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浅谈“非主流”光伏技术(八):关于限电

导读: 一则限电的新闻,在几天之内被迅速的传播,业内人事纷纷质疑电网的不作为。华北地区正在遭受雾霾的困扰,为什清洁能源却被限制发电?其实清洁能源被“限发”由来已久。本文就清洁能源限电问题展开讨论。

“诸多光伏和风电电站的上网电量从数日前正在逐步下滑,12月4日晚上23点,新疆诸多清洁能源电站接到调令,汇集线路由运行转热备用,停止发电及向电网输送电力。新疆的光伏、风电运营企业正在面临从未有过的‘寒冬’,多数电站将面临整个冬季无营收的困境。”

一则限电的新闻,在几天之内被迅速的传播,业内人事纷纷质疑电网的不作为。华北地区正在遭受雾霾的困扰,为什清洁能源却被限制发电?其实清洁能源被“限发”由来已久。本文就清洁能源限电问题展开讨论。

1.一些概念

我们需要理解的一些概念性的问题,比如清洁能源的间歇性、什么是调峰、什么是热备用等等。只有明白这些问题之间的联系,才能明白为什电网会这么做。

1.1 清洁能源的间歇性

水利发电是最早被利用的清洁能源,也是最被电网欢迎的清洁能源,水电主要靠重力势能变成机械能推动水轮机转动,水轮机转动变成电能。它的最大的特点就是“说发就发,说停就停”,电网要你发电,只要打开水闸,不让你发电,关闭水闸就好了。水电唯一的问题的是受枯水季节的限制,比如春、冬季节降水较少,水电出力(发电能力)就会变小。

风电在我国发展的时间比光伏早很多,三北地区的风电安装容量非常大,08年左右风电限电问题就非常严重了,风电是几种清洁能源中对电网“最不友好”的一种能源。风电的“反调峰”(完全不能满足电网调度)能力非常强、白天用电高峰期,没风不发电。晚上用电少的时候风大了。大电网的电能是不储存的,用多少发多少,不然电网就会崩溃,损失是灾难性的。

光伏大家都了解,白天发电、晚上不发电,晴天发电多、阴天发电少、多云时波动较大。光伏发电可以帮助电网在白天经行“调峰”所以是比较友好的一种清洁能源。分布式光伏发电对电网几乎没有影响,大型地面地站扎堆建设在西北荒漠地带,对电网就是一种“负担”。

1.2 调峰

由于用电负荷是不均匀的。在用电高峰时,负荷大。此时需要投入在正常运行以外的发电机组以满足需求。这些发电机组称调峰机组。因为他用于调节用电的高峰,所以称调峰机组。调峰机组的要求是启动和停止方便快捷,并网时的同步调整容易。一般调峰机组有燃气轮机机组和抽水蓄能机组等等。

电能不能储存,电能的发出和使用是同步的,所以需要多少电量,发电部门就必须同步发出多少电量。电力系统中的用电负荷是经常发生变化的,为了维持有功功率平衡,保持系统频率稳定,需要发电部门相应改变发电机的出力以适应用电负荷的变化,这就叫做调峰。

反调峰顾名思义就是与电网调峰谷负荷工作唱“反调”,实质上是在调峰工作中某些地方电网或电厂出于本身利益和工作方便,不顾全网利益的一种反常行为,他们在电网低谷负荷全网出力过剩时不吸收系统功率,相反还输出功率,抢发电量;而在高峰时因机组电压低,温度高又减其可调出力,其结果非但加重了其他调峰调频厂的压力。

新疆、甘肃等西北省份,大部分的调峰任务都是火电厂承担的,因为这里没有建设水电站的条件,从目前国产锅炉来讲,理论上可以从100%调到30%,也就是说,一台600MW机组,其发电量可以能够从600MW下降到180MW,其调峰能力是420MW,其调峰深度是70%。但是实际上国产锅炉不能满足上述要求,能够满足50%的调峰能力已经是很不错的了。

调峰电厂有燃气轮机机组和抽水蓄能机组等。目前多数采用水力发电厂调峰,因为这两类调峰电厂的性能不同,水力发电厂响应很快,开机、停机比较灵活,而火力发电厂响应较慢,从锅炉起炉到汽轮机并网发电需要好长时间,所以主力调峰电厂就是水力发电厂,在水力发电厂调峰不足或者枯水期的时候,就需要启用火力发电厂进行补充调峰。

水力发电厂的调峰工作状况一般是在用电低谷期,调峰电厂以电能作动力,抽水蓄能将电能转化为可以储存的能量,而当用电高峰期,调峰电厂通过水力发电把储存的能量转化为电能,送入电网。至于火力发电厂的工作状况,就是利用煤、石油、天然气等固体、液体、气体燃料燃烧时产生的热能,通过发电动力装置转换成电能的一种发电方式。

目前有很多企业在大型水电旁边建设大型和特大型光伏电站,2013年世界上最大规模的水光互补光伏电站是——龙羊峡水光互补320兆瓦并网光伏电站。

1.3 热电联产

是指发电厂既生产电能,又利用汽轮发电机做过功的蒸汽对用户供热的生产方式,即同时生产电、热能的工艺过程,较之分别生产电、热能方式节约燃料。以热电联产方式运行的火电厂称为热电厂。对外供热的蒸汽源是抽汽式汽轮机的调整抽汽或背式汽轮机的排汽,压力通常分为0.78~1.28兆帕(MPa)和0.12~0.25MPa两等。前者供工业生产,后者供民用采暖。热电联产的蒸汽没有冷源损失,所以能将热效率提高到85%。

1.4 北方冬季供暖

我们国家是以秦岭——淮河为分界线区分南、北方。北方城市冬天使用暖气取暖。时间一般从11月15日开始,3月15日结束。西北地区提前一个月供暖,推迟1-2个月结束。功能时间长、电网压力较大。

