消納。由于“三北”地區(qū)電網(wǎng)以火電為主，靈活性差[3]，在冬季供暖期間，火電機(jī)組中占主導(dǎo)的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組“以熱定電”模式造成電網(wǎng)調(diào)峰能力不足，導(dǎo)致夜間低谷時(shí)段的大規(guī)模棄風(fēng)[4-7]。

風(fēng)電供熱是解決我國(guó)“三北”地區(qū)棄風(fēng)問(wèn)題的有效途徑之一，不僅可以提高風(fēng)電消納能力，緩解傳統(tǒng)采暖燃煤污染等問(wèn)題，還能提高電能占終端能源消費(fèi)的比重。為此，我國(guó)明確推廣風(fēng)電供熱[8]，在吉林、內(nèi)蒙古等地建立風(fēng)電供熱試點(diǎn)項(xiàng)目[9]。文獻(xiàn)[10]研究了風(fēng)電供熱的原理，分析其對(duì)提高低谷風(fēng)電消納能力的作用及前景。文獻(xiàn)[11]給出了國(guó)內(nèi)外的風(fēng)電供熱方案，分析表明風(fēng)能-電鍋爐系統(tǒng)具有初始投資成本較低以及技術(shù)成熟的優(yōu)勢(shì)，目前通過(guò)電鍋爐完成電能轉(zhuǎn)化為熱能是風(fēng)電供熱的主要途徑。另外，國(guó)外學(xué)者也證明電鍋爐對(duì)加快新能源系統(tǒng)整合、減少CO2排放、節(jié)約成本具有重要意義[12]。

儲(chǔ)熱作為整個(gè)能源供熱系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，可較好地應(yīng)對(duì)風(fēng)電的間歇性和隨機(jī)波動(dòng)性[13]。而蓄熱式電鍋爐是在電鍋爐的基礎(chǔ)上增加了儲(chǔ)熱環(huán)節(jié)，將熱能儲(chǔ)存起來(lái)用于其他時(shí)段的供熱，起消納風(fēng)電及削峰填谷的作用。文獻(xiàn)[14]對(duì)儲(chǔ)熱安裝位置不同（源側(cè)、荷側(cè)）所產(chǎn)生的效果進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[15]提出電能易傳輸?shù)^難存儲(chǔ)，而熱能易存儲(chǔ)但較難傳輸。因此，在儲(chǔ)熱安裝位置上本文傾向于后者，即在負(fù)荷側(cè)安裝蓄熱式電鍋爐。文獻(xiàn)[16]對(duì)比3種棄風(fēng)消納方案，提出棄風(fēng)嚴(yán)重時(shí)，應(yīng)優(yōu)先發(fā)展蓄熱，將風(fēng)電供熱作為補(bǔ)充方案。

目前國(guó)內(nèi)已有很多文獻(xiàn)對(duì)風(fēng)電棄風(fēng)供熱進(jìn)行了研究[17-19]，文獻(xiàn)[20]在電力市場(chǎng)中對(duì)蓄熱式電采暖消納棄風(fēng)進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析。實(shí)際實(shí)施方面，國(guó)內(nèi)一些省市也出臺(tái)了鼓勵(lì)用戶使用風(fēng)電供熱的相關(guān)措施[21-22]，如吉林省采用蓄熱式電鍋爐清潔供暖，按供熱面積對(duì)其投資主體給予不低于28元/m2的補(bǔ)助；張家口市風(fēng)電供暖上網(wǎng)電價(jià)和過(guò)網(wǎng)費(fèi)分別不高于0.05元/(kW·h)和0.1元/(kW·h)，總體不超過(guò)0.15元/(kW·h)。

