9月28日，由國(guó)家太陽(yáng)能光熱產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟、中國(guó)工程熱物理學(xué)會(huì)、中國(guó)可再生能源學(xué)會(huì)、中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)、全國(guó)太陽(yáng)能光熱發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)共同主辦，浙江省湖州市吳興區(qū)人民政府、浙江高晟光熱發(fā)電技術(shù)研究院有限公司、中關(guān)村新源太陽(yáng)能熱利用技術(shù)服務(wù)中心、中國(guó)大唐集團(tuán)新能源科學(xué)技術(shù)研究院有限公司和中國(guó)科學(xué)院電工研究所共同承辦的“2021中國(guó)太陽(yáng)能熱發(fā)電大會(huì)”在浙江省湖州市皇冠假日酒店落幕。大會(huì)上，國(guó)家電網(wǎng)有限公司西北分部技術(shù)中心主任孫驍強(qiáng)作了“以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)中光熱電站完全替代火電規(guī)劃研究”的報(bào)告，經(jīng)本人同意，特將部分內(nèi)容摘錄如下，以供參考。

以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)中光熱電站完全替代火電規(guī)劃研究

孫驍強(qiáng)1，李慶海1，李富春2，楊攀峰2，楊楠1，汪瑩1，張小奇1，霍超1，傅旭2

1國(guó)家電網(wǎng)有限公司西北分部

2中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)西北電力設(shè)計(jì)院有限公司

1引言

隨著國(guó)家雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)施，我國(guó)新能源開發(fā)規(guī)模繼續(xù)擴(kuò)大，火電建設(shè)空間將進(jìn)一步壓縮，而系統(tǒng)負(fù)荷仍在穩(wěn)步增長(zhǎng)，風(fēng)電及光伏的波動(dòng)性使系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)全時(shí)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。

以新能源為主的新型電力系統(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(jī)能力，但受太陽(yáng)能直輻射影響，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，無法全容量參加電力平衡，替代火電裝機(jī)能力大打折扣，通過增加應(yīng)急燃?xì)忮仩t備用發(fā)電可在極端天氣補(bǔ)充熱能，甚至可以應(yīng)對(duì)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(shí)段全功能替代火電裝機(jī)，保障電力電量供應(yīng)，同時(shí)保證發(fā)電量中絕大部分仍是可再生能源，實(shí)現(xiàn)以少量低碳能源帶動(dòng)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。

2新型電力系統(tǒng)電力保障形勢(shì)

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(fù)荷波動(dòng)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(shí)，在國(guó)家雙碳戰(zhàn)略的推進(jìn)過程中，火電發(fā)展空間大大壓縮，導(dǎo)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?？梢灶A(yù)見，以新能源為主體的電力系統(tǒng)同時(shí)面臨向上調(diào)峰和向下調(diào)峰兩個(gè)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(jī)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可以達(dá)到預(yù)想出力，但實(shí)際往往受來水約束不能達(dá)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(jī)的50%-70%；儲(chǔ)能電站在系統(tǒng)電量不足時(shí)也難以發(fā)揮作用；光熱電站類似，在太陽(yáng)能資源不好時(shí)，最大出力也會(huì)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，以新能源為主體的電力系統(tǒng)將面臨電力保障缺乏穩(wěn)定電源支撐的嚴(yán)峻形勢(shì)。

由于電力無法大規(guī)模存儲(chǔ)的特性，高比例新能源接入之后，電源側(cè)不確定性增加，在可靠的常規(guī)機(jī)組無法滿足全部負(fù)荷供電的需求時(shí)，電力保障難度增大，特別是極端氣候條件下的電力供應(yīng)難度更大。在國(guó)家雙碳目標(biāo)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(duì)極端天氣，可以全容量替代火電裝機(jī)，作為季節(jié)性調(diào)峰電源滿足長(zhǎng)時(shí)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(shí)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(cè)算光熱電站應(yīng)急備用發(fā)電量計(jì)算方法，最后通過算例進(jìn)行驗(yàn)證。

3光熱電站完全替代火電規(guī)劃研究

3.1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(fù)荷時(shí)段電力平衡確定系統(tǒng)火電裝機(jī)需求，光熱電站要參加電力平衡（替代火電裝機(jī)）也需要保障高峰負(fù)荷時(shí)段電力需求。

由于光熱電站發(fā)電與太陽(yáng)直輻射密切相關(guān)，某些天光照資源較好時(shí)，再加上儲(chǔ)熱裝置蓄熱，光熱電站發(fā)電量較多，高峰負(fù)荷時(shí)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(jī)不能得到充分利用，高峰負(fù)荷時(shí)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，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(jī)，滿足系統(tǒng)電力保障需要。

