淺談“非主流”光伏技術(shù)（八）：關(guān)于限電

“諸多光伏和風(fēng)電電站的上網(wǎng)電量從數(shù)日前正在逐步下滑，12月4日晚上23點(diǎn)，新疆諸多清潔能源電站接到調(diào)令，匯集線路由運(yùn)行轉(zhuǎn)熱備用，停止發(fā)電及向電網(wǎng)輸送電力。新疆的光伏、風(fēng)電運(yùn)營企業(yè)正在面臨從未有過的‘寒冬’，多數(shù)電站將面臨整個冬季無營收的困境?！?/p>

一則限電的新聞，在幾天之內(nèi)被迅速的傳播，業(yè)內(nèi)人事紛紛質(zhì)疑電網(wǎng)的不作為。華北地區(qū)正在遭受霧霾的困擾，為什清潔能源卻被限制發(fā)電？其實(shí)清潔能源被“限發(fā)”由來已久。本文就清潔能源限電問題展開討論。

1．一些概念

我們需要理解的一些概念性的問題，比如清潔能源的間歇性、什么是調(diào)峰、什么是熱備用等等。只有明白這些問題之間的聯(lián)系，才能明白為什電網(wǎng)會這么做。

1．1 清潔能源的間歇性

水利發(fā)電是最早被利用的清潔能源，也是最被電網(wǎng)歡迎的清潔能源，水電主要靠重力勢能變成機(jī)械能推動水輪機(jī)轉(zhuǎn)動，水輪機(jī)轉(zhuǎn)動變成電能。它的最大的特點(diǎn)就是“說發(fā)就發(fā)，說停就?！保娋W(wǎng)要你發(fā)電，只要打開水閘，不讓你發(fā)電，關(guān)閉水閘就好了。水電唯一的問題的是受枯水季節(jié)的限制，比如春、冬季節(jié)降水較少，水電出力（發(fā)電能力）就會變小。

風(fēng)電在我國發(fā)展的時間比光伏早很多，三北地區(qū)的風(fēng)電安裝容量非常大，08年左右風(fēng)電限電問題就非常嚴(yán)重了，風(fēng)電是幾種清潔能源中對電網(wǎng)“最不友好”的一種能源。風(fēng)電的“反調(diào)峰”（完全不能滿足電網(wǎng)調(diào)度）能力非常強(qiáng)、白天用電高峰期，沒風(fēng)不發(fā)電。晚上用電少的時候風(fēng)大了。大電網(wǎng)的電能是不儲存的，用多少發(fā)多少，不然電網(wǎng)就會崩潰，損失是災(zāi)難性的。

光伏大家都了解，白天發(fā)電、晚上不發(fā)電，晴天發(fā)電多、陰天發(fā)電少、多云時波動較大。光伏發(fā)電可以幫助電網(wǎng)在白天經(jīng)行“調(diào)峰”所以是比較友好的一種清潔能源。分布式光伏發(fā)電對電網(wǎng)幾乎沒有影響，大型地面地站扎堆建設(shè)在西北荒漠地帶，對電網(wǎng)就是一種“負(fù)擔(dān)”。

1．2 調(diào)峰

由于用電負(fù)荷是不均勻的。在用電高峰時，負(fù)荷大。此時需要投入在正常運(yùn)行以外的發(fā)電機(jī)組以滿足需求。這些發(fā)電機(jī)組稱調(diào)峰機(jī)組。因?yàn)樗糜谡{(diào)節(jié)用電的高峰，所以稱調(diào)峰機(jī)組。調(diào)峰機(jī)組的要求是啟動和停止方便快捷，并網(wǎng)時的同步調(diào)整容易。一般調(diào)峰機(jī)組有燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組和抽水蓄能機(jī)組等等。

電能不能儲存，電能的發(fā)出和使用是同步的，所以需要多少電量，發(fā)電部門就必須同步發(fā)出多少電量。電力系統(tǒng)中的用電負(fù)荷是經(jīng)常發(fā)生變化的，為了維持有功功率平衡，保持系統(tǒng)頻率穩(wěn)定，需要發(fā)電部門相應(yīng)改變發(fā)電機(jī)的出力以適應(yīng)用電負(fù)荷的變化，這就叫做調(diào)峰。