然而，現(xiàn)有基于蓄熱式電鍋爐風(fēng)電供熱系統(tǒng)的研究或相關(guān)激勵(lì)措施，大多考慮消納棄風(fēng)的方法和效果，而對(duì)棄風(fēng)量不足時(shí)蓄熱式電鍋爐的風(fēng)電供熱方案研究較少。為此，本文基于實(shí)際數(shù)據(jù)分析供暖期風(fēng)電棄風(fēng)特性及其與負(fù)荷的相關(guān)性，定義并分析蓄熱式電鍋爐的電-熱時(shí)移特性，利用棄風(fēng)電量和蓄熱式電鍋爐將儲(chǔ)熱與風(fēng)電供熱相結(jié)合以達(dá)到充分消納棄風(fēng)的目的。針對(duì)棄風(fēng)量不足的情況，提出蓄熱式電鍋爐的兩種供熱組合方案，并給出方案選擇流程圖。通過(guò)算例分析，與常規(guī)供熱方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比較，并結(jié)合未來(lái)電力市場(chǎng)的需求進(jìn)行了分析。

1 蓄熱式電鍋爐電-熱時(shí)移特性分析

1.1 蓄熱式電鍋爐消納棄風(fēng)原理

在熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組以熱定電的傳統(tǒng)供熱模式中，為保證全社會(huì)供暖需求，需保證機(jī)組發(fā)電出力維持在較高水平，而電網(wǎng)調(diào)峰能力有限，特別是夜間負(fù)荷水平較低時(shí)，不得不限制風(fēng)電出力來(lái)維持電力供需平衡，這樣對(duì)風(fēng)電的消納非常不利。

圖1為某調(diào)度日棄風(fēng)示意。在火電機(jī)組運(yùn)行至最小出力水平時(shí)，電網(wǎng)可接納最多的風(fēng)電，即電網(wǎng)的最大風(fēng)電接納空間。圖1中的火電最小出力是指純供電的純凝式火電機(jī)組和供熱的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組最小出力之和。

圖1 某調(diào)度日內(nèi)棄風(fēng)示意

圖1中豎線陰影面積為風(fēng)電的接納空間，可計(jì)算為

式中，wind、load、h.min分別為所接納風(fēng)電功率、系統(tǒng)負(fù)荷和火電機(jī)組最小出力。

由于電網(wǎng)可接納風(fēng)電功率受火電機(jī)組出力下限值限制，當(dāng)可發(fā)風(fēng)電功率wind.N超過(guò)可接納風(fēng)電功率時(shí)會(huì)導(dǎo)致棄風(fēng)，棄風(fēng)功率qf可表示為

橫線陰影面積表示棄風(fēng)電量qf，可表示為

式中，為供暖期天數(shù)，S為第天的棄風(fēng)電量，qf.i()為第天時(shí)刻的棄風(fēng)功率，1、2分別為供暖期內(nèi)每天每次棄風(fēng)發(fā)生的始末時(shí)刻。

蓄熱式電鍋爐作為一種新型可控用電負(fù)荷，夜晚利用低谷時(shí)段棄風(fēng)電量進(jìn)行直接供熱和蓄熱，白天利用儲(chǔ)存的熱能向用戶供熱，打破了以熱定電的限制，大大提高電網(wǎng)系統(tǒng)靈活性。這樣不僅可以充分利用過(guò)剩風(fēng)電，提高電網(wǎng)風(fēng)電消納能力，還能達(dá)到削峰填谷、節(jié)能減排的目的。

蓄熱式電鍋爐使用壽命長(zhǎng)（20~25年），結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、供熱效率高；智能控制，無(wú)人工費(fèi)用。常見(jiàn)蓄熱式電鍋爐有固體蓄熱式和水蓄熱式。本文選用固體蓄熱式電鍋爐，優(yōu)點(diǎn)是占地面積小，單位體積儲(chǔ)熱密度大，不需額外配備蓄熱設(shè)備。

1.2 電-熱時(shí)移特性

圖2為電-熱時(shí)移特性棄風(fēng)消納示意，2個(gè)坐標(biāo)圖互為映射，熱負(fù)荷為供暖期供熱負(fù)荷。為消納1-2時(shí)段的棄風(fēng)電量，考慮熱的存儲(chǔ)特性，將1-2時(shí)段的風(fēng)電轉(zhuǎn)換成熱1儲(chǔ)存起來(lái)，用于供給非棄風(fēng)時(shí)段的供熱需求2+3。由此，非棄風(fēng)時(shí)段的電負(fù)荷也將減少的部分2+3通過(guò)以熱定電產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的電量，由此實(shí)現(xiàn)到在時(shí)間上的轉(zhuǎn)移。

