熱電廠輔助調(diào)峰對(duì)含高比例可再生能源電力系統(tǒng)的影響

張 崢，吳高磊，付高善，劉新剛，孟鈺娟

(1.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)新疆電力設(shè)計(jì)院有限公司，烏魯木齊 830001；2.國(guó)網(wǎng)新疆電力有限公司， 烏魯木齊 830001；3.國(guó)網(wǎng)新疆經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，烏魯木齊 830001；4. 國(guó)網(wǎng)烏魯木齊供電公司，烏魯木齊 830001)

隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)生產(chǎn)的持續(xù)發(fā)展，能耗的持續(xù)增長(zhǎng)，傳統(tǒng)的化石能源發(fā)展方式難以為繼，高比例可再生能源發(fā)電將成為未來(lái)不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。歐洲提出2050年在歐洲、北非實(shí)現(xiàn)100%可再生能源電力系統(tǒng)[1]；美國(guó)可再生能源國(guó)家實(shí)驗(yàn)室提出：美國(guó)2050年實(shí)現(xiàn)80%電力能源來(lái)自于可再生能源[2]；中國(guó)發(fā)布的《中國(guó)2050高比例可再生能源發(fā)展情景暨路徑研究》報(bào)告提出，中國(guó)2050年要實(shí)現(xiàn)60%電力來(lái)自于可再生能源[3]，屆時(shí)風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)容量將分別達(dá)到2 396 GW和2 696 GW，發(fā)電量占比分別為35.20%和28.35%。

風(fēng)電、光伏出力具有間歇性、隨機(jī)性、反調(diào)峰等特點(diǎn)[4]，但大規(guī)模可再生能源并網(wǎng)加大了系統(tǒng)負(fù)荷峰谷差。近些年可再生能源在中國(guó)的發(fā)展遇到消納問(wèn)題，尤其是在風(fēng)資源富裕的東北、華北、西北(簡(jiǎn)稱“三北”)地區(qū)，本身電力系統(tǒng)就存在電源裝機(jī)規(guī)模較大、電源結(jié)構(gòu)不合理、水資源缺乏導(dǎo)致快速高效調(diào)峰電源規(guī)模不足，大規(guī)模新能源并網(wǎng)后，調(diào)峰任務(wù)主要由火電機(jī)組承擔(dān)[5-6]。火電機(jī)組按調(diào)峰要求，無(wú)法平衡大規(guī)模新能源產(chǎn)生的大幅波動(dòng)，尤其是當(dāng)新能源具有反調(diào)峰特性時(shí)，系統(tǒng)調(diào)峰壓力越來(lái)越大[7]，勢(shì)必造成棄風(fēng)棄光現(xiàn)象。這已成為中國(guó)棄風(fēng)限電的主要原因[8]。據(jù)國(guó)家能源局統(tǒng)計(jì)，2016年全國(guó)風(fēng)電平均利用小時(shí)數(shù)為1 742 h。在日益嚴(yán)重的棄風(fēng)限電背景下，要求火電機(jī)組深度調(diào)峰的呼聲越來(lái)越高[9]。

新疆電網(wǎng)可再生能源裝機(jī)容量占比已達(dá)到總裝機(jī)容量的43%，本文以可再生能源裝機(jī)容量占比較高的新疆電網(wǎng)為例，闡述分析熱電廠輔助調(diào)峰對(duì)高比例可再生能源電網(wǎng)的影響。

1 新疆可再生能源發(fā)展及存在的問(wèn)題

新疆境內(nèi)地域遼闊，風(fēng)、光、水資源豐富，開(kāi)發(fā)條件良好。隨著近幾年新能源開(kāi)發(fā)速度的加快，新疆近年來(lái)的電源結(jié)構(gòu)見(jiàn)表1，表1中的電源包含直流外送配套電源。

表1 新疆近年來(lái)的電源結(jié)構(gòu) %

由表1可知，可再生能源裝機(jī)占比從2010年的26.1%增長(zhǎng)到2016年的43.1%。但隨著電源裝機(jī)容量增長(zhǎng)速度過(guò)快，電網(wǎng)消納能力不足，2016年新疆風(fēng)電利用小時(shí)數(shù)為1 578 h，棄風(fēng)比為38.4%；光伏利用小時(shí)數(shù)990 h，棄光比31.8%。新能源受限原因主要是電網(wǎng)調(diào)峰容量不足。