反調(diào)峰顧名思義就是與電網(wǎng)調(diào)峰谷負(fù)荷工作唱“反調(diào)”，實(shí)質(zhì)上是在調(diào)峰工作中某些地方電網(wǎng)或電廠出于本身利益和工作方便，不顧全網(wǎng)利益的一種反常行為，他們在電網(wǎng)低谷負(fù)荷全網(wǎng)出力過剩時不吸收系統(tǒng)功率，相反還輸出功率，搶發(fā)電量；而在高峰時因機(jī)組電壓低，溫度高又減其可調(diào)出力，其結(jié)果非但加重了其他調(diào)峰調(diào)頻廠的壓力。

新疆、甘肅等西北省份，大部分的調(diào)峰任務(wù)都是火電廠承擔(dān)的，因?yàn)檫@里沒有建設(shè)水電站的條件，從目前國產(chǎn)鍋爐來講，理論上可以從100％調(diào)到30％，也就是說，一臺600MW機(jī)組，其發(fā)電量可以能夠從600MW下降到180MW，其調(diào)峰能力是420MW，其調(diào)峰深度是70％。但是實(shí)際上國產(chǎn)鍋爐不能滿足上述要求，能夠滿足50％的調(diào)峰能力已經(jīng)是很不錯的了。

調(diào)峰電廠有燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組和抽水蓄能機(jī)組等。目前多數(shù)采用水力發(fā)電廠調(diào)峰，因?yàn)檫@兩類調(diào)峰電廠的性能不同，水力發(fā)電廠響應(yīng)很快，開機(jī)、停機(jī)比較靈活，而火力發(fā)電廠響應(yīng)較慢，從鍋爐起爐到汽輪機(jī)并網(wǎng)發(fā)電需要好長時間，所以主力調(diào)峰電廠就是水力發(fā)電廠，在水力發(fā)電廠調(diào)峰不足或者枯水期的時候，就需要啟用火力發(fā)電廠進(jìn)行補(bǔ)充調(diào)峰。

水力發(fā)電廠的調(diào)峰工作狀況一般是在用電低谷期，調(diào)峰電廠以電能作動力，抽水蓄能將電能轉(zhuǎn)化為可以儲存的能量，而當(dāng)用電高峰期，調(diào)峰電廠通過水力發(fā)電把儲存的能量轉(zhuǎn)化為電能，送入電網(wǎng)。至于火力發(fā)電廠的工作狀況，就是利用煤、石油、天然氣等固體、液體、氣體燃料燃燒時產(chǎn)生的熱能，通過發(fā)電動力裝置轉(zhuǎn)換成電能的一種發(fā)電方式。

目前有很多企業(yè)在大型水電旁邊建設(shè)大型和特大型光伏電站，2013年世界上最大規(guī)模的水光互補(bǔ)光伏電站是——龍羊峽水光互補(bǔ)320兆瓦并網(wǎng)光伏電站。

1．3 熱電聯(lián)產(chǎn)

是指發(fā)電廠既生產(chǎn)電能，又利用汽輪發(fā)電機(jī)做過功的蒸汽對用戶供熱的生產(chǎn)方式，即同時生產(chǎn)電、熱能的工藝過程，較之分別生產(chǎn)電、熱能方式節(jié)約燃料。以熱電聯(lián)產(chǎn)方式運(yùn)行的火電廠稱為熱電廠。對外供熱的蒸汽源是抽汽式汽輪機(jī)的調(diào)整抽汽或背式汽輪機(jī)的排汽，壓力通常分為0．78～1．28兆帕（MPa）和0．12～0．25MPa兩等。前者供工業(yè)生產(chǎn)，后者供民用采暖。熱電聯(lián)產(chǎn)的蒸汽沒有冷源損失，所以能將熱效率提高到85％。

1．4 北方冬季供暖

我們國家是以秦嶺——淮河為分界線區(qū)分南、北方。北方城市冬天使用暖氣取暖。時間一般從11月15日開始，3月15日結(jié)束。西北地區(qū)提前一個月供暖，推遲1－2個月結(jié)束。功能時間長、電網(wǎng)壓力較大。