在保證供熱需求前提下，到1實(shí)現(xiàn)了電熱能量之間的轉(zhuǎn)移，2+3到1實(shí)現(xiàn)了熱在時(shí)間上的轉(zhuǎn)移。通過(guò)熱負(fù)荷的時(shí)移實(shí)現(xiàn)電負(fù)荷的時(shí)移，本文將此特性定義為電-熱時(shí)移特性。

結(jié)合以上分析，某調(diào)度日內(nèi)的電-熱時(shí)移特性可表示為

式中：為電熱效率，3、4分別為非棄風(fēng)時(shí)段電負(fù)荷轉(zhuǎn)化成熱負(fù)荷的始末時(shí)刻，1為棄風(fēng)發(fā)生次數(shù)，2為非棄風(fēng)時(shí)段電負(fù)荷轉(zhuǎn)化成熱負(fù)荷的次數(shù)，qf.j()為第次時(shí)刻的棄風(fēng)功率，Q()為第次時(shí)刻的供熱功率。

圖2 電-熱時(shí)移特性棄風(fēng)消納示意

蓄熱式電鍋爐因其與熱電廠供給同一熱負(fù)荷用戶，所以在保證供熱質(zhì)量的前提下，利用電-熱時(shí)移特性，可降低熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組強(qiáng)迫出力，減小負(fù)荷峰谷差，提高電網(wǎng)的風(fēng)電消納能力。利用蓄熱式電鍋爐進(jìn)行風(fēng)電供熱提高風(fēng)電接納能力原理為

式中eb為蓄熱式電鍋爐負(fù)荷功率。

2 風(fēng)電棄風(fēng)特性及其與負(fù)荷相關(guān)性

采用“三北”地區(qū)某省2011—2012年冬季供暖期實(shí)測(cè)棄風(fēng)數(shù)據(jù)和實(shí)際電負(fù)荷數(shù)據(jù)，對(duì)棄風(fēng)特性及其與負(fù)荷的相關(guān)性進(jìn)行分析，以此說(shuō)明“三北”地區(qū)通過(guò)棄風(fēng)供熱從而消納棄風(fēng)的實(shí)際可行性，并確定蓄熱式電鍋爐的工作時(shí)間。

整個(gè)供暖期（20111025—20120410，169天）共有6 519個(gè)時(shí)段（15 min為1個(gè)時(shí)段）存在棄風(fēng)，約占供暖期總時(shí)段數(shù)40.18%，供暖期風(fēng)電棄風(fēng)量為307.9萬(wàn)MW·h，占全年總棄風(fēng)量77.6%。

圖3為供暖期日內(nèi)各時(shí)段棄風(fēng)功率分布三維圖，由圖3可見(jiàn)，棄風(fēng)不僅存在于夜間低谷時(shí)段，也存在于各個(gè)時(shí)段，只不過(guò)在低谷時(shí)段棄風(fēng)發(fā)生次數(shù)較多，棄風(fēng)功率較大，并且棄風(fēng)具有不確定性。本文采用典型日棄風(fēng)實(shí)際數(shù)據(jù)分析和一般日棄風(fēng)概率分析2種方法來(lái)說(shuō)明供暖期棄風(fēng)特性。典型日棄風(fēng)方式及負(fù)荷分析曲線如圖4所示，供暖期棄風(fēng)概率的日內(nèi)分布（各小時(shí)出現(xiàn)棄風(fēng)的時(shí)段數(shù)占供暖期總時(shí)段數(shù)的概率，總和為0.401 8 pu）如圖5所示，典型日熱負(fù)荷波動(dòng)較小，故設(shè)為定值。

