利用光熱發(fā)電提升高比例新能源系統(tǒng)的新能源消納率

傅 旭張雨津

(中國電力工程顧問集團西北電力設(shè)計院有限公司,陜西省 西安市 710075)

0 引言

目前,我國已經(jīng)成為了全球風電和光伏發(fā)電裝機容量最大的國家,與之相伴而生的則是棄風、棄光等問題日益突出[1-3]。太陽能熱發(fā)電(concentrating solar power,CSP)也稱光熱發(fā)電技術(shù)具有清潔、調(diào)節(jié)性能好、配有儲能系統(tǒng)等特點[4-6],逐漸成為研究熱點[7]。文獻[8-9]提出了光熱機組可配合風電運行,降低風電機組的不確定性,進而降低系統(tǒng)的輔助服務(wù)需求并提高系統(tǒng)可靠性。文獻[10]從可靠性的角度分析了含有儲熱及不含儲熱的光熱機組的容量效益。文獻[11]基于全生命周期的電化學(xué)成本效益模型,研究了陜西電網(wǎng)的儲能需求并優(yōu)化了陜西電網(wǎng)化學(xué)儲能設(shè)備的時長,可以為光熱儲熱時長的優(yōu)化提供參考。文獻[12-14]對光熱機組建立優(yōu)化運行模型。文獻[15]采用全時段生產(chǎn)仿真模擬,評估了新疆電網(wǎng)光熱發(fā)電的容量效益和電量效益,測算了光熱發(fā)電的國民經(jīng)濟性。

由于光熱發(fā)電本身是新能源電量,同時又具有儲能環(huán)節(jié)從而具有了調(diào)節(jié)性,利用光熱發(fā)電提高電力系統(tǒng)新能源消納成為一種可行的方法。本文以西北地區(qū)省級電網(wǎng)為研究對象,分析光熱發(fā)電對提高新能源消納的作用,研究光熱發(fā)電在保證新能源棄電率不變的情況下,提高新能源消納率的可行性,計算中采用基于數(shù)學(xué)優(yōu)化的生產(chǎn)模擬仿真程序,以周為尺度,計算全年8760h的系統(tǒng)運行狀態(tài)。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 計算評估流程

光熱發(fā)電具有儲熱環(huán)節(jié)從而具有調(diào)節(jié)性,可以為光熱自身或系統(tǒng)調(diào)峰,因此光熱發(fā)電可以在不增加系統(tǒng)其他新能源棄電率情況下,增加系統(tǒng)新能源消納電量,評估流程如下:

(1) 給定新能源規(guī)模、電源規(guī)劃、直流外送等信息,進行8760h生產(chǎn)仿真模擬,計算風電、光伏、光熱發(fā)電量(EW1、EP1、ECSP1),測算新能源棄電率指標E1。

(2) 增加光熱發(fā)電裝機,生產(chǎn)仿真模擬,計算風電、光伏和光熱發(fā)電量(EW2、EP2、ECSP2),測算新能源棄電率指標E2。

(3) 若E1＞E2,增加新能源發(fā)電裝機,重新進行生產(chǎn)模擬計算,直至E1=E2。

(4) 若E1＜E2,降低新能源發(fā)電裝機,重新進行生產(chǎn)模擬,直至E1=E2。

(5) 統(tǒng)計計算結(jié)果,分析光熱發(fā)電加入系統(tǒng)后,系統(tǒng)新能源接納電量的變化,統(tǒng)計各種電源運行參數(shù)。

在進行生產(chǎn)仿真模擬計算時,采用全年8760h的生產(chǎn)模擬,在滿足負荷需求約束下,以盡量減少新能源棄電和發(fā)電煤耗為目標函數(shù),約束條件包括系統(tǒng)平衡約束、電站/機組運行約束、地區(qū)間聯(lián)絡(luò)線功率約束等。

1.2 生產(chǎn)模擬模型

含有多種類型電源的全時段生產(chǎn)模擬的數(shù)學(xué)模型的目標函數(shù)為:綜合考慮新能源棄電量和發(fā)電煤耗,在滿足負荷需求約束下,盡量減少新能源棄電量和系統(tǒng)發(fā)電煤耗,目標函數(shù)為

