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内蒙院电网耦合“风光热储”多能互补研究分享

2018.11.16 来自:CSP Focus 光略咨询

光热、光伏、风电项目多能互补是新能源行业普遍关心的话题。


内蒙古电力勘测设计院有限责任公司项目经理王小春从事发电设计工作10余年,2008年开始进入光热发电设计,申请太阳能光热技术相关专利近20项,主导编写了《槽式光热太阳能直接采暖光热系统》,参与了塔式光热等设计规范的编制。在此前召开的CSP Focus光热发电创新大会上,王总发表了题为基于太阳能热发电的区域多能互补与电网耦合性能的研究”的专题报告,以下为具体内容分享:


主要内容涵盖了以下几个部分:

第一部分是太阳能热发电技术概要

第二部分是区域多能互补技术概要

第三部分是耦合性能研究目标和研究方法

第四部分是基于内蒙古自治区蒙西电网耦合的风光热储多能互补的案例研究


第一部分:太阳能热发电技术概念



这里我简单介绍一下四个典型的太阳能技术路线,槽式(PT)、塔式(CT)、线性菲涅耳(LF)和碟式(DS),今天坐在这里的都是专家,对上述四种技术路线的基本情况都很清楚,不做详细介绍。



我只简单说一下太阳能热发电的技术特性,上面曲线图中是表述了某太阳能热发电站在48个小时的光热太阳特性,包括了DNI数据、发电数据、充能数据、放能数据,红色是发电曲线,绿色是放能曲线,黑色是充能曲线,黄色是DNI曲线。


为什么做两天?因为在一个太阳能热发电站中,我们会优化得到一个最优储能小时数,在不同地区、不同DNI和不同投资环境下,得到的储能小时数是不同的,这样就得到不同的发电曲线和不同的运行模式,现在基于国内某地区电站优化到的发电曲线在第二天7:30~8:30是停机状态,如果为了满足系统调度,也可以通过加大储能容量弥补掉停机过程,这需要在初始规划的过程中就做一个详细的优化,但是这种过程不能保证全年都是连续发电,因为存在冬夏季的光资源差距很大的情况,具体项目要具体优化设计。



我们得到的结论是:太阳能热发电的基本原理比较简单,但是前期优化设计特别重要,另外太阳能热发电技术可配备大规模、低成本、高效率储能系统,在配备适当规模的储能系统,可实现部分时间24个小时不间断发电。因此太阳能热发电技术可部分替代常规火电作为基础负荷电源。


太阳能热发电技术储能系统可以通过电加热装置或者燃气加热装置转化储存其他形式新能源发电,减少弃风弃光或者可再生能源的损失,这是我说的调峰电站或者储能电站的特性。


最后是太阳能热发电技术配备了储能系统和常规汽轮机发电系统,具有调峰填谷的特性,对电网冲击性比较小,亲和力比较强。


第二部分:区域多能互补技术概要



我想大多数人认为多能互补是以新能源为基础的能源互补形式,从概念上来说多能互补是多种能源互补,不应该排除传统化石能源;一方面通过多种能源协调优化和互补,提高各种能源的利用率,另一方面实现能源阶梯利用,提高能源的综合利用水平


不应该仅仅局限于风电、光伏、光热,还应该有分布式燃机、燃气锅炉、地热、传统火力发电等多种形式能源。




下面介绍几个基于太阳能热发电的多能互补技术路线:


首先是光煤互补,分别是塔式光互补和槽式光煤互补,塔式技术路线的光煤互补是以高温高压蒸汽与常规火电耦合互补,因为塔式参数比较高,直接可以和高参数的火电机组进行蒸汽侧的进行耦合。槽式的参数稍微低一点,和高参数的火电机组的蒸汽参数还有一定的差距,所以做了一个预热系统的互补。


由于行业政策原因,火电机组未来呈下降的趋势,在整理这个PPT的时候我就在考虑是否要讲光煤互补,我在这里要补充一下近期的火电机组灵活性改造的问题,灵活性改造实际上是热电解耦,主要存在我们国家的三北地区,也是和太阳能热发电站建设区域有一定的重合,如果该地区建设了太阳能热发电站,除了上述光煤互补的系统外,我们可以考虑太阳能热发电站作为储能电站,解决本地区火电机组的热电解耦问题,热电解耦主要解决的是冬季电负荷和本地区的热负荷不匹配问题,太阳能热电站在冬季时间正是低负荷时间,储能系统是不能储满的,或者根本就没有储多少时间。这个时间段热电解耦的电量可以电网输送到光热电站的储能系统里面,实现热电解耦,但是从电价政策上存在监管部门界定光热电站出口电能是新能源电能还是煤电的电能问题,这里暂时不做展开。


