0 引言

随着全球经济的高速发展，能源消耗量越来越大，如何高效利用各种能源，保护环境，成为世界各国关注的重要问题^[1]。在化石能源危机和环境污染问题日益凸显的双重压力下，近年来，可再生能源发电尤其是风力发电快速增长^[2-4]，逐渐成为主要的能源供应方。但由于风的不确定性和间歇性，使得风力发电系统出力具有较强的波动性，易导致系统面临严重的风电消纳问题。尤其是中国东北、西北和华北等地区不仅面临着高风电渗透率的问题，且需要高比例的热电联产机组来满足冬季巨大的采暖需求^[5]。传统燃煤热电联产机组的灵活调节能力有限，难以适应高比例的风力发电系统，使得“三北”地区在冬季采暖时的弃风率高于20%，弃风现象十分严重^[6-8]。

为解决风电消纳问题，在国家政策的大力支持下，电采暖在我国部分地区迅速发展，装机容量逐年增加，为大规模消纳风电提供了新的思路^[9]。文献[10]研究了调峰辅助服务的热电联合调度方法，并计算了其促进风电消纳方面的经济效益。文献[11]提出了蓄热电锅炉的风电消纳模式，介绍了蓄热电锅炉的风电消纳原理，并从环境、经济效益等方面进行了分析。文献[12]研究了高渗透率风电条件下，高比例热电联产机组多时间尺度灵活性对风电消纳以及系统备用需求的影响。在我国电力市场化改革的大背景下，研究蓄热式电采暖参与电力市场调节时的经济价值产生机理与实现模式，不仅能够激发灵活性资源参与提升电网调节能力的积极性，而且对于解决电网灵活性不足，提高电网安全、可靠、经济运行具有现实意义。

1 蓄热式电采暖的工作特性 1.1 工作原理

蓄热式电采暖供热系统一般由电锅炉、蓄热水箱、水箱循环泵和换热器等组成，通过循环泵将电锅炉中的冷水强制或自然循环到蓄热水箱，使其转换为热水并完成热能的存储，再通过换热器将其热量释放出来输送给用户。

蓄热式电采暖分为两种运行模式：低谷时段全功率制热、储热供给全天供暖模式；弃风时段经济运行模式，即协定风电场弃风时，启动运行模式，弃风电量不足时购买电网电量以满足供暖需求。在满足供暖的前提下，蓄热式电采暖系统以模式2运行比模式1消纳的弃风量多^[13]。本文主要研究第二种模式下蓄热式电采暖的灵活调节能力，即在全天任何弃风时段，使蓄热电采暖锅炉投入运行，尤其在夜间低谷电价时段，使蓄热电采暖全功率运行，以最大程度消纳弃风。

由于蓄热式电采暖具备储热能力，通过控制蓄热电采暖开关，可以根据需要在不同时段对其耗电功率和建筑室内温度进行调节。在满足给定的温度条件T_set下，通过改变蓄热电采暖的开关状态，使采暖用户达到适宜的供热温度范围，即T_-~T₊。当室内温度低于T_-时，开启蓄热电采暖开关对其进行供热，当室内温度达到T₊时，关闭蓄热电采暖开关，停止对其供热，以使对应控制的室内温度一直维持在适宜的温度T_set±δ。蓄热式电采暖工作示意图如图 1所示。

1.2 功能特点

（1）具备储热功能，能够根据用户的需要进行调节；

（2）具有可调负荷特性，利用低谷电能进行蓄热，可削峰填谷、优化电网结构、降低运行成本，同时提高风电消纳能力；

（3）构造简单，占地面积小，可将蓄热水箱设在地下或者在建筑设计时把蓄热水箱作为建筑消防水池，一池两用，节省投资费用；

（4）无噪声，燃料清洁，具有保护环境的作用；

（5）自动化程度高，可实现无人操作自动调节，且运行安全可靠。

2 蓄热式电采暖调节能力经济价值产生机理

蓄热式电采暖的调节能力主要体现在调节功率的大小和时间的转移。从理论上来看，蓄热式电采暖主要是利用时间转移来实现电采暖用户与弃风的对接。蓄热式电采暖一般由电锅炉和蓄热体构成，在热需求不变的情况下，可以利用蓄热体对能量的时间平移特性，向电网提供实时调节能力，是具有改善系统运行质量能力的可控负荷^[14]。由于弃风功率具有间歇波动的特性，不同空间范围的弃风具有不同的功率波动特性，因此，电采暖在消纳弃风的过程中，其调节功率的运行特性将受到弃风功率波动特性的制约。

