中國太陽能熱發(fā)電大會合作期刊——《電網(wǎng)技術(shù)》2022年第8期刊發(fā)了國家電網(wǎng)有限公司西北分部市場交易六部主任孫驍強(qiáng)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(jīng)得《電網(wǎng)技術(shù)》和作者同意，轉(zhuǎn)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(shí)數(shù)和系統(tǒng)高峰時(shí)段需求提出了一種評估光熱發(fā)電替代火電裝機(jī)能力的方法，進(jìn)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(jī)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(shí)段替代火電裝機(jī)，同時(shí)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(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。
0 引言
隨著國家雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)施，我國新能源開發(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，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。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(jī)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(jī)能力大打折扣。本文研究通過增加應(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)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(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。可以預(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2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上可以達(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，在太陽能資源不好時(shí)，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(yán)峻形勢。國外電網(wǎng)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(xùn)表明，由于電力無法大規(guī)模存儲的特性，以光伏、風(fēng)電為主的新能源不能完全替代常規(guī)穩(wěn)定發(fā)電機(jī)組，難以應(yīng)對極端天氣事件導(dǎo)致的電力供應(yīng)缺口，加劇了系統(tǒng)資源緊張時(shí)段的供應(yīng)挑戰(zhàn)，亟須尋找既清潔又能穩(wěn)定發(fā)電的調(diào)節(jié)電源，保障電力系統(tǒng)全時(shí)段安全可靠供電。
在國家雙碳目標(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。
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(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)電與太陽直射輻射密切相關(guān)，某些天光照資源較好時(shí)，再加上儲熱裝置蓄熱，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(jī)，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(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。
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(yù)計(jì)2030年青海省全社會用電量達(dá)到1100億kW·h，最高發(fā)電負(fù)荷15500MW。青海新能源規(guī)劃總裝機(jī)約57640MW，其中光伏34000MW、風(fēng)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(shí)長15h，發(fā)電機(jī)功率100MW，汽輪機(jī)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(shí)出力，并進(jìn)行特性統(tǒng)計(jì)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(shí)數(shù)小于4h天數(shù)統(tǒng)計(jì)。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(shí)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
圖2 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4h天數(shù)統(tǒng)計(jì)
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(fù)荷曲線示意圖?？梢钥闯?，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18:00—21:00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。
圖3 青海電網(wǎng)典型日負(fù)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(yù)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(jī)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(shí)數(shù)分布示意圖?？梢钥闯?，根據(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(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)；光熱電站儲熱時(shí)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(yù)測事先安排一定容量進(jìn)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(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%。
表2 海西地區(qū)光熱電站替代火電裝機(jī)比例測算
圖4 海西烏圖地區(qū)光熱電站日等效小時(shí)數(shù)分布示意圖
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(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)。
表3 海西地區(qū)光熱在不同保證率下替代火電裝機(jī)比例測算
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(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。
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。可以看出，青海新能源(含光伏、風(fēng)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(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
圖7 2030年青海電網(wǎng)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(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，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(yùn)行指標(biāo)。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(shí)平均發(fā)電量?？梢钥闯?，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(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kW·h(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kW·h(即滿功率發(fā)電)，可全容量替代火電裝機(jī)。
表5 海西地區(qū)光熱電站應(yīng)急備用發(fā)電運(yùn)行指標(biāo)
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）
圖9 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）
對不同光熱規(guī)模對應(yīng)的應(yīng)急備用發(fā)電比例進(jìn)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(yùn)行指標(biāo)。可以看出，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，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(yùn)行指標(biāo)
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(jì)（含應(yīng)急發(fā)電）
需要說明的是，關(guān)于應(yīng)急備用發(fā)電(補(bǔ)燃)技術(shù)方案，可以采用天然氣補(bǔ)燃，也可以采用生物質(zhì)補(bǔ)燃，還可與供熱相結(jié)合，有待進(jìn)一步論證。以天然氣補(bǔ)燃為例，初步估算增加燃?xì)鈧溆缅仩t投資約1000元/kW，青海天然氣價(jià)格按1.15元/m3，補(bǔ)燃發(fā)電效率約40%左右，1m3氣按發(fā)4kW·h電考慮，補(bǔ)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(biāo)驅(qū)動(dòng)下，我國新能源裝機(jī)規(guī)模將更加快速增長，而火電建設(shè)空間進(jìn)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(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)。
孫驍強(qiáng)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(wǎng)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(tuán)西北電力設(shè)計(jì)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(wǎng)技術(shù), 2022, 46(8): 2948-2954.
作者簡介：
孫驍強(qiáng)，正高級工程師，曾從事電力系統(tǒng)調(diào)度、規(guī)劃、技術(shù)研究工作，現(xiàn)任國家電網(wǎng)有限公司西北分部市場交易六部主任。研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)規(guī)劃與運(yùn)行、新能源并網(wǎng)與消納等。E-mail：lampsun@yeah.net。
其對西北新能源的運(yùn)行及規(guī)劃有較多研究，在新能源快速頻率響應(yīng)方面相關(guān)理論已經(jīng)編寫入國標(biāo)。近年主編專業(yè)書籍3本，參與編寫國家標(biāo)準(zhǔn)3項(xiàng)，發(fā)表EI檢索論文6篇并多次獲獎(jiǎng)，申請專利7項(xiàng)。
汪瑩，女，高級工程師，通信作者，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)規(guī)劃，E-mail：wangying-1115@163.com。
