該論文發(fā)表于2018年7月發(fā)表于《應用能源》。該論文此前被美國科學(xué)促進(jìn)會(huì )(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平臺和可再生能源技術(shù)新聞平臺New EnergyUpdate報道。
論文基于電機系團隊研發(fā)的“電力規劃決策支持系統(GOPT)”，依據青海省和甘肅省電網(wǎng)“十三五”期間風(fēng)電和光伏的裝機容量，分析了青海電網(wǎng)和甘肅電網(wǎng)接入光熱發(fā)電后的能量效益以及降低棄風(fēng)與棄光的靈活性效益。
研究發(fā)現，在青海電網(wǎng)和甘肅電網(wǎng)中接入高比例風(fēng)電和光伏發(fā)電時(shí)，將一部分光伏或風(fēng)電規劃容量替換為光熱發(fā)電能帶來(lái)更多經(jīng)濟效益。其原因是由于光熱機組能夠采用儲熱的方式提供額外的調度靈活性，減少棄風(fēng)和棄光的邊際效益很高。即使光熱電站的投資成本顯著(zhù)高于風(fēng)電和光伏(約為風(fēng)電的5倍，光伏的3倍)，在高比例可再生能源并網(wǎng)的背景下，光熱發(fā)電仍然具有很好的技術(shù)經(jīng)濟性(即使不考慮補貼，其總體社會(huì )效益仍顯著(zhù)大于投資成本)。該研究還通過(guò)模擬不同的替換比例，進(jìn)一步得出光熱發(fā)電機組的最佳裝機容量，為我國未來(lái)光熱發(fā)電的規劃提供理論依據。
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。
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。
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。
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。
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)
該團隊研發(fā)的“電力規劃決策支持系統(GOPT)”已成功應用于我國內蒙、青海、甘肅等地區電力規劃與運行決策的研究中，該系統綜合考慮火電、燃機、水電、抽蓄、風(fēng)電等多種類(lèi)型電源的運行方式，以日前機組組合和經(jīng)濟調度為核心，多維度的精細化評估各類(lèi)電源規劃的安全可靠性、經(jīng)濟性、適應性和環(huán)保性。在此基礎上，該系統提出并實(shí)現了大規模新能源的運行模擬方法，為新形勢下接入大規?？稍偕茉吹奈覈娏ο到y的規劃與運行決策提供科學(xué)有力的支撐。
