风电供热提高低谷风电消纳能力评估

风电供热提高低谷风电消纳能力评估
王彩霞;李琼慧;谢国辉
【摘要】随着中国风电开发利用规模持续扩大,风电并网运行和市场消纳已成为风电发展的制约因素,特别是在冬季夜间负荷低谷时段,受热负荷影响,风电弃风问题尤为突出.在中国东北、西北等风能资源丰富、冬季采暖期长、热电联产机组比重高的地区开展风电低谷供热,对于促进风电消纳、缓解风电冬季运行困难具有重要作用,中国已经开展风电供热试点.研究了风电供热的原理,并结合风电供热实践特点,分析了风电供热的运行特点、风电供热对于提高低谷风电消纳能力的作用以及风电供热的前景,结合案例对风电供热提高风电消纳能力的作用进行了定量分析.案例研究表明,风电供热有利于提高低谷风电的消纳能力,但就中国目前风电供热运行特点而言,其提高低谷风电消纳能力的潜力有限,要完全解决低谷时段的风电消纳问题还需要考虑其他措施.
【期刊名称】《中国电力》
【年(卷),期】2013(046)012
【总页数】7页(P100-106)
【关键词】风电供热;低谷风电消纳;风电弃风
【作者】王彩霞;李琼慧;谢国辉
【作者单位】国网能源研究院,北京100052;国网能源研究院,北京100052;国网能源研究院,北京100052
【正文语种】中文
【中图分类】TM614
0 引言
中国内蒙古、吉林等地，风能资源丰富，冬季风电出力较大，但在冬季供暖期受保证供热要求影响，热电联产机组不参与调峰运行的情况下，低谷风电弃风严重[1-2]。

用风电电力替代燃煤锅炉为城镇用户供热，可以增加地区用电负荷，提高风电本地消纳能力，尤其是在夜间电力负荷低谷时段的风电电力用于城市供热，是近期解决低谷风电消纳难题的有效途径。

为加强风电供热技术研究和试验示范工作，促进低谷风电消纳，国家能源局印发了风电供热方案论证会议纪要的通知，明确风电供热示范项目的基本要求。

目前，国家能源局已批复5个风电供热示范项目，其中吉林洮南风电供热示范项目已于2010年年初全部建成投产，并开始运行。

研究风电供热技术方案和运营模式，评估风电供热提高低谷风电消纳的潜力和经济效益，是开展和推广风电供热的关键问题。

本文将结合中国风电供热特点，重点研究风电供热技术方案，并在此基础上评估风电供热提高低谷风电消纳的潜力。

从已有运行经验来看，利用风电供热提高风电消纳能力在国外已有实践，如丹麦是采用风电供热提高风电利用水平最成功的国家之一，但与中国风电供热实现形式有所差异，实施效果没有直接可比性。

丹麦主要通过电力市场的价格响应传递风电过剩信息，并通过风电与燃煤热电联产机组（CHP）联合优化运行，实现供电与供热协调，促进风电消纳。

而中国通过负荷低谷时段范围和历史弃风电量大小限定供热时段和供热电量，以及仅通过电热锅炉增加用电负荷增加低谷风电消纳能力。

此外，已有研究对风电供热技术方案以及提高风电消纳潜力分析不多，可见报道主要围绕项目的技术可行性、项目财务效益评价、项目国民经济评价、风电供热模式等进行探讨[3-5]。