圖3 供暖期日內(nèi)各時(shí)段棄風(fēng)功率分布三維圖

圖4 典型日棄風(fēng)及負(fù)荷分布曲線

圖5 供暖期棄風(fēng)概率日內(nèi)分布

由圖4可見(jiàn)：24:00至次日6:00電負(fù)荷值最低，棄風(fēng)也出現(xiàn)在這個(gè)時(shí)段。且由圖5可見(jiàn)：1:00—7:00時(shí)段棄風(fēng)概率較高，而冬季供暖期熱負(fù)荷一般呈現(xiàn)夜晚需求大、白天需求小的特點(diǎn)。由此可知，電負(fù)荷低谷時(shí)段，正是發(fā)生棄風(fēng)的主要時(shí)段，這恰好與基于電-熱時(shí)移特性的蓄熱式電鍋爐用電規(guī)律相匹配，說(shuō)明通過(guò)消納棄風(fēng)電量來(lái)解決冬季供暖需求的思路具有可行性。蓄熱式電鍋爐的運(yùn)行方式分為固定時(shí)段運(yùn)行和隨棄風(fēng)時(shí)段變化運(yùn)行，2種運(yùn)行方式消納棄風(fēng)效果和運(yùn)行所需費(fèi)用見(jiàn)表1，分時(shí)電價(jià)見(jiàn)表2。

表1 2種運(yùn)行方式消納棄風(fēng)電量及運(yùn)行所需費(fèi)用對(duì)比

Tab.1 The abandoned wind power consumptions and operation costs of the two operation modes

表2 分時(shí)電價(jià)

Tab.2 The time-of-use price list

在隨棄風(fēng)時(shí)段變化運(yùn)行方式下，每個(gè)時(shí)段的棄風(fēng)供熱的電價(jià)都依據(jù)該時(shí)段的實(shí)時(shí)電價(jià)（峰、谷、平電價(jià)）計(jì)算，而固定時(shí)段運(yùn)行方式只需要使用谷段電價(jià)計(jì)算；由圖3—圖5及表1—表2可知，棄風(fēng)存在于各個(gè)時(shí)段且大多集中在負(fù)荷低谷時(shí)段，為了盡可能多消納棄風(fēng)的同時(shí)保證經(jīng)濟(jì)性，并充分利用其電-熱時(shí)移特性，將蓄熱式電鍋爐運(yùn)行時(shí)間設(shè)定在低谷時(shí)段，即當(dāng)日23:00至次日7:00，其余時(shí)段電鍋爐只向外放熱。

3 棄風(fēng)消納供熱組合方案及其模型

本文方案基于冬季供暖需求全部由風(fēng)電供熱，由上節(jié)可知，棄風(fēng)發(fā)生具有不確定性，個(gè)別時(shí)段內(nèi)，棄風(fēng)電量甚至可完全滿足整日供熱需求；而某些時(shí)段內(nèi)則無(wú)棄風(fēng)或棄風(fēng)較少，無(wú)法完全滿足蓄熱式電鍋爐供熱的用電需求，此時(shí)不足部分需由其他能源來(lái)滿足。為此，本文提出2種蓄熱式電鍋爐的供熱組合方案，其棄風(fēng)消納方案選擇流程如圖6所示。由圖6可見(jiàn)：已知量為供暖期棄風(fēng)功率qf和電供熱所需用電量h，無(wú)棄風(fēng)采用目前的常規(guī)供熱方式；有棄風(fēng)，則根據(jù)電-熱時(shí)移特性定義，式(4)中棄風(fēng)電量與h比較大小。若≥h，則蓄熱式電鍋爐可完全使用棄風(fēng)進(jìn)行供熱；若＜h，則進(jìn)行供熱方案1和方案2的選擇。

圖6 棄風(fēng)消納方案選擇流程

方案1 僅利用蓄熱式電鍋爐。當(dāng)?shù)凸葧r(shí)段棄風(fēng)無(wú)法滿足供熱需求時(shí)，則需在低谷時(shí)段從電網(wǎng)購(gòu)電來(lái)使蓄熱式電鍋爐供熱。

方案2 蓄熱式電鍋爐+熱電聯(lián)產(chǎn)。當(dāng)?shù)凸葧r(shí)段棄風(fēng)無(wú)法滿足供熱需求時(shí)，則采用熱電聯(lián)產(chǎn)替代電鍋爐直接供熱。

