利用光热发电提升高比例新能源系统的新能源消纳率

傅 旭张雨津

(中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司,陕西省 西安市 710075)

0 引言

目前,我国已经成为了全球风电和光伏发电装机容量最大的国家,与之相伴而生的则是弃风、弃光等问题日益突出[1-3]。太阳能热发电(concentrating solar power,CSP)也称光热发电技术具有清洁、调节性能好、配有储能系统等特点[4-6],逐渐成为研究热点[7]。文献[8-9]提出了光热机组可配合风电运行,降低风电机组的不确定性,进而降低系统的辅助服务需求并提高系统可靠性。文献[10]从可靠性的角度分析了含有储热及不含储热的光热机组的容量效益。文献[11]基于全生命周期的电化学成本效益模型,研究了陕西电网的储能需求并优化了陕西电网化学储能设备的时长,可以为光热储热时长的优化提供参考。文献[12-14]对光热机组建立优化运行模型。文献[15]采用全时段生产仿真模拟,评估了新疆电网光热发电的容量效益和电量效益,测算了光热发电的国民经济性。

由于光热发电本身是新能源电量,同时又具有储能环节从而具有了调节性,利用光热发电提高电力系统新能源消纳成为一种可行的方法。本文以西北地区省级电网为研究对象,分析光热发电对提高新能源消纳的作用,研究光热发电在保证新能源弃电率不变的情况下,提高新能源消纳率的可行性,计算中采用基于数学优化的生产模拟仿真程序,以周为尺度,计算全年8760h的系统运行状态。

1 数学模型

1.1 计算评估流程

光热发电具有储热环节从而具有调节性,可以为光热自身或系统调峰,因此光热发电可以在不增加系统其他新能源弃电率情况下,增加系统新能源消纳电量,评估流程如下:

(1) 给定新能源规模、电源规划、直流外送等信息,进行8760h生产仿真模拟,计算风电、光伏、光热发电量(EW1、EP1、ECSP1),测算新能源弃电率指标E1。

(2) 增加光热发电装机,生产仿真模拟,计算风电、光伏和光热发电量(EW2、EP2、ECSP2),测算新能源弃电率指标E2。

(3) 若E1＞E2,增加新能源发电装机,重新进行生产模拟计算,直至E1=E2。

(4) 若E1＜E2,降低新能源发电装机,重新进行生产模拟,直至E1=E2。

(5) 统计计算结果,分析光热发电加入系统后,系统新能源接纳电量的变化,统计各种电源运行参数。

在进行生产仿真模拟计算时,采用全年8760h的生产模拟,在满足负荷需求约束下,以尽量减少新能源弃电和发电煤耗为目标函数,约束条件包括系统平衡约束、电站/机组运行约束、地区间联络线功率约束等。

1.2 生产模拟模型

含有多种类型电源的全时段生产模拟的数学模型的目标函数为:综合考虑新能源弃电量和发电煤耗,在满足负荷需求约束下,尽量减少新能源弃电量和系统发电煤耗,目标函数为

式中:λ1、λ2、λ3、λ4分别为弃风、弃光、弃水以及因光热机组调峰运行而造成效率降低的惩罚因子;λ5为失负荷惩罚因子;λ6为失备用惩罚因子;C为煤电机组的发电成本函数;Pi,t为机组i在时刻t的有功出力;Qup和Qoff分别为启动和停机费用函数;Ui,t和Ui,t-1分别为机组i在时刻t和时刻t-1的运行状态;Wb,t为时刻t节点b的风电场出力为时刻t节点b的风电场的预测出力;Sb,t为时刻t节点b的光伏电站出力;()为时刻t节点b的光伏电站预测出力;Ei,t为水电机组i时刻t的弃水量;lb,t和hb,t分别为时刻t节点b的失负荷量和失备用量;H为光热机组的效率函数;Mup和Moff分别为光热机组的启动和停机费用函数分别为光热机组i在时刻t和时刻t-1的运行状态;为光热机组i在时刻t的有功出力;G为所有火电机组的集合;Y为所有水电机组的集合;N为所有光热机组的集合;B为所有节点的集合。

目标函数的约束条件包括系统平衡约束、电站/机组运行约束、地区间联络线功率约束等,具体表达式可见文献[16]。

2 研究结果

2.1 甘肃电网测算结果

以2025年甘肃新能源利用率达95%的新能源规模作为研究的基础方案,即风电装机17GW,光伏装机10GW。在基础方案上,保持风电光伏装机不变,测算新增1、2GW 光热电站时的生产运行情况,结果如表1所示。