从经济角度来看，由于电力系统中的供需不平衡，导致了资源的浪费和电网运行不稳定等问题。电力系统中的供需关系是：白天为用电高峰时刻，需求大于供给；夜间为用电低谷时刻，供给大于需求。为了改变这种供需矛盾，需要利用蓄热式电采暖的调节能力来削峰填谷，实现供需的时移。电力系统供需时移变化曲线如图 2所示。

蓄热式电采暖实现供需时移主要是通过预留额外的灵活性容量来满足潜在的系统爬坡/滑坡需求，以应对实时调度时下一时段可能出现的净负荷变动，提高系统运行的灵活性。蓄热式电采暖是利用夜间电网低谷时段的低价电能和弃风电能，在6~ 8 h内完成电、热能量转换并储存，在电网高峰时段，再以辐射、对流的方式将储存的热量释放出来，实现全天24 h供暖。

3 经济价值实现模式研究

电采暖分为分散式电采暖和集中蓄热式电采暖。对于分散式电采暖，虽然白天用电负荷大、夜间用电负荷小，白天电网调节潜力大、夜间调节潜力较小，但其单台调节容量小，调节时间较短，适合聚负荷商代理参与调频及现货市场交易，不能发挥夜间电价低谷的优势，其调节能力实现的经济价值低。集中蓄热式电采暖在夜间弃风和电价低谷时段集中用电并储存热能，白天放热，白天用电负荷小，调节能力强，且单台调节容量大，调节时间较长，可通过与清洁能源企业直接交易、参与辅助服务市场、现货市场3种模式实现其经济价值。本文主要分析集中蓄热式电采暖的灵活调节能力及其经济价值。

3.1 蓄热电采暖用户与清洁能源企业直接交易模式

蓄热电采暖用户作为市场主体，可参与调峰和消纳弃风的市场交易，实现其调节能力的经济价值。直接消纳弃风的市场交易经济价值R₁如式（1）所示：

(1)

式中：E₁（t）—蓄热电采暖t时段可调用容量；

P_L—低谷时段电价；

P_F—合约约定消纳弃风电价。

蓄热电采暖用户与清洁能源企业直接交易经济价值实现模式见图 3。设蓄热电采暖在22：00至次日01：00消耗电能储存热量，用于全天热负荷供应。02：00—05：00是夜间负荷低谷时段，图 3中的容量为风机在夜间的弃风电量。为了实现蓄热电采暖的调节特性，需将其在夜间22：00至次日01：00消耗的电能转移到02：00—05：00的弃风时段，以消纳弃风电量。同时蓄热电采暖用户与风电场签订长期弃风交易合同，约定蓄热电采暖用户消纳弃风电量电价，在弃风来临之前，风电场提前告知蓄热电采暖用户，等待调度指令，完成消纳弃风的交易。蓄热电采暖用户在02：00—05：00消纳弃风电量时，所用的电价为优惠合约电价，当某时刻消纳完风电，或停止消纳风电，所用的电价为低谷电价。通过蓄热式电采暖的灵活调节，可减少资源浪费和碳排放，实现较好的经济价值。

3.2 蓄热电采暖用户参与辅助服务市场模式

蓄热电采暖用户可通过负荷聚合商的形式参与到电力辅助服务市场中，通过日前竞价的方式确定灵活调节功率（实时调峰容量）和辅助服务价格，并在容量被调用后，获得相应容量的辅助服务收益。参与调峰的辅助服务市场交易经济价值R₂计算公式如式（2）所示：

(2)