方案選擇的3個(gè)因素為供熱面積、棄風(fēng)電量以及供熱電價(jià)，可根據(jù)需要考慮的因素，對(duì)以上2個(gè)方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性對(duì)比，擇優(yōu)采用。

3.1 系統(tǒng)用電負(fù)荷計(jì)算模型

系統(tǒng)供熱一日所需用電量h，即系統(tǒng)一日最大程度消納棄風(fēng)電量的計(jì)算公式[17]為

式中：為采暖熱負(fù)荷指標(biāo)，W/m2；hot為供暖面積，m2；h為日供暖時(shí)間，h。

3.2 系統(tǒng)消納棄風(fēng)能力計(jì)算模型

本文風(fēng)電供熱系統(tǒng)消納棄風(fēng)的能力與低谷時(shí)段棄風(fēng)量有關(guān)。當(dāng)?shù)凸葪夛L(fēng)功率大于蓄熱式電鍋爐電功率eb時(shí)，僅利用棄風(fēng)就能滿足供熱的用電需求，但多余部分棄風(fēng)無(wú)法消納；當(dāng)?shù)凸葪夛L(fēng)功率小于eb時(shí)，雖能完全消納低谷棄風(fēng)，但無(wú)法滿足供熱的用電需求，系統(tǒng)還需要同時(shí)消耗其他能源。系統(tǒng)消納棄風(fēng)能力為

式中：qf為系統(tǒng)一日消納的棄風(fēng)電量，MW·h；qf.l.h為低谷時(shí)段第個(gè)采樣點(diǎn)的棄風(fēng)功率，MW；eb為一日蓄熱式電鍋爐工作時(shí)長(zhǎng)；為所選時(shí)間尺度；為所選時(shí)間尺度下的數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)數(shù)。

3.3 棄風(fēng)消納供熱組合方案計(jì)算模型

本文從用戶側(cè)角度出發(fā)，以社會(huì)綜合收益（效益與成本之差）最大為目標(biāo)函數(shù)，即

式中，p為系統(tǒng)效益，eb為蓄熱式電鍋爐投資成本，CHP為熱電聯(lián)產(chǎn)供熱成本（方案1中為0）。

3.3.1系統(tǒng)效益p

利用棄風(fēng)代替煤炭燃燒的棄風(fēng)供熱，其效益主要體現(xiàn)在風(fēng)電環(huán)境效益及節(jié)約燃煤量，

式中：f為風(fēng)電環(huán)境效益，元/(MW·h)；c為標(biāo)煤價(jià)格，元/t；為節(jié)約標(biāo)煤量，t。

3.3.2 蓄熱式電鍋爐投入成本eb

eb分為靜態(tài)投資成本eb.s和運(yùn)行成本eb.w，

靜態(tài)投資成本包含一次性投資費(fèi)用IC及退役殘值DC分?jǐn)偟侥陜?nèi)的成本[18]；運(yùn)行成本指供暖期蓄熱式電鍋爐運(yùn)行用電費(fèi)用，

式中：qf.n為系統(tǒng)一日消納的非棄風(fēng)電量（方案2中為0），MW·h；0為民用低谷電價(jià)（本文中低谷電價(jià)即為供熱電價(jià)），元/(kW·h)。

