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摘要：光熱電站可以平穩(wěn)發(fā)電，但仍屬于限能電站，不能全容量參加電力平衡，季節(jié)性電力支撐能力受限。該文基于光熱電站日等效保證小時數(shù)和系統(tǒng)高峰時段需求提出了一種評估光熱發(fā)電替代火電裝機能力的方法，進而給出一種通過增加應(yīng)急鍋爐備用發(fā)電以完全替代火電裝機應(yīng)對極端天氣和季節(jié)性缺電的解決方法。青海電力系統(tǒng)的算例表明，光熱電站通過增加應(yīng)急備用鍋爐可應(yīng)對極端天氣和季節(jié)性電力電量供應(yīng)的不平衡，做到全容量全時段替代火電裝機，同時保證發(fā)電量中絕大部分仍是可再生能源。論文的研究成果，可助力光熱電站實現(xiàn)以少量低碳能源帶動大規(guī)?？稍偕茉撮_發(fā)，在新型電力系統(tǒng)中具有重要示范意義。

引言

隨著國家雙碳戰(zhàn)略目標的實施，我國新能源開發(fā)規(guī)模繼續(xù)擴大，火電建設(shè)空間將進一步壓縮，而系統(tǒng)負荷仍在穩(wěn)步增長，風電及光伏的波動性使系統(tǒng)難以實現(xiàn)全時段電力電量平衡?？稍偕茉窗l(fā)電的季節(jié)性不平衡是電力系統(tǒng)中新能源占比升高到一定階段必然面臨的問題[1-4]。

新型電力系統(tǒng)需要尋求能夠替代火電的穩(wěn)定電源，西北地區(qū)光熱電站本身具有一定替代火電裝機能力，但受太陽能直射輻射影響，在極端天氣無法獲得足夠的熱能，連續(xù)極端天氣不平衡問題更加突出。目前，光熱電站無法全容量參加電力平衡，替代火電裝機能力大打折扣。本文研究通過增加應(yīng)急燃氣鍋爐備用發(fā)電，可在極端天氣補充熱能，甚至可以應(yīng)對系統(tǒng)電力電量供應(yīng)的季節(jié)性不平衡，做到全容量全時段全功能替代火電裝機，保障電力電量供應(yīng)；同時保證發(fā)電量中絕大部分仍是可再生能源，實現(xiàn)以少量低碳能源帶動大規(guī)?？稍偕茉撮_發(fā)，在新型電力系統(tǒng)中具有重要示范意義。

1、新型電力系統(tǒng)電力保障形勢

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)以火電、水電等常規(guī)電源為主，調(diào)峰需求主要是負荷波動引起，隨著新能源滲透率的不斷提高，調(diào)峰需求也在發(fā)生變化，高比例新能源系統(tǒng)調(diào)峰需求主要是為了滿足新能源接納需求。與此同時，在國家雙碳戰(zhàn)略的推進過程中，火電發(fā)展空間大大壓縮，導致為滿足系統(tǒng)最大電力需求的常規(guī)電源電力供應(yīng)也日趨緊張。可以預見，以新能源為主體的電力系統(tǒng)同時面臨向上調(diào)峰和向下調(diào)峰2個方面的需求，尤其是向上調(diào)峰關(guān)系到電力保障問題顯得尤為重要。

受資源約束的電源(限能電站)向上調(diào)峰能力的發(fā)揮除了跟機組自身調(diào)峰能力有關(guān)外，還與資源決定的發(fā)電量密切相關(guān)，不同電源的向上調(diào)峰能力存在較大差異。如水電最大出力理論上可以達到預想出力，但實際往往受來水約束不能達到上述最大值，比如青海水電冬季受來水影響最大出力僅為其裝機的50%~70%；儲能電站在系統(tǒng)電量不足時也難以發(fā)揮作用；光熱電站類似，在太陽能資源不好時，最大出力也會受限。因此，隨著新型電力系統(tǒng)中限能電站逐步增加，其參加電力平衡能力不足，再加上季節(jié)性資源不平衡，電力系統(tǒng)將面臨電力保障缺乏穩(wěn)定電源支撐的嚴峻形勢[5-16]。

