熱電廠輔助調(diào)峰對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.中國能源建設(shè)集團新疆電力設(shè)計院有限公司，烏魯木齊 830001；2.國網(wǎng)新疆電力有限公司， 烏魯木齊 830001；3.國網(wǎng)新疆經(jīng)濟技術(shù)研究院，烏魯木齊 830001；4. 國網(wǎng)烏魯木齊供電公司，烏魯木齊 830001)

隨著經(jīng)濟和社會生產(chǎn)的持續(xù)發(fā)展，能耗的持續(xù)增長，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)電將成為未來不可逆轉(zhuǎn)的趨勢。歐洲提出2050年在歐洲、北非實現(xiàn)100%可再生能源電力系統(tǒng)[1]；美國可再生能源國家實驗室提出：美國2050年實現(xiàn)80%電力能源來自于可再生能源[2]；中國發(fā)布的《中國2050高比例可再生能源發(fā)展情景暨路徑研究》報告提出，中國2050年要實現(xiàn)60%電力來自于可再生能源[3]，屆時風(fēng)電和太陽能發(fā)電裝機容量將分別達到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、隨機性、反調(diào)峰等特點[4]，但大規(guī)?？稍偕茉床⒕W(wǎng)加大了系統(tǒng)負荷峰谷差。近些年可再生能源在中國的發(fā)展遇到消納問題，尤其是在風(fēng)資源富裕的東北、華北、西北(簡稱“三北”)地區(qū)，本身電力系統(tǒng)就存在電源裝機規(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)主要由火電機組承擔(dān)[5-6]?；痣姍C組按調(diào)峰要求，無法平衡大規(guī)模新能源產(chǎn)生的大幅波動，尤其是當(dāng)新能源具有反調(diào)峰特性時，系統(tǒng)調(diào)峰壓力越來越大[7]，勢必造成棄風(fēng)棄光現(xiàn)象。這已成為中國棄風(fēng)限電的主要原因[8]。據(jù)國家能源局統(tǒng)計，2016年全國風(fēng)電平均利用小時數(shù)為1 742 h。在日益嚴(yán)重的棄風(fēng)限電背景下，要求火電機組深度調(diào)峰的呼聲越來越高[9]。

新疆電網(wǎng)可再生能源裝機容量占比已達到總裝機容量的43%，本文以可再生能源裝機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)展及存在的問題

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

表1 新疆近年來的電源結(jié)構(gòu) %

由表1可知，可再生能源裝機占比從2010年的26.1%增長到2016年的43.1%。但隨著電源裝機容量增長速度過快，電網(wǎng)消納能力不足，2016年新疆風(fēng)電利用小時數(shù)為1 578 h，棄風(fēng)比為38.4%；光伏利用小時數(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)峰能力無法滿足調(diào)峰要求，另外新疆目前開展抽水蓄能電站的項目均處于前期或開工階段，受限于抽水蓄能電站的建設(shè)進度，短期內(nèi)也無法應(yīng)對新能源消納問題。

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，通過改造火電機組的調(diào)峰深度、爬坡能力和啟停速度等內(nèi)容，使機組運行在低于最小技術(shù)出力狀態(tài)，即深度調(diào)峰。深度調(diào)峰狀態(tài)的機組運行成本效率大幅度下降，運營商意愿不足，同時也提高了能耗和污染物排放量。文獻[10]提出在現(xiàn)有火電廠中引入熱水蓄熱和發(fā)電循環(huán)，配置儲熱裝置等輔助調(diào)節(jié)手段，利用棄風(fēng)棄光電量驅(qū)動電鍋爐實現(xiàn)熱電解耦。

昌吉熱電廠目前裝機容量2×330 MW，受制于新能源消納壓力，在非供暖期單機運行，供暖期雙機運行，出力在50%左右，2016年機組利用小時數(shù)為3 393 h。目前計劃開展火電靈活性改造工程，實施高壓固體電蓄熱輔助調(diào)峰項目。

高壓固體電蓄熱項目采用的高壓固體電蓄熱設(shè)備，是以電作為動力，利用低谷電或棄風(fēng)電采取固體儲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控制系統(tǒng)組成。在預(yù)設(shè)的電網(wǎng)低谷時間段或棄風(fēng)棄光時段，電網(wǎng)為電發(fā)熱體供電，電發(fā)熱體將電能轉(zhuǎn)化為熱能的同時被高溫蓄能體不斷吸收，當(dāng)高溫蓄能體的溫度達到設(shè)定的上限溫度或棄風(fēng)棄光時段結(jié)束時，電源停止供電，電發(fā)熱體停止工作。在需要時高溫蓄熱體可以再通過熱輸出控制器與高溫?zé)峤粨Q器連接，高溫?zé)峤粨Q器將高溫蓄熱體儲存的高溫?zé)崮苻D(zhuǎn)化為熱水、熱風(fēng)或蒸汽輸出。

