電力企業調峰優化經濟補償機制分析

沈 方（高級工程師），高 靖（高級工程師），王 濤（高級工程師），王春生（高級工程師），李占軍（高級工程師），鄧鑫陽

在我國北方地區，煤炭、石油以及風能資源較為豐富，發電設備以大型火電機組為主。北方冬季嚴寒，熱負荷需求較大，裝機機組大部分具備熱電聯產功能，這種方式可大幅度提高能源利用率，目前遼寧地區熱電裝機比重已接近七成?，F實情況中，熱電聯產機組的運行工況受熱負荷約束較大，主要由于目前往往采用“以熱定電”的調度模式，熱負荷僅由熱電聯產的熱出力承擔，確定了熱負荷約束后，熱電機組出力隨之確定，導致機組調峰能力下降。大量熱電機組因調峰空間有限、動力不足，造成采暖期上網電量大幅增加，致使電網調峰困難，大量風電、太陽能發電等新型清潔型能源被棄?！皸夛L”的大量存在從社會成本上來說，降低了資源配置的效率，同時增加了區域環保壓力。

因此，如何從制度上協調熱電企業調峰的動機、更大限度地鼓勵風電接入是學術界和實務界都在積極探索的現實問題。熱電企業調峰和風電接入的本質是收益再分配的問題，本文運用博弈論的思想，對參與調峰的熱電企業、風電企業及監管組織間的利益進行分析，從理論上探索電力企業調峰優化的補償機制和路徑。

一、電力企業經濟補償機制國內外研究綜述

1.熱電企業調峰困難及對“棄風”的影響。隨著能源消耗、環境污染等社會問題的凸顯，可再生能源發電比重越來越高。在我國北方，煤炭等資源較為豐富，原有發電設備以大型火電機組為主。近年來，在國家新能源戰略的引領下，風電、核電及太陽能發電等方面發展迅速[1]。風電、太陽能發電等出力具有隨機性和波動性，增加了電網系統的不平衡和對調峰服務的需求，且平衡需求與風電滲透率呈現同向變化趨勢，即系統所需的輔助服務呈現增加趨勢[2]。在以熱電為主體的電網系統中，并網風電越來越多，給電網調峰帶來了更大的壓力，風電消納問題也愈加突出。特別是在我國“三北”地區，“棄風”現象越來越嚴重[1，2]。

制約風電消納的主要瓶頸是系統調峰能力，為了彌補系統調峰能力的不足，諸多省網加強了調峰電源建設。北方“棄風”問題主要源于電網系統的調峰能力，特別是在冬季供暖期，熱負荷需求大，“以熱定電”的調度模式導致熱電企業電產量增加，機組被迫增加出力[3]。近年北方熱電聯產快速發展，熱電聯產發電量比重日益增加，無形中增加了峰荷電廠的調峰負擔[4]。大量熱電聯產機組非低出力運行，造成熱電上網增加，地區風電被棄的比例不斷提高。

2.基于利益最大化的補償機制探索。電網調峰困難和“棄風”現象存在的本質是不同發電主體間的經濟利益的二次分配[5]。從博弈角度來看，每個企業都在追求自身利益最大化。近年來煤價上升，供暖價格固定，熱電企業收益下降，傾向于隱瞞真實熱負荷需求或虛報機組運行參數，通過多發電獲得利潤以彌補效益下降[6]。影響熱電機組運行中出力的因素主要包括熱負荷制約、機組運行極限制約和能耗因素制約等，而非低出力運行的根本原因在于熱電企業對利潤的追求。北方冬季采暖用戶供熱屬于民生工程，熱電機組在滿足熱負荷需求的基礎上，同時要考慮機組的穩定性與經濟性。從調峰技術來看，可以通過熱電機組停運解決“棄風”問題，當蒸汽通過減壓降溫用于供熱時，熱負荷低于最低穩燃條件下的供熱，這會造成部分成本浪費[7]。調峰效益可以通過風電節約的煤耗來估計，而調峰頻度使旁路補償供熱，增加了設備損耗成本。也可利用蓄電池儲能，通過不同時間段熱能存儲降低熱電比，減少上網電功率，以達到對風能的消納[8]。