正是由于对短篇小说的偏爱，导致小编年轻的时候，没有把《武侠版》上连载的长篇读完，最后竟然因此幸运地没有掉进《山河》的十年大坑……

由表1可知:(1)基础方案下,甘肃电网新能源弃电率5.3%,火电发电量1242×108kW·h,新能源发电量579×108kW·h;(2)新增1GW 光热后,新能源消纳电量增加41.7×108kW·h,新能源弃电减少3.6×108kW·h,火电电量减少41.7×108kW·h,新能源弃电率4.7%;(3)新增2GW 光热后,新能源消纳电量增加81.7×108kW·h,新能源弃电减少6.2×108kW·h,火电电量减少81.7×108kW·h。

表1 不同光热发电规模下的甘肃电网生产运行模拟结果Table 1 Simulation results of Gansu power grid production and operation under different photothermal power generation scales

通过对比上述方案,可以看出,甘肃电网新增光热发电后,新能源弃电率降低,且新能源消纳电量增加。因此可通过新增光伏进一步提升新能源发电量,而新能源弃电率维持不变。拟定新能源增加方案见表2,生产模拟计算结果见表3—4,可以得出如下结论。

表2 甘肃电网新增光热发电可新增新能源装机测算方案Table 2 Calculation scheme of newly added solar thermal power generation in Gansu power grid GW

表3 甘肃电网新增1GW 光热发电可新增新能源装机测算结果Table 3 Calculation results of newly added new energy installed by 1GW solar thermal power generation in Gansu power grid

(1) 相比于基础方案,在维持新能源利用率基本不变时,新增1GW 光热电站可配套新增1GW 光伏,火电电量减少54×108kW·h;新增2GW 光热可配套新增1.5GW 光伏,火电电量减少100×108kW·h。

(2) 相比于表1中计算结果,建设1GW 光热的同时,配套建设1GW 光伏,系统新能源电量增加了13×108kW·h;建设2GW 光热的同时,配套建设了1.5GW 光伏,系统新能源电量增加了18×108kW·h。

(3) 对比表1、3—4,光热发电加入系统后,光热本身是新能源发电,因此增加了系统新能源发电量;光热发电本身具有调节性,可以发挥调峰作用,因此也可以降低系统中风电和光伏的弃电率,从而进一步提升系统新能源消纳电量。

2.2 新疆电网测算结果

以2025年新疆新能源利用率达95%的新能源规模作为研究的基础方案,即风电装机31GW,光伏装机15.5GW。在基础方案上,保持风电光伏装机不变,测算新增1、2GW 光热电站时的生产运行情况,结果如表5所示。

由表5可知:基础方案下,新疆电网新能源弃电率5.2%,火电发电量4020×108kW·h,新能源发电量1003×108kW·h;新增1GW 光热发电,新能源消纳电量增加40×108kW·h,火电电量减少40.8×108kW·h;新增2GW 光热发电,新能源消纳电量增加80×108kW·h,火电电量减少81×108kW·h。

表4 甘肃电网新增2GW 光热发电可新增新能源装机测算结果Table 4 Calculation results of newly added new energy installed by 2GW solar thermal power generation in Gansu power grid

表5 不同光热发电规模下的新疆电网生产运行模拟结果Table 5 Simulation results of Xinjiang power grid production and operation under different photothermal power generation scales

新增光热发电后,新能源弃电率降低、新能源消纳电量增加。因此可通过新增光伏发电进一步提升新能源发电量,而保持新能源弃电率维持不变。拟定新能源增加方案见表6,生产模拟计算结果见表7—8。可以得出如下结论。

表6 新疆电网新增光热发电可新增新能源装机测算方案Table 6 Calculation scheme of newly added solar thermal power generation in Xinjiang power grid GW

表7 新疆电网新增1GW 光热发电可新增新能源装机测算结果Table 7 Calculation results of new energy installed by 1GW new photovoltaic thermal power generation in Xinjiang power grid

(1) 在维持新能源利用率基本不变时,新疆新增1GW 光热电站可配套新增3.5GW 光伏,火电电量减少92×108kW·h。

(2) 在维持新能源利用率基本不变时,新疆新增2GW 光热电站可配套新增5.5GW 光伏,火电电量减少152×108kW·h。

3 结论

(1) 研究了利用光热发电提升系统新能源消纳的可行性。通过增加光热发电,系统可以增加新能源发电量,同时不增加系统调峰压力,甚至提升系统调节性能,从而可以在建设光热发电的同时增加系统光伏装机规模,而保证新能源弃电率不变。

(2) 新疆、甘肃的仿真算例表明,光热发电加入系统后,系统消纳的新能源发电量增加,在保证弃电率不变的情况下,加入光热发电后,还可以增加一部分光伏发电。甘肃电网在保证新能源弃电率5%的约束下,1GW 光热可以增加1GW 光伏,而新疆电网可以增加3.5GW 光伏。甘肃电网在保证新能源弃电率不变的约束下,2GW 光热可以增加1.5GW 光伏,而新疆电网可以增加5.5GW 光伏。

表8 新疆电网新增2GW 光热发电可新增新能源装机测算结果Table 8 Calculation results of new energy installed by 2GW new photovoltaic thermal power generation in Xinjiang power grid