中國太陽能熱發(fā)電大會合作期刊——《電網技術》2022年第8期刊發(fā)了國家電網有限公司西北分部市場交易六部主任孫驍強等所著的《新型電力系統(tǒng)中光熱電站完全替代火電規(guī)劃研究》論文，經得《電網技術》和作者同意，轉載此文如下：
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急鍋爐備用發(fā)電以完全替代火電裝機應對極端天氣和季節(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急備用鍋爐可應對極端天氣和季節(jié)性電力電量供應的不平衡，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。
0 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)難以實現全時段電力電量平衡。可再生能源發(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。
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，甚至可以應對系統(tǒng)電力電量供應的季節(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；同時保證發(fā)電量中絕大部分仍是可再生能源，實現以少量低碳能源帶動大規(guī)模可再生能源開發(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，調峰需求也在發(fā)生變化，高比例新能源系統(tǒng)調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)電源電力供應也日趨緊張?？梢灶A見，以新能源為主體的電力系統(tǒng)同時面臨向上調峰和向下調峰2個方面的需求，尤其是向上調峰關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）向上調峰能力的發(fā)揮除了跟機組自身調峰能力有關外，還與資源決定的發(fā)電量密切相關，不同電源的向上調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。國外電網事故情況梳理見表1。
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，難以應對極端天氣事件導致的電力供應缺口，加劇了系統(tǒng)資源緊張時段的供應挑戰(zhàn)，亟須尋找既清潔又能穩(wěn)定發(fā)電的調節(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，通過增加應急鍋爐備用發(fā)電應對極端天氣，可以全容量替代火電裝機，作為季節(jié)性調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，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。
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，可以結合系統(tǒng)需要，通過增加應急鍋爐備用發(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。
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，根據典型年光照資源數據，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)電小時數小于4h天數統(tǒng)計。可以看出，烏圖、冷湖和德令哈地區(qū)全年日光熱等效發(fā)電小時數低于4h的天數分別為52、57、75天，在5—8月發(fā)生較多。
圖1 海西地區(qū)光熱電站典型年內各月發(fā)電量分布
圖2 海西地區(qū)光熱電站典型年各月日等效發(fā)電小時數小于4h天數統(tǒng)計
3.2 光熱替代火電能力分析
圖3給出了青海電網典型日負荷曲線示意圖?？梢钥闯?，青海負荷曲線較平，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 青海電網典型日負荷曲線示意圖
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果。圖4給出了海西烏圖地區(qū)光熱電站日等效小時數分布示意圖?？梢钥闯?，根據前面方法測算，按95%保證率，不考慮跨日調節(jié)，光熱電站日等效保證小時數為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)，根據天氣及出力預測事先安排一定容量進行跨日調節(jié)，考慮跨日調節(jié)后光熱電站日等效保證小時數為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
圖4 海西烏圖地區(qū)光熱電站日等效小時數分布示意圖
表3給出了不同保證率情況下，考慮跨日調節(jié)后的光熱電站參加電力平衡容量?？梢钥闯?，晚高峰時段按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
3.3 光熱電站應對季節(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
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
表4給出了青海逐月電量平衡結果，其中示意圖見圖7?？梢钥闯?，由于水電和新能源發(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，青海全省出現較大電量缺口。
表4 2030年青海電網逐月電量平衡結果
圖7 2030年青海電網逐月電量平衡示意圖
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提供電力電量支撐，但隨著西北其他省份火電建設空間進一步壓縮，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，尚未有經濟可行的跨季調節(jié)手段，光熱電站在通過應急備用發(fā)電可完全替代火電，以應對上述季節(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)光熱電站考慮應急發(fā)電后的12月逐時平均發(fā)電量。可以看出，根據前述方法初步測算，全年應急發(fā)電電量22億kW·h，其中12月份需要應急發(fā)電電量最大，約14億kW·h(占比64%)，小時數提高約440h，占比僅約8.8%。冬季12月日最大應急發(fā)電電量1.2億kW·h(全天24h連續(xù)應急發(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)光熱電站應急備用發(fā)電運行指標
圖8 2030年海西地區(qū)光熱電站發(fā)電量分布（含應急發(fā)電）
圖9 2030年海西地區(qū)光熱電站12月逐時平均發(fā)電量（含應急發(fā)電）
對不同光熱規(guī)模對應的應急備用發(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)模光熱電站對應應急備用發(fā)電運行指標。可以看出，隨著光熱規(guī)模逐步減少，光熱應急備用發(fā)電比例呈現逐步升高趨勢，由8.9%增加至20.2%。
表6 海西地區(qū)不同規(guī)模光熱電站應急備用發(fā)電運行指標
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（含應急發(fā)電）
需要說明的是，關于應急備用發(fā)電(補燃)技術方案，可以采用天然氣補燃，也可以采用生物質補燃，還可與供熱相結合，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，1m3氣按發(fā)4kW·h電考慮，補燃單位發(fā)電成本約0.2875元/(kW·h)。
4 結論
在國家雙碳目標驅動下，我國新能源裝機規(guī)模將更加快速增長，而火電建設空間進一步壓縮。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%左右應急備用發(fā)電量可以完全替代相同容量火電，從而應對季節(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。
孫驍強1, 汪瑩1, 李慶海1, 李富春2, 楊攀峰2, 楊楠1, 張小奇1, 霍超1, 傅旭2, 李海偉2
1. 國家電網有限公司西北分部，陜西省 西安市 710048;
2. 中國電力工程顧問集團西北電力設計院有限公司，陜西省 西安市 710075
收稿日期：2021-10-21；在線出版日期：2022-07-08
電網技術, 2022, 46(8): 2948-2954.
作者簡介：
孫驍強，正高級工程師，曾從事電力系統(tǒng)調度、規(guī)劃、技術研究工作，現任國家電網有限公司西北分部市場交易六部主任。研究方向為電力系統(tǒng)規(guī)劃與運行、新能源并網與消納等。E-mail：lampsun@yeah.net。
其對西北新能源的運行及規(guī)劃有較多研究，在新能源快速頻率響應方面相關理論已經編寫入國標。近年主編專業(yè)書籍3本，參與編寫國家標準3項，發(fā)表EI檢索論文6篇并多次獲獎，申請專利7項。
汪瑩，女，高級工程師，通信作者，研究方向為電力系統(tǒng)規(guī)劃，E-mail：wangying-1115@163.com。
