該論文發(fā)表于2018年7月發(fā)表于《應(yīng)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(tái)Eurekalert于2018年7月以“太陽能光熱發(fā)電幫助中國降低應(yīng)對(duì)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(tái)和可再生能源技術(shù)新聞平臺(tái)New EnergyUpdate報(bào)道。
論文基于電機(jī)系團(tuán)隊(duì)研發(fā)的“電力規(guī)劃決策支持系統(tǒng)(GOPT)”，依據(jù)青海省和甘肅省電網(wǎng)“十三五”期間風(fēng)電和光伏的裝機(jī)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(xiàn)，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(guī)劃容量替換為光熱發(fā)電能帶來更多經(jīng)濟(jì)效益。其原因是由于光熱機(jī)組能夠采用儲(chǔ)熱的方式提供額外的調(diào)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(jì)性(即使不考慮補(bǔ)貼，其總體社會(huì)效益仍顯著大于投資成本)。該研究還通過模擬不同的替換比例，進(jìn)一步得出光熱發(fā)電機(jī)組的最佳裝機(jī)容量，為我國未來光熱發(fā)電的規(guī)劃提供理論依據(jù)。
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(dòng)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(chǔ)熱環(huán)節(jié)以及發(fā)電環(huán)節(jié)三個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，通過導(dǎo)熱工質(zhì)實(shí)現(xiàn)各個(gè)環(huán)節(jié)直接能量的傳遞。其主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。
光熱電站的結(jié)構(gòu)
光熱發(fā)電并網(wǎng)對(duì)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(shí)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(dòng)性減弱，對(duì)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(duì)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。
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(shí)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(dòng)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)?？稍偕茉吹南{，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(shí)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(shí)序運(yùn)行模擬方法，如下圖所示。該方法基于時(shí)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(duì)電網(wǎng)進(jìn)行長時(shí)間運(yùn)行層面的精細(xì)化時(shí)序運(yùn)行模擬。
計(jì)及光熱發(fā)電的電力系統(tǒng)精細(xì)化時(shí)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(shí)，光熱的投資盈虧平衡點(diǎn)為4789$/kW。
根據(jù)甘肅電網(wǎng)2020年規(guī)劃方案，規(guī)劃風(fēng)/光裝機(jī)27GW，系統(tǒng)最大負(fù)荷為25.86GW，間歇性可再生能源裝機(jī)占最大負(fù)荷比例為104.3%。根據(jù)運(yùn)行模擬結(jié)果，風(fēng)/光發(fā)電電量占比為27.9%。將部分風(fēng)/光伏電量替換為光熱發(fā)電，由于甘肅電網(wǎng)中火電燃機(jī)占比高，系統(tǒng)運(yùn)行靈活性缺額較大，棄風(fēng)/光嚴(yán)重，因此具有靈活可調(diào)出力的光熱發(fā)電并網(wǎng)后，實(shí)現(xiàn)了與風(fēng)電、光伏的互補(bǔ)運(yùn)行，提高了系統(tǒng)的可再生能源消納能力。光熱發(fā)電占可再生能源電量比例為20%時(shí)，光熱的投資盈虧平衡點(diǎn)為6763$/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(jì)。
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(gè)省級(jí)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(gè)省級(jí)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)
該團(tuán)隊(duì)研發(fā)的“電力規(guī)劃決策支持系統(tǒng)(GOPT)”已成功應(yīng)用于我國內(nèi)蒙、青海、甘肅等地區(qū)電力規(guī)劃與運(yùn)行決策的研究中，該系統(tǒng)綜合考慮火電、燃機(jī)、水電、抽蓄、風(fēng)電等多種類型電源的運(yùn)行方式，以日前機(jī)組組合和經(jīng)濟(jì)調(diào)度為核心，多維度的精細(xì)化評(píng)估各類電源規(guī)劃的安全可靠性、經(jīng)濟(jì)性、適應(yīng)性和環(huán)保性。在此基礎(chǔ)上，該系統(tǒng)提出并實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模新能源的運(yùn)行模擬方法，為新形勢下接入大規(guī)?？稍偕茉吹奈覈娏ο到y(tǒng)的規(guī)劃與運(yùn)行決策提供科學(xué)有力的支撐。