因此，本文结合中国风电供热特点，在研究风电供热技术方案的
基础上，评估风电供热对提高风电消纳能力的潜力。

首先介绍风电供热的基本原理，其次，分析中国风电供热运行特点。

在此基础上，分别从理论分析和案例分析2
个方面，研究风电供热提高低谷风电消纳水平的潜力及其影响因素，并探讨中国风电供热应用前景。

1 风电供热的基本原理
风电供热系统一般包括风电场、配电设备、电热锅炉系统、储热系统、热力管网和热用户[4]。

考虑到风电的不确定性，风电场需要配置出力预测系统，风电供热系
统还需配置蓄热系统、燃煤供热锅炉（根据需要）。

整个系统在风电出力预测的基础上进行合理调配，保证风电电力的最大使用和供热系统的正常、安全运行。

从能量分析的角度看，电能是高品位的能源，用电能供热效率低、能质不匹配。

因此很多情况下，将电能按1∶1的比例完全转化为热量并不可取。

但当风电发电量在系统中产生了过剩的电量时，电热锅炉可以利用电能来产热，这也即风电供热的初衷。

风电供热应避免非风电供热情况，可根据风资源条件和热负荷需求特性，考虑燃煤锅炉和电热锅炉互补作为供热集中热源。

2 中国风电供热运行特点分析
2.1 风电出力特性及电热锅炉运行特性分析
从国外的经验来看，根据电热转换装置的不同，风电供热有多种形式，中国开展的风电供热试点项目主要以利用电热锅炉实现风电供热为主。

因此，电热锅炉与风电出力特性分析是研究中国风电供热技术方案的基础。

2.1.1 风电场出力特性分析
从典型风电场日出力曲线（图1）来看，风电场日出力波动较大，该典型日相邻2 h出力波幅（上升和下降）在30～40 MW的概率为4.2%；波幅在20～30 MW 的概率为 16.7%；波幅在10～20 MW的概率为20.8%；波幅在0～10 MW的
概率为58.3%。

风电日出力呈现明显的反调峰特性，白天14：00—18：00 风电
出力最小，夜间21：00—24：00风电出力达到最大。

图1 内蒙古某风电场典型日出力曲线Fig.1 Typical daily output of a wind power farm in Inner Mongolia
2.1.2 蓄热锅炉运行方式分析
用于风电供热的蓄热式电热锅炉一般在风电低谷时段运行（如每日 22：00—次日5：00），除保证该时段制热供暖外，同时为其他时段供暖进行蓄热，低谷时段以外，电锅炉停运。

电热锅炉的典型用电负荷示意曲线如图2所示。

尽管供热需求随室外温度的升高逐渐降低，通过配置蓄热装置，锅炉电负荷相对稳定，电锅炉出力相对每日运行方式类似。

图2 电热锅炉负荷示意曲线Fig.2 Schematic load curve of electrically heated boiler
在实际应用中，一般选择多个电热锅炉组合供热，这样可以通过电热锅炉的部分启停，调节用电负荷，使之具有调控的灵活性。

电热锅炉与蓄热装置联合运行后，通过供热、储热平衡运行，实现连续用能，既保证供热的稳定性，还可形成持续稳定的用电负荷，也可根据电网的调度要求，适当的调节负荷变化。

2.2 风电供热运行特点分析
根据中国风电供热运行特点，低谷风电出力与电热锅炉负荷的匹配是风电供热运行分析的重要方面。

考虑风电具有随机波动性，而电热锅炉负荷相对稳定，风电出力与电热锅炉负荷的匹配存在以下2种典型场景。

2.2.1 电热锅炉所需电量完全由低谷风电供给
如图3 a）所示。

在电热锅炉所需电量完全由低谷风电供给的情况下，电热锅炉的容量取决于低谷时段的最低风电出力。

低谷时段的最低风电出力越大，电热锅炉的容量也越大，从而风电可以满足的供热量也越大。

但是从风电场低谷时段的最低出力统计情况来看，低谷时段风电最低出力很小，一般低于风电装机规模的10%，
因此，在电热锅炉所需电量完全由低谷风电供给的情况下，由低谷风电可以满足的供热量很小，对提高风电消纳能力的作用十分有限。

