含多類型電源的電力系統光熱發電效益評估方法

傅旭， 王進軍， 張雨津， 孫沛， 李富春， 邵成成

(1. 中國電力工程顧問集團西北電力設計院有限公司，陜西 西安 710075；2. 西安交通大學電氣工程學院，陜西 西安 710049)

0 引言

光熱發電(concentrating solar power,CSP)具有清潔、調節性能好等優點，但同樣受資源約束，其儲熱環節受儲熱容量限制，因此CSP的效益評估相比常規電源要復雜得多[1—3]。對于含有風電、光伏、光熱、水電、火電、抽水蓄能、儲能等多類型電源的系統，須綜合考慮CSP的資源特性、運行方式、儲熱時長等，合理評估CSP在電網中的綜合效益[4—7]。

文獻[8]以減小系統運行成本、調峰成本和棄電成本為目標，協調考慮了CSP與直流輸電線路的靈活調節能力。文獻[9—10]建立光伏-光熱聯合模型，對含有光伏和CSP的系統優化運行進行了研究。文獻[11—12]提出光熱機組可以配合風電運行，降低風電機組的不確定性，進而降低系統的輔助服務需求并提高系統可靠性。文獻[13]考慮光伏發電與負荷的相關性，分別計算白天及夜間光伏發電置信容量。在電力系統規劃設計階段，CSP參加裝機平衡的規模大小對系統規劃設計與調度運行至關重要[14—16]，與資源特性、儲熱時長、調峰方式等密切相關[17—19]。文獻[20]將多臺CSP機組聚合成一臺等效機組，從而減小問題規模、加快模型求解速度。文獻[21]綜合考慮火電調峰成本與儲熱成本，提出一種CSP儲熱容量配置方法。文獻[22]對CSP的容量效益及其影響因素進行了研究。

CSP除了容量效益，還具有減少火電煤耗的電量效益，為全面評估CSP的效益，文中以系統供電可靠性不變為約束，對CSP的容量效益、電量效益進行了綜合研究，采用8 760 h全時段生產仿真模擬法，模擬了火電啟停、儲能電源和光熱跨日調節等因素。對西北地區實際電網進行仿真，分析了CSP的效益及影響因素，研究成果可為CSP的運行和合理發展規模確立提供參考。

1 CSP綜合效益評估

1.1 CSP效益計算

1.1.1 容量效益

CSP的容量效益是指系統因CSP而減少的常規電源裝機需求。文獻[22]以系統供電可靠性指標不變為約束，利用加入CSP后火電裝機的減少量來衡量CSP的容量效益。文中采用該方法測算CSP的容量效益，圖1為CSP容量效益示意。

圖1 CSP容量效益示意Fig.1 Schematic diagram of capacity efficiency of CSP

由圖1可知，若沒有CSP，則可靠性指標為R0時，系統火電需求為①；加入CSP后，可靠性指標相同時，系統火電需求為②。加入CSP前后火電需求的差值即為CSP的容量效益，計算流程如下：

(1) 給定系統電源結構和規模，進行8 760 h生產模擬。計算無CSP時系統的電力盈缺情況，統計得到電量不足的數值R0，即可靠性指標；若系統的電力裝機有盈余，則計算系統的火電裝機需求。

(2) 加入CSP，逐步降低火電裝機容量，進行生產模擬計算，直到其供電可靠性指標R與無CSP情況下供電可靠性指標R0相同。

(3) 比較CSP加入前后火電裝機需求和系統煤耗，確定CSP的容量效益。

1.1.2 電量效益

CSP的電量效益是指CSP投入運行后，火電發電量降低，從而減少的火電發電耗煤量。產生電量效益的原因主要有：(1) CSP加入系統后可以減少火電發電量；(2) 光熱具有調節性能，可以降低風電和光伏的棄電率，從而增加風電和光伏發電量，降低火電發電量；(3) CSP可以改善火電運行條件，從而降低火電的煤耗。

1.1.3 綜合效益

對含有CSP的系統進行8 760 h生產仿真模擬，在系統供電可靠性指標保持不變的情況下計算CSP投運前后火電裝機需求變化量和煤耗變化量，計算流程如圖2所示。

圖2 CSP容量效益和電量效益計算流程Fig. 2 Flow chart of calculating capacity and electricity energy benefit of CSP

1.1.4 CSP國民經濟評價

CSP國民經濟效益計算如下：

(1) 采用8 760 h生產仿真模擬，計算無CSP情況下，火電裝機需求H1，系統煤耗M1。

(2) 加入CSP，給定運行方式，進行8 760 h生產仿真模擬，計算火電裝機需求H2，系統煤耗M2。

(3) 計算CSP容量效益，即加入CSP后減少的火電裝機需求。

(1)

(4) 計算CSP的電量效益，即加入CSP后減少的系統煤耗。

MCSP=M1-M2

(2)

(5) 計算CSP的綜合效益。

(3)

式中：rH為火電生命周期內的資金回收系數；pH為火電單位裝機容量造價；αH為火電運行維護費率；pM為標準煤的價格。

(6) 計算CSP的成本支出。

TCSP=rCSPpCSPCCSP+αCSPpCSPCCSP

(4)

