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近日，著(zhu)名的(de)《IEEE縱覽》（IEEE Spectrum）雜志2019年第(di)2期在(zai)討論中國光熱(re)發(fa)電(dian)(dian)的(de)專題中報(bao)道了電(dian)(dian)機系的(de)學術成果《接入太(tai)陽能光熱(re)發(fa)電(dian)(dian)對(dui)含高比(bi)例可(ke)再生能源電(dian)(dian)網的(de)經濟性分(fen)析》（Economic justification of concentrating solar power in highrenewable energy penetrated power systems）。

該論文(wen)發表于2018年(nian)7月(yue)發表于《應用能(neng)(neng)源(yuan)》 （Applied Energy）。該論文(wen)此前被(bei)美(mei)國科學促進會（American Association for the Advancement of Science, AAAS）主辦的全(quan)球科技新聞服務平臺EurekAlert于2018年(nian)7月(yue)以“太(tai)陽能(neng)(neng)光熱發電(dian)幫助中國降(jiang)低應對氣候(hou)變化(hua)成本”為(wei)題進行報道(dao)。

此外，該論(lun)文(wen)也被國際能(neng)源(yuan)署IEA的(de)SolarPACES平臺(tai)（SolarPower and Chemical Energy Systems）和(he)可再(zai)生能(neng)源(yuan)技術新聞平臺(tai)New EnergyUpdate報(bao)道。該論(lun)文(wen)的(de)第一、二作(zuo)者(zhe)(zhe)為電機(ji)(ji)系(xi)博士后杜爾順和(he)張寧副教(jiao)授，通訊作(zuo)者(zhe)(zhe)為電機(ji)(ji)系(xi)康重(zhong)慶(qing)教(jiao)授，合作(zuo)作(zuo)者(zhe)(zhe)包括美國國家可再(zai)生能(neng)源(yuan)實(shi)驗室(shi)Bri-Mathias Hodge（布里(li)-馬蒂亞斯·霍奇）研(yan)究員、Benjamin Kroposki（本杰(jie)明·克魯波(bo)斯基）研(yan)究員、電機(ji)(ji)系(xi)夏清教(jiao)授。

下為論文全文：

太陽能光熱發電技術（Concentrating solar power,CSP，簡稱光熱）是除光伏發電外另一種太陽能發電技術。其原理是通過反射太陽光到太陽能集熱器進行太陽能的采集，再通過換熱裝置提供高壓過熱蒸汽驅動汽輪機進行發電。光熱電站一般由聚光集熱環節、儲熱環節以及發電環節三個子系統構成，通過導熱工質實現各個環節直接能量的傳遞。其主要結構如圖1所示。

圖(tu)1：光熱電站的結構

光熱發電并網對電力系統的運營效率分析

在(zai)高(gao)比例可(ke)(ke)再(zai)生(sheng)能源并網電(dian)力系統(tong)中(zhong)，保持可(ke)(ke)再(zai)生(sheng)能源發電(dian)占比不變，將部分風電(dian)、光(guang)伏等(deng)間歇性可(ke)(ke)再(zai)生(sheng)能源電(dian)量替換為光(guang)熱發電(dian)。如(ru)下圖所示：

從光(guang)熱發電(dian)角度(du)看：光(guang)熱發電(dian)能同時提供可再生能源電(dian)量和運行靈活(huo)性(xing)。

從間歇性(xing)可再(zai)生能源角(jiao)度看：一方(fang)面，部分電(dian)量(liang)將被(bei)替換為(wei)光熱電(dian)量(liang)，因(yin)而所需裝機(ji)容量(liang)將減少(shao)；另一方(fang)面，光熱發電(dian)提供(gong)的運行靈活性(xing)將實現減少(shao)部分棄(qi)風棄(qi)光，因(yin)而所需裝機(ji)容量(liang)將進一步減少(shao)。

從凈(jing)負荷(he)曲(qu)線角度看(kan)：光熱(re)發電替換(huan)間(jian)歇性(xing)可再生能源(yuan)出力(li)將使(shi)得凈(jing)負荷(he)曲(qu)線總的不確定性(xing)與波動性(xing)減弱，對系統的運行靈活性(xing)需求降低(di)。

從常規火(huo)(huo)電機組(zu)(zu)角度(du)看：凈負荷曲線對系統運行靈活性需求減(jian)(jian)弱的(de)(de)。具(ju)體表現為(wei)：(1)減(jian)(jian)小了(le)火(huo)(huo)電機組(zu)(zu)的(de)(de)調(diao)峰深度(du)，提高了(le)火(huo)(huo)電的(de)(de)發電效率(lv)，減(jian)(jian)少了(le)燃料成本(ben)；(2)減(jian)(jian)小了(le)火(huo)(huo)電機組(zu)(zu)的(de)(de)啟停(ting)頻率(lv)，減(jian)(jian)少了(le)啟停(ting)成本(ben)；(3)減(jian)(jian)少了(le)火(huo)(huo)電機組(zu)(zu)的(de)(de)爬(pa)坡里程，減(jian)(jian)少了(le)爬(pa)坡成本(ben)。