式中：E₂(t) —蓄热电采暖t时段可调峰容量；

P_H —高峰时段电价。

蓄热电采暖用户参与调峰的辅助服务市场交易经济价值实现模式如图 4所示，图中的容量为传统电采暖在白天高峰时刻消耗的电能。传统的电采暖锅炉全天消耗电能释放热量，而电力供应的实际情况是低谷电富裕、高峰电紧缺，大量传统电采暖的使用会加大电网的峰谷差。尤其是白天电网负荷较大时，若负荷突然增加，会造成目前的电能供应方供给能力不足，需要电厂额外增加机组出力来提供更多的负荷，导致成本增加。针对上述情况，应用蓄热式电采暖，使其参与到电力辅助服务市场中，能够起到削峰填谷的作用，将传统电采暖在白天高峰时段消耗的电能转移到夜间低谷电价时段，使消耗的电能成本降低，从而产生较好的经济价值。

3.3 蓄热电采暖用户参与现货市场模式

电力现货市场主要开展日前、日内、实时电能量交易和备用、调频等辅助服务交易。日前市场是现货市场的主要交易平台，以1 d作为时间提前量组织市场，形成与系统运行情况相适应、可执行的交易计划。日内市场为市场主体提供在日前市场关闭后对其发用电计划进行微调的交易平台，以应对日内的各种预测偏差及非计划状况。实时市场主要在小时前组织实施，接近系统的实时运行情况，真实反映系统超短期的资源稀缺程度与阻塞程度，并形成与系统实际运行切合度高的发用电计划。

蓄热式电采暖作为电力系统中的需求方，因其自身不发电，所以当电力系统中的供给大于需求，即高峰电价时蓄热式电采暖不参与现货市场；当电力系统中的需求大于供给，即低谷电价时蓄热式电采暖为弥补蓄热不足会多购电，从而参与电力现货市场。与传统的电采暖相比，蓄热电采暖用户通过低价购买电能参与现货市场，能够降低自身的用电成本，消耗现货市场上的多余电能，减少弃电量，达到节约资源的目的。

4 应用案例分析

为验证蓄热式电采暖的灵活调节能力，分析其经济效益，以某风能资源丰富的地区为例，该地区冬季供热期间由集中蓄热式电采暖承担供热任务，供热面积为40万m²，地区的供热量指标为30 W/m²，通过供热量指标和供热面积即可计算出该地区的供热负荷为12 000 kW，蓄热电采暖在全天24 h内平均每小时消耗电能5000 kW，转化为热能可满足对应用户的供热需求。该蓄热式电采暖用户与风电场签订的弃风交易优惠合约电价为0.1元/kWh，09：00—22：00实行高峰电价0.562元/kWh，22：00至次日09：00实行低谷电价0.289元/kWh。

弃风容量与蓄热电采暖实际调用容量分别如图 5、图 6所示。受蓄热电采暖消纳功率的限制，在02：00—05：00 3个时段分别消耗电能5000 kW。02：00—03：00时段，首先消纳风能2000 kW，然后消耗低谷电价的电能；03：00—04：00时段，消纳风能5000 kW，弃掉多余风能3000 kW；04：00—05：00时段，直接消纳弃风容量5000 kW。与传统的电采暖相比，蓄热式电采暖参与调节消纳弃风的总容量为12 000 kW（弃风量仅为3000 kW）。即当E₁（t）为12 000 kW，在P_L为0.289元/kWh、P_F为0.1元/kWh的条件下，利用公式（1）可以计算出该蓄热式电采暖用户消纳弃风获得的经济价值为2268元。

使用蓄热式电采暖参与调峰，将传统电采暖高峰电价期间（09：00—22：00）的用电量转移至夜间低谷电价时段，调峰总容量65 000 kW。即E₂（t）为65 000 kW，在P_H为0.562元/kWh、P_L为0.289元/kWh的条件下，根据公式（2）可计算出蓄热电采暖参与调峰带来的市场交易经济价值为17 745元。由此可见，蓄热式电采暖降低了耗电成本，实现了较好的经济价值。

5 结语

通过分析蓄热式电采暖调节能力经济价值产生机理，将蓄热电采暖应用于电力系统中，研究其经济价值实现模式，并以某风能资源丰富地区为例进行蓄热式电采暖灵活调节能力及经济价值分析，结果表明，蓄热式电采暖具备很强的灵活性调节能力，能够适应目前高比例可再生能源的消纳问题，且具有良好的经济效益和环境效益。推进蓄热电采暖的发展，有利于实现建设资源节约型、环境友好型电网。