近日，著名的《IEEE縱覽》(IEEE Spectrum)雜志2019年第2期在討論中國光熱發電的專題中報道了電機系的學術成果《接入太陽能光熱發電對含高比例可再生能源電網的經濟性分析》(Economic justification of concentrating solar power in highrenewable energy penetrated power systems)。
該論文發表于2018年7月發表于《應用能源》 (Applied Energy)。該論文此前被美國科學促進會(American Association for the Advancement of Science, AAAS)主辦的全球科技新聞服務平臺EurekAlert于2018年7月以“太陽能光熱發電幫助中國降低應對氣候變化成本”為題進行報道。
此外，該論文也被國際能源署IEA的SolarPACES平臺(SolarPower and Chemical Energy Systems)和可再生能源技術新聞平臺New EnergyUpdate報道。該論文的第一、二作者為電機系博士后杜爾順和張寧副教授，通訊作者為電機系康重慶教授，合作作者包括美國國家可再生能源實驗室Bri-Mathias Hodge(布里-馬蒂亞斯·霍奇)研究員、Benjamin Kroposki(本杰明·克魯波斯基)研究員、電機系夏清教授。
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
在高比例可再生能源并網電力系統中，保持可再生能源發電占比不變，將部分風電、光伏等間歇性可再生能源電量替換為光熱發電。如下圖所示：
從光熱發電角度看：光熱發電能同時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，光熱發電提供的運行靈活性將實現減少部分棄風棄光，因而所需裝機容量將進一步減少。
從凈負荷曲線角度看：光熱發電替換間歇性可再生能源出力將使得凈負荷曲線總的不確定性與波動性減弱，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。
從電力系統整體經濟性角度看：光熱發電并網，投資成本增加;光熱發電并網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;光熱發電并網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。
圖2：光熱發電并網的成本效益分析
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，為了實現大規模可再生能源的消納，電網逐步呈現多種類型電源發電并網、電網遠距離交直流互聯、多區域互補互濟的復雜格局。
因此，面向大規模可再生能源消納的電力系統運行模擬方法需要考慮眾多實際工程問題，包括但不限于：1)長時間尺度可再生能源的出力數據不足;2)考慮多種機組類型，并研究不同類型機組之間的協同運行;3)考慮交直流電網的網絡模型;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序運行模擬方法，如下圖所示。該方法基于時序負荷曲線，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、多種類型電源協同運行、線路斷面潮流安全、多區域互聯等多重要素，逐日對電網進行長時間運行層面的精細化時序運行模擬。
圖：計及光熱發電的電力系統精細化時序運行模擬技術
實證分析：光熱發電的經濟性分析
根據青海電網2020年規劃方案，規劃風/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/光發電電量占比為18.7%。將部分風/光伏電量替換為光熱發電，由于青海系統以水電為主，系統靈活性供給較為充足，因此光熱發電的靈活性效益較小，光熱發電占可再生能源電量比例為20%時，光熱的投資盈虧平衡點為4789$/kW。
根據甘肅電網2020年規劃方案，規劃風/光裝機27GW，系統最大負荷為25.86GW，間歇性可再生能源裝機占最大負荷比例為104.3%。根據運行模擬結果，風/光發電電量占比為27.9%。將部分風/光伏電量替換為光熱發電，由于甘肅電網中火電燃機占比高，系統運行靈活性缺額較大，棄風/光嚴重，因此具有靈活可調出力的光熱發電并網后，實現了與風電、光伏的互補運行，提高了系統的可再生能源消納能力。光熱發電占可再生能源電量比例為20%時，光熱的投資盈虧平衡點為6763$/kW。
綜上，目前光熱發電在火電為主的甘肅電網中比在水電為主的青海電網中更經濟。
圖：光熱發電技術的經濟性分析(上：青海電網;下：甘肅電網)
團隊介紹：
清華大學電機系夏清教授、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、電力市場、負荷預測、新能源、低碳電力和綜合能源系統等領域的研究工作。近5年團隊發表或錄用SCI論文50余篇，其中30余篇發表在IEEETransactions上，近5年EI論文150余篇。所研發的負荷預測軟件在我國200余家地市電網得到推廣應用，發電計劃與檢修計劃軟件在全國10余個省級調度中心應用，電力系統運行模擬軟件在全國10余個省級經研院或規劃中心應用。(作者：杜爾順，張寧，康重慶，夏清)