“11月开始,东北地区进入采暖期,占全网装机容量20%以上的火电机组开始供热,机组总体调峰能力大幅下降。”

“运行机组低谷出力按《2009年度辽宁电网运行方式》提供的非常规调峰定额减到最低,新投运大火电机组按50%调峰”

“陕西冬季,平水年调峰不足严重于枯水年,缺额最大的时段仍在12月达到1120MW平水年调峰整体略低于枯水年的主要原因是小水电出力不同,平水年比枯水年冬季小水电出力大10%夏季大30%。由于热电厂冬季不参加调峰,挤占了可调电源的空间,使电网平均调峰能力大大降低。”

以上内容出自电力系统从业专家撰写的论文,每个省的电力系统都在研究如何把快速发展的清洁能源并入电网,而又不影响正常的社会生产、生活用电。

火电厂中常规的凝气式发电机组可以供热,在其中压缸至低压缸的导管上打孔抽汽,可以满足北方民用采暖蒸汽的要求。如果有工业用汽,可以根据其要求在中压缸打孔抽汽。目前这样的供热机组非常多,尤其是处于城市附近的300MW机组,都要求采用上述供热方式。

由于大量火电机组参与了城市供热,导致负荷全满(一边供电、一边供热)能够参加调峰的容量就不够了,所以会限制清洁能源发电。

1.5 算例

上面的内容估计大家看了头疼,也可能不理解。下面我们模拟一个城市的春夏秋冬让大家明白。

某城市有一座发电能力300的发电站,城市春、秋最大和最小用电量为250和150,该城市夏季炎热,制冷(空调)负荷50,冬天有供热负荷(暖气)日间60、夜间100。该城市有50M太阳能电站和50兆瓦风力发电站。

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春、秋天:火力机组50%出力时(备用余量150)可以完全接纳风、光100%的出力。当多云,大风骤停时:光伏出力下降50%、风力发电出力变为0,有75的出力减少,火电站增加发电即可弥补。

夏天:火力机组按照66%出力时(备用余量100)白天也可以完全接纳风、光100%的出力。夜间:光伏不出力,风电满发时,火力机组减小50出力,也可以接纳风力满发。

冬天:火力机组如果全部参加供暖,100%出力,且24小时不减少出力(不参加调峰)。如果不考虑外送的话,电网只能接纳10兆瓦左右的清洁能源出力。剩余90出力都会被限制。如果外送条件好,这些清洁能源出力不会被浪费,但是现实中,风、光资源丰富的地方,也是电网薄弱的对方,城市之间往往离着几百公里,外送的条件不充分。

2.用风、光发电“烧开水”

文献3中介绍了宁夏电力系统的专家针对弃光、弃风问题上提出的方法。

“宁夏电网配合清洁能源调峰的方式主要为火电机组。由于近几年无新建火电项目, 导致清洁能源调峰压力逐年增加。而且网内大量火电机组为供热机组冬季热负荷限制了热电联产机组的调峰容量。在供热系统中引入储热式电锅炉后,可改变热电机组所承担的热负荷与电负荷的比例。清洁能源调峰时, 一方面可以通过无热负荷负担的火电机组调峰;另一方面还可通过电锅炉增加清洁能源电力的消纳,对清洁能源出力实现削峰填谷。”

具体方案为:

(1)负荷低谷期或风电、光伏出力大时,开启电锅炉储热;

(2)火电机组调峰容量不足时,投入电锅炉储热供热,增加火电机组的旋转备用容量;

(3)根据清洁能源的出力变化,及时调整热负荷与电负荷的比例。 当清洁能源出力高于计划值时, 开启储热式电锅炉将热负荷转化为电负荷;在清洁能源出力低于计划值时,关闭储热式电锅炉将电负荷转化为热负荷。

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把文献3的这种方法解释的再通俗一些,以前我们洗澡要用煤锅炉烧热水,现在有很多风电、光电用不完白白浪费了,我们买一个电锅炉烧水,不用煤锅炉了。

文献4中对“风电参加热电联产”做了详细的分析(可同样用于光伏),得出了几点值得思考的结论和建议:

1.风电替代热电联产机组进行供电和供热, 因此, 在国内“ 三北” 地区弃风严重的环境下, 具有明显的节煤效益。其节煤量取决于所接纳的弃风电量及其所替代热电机组的燃料利用效率。

2. 在目前“三北”地区各弃风较为严重的电网中,均具有实施该方案的国民经济可行性,但由于各电网弃风情况不同,最优安装规模也会有所不同。在弃风非常严重的电网中,如蒙西电网,实施该方案将具有显著的节煤效果和经济效益,保守估计经济内部收益率可达到20%以上。

3.由于收益主体和成本主体不同, 该方案的实施需要对热电厂进行合理的经济激励。如热电厂可通过与一些弃风电量较大、 弃风时间较长的风电场签订长期双边合同的方式锁定利用电锅炉的利用小时数以及调峰收益, 从而规避投资风险,达到与风电的共赢。

【1】王芝茗.苏安龙.鲁顺 基于电力平衡的辽宁电网接纳风电能力分析[期刊论文] - 电力系统自动化2010(3)

【2】王乃永.姚金雄.李冰寒.赵淑蓉.张世强. 陕西电网"十二五"期间调峰能力研究[期刊论文] - 陕西电力 2010(6)

【3】张杰.陈磊. 基于热电转换的风、光、火电机组协调性发电调度[期刊论文] - 宁夏电力 2015(1)

【4】吕泉.姜浩.等 基于电锅炉的热电厂消纳风电方案及其国民经济评价[期刊论文] - 电力系统自动化 2014(1)

作者:张喆

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