近日，著名的《IEEE縱覽》(IEEE Spectrum)雜志2019年第2期在討論中國光熱發(fā)電的專題中報(bào)道了電機(jī)系的學(xué)術(shù)成果《接入太陽能光熱發(fā)電對含高比例可再生能源電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)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(yīng)用能源》 (Applied Energy)。該論文此前被美國科學(xué)促進(jìn)會(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“太陽能光熱發(fā)電幫助中國降低應(yīng)對氣候變化成本”為題進(jìn)行報(bào)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(bào)道。該論文的第一、二作者為電機(jī)系博士后杜爾順和張寧副教授，通訊作者為電機(jī)系康重慶教授，合作作者包括美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)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(jī)系夏清教授。
下為論文全文：
太陽能光熱發(fā)電技術(shù)(Concentrating solar power,CSP，簡稱光熱)是除光伏發(fā)電外另一種太陽能發(fā)電技術(shù)。其原理是通過反射太陽光到太陽能集熱器進(jìn)行太陽能的采集，再通過換熱裝置提供高壓過熱蒸汽驅(qū)動汽輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電。光熱電站一般由聚光集熱環(huán)節(jié)、儲熱環(huán)節(jié)以及發(fā)電環(huán)節(jié)三個子系統(tǒng)構(gòu)成，通過導(dǎo)熱工質(zhì)實(shí)現(xiàn)各個環(huán)節(jié)直接能量的傳遞。其主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1：光熱電站的結(jié)構(gòu)
光熱發(fā)電并網(wǎng)對電力系統(tǒng)的運(yùn)營效率分析
在高比例可再生能源并網(wǎng)電力系統(tǒng)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)電能同時提供可再生能源電量和運(yùn)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(jī)容量將減少;另一方面，光熱發(fā)電提供的運(yùn)行靈活性將實(shí)現(xiàn)減少部分棄風(fēng)棄光，因而所需裝機(jī)容量將進(jìn)一步減少。
從凈負(fù)荷曲線角度看：光熱發(fā)電替換間歇性可再生能源出力將使得凈負(fù)荷曲線總的不確定性與波動性減弱，對系統(tǒng)的運(yùn)行靈活性需求降低。
從常規(guī)火電機(jī)組角度看：凈負(fù)荷曲線對系統(tǒng)運(yùn)行靈活性需求減弱的。具體表現(xiàn)為：(1)減小了火電機(jī)組的調(diào)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(jī)組的啟停頻率，減少了啟停成本;(3)減少了火電機(jī)組的爬坡里程，減少了爬坡成本。
從電力系統(tǒng)整體經(jīng)濟(jì)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(jī)需求，因而減少了投資成本;光熱發(fā)電并網(wǎng)減少了系統(tǒng)的運(yùn)行靈活性需求，因而減少了系統(tǒng)總運(yùn)行成本。
圖2：光熱發(fā)電并網(wǎng)的成本效益分析
計(jì)及光熱發(fā)電的電力系統(tǒng)精細(xì)化時序運(yùn)行模擬技術(shù)
隨著電力系統(tǒng)中可再生能源裝機(jī)容量的增加，可再生能源出力的不確定性與波動性極大增加了電力系統(tǒng)的運(yùn)行方式的多樣性、復(fù)雜性。不僅如此，為了實(shí)現(xiàn)大規(guī)模可再生能源的消納，電網(wǎng)逐步呈現(xiàn)多種類型電源發(fā)電并網(wǎng)、電網(wǎng)遠(yuǎn)距離交直流互聯(lián)、多區(qū)域互補(bǔ)互濟(jì)的復(fù)雜格局。
因此，面向大規(guī)模可再生能源消納的電力系統(tǒng)運(yùn)行模擬方法需要考慮眾多實(shí)際工程問題，包括但不限于：1)長時間尺度可再生能源的出力數(shù)據(jù)不足;2)考慮多種機(jī)組類型，并研究不同類型機(jī)組之間的協(xié)同運(yùn)行;3)考慮交直流電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)模型;4)考慮跨區(qū)送電計(jì)劃以及斷面約束;5)考慮多種系統(tǒng)運(yùn)行方式，包括極端運(yùn)行方式與典型運(yùn)行方式。為此，本文提出了含光熱電站的電力系統(tǒng)精細(xì)化時序運(yùn)行模擬方法，如下圖所示。該方法基于時序負(fù)荷曲線，能夠綜合考慮機(jī)組檢修、可再生能源出力隨機(jī)性、系統(tǒng)調(diào)峰與備用、多種類型電源協(xié)同運(yùn)行、線路斷面潮流安全、多區(qū)域互聯(lián)等多重要素，逐日對電網(wǎng)進(jìn)行長時間運(yùn)行層面的精細(xì)化時序運(yùn)行模擬。
圖：計(jì)及光熱發(fā)電的電力系統(tǒng)精細(xì)化時序運(yùn)行模擬技術(shù)
實(shí)證分析：光熱發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性分析
根據(jù)青海電網(wǎng)2020年規(guī)劃方案，規(guī)劃風(fēng)/光裝機(jī)13GW，系統(tǒng)最大負(fù)荷為15.8GW，間歇性可再生能源裝機(jī)占最大負(fù)荷比例為82.3%。
根據(jù)運(yùn)行模擬結(jié)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(tǒng)以水電為主，系統(tǒng)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，光熱的投資盈虧平衡點(diǎn)為4789$/kW。
根據(jù)甘肅電網(wǎng)2020年規(guī)劃方案，規(guī)劃風(fēng)/光裝機(jī)27GW，系統(tǒng)最大負(fù)荷為25.86GW，間歇性可再生能源裝機(jī)占最大負(fù)荷比例為104.3%。根據(jù)運(yùn)行模擬結(jié)果，風(fēng)/光發(fā)電電量占比為27.9%。將部分風(fēng)/光伏電量替換為光熱發(fā)電，由于甘肅電網(wǎng)中火電燃機(jī)占比高，系統(tǒng)運(yùn)行靈活性缺額較大，棄風(fēng)/光嚴(yán)重，因此具有靈活可調(diào)出力的光熱發(fā)電并網(wǎng)后，實(shí)現(xiàn)了與風(fēng)電、光伏的互補(bǔ)運(yùn)行，提高了系統(tǒng)的可再生能源消納能力。光熱發(fā)電占可再生能源電量比例為20%時，光熱的投資盈虧平衡點(diǎn)為6763$/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(jì)。
圖：光熱發(fā)電技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性分析(上：青海電網(wǎng);下：甘肅電網(wǎng))
團(tuán)隊(duì)介紹：
清華大學(xué)電機(jī)系夏清教授、康重慶教授團(tuán)隊(duì)目前主要從事電力系統(tǒng)規(guī)劃、調(diào)度運(yùn)行、智能電網(wǎng)、電力市場、負(fù)荷預(yù)測、新能源、低碳電力和綜合能源系統(tǒng)等領(lǐng)域的研究工作。近5年團(tuán)隊(duì)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(fù)荷預(yù)測軟件在我國200余家地市電網(wǎng)得到推廣應(yīng)用，發(fā)電計(jì)劃與檢修計(jì)劃軟件在全國10余個省級調(diào)度中心應(yīng)用，電力系統(tǒng)運(yùn)行模擬軟件在全國10余個省級經(jīng)研院或規(guī)劃中心應(yīng)用。(作者：杜爾順，張寧，康重慶，夏清)