雖然從理論上可以通過低出力運行降低熱電上網，但現實中由于對利潤的追求，非低出力運行情況非常普遍。部分研究從經濟效益和制度角度分析，認為通過風火交易，使用風力發電獲取的利潤對熱電企業進行部分經濟補償，并制定制度合理分配利潤，調動熱電廠主動調峰的積極性，可在一定程度上減少“棄風”現象[9]。為了突破熱電機組“以熱定電”的限制，可以綜合考慮風電等新能源與熱電的統籌協調，通過供熱期火電機組的啟停與配合為風電消納提供空間[10]。熱電低出力與風電消納的核心在于補償機制的制度安排與利益分配范圍[11]。

雖然有關研究提出補償機制以引導熱電廠調峰來主動地解決風電消納，認為通過補償可以實現整體運營的經濟性，但是對于如何對調峰進行補償，尚未得到一致的方法。朱凌志等[12]提出，可按照平均容量成本，通過因調峰減少的發電量損失確定補償標準。張國強等[13]對輔助調峰服務補償機制進行設計，認為應針對熱電企業深度調峰機組超過常規能力的比率和相應時間進行補償，但未區分峰谷期的影響。陳建華等[14]從大規模風電間歇特性兼顧電網運行的經濟性與安全性方面考慮，建立風電功率預備與電力市場需求的關聯模型，并進行計量分析。從當前的研究來看，對于如何降低熱電聯產出力水平、增加電網調峰空間還未有一致的方式。特別是熱電聯產中成本分攤方法不同，調峰成本計算不同，也造成經濟補償標準的差異較大。

二、熱電聯產非低出力運行的經濟性分析

熱電聯產技術將發電過程中的余熱用于供熱，綜合考慮產出，能夠節約30%的能源投入，從而提高能源利用效率。由于經濟總量制約電力總量消納，熱電聯產機組“以熱定電”的運行方式會導致上網電量增加，阻礙電網調峰。而東北的風力資源集中在冬季夜間時段，正是電負荷低谷時段和供暖高峰，幾個因素錯位導致電力負荷空間被熱電機組占用，“棄風”現象更加突出。熱電上網累加加劇了“棄風”“棄光”現象，當前北方“棄風”過高的原因在于“以熱定電”約束導致被迫出力過高，解決“棄風”問題的關鍵在于降低熱電機組的出力水平，并合理分配各熱電聯產機組的熱負荷份額。

從整體經濟性與社會整體利益分析，大規模“棄風”一方面導致了風電資源的極大浪費，另一方面熱電大量上網又造成能源消耗與環境壓力。解決風電消納問題的核心在于多元主體利益分配機制的建立和健全，即考慮熱電企業運營中的特殊性，運用多元主體參與和利益再分配的方式，通過棄風企業供電的部分收益彌補熱電聯產企業的低出力損失，以經濟利益引導熱電企業降低發電動機，減小調峰壓力。以遼寧省為例，在經濟放緩、電力需求和供電能力存在較大差距的背景下，熱電聯產導致“棄風”率提高，不利于總體電能經濟效率，而熱電比重過高也導致污染物排放等環境成本增加。遼寧省發改委頒布的《節能發電調度管理辦法》明確規定了風能等可再生能源在各類發電機組中擁有第一發電優先級。因此，在綜合考慮熱電企業收益的同時，應考慮如何通過技術、政策手段為政府解決“棄風”過高問題。

從發達國家熱電聯產、消納“棄風”的實踐看，上述問題并非不可解決。如丹麥作為風電比重較高的國家（42%），其依靠完善的日前、日內電價報價體系，實現了風電、火電等多元供電方式的開放市場交易模式，并通過電價中較大比例的稅費和補貼支持新能源發展，將棄風率降至0.2%。這表明通過靈活的經營利益動機激勵，可以引導熱電廠、電力運營商等多主體實現穩定運營，并保持較高的運營效率。因此，以利益動機引導為思路，運用博弈工具分析如何有效引導熱電企業降低電出力積極性，減少發電量，進而解決風電消納問題，具有研究價值。