3.3.3熱電聯(lián)產(chǎn)供熱成本CHP

熱電聯(lián)產(chǎn)這部分的供熱費(fèi)用按熱計(jì)量方式收費(fèi)，供熱成本等于基本熱費(fèi)與計(jì)量熱費(fèi)之和：

式中：a為基本熱費(fèi)單價(jià)，元/m2；b為計(jì)量熱費(fèi)單價(jià)，元/(MW·h)。

3.3.4常規(guī)供熱成本hot

一般按1個(gè)采暖季的建筑面積來(lái)收費(fèi)，則常規(guī)供熱成本計(jì)算為

式中，r為常規(guī)供暖價(jià)格，元/m2。

3.3.5未來(lái)電力市場(chǎng)影響因子

本文將未來(lái)電力市場(chǎng)條件改變對(duì)模型中效益、成本的影響，采用參數(shù)表示，={12345,6}。

標(biāo)煤價(jià)格：

靜態(tài)投資成本：

運(yùn)行成本：

CHP供熱成本：

常規(guī)供熱成本：

風(fēng)電環(huán)境效益：

式中：1為標(biāo)煤價(jià)格的環(huán)比，由國(guó)家發(fā)改委價(jià)格監(jiān)測(cè)中心可得；2為政府提供的優(yōu)惠補(bǔ)貼單價(jià)，元/m2；3為民用電價(jià)的變化率；4為熱電聯(lián)產(chǎn)供熱成本的年變化率；5為常規(guī)供暖價(jià)格的年變化率；6為風(fēng)電環(huán)境效益的變化率。

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 計(jì)算條件

以東北某市級(jí)電網(wǎng)總裝機(jī)容量為348.7 MW的8個(gè)風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際棄風(fēng)數(shù)據(jù)為例，分析2種供熱方案的經(jīng)濟(jì)性，并與常規(guī)供熱方案進(jìn)行比較。給定計(jì)算條件如下。

1）供暖條件，見(jiàn)表3。

表3 供暖條件

Tab.3 The heating conditions

2）蓄熱式電鍋爐參數(shù)

依據(jù)供熱面積選用11臺(tái)固體蓄熱式電鍋爐（技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表4）。使用壽命取20年，電熱轉(zhuǎn)化效率為98%，初期投資成本為325萬(wàn)元×11，退役殘值為178.75萬(wàn)元，靜態(tài)投資成本為169.8萬(wàn)元。

表4 單臺(tái)電鍋爐主要技術(shù)參數(shù)

Tab.4 Main technical parameters of the single regenerative electric boiler

3）其他參數(shù)

風(fēng)電環(huán)境效益為230元/(MW·h)[23]，1度電約需要360 g標(biāo)準(zhǔn)煤，標(biāo)準(zhǔn)煤平均價(jià)格為535元/t[24]。

4.2 計(jì)算結(jié)果

將各參數(shù)數(shù)據(jù)應(yīng)用于本文棄風(fēng)消納供熱組合方案模型，供暖期消納棄風(fēng)電量如圖7所示。

圖7 供暖期消納棄風(fēng)電量

由圖7可以看出：1個(gè)供暖期消納棄風(fēng)電量為6 659.6 MW·h，占供暖期低谷時(shí)段棄風(fēng)總量的34.84%，占整個(gè)供暖期棄風(fēng)總量的28.02%，相當(dāng)于節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤2 125 t，折合減少CO2排放量5 311 t。

4.2.1經(jīng)濟(jì)性分析

本文2種風(fēng)電供熱方案及常規(guī)供熱方案1個(gè)供暖期的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比見(jiàn)表5。由表5可知，本文2種風(fēng)電供熱方案中方案2（蓄熱式電鍋爐+熱電聯(lián)產(chǎn)）綜合收益較優(yōu)，更適用于本文算例；2種方案成本均較常規(guī)供熱方案高，即使有一定的風(fēng)電環(huán)境效益和節(jié)煤效益，綜合起來(lái)也高于常規(guī)供熱，這主要體現(xiàn)在運(yùn)行成本方面，實(shí)質(zhì)上就是低谷電價(jià)。

表5 供熱方案經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

Tab.5 The economy comparison of the heating schemes

4.2.2未來(lái)市場(chǎng)需求經(jīng)濟(jì)性分析

由上節(jié)結(jié)果可知，目前電力市場(chǎng)環(huán)境下風(fēng)電供熱模式的經(jīng)濟(jì)性較差，成本價(jià)格是阻礙風(fēng)電供熱發(fā)展和影響其經(jīng)濟(jì)性的主要因素。因此，本文從3個(gè)方面對(duì)未來(lái)電力市場(chǎng)需求進(jìn)行分析。

1）激勵(lì)政策 隨著風(fēng)電上網(wǎng)資源的豐富，社會(huì)的進(jìn)步以及國(guó)家政策的開(kāi)放，風(fēng)電供熱必將受到許多優(yōu)惠補(bǔ)貼[20]，整個(gè)系統(tǒng)效益也將逐漸提高。

