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近日，著名的《IEEE縱(zong)覽》（IEEE Spectrum）雜志2019年(nian)第2期在討論中國光熱發電的專題中報道(dao)了電機系(xi)的學術成果《接(jie)入(ru)太(tai)陽能光熱發電對含(han)高(gao)比例可再生能源電網的經濟(ji)性(xing)分析》（Economic justification of concentrating solar power in highrenewable energy penetrated power systems）。

該論(lun)文發表于2018年7月發表于《應用能源》 （Applied Energy）。該論(lun)文此(ci)前(qian)被美國(guo)科學促(cu)進會（American Association for the Advancement of Science, AAAS）主辦的全球科技新聞服務(wu)平臺EurekAlert于2018年7月以“太陽能光熱發電幫(bang)助(zhu)中國(guo)降低應對氣(qi)候變化成本”為題進行報(bao)道。

此外，該論文也被國(guo)(guo)際能源署IEA的SolarPACES平臺（SolarPower and Chemical Energy Systems）和(he)可再生能源技(ji)術新聞(wen)平臺New EnergyUpdate報(bao)道。該論文的第(di)一(yi)、二作(zuo)者為電機系博(bo)士后杜爾順和(he)張寧副教(jiao)授，通(tong)訊作(zuo)者為電機系康重慶教(jiao)授，合作(zuo)作(zuo)者包括(kuo)美國(guo)(guo)國(guo)(guo)家(jia)可再生能源實驗室Bri-Mathias Hodge（布里-馬蒂(di)亞斯·霍奇）研究(jiu)員、Benjamin Kroposki（本杰明·克魯波(bo)斯基）研究(jiu)員、電機系夏清(qing)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(zhan)的結構(gou)

光熱發電并網對電力系統的運營效率分析

在(zai)高比例可再生(sheng)能(neng)(neng)源并網(wang)電(dian)力系統中(zhong)，保持可再生(sheng)能(neng)(neng)源發(fa)電(dian)占比不變，將部分風電(dian)、光伏等(deng)間歇性(xing)可再生(sheng)能(neng)(neng)源電(dian)量替換為光熱發(fa)電(dian)。如下圖所示：

從(cong)光熱(re)發(fa)電(dian)角度看：光熱(re)發(fa)電(dian)能同時提供可(ke)再生能源電(dian)量和(he)運行(xing)靈活性。

從間歇性可再生能(neng)源角度看：一方面，部分(fen)電(dian)量(liang)(liang)將(jiang)被(bei)替換為(wei)光(guang)熱電(dian)量(liang)(liang)，因(yin)而(er)所需(xu)(xu)裝機(ji)容量(liang)(liang)將(jiang)減(jian)少；另一方面，光(guang)熱發電(dian)提供(gong)的運行靈活性將(jiang)實(shi)現減(jian)少部分(fen)棄(qi)風棄(qi)光(guang)，因(yin)而(er)所需(xu)(xu)裝機(ji)容量(liang)(liang)將(jiang)進一步減(jian)少。

從凈(jing)負荷曲線角度看：光熱(re)發電替換(huan)間(jian)歇性可再生能源出(chu)力將(jiang)使(shi)得凈(jing)負荷曲線總(zong)的不確定性與波動性減弱，對系統的運行靈活(huo)性需求降低。

從(cong)常規火(huo)(huo)(huo)電(dian)機(ji)(ji)組(zu)(zu)角度看(kan)：凈負荷(he)曲(qu)線對系統(tong)運行(xing)靈(ling)活性需求減弱的(de)。具(ju)體(ti)表現(xian)為(wei)：(1)減小了(le)(le)(le)火(huo)(huo)(huo)電(dian)機(ji)(ji)組(zu)(zu)的(de)調(diao)峰深度，提高了(le)(le)(le)火(huo)(huo)(huo)電(dian)的(de)發電(dian)效率，減少(shao)(shao)(shao)了(le)(le)(le)燃料成(cheng)本(ben)；(2)減小了(le)(le)(le)火(huo)(huo)(huo)電(dian)機(ji)(ji)組(zu)(zu)的(de)啟停頻(pin)率，減少(shao)(shao)(shao)了(le)(le)(le)啟停成(cheng)本(ben)；(3)減少(shao)(shao)(shao)了(le)(le)(le)火(huo)(huo)(huo)電(dian)機(ji)(ji)組(zu)(zu)的(de)爬(pa)(pa)坡里(li)程(cheng)，減少(shao)(shao)(shao)了(le)(le)(le)爬(pa)(pa)坡成(cheng)本(ben)。

