考慮風電消納的電供暖多方合作博弈研究

岳云力，李 倩，方 勇，劉忠華，李笑蓉，岳 昊，武冰清

（1.國網冀北電力有限公司經濟技術研究院，北京 100038；2.北京化工大學 經濟管理學院，北京 100029）

0 引言

2015 年6 月國家能源局發布了《關于開展風電清潔供暖工作的通知》，鼓勵推動風電清潔供暖技術的應用，促進風電消納，同時緩解燃煤供暖帶來的大氣污染問題。風電供暖作為近年來發展的新型供暖模式，不僅能提高北方風能資源豐富地區消納風電的能力，緩解北方地區冬季供暖期電力負荷低谷時段風電并網運行困難，還能促進能源的清潔化利用，對改善北方地區冬季大氣環境、霧霾天氣有積極影響。在我國風力資源豐富地區推進風電供暖的發展，具有十分重要的現實意義。

目前已有很多學者從風電供暖的技術原理和經濟性、風電供暖實現路徑等方面進行了研究。在風電供暖的技術原理方面，文獻[1]研究了風電供熱的原理，并結合我國風電供熱實踐特點，證明風電供熱有利于提高低谷風電的消納能力，緩解棄風現象。風電供暖有多種技術實現方式，文獻[2]比較了風能-電鍋爐、風能-地源熱泵、風光電互補供熱系統、風電光熱混合供熱系統4 種供熱系統的能源利用率、供熱能力、采暖價格等，其中風能-電鍋爐技術較成熟且初始投資較低，在供熱系統中應用更為廣泛。風電供暖的經濟性直接影響其發展的可持續性，文獻[3]提出了“回歸電力、市場購電”的風電供暖實現路徑和方式，即通過掛牌交易、優先調度、差額收益返還等方式降低風電供暖用戶的到戶電價，并提出供暖電量全部由超過保障小時數之外的電量提供、參與市場化交易風電企業的調峰輔助服務分攤費用應核減等政策建議，以促進風電供暖的進一步推廣。文獻[4-5]提出電采暖負荷參與實時調峰輔助服務，構建了輔助服務市場下電采暖消納棄風經濟模型，并通過算例證明：如果風電采暖所需電量集中在負荷低谷時段，則能夠降低耗電運行成本；提高經濟可行價格的范圍時，風電供暖具有一定的競爭力，同時也具備一定的經濟可行性。由于風電供暖涉及到多個參與方，只有保障各方的利益才能推動電采暖的可持續發展，促進風電的消納。文獻[6]通過量化風電減排的經濟效益，并運用合作博弈理論，分析在合作聯盟模式下風電企業和電網公司的改進策略，計算合作雙方成本效益變動情況，進而提出了一種使風電-電網聯盟的總收益達到最大值的風電場容量規劃模型。通過上述文獻分析可以發現，風電供暖在技術上具有可行性，能促進風電消納，但其成本高、經濟可行性較差，電網公司和風電企業的運營成本與經營效益、供暖企業的投資建設成本、采暖用戶的期望電價等諸多因素都制約著風電供暖的發展。

張家口是國務院批復設立的可再生能源示范區，風力資源豐富，在2017 年前存在較為嚴重的棄風現象。為了更好地推動風電供暖發展，張家口于2017 年2 月首次提出建立“政府+電網+發電企業+用戶側”共同參與的四方協作機制，構建了一種具有發展潛力的電供暖風電消納模式，該模式實施以來取得了很好的經濟社會效益，對于風力資源豐富的地區推動電采暖具有典型意義。本文針對風電供暖中存在的參與方博弈問題，以張家口地區為例，從成本收益的角度構建風電供暖的合作博弈模型，分析電網公司、風電企業和供暖企業在實現大規模風電消納情境下的收益與成本，并提出風電消納可持續發展的政策建議。

1 風電供暖的模式與現狀

1.1 風電供暖的模式與特點

風電供暖的原理是利用電鍋爐將風電能轉化成熱能，從而滿足供暖需求。風電與電鍋爐聯合供熱的原理如圖1 所示。該系統包括風力發電機組、控制器、電網接口、蓄熱式電鍋爐、循環泵、散熱設備、熱網等部分。