如果这种耦合形式可以的话,火电厂的一些灵活性改造和热电解耦改造费用会省下来,一个火电机组灵活性改造费用从几千万到几个亿,如果能通过已建成的太阳能热发电站作为部分储能电站来解决这个问题,届时将为灵活性改造省下一大笔费用,同时对太阳能热发电站和火电机组都产生很大的经济效益。



常规的一个多能互补的,可与燃气电站、生物质电站、垃圾发电、地热等多种能源互补,PPT中系统图是燃气发电的多能互补示例。



这个是现在大家都在研究的闭式超临界二氧化碳布雷顿塔式太阳能热发电系统,系统效率比较高,是未来太阳能热发电技术的革新,只有通过技术革新,电价下降空间才会比较大,未来通过二氧化碳布雷顿循环可实现的多能互补将更多。



第三部分:耦合性能研究目标和研究方法


现在主要讲一下大家比较关注的风电、光伏和光热互补形式与电网耦合的研究目标和研究方法


传统风电和光伏发电技术具有随机性和波动性的特点,电能输出的品质较差,大规模接入对电网冲击也比较大,调峰调频性能比较差主要在。目前受国内能源结构影响,季节弃风弃光的现象比较明显。



在2014年,蒙西地区完成的一个风电、光伏和太阳能热发电的项目可行性研究,我们定义为风光热储,在项目执行过程中我们深入研究了三种发电类型的匹配原则和匹配方法;并形成了一个《一种风光热储与电网耦合方法及装置201810157321.0》的发明型专利,简单把专利的核心内容和原则描述一下。


首先是基于太阳能热发电区域多能互补与电网耦合系统建立模型的过程,首先是收集项目所在地的典型年的电网负荷的运行曲线,至少一个完整年数据,整理成典型年的区域电力负荷曲线,这个曲线类似光资源典型年数据,要通过原始数据进行修正;


其次计算风电、光伏、光热每种发电类型的发电负荷曲线特性,通过对目标日、目标月、目标年的三种发电负荷曲线与区域电力负荷曲线进行耦合,这里面至少包括春分、夏至、秋分、冬至、1~12月,建立一个计算模型,获取目标功率的调节系数,光伏功率的修正系数和风电功率修正系数进行调整,以太阳能热发电作为浮动模型进行计算,通过多次迭代计算后得到三种发电类型的最佳匹配原则。单从这个项目上讲,是通过光热储能系统的调峰特性带动光伏和风电项目,减少弃风弃光的损失。



大家可以通过网上获取专利的详细内容来详细了解技术细节,总体来说我们通过协方差的计算方法,通过建立多种能源的匹配模型最终确定最佳装机方案的匹配原则,通过上述匹配原则得到的前三种匹配方案,考虑每种发电形式的投资、电价、建设周期、收益率等等进行最终优化,得到我们的装机容量匹配方案



这是一个典型日耦合计算模型,红线是蒙西电网典型日电网负荷的波动曲线,蓝线是多能互补出力曲线曲线,绿线是风电出力曲线,黄线是光伏出力曲线,黑线是光热调峰出力曲线,我们可以看出,光热发电在多能互补中出力曲线与独立的是不一样的中午时刻在给光伏发电让路,更多能量储存在储罐中。修正以后的曲线与区域电网的负荷波动曲线还是有一些偏差的,偏差点是在中午时间段,多少存在着一些弃光的损失,这种情况主要存在于每年光资源最好的时候,比如夏至日这天,反而在春分、秋分和冬至日弃风或者弃光现象会更少。


我们简单总结一下,第一个是基于区域电网负荷波动曲线,对风电光伏、光热进行匹配和迭代计算,得到一个合理的装机方案,保证项目在尽量少的弃风弃光的情况下,整体出力最符合电网波动趋势为配置目标。


第二个是容量的配置同时兼顾风电光伏的投入与切出资源条件的要求,考虑光热最低和最高连续稳定功率,在满足风电光伏光热运行要求的基础上,还需要引入电网调度的要求对配置优化的影响因素。


第三个是光热储能容量的选择原则,不再以原来单独光热发电系统最低LCOE作为选择标准,需要同时兼顾降低风电和光伏的弃风弃光电量,以及区域电网调峰所需要的容量,但是这个容量不是无限大的,如果大到一定程度肯定是有经济性的限制。第四个是风光热储多能互补配置,除符合电网波动趋势之外,同时还要兼顾政策引导、分期建设、技术成本及消纳等因素的影响,使技术经济最优。



下面介绍一下我们多能互补的项目:包头达茂旗600MW风光热储智能互补综合示范项目,项目的容量配比是1:1:1,考虑当时一些政策原因,和当时计算的最佳容量配比有一些差距;此外还有,赤峰100MW塔式太阳能沼气互补发电项目, 80MW的镜场+20MW的沼气锅炉驱动100MW汽轮机;还有二连浩特的3个智能微网项目,这都是网上可以公开查到的,具体项目比例不做详细叙述。

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