風(fēng)電與抽水蓄能電站聯(lián)合運行成本效益分析

風(fēng)電與抽水蓄能電站聯(lián)合運行成本效益分析

目前，風(fēng)力可替代能源生產(chǎn)的主要能源迅速發(fā)展。中國是風(fēng)景氣田的主要能源之一。通過對風(fēng)電場進行的技術(shù)經(jīng)濟分析發(fā)現(xiàn),較高的電力設(shè)備價格和較低的風(fēng)電價格使風(fēng)電投資的經(jīng)濟性并不明顯,但其環(huán)境友好型和并網(wǎng)特性的價值明顯,同時通過對不同風(fēng)能擁有量的地區(qū)的比較可知,風(fēng)電資源越豐富的地區(qū),風(fēng)電場的環(huán)境效益越顯著。但由于風(fēng)能自身具有隨機性、間歇性的特點,在風(fēng)能發(fā)電過程中需放棄一定的風(fēng)能,這就造成了風(fēng)能資源的浪費。為了充分利用風(fēng)能,我國主要以火電廠作為風(fēng)能發(fā)電的備用服務(wù)來增加電網(wǎng)對風(fēng)電的消納,但火電廠的運行會增加溫室氣體排放,因此選擇適合風(fēng)電場的備用服務(wù)受到了廣泛關(guān)注。抽水蓄能電站作為風(fēng)電場的備用服務(wù)[3~7]可提高電網(wǎng)吸納風(fēng)電的能力,既充分利用了風(fēng)力資源,又充分發(fā)揮了風(fēng)電場的環(huán)境效益。鑒此,本文從經(jīng)濟效益和環(huán)境效益兩方面考慮,構(gòu)建了風(fēng)電場、抽水蓄能電站運行成本效益分析模型及火電、風(fēng)電與抽水蓄能電站聯(lián)合運行成本效益分析模型,并對模型進行了實例驗證,以期能利用棄風(fēng),增加風(fēng)能的利用效率。1成本效益分析的聯(lián)合績效模型1.1燃煤機組運行成本為分析風(fēng)電場運行的成本和效益,構(gòu)建風(fēng)電場運行成本效益分析模型為:式中,rw為風(fēng)電場年折舊系數(shù)(假設(shè)折舊費用發(fā)生在年初);i為貼現(xiàn)率;Nw為風(fēng)電場投資回報期。風(fēng)電場年發(fā)電量為:式中,Q′w為全部風(fēng)能可發(fā)電量;θg為棄風(fēng)率。風(fēng)電場單位電量成本為:式中,ICw為風(fēng)電場初始投資成本;OMCw為風(fēng)電場年運行成本。風(fēng)電場年利潤為:式中,Pw為風(fēng)電場上網(wǎng)電價;θw為風(fēng)電場廠用電率。CO2排放減少量為:式中,ΔQc為風(fēng)電場建設(shè)后燃煤機組年少發(fā)電量;γCO2為單位標(biāo)準(zhǔn)煤CO2的排放量;βcoal為單位發(fā)電煤耗量;ΔQon-off為風(fēng)電場運行后燃煤啟停新增燃料(標(biāo)煤);θc為燃煤機組綜合廠用電率。電網(wǎng)購電成本變化為:式中,Pc為燃煤機組平均上網(wǎng)電價。風(fēng)電場運行后燃煤發(fā)電年新增啟停成本為:式中,Pcoal為煤炭市場價格。燃煤發(fā)電收入變化為:電網(wǎng)平均購電電價提高為:式中,Qc為風(fēng)電場建設(shè)前燃煤機組年發(fā)電量。1.2年生存率及用電成本為分析抽水蓄能電站運行的成本和效益,構(gòu)建抽水蓄能電站運行成本效益分析模型為:式中,rp為抽水蓄能電站年折舊系數(shù)(假設(shè)折舊費用發(fā)生在年初);i為貼現(xiàn)率;Np為抽水蓄能電站投資回報期。抽水蓄能電站年上網(wǎng)發(fā)電量為:式中,ηp為抽水蓄能電站能量轉(zhuǎn)換系數(shù);Qin,p為抽水蓄能電站蓄水時年用電量。抽水蓄能電站單位電量成本為:式中,ICp為抽水蓄能電站初始投資成本;OMCp為抽水蓄能電站年運行成本;Pin,p為抽水蓄能電站蓄水時用電價格。抽水蓄能電站年利潤為:式中,Pout,p為抽水蓄能電站出水發(fā)電電價。1.3qwqnw-燃煤新能源發(fā)電為分析火電、風(fēng)電與抽水蓄能電站運行的成本和效益,構(gòu)建火電、風(fēng)電與抽水蓄能電站運行成本效益分析模型為:式中,UCvw為抽水蓄能電站建設(shè)后年風(fēng)電場增發(fā)電量而形成新的單位成本;ΔQw為抽水蓄能電站建設(shè)后風(fēng)電場年增發(fā)電量。抽水蓄能電站建設(shè)后風(fēng)電場年增利潤的變化為:抽水蓄能電站建設(shè)后燃煤機組新減少的CO2排放量為:式中,ΔQcnew為抽水蓄能電站建設(shè)后燃煤機組新減少的發(fā)電量;ΔQnewon-off為抽水蓄能電站建設(shè)后燃煤機組發(fā)電啟停年新增燃料(標(biāo)煤)。