3.2光熱電站應(yīng)對(duì)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(jī)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(jī)，完美解決季節(jié)性不均衡問題。

4算例

以青海為例，2030年青海省全社會(huì)用電量達(dá)到1100億kWh，最高發(fā)電負(fù)荷15500MW。青海新能源總裝機(jī)約57640MW，其中光伏34000MW，風(fēng)電16530MW，光熱5210MW。

4.1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。以100MW光熱電站（鏡場(chǎng)面積148萬m2，太陽(yáng)倍數(shù)2.9，儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)15h）為例，海西地區(qū)光熱電站典型年內(nèi)各月發(fā)電量分布圖可以看出，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。通過海西地區(qū)光熱電站典型年各月日等效發(fā)電小時(shí)數(shù)小于4小時(shí)天數(shù)統(tǒng)計(jì)，可以看出，全年日光熱等效發(fā)電小時(shí)數(shù)低于4小時(shí)的天數(shù)分別為52天、57天、75天，在5-8月發(fā)生較多。

4.2光熱替代火電能力分析

從青海電網(wǎng)典型日負(fù)荷曲線示意圖可以看出，青海負(fù)荷曲線較平，疊加直流外送曲線后，冬季晚高峰負(fù)荷時(shí)段一般為18—21時(shí)左右，因此，電源參加電力平衡需保證晚高峰時(shí)段4～6h電力需求。

青海電網(wǎng)典型日負(fù)荷曲線示意圖

光熱電站配置儲(chǔ)熱罐，考慮連續(xù)陰天情況，預(yù)留部分熱量跨日調(diào)節(jié)，光熱電站日發(fā)電量?jī)?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。

作者對(duì)海西烏圖地區(qū)光熱電站替代火電裝機(jī)比例進(jìn)行了測(cè)算，結(jié)果顯示，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(shí)數(shù)為0，基本不能參加電力平衡，即無法替代火電裝機(jī)?？紤]跨日調(diào)節(jié)，光熱電站日等效保證小時(shí)數(shù)為5.1h，可滿足晚高峰負(fù)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(jī)。若按100%保證率，光熱電站日等效保證小時(shí)數(shù)為3.5h，參加電力平衡比例（火電容量替代率）約87.5%。

在不同保證率情況下，考慮跨日調(diào)節(jié)后的光熱電站參加電力平衡容量，晚高峰時(shí)段按6h，光熱電站替代火電裝機(jī)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(jī)。

4.3光熱電站應(yīng)對(duì)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(jī)占比達(dá)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。

通過青海水電月電量分布示意圖可以看出，青海水電占比較大，受來水影響，夏季5-10月發(fā)電量相對(duì)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。青海新能源月電量分布示意圖顯示，青海新能源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。青海逐月電量平衡結(jié)果顯示，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(xiàn)較大電量缺口。

青海季節(jié)性缺電問題一直存在，且隨著新能源裝機(jī)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(jìn)一步壓縮，再加上規(guī)劃通道建成和負(fù)荷逐步增長(zhǎng)，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(jì)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(duì)上述季節(jié)性缺電問題。

根據(jù)前述方法初步測(cè)算，海西地區(qū)全年應(yīng)急發(fā)電電量22億kWh，其中12月份需要應(yīng)急發(fā)電電量最大，約14億kWh（占比64%），小時(shí)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kWh（全天24h連續(xù)應(yīng)急發(fā)電運(yùn)行），小時(shí)最大發(fā)電量500萬kWh（即滿功率發(fā)電），可全容量替代火電裝機(jī)。

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

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

對(duì)不同光熱規(guī)模對(duì)應(yīng)的應(yīng)急備用發(fā)電比例進(jìn)行敏感性分析，隨著光熱規(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(shì)，由8.9%增加至20.2%。

5結(jié)論

在國(guó)家雙碳目標(biāo)驅(qū)動(dòng)下，我國(guó)新能源裝機(jī)規(guī)模將更加快速增長(zhǎng)，而火電建設(shè)空間進(jìn)一步壓縮，未來以新能源為主的新型電力系統(tǒng)將面臨一定的電力保障問題，光熱電站作為儲(chǔ)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(shí)段替代火電裝機(jī)，為系統(tǒng)提供電力電量支撐，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)以少量低碳能源帶動(dòng)更大規(guī)?？稍偕茉撮_發(fā)，可以助力我國(guó)新能源開發(fā)目標(biāo)和碳達(dá)峰目標(biāo)早日完成。研究結(jié)果初步表明，2030年前青海新增1000MW～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(duì)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)。