通過(guò)分析可以看出，新疆電網(wǎng)存在較大的調(diào)峰缺口，但由于目前新疆網(wǎng)內(nèi)火電廠調(diào)峰能力已經(jīng)利用殆盡，同時(shí)冬季供熱期間一些熱電廠仍要承擔(dān)供熱任務(wù)，因此僅依靠提升火電廠自身調(diào)峰能力無(wú)法滿足調(diào)峰要求，另外新疆目前開(kāi)展抽水蓄能電站的項(xiàng)目均處于前期或開(kāi)工階段，受限于抽水蓄能電站的建設(shè)進(jìn)度，短期內(nèi)也無(wú)法應(yīng)對(duì)新能源消納問(wèn)題。

2 熱電廠輔助調(diào)峰原理

為最大程度地利用新能源，盡量避免棄風(fēng)棄光現(xiàn)象的發(fā)生，目前主要關(guān)注提高電力系統(tǒng)靈活性方向，通過(guò)改造火電機(jī)組的調(diào)峰深度、爬坡能力和啟停速度等內(nèi)容，使機(jī)組運(yùn)行在低于最小技術(shù)出力狀態(tài)，即深度調(diào)峰。深度調(diào)峰狀態(tài)的機(jī)組運(yùn)行成本效率大幅度下降，運(yùn)營(yíng)商意愿不足，同時(shí)也提高了能耗和污染物排放量。文獻(xiàn)[10]提出在現(xiàn)有火電廠中引入熱水蓄熱和發(fā)電循環(huán)，配置儲(chǔ)熱裝置等輔助調(diào)節(jié)手段，利用棄風(fēng)棄光電量驅(qū)動(dòng)電鍋爐實(shí)現(xiàn)熱電解耦。

昌吉熱電廠目前裝機(jī)容量2×330 MW，受制于新能源消納壓力，在非供暖期單機(jī)運(yùn)行，供暖期雙機(jī)運(yùn)行，出力在50%左右，2016年機(jī)組利用小時(shí)數(shù)為3 393 h。目前計(jì)劃開(kāi)展火電靈活性改造工程，實(shí)施高壓固體電蓄熱輔助調(diào)峰項(xiàng)目。

高壓固體電蓄熱項(xiàng)目采用的高壓固體電蓄熱設(shè)備，是以電作為動(dòng)力，利用低谷電或棄風(fēng)電采取固體儲(chǔ)熱方式的一種大功率熱源，由高壓供電系統(tǒng)、電發(fā)熱體、高溫蓄能體、高溫?zé)峤粨Q器、熱輸出控制器、耐高溫保溫外殼和自動(dòng)控制系統(tǒng)組成。在預(yù)設(shè)的電網(wǎng)低谷時(shí)間段或棄風(fēng)棄光時(shí)段，電網(wǎng)為電發(fā)熱體供電，電發(fā)熱體將電能轉(zhuǎn)化為熱能的同時(shí)被高溫蓄能體不斷吸收，當(dāng)高溫蓄能體的溫度達(dá)到設(shè)定的上限溫度或棄風(fēng)棄光時(shí)段結(jié)束時(shí)，電源停止供電，電發(fā)熱體停止工作。在需要時(shí)高溫蓄熱體可以再通過(guò)熱輸出控制器與高溫?zé)峤粨Q器連接，高溫?zé)峤粨Q器將高溫蓄熱體儲(chǔ)存的高溫?zé)崮苻D(zhuǎn)化為熱水、熱風(fēng)或蒸汽輸出。

增加儲(chǔ)能設(shè)施后，電廠在不變負(fù)荷的情況下可以把電能儲(chǔ)存成熱能，在其他時(shí)段再作為熱能供給熱網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)換。在用電低谷時(shí)通過(guò)儲(chǔ)能設(shè)施實(shí)現(xiàn)“熱電解耦”，在滿足供熱需求情況下可以通過(guò)減少上網(wǎng)電量，增加風(fēng)電、光伏的上網(wǎng)電量，以達(dá)到電網(wǎng)深度調(diào)峰的目的。熱電廠蓄熱改造原理圖見(jiàn)圖1。