從電(dian)力系統(tong)(tong)整體經濟性角度(du)看：光(guang)熱發(fa)電(dian)并(bing)網，投資(zi)(zi)成(cheng)(cheng)本(ben)增加(jia)；光(guang)熱發(fa)電(dian)并(bing)網減少了間(jian)歇性可再生能源的裝機需求，因而減少了投資(zi)(zi)成(cheng)(cheng)本(ben)；光(guang)熱發(fa)電(dian)并(bing)網減少了系統(tong)(tong)的運行靈活性需求，因而減少了系統(tong)(tong)總運行成(cheng)(cheng)本(ben)。

圖2：光熱(re)發電并網(wang)的成本效益分(fen)析

計及光熱發電的電力系統精細化時序運行模擬技術

隨著電力系統中可(ke)再生能(neng)源(yuan)裝機容量的(de)增加(jia)(jia)，可(ke)再生能(neng)源(yuan)出力的(de)不(bu)(bu)確定性與波動性極大(da)增加(jia)(jia)了電力系統的(de)運行方式的(de)多(duo)樣(yang)性、復雜性。不(bu)(bu)僅(jin)如此，為了實(shi)現(xian)大(da)規模(mo)可(ke)再生能(neng)源(yuan)的(de)消(xiao)納，電網逐(zhu)步呈現(xian)多(duo)種類(lei)型(xing)電源(yuan)發電并網、電網遠距離(li)交(jiao)直流互聯、多(duo)區域互補互濟的(de)復雜格局。

因此(ci)，面(mian)向(xiang)大規模可再(zai)生(sheng)(sheng)能(neng)(neng)源消納的(de)(de)電力(li)系(xi)統(tong)運(yun)(yun)行(xing)(xing)模擬(ni)(ni)方(fang)(fang)法需要考(kao)(kao)慮(lv)(lv)眾多(duo)(duo)實際工程問(wen)題(ti)，包括(kuo)但不限于(yu)：1）長時(shi)間(jian)尺度可再(zai)生(sheng)(sheng)能(neng)(neng)源的(de)(de)出(chu)力(li)數據不足(zu)；2）考(kao)(kao)慮(lv)(lv)多(duo)(duo)種(zhong)機(ji)組(zu)類型，并研(yan)究不同(tong)類型機(ji)組(zu)之間(jian)的(de)(de)協同(tong)運(yun)(yun)行(xing)(xing)；3）考(kao)(kao)慮(lv)(lv)交(jiao)直流(liu)電網的(de)(de)網絡模型；4）考(kao)(kao)慮(lv)(lv)跨區送電計(ji)劃以及斷面(mian)約束；5）考(kao)(kao)慮(lv)(lv)多(duo)(duo)種(zhong)系(xi)統(tong)運(yun)(yun)行(xing)(xing)方(fang)(fang)式，包括(kuo)極端(duan)運(yun)(yun)行(xing)(xing)方(fang)(fang)式與(yu)典(dian)型運(yun)(yun)行(xing)(xing)方(fang)(fang)式。為此(ci)，本文提(ti)出(chu)了(le)含光熱電站(zhan)的(de)(de)電力(li)系(xi)統(tong)精(jing)細化時(shi)序運(yun)(yun)行(xing)(xing)模擬(ni)(ni)方(fang)(fang)法，如下圖所示(shi)。該方(fang)(fang)法基于(yu)時(shi)序負荷(he)曲線，能(neng)(neng)夠綜(zong)合考(kao)(kao)慮(lv)(lv)機(ji)組(zu)檢修、可再(zai)生(sheng)(sheng)能(neng)(neng)源出(chu)力(li)隨機(ji)性、系(xi)統(tong)調峰與(yu)備用、多(duo)(duo)種(zhong)類型電源協同(tong)運(yun)(yun)行(xing)(xing)、線路(lu)斷面(mian)潮流(liu)安(an)全、多(duo)(duo)區域互聯等(deng)多(duo)(duo)重(zhong)要素，逐(zhu)日對(dui)電網進行(xing)(xing)長時(shi)間(jian)運(yun)(yun)行(xing)(xing)層面(mian)的(de)(de)精(jing)細化時(shi)序運(yun)(yun)行(xing)(xing)模擬(ni)(ni)。