圖1 風電與電鍋爐聯合供熱基本原理

目前比較成熟的電鍋爐技術是電阻式鍋爐和電極式鍋爐，供熱方式可分為蓄熱式和直熱式，典型的集中式電采暖方案見表1。目前應用較為廣泛且相對成熟的風電供暖方案主要有“風電+電熱水鍋爐+蓄熱系統”和“風電+固體蓄熱鍋爐系統”[7]。由于蓄熱式電鍋爐能夠將熱能通過蓄熱裝置儲存起來，充分利用谷電或棄風電能來加熱鍋爐，經濟性更為突出。

1.2 風電供暖的現狀

2013 年以來，隨著風電供暖技術的不斷成熟，國家政策和財政資金逐步加大了對風電供暖的支持力度，陸續頒布相關政策法規促進風電供暖的發展，形成了從中央到地方的多級財政補貼制度。2017 年，財政部等四部委聯合發布《關于開展中央財政支持北方地區冬季清潔取暖試點工作的通知》，明確中央財政將支持試點城市推進清潔方式取暖替代散煤燃燒取暖，確定了包括天津、石家莊等在內的首批12 個試點城市，并撥付了總共60 億元獎勵資金。至2019 年，北方清潔取暖試點城市不斷擴容，中央財政累計投入資金已達351.2 億元。風電供暖的國家政策及其要點見表2。

表1 集中式電采暖典型方案

表2 風電供暖的國家政策及其要點

目前各地實施的風電供暖政策對電采暖用戶的支持力度較大，主要采用優惠電價、電采暖設備補貼等措施。由于風電的波動性和反調峰特性，大規模風電并網也帶來一系列問題，其中較高的棄風率成為阻礙風電發展的主要因素之一。為了促進大規模風電消納，各級政府的風電供暖政策力度很大，持續財政補貼使得政府面臨巨大的財政壓力；電網公司需要接入調風調頻輔助設備來保證電網正常運行，提高了風電供暖的運營成本；風電企業則期望靈活參與不同的市場獲得更高的收益。風電供暖參與各方的不同利益訴求導致難以協同行動，而一方或某幾方持續性的虧損將導致風電供暖難以持續，進而影響大規模的風電消納，最終影響所有參與方的利益。因此，風電消納與電供暖的問題根源在于收益和成本的合理分攤，參與各方需協同才能實現共同利益。

2 風電供暖的合作博弈模型

2.1 合作博弈的參與方分析

目前電采暖的成本依然較高，某一方難以經濟性地實施風電供暖，需要有規范的機制來推動其實施。在風電供暖實施過程中，政府主導、企業為主、市場驅動、全社會共同參與的模式是推進和推廣的主要模式，主要涉及政府、發電企業、電網公司、綜合能源服務商（供暖企業）、用戶、金融機構六大主體。張家口的四方協作機制則將政府、風電企業、電網公司和供暖企業納入交易機制中，構建了風電供暖交易平臺。通過詳細規定各方的權利和義務，從政策法規上進行激勵和約束，促進風電供暖的持續發展，如圖2 所示。

圖2 四方協作機制

在該機制下，張家口市政府與國網冀北電力有限公司合作建立了可再生能源電力交易平臺，同時提供補貼和政策支持。風電供暖交易平臺由售電方、購電方和輸電方構成，其中：售電方是在交易平臺注冊的風力發電項目，即風電企業；購電方是獲取相關準入的電力用戶，即供暖企業；輸電方指電網公司。

電網公司主要是將風電企業和供暖企業聯系起來，對風電供暖項目起到一個整體協調的作用。風電供暖需要電網公司在發電側、售電側與其他主體協調合作，制定合理的電價機制、市場機制，同時在電網公司內部也要構建對風電供暖的政策爭取、技術推廣、示范工程建設等環節，在關注項目本身經濟性的同時，承擔起節能減排等社會責任。