三、熱電聯產低出力運行的制約因素及現實障礙分析

1.交叉補貼效應。熱電廠往往由多種不同類型的熱電聯產機組組成，每個機組的型號、產出能力差異較大，要清晰界定熱電廠的熱電產能并非易事。在實際運行中，首先要保障供暖的持續安全，以供暖需求（即蒸汽量）供應為前提，而產生的電量不在電網調峰范疇（即優先安排熱電機組電產）。熱電聯產實質上是熱負荷與電負荷的合理分配問題，“以熱定電”的模式是建立在能源效率考慮基礎上的生產安排。但實際上，由于供暖屬于民生工程，供暖價格較低且無法根據市場機制調整，政府對熱電聯產機組缺乏財政、稅收等優惠扶持政策，通過熱電交叉補貼方式對熱電廠供暖進行彌補，加劇了熱電企業增加電負荷的動機。而國家通過批復較高的上網電價進一步加劇了熱電機組增加電產量的動機，給調峰帶來更大壓力。

2.安全性與經濟性。熱負荷和熱電機組運行的極限約束屬于硬性約束，不可變動。從當前熱電聯產企業運行的模式看，其運行極限主要有投油穩燃極限和不投油穩燃極限，投油穩燃極限標志著機組運行的安全性，不投油穩燃極限標著機組運行的經濟性。熱電聯產機組能耗量主要由汽輪機的進氣量決定，而汽輪機的進氣量由機組承擔的熱負荷及電負荷決定，同時受凝氣量的影響。為實現收益最大化，熱電機組多按照能耗最小的目標安排生產。最小能耗生產方式能夠為熱電企業帶來較高利潤，但無法達到出力最小，無形中抬高了熱電企業出力下限，造成上網電量增加。

3.利益分配制度。當前熱電聯產機組非低出力運行造成“棄風”現象普遍存在，其直接原因是熱電企業存在較強的追求利益最大化的動機，根本原因是眾多相關組織間缺乏基于利益合理分配的制度安排。由于東北地區電源結構較單一，靈活調節電源比重低，熱電企業可以通過低出力運行降低調峰壓力，以吸納更多的風電，節約能源。而風能的隨機性、波動性導致電網公司調峰成本較高，吸納風電意味著收益沒有增加卻增加了調峰成本壓力和運行風險，導致其對吸納風能缺乏利益動機，甚至會有意減少對風能的吸納，提高自身收益。對于地方政府來說，煤電生產包括熱電聯產更具價格優勢，且能夠增加地方財政收入，其接收外省風電的動機不足。而發電機組發電量、上網電價由政府部門確定，不同企業間、機組間喪失靈活調節的動力，市場激勵機制建設缺失也造成當前熱電企業非低出力運行，并導致了“棄風”嚴重的現象。

四、熱電企業調峰經濟補償的博弈分析

1.熱電企業與監審部門間的博弈分析。如上文所述，熱電企業具有提高上網電量的動機，熱電廠“以熱定電”模式下并非最小出力，并且近年來熱電聯產快速發展，熱電廠發電量積少成多，增加了電網調峰負擔。以遼寧為例，熱電聯產企業數量多，規模、技術水平差異大，為監管部門監管帶來了難度。監管部門由于專業和精力限制，很難對熱電廠熱、電產量進行準確監控，只能根據熱電企業單方面提供的原始數據對最小運行進行估算。由于信息不對稱和較高的監管成本，造成監管效果不佳。熱電企業與監管部門之間的策略選擇是典型的博弈問題，本文擬用博弈論的方法對其進行分析。