圖1 熱電廠蓄熱改造原理圖

3 輔助調(diào)峰各種工況下電力系統(tǒng)供需平衡

電力系統(tǒng)的規(guī)劃和運(yùn)行的核心是電力電量平衡，即根據(jù)負(fù)荷需求確定裝機(jī)容量及需新增的容量，保證電力系統(tǒng)可靠性及發(fā)電機(jī)組的合理利用小時(shí)數(shù)。昌吉熱電廠規(guī)劃建設(shè)285 MW蓄熱設(shè)備，調(diào)峰時(shí)利用電能儲(chǔ)熱，用熱高峰時(shí)可通過(guò)放熱增大機(jī)組供熱能力或減少機(jī)組抽汽量。實(shí)際運(yùn)行中利用低谷電加熱電極鍋爐為熱負(fù)荷供熱，并加熱蓄熱鍋爐以備白天放熱，同時(shí)降低電廠機(jī)組出力，為新能源置換出電力市場(chǎng)空間。

電網(wǎng)實(shí)時(shí)電力平衡方程：

PGJmax=PLmax+PTmax+PLoss+Pplant

(1)

式中PGJmax——高峰負(fù)荷電網(wǎng)出力；PLmax——電網(wǎng)高峰負(fù)荷；PTmax——高峰負(fù)荷電網(wǎng)外送功率；PLoss——電網(wǎng)損耗；Pplant——電廠的廠用電。

根據(jù)新疆電網(wǎng)用電負(fù)荷發(fā)展情況以及在建、擬建電源情況，分別對(duì)中期(2020年)和遠(yuǎn)期(2025年)進(jìn)行電力供需平衡(見(jiàn)表2)。在平衡中分別考慮風(fēng)電、光伏大發(fā)，大負(fù)荷、小負(fù)荷情況以及風(fēng)電、光伏小發(fā)，大負(fù)荷、小負(fù)荷情況。同時(shí)，在各種工況下，分別針對(duì)昌吉熱電廠輔助調(diào)峰投運(yùn)和未投分別進(jìn)行計(jì)算，得出昌吉熱電廠輔助調(diào)峰項(xiàng)目對(duì)系統(tǒng)的影響。

表2 新疆電網(wǎng)供熱期電力平衡 10 MW

由表2可以看出，因新疆電網(wǎng)電源裝機(jī)容量遠(yuǎn)大于用電負(fù)荷，除風(fēng)電光伏均小發(fā)、大負(fù)荷情況下，2025年會(huì)有8 390 MW的電力缺口外，其他工況下，均會(huì)呈現(xiàn)較大規(guī)模的電力盈余。由于風(fēng)電、光伏裝機(jī)比重較大，在風(fēng)電、光伏大發(fā)情況下電力盈余規(guī)模在2020年將達(dá)到26 160 MW，2025年達(dá)到27 940 MW。其次，昌吉熱電廠輔助調(diào)峰裝機(jī)容量相對(duì)整個(gè)電網(wǎng)來(lái)說(shuō)容量較小，對(duì)電力平衡結(jié)果影響效果并不明顯。

4 輔助調(diào)峰對(duì)電力系統(tǒng)靈活性的影響

隨著可再生能源比例的大幅增加，系統(tǒng)靈活性問(wèn)題也逐步顯現(xiàn)，并超過(guò)傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的靈活性需求。靈活性也稱柔性，廣義的靈活性是指系統(tǒng)對(duì)內(nèi)外部不確定因素的應(yīng)變能力，即系統(tǒng)的響應(yīng)能力。國(guó)際能源署(IEA)認(rèn)為，電力系統(tǒng)靈活性代表其在面臨大擾動(dòng)時(shí)通過(guò)調(diào)整發(fā)電或負(fù)荷維持可靠性的能力，即對(duì)可預(yù)見(jiàn)與不可預(yù)見(jiàn)的事件快速響應(yīng)的能力。文獻(xiàn)[10]指出在有功平衡中，系統(tǒng)靈活性代表其適應(yīng)負(fù)荷波動(dòng)的能力，并且在任何時(shí)間尺度中維持要求的性能水平。綜合分析可知，電力系統(tǒng)靈活性應(yīng)包含時(shí)間尺度、靈活性資源，適應(yīng)發(fā)電、電網(wǎng)及負(fù)荷隨機(jī)變化的能力。本文主要涉及有功調(diào)度能力，對(duì)于時(shí)間響應(yīng)特性因其需要考慮具體機(jī)組的響應(yīng)特性，暫不涉及。