從電力系(xi)統整(zheng)體經濟性角度看：光熱發(fa)電并(bing)(bing)網(wang)，投資(zi)(zi)成(cheng)本增加；光熱發(fa)電并(bing)(bing)網(wang)減(jian)(jian)少了(le)(le)(le)間歇(xie)性可(ke)再生能源的裝機需(xu)求，因而減(jian)(jian)少了(le)(le)(le)投資(zi)(zi)成(cheng)本；光熱發(fa)電并(bing)(bing)網(wang)減(jian)(jian)少了(le)(le)(le)系(xi)統的運(yun)(yun)行靈(ling)活性需(xu)求，因而減(jian)(jian)少了(le)(le)(le)系(xi)統總運(yun)(yun)行成(cheng)本。

圖(tu)2：光熱發電并網的成(cheng)本效益(yi)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(dian)力系(xi)統(tong)中(zhong)可(ke)再(zai)生(sheng)能源(yuan)裝機容(rong)量的(de)(de)增(zeng)加，可(ke)再(zai)生(sheng)能源(yuan)出力的(de)(de)不(bu)確定(ding)性與(yu)波(bo)動性極(ji)大增(zeng)加了電(dian)力系(xi)統(tong)的(de)(de)運行方式的(de)(de)多樣性、復雜性。不(bu)僅如(ru)此，為了實現大規模可(ke)再(zai)生(sheng)能源(yuan)的(de)(de)消納，電(dian)網(wang)(wang)逐步呈(cheng)現多種類型電(dian)源(yuan)發電(dian)并網(wang)(wang)、電(dian)網(wang)(wang)遠距離交(jiao)直(zhi)流互聯(lian)、多區域互補互濟的(de)(de)復雜格(ge)局。

因(yin)此，面向大規模(mo)可再(zai)生能源消納的電(dian)(dian)(dian)力(li)系(xi)統(tong)運(yun)(yun)(yun)(yun)行(xing)模(mo)擬(ni)方法(fa)需(xu)要考(kao)慮眾多(duo)(duo)實際工(gong)程問題，包(bao)括但不(bu)限于：1）長(chang)時間尺度可再(zai)生能源的出力(li)數據(ju)不(bu)足(zu)；2）考(kao)慮多(duo)(duo)種(zhong)(zhong)機組(zu)類(lei)型(xing)，并研究(jiu)不(bu)同(tong)類(lei)型(xing)機組(zu)之間的協同(tong)運(yun)(yun)(yun)(yun)行(xing)；3）考(kao)慮交直流電(dian)(dian)(dian)網(wang)的網(wang)絡模(mo)型(xing)；4）考(kao)慮跨區送電(dian)(dian)(dian)計劃以及斷面約束(shu)；5）考(kao)慮多(duo)(duo)種(zhong)(zhong)系(xi)統(tong)運(yun)(yun)(yun)(yun)行(xing)方式，包(bao)括極端(duan)運(yun)(yun)(yun)(yun)行(xing)方式與(yu)典型(xing)運(yun)(yun)(yun)(yun)行(xing)方式。為(wei)此，本文(wen)提出了含(han)光熱(re)電(dian)(dian)(dian)站的電(dian)(dian)(dian)力(li)系(xi)統(tong)精細化(hua)時序運(yun)(yun)(yun)(yun)行(xing)模(mo)擬(ni)方法(fa)，如下圖所(suo)示(shi)。該方法(fa)基于時序負荷曲線(xian)，能夠(gou)綜合(he)考(kao)慮機組(zu)檢修、可再(zai)生能源出力(li)隨機性(xing)、系(xi)統(tong)調(diao)峰與(yu)備用(yong)、多(duo)(duo)種(zhong)(zhong)類(lei)型(xing)電(dian)(dian)(dian)源協同(tong)運(yun)(yun)(yun)(yun)行(xing)、線(xian)路斷面潮流安全、多(duo)(duo)區域互聯(lian)等多(duo)(duo)重要素(su)，逐日對電(dian)(dian)(dian)網(wang)進(jin)行(xing)長(chang)時間運(yun)(yun)(yun)(yun)行(xing)層面的精細化(hua)時序運(yun)(yun)(yun)(yun)行(xing)模(mo)擬(ni)。

圖：計(ji)及光(guang)熱(re)發電的電力系(xi)統(tong)精細化(hua)時序運行模擬技術

實證分析：光熱發電的經濟性分析

根據(ju)青海電網2020年規劃方(fang)案，規劃風/光裝機13GW，系(xi)統最(zui)大(da)負荷為15.8GW，間歇(xie)性(xing)可再(zai)生能(neng)源裝機占(zhan)最(zui)大(da)負荷比例為82.3%。