式中:λ1、λ2、λ3、λ4分別為棄風、棄光、棄水以及因光熱機組調(diào)峰運行而造成效率降低的懲罰因子;λ5為失負荷懲罰因子;λ6為失備用懲罰因子;C為煤電機組的發(fā)電成本函數(shù);Pi,t為機組i在時刻t的有功出力;Qup和Qoff分別為啟動和停機費用函數(shù);Ui,t和Ui,t-1分別為機組i在時刻t和時刻t-1的運行狀態(tài);Wb,t為時刻t節(jié)點b的風電場出力為時刻t節(jié)點b的風電場的預(yù)測出力;Sb,t為時刻t節(jié)點b的光伏電站出力;()為時刻t節(jié)點b的光伏電站預(yù)測出力;Ei,t為水電機組i時刻t的棄水量;lb,t和hb,t分別為時刻t節(jié)點b的失負荷量和失備用量;H為光熱機組的效率函數(shù);Mup和Moff分別為光熱機組的啟動和停機費用函數(shù)分別為光熱機組i在時刻t和時刻t-1的運行狀態(tài);為光熱機組i在時刻t的有功出力;G為所有火電機組的集合;Y為所有水電機組的集合;N為所有光熱機組的集合;B為所有節(jié)點的集合。

目標函數(shù)的約束條件包括系統(tǒng)平衡約束、電站/機組運行約束、地區(qū)間聯(lián)絡(luò)線功率約束等,具體表達式可見文獻[16]。

2 研究結(jié)果

2.1 甘肅電網(wǎng)測算結(jié)果

以2025年甘肅新能源利用率達95%的新能源規(guī)模作為研究的基礎(chǔ)方案,即風電裝機17GW,光伏裝機10GW。在基礎(chǔ)方案上,保持風電光伏裝機不變,測算新增1、2GW 光熱電站時的生產(chǎn)運行情況,結(jié)果如表1所示。

正是由于對短篇小說的偏愛，導(dǎo)致小編年輕的時候，沒有把《武俠版》上連載的長篇讀完，最后竟然因此幸運地沒有掉進《山河》的十年大坑……

由表1可知:(1)基礎(chǔ)方案下,甘肅電網(wǎng)新能源棄電率5.3%,火電發(fā)電量1242×108kW·h,新能源發(fā)電量579×108kW·h;(2)新增1GW 光熱后,新能源消納電量增加41.7×108kW·h,新能源棄電減少3.6×108kW·h,火電電量減少41.7×108kW·h,新能源棄電率4.7%;(3)新增2GW 光熱后,新能源消納電量增加81.7×108kW·h,新能源棄電減少6.2×108kW·h,火電電量減少81.7×108kW·h。

表1 不同光熱發(fā)電規(guī)模下的甘肅電網(wǎng)生產(chǎn)運行模擬結(jié)果Table 1 Simulation results of Gansu power grid production and operation under different photothermal power generation scales

通過對比上述方案,可以看出,甘肅電網(wǎng)新增光熱發(fā)電后,新能源棄電率降低,且新能源消納電量增加。因此可通過新增光伏進一步提升新能源發(fā)電量,而新能源棄電率維持不變。擬定新能源增加方案見表2,生產(chǎn)模擬計算結(jié)果見表3—4,可以得出如下結(jié)論。

表2 甘肅電網(wǎng)新增光熱發(fā)電可新增新能源裝機測算方案Table 2 Calculation scheme of newly added solar thermal power generation in Gansu power grid GW

表3 甘肅電網(wǎng)新增1GW 光熱發(fā)電可新增新能源裝機測算結(jié)果Table 3 Calculation results of newly added new energy installed by 1GW solar thermal power generation in Gansu power grid

(1) 相比于基礎(chǔ)方案,在維持新能源利用率基本不變時,新增1GW 光熱電站可配套新增1GW 光伏,火電電量減少54×108kW·h;新增2GW 光熱可配套新增1.5GW 光伏,火電電量減少100×108kW·h。

(2) 相比于表1中計算結(jié)果,建設(shè)1GW 光熱的同時,配套建設(shè)1GW 光伏,系統(tǒng)新能源電量增加了13×108kW·h;建設(shè)2GW 光熱的同時,配套建設(shè)了1.5GW 光伏,系統(tǒng)新能源電量增加了18×108kW·h。