國外電網(wǎng)事故情況梳理見表1。

表1國外電網(wǎng)事故情況梳理

Table 1 Summary of power grid accidents abroad

國外高比例新能源系統(tǒng)發(fā)生的事故教訓表明，由于電力無法大規(guī)模存儲的特性，以光伏、風電為主的新能源不能完全替代常規(guī)穩(wěn)定發(fā)電機組，難以應(yīng)對極端天氣事件導致的電力供應(yīng)缺口，加劇了系統(tǒng)資源緊張時段的供應(yīng)挑戰(zhàn)，亟需尋找既清潔又能穩(wěn)定發(fā)電的調(diào)節(jié)電源，保障電力系統(tǒng)全時段安全可靠供電。

在國家雙碳目標背景下，光熱電站具備替代火電的潛力，通過增加應(yīng)急鍋爐備用發(fā)電應(yīng)對極端天氣，可以全容量替代火電裝機，作為季節(jié)性調(diào)峰電源滿足長時間尺度電力電量平衡需要。本文首先基于光熱電站出力特性和系統(tǒng)高峰時段需求，分析光熱電站替代火電能力，然后研究提升其保證出力的措施，提出測算光熱電站應(yīng)急備用發(fā)電量計算方法，最后通過算例進行驗證。

2、光熱電站完全替代火電規(guī)劃研究

2.1光熱電站替代火電能力分析

電力系統(tǒng)中一般以滿足高峰負荷時段電力平衡確定系統(tǒng)火電裝機需求，光熱電站要參加電力平衡(替代火電裝機)也需要保障高峰負荷時段電力需求。

由于光熱電站發(fā)電與太陽直射輻射密切相關(guān)，某些天光照資源較好時，再加上儲熱裝置蓄熱，光熱電站發(fā)電量較多，高峰負荷時段可保證系統(tǒng)電力需求，全容量參加電力平衡；而在陰天或多云天氣，光熱電站發(fā)電量很小，極端天氣光熱電站可能出力為零，光熱電站裝機不能得到充分利用，高峰負荷時段不能有效參加電力平衡。

根據(jù)太陽能資源模擬光熱電站出力，統(tǒng)計光熱電站出力特性，通過光熱電站日等效發(fā)電小時數(shù)Td來表征資源好壞，定義為

Td=Qcsp/Pcsp(1)

式中：Qcsp為光熱電站日發(fā)電量；Pcsp為光熱電站裝機容量。

考慮系統(tǒng)供電可靠性保證率，確定光熱電站日等效保證小時數(shù)T′d，如取95%保證率，即光熱電站能夠保證95%的天數(shù)日發(fā)電量應(yīng)在T′d以上。

根據(jù)光熱電站所在電力系統(tǒng)負荷特性，給定高峰負荷時段電力保證需求Tf，分為以下3種情形：

1）情形一。若Td大于Tf，則光熱電站可在負荷高峰時段全容量參加電力平衡，即參加電力平衡的容量比例為100%。

2）情形二。若Td小于Tf，則光熱電站參加電力平衡的容量比例即為Td/Tf。

3）情形三。若Td等于0，則光熱電站參加電力平衡的容量比例即為0。

系統(tǒng)可靠性保證率不同，光熱電站參加平衡容量也不一樣。為了提高光熱電站參加平衡容量比例，可以結(jié)合系統(tǒng)需要，通過增加應(yīng)急鍋爐備用發(fā)電，使得光熱電站能夠完全替代火電裝機，滿足系統(tǒng)電力保障需要。

2.2光熱電站應(yīng)對季節(jié)性缺電能力分析

新能源出力具有季節(jié)不均衡性，隨著新能源裝機占比不斷提高，新型電力系統(tǒng)的季節(jié)性電力電量不平衡凸顯，某些月份資源較差的情況下，系統(tǒng)電力電量缺額緊缺，目前來看在火電建設(shè)空間逐步壓縮的背景下，尚未有可解決季節(jié)性不平衡的有效手段。光熱電站自身雖然受資源影響也存在季節(jié)性不均衡情況，但可以通過增加應(yīng)急鍋爐備用發(fā)電以完全替代火電裝機，完美解決季節(jié)性不均衡問題。