風電企業作為風電供暖系統的能源流始端，主要是在發電側將清潔能源更多地轉化為電能，并通過特高壓輸送；從電能流向來說，風電企業既可以向電網公司提供電能，又可以通過大用戶直供電形式與供暖企業直接進行交易。

供暖企業需要投資建設電供熱的熱力站，利用現有的區域熱網或者新建熱網向用戶側（包括居民、工廠、企業、商場、學校等）供熱，在保證用戶側成本不增加的基礎上實現盈利。供暖企業可與風電企業通過大用戶直供電形式開展風電供暖，也可以通過電網公司以三方協議形式或者市場交易的手段，簽訂購售電協議，最終要通過降低電價來降低運營成本，增加其自身收益。

2.2 模型假設

在風電供暖的協作機制中，政府為風電供暖出臺相關支持政策，對各個環節進行監督與監管，保障交易、投資等過程規范與合法，并要協調好各個主體在促進風電供暖過程中的關系，并不參與聯盟利益的分配，在合作博弈中稱為無為博弈方，不參與合作模型的構建。由此，本文構建電網公司、風電企業和供暖企業的風電供暖三方合作博弈模型，研究三方之間的博弈關系，并作出如下假設：

（1）博弈中的主體都是有限理性的，即在決策過程中，各主體根據獲取的有限信息作出合作與否的決定，并從中選出利益最大化的方案。

（2）參與主體的收益僅考慮風電供暖的運營期，即從可持續風電消納的角度出發，只有參與方持續從風電供暖中盈利才能維持合作。

（3）風電供暖所需電量由風電企業保障收購小時數以外電量提供。根據張家口地區的負荷運行曲線，目前超額電量大于風電供暖所需電量。

2.3 風電供暖的合作博弈模型

風電供暖的運營階段，電網公司、風電企業和供暖企業三者無論是各自單獨經營還是聯合經營都有一定的經濟收益。如果各主體之間的收益不存在抵消性，即合作不會使個體收益減少，聯合經營的總收益超過各自獨立經營之和，那么電網公司、風電企業和供暖企業便會選擇合作而放棄單獨行動，并且所有主體都參加合作可以實現收益最大化。因此，需確定參與方集合中每個聯盟所對應的特征函數v（S）。令N={電網公司，風電企業，供暖企業}，那么就有23種聯盟可能，并構造參與主體獨立行動、兩方合作和三方合作情況下的收益函數，通過收益函數的求解而找到最優的合作方案，即S0=?，SA=｛電網公司｝，SB=｛風電企業｝，SC=｛供暖企業｝，SAB=｛電網公司，風電企業｝，SAC=｛電網公司，供暖企業｝，SBC=｛風電企業，供暖企業｝，SABC=｛電網公司，風電企業，供暖企業｝。

2.3.1 單個主體的成本收益分析

風電供暖的3 個主體分別單獨行動時，電網公司的收入包括電供暖的電費收入、除了電供暖電量外的其余超發電量的電費收入、所有超發電量的輸配電費收入，成本是從風電企業購電的費用。隨著電供暖面積增大，電供暖電量增加，電網公司電供暖電費收入增加，同時支付給風電企業的上網電費也會增加。電網公司的收益表達式如下：

式中：EA為電網公司的收益；h1為風電利用小時數；h2為風電保障收購小時數；W1為風電并網量；Q 為采暖負荷電量；s1為輸配電中谷電比例；s2為居民供暖電量占電供暖總電量比例；s3為超發電量扣除電供暖電量后居民用電的比例；ps1為谷電輸配電價；ps2為一般輸配電價；pg1為居民電供暖電價；pg2為工商業電供暖電價；pm1為居民購電電價；pm2為工商業購電電價；pq為風電強制結算電價。

風電企業單獨行動時，上網電價由四方協作機制決定，不合作時風電企業上網電價為強制結算電價。風電企業的單獨收入是將所有超發電量以強制結算電價賣給電網公司的收益和政府清潔能源補貼。風電企業的收益表達式如下：