图4给出了不同风电场个数对应的风电低谷时段出力占风电装机的百分数。

可见，风电装机规模越大，集群效应越明显，低谷时段风电最低出力也相对越大，从而采用风电供热对提高低谷风电消纳能力的作用也越大。

因此，采用地区范围的风电场供热比绑定单个风电场供热更加有利于提高低谷时段的风电消纳能力。

图5给出
了2种不同风电场范围的低谷风电用于供热的能力对比。

图中直线1以下面积为
11个风电场低谷时段可供给的供热电量，直线2以下面积为6个风电场低谷时段可供给的供热电量。

图3 低谷时段风电出力与电热锅炉负荷匹配不同场景Fig.3 Matching scenarios
of wind power output during valley load period and load of electrically heated boilers
图4 低谷时段风电最小出力占风电装机的百分比Fig.4 Percentage of the minimum wind power during valley load period in installed wind power capacity
2.2.2 低谷风电完全用于供给电热锅炉负荷
低谷风电完全用于供给电热锅炉负荷的情况，要求电热锅炉负荷不小于低谷时段风电最大出力。

对比图3 a）和图3 b）可见，低谷风电完全用于供给电热锅炉负荷
场景下，用于供热的低谷风电电量大于电热锅炉所需电量完全由低谷风电供给的场景，即采用低谷风电完全用于供给电热锅炉负荷的场景，相比于电热锅炉所需电量完全由低谷风电供给的情况，提高低谷风电消纳水平的能力有所上升。

但是这种情况存在的问题是，由于电热锅炉容量按最大风电出力考虑，部分时段风电出力可能小于电热锅炉负荷，从而满足电热锅炉供热所需电量需由非风电电量补足，这不符合风电供热的初衷，并影响项目的经济性。

图5 不同个数的风电场低谷时段可供热能力Fig.5 Heating supply capability of wind power of different number of wind farms during load valley period 3 风电供热对提高低谷风电消纳能力作用评估
3.1 风电供热技术方案
从中国风电供热特点来看，风电供热技术方案可有以下2种。

3.1.1 根据风电装机规模测算供热量
这种方案根据一定的风电装机规模和风电供热特点，测算一定风电规模对应的供热量。

为保证电热锅炉充分利用风电电量而不消耗常规电源电量，以满足一定概率水平的风电最低出力（以下称此出力水平为在一定的概率水平下风电保证出力）测算电热锅炉容量，并进而测算风电可满足的供热量和供热面积。

设风电装机规模为Pwcap；Dh为供暖期天数，d；Th为低谷时段长度，h，例如对于低谷时段为当日 22：00—次日 05：00 的情况， Th＝7。

取风电出力的5%下分位点（α＝0.05）作为风电可靠出力水平，即在5%的概率下，风电出力水平低于Pwα。

电热锅炉容量为
则电热锅炉以95%概率可保证消纳的风电发电电量为
各量的关系如图6所示。

图中阴影部分之和为电热锅炉消耗电量Egl。

设电热锅炉效率为ηgl，则电热锅炉可以转化的供热量为
通过供热负荷的测算方法，可进一步测算该供热量对应的供暖面积。

图6 按一定概率的风电保证出力测算电热锅炉规模各量示意Fig.6 Predicted scales of electrically heated boilers with a guaranteed output of wind
power under a certain probability
通过以上的分析可见，风电低谷可满足的供热量和供热面积与概率α对应的风电
保证出力值有关。

风电保证出力值越高，电热锅炉容量越大，可满足的供热量越大。

一定概率的风电保证出力与风电场分布范围有关，风电场个数越多，分布范围越广，风电保证出力越高，从而风电供热可满足的供热量越多。

因此，采用地区范围风电场供热比绑定单个风电场供热更有利于提高低谷风电的消纳能力。

3.1.2 根据供热需求测算供热风电场规模
这种方案是根据给定的电热锅炉容量，由风电规模和风电出力特点测算可用于供热的低谷风电电量。

根据电力系统运行特点，当风电出力小于等于电热锅炉及蓄热装置负荷时，电热锅炉可充分消纳风电电力；当风电出力大于电热锅炉及蓄热装置负荷时，风电出力高于电热锅炉及蓄热装置负荷值的部分将不能被消纳，则这部分风电发电量也将无法用于供热。