當(dāng)大規(guī)模風(fēng)電接入電網(wǎng)時(shí)，為了最大程度接納風(fēng)電，必須壓低所有調(diào)峰機(jī)組出力，平衡式為

PGmin=βwPGmax，w+βaPGmax，a+βtPGmax，t+…

(2)

式中βw，βa，βt——高峰負(fù)荷時(shí)水電、熱電、空冷火電等不同類(lèi)型機(jī)組的最小技術(shù)出力率；PGmax，w，PGmax，a，PGmax，t——高峰負(fù)荷時(shí)不同類(lèi)型機(jī)組最大出力，其總和是高峰負(fù)荷時(shí)電網(wǎng)實(shí)際的開(kāi)機(jī)容量。

根據(jù)分析可知，依據(jù)近兩年電網(wǎng)的實(shí)際調(diào)峰能力，測(cè)算中期和遠(yuǎn)期電網(wǎng)調(diào)峰能力。在測(cè)算中，分別考慮昌吉熱電廠單個(gè)電廠輔助調(diào)峰工程介入調(diào)峰以及全網(wǎng)有改造輔助調(diào)峰能力的電源全部完成輔助調(diào)峰工程后全網(wǎng)的調(diào)峰能力，見(jiàn)表3。

表3 新疆電網(wǎng)調(diào)峰能力 10 MW

由表3可以看出，新疆電網(wǎng)在采暖期調(diào)峰缺口達(dá)到12 070 MW，2020年調(diào)峰缺口與目前基本持平，2025年調(diào)峰電源的投運(yùn)缺口減小到10 440 MW，但仍無(wú)法滿足大規(guī)模可再生能源并網(wǎng)對(duì)調(diào)峰的需求。昌吉熱電廠輔助調(diào)峰工程投運(yùn)后，能夠彌補(bǔ)一部分調(diào)峰缺口，對(duì)全系統(tǒng)的調(diào)峰能力改善不大。但如將全部可以參與輔助調(diào)峰改造的電源均參與輔助調(diào)峰后，全系統(tǒng)的調(diào)峰能力將得到大幅改善，2020年全系統(tǒng)調(diào)峰缺口將降低為3 360 MW，降幅達(dá)到72.3%，2025年全系統(tǒng)調(diào)峰缺口降低到40 MW，基本可以滿足系統(tǒng)在極端情況下的調(diào)峰需求。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)熱電廠輔助調(diào)峰裝機(jī)容量相對(duì)整個(gè)電網(wǎng)來(lái)說(shuō)容量較小，對(duì)電力平衡結(jié)果影響效果并不明顯，同時(shí)由于輔助調(diào)峰能力也存在季節(jié)、供熱時(shí)長(zhǎng)等受限因素，因此無(wú)法對(duì)電力平衡進(jìn)行靈活調(diào)節(jié).

(2)單個(gè)輔助調(diào)峰工程投運(yùn)后，能夠彌補(bǔ)一部分調(diào)峰缺口，對(duì)全系統(tǒng)的調(diào)峰能力改善不大。但如將全部具有參與輔助調(diào)峰潛力的機(jī)組均參加輔助調(diào)峰，全系統(tǒng)的調(diào)峰能力將得到大幅改善，對(duì)于新疆電網(wǎng)來(lái)說(shuō)基本可以滿足系統(tǒng)在極端情況下的調(diào)峰需求。

熱電廠輔助調(diào)峰對(duì)于高比例可再生能源電網(wǎng)的調(diào)峰能力改善是有效果的，是解決電網(wǎng)調(diào)峰能力的一種有效措施，具體改善性能取決于該電網(wǎng)可進(jìn)行輔助調(diào)峰改造機(jī)組的容量。但熱電廠輔助調(diào)峰的響應(yīng)速度以及與供熱的解耦效果仍需通過(guò)工程實(shí)踐來(lái)進(jìn)一步驗(yàn)證，僅通過(guò)單一手段來(lái)改善電網(wǎng)調(diào)峰能力顯然也存在風(fēng)險(xiǎn)，后續(xù)高比例可再生能源電網(wǎng)調(diào)峰能力的改善應(yīng)結(jié)合抽水蓄能、儲(chǔ)能等多種手段共同進(jìn)行。

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