2）價(jià)格機(jī)制 風(fēng)電供熱基本方式為風(fēng)電企業(yè)低價(jià)向電網(wǎng)出售供熱總用電量，電網(wǎng)收取輸電費(fèi)用并將電量轉(zhuǎn)供給供熱單位?，F(xiàn)今出現(xiàn)由市場(chǎng)供需和成本來(lái)確定風(fēng)電供熱價(jià)格的新型價(jià)格機(jī)制[21]，將有利于消納更多棄風(fēng)。

3）運(yùn)營(yíng)模式 目前電力市場(chǎng)的調(diào)控手段仍比較單一，且電價(jià)不能隨意改變。此外，風(fēng)電、電網(wǎng)、供熱是3個(gè)獨(dú)立的利益?zhèn)€體，相互間的利益難以協(xié)調(diào)。隨著電力改革深入及市場(chǎng)機(jī)制逐步完善，風(fēng)電、電網(wǎng)和供熱同屬一個(gè)利益共同體的運(yùn)營(yíng)模式將成為常態(tài)，這樣省去中間交易過(guò)程，售電價(jià)格將省去各方調(diào)控的約束，市場(chǎng)自由度也將逐步擴(kuò)大。

上述3方面因素相互作用的結(jié)果將直接體現(xiàn)為風(fēng)電供熱成本價(jià)格的變化。表6為未來(lái)市場(chǎng)需求下模型中成本的變化趨勢(shì)，以低谷電價(jià)下降趨勢(shì)百分比為自變量，重新計(jì)算方案1和方案2與常規(guī)方案的綜合收益對(duì)比，不同低谷電價(jià)對(duì)綜合收益差的影響如圖8所示。

表6 未來(lái)市場(chǎng)需求下模型中成本的變化趨勢(shì)

Tab.6 Changing trends of the cost in model in the future market demand

圖8 低谷電價(jià)不同對(duì)綜合收益差的影響

圖8中2條直線分別代表方案1和方案2與常規(guī)方案的綜合收益差。由圖8可以看出：當(dāng)縱坐標(biāo)綜合收益差為0時(shí)，方案1和方案2的橫坐標(biāo)分別為51.11%和13.26%，即當(dāng)?shù)凸入妰r(jià)分別降低至當(dāng)前價(jià)格的51.11%（0.143 0元/(kW·h)）和13.26%（0.037 1元/(kW·h)）時(shí)，方案1和方案2的綜合收益與常規(guī)方案相同；當(dāng)?shù)凸入妰r(jià)分別小于51.11%和13.26%時(shí)，2個(gè)方案各自的綜合收益將高于常規(guī)方案；2條直線存在交點(diǎn)，當(dāng)?shù)凸入妰r(jià)下降百分比小于該交點(diǎn)橫坐標(biāo)57.26%（0.160 2元/(kW·h)）時(shí)，方案1的綜合收益優(yōu)于方案2，反之，方案2的綜合收益優(yōu)于方案1。以上分析表明，低谷電價(jià)的降低會(huì)提高本文方案的社會(huì)綜合收益，且低谷電價(jià)降低程度的不同會(huì)影響本文方案的擇優(yōu)采用結(jié)果。

事實(shí)上，目前我國(guó)部分地區(qū)已經(jīng)出臺(tái)了相關(guān)電價(jià)補(bǔ)貼政策，用以降低電供熱成本。如北京市實(shí)施“煤改電”政策，居民在采暖季享受補(bǔ)貼后的低谷電價(jià)為0.1元/(kW·h)[25]。若以此價(jià)格進(jìn)行計(jì)算，方案1和方案2的社會(huì)綜合收益分別為–365.62萬(wàn)元和–612.84萬(wàn)元，與表5結(jié)果相比本文方案綜合收益大大提高，且方案1綜合收益高于常規(guī)方案。