式中：EB為風電企業的收益；pb為清潔能源補貼。

供暖企業單獨行動時，收入是居民和工商業用戶繳納的取暖費，按每個取暖季為5 個月計算，取暖費用由取暖面積和每月取暖費用相乘，成本是供暖企業向電網公司繳納的電供暖電費（包括輸配電費和政府基金及附加）。供暖企業的收益表達式如下：

式中：EC為供暖企業的收益；M 為風電集中供暖面積；p1為單位面積居民采暖每月費用；p2為單位面積工商業采暖每月費用；pz為政府基金及附加。

2.3.2 2 個主體合作成本收益分析

風電供暖的主體兩方合作時，風電企業和電網公司合作則可以促進風電的消納，棄風電量可以上網參與供暖；風電企業和供暖企業合作，則供暖企業可以享受低谷的購電價格。通過上述合作博弈的分析，可以構造出電網公司、風電企業和供暖企業三大博弈主體中兩方合作的收益函數，分為三種情況：電網公司和風電企業合作；電網公司和供暖企業合作；風電企業和供暖企業合作。

（1）電網公司和風電企業合作。在這個合作聯盟中滿足輸電約束條件下，風電企業發電量可全部上網，不存在棄風情況。并且按四方交易機制的規定，風電企業參與交易的超額發電量進行差額收益返回，風電企業未參與交易的超額發電量不參加差額收益返還。電網公司和風電企業合作的收益表達式如下：

式中：EAB為電網公司和風電企業合作的收益；W2為風電裝機量；s4為風電企業參與四方協作交易的超額發電量的比例；pa為標桿上網電價。

（2）電網公司和供暖企業合作。在這個合作聯盟中，電網企業能夠減少風電并網限制，提高區域風電滲透率，在用電低谷時段向供暖企業出售更多電能，降低供暖企業的運營成本。合作的收益表達式如下：

式中：EAC為電網公司和供暖企業合作的收益。

（3）風電企業和供暖企業合作。在這個合作聯盟，雙方可采取大用戶直購電方式，供暖企業與風電企業直接交易，上網電價與輸配電價分別核算。收益表達式如下：式中：EBC為風電企業和供暖企業合作的收益。

2.3.3 3 個主體合作成本收益分析

電網公司、風電企業、供暖企業三方合作情況下，在四方交易機制的框架內，風電企業可以將棄風電量全部并入電網中，實現收益增加，電網公司獲得更多的輸配電收益，供暖企業則全部采用低谷電價，降低自己的運營成本。合作聯盟成立的情況下，聯盟的總收益包括供暖公司的取暖費用、全部超額發電電量的電費收入（包括輸配電費）、供暖電量的電費收入，成本是政府基金及附加。電網公司、風電企業和供暖企業三者合作的收益表達式如下：

式中：EABC為電網公司、風電企業和供暖企業三方合作的收益。

風電供暖從風力發電單元出力到用戶側轉換為熱能，還需滿足電力系統和供熱系統的約束。在電力平衡約束下，由于綠色電力的優先調度，風力發電獲得優先發電機會，系統主要由水電和火電承擔調峰調頻服務，整體上達到了電力的實時平衡。在供熱系統的熱平衡約束下，風電與電鍋爐聯合供暖時，儲熱罐將在谷負荷時吸收熱能，在峰負荷時輸出熱力，實現熱力系統的動態平衡。風電供暖的系統約束主要包括：