式中：CCSP為CSP的裝機容量；rCSP為CSP生命周期內的資金回收系數；pCSP為CSP單位裝機容量造價；αCSP為CSP運行維護費率。

(7) 計算CSP的國民經濟凈收益。

QCSP=RCSP-TCSP

(5)

若CSP的國民經濟凈效益大于0，則建設光熱電站是經濟的，否則建設電站是不經濟的。

1.2 生產模擬模型

綜合考慮新能源棄電量和發電煤耗，在滿足負荷需求的情況下，盡量減少新能源棄電量和系統發電煤耗，目標函數為：

min{f1+λ1f2+λ3f3+λ4f4+λ5f5+λ6f6}

(6)

(7)

目標函數的約束條件包括系統平衡約束、電站/機組運行約束、地區間聯絡線功率約束等，具體表達式見文獻[22]。

2 CSP效益評估案例

2.1 系統參數

以我國某省區電網為算例進行驗證，該電網負荷28 000 MW，直流外送16 000 MW，內用電量1 800 億kW·h，外送電量1 024億kW·h，電源結構如表1所示。由于CSP、風電和光伏的成本下降速度較快，因此工程造價考慮2個場景，其參數如表2所示，其中標煤價按800元/t考慮。

表1 某實際電網電源裝機Table 1 Power supply of practical grid

表2 建設成本參數Table 2 Parameters of construction cost

設置光熱場景A～E對CSP效益進行分析，參數設置如表3所示。其中，場景A不考慮CSP；場景B～E中CSP容量為200萬kW。

表3 CSP效益分析場景Table 3 Scenario of capacity benefit analysis of CSP

2.2 CSP效益評估

光熱場景A和場景B生產模擬運行結果如表4所示。系統沒有CSP的情況下，火電裝機需求為3 997萬kW，煤耗為5 851萬t，新能源棄電率為6.0%；加入200萬kW光熱后，火電裝機需求為3 907萬kW，即CSP容量效益為90萬kW，容量替代率為45%，煤耗降低286萬t，新能源棄電率5.0%。

表4 生產模擬運行結果Table 4 Results of production simulation

光熱場景B在造價場景1和場景2下的發電效益評估如表5所示。

表5 CSP效益評估Table 5 Benefit evaluation of CSP

在當前光熱、光伏、風電的造價成本下(造價場景1)，建設光熱電站不具備國民經濟性。當光熱、光伏、風電的造價成本降至當前成本的50%時(造價場景2)，CSP具有國民經濟性。表5給出了CSP國民經濟可行的造價臨界點。可以看出，CSP造價降低至當前造價的62%左右的時候，CSP開始具有國民經濟效益。

光熱場景B中CSP白天沒有發電，晚上負荷高峰時光熱機組發電，降低系統中常規電源的裝機容量，發揮了CSP的容量效益。

可以看出，當系統消納新能源目標要求較高時，完全依靠風電光伏，可能棄電率會很高，而裝設光熱，一方面增加了新能源消納量，另一方面不會對系統調峰提出更高的要求。未來若要大規模發展CSP，必須對CSP容量效益的發揮給予合理的補償，而不能僅僅按照光熱發電量結算。

2.3 CSP國民經濟效益的影響因素研究

本節分析CSP國民經濟效益的影響因素，考慮的因素包括：CSP的調峰方式、儲熱時長、新能源規模，如表3中的場景C～E所示。表6為場景C～E的生產模擬結果。

表6 生產模擬運行結果Table 6 Results of production simulation

光熱不參與調峰(場景C)，系統總的新能源發電量增加，系統煤耗降低了170萬t，但系統并沒有因為CSP增加200萬kW而降低了常規火電的裝機需求，其容量效益為0，且由于CSP不參與調峰，新能源棄電率較高，為8.1%。場景D為場景B中CSP儲熱時長降低2 h的場景，CSP容量效益為70萬kW，容量替代率為35%，煤耗降低279萬t，新能源棄電率為5.2%。與場景B相比，儲熱時長降低后，CSP的調節性能有所降低，容量效益的發揮也有所降低。場景E為場景B中光伏規模增加500萬kW的場景。光伏規模增加后，系統新能源棄電率有所提高，系統火電裝機需求為3 887萬kW，CSP容量效益為110萬kW，容量替代率為55%，煤耗降低288萬t，新能源棄電率為7.5%。表7、表8為綜合考慮CSP容量效益和電量效益后的國民經濟評價結果。在當前的新能源造價情況下(造價場景1)，CSP不具備國民經濟性。隨著新能源發電成本的降低，當新能源造價降低一半時(造價場景2)，光熱參與調峰(場景D和場景E)具有國民經濟性，但CSP不參與調峰時，仍不具備國民經濟性。

表7 CSP效益分析(造價場景1)Table 7 Benefit analysis of CSP (cost case 1)

表8 CSP效益分析(造價場景2)Table 8 Benefit analysis of CSP (cost case 2)

3 結語

文中通過對比CSP投入前后，系統火電裝機需求和煤耗的變化，對CSP的容量效益和電量效益進行評估。CSP的國民經濟效益與CSP的投資、調峰方式、儲熱時長和新能源發電規模相關。CSP參與調峰運行時其國民經濟性優于以CSP量最大為目標的不參與調峰運行時的國民經濟性。西北地區實際電網的仿真驗證了文中方法的有效性，可為光熱效益評估提供更全面的視角，為合理評估光熱效益提供參考。