隨著風(fēng)電技術(shù)的日益成熟及電力市場(chǎng)的逐步優(yōu)化，風(fēng)電供熱系統(tǒng)所需電能全部由低谷時(shí)段棄風(fēng)提供時(shí)，因存在消納棄風(fēng)所帶來(lái)的風(fēng)電環(huán)境效益，所以低谷電價(jià)只要低于0.500 2元/(kW·h)，風(fēng)電供熱經(jīng)濟(jì)性（社會(huì)綜合收益）就優(yōu)于常規(guī)供熱方案。

目前國(guó)家大力推廣風(fēng)電供熱的清潔供暖方式，更多地利用棄風(fēng)能帶來(lái)更高的環(huán)境減排效益，則社會(huì)綜合收益也將大幅增加，形成良性循環(huán)。

5 結(jié) 論

1）本文提出的2種風(fēng)電供熱方案能有效消納棄風(fēng)，實(shí)例計(jì)算表明，1個(gè)供暖期消納棄風(fēng)電量為6 659.6 MW·h，占低谷時(shí)段棄風(fēng)總量的34.84%，占整個(gè)供暖期棄風(fēng)總量的28.02%，相當(dāng)于節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤2 125 t，折合減少CO2排放量5 311 t。

2）低谷電價(jià)的降低會(huì)提高本文方案的社會(huì)綜合收益，當(dāng)棄風(fēng)量不足時(shí)，低谷電價(jià)降低程度的不同會(huì)影響本文方案的擇優(yōu)結(jié)果；當(dāng)風(fēng)電供熱系統(tǒng)所需的電能全部由棄風(fēng)提供時(shí)，低谷電價(jià)只要低于0.500 2元/(kW·h)，風(fēng)電供熱的經(jīng)濟(jì)性就優(yōu)于常規(guī)供熱方案。在未來(lái)電力市場(chǎng)需求下，本文方案的經(jīng)濟(jì)性將逐步顯現(xiàn)并優(yōu)于常規(guī)供熱方案。

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Economic analysis of abandoned wind power consumption schemes based on electric-thermal time shift characteristics of regenerative electric boiler

CUI Yang1, ZHUANG Yan1, CHEN Zhi2, ZHONG Wuzhi3, CUI Chengwei4, ZHAO Yuting1

(1. School of Electrical Engineering, Northeast Electric Power University, Jilin 132012, China; 2. Jiaxing Power Supply Company, State Grid Zhejiang Electric Power Company, Jiaxing 314000, China; 3. China Electric Power Research Institute Co.,Ltd., Beijing 100192, China; 4. Inner Mongolia Power (Group) Co., Ltd., Xilingol Electric Power Bureau Sunite Right Power Supply Branch, Xilingol 011200, China)

Aiming at the issue of a huge amount of wind power abandonment in winter heating period in the "Three North regions" in China, two wind power heating schemes, based on regenerative electric boiler (REB) and REB with combined heat and power generation (CHP), were proposed, by analyzing the electric-thermal time shift characteristics of the REB and taking into account the characteristics of abandoned wind power and its correlation with the load, as well as factors such as heating area, abandoned wind power and heating power price. From the perspective of the user side, a model of abandoned wind consumptive combination heating scheme that considers comprehensive social benefits was established. The results show that, the proposed schemes can consume more winds during low power output periods. With the reduction of wind power heating cost, the economy of the proposed schemes will be superior to the conventional heating schemes, and the difference of reduction degrees of electricity price during low power output periods will change the preferential consequence.

wind power generation, electric-thermal time shift characteristics, regenerative electric boiler, abandoned wind power consumption, wind power heating, heating scheme, economy

National Natural Science Foundation of China (51777027); The “13th Five-Year” Scientific Research Planning Project of Department of Education of Jilin Province (JJKH20170099KJ)

崔楊(1980—)，男，博士，教授，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行分析及新能源聯(lián)網(wǎng)發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)，cuiyang0432@163.com。

TK82

A

10.19666/j.rlfd.201810190

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2018-10-25

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51777027)；吉林省教育廳“十三五”科學(xué)研究規(guī)劃項(xiàng)目(JJKH20170099KJ)

莊妍(1994—)，女，碩士研究生，zhuangyanjyjy@163.com。

（責(zé)任編輯 杜亞勤）