增加儲能設(shè)施后，電廠在不變負荷的情況下可以把電能儲存成熱能，在其他時段再作為熱能供給熱網(wǎng)，實現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)換。在用電低谷時通過儲能設(shè)施實現(xiàn)“熱電解耦”，在滿足供熱需求情況下可以通過減少上網(wǎng)電量，增加風(fēng)電、光伏的上網(wǎng)電量，以達到電網(wǎng)深度調(diào)峰的目的。熱電廠蓄熱改造原理圖見圖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)劃和運行的核心是電力電量平衡，即根據(jù)負荷需求確定裝機容量及需新增的容量，保證電力系統(tǒng)可靠性及發(fā)電機組的合理利用小時數(shù)。昌吉熱電廠規(guī)劃建設(shè)285 MW蓄熱設(shè)備，調(diào)峰時利用電能儲熱，用熱高峰時可通過放熱增大機組供熱能力或減少機組抽汽量。實際運行中利用低谷電加熱電極鍋爐為熱負荷供熱，并加熱蓄熱鍋爐以備白天放熱，同時降低電廠機組出力，為新能源置換出電力市場空間。

電網(wǎng)實時電力平衡方程：

PGJmax=PLmax+PTmax+PLoss+Pplant

(1)

式中PGJmax——高峰負荷電網(wǎng)出力；PLmax——電網(wǎng)高峰負荷；PTmax——高峰負荷電網(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)用電負荷發(fā)展情況以及在建、擬建電源情況，分別對中期(2020年)和遠期(2025年)進行電力供需平衡(見表2)。在平衡中分別考慮風(fēng)電、光伏大發(fā)，大負荷、小負荷情況以及風(fēng)電、光伏小發(fā)，大負荷、小負荷情況。同時，在各種工況下，分別針對昌吉熱電廠輔助調(diào)峰投運和未投分別進行計算，得出昌吉熱電廠輔助調(diào)峰項目對系統(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)電源裝機容量遠大于用電負荷，除風(fēng)電光伏均小發(fā)、大負荷情況下，2025年會有8 390 MW的電力缺口外，其他工況下，均會呈現(xiàn)較大規(guī)模的電力盈余。由于風(fēng)電、光伏裝機比重較大，在風(fēng)電、光伏大發(fā)情況下電力盈余規(guī)模在2020年將達到26 160 MW，2025年達到27 940 MW。其次，昌吉熱電廠輔助調(diào)峰裝機容量相對整個電網(wǎng)來說容量較小，對電力平衡結(jié)果影響效果并不明顯。

4 輔助調(diào)峰對電力系統(tǒng)靈活性的影響

隨著可再生能源比例的大幅增加，系統(tǒng)靈活性問題也逐步顯現(xiàn)，并超過傳統(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。國際能源署(IEA)認為，電力系統(tǒng)靈活性代表其在面臨大擾動時通過調(diào)整發(fā)電或負荷維持可靠性的能力，即對可預(yù)見與不可預(yù)見的事件快速響應(yīng)的能力。文獻[10]指出在有功平衡中，系統(tǒng)靈活性代表其適應(yīng)負荷波動的能力，并且在任何時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)包含時間尺度、靈活性資源，適應(yīng)發(fā)電、電網(wǎng)及負荷隨機變化的能力。本文主要涉及有功調(diào)度能力，對于時間響應(yīng)特性因其需要考慮具體機組的響應(yīng)特性，暫不涉及。

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

PGmin=βwPGmax，w+βaPGmax，a+βtPGmax，t+…

(2)

式中βw，βa，βt——高峰負荷時水電、熱電、空冷火電等不同類型機組的最小技術(shù)出力率；PGmax，w，PGmax，a，PGmax，t——高峰負荷時不同類型機組最大出力，其總和是高峰負荷時電網(wǎng)實際的開機容量。

根據(jù)分析可知，依據(jù)近兩年電網(wǎng)的實際調(diào)峰能力，測算中期和遠期電網(wǎng)調(diào)峰能力。在測算中，分別考慮昌吉熱電廠單個電廠輔助調(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)峰電源的投運缺口減小到10 440 MW，但仍無法滿足大規(guī)?？稍偕茉床⒕W(wǎng)對調(diào)峰的需求。昌吉熱電廠輔助調(diào)峰工程投運后，能夠彌補一部分調(diào)峰缺口，對全系統(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

(1)熱電廠輔助調(diào)峰裝機容量相對整個電網(wǎng)來說容量較小，對電力平衡結(jié)果影響效果并不明顯，同時由于輔助調(diào)峰能力也存在季節(jié)、供熱時長等受限因素，因此無法對電力平衡進行靈活調(diào)節(jié).

(2)單個輔助調(diào)峰工程投運后，能夠彌補一部分調(diào)峰缺口，對全系統(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，對于新疆電網(wǎng)來說基本可以滿足系統(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)可進行輔助調(diào)峰改造機組的容量。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工程實踐來進一步驗證，僅通過單一手段來改善電網(wǎng)調(diào)峰能力顯然也存在風(fēng)險，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、儲能等多種手段共同進行。

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