9月28日，由國家太陽能光熱產業技術創新戰略聯盟、中國工程熱物理學會、中國可再生能源學會、中國電機工程學會、全國太陽能光熱發電標準化技術委員會共同主辦，浙江省湖州市吳興區人民政府、浙江高晟光熱發電技術研究院有限公司、中關村新源太陽能熱利用技術服務中心、中國大唐集團新能源科學技術研究院有限公司和中國科學院電工研究所共同承辦的“2021中國太陽能熱發電大會”在浙江省湖州市皇冠假日酒店落幕。大會上，國家電網有限公司西北分部技術中心主任孫驍強作了“以新能源為主體的新型電力系統中光熱電站完全替代火電規劃研究”的報告，經本人同意，特將部分內容摘錄如下，以供參考。

以新能源為主體的新型電力系統中光熱電站完全替代火電規劃研究

孫驍強1，李慶海1，李富春2，楊攀峰2，楊楠1，汪瑩1，張小奇1，霍超1，傅旭2

1國家電網有限公司西北分部

2中國電力工程顧問集團西北電力設計院有限公司

1引言

隨著國家雙碳戰略目標的實施，我國新能源開發規模繼續擴大，火電建設空間將進一步壓縮，而系統負荷仍在穩步增長，風電及光伏的波動性使系統難以實現全時段電力電量平衡。可再生能源發電的季節性不平衡是電力系統中新能源占比升高到一定階段必然面臨的問題。

以新能源為主的新型電力系統，需要尋求能夠替代火電的穩定電源，西北地區光熱電站本身具有一定替代火電裝機能力，但受太陽能直輻射影響，在極端天氣無法獲得足夠的熱能，連續極端天氣不平衡問題更加突出，無法全容量參加電力平衡，替代火電裝機能力大打折扣，通過增加應急燃氣鍋爐備用發電可在極端天氣補充熱能，甚至可以應對系統電力電量供應的季節性不平衡，做到全容量全時段全功能替代火電裝機，保障電力電量供應，同時保證發電量中絕大部分仍是可再生能源，實現以少量低碳能源帶動大規模可再生能源開發，在新型電力系統中具有重要示范意義。

2新型電力系統電力保障形勢

傳統電力系統以火電、水電等常規電源為主，調峰需求主要是負荷波動引起，隨著新能源滲透率的不斷提高，調峰需求也在發生變化，高比例新能源系統調峰需求主要是為了滿足新能源接納需求。與此同時，在國家雙碳戰略的推進過程中，火電發展空間大大壓縮，導致為滿足系統最大電力需求的常規電源電力供應也日趨緊張。可以預見，以新能源為主體的電力系統同時面臨向上調峰和向下調峰兩個方面的需求，尤其是向上調峰關系到電力保障問題顯得尤為重要。

受資源約束的電源（限能電站）向上調峰能力的發揮除了跟機組自身調峰能力有關外，還與資源決定的發電量密切相關，不同電源的向上調峰能力存在較大差異。如水電最大出力理論可以達到預想出力，但實際往往受來水約束不能達到上述最大值，比如青海水電冬季受來水影響最大出力僅為其裝機的50%-70%；儲能電站在系統電量不足時也難以發揮作用；光熱電站類似，在太陽能資源不好時，最大出力也會受限。因此，隨著新型電力系統中限能電站逐步增加，其參加電力平衡能力不足，再加上季節性資源不平衡，以新能源為主體的電力系統將面臨電力保障缺乏穩定電源支撐的嚴峻形勢。

由于電力無法大規模存儲的特性，高比例新能源接入之后，電源側不確定性增加，在可靠的常規機組無法滿足全部負荷供電的需求時，電力保障難度增大，特別是極端氣候條件下的電力供應難度更大。在國家雙碳目標背景下，光熱電站具備替代火電的潛力，通過增加應急鍋爐備用發電應對極端天氣，可以全容量替代火電裝機，作為季節性調峰電源滿足長時間尺度電力電量平衡需要。

本文首先基于光熱電站出力特性和系統高峰時段需求，分析光熱電站替代火電能力，然后研究提升其保證出力的措施，提出測算光熱電站應急備用發電量計算方法，最后通過算例進行驗證。

3光熱電站完全替代火電規劃研究

3.1光熱電站替代火電能力分析

電力系統中一般以滿足高峰負荷時段電力平衡確定系統火電裝機需求，光熱電站要參加電力平衡（替代火電裝機）也需要保障高峰負荷時段電力需求。

由于光熱電站發電與太陽直輻射密切相關，某些天光照資源較好時，再加上儲熱裝置蓄熱，光熱電站發電量較多，高峰負荷時段可保證系統電力需求，全容量參加電力平衡。而在陰天或多云天氣，光熱電站發電量很小，極端天氣光熱電站可能出力為零，光熱電站裝機不能得到充分利用，高峰負荷時段不能有效參加電力平衡。

系統可靠性保證率不同，光熱電站參加平衡容量也不一樣。為了提高光熱電站參加平衡容量，可以結合系統需要，通過增加應急鍋爐備用發電，使得光熱電站能夠完全替代火電裝機，滿足系統電力保障需要。

