近日，著(zhù)名的《IEEE縱覽》(IEEE Spectrum)雜志2019年第2期在討論中國光熱發(fā)電的專(zhuān)題中報道了電機系的學(xué)術(shù)成果《接入太陽(yáng)能光熱發(fā)電對含高比例可再生能源電網(wǎng)的經(jīng)濟性分析》(Economic justification of concentrating solar power in highrenewable energy penetrated power systems)。
該論文發(fā)表于2018年7月發(fā)表于《應用能源》 (Applied Energy)。該論文此前被美國科學(xué)促進(jìn)會(huì )(American Association for the Advancement of Science, AAAS)主辦的全球科技新聞服務(wù)平臺EurekAlert于2018年7月以“太陽(yáng)能光熱發(fā)電幫助中國降低應對氣候變化成本”為題進(jìn)行報道。
此外，該論文也被國際能源署IEA的SolarPACES平臺(SolarPower and Chemical Energy Systems)和可再生能源技術(shù)新聞平臺New EnergyUpdate報道。該論文的第一、二作者為電機系博士后杜爾順和張寧副教授，通訊作者為電機系康重慶教授，合作作者包括美國國家可再生能源實(shí)驗室Bri-Mathias Hodge(布里-馬蒂亞斯·霍奇)研究員、Benjamin Kroposki(本杰明·克魯波斯基)研究員、電機系夏清教授。
下為論文全文：
太陽(yáng)能光熱發(fā)電技術(shù)(Concentrating solar power,CSP，簡(jiǎn)稱(chēng)光熱)是除光伏發(fā)電外另一種太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)。其原理是通過(guò)反射太陽(yáng)光到太陽(yáng)能集熱器進(jìn)行太陽(yáng)能的采集，再通過(guò)換熱裝置提供高壓過(guò)熱蒸汽驅動(dòng)汽輪機進(jìn)行發(fā)電。光熱電站一般由聚光集熱環(huán)節、儲熱環(huán)節以及發(fā)電環(huán)節三個(gè)子系統構成，通過(guò)導熱工質(zhì)實(shí)現各個(gè)環(huán)節直接能量的傳遞。其主要結構如圖1所示。
圖1：光熱電站的結構
光熱發(fā)電并網(wǎng)對電力系統的運營(yíng)效率分析
在高比例可再生能源并網(wǎng)電力系統中，保持可再生能源發(fā)電占比不變，將部分風(fēng)電、光伏等間歇性可再生能源電量替換為光熱發(fā)電。如下圖所示：
從光熱發(fā)電角度看：光熱發(fā)電能同時(shí)提供可再生能源電量和運行靈活性。
從間歇性可再生能源角度看：一方面，部分電量將被替換為光熱電量，因而所需裝機容量將減少;另一方面，光熱發(fā)電提供的運行靈活性將實(shí)現減少部分棄風(fēng)棄光，因而所需裝機容量將進(jìn)一步減少。
從凈負荷曲線(xiàn)角度看：光熱發(fā)電替換間歇性可再生能源出力將使得凈負荷曲線(xiàn)總的不確定性與波動(dòng)性減弱，對系統的運行靈活性需求降低。
從常規火電機組角度看：凈負荷曲線(xiàn)對系統運行靈活性需求減弱的。具體表現為：(1)減小了火電機組的調峰深度，提高了火電的發(fā)電效率，減少了燃料成本;(2)減小了火電機組的啟停頻率，減少了啟停成本;(3)減少了火電機組的爬坡里程，減少了爬坡成本。
從電力系統整體經(jīng)濟性角度看：光熱發(fā)電并網(wǎng)，投資成本增加;光熱發(fā)電并網(wǎng)減少了間歇性可再生能源的裝機需求，因而減少了投資成本;光熱發(fā)電并網(wǎng)減少了系統的運行靈活性需求，因而減少了系統總運行成本。