根據運行模擬結果，風/光發電電量占比為(wei)(wei)(wei)(wei)18.7%。將部分風/光伏(fu)電量替換為(wei)(wei)(wei)(wei)光熱(re)發電，由(you)于青海系(xi)統以(yi)水電為(wei)(wei)(wei)(wei)主，系(xi)統靈活性供給較為(wei)(wei)(wei)(wei)充足，因此光熱(re)發電的靈活性效益較小(xiao)，光熱(re)發電占可再生能源電量比例(li)為(wei)(wei)(wei)(wei)20%時(shi)，光熱(re)的投資(zi)盈虧平衡(heng)點為(wei)(wei)(wei)(wei)4789$/kW。

根(gen)據甘肅電(dian)(dian)(dian)網(wang)2020年規劃(hua)方案，規劃(hua)風(feng)(feng)/光(guang)裝(zhuang)機(ji)27GW，系統(tong)最大負荷為(wei)25.86GW，間歇性可再生能源裝(zhuang)機(ji)占(zhan)(zhan)最大負荷比(bi)例(li)為(wei)104.3%。根(gen)據運(yun)(yun)行模擬結(jie)果，風(feng)(feng)/光(guang)發電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)量占(zhan)(zhan)比(bi)為(wei)27.9%。將(jiang)部分風(feng)(feng)/光(guang)伏電(dian)(dian)(dian)量替換為(wei)光(guang)熱(re)發電(dian)(dian)(dian)，由于甘肅電(dian)(dian)(dian)網(wang)中火電(dian)(dian)(dian)燃機(ji)占(zhan)(zhan)比(bi)高，系統(tong)運(yun)(yun)行靈活性缺額(e)較大，棄(qi)風(feng)(feng)/光(guang)嚴(yan)重，因此具有靈活可調出(chu)力的(de)光(guang)熱(re)發電(dian)(dian)(dian)并網(wang)后，實(shi)現(xian)了(le)與風(feng)(feng)電(dian)(dian)(dian)、光(guang)伏的(de)互(hu)補(bu)運(yun)(yun)行，提(ti)高了(le)系統(tong)的(de)可再生能源消納能力。光(guang)熱(re)發電(dian)(dian)(dian)占(zhan)(zhan)可再生能源電(dian)(dian)(dian)量比(bi)例(li)為(wei)20%時，光(guang)熱(re)的(de)投資盈虧平(ping)衡點為(wei)6763$/kW。

綜上(shang)，目前光熱發電(dian)(dian)在(zai)火電(dian)(dian)為主的甘肅電(dian)(dian)網中比在(zai)水電(dian)(dian)為主的青(qing)海電(dian)(dian)網中更(geng)經濟。

圖：光熱發電(dian)技術(shu)的經濟性(xing)分析(xi)（上：青海電(dian)網(wang)；下：甘肅電(dian)網(wang)）

團隊介紹：

清(qing)(qing)華大學電(dian)(dian)(dian)(dian)機系(xi)夏清(qing)(qing)教授、康(kang)重慶教授團(tuan)隊(dui)目前主要從事電(dian)(dian)(dian)(dian)力(li)(li)系(xi)統(tong)規(gui)劃(hua)、調度運(yun)行、智能(neng)電(dian)(dian)(dian)(dian)網(wang)(wang)、電(dian)(dian)(dian)(dian)力(li)(li)市場、負(fu)荷預(yu)測(ce)、新能(neng)源、低(di)碳電(dian)(dian)(dian)(dian)力(li)(li)和綜合能(neng)源系(xi)統(tong)等(deng)領域的(de)研(yan)究工作(zuo)。近5年團(tuan)隊(dui)發(fa)表(biao)或錄(lu)用(yong)SCI論文50余篇，其中(zhong)30余篇發(fa)表(biao)在(zai)IEEETransactions上，近5年EI論文150余篇。所研(yan)發(fa)的(de)負(fu)荷預(yu)測(ce)軟(ruan)件在(zai)我國200余家(jia)地市電(dian)(dian)(dian)(dian)網(wang)(wang)得(de)到推廣應(ying)用(yong)，發(fa)電(dian)(dian)(dian)(dian)計(ji)劃(hua)與檢(jian)修計(ji)劃(hua)軟(ruan)件在(zai)全(quan)(quan)國10余個省級(ji)調度中(zhong)心(xin)應(ying)用(yong)，電(dian)(dian)(dian)(dian)力(li)(li)系(xi)統(tong)運(yun)行模擬軟(ruan)件在(zai)全(quan)(quan)國10余個省級(ji)經研(yan)院或規(gui)劃(hua)中(zhong)心(xin)應(ying)用(yong)。（作(zuo)者：杜爾順，張寧，康(kang)重慶，夏清(qing)(qing)）