因此对于给定的供热负荷，可用于电热锅炉和蓄热装置的低谷电量很难完全等价于低谷风电发电量，可能存在采用非风电量供热的情况。

非风电量需满足的供热需求与低谷时段风电出力和供热负荷的匹配度有关。

供暖期内可用于供热的风电发电量（Ewheat）由2部分组成，各部分示意如图7
所示。

（1）当风电出力低于电热锅炉负荷时对应的所有风电发电量（Ew1heat）；（2）当风电出力高于电热锅炉负荷时，电热锅炉可消纳的风电出力（等于电热锅炉容量）对应的风电发电量（Ew2heat）。

图7 供暖期可用于供热的风电电量组成示意Fig.7 Composition of wind power used for heating during heating period
式中：EwTh为供暖期低谷时段风电期望发电量，EwTh＝Pwcap×Tehh； Pwcap 为风电容量； Tehh为供暖期低谷时段风电等效利用小时数；β为风电功率大于给定电热锅炉系统（含蓄热）容量Pgl的概率，也即供暖期低谷时段风电发电量无法充分利用的概率。

对于给定电热锅炉容量Pgl，供暖期内低谷时段电热锅炉的供热电量需求为 Egl＝Pgl×Th×Dh。

进一步可以计算可用于供热的风电发电量占电热锅炉供热电量需求的比例c为
式中：，为供暖期低谷时段风电的容量系数。

对于给定电热锅炉容量，可用于电热锅炉的低谷电量与低谷风电总发电量不完全对等。

供暖期内低谷时段可用于供热的风电发电量占电热锅炉供热电量需求的比例与风电功率大于锅炉容量的概率、供暖期低谷时段风电的容量系数CFwh有关。

从上面的分析可见，电热锅炉供热需求电量根据供热需求测算供热风电场规模时，供热需求电量无法完全由风电场提供。

风电场可提供的供热电量与风电出力相对电热锅炉容量的大小以及低谷风电整体出力水平有关。

低谷风电整体出力越大，其可提供的供热量越大。

3.2 案例分析
这里采用算例量化评估风电供热提高风电消纳能力的潜力。

为使仿真风电数据尽可能体现风电典型特性，研究选取若干个地理位置较分散、季节特性较为类似的风电场[6-7]。

风电的总装机容量为399.7 MW。

取供暖期为当年的10月15日至次年的4月15日，共183天。

取风电低谷限电时段为当日22：00—次日 05：00。

电热锅炉在低谷时段制热供暖并为其他时段供暖进行蓄热，低谷时段以外，电锅炉停运。

3.2.1 风电运行特性分析
供暖期低谷时段的风电出力特性是测算风电供热电量和电热锅炉规模的重要依据。

对选取风电数据的供暖期低谷限电时段出力特性进行分析，得到风电出力分布直方图如图8所示。

图8 供暖期低谷限电时段风电出力分布直方图Fig.8 Distribution histogram of wind power during valley load period in heating period
采用经验分布函数[8-9]，拟合风电出力分布的概率密度分布如图9所示。

经验分布函数不对模型的概率分布函数形式做任何的假设，而是基于历史值计算得到变量的概率分布模型。

由于风电功率受多种因素影响，尚无一种特定的分布形式可对其进行准确描述，这里采用经验分布模型建立风电功率的概率分布。

图9 供暖期低谷限电时段风电出力概率分布Fig.9 Probability distribution of wind power output during valley load period
3.2.2 供热需求完全由低谷风电供给的提高风电消纳能力测算
（1）从功率对等角度测算。