（1）電力平衡約束。

式中：Pew，w為等效風電廠電出力；Pei，w為獨立電廠電出力；Pab為目標風電場的電出力。

（2）供熱約束。

式中：Heb，u為電鍋爐提供給用戶的熱功率；Hta，o為儲熱罐輸出熱功率；Hnhl為用戶的熱負荷。

（3）風電廠出力約束。

式中：Pab，ow為目標風電場棄風功率。

2.4 模型求解

對于多方合作博弈的求解，美國經濟學家Shapely 于1953 年首次提出了Shapely 值法[8]。Shapely 值作為合作博弈中一個流行解概念，為聯盟博弈的參與人提供了唯一配置。Shapely 值法對成本收益分攤的原則是按照其所有邊際貢獻進行分攤。當n 個參與主體從事某種經濟活動時，各參與成員之間會形成不同的合作方式，任一合作方式都能夠獲得一定的收益。如果各參與主體之間的經濟活動是非對抗性的，那么合作主體數量n 的增加不會使得到的收益減少，所以全部參與主體合作將會獲得最大化的收益。按照Shapely值法的思想，局中人i（i=1，2，…，n）所應承擔的成本或所應獲得的收益等于該局中人對每個參與聯盟的邊際貢獻平均值。其定義如下：

記集合N={1，2，…，n}，S 是N 的任意子集，? 表示空集，v（S）是定義在N 上的特征函數，代表S 的收益，并且滿足以下條件：

設φi為參與主體i 的收益，Shapely 值計算公式為：

3 算例分析

3.1 算例場景

張家口是我國風能資源和太陽能資源最豐富的地區之一，尤其壩上地區是全國少有的風能集中區，風能可開發資源超過40 GW[9]。豐富的可再生能源為張家口市清潔取暖提供了良好的資源保障。目前，張家口市風電國家保障小時數以外的發電量可支撐20 km2以上電供暖面積；到2020年，裝機將達到13 GW，可支撐約30 km2電供暖面積。此外，張家口是京津冀地區重要的生態涵養區及2022 年冬奧聯合舉辦城市，在申辦奧運時提出“確保到2022 年賽時空氣質量達到世界衛生組織標準”。因此風電供暖是張家口市開展大規模清潔取暖的主要途徑。

觀念攝影在裝置作品中的應用越來越普遍，而且，隨著攝影設備的更新發展，圖像質量越來越高。法國藝術家首次提出了在裝置作品中應用觀念攝影藝術品，其首次設計的藝術品與一般的攝影作品相比更具有獨特性。一般的攝影技術中，由于圖片是單面的，所以對于場地的選擇非常嚴格，并且還限制了人們對作品的想象和觀看，因此，通過攝影作品和裝置的結合，就極大的融合了多種不同空間、不同時間等，對于作品內涵的表達有很大幫助。就現在觀念攝影在裝置方面的分類，主要包括更好的刻畫圖片的內涵的圖片為主，實物為輔類；分散或者依附于實物表面的實物和場景為主類；單純依賴于圖片相互之間的空間關系的完全脫離實物類；

張家口風電供暖獲得了中央和地方政府的大力支持。2017 年張家口市首創了“政府+電網+發電企業+用戶側”共同參與的四方協作機制，成為全國首個將可再生能源電力納入市場直接交易的成功范例，并獲得了國務院的通報表彰。在運營的兩年時間里，四方協作機制實現了“政府要綠、企業要利、居民要暖”的多贏訴求，電網企業主動承擔央企社會責任，探索符合張家口實際的清潔取暖新機制，提高新能源企業效益，降低用戶取暖成本[10]。2017—2018 年采暖期，納入市場交易的風電企業有47 家，裝機容量約為5.83 GW，累計交易掛牌電量合計1.4×108kWh，其中納入四方協作機制，享受市場化交易優惠電價政策的有138 戶電供暖用戶，供暖面積1.39 km2。

從風能資源儲量、風電供暖發展需求和實際成效等多方面的影響因素來看，張家口大規模發展風電供暖，實現風電的有效消納具有典型意義，本文根據張家口風電供暖情況，對風電供暖的合作模型進行驗證分析。

3.2 基礎數據

3.2.1 電網公司基礎數據

根據河北省發改委印發的《清潔供暖有關價格政策》（冀發改價格[2017]1376 號），通過市場化交易方式購電的采暖用電，谷段輸配電價可享受50%的優惠政策。冀北地區的輸配電價為0.170 7元/kWh（冀價管[2018]115 號），則合作模式下電采暖谷段的輸配電價為0.085 35 元/kWh。根據河北省物價局《關于合理調整電價結構有關事項的通知》（冀價管[2017]89 號），冀北地區燃煤標桿上網電價（含脫硫、脫銷和除塵）為0.372 元/kWh，風電項目的標桿上網電價為0.45 元/kWh，則可再生能源補貼為0.078 元/kWh。根據國家電網有限公司對張家口風電供暖的詳細規劃，設定3 個階段，第一階段為2017—2019 年，第二階段為2020—2021 年，第三階段為2022—2025 年，不同階段的相關參數值設定見表3。