圖2：光熱發(fā)電并網(wǎng)的成本效益分析
計及光熱發(fā)電的電力系統精細化時(shí)序運行模擬技術(shù)
隨著(zhù)電力系統中可再生能源裝機容量的增加，可再生能源出力的不確定性與波動(dòng)性極大增加了電力系統的運行方式的多樣性、復雜性。不僅如此，為了實(shí)現大規?？稍偕茉吹南{，電網(wǎng)逐步呈現多種類(lèi)型電源發(fā)電并網(wǎng)、電網(wǎng)遠距離交直流互聯(lián)、多區域互補互濟的復雜格局。
因此，面向大規?？稍偕茉聪{的電力系統運行模擬方法需要考慮眾多實(shí)際工程問(wèn)題，包括但不限于：1)長(cháng)時(shí)間尺度可再生能源的出力數據不足;2)考慮多種機組類(lèi)型，并研究不同類(lèi)型機組之間的協(xié)同運行;3)考慮交直流電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò )模型;4)考慮跨區送電計劃以及斷面約束;5)考慮多種系統運行方式，包括極端運行方式與典型運行方式。為此，本文提出了含光熱電站的電力系統精細化時(shí)序運行模擬方法，如下圖所示。該方法基于時(shí)序負荷曲線(xiàn)，能夠綜合考慮機組檢修、可再生能源出力隨機性、系統調峰與備用、多種類(lèi)型電源協(xié)同運行、線(xiàn)路斷面潮流安全、多區域互聯(lián)等多重要素，逐日對電網(wǎng)進(jìn)行長(cháng)時(shí)間運行層面的精細化時(shí)序運行模擬。
圖：計及光熱發(fā)電的電力系統精細化時(shí)序運行模擬技術(shù)
實(shí)證分析：光熱發(fā)電的經(jīng)濟性分析
根據青海電網(wǎng)2020年規劃方案，規劃風(fēng)/光裝機13GW，系統最大負荷為15.8GW，間歇性可再生能源裝機占最大負荷比例為82.3%。
根據運行模擬結果，風(fēng)/光發(fā)電電量占比為18.7%。將部分風(fēng)/光伏電量替換為光熱發(fā)電，由于青海系統以水電為主，系統靈活性供給較為充足，因此光熱發(fā)電的靈活性效益較小，光熱發(fā)電占可再生能源電量比例為20%時(shí)，光熱的投資盈虧平衡點(diǎn)為4789$/kW。
根據甘肅電網(wǎng)2020年規劃方案，規劃風(fēng)/光裝機27GW，系統最大負荷為25.86GW，間歇性可再生能源裝機占最大負荷比例為104.3%。根據運行模擬結果，風(fēng)/光發(fā)電電量占比為27.9%。將部分風(fēng)/光伏電量替換為光熱發(fā)電，由于甘肅電網(wǎng)中火電燃機占比高，系統運行靈活性缺額較大，棄風(fēng)/光嚴重，因此具有靈活可調出力的光熱發(fā)電并網(wǎng)后，實(shí)現了與風(fēng)電、光伏的互補運行，提高了系統的可再生能源消納能力。光熱發(fā)電占可再生能源電量比例為20%時(shí)，光熱的投資盈虧平衡點(diǎn)為6763$/kW。
綜上，目前光熱發(fā)電在火電為主的甘肅電網(wǎng)中比在水電為主的青海電網(wǎng)中更經(jīng)濟。
圖：光熱發(fā)電技術(shù)的經(jīng)濟性分析(上：青海電網(wǎng);下：甘肅電網(wǎng))
團隊介紹：
清華大學(xué)電機系夏清教授、康重慶教授團隊目前主要從事電力系統規劃、調度運行、智能電網(wǎng)、電力市場(chǎng)、負荷預測、新能源、低碳電力和綜合能源系統等領(lǐng)域的研究工作。近5年團隊發(fā)表或錄用SCI論文50余篇，其中30余篇發(fā)表在IEEETransactions上，近5年EI論文150余篇。所研發(fā)的負荷預測軟件在我國200余家地市電網(wǎng)得到推廣應用，發(fā)電計劃與檢修計劃軟件在全國10余個(gè)省級調度中心應用，電力系統運行模擬軟件在全國10余個(gè)省級經(jīng)研院或規劃中心應用。(作者：杜爾順，張寧，康重慶，夏清)