功率对等原则即按照电热锅炉容量与风电可靠出力对等的原则，进行电热锅炉容量与风电场的匹配。

取风电出力的5%下分位点Pwα作为风电可靠出力水平，如图10—11所示。

根据供暖期低谷限电时段风电出力的概率分布可得Pwα为36.6 MW。

图10 供暖期低谷限电时段风电出力累积概率分布Fig.10 Cumulative probability distribution of wind power output during valley load period
图11 供暖期低谷时段风电出力变化曲线Fig.11 Variation curves of wind power output during valley load period
以Pwα测算电热锅炉容量和供热量。

取锅炉容量Pgl为36.6 MW，由每日供暖时段小时数（Th）为7，供暖天数（Dh）为183天，可计算得电热锅炉热量需求（Egl）为46860.5 MW·h。

由供暖期低谷时段风电出力曲线，计算得风电发电量（EwTh）为177575.2 MW·h，用于供热的低谷风电量占风电场低谷发电量的
26.4%。

案例计算结果表明：依据风电出力的概率特性，从功率对等角度设计热负荷时，电热锅炉所需电量完全由低谷风电电量提供，但用于供热的低谷风电量仅占风电场低谷电量的26%左右，对提高低谷风电消纳能力的作用较为有限。

设电热锅炉效率为90%，通过计算得Eheat＝42174.4 MW·h。

根据供热负荷的经验测算方法，取设计热负荷60 W/m2，平均热负荷约为设计热负荷的67%，根据测算的供热量可计算得其对应的供暖面积为248.4万m2。

（2）从电量对等角度测算。

电量对等原则即按照低谷风电发电量与电热锅炉消耗电量对等原则，进行电热锅炉容量与风电场的匹配。

根据风电出力特点，在供暖期低谷时段，风电总发电量（EwTh）为177575.2 MW·h，也就是说电热锅炉可利用的供热风电量（Egl）为177575.2 MW·h。

从而可计算得其对应的锅炉规模（Pgl）为138.6 MW。

由风电出力特性，风电出力大于138.6 MW的概率β为48.4%，供暖期低谷时段风电等效利用小时数Tehh=526.5。

根据风电出力相对于锅炉规模的出力大小，可计算得实际可用于电热锅炉供热的低谷风电发电量（Ewheat）为 126957.4 MW·h，仅占供热需求电量（177575.2 MW·h）的71.50%。

案例计算结果表明：从电量对等角度设计热负荷时，用于电热锅炉的实际供热电量只有71.5%的电量为风电低谷电量，其余供热电量为非风电电量。

即从电量对等角度测算时，无法保证电热锅炉所需供热电量完全由低谷风电电量供给，存在非风电电量供热的情况。

由于波动的风电出力与相对稳定的热负荷不匹配，如果不考虑电力系统实时功率平衡的特点，仅从电量对等角度测算风电供热发电量，在风电出力大于电热锅炉系统负荷，风电出力高于电热锅炉负荷值的部分不能被电力系统接纳，导致实际风电供热发电量小于预期的风电供热发电量，从而无法满足电热锅炉在供暖期的供热电量
需求，补足供热需求的其余电量将由电热锅炉消耗常规电源发电获得。

3.2.3 根据供热需求计算低谷风电供热电量的提高风电消纳能力测算
这种方案根据供热负荷需求提前给定电热锅炉容量，在此基础上测算可用于供热的风电发电量。

给定电热锅炉容量（Pgl）为80 MW，则在供暖期内，其供热电量
需求以及风电可为其提供的电量占比计算过程如下。

供暖期内电热锅炉消耗的供热电量需求为Egl=Pgl×Th×Dh=102480 MW·h，电热锅炉效率按90%计算，其对应的供热量Eheat为92232 MW·h。

根据供暖期限电时段风电出力概率分布可得，供暖期内风电出力高于80 MW的概率β为79.8%。

则按式（4）—（6）可测算风电可用于供热的发电量（Ewheat）。

根据风电低谷时段的等效利用小时数（Thhe）526.5 h，低谷时段风电总发电量（EwTh）177575.2 MW·h，可计算实际用于供热的低谷风电电量（Ewheat）为69509.4 MW·h，占低谷风电发电量的比例为39.1%，占供热需求电量的比例67.8%。