新型電力系統(tǒng)中，光熱完全替代火電分析步驟如下。

首先，系統(tǒng)中加入光熱電站，通過逐月電量平衡分析和生產(chǎn)模擬，確定全時段電力電量缺口，系統(tǒng)在時刻t的電力缺額記為ΔPt，光熱電站在t時刻的出力記為Pcsp,t和全年發(fā)電量Qcsp。

其次，根據(jù)系統(tǒng)需要，計算光熱電站應(yīng)急備用發(fā)電出力ΔPcsp,t，分為以下情形：

1）情形一。若Pcsp,t<Pcsp，ΔPt?Pcsp?Pcsp,t，則ΔPcsp,t=Pcsp?Pcsp,t。

2）情形二。若Pcsp,t<Pcsp，ΔPt<Pcsp?Pcsp,t，則ΔPcsp,t=ΔPt。

3）情形三。若Pcsp,t=Pcsp，則ΔPcsp,t=0。

最后，計算光熱電站全年應(yīng)急備用電量ΔQcsp和應(yīng)急備用電量占比δ，即

ΔQcsp=∑t=1365ΔPcsp,t(2)

δ=ΔQcsp/(Qcsp+ΔQcsp)(3)

3、算例

以青海為例，預計2030年青海省全社會用電量達到1100億kW·h，最高發(fā)電負荷15500MW。青海新能源規(guī)劃總裝機約57640MW，其中光伏34000MW、風電16530MW、光熱5210MW。

3.1光熱電站出力特性分析

青海海西地區(qū)光熱資源豐富，烏圖、冷湖、德令哈地區(qū)光熱發(fā)電季節(jié)性明顯[17]。以100MW光熱電站(鏡場面積148萬m2，太陽倍數(shù)2.9，儲熱時長15h，發(fā)電機功率100MW，汽輪機功率217MWt，集熱器功率630MWt)為例，根據(jù)典型年光照資源數(shù)據(jù)，模擬逐小時出力，并進行特性統(tǒng)計分析。圖1給出了海西地區(qū)光熱電站典型年內(nèi)各月發(fā)電量分布，可以看出，2—4月、9—10月光熱電站發(fā)電量較多，6—8月和12月發(fā)電量較少。圖2給出了海西地區(qū)(烏圖、冷湖和德令哈)光熱電站典型年各月日等效發(fā)電小時數(shù)小于4h天數(shù)統(tǒng)計?？梢钥闯?，烏圖、冷湖和德令哈地區(qū)全年日光熱等效發(fā)電小時數(shù)低于4h的天數(shù)分別為52、57、75天，在5—8月發(fā)生較多。

圖1海西地區(qū)光熱電站典型年內(nèi)各月發(fā)電量分布

Fig.1 Monthly power generation distribution of solar thermal power station in Haixi region in a typical year

圖2海西地區(qū)光熱電站典型年各月日等效發(fā)電小時數(shù)小于4h天數(shù)統(tǒng)計

Fig.2 Statistics of the number of days when the daily equivalent power generation hours of each month in a typical year of solar thermal power station in Haixi area are less than 4 hours

3.2光熱替代火電能力分析

圖3給出了青海電網(wǎng)典型日負荷曲線示意圖?？梢钥闯觯嗪Ｘ摵汕€較平，疊加直流外送曲線后，冬季晚高峰負荷時段一般為18:00—21:00左右，因此，電源參加電力平衡需保證晚高峰時段4~6h電力需求。

圖3青海電網(wǎng)典型日負荷曲線示意圖

Fig.3 Typical daily load curve of Qinghai Power Grid

光熱電站配置儲熱罐，考慮連續(xù)陰天情況，預留部分熱量跨日調(diào)節(jié)。光熱電站日發(fā)電量優(yōu)化后，將日發(fā)電量從大到小排序，按系統(tǒng)要求保證率，確定光熱電站可調(diào)節(jié)日發(fā)電量。