熱電企業為了獲取較高利潤，傾向于違規增加電力供應，假設熱電企業選擇違規的概率為p（0＜p＜1），被監管部門監審到的概率為q（0＜q＜1）。監管部門的監管是有成本的，被查出的熱電企業需要支付相應的罰金。對于熱電企業可選擇“違規”和“不違規”兩種策略；而監管部門可選擇“監管”和“不監管”兩種策略?；谝陨蟽蓚€主體構建混合策略博弈模型，具體可分為四種情況：①熱電廠不違規而監管部門不監管，則熱電企業收益為0，監管部門監管成本為0；②熱電企業不違規同時監管部門監管，則監管部門監管成本為Ca，熱電企業額外收益為0；③熱電企業違規而監管部門不監管，則熱電企業獲取額外利潤為Ra，監管部門的監管成本為0；④熱電企業違規同時被監管部門監管，對熱電企業采取Fa的懲罰，則熱電企業收益為Ra-Fa，監管部門監管成本為Ca。根據不同組合可得出如表1 所示的混合策略博弈矩陣。

表1 監管部門—熱電企業基于懲罰的混合博弈模型

2.監管部門—熱電企業混合博弈的求解。根據表1 可知，混合博弈的納什均衡取決于各自的預期收益，現假設熱電企業選擇違規的預期收益為P11，而不違規的預期收益為P22，由表1可知：

而P22=0，現假設P11=P22，則可推導出q?=Ra/Fa。因此，當q=q?=Ra/Fa時，熱電企業違規與否的收益是相同的；當q?＜q 時，熱電企業最優策略為“不違規”；而當q?＞q 時，熱電企業最優策略為“違規”。監管部門在進行監審行為下預期收益設定為S11，不進行監審情況下預期收益為S22，則可知：

同理可推出，當p?＞p 時，監管部門選擇不監管更有利；而當p?＜p時，監管部門選擇監管更有利。

結合公式（1）、公式（2）可得出，當Fa＜Ca且Fa＜Ca時，（p?，q?）=（Fa/Ra，Ca/Ra）為博弈的納什均衡點。但實際上該博弈的最優均衡點為（p?，q?）=（0，0），即熱電企業不違規，監管部門也不監管。在實踐中，最優點無法達成，電力監管部門必須通過頻繁的懲罰力度較大的方式才能保證熱電公司在最小出力下供電，并且要隨著熱電企業違規程度不同實行差異化懲罰，即違規越嚴重，懲罰越嚴厲，否則會助長企業的投機行為。但熱電企業數量眾多，熱電機組技術指標、運力等差異較大，監管的難度和成本較大，通過單純監管的手段降低熱電企業上網電量效果有限。

3.熱電企業與風電企業間的博弈分析。熱電企業與風電企業作為獨立運營的企業組織，其經營目標均是追求自身利益的最大化。正如上文的分析，熱電聯產非最低出力運行造成上網電量積少成多，在區域用電量沒有明顯增長的大背景下，給調峰廠帶來了較大的調峰壓力。而出于對風電企業供電不穩定的考慮，風電上網調峰增加了電網公司調峰成本和不確定性，因此電網公司更傾向于首選熱電企業供電，從而造成了大量“棄風”現象。從資源配置效率來看，風電作為利用可持續資源的發電模式，具有節省能耗、改善環境的優勢，“棄風”會造成直接的資源浪費損失。從社會角度來看，熱電供應所導致的“棄風”發電量可被認為社會中能源的純損失（風電企業流動成本比重極低，而風電企業在“棄風”下的固定成本分攤可以看成是沉沒成本），因為“棄風”直接導致可以替代熱電的風電被無補償地浪費，且各主體間沒有環保因素的約束，造成社會成本加大。而電網公司、熱電公司及風電企業作為追求利潤最大化的企業，資源浪費和社會成本問題無法通過市場機制自行優化，需要政府相關部門通過新制度的設計予以解決。

熱電聯產整體運行復雜，不同容量機組的運行成本、收益有較大差異，電力成本、收益、利潤及熱電比等指標很難量化。因此，在博弈分析中，本文根據實際情況將各企業的收益、策略等抽象化，運用抽象的數字反映彼此的關聯和博弈過程。如區域整體電力需求短期未有增長，熱電企業與風電企業在現行制度安排下，其電力供應是此消彼長的過程，而在缺乏監督、懲罰措施的環境下，熱電公司會通過虛增熱電機組容量增加發電量，以獲取最大收益。直接造成的結果是“棄風”嚴重，考慮到風電企業的運行成本，其收益為負。從社會角度來看，相對于風電熱電企業增加運力導致能源消耗和排污增加，帶來社會環境的負效應。熱電企業的博弈策略為“最低出力運行”和“違規”兩個策略；如暫不考慮收益及風險問題，電網公司的博弈策略為“優先吸納熱電”和“優先吸納風電”兩個策略。而風電企業如果可實現充分電量上網，則獲取收益；如因熱電壓力造成“棄風”，則損失部分固定成本折舊，收益為負?？梢?，風電公司是否獲取收益取決于電網公司是否優先吸納風電。