圖：計及光熱發電的電力系統精細(xi)化(hua)時序運行(xing)模擬技術

實證分析：光熱發電的經濟性分析

根據(ju)青(qing)海電網2020年規(gui)劃(hua)方案，規(gui)劃(hua)風(feng)/光裝機13GW，系統最(zui)大(da)(da)負荷為(wei)15.8GW，間(jian)歇性可再生能源裝機占最(zui)大(da)(da)負荷比例為(wei)82.3%。

根據(ju)運行模擬結果，風/光發電(dian)(dian)電(dian)(dian)量(liang)(liang)占比為18.7%。將部分風/光伏電(dian)(dian)量(liang)(liang)替換為光熱發電(dian)(dian)，由于青海系(xi)統以水電(dian)(dian)為主，系(xi)統靈活(huo)性供(gong)給較為充足，因此光熱發電(dian)(dian)的(de)靈活(huo)性效(xiao)益較小(xiao)，光熱發電(dian)(dian)占可再生能源(yuan)電(dian)(dian)量(liang)(liang)比例(li)為20%時，光熱的(de)投資盈(ying)虧(kui)平衡點為4789$/kW。

根據甘肅電(dian)(dian)網(wang)2020年規劃(hua)方案，規劃(hua)風(feng)/光(guang)(guang)(guang)裝機27GW，系(xi)(xi)統最大(da)負荷為25.86GW，間歇性可(ke)再(zai)生(sheng)(sheng)(sheng)能源裝機占最大(da)負荷比例為104.3%。根據運行模擬結果，風(feng)/光(guang)(guang)(guang)發(fa)(fa)電(dian)(dian)電(dian)(dian)量(liang)占比為27.9%。將部分風(feng)/光(guang)(guang)(guang)伏電(dian)(dian)量(liang)替換為光(guang)(guang)(guang)熱(re)發(fa)(fa)電(dian)(dian)，由于甘肅電(dian)(dian)網(wang)中火電(dian)(dian)燃機占比高(gao)，系(xi)(xi)統運行靈活性缺額較大(da)，棄風(feng)/光(guang)(guang)(guang)嚴重，因(yin)此具有靈活可(ke)調出力的光(guang)(guang)(guang)熱(re)發(fa)(fa)電(dian)(dian)并網(wang)后，實現(xian)了與風(feng)電(dian)(dian)、光(guang)(guang)(guang)伏的互(hu)補運行，提高(gao)了系(xi)(xi)統的可(ke)再(zai)生(sheng)(sheng)(sheng)能源消納能力。光(guang)(guang)(guang)熱(re)發(fa)(fa)電(dian)(dian)占可(ke)再(zai)生(sheng)(sheng)(sheng)能源電(dian)(dian)量(liang)比例為20%時，光(guang)(guang)(guang)熱(re)的投資(zi)盈虧平衡點為6763$/kW。

綜上，目前(qian)光熱發電(dian)在火電(dian)為(wei)主(zhu)的(de)甘肅電(dian)網中比在水電(dian)為(wei)主(zhu)的(de)青海電(dian)網中更經濟。

圖：光熱發電(dian)技術的(de)經濟性分析(xi)（上：青(qing)海電(dian)網(wang)；下：甘肅電(dian)網(wang)）

團隊介紹：

清(qing)華大(da)學電(dian)(dian)(dian)機系夏清(qing)教授、康重慶(qing)教授團(tuan)隊目前主要從事電(dian)(dian)(dian)力系統規劃(hua)、調度運行(xing)、智能(neng)電(dian)(dian)(dian)網、電(dian)(dian)(dian)力市(shi)場、負荷預測、新能(neng)源、低碳電(dian)(dian)(dian)力和綜合(he)能(neng)源系統等領域(yu)的研究工(gong)作。近5年團(tuan)隊發表(biao)(biao)或(huo)錄(lu)用SCI論(lun)文50余(yu)(yu)篇，其中30余(yu)(yu)篇發表(biao)(biao)在(zai)IEEETransactions上(shang)，近5年EI論(lun)文150余(yu)(yu)篇。所(suo)研發的負荷預測軟(ruan)件(jian)在(zai)我國200余(yu)(yu)家(jia)地(di)市(shi)電(dian)(dian)(dian)網得到推廣應(ying)用，發電(dian)(dian)(dian)計劃(hua)與(yu)檢修計劃(hua)軟(ruan)件(jian)在(zai)全國10余(yu)(yu)個省級調度中心應(ying)用，電(dian)(dian)(dian)力系統運行(xing)模擬軟(ruan)件(jian)在(zai)全國10余(yu)(yu)個省級經(jing)研院或(huo)規劃(hua)中心應(ying)用。（作者(zhe)：杜爾(er)順，張寧，康重慶(qing)，夏清(qing)）