表2給出了海西地區(qū)光熱電站替代火電裝機比例測算結(jié)果。圖4給出了海西烏圖地區(qū)光熱電站日等效小時數(shù)分布示意圖?？梢钥闯觯鶕?jù)前面方法測算，按95%保證率，不考慮跨日調(diào)節(jié)，光熱電站日等效保證小時數(shù)為0，基本不能參加電力平衡，即無法替代火電裝機；光熱電站儲熱時長15h(即儲熱容量可以支撐光熱電站滿發(fā)15h)，根據(jù)天氣及出力預測事先安排一定容量進行跨日調(diào)節(jié)，考慮跨日調(diào)節(jié)后光熱電站日等效保證小時數(shù)為5.1h，可滿足晚高峰負荷4h需求，全容量參加電力平衡，完全替代相同容量火電裝機。若按100%保證率，光熱電站日等效保證小時數(shù)為3.5h，參加電力平衡比例(火電容量替代率)約87.5%。

表2海西地區(qū)光熱電站替代火電裝機比例測算

Table 2 Calculation of installed proportion of solar thermal power station replacing thermal power in Haixi area

圖4海西烏圖地區(qū)光熱電站日等效小時數(shù)分布示意圖

Fig.4 Distribution diagram of daily equivalent hours of photothermal power station in Haixi area

表3給出了不同保證率情況下，考慮跨日調(diào)節(jié)后的光熱電站參加電力平衡容量?？梢钥闯觯砀叻鍟r段按6h，光熱電站替代火電裝機比例有所降低，100%保證率下光熱電站僅可替代約50%左右的火電裝機。

表3海西地區(qū)光熱在不同保證率下替代火電裝機比例測算

Table 3 Calculation of installed ratio of solar thermal power to thermal power under different guarantee rates in Haixi area

3.3光熱電站應(yīng)對季節(jié)性缺電能力分析

青海以水電和新能源為主，清潔能源裝機占比達到90%以上，全年電量基本平衡，但存在季節(jié)性不平衡，冬季電力電量缺額較大。

圖5給出了青海水電月電量分布示意圖?？梢钥闯?，青海水電占比較大，受來水影響，夏季5—10月發(fā)電量相對較多，冬季11—12月和1—2月發(fā)電量較少，季節(jié)性電量不平衡明顯。

圖5 2030年青海水電月發(fā)電量分布示意圖

Fig.5 Distribution diagram of monthly hydropower generation in Qinghai in 2030

圖6給出了青海新能源月電量分布示意圖?？梢钥闯?，青海新能源(含光伏、風電、光熱)受資源影響也存在較大的季節(jié)性電量不平衡，春季3—5月發(fā)電量較多，冬季11—12月發(fā)電量明顯減少。

圖6 2030年青海新能源月發(fā)電量分布示意圖

Fig.6 Distribution diagram of monthly power generation of new energy in Qinghai in 2030

表4給出了青海逐月電量平衡結(jié)果，其中示意圖見圖7?？梢钥闯觯捎谒姾托履茉窗l(fā)電量均受資源約束，季節(jié)性電量不平衡一直存在，冬季兩者疊加后發(fā)電量減少較多，青海全省出現(xiàn)較大電量缺口。

表4 2030年青海電網(wǎng)逐月電量平衡結(jié)果

Table 4 Monthly power balance results of Qinghai Power Grid in 2030

圖7 2030年青海電網(wǎng)逐月電量平衡示意圖

Fig.7 Schematic diagram of monthly power balance of Qinghai Power Grid in 2030

青海季節(jié)性缺電問題一直存在，且隨著新能源裝機滲透率逐步提高，季節(jié)性缺電問題日益加劇。目前青海的冬季缺電問題仍主要依托西北主網(wǎng)提供電力電量支撐，但隨著西北其他省份火電建設(shè)空間進一步壓縮，再加上規(guī)劃通道建成和負荷逐步增長，電力盈余逐步減小，給青海能夠提供的電力支撐有限，需要青海從自身內(nèi)部尋求能夠解決季節(jié)性電力電量不平衡的措施。目前來看，尚未有經(jīng)濟可行的跨季調(diào)節(jié)手段，光熱電站在通過應(yīng)急備用發(fā)電可完全替代火電，以應(yīng)對上述季節(jié)性缺電問題。