為了研究方便與直觀，在此忽略兩個參與博弈企業的具體成本收益的多樣性，將熱電企業和風電企業的收益表示為抽象的數字，數字只代表收益大小程度，并沒有真實的含義。

表2 電力公司優先吸納熱電條件下的兩企業博弈模型

由表2 可知，在電網公司優先吸納熱電企業發電且沒有監督制約的制度安排下，不論風電企業選擇哪種策略，熱電企業選擇“違規”都是最優的策略。如果熱電企業并非按照最低出力運行，則所帶來的電網整體調峰空間下降的部分可認為是風電企業的純損失。同時，由于電網優先考慮熱電發電，因此風電企業不管是選擇上網還是選擇“棄風”，都將產生損失（只是生產所產生的流動成本損失更大）。在此博弈下，（棄風和違規）為納什均衡點。

由表3可知，若假設電網公司優先吸納風電，則風電公司不會出現“棄風”現象，在此情況下，不論熱電公司選擇最低出力運行還是選擇違規，風電公司都會選擇上網，此博弈納什均衡點為（上網，最低出力運行），這是我們想要的博弈結果。在當前情況下存在的問題有兩個，一是如何有效確定各熱電機組最低出力運行的電產量，二是電力公司優先吸納風電的潛在增加成本如何化解。因此，還要考慮如何在兼顧熱電企業與風電企業雙方收益、兼顧經濟利益與社會利益的前提下，通過有效的制度安排解決熱電企業非低出力運行問題。風電作為可持續資源，其發電在能耗節約和友好環境方面具有優勢，但是無法通過市場機制得到應有補償，如考慮這部分成本，則博弈均衡可能會發生變化。按照此思路，將熱電企業的違規懲罰和社會環保成本加入博弈分析，如表4所示。

表4 綜合考慮懲罰、環保成本條件下的兩企業博弈模型

如果根據情況對風電企業清潔能源使用減輕的社會成本進行補償（補償額為4），對熱電企業能耗成本較高和違規懲罰分別給予-2、-2 的懲罰，那么此博弈模型的納什均衡點沒有變化，依然是（棄風，違規）?？梢姡绻麑犭娖髽I收取的能源補償、違規懲罰金額達不到影響熱電企業改變策略的程度，則對當前熱電企業非低出力運行問題的解決無實質影響。要從根本上解決熱電企業非低出力運行問題以減少“棄風”現象，首先要保障熱電企業在最低出力運行下能獲取與違規情況下一致的收益。從政府的角度來說，可通過增加對風電企業給予可再生能源電價附加的比重，提高對風電企業的上網電價補貼，使其具有較大利潤空間對熱電企業損失進行補償。

五、政策建議

通過博弈分析可以看出，解決熱電企業非低出力運行所導致的調峰壓力及“棄風”現象的根本在于現有機制、體制的優化，即通過市場機制和政府干預兩種手段，在保障熱電企業低出力運行及冬季供暖的前提下，自主自動地減少熱電供應。根據實際情況，本文針對不同主體提出如下建議。

1.構建以市場機制為核心的發電權交易市場。電力公司調峰問題無法根治主要源于我國電力市場還遠不成熟，我國主要實施標桿電價制度，由國家發改委制定指導定價，每個企業沒有市場實力參與定價。而每個熱電企業及風電企業的發電量也并非企業根據生產能力和收益自行決定，熱電公司“以熱定電”不參與調峰，多元的制度障礙導致調峰壓力過大，“棄風”嚴重。根據上文的分析，根據對熱電公司最低出力運行違規的抽查次數來加大對違規熱電企業的懲罰，以減弱熱電企業違規增加電產量的動機。但從實際效果上看，一方面監管部門的監管成本過高，且熱電聯產機組運行較為復雜，確定最小出力電量也存在難度。因此，應更多考慮通過市場機制對熱電聯產實施經濟補償，從被動“控”轉為主動“減”的模式。