3.2光熱電站應對季節性缺電能力分析

新能源出力具有季節不均衡性，隨著新能源裝機占比不斷提高，新型電力系統的季節性電力電量不平衡凸顯，某些月份資源較差的情況下，系統電力電量缺額緊缺。目前來看在火電建設空間逐步壓縮的背景下，尚未有可解決季節性不平衡的有效手段。光熱電站自身雖然受資源影響也存在季節性不均衡情況，但可以通過增加應急鍋爐備用發電以完全替代火電裝機，完美解決季節性不均衡問題。

4算例

以青海為例，2030年青海省全社會用電量達到1100億kWh，最高發電負荷15500MW。青海新能源總裝機約57640MW，其中光伏34000MW，風電16530MW，光熱5210MW。

4.1光熱電站出力特性分析

青海海西地區光熱資源豐富，烏圖、冷湖、德令哈地區光熱發電季節性明顯。以100MW光熱電站（鏡場面積148萬m2，太陽倍數2.9，儲熱時長15h）為例，海西地區光熱電站典型年內各月發電量分布圖可以看出，2-4月、9-10月光熱電站發電量較多，6-8月和12月發電量較少。通過海西地區光熱電站典型年各月日等效發電小時數小于4小時天數統計，可以看出，全年日光熱等效發電小時數低于4小時的天數分別為52天、57天、75天，在5-8月發生較多。

4.2光熱替代火電能力分析

從青海電網典型日負荷曲線示意圖可以看出，青海負荷曲線較平，疊加直流外送曲線后，冬季晚高峰負荷時段一般為18—21時左右，因此，電源參加電力平衡需保證晚高峰時段4～6h電力需求。

青海電網典型日負荷曲線示意圖

光熱電站配置儲熱罐，考慮連續陰天情況，預留部分熱量跨日調節，光熱電站日發電量優化后，將日發電量從大到小排序，按系統要求保證率，確定光熱電站可調節日發電量。

作者對海西烏圖地區光熱電站替代火電裝機比例進行了測算，結果顯示，按95%保證率，不考慮跨日調節，光熱電站日等效保證小時數為0，基本不能參加電力平衡，即無法替代火電裝機。考慮跨日調節，光熱電站日等效保證小時數為5.1h，可滿足晚高峰負荷4h需求，全容量參加電力平衡，完全替代相同容量火電裝機。若按100%保證率，光熱電站日等效保證小時數為3.5h，參加電力平衡比例（火電容量替代率）約87.5%。

在不同保證率情況下，考慮跨日調節后的光熱電站參加電力平衡容量，晚高峰時段按6h，光熱電站替代火電裝機比例有所降低，100%保證率下，光熱電站僅可替代約50%左右的火電裝機。

4.3光熱電站應對季節性缺電能力分析

青海以水電和新能源為主，清潔能源裝機占比達到90%以上，全年電量基本平衡，但存在季節性不平衡，冬季電力電量缺額較大。

通過青海水電月電量分布示意圖可以看出，青海水電占比較大，受來水影響，夏季5-10月發電量相對較多，冬季11-12月和1-2月發電量較少，季節性電量不平衡明顯。青海新能源月電量分布示意圖顯示，青海新能源受資源影響也存在較大的季節性電量不平衡，春季3-5月發電量較多，冬季11-12月發電量明顯減少。青海逐月電量平衡結果顯示，由于水電和新能源發電量均受資源約束，季節性電量不平衡一直存在，冬季兩者疊加后發電量減少較多，青海全省出現較大電量缺口。

青海季節性缺電問題一直存在，且隨著新能源裝機滲透率逐步提高，季節性缺電問題日益加劇。目前青海的冬季缺電問題仍主要依托西北主網提供電力電量支撐，但隨著西北其他省份火電建設空間進一步壓縮，再加上規劃通道建成和負荷逐步增長，電力盈余逐步減小，給青海能夠提供的電力支撐有限，需要青海從自身內部尋求能夠解決季節性電力電量不平衡的措施。目前來看，尚未有經濟可行的跨季調節手段，光熱電站在通過應急備用發電可完全替代火電，以應對上述季節性缺電問題。

根據前述方法初步測算，海西地區全年應急發電電量22億kWh，其中12月份需要應急發電電量最大，約14億kWh（占比64%），小時數提高約440h，占比僅約8.8%。冬季12月日最大應急發電電量1.2億kWh（全天24h連續應急發電運行），小時最大發電量500萬kWh（即滿功率發電），可全容量替代火電裝機。

2030年海西地區光熱電站發電量分布（含應急發電）

2030年海西地區光熱電站12月逐時平均發電量（含應急發電）

對不同光熱規模對應的應急備用發電比例進行敏感性分析，隨著光熱規模逐步減少，光熱應急備用發電比例呈現逐步升高趨勢，由8.9%增加至20.2%。

5結論

在國家雙碳目標驅動下，我國新能源裝機規模將更加快速增長，而火電建設空間進一步壓縮，未來以新能源為主的新型電力系統將面臨一定的電力保障問題，光熱電站作為儲熱型新能源電站，通過增加應急鍋爐備用發電，可以全時段替代火電裝機，為系統提供電力電量支撐，同時可以實現以少量低碳能源帶動更大規模可再生能源開發，可以助力我國新能源開發目標和碳達峰目標早日完成。研究結果初步表明，2030年前青海新增1000MW～5000MW光熱電站，通過增加10%～20%左右應急備用發電量可以完全替代相同容量火電，從而應對季節性缺電問題或極端天氣下的電力電量不足問題，保障電力可靠供應。