案例计算结果表明：在根据地区热负荷需求而非风电低谷出力分布特性确定电热锅炉容量的情况下，实际供热需电量中利用低谷风电的比例仅为67.8%，补足供热
需求的其余电量将由电热锅炉通过消耗常规电源发电实现，低谷风电供热电量仅占风电低谷总发电量的39.1%。

从电热锅炉容量和供热电量需求出发，按电量对等
原则，推算低谷时段供电的风电场规模是不合理的。

4 中国风电供热推广前景分析
中国风能资源主要集中在“三北”地区。

2011年风电发电量最多的5个省（区）依次为内蒙古、河北、甘肃、辽宁、黑龙江，风电发电量占全社会用电量比例最高的5个电网依次为蒙东、甘肃、蒙西、吉林、黑龙江[11]。

内蒙古、吉林、辽宁、黑龙江等地，风能资源丰富，冬季风电出力较大，冬季供暖期，在优先保证热电联产机组运行的情况下，部分风电场在冬季供暖期需参与调峰，对风电运行小时数影
响较大。

因此，在这些地区开展风电供热的潜力较大。

根据前面的分析，风电供热电量占低谷时段风电发电量的比例随着低谷时段风电出力的概率分布特性（包括集群效应、风电出力容量系数等）而变化，风电出力5%分位点下对应的风电出力水平越高、风电出力容量系数越大，风电供热电量占低谷时段风电发电量的比例越大，反之越小。

按照低谷时段风电出力5%分位点下为风电装机容量的10%测算，风电供热电量占低谷时段风电发电量的比例在35%～45%之间。

因此，风电供热有利于提高低谷风电的消纳能力，但要完全解决低谷时段的风电消纳问题还需要考虑其他措施。

5 结论
用风电电力替代燃煤锅炉为城镇供热，可以增加地区用电负荷，提高风电本地消纳能力，尤其是在夜间电力负荷低谷时段，使用风电电力给城市供热，是近期解决低谷风电消纳难题的有效途径。

本文研究了中国风电供热的特点和风电供热技术方案，并对风电供热提高低谷风电消纳能力的潜力进行了评估，主要结论如下。

（1）中国目前风电供热实现形式与丹麦等已有风电供热运行经验的国家有所不同，实施效果没有直接可比性。

丹麦主要通过电力市场的价格响应传递风电过剩信息，并通过风电与燃煤热电联产机组（CHP）联合优化运行，促进风电消纳。

这与中
国通过负荷低谷时段范围和历史弃风电量大小限定供热时段和供热电量，以及仅通过电热锅炉增加用电负荷未增加低谷风电消纳能力有所不同。

（2）采用风电供暖技术可提高低谷风电消纳能力，一定程度上减少弃风。

根据典型案例初步测算，电锅炉负荷达到系统低谷时段风电最小出力时，风电供暖可提高低谷风电消纳能力的比例为26%。

（3）由于风电出力具有随机性、间歇性和波动性的特点，而电热锅炉用电负荷相对稳定，风电的低谷出力特性与电热锅炉的负荷特性难以完全匹配，客观上很难通过风电供暖完全解决低谷风电消纳问题。

按照完全由风电电量供热设计电锅炉容量
时，由于低谷时段最低风电出力较低，对于提高低谷风电消纳能力的作用较为有限；按照供热负荷需求绑定风电场供热时，在风电出力小于供热负荷需求时段，风电只能提供部分供热电量，其余供热电量为非风电电量，不符合风电供热初衷，影响项目运营。

（4）风电供热在中国内蒙古、辽宁、吉林、黑龙江等地有一定的发展前景，可提高低谷时段风电的消纳能力，但要完全解决低谷时段的风电消纳问题还需要考虑其他措施。

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