通過建立風電、火電替代交易機制，可考慮采取發電權證市場交易模式，即電網公司允許熱電公司將多余發電權證通過市場交易方式轉讓給風電企業，風電企業因為獲取發電權證增加發電量而增加收益，并將部分發電收益按照熱電企業可接受的方案給予經濟補償。由火電企業為風電企業提供較多的發電空間，熱電公司可獲得協議約定的經濟補償。如果熱電企業通過發電權轉讓所獲取的收益能夠與違規提高發電量的收益持平，則能減弱甚至消除其違規發電動機，從根本上解決因熱電企業非低力運行所帶來的調峰壓力和“棄風”問題，并有助于減輕環境污染，促進區域能源結構優化。該制度設計涉及風電企業對熱電企業的補償額度，如果風電企業發電利潤無法充分補償熱電企業，那么政府部門可通過增加再生能源發電補貼形式對風電公司進行適度補償。政府管理部門也可嘗試制度創新，如采取風電與熱電企業間的捆綁上網，自行進行電力峰谷的調節、平衡。

2.改變熱電企業的運營與利潤形成模式。國內對熱電機組缺乏補貼、稅收等方面的扶持政策，對熱電聯產企業實行的“以熱定電、以電補熱”的方式使得電網公司對熱電企業上網電量不進行調峰。一方面，默許部分超額電量，強化了熱電企業加大電力供應的動力；另一方面，熱供應不具備市場定價權，導致利潤不穩定甚至嚴重虧損。因此，解決熱電企業的電供應超額問題的一個思路是減弱或取消傳統熱電交叉補貼的模式。保障供暖平穩是熱電企業的基本職能，國家可在保障供熱的基礎上，采取煤炭價格補貼等方式，保障供暖企業供暖本身業務的利潤，減少對發電補貼虧損的依賴。改變“以電補熱”的利潤構成模式，適度降低熱電公司上網電價，通過降低上網電價、減少熱電企業違規，來增強發電獲利的動機，降低風電對熱電補償的壓力。

3.推動風電供暖項目部分替代傳統供熱企業。隨著技術的發展與突破，熱電聯產與新能源間的矛盾將發生根本改變。當前風電技術越來越成熟，風力發電成本快速下降。具預測，2020年陸上風電成本與2015年相比將下降10%，到2030年將下降24%。未來風電等新能源電力將逐漸全面替代傳統熱電，即節約了能源，又降低了對環境的污染，是未來我國電力系統的發展趨勢。當前熱電企業最低出力運行所帶來的調峰問題根本在于電能無法存儲。隨著技術的完善，風電轉化為電熱供暖的技術逐漸成熟，并在實踐中被應用。如吉林省有相關示范項目，通過儲熱式電鍋爐設備存儲風電，并將多余的風電轉化為供暖，替代了傳統燃煤鍋爐，從而減輕環境污染壓力，同時大量吸納風電，取得了良好的經濟效益和社會效益。從長遠來看，可以推動風電供暖項目部分替代傳統供熱企業。采取熱電鍋爐替代傳統熱電供暖方式，將在處于用電波谷的風電用于發熱并將熱能進行儲存，此方式可以增加電網負荷低谷的用電量，為風電并網提供負荷空間，同時減輕熱電企業“以熱定電”的調峰壓力，提高風電吸納能力。

六、結論

本文針對遼寧省熱電企業非低出力運行帶來的調峰壓力和“棄風”現象，運用博弈分析方法對解決熱電企業非低出力運行的策略進行分析，為解決該問題進行了制度設計思路上的探索。研究結論表明，在當前情況下，僅通過熱電企業、風電企業及電網公司三主體的自發行為很難自行解決調峰壓力問題，建立三者間有效的調峰激勵機制是促進熱電企業低出力運行進而減輕調峰壓力和減少“棄風”現象的前提。