(3) 對比表1、3—4,光熱發(fā)電加入系統(tǒng)后,光熱本身是新能源發(fā)電,因此增加了系統(tǒng)新能源發(fā)電量;光熱發(fā)電本身具有調(diào)節(jié)性,可以發(fā)揮調(diào)峰作用,因此也可以降低系統(tǒng)中風電和光伏的棄電率,從而進一步提升系統(tǒng)新能源消納電量。

2.2 新疆電網(wǎng)測算結(jié)果

以2025年新疆新能源利用率達95%的新能源規(guī)模作為研究的基礎(chǔ)方案,即風電裝機31GW,光伏裝機15.5GW。在基礎(chǔ)方案上,保持風電光伏裝機不變,測算新增1、2GW 光熱電站時的生產(chǎn)運行情況,結(jié)果如表5所示。

由表5可知:基礎(chǔ)方案下,新疆電網(wǎng)新能源棄電率5.2%,火電發(fā)電量4020×108kW·h,新能源發(fā)電量1003×108kW·h;新增1GW 光熱發(fā)電,新能源消納電量增加40×108kW·h,火電電量減少40.8×108kW·h;新增2GW 光熱發(fā)電,新能源消納電量增加80×108kW·h,火電電量減少81×108kW·h。

表4 甘肅電網(wǎng)新增2GW 光熱發(fā)電可新增新能源裝機測算結(jié)果Table 4 Calculation results of newly added new energy installed by 2GW solar thermal power generation in Gansu power grid

表5 不同光熱發(fā)電規(guī)模下的新疆電網(wǎng)生產(chǎn)運行模擬結(jié)果Table 5 Simulation results of Xinjiang power grid production and operation under different photothermal power generation scales

新增光熱發(fā)電后,新能源棄電率降低、新能源消納電量增加。因此可通過新增光伏發(fā)電進一步提升新能源發(fā)電量,而保持新能源棄電率維持不變。擬定新能源增加方案見表6,生產(chǎn)模擬計算結(jié)果見表7—8?？梢缘贸鋈缦陆Y(jié)論。

表6 新疆電網(wǎng)新增光熱發(fā)電可新增新能源裝機測算方案Table 6 Calculation scheme of newly added solar thermal power generation in Xinjiang power grid GW

表7 新疆電網(wǎng)新增1GW 光熱發(fā)電可新增新能源裝機測算結(jié)果Table 7 Calculation results of new energy installed by 1GW new photovoltaic thermal power generation in Xinjiang power grid

(1) 在維持新能源利用率基本不變時,新疆新增1GW 光熱電站可配套新增3.5GW 光伏,火電電量減少92×108kW·h。

(2) 在維持新能源利用率基本不變時,新疆新增2GW 光熱電站可配套新增5.5GW 光伏,火電電量減少152×108kW·h。

3 結(jié)論

(1) 研究了利用光熱發(fā)電提升系統(tǒng)新能源消納的可行性。通過增加光熱發(fā)電,系統(tǒng)可以增加新能源發(fā)電量,同時不增加系統(tǒng)調(diào)峰壓力,甚至提升系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能,從而可以在建設(shè)光熱發(fā)電的同時增加系統(tǒng)光伏裝機規(guī)模,而保證新能源棄電率不變。

(2) 新疆、甘肅的仿真算例表明,光熱發(fā)電加入系統(tǒng)后,系統(tǒng)消納的新能源發(fā)電量增加,在保證棄電率不變的情況下,加入光熱發(fā)電后,還可以增加一部分光伏發(fā)電。甘肅電網(wǎng)在保證新能源棄電率5%的約束下,1GW 光熱可以增加1GW 光伏,而新疆電網(wǎng)可以增加3.5GW 光伏。甘肅電網(wǎng)在保證新能源棄電率不變的約束下,2GW 光熱可以增加1.5GW 光伏,而新疆電網(wǎng)可以增加5.5GW 光伏。

表8 新疆電網(wǎng)新增2GW 光熱發(fā)電可新增新能源裝機測算結(jié)果Table 8 Calculation results of new energy installed by 2GW new photovoltaic thermal power generation in Xinjiang power grid