抽水蓄能電站建設(shè)后燃煤機組發(fā)電啟停年新增燃料成本為:抽水蓄能電站建設(shè)后燃煤發(fā)電收入新變化為:抽水蓄能電站建設(shè)后電網(wǎng)購電利潤變化為:2例子2.1發(fā)電規(guī)模及電價本文以區(qū)域內(nèi)4座風(fēng)電場、1臺燃煤機組、1座抽水蓄能電站為例,其中風(fēng)電場的等效年發(fā)電小時數(shù)為2000h;區(qū)域用電量需求為1010kW·h;標(biāo)準(zhǔn)煤價格為1100元;風(fēng)電、燃煤機組的平均上網(wǎng)電價分別為0.51、0.40元。風(fēng)電場、燃煤機組及抽水蓄能電站運行的相關(guān)數(shù)據(jù)見表1。2.2聯(lián)合運行成本效益分析模型將風(fēng)電場運行成本效益分析模型和火電、風(fēng)電與抽水蓄能電站聯(lián)合運行成本效益分析模型進行仿真計算,結(jié)果見表2。由表可看出,火電、風(fēng)電與抽水蓄能電站聯(lián)合運行成本效益分析模型下的單位電量成本為0.42元、CO2減排量為199.88×104t、電網(wǎng)購電利潤減少了25960萬元,與風(fēng)電場運行成本效益分析模型相比,單位電量成本下降了20%、CO2排放量減少了24.5%、電網(wǎng)購電利潤下降了47.5%。由此可知,火電、風(fēng)電與抽水蓄能電站聯(lián)合運行成本效益分析模型能減少CO2排放量,降低電網(wǎng)的購電利潤。2.3風(fēng)電并網(wǎng)量對2c排放和電網(wǎng)購電利潤的影響以表2的結(jié)果為目標(biāo)值,對火電、風(fēng)電與抽水蓄能電站聯(lián)合運行成本效益分析模型做敏感性分析。由于受政策和技術(shù)的限制,初始投資成本、運行成本、投資回收期及折損率相對來說是固定和穩(wěn)定的,而風(fēng)電并網(wǎng)量、燃煤機組發(fā)電啟停年新增燃料及棄風(fēng)率會因相關(guān)技術(shù)或人工控制發(fā)生變動,進而可能影響到模型的實際運行效果。因此本文主要將風(fēng)電并網(wǎng)量、抽水蓄能電站建設(shè)后燃煤機組發(fā)電啟停年新增燃料、棄風(fēng)率作為敏感性分析指標(biāo),并將各指標(biāo)相應(yīng)地減少10%、5%和增加5%、10%,從而分析指標(biāo)變化對CO2排放和電網(wǎng)購電利潤的影響,結(jié)果見圖1。由圖1(a)可看出:(1)當(dāng)抽水蓄能電站建設(shè)后燃煤機組發(fā)電啟停年新增燃料由-10%變至10%即變動20%時,CO2排放變化率較小,表明抽水蓄能電站建設(shè)后燃煤機組發(fā)電啟停年新增燃料對CO2的排放無顯著影響;(2)當(dāng)棄風(fēng)率由-10%變至10%時,CO2排放變化率無變化,表明棄風(fēng)率對CO2的排放也無顯著影響;(3)當(dāng)風(fēng)電并網(wǎng)量由-10%變至10%時,CO2排放變化率由90%增至將近110%,表明風(fēng)電并網(wǎng)量對CO2減排具有顯著影響。由此可知,風(fēng)電并網(wǎng)量是CO2排放的敏感性因素。由圖1(b)可看出:(1)當(dāng)抽水蓄能電站建設(shè)后燃煤機組發(fā)電啟停年新增燃料由-10%變至10%時,電網(wǎng)購電利潤并未發(fā)生改變,表明抽水蓄能電站建設(shè)后燃煤機組發(fā)電啟停年新增燃料對電網(wǎng)購電利潤無影響;(2)當(dāng)棄風(fēng)率由-10%變至10%時,電網(wǎng)購電利潤雖發(fā)生了變動,但僅為4%,表明棄風(fēng)率對電網(wǎng)購電利潤影響不顯著;(3)當(dāng)風(fēng)電并網(wǎng)量由-10%變至10%時,電網(wǎng)購電利潤變化了將近25%,表明風(fēng)電并網(wǎng)量對電網(wǎng)購電利潤的影響顯著。由此可知,風(fēng)電并網(wǎng)量是電網(wǎng)購電利潤變化的敏感性因素。綜上所述,通過增加風(fēng)電并網(wǎng)量可減少CO2排放和降低電網(wǎng)購電利潤,其經(jīng)濟和環(huán)境效益均較顯著。3風(fēng)力發(fā)電與風(fēng)電聯(lián)合運行a.通過構(gòu)建火電、風(fēng)電與抽水蓄能電站聯(lián)合運行成本效益分析模型,分析了棄風(fēng)被充分利用后的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。從經(jīng)濟效益看,風(fēng)電與抽水蓄能電站的聯(lián)合運行可增加電網(wǎng)并入風(fēng)電的能力、提高電網(wǎng)的購電價格、壓縮電網(wǎng)的購電利潤;從環(huán)境效益看,風(fēng)電與抽水蓄能電站的聯(lián)合運行能減少燃煤機組的使用、降低CO2的排放