表5給出了海西地區(qū)光熱電站應(yīng)急備用發(fā)電運行指標。圖8給出了海西地區(qū)光熱電站考慮應(yīng)急發(fā)電后的發(fā)電量分布。圖9給出了海西地區(qū)光熱電站考慮應(yīng)急發(fā)電后的12月逐時平均發(fā)電量。可以看出，根據(jù)前述方法初步測算，全年應(yīng)急發(fā)電電量22億kW·h，其中12月份需要應(yīng)急發(fā)電電量最大，約14億kW·h(占比64%)，小時數(shù)提高約440h，占比僅約8.8%。冬季12月日最大應(yīng)急發(fā)電電量1.2億kW·h(全天24h連續(xù)應(yīng)急發(fā)電運行)，小時最大發(fā)電量500萬kW·h(即滿功率發(fā)電)，可全容量替代火電裝機。

表5海西地區(qū)光熱電站應(yīng)急備用發(fā)電運行指標

Table 5 Operation index of emergency standby power generation of solar thermal power station in Haixi area

圖8 2030年海西地區(qū)光熱電站發(fā)電量分布(含應(yīng)急發(fā)電)

Fig.8 Power generation distribution of solar thermal power station in Haixi region in 2030(including emergency power generation)

圖9 2030年海西地區(qū)光熱電站12月逐時平均發(fā)電量(含應(yīng)急發(fā)電)

Fig.9 Hourly average power generation of solar thermal power station in Haixi region in December 2030(including emergency power generation)

對不同光熱規(guī)模對應(yīng)的應(yīng)急備用發(fā)電比例進行敏感性分析，表6和圖10給出了2030年海西地區(qū)不同規(guī)模光熱電站對應(yīng)應(yīng)急備用發(fā)電運行指標?？梢钥闯觯S著光熱規(guī)模逐步減少，光熱應(yīng)急備用發(fā)電比例呈現(xiàn)逐步升高趨勢，由8.9%增加至20.2%。

表6海西地區(qū)不同規(guī)模光熱電站應(yīng)急備用發(fā)電運行指標

Table 6 Operation index of emergency standby power generation of different scale solar thermal power stations in Haixi region

圖10 2030年海西地區(qū)不同光熱電站規(guī)模發(fā)電量統(tǒng)計(含應(yīng)急發(fā)電)

Fig.10 Power generation statistics of different solar thermal power stations in Haixi region in 2030(including emergency power generation)

需要說明的是，關(guān)于應(yīng)急備用發(fā)電(補燃)技術(shù)方案，可以采用天然氣補燃，也可以采用生物質(zhì)補燃，還可與供熱相結(jié)合，有待進一步論證。以天然氣補燃為例，初步估算增加燃氣備用鍋爐投資約1000元/kW，青海天然氣價格按1.15元/m3，補燃發(fā)電效率約40%左右，1 m3氣按發(fā)4 kW·h電考慮，補燃單位發(fā)電成本約0.2875元/(kW·h)。

4、結(jié)論

在國家雙碳目標驅(qū)動下，我國新能源裝機規(guī)模將更加快速增長，而火電建設(shè)空間進一步壓縮。未來新型電力系統(tǒng)將面臨一定的電力保障問題，光熱電站作為儲熱型新能源電站，通過增加應(yīng)急鍋爐備用發(fā)電，可以全時段替代火電裝機，為系統(tǒng)提供電力電量支撐。同時可以實現(xiàn)以少量低碳能源帶動更大規(guī)?？稍偕茉撮_發(fā)，可以助力我國新能源開發(fā)目標和碳達峰目標早日完成。研究結(jié)果初步表明，2030年前青海新增1000~5000MW光熱電站，通過增加10%~20%左右應(yīng)急備用發(fā)電量可以完全替代相同容量火電，從而應(yīng)對季節(jié)性缺電問題或極端天氣下的電力電量不足問題，保障電力可靠供應(yīng)。

注：本文轉(zhuǎn)自《電網(wǎng)技術(shù)》，作者為國家電網(wǎng)有限公司西北分部孫驍強、汪瑩、李慶海、楊楠、張小奇、霍超；中國電力工程顧問集團西北電力設(shè)計院有限公司李富春、楊攀峰、傅旭、李海偉。