3.2.2 風電企業基礎數據

在四方協作機制中，風電企業承諾保障利用小時數以外的發電量全部參與市場化交易，并承諾在協議期內每年自愿將不低于10%的發電量（保障小時數以上電量）按照不高于0.05 元/kWh的交易價格，用于保障電供暖用戶需求，其中電采暖用戶掛牌價格（發電側）為0.05 元/kWh，電能替代用戶掛牌價格（發電側）為0.1 元/kWh。張家口風電并網的利用小時數平均為2 250 h，風電保障收購小時數為1 900 h，不參與市場交易的風電強制結算電價為0.296 88 元/kWh，棄風率為7%。

表3 不同場景下各參數值設定

3.2.3 供暖企業基礎數據

張家口市冬季每月取暖價格為住宅5.91 元/m2，公建9.8 元/m2，按5 個月取暖計算為29.55 元/m2和49 元/m2。根據四方協作機制在張家口的實際運營情況，通過調研和查閱相關文獻，對風電供暖相關參數設計如表4 所示。

表4 風電供暖相關參數值

3.3 計算結果

根據合作博弈的Shapley 值求解方法，即根據式（9），將設定參數和各個階段數據代入計算過程，可以計算出張家口四方協作機制下風電供暖三階段規劃中電網公司、風電企業、供暖公司各自的收益。

在第一階段，電網公司的收益為104 104.17萬元，風電企業的收益為137 936.03 萬元，供暖企業的收益為3 585.79 萬元；在第二階段，電網公司的收益為89 181.56 萬元，風電企業的收益為155 852.15 萬元，供暖企業的收益為10 748.77萬元；在第三階段，電網公司的收益為54 314.76萬元，風電企業的收益為168 490.62 萬元，供暖企業的收益為21 493.24 萬元。三階段收益分攤結果見圖3。

圖3 三階段收益分攤結果

從圖3 可見，隨著風電供暖的持續深入開展，電網公司、風電企業、供暖企業都能從中獲得收益，能夠持續有效地推動張家口富裕風電的大規模消納。風電供暖的四方協作機制是一種有效的發展模式，風電企業和供暖企業收益增加，將會有力支持風電供暖的實施和開展。但從投資和收益角度來看，隨著供暖面積的增大，電網公司承擔了更多的供暖電量補償，收益會減少，這方面應加強政策性支持。

4 結語

從風電大規模消納的角度，本文構建了風電供暖的多方合作博弈模型，以張家口地區為例，用Shapely 值法對模型求解。通過對電網公司、風電企業、供暖企業的收益分析，發現四方協作機制能有效推動風電供暖的實施，參與各方均能獲得一定的收益，尤其是風電企業和供暖企業收益能夠持續增加，但隨著供暖面積的增加，電網公司收益會下降。從大規模風電消納和持續推動風電供暖角度，提出以下政策建議：

（1）政府制定相關的風電供暖政策時，要合理控制風電供暖面積與風電供暖電量的比例。做好風電供暖的合理規劃設計，對風電場建設和風電供暖面積要統籌規劃。

（2）建立清潔取暖成本全社會分攤機制。統籌考慮熱源、熱網和居民采暖承受能力，可以按照合理成本加收益的原則制定風電供暖電專項電價和專項暖價。考慮適時提高終端供暖價格，緩解供暖成本壓力，在可接受范圍內使居民參與分攤電采暖成本。

（3）深入推動電力體制改革，推動綠色電力市場交易，適當減免清潔供暖用電中的政府性基金及附加費，并參考峰谷電價制度建立蓄熱式電采暖彈性輸配電價制度。