“11月開始，東北地區(qū)進(jìn)入采暖期，占全網(wǎng)裝機(jī)容量20％以上的火電機(jī)組開始供熱，機(jī)組總體調(diào)峰能力大幅下降。”

“運(yùn)行機(jī)組低谷出力按《2009年度遼寧電網(wǎng)運(yùn)行方式》提供的非常規(guī)調(diào)峰定額減到最低，新投運(yùn)大火電機(jī)組按50％調(diào)峰”

“陜西冬季，平水年調(diào)峰不足嚴(yán)重于枯水年，缺額最大的時段仍在12月達(dá)到1120MW平水年調(diào)峰整體略低于枯水年的主要原因是小水電出力不同，平水年比枯水年冬季小水電出力大10％夏季大30％。由于熱電廠冬季不參加調(diào)峰，擠占了可調(diào)電源的空間，使電網(wǎng)平均調(diào)峰能力大大降低。”

以上內(nèi)容出自電力系統(tǒng)從業(yè)專家撰寫的論文，每個省的電力系統(tǒng)都在研究如何把快速發(fā)展的清潔能源并入電網(wǎng)，而又不影響正常的社會生產(chǎn)、生活用電。

火電廠中常規(guī)的凝氣式發(fā)電機(jī)組可以供熱，在其中壓缸至低壓缸的導(dǎo)管上打孔抽汽，可以滿足北方民用采暖蒸汽的要求。如果有工業(yè)用汽，可以根據(jù)其要求在中壓缸打孔抽汽。目前這樣的供熱機(jī)組非常多，尤其是處于城市附近的300MW機(jī)組，都要求采用上述供熱方式。

由于大量火電機(jī)組參與了城市供熱，導(dǎo)致負(fù)荷全滿（一邊供電、一邊供熱）能夠參加調(diào)峰的容量就不夠了，所以會限制清潔能源發(fā)電。

1．5 算例

上面的內(nèi)容估計大家看了頭疼，也可能不理解。下面我們模擬一個城市的春夏秋冬讓大家明白。

某城市有一座發(fā)電能力300的發(fā)電站，城市春、秋最大和最小用電量為250和150，該城市夏季炎熱，制冷（空調(diào)）負(fù)荷50，冬天有供熱負(fù)荷（暖氣）日間60、夜間100。該城市有50M太陽能電站和50兆瓦風(fēng)力發(fā)電站。

春、秋天火力機(jī)組50％出力時（備用余量150）可以完全接納風(fēng)、光100％的出力。當(dāng)多云，大風(fēng)驟停時光伏出力下降50％、風(fēng)力發(fā)電出力變?yōu)?，有75的出力減少，火電站增加發(fā)電即可彌補(bǔ)。

夏天火力機(jī)組按照66％出力時（備用余量100）白天也可以完全接納風(fēng)、光100％的出力。夜間光伏不出力，風(fēng)電滿發(fā)時，火力機(jī)組減小50出力，也可以接納風(fēng)力滿發(fā)。

冬天火力機(jī)組如果全部參加供暖，100％出力，且24小時不減少出力（不參加調(diào)峰）。如果不考慮外送的話，電網(wǎng)只能接納10兆瓦左右的清潔能源出力。剩余90出力都會被限制。如果外送條件好，這些清潔能源出力不會被浪費(fèi)，但是現(xiàn)實(shí)中，風(fēng)、光資源豐富的地方，也是電網(wǎng)薄弱的對方，城市之間往往離著幾百公里，外送的條件不充分。

2．用風(fēng)、光發(fā)電“燒開水”

文獻(xiàn)3中介紹了寧夏電力系統(tǒng)的專家針對棄光、棄風(fēng)問題上提出的方法。

“寧夏電網(wǎng)配合清潔能源調(diào)峰的方式主要為火電機(jī)組。由于近幾年無新建火電項目， 導(dǎo)致清潔能源調(diào)峰壓力逐年增加。而且網(wǎng)內(nèi)大量火電機(jī)組為供熱機(jī)組冬季熱負(fù)荷限制了熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的調(diào)峰容量。在供熱系統(tǒng)中引入儲熱式電鍋爐后，可改變熱電機(jī)組所承擔(dān)的熱負(fù)荷與電負(fù)荷的比例。清潔能源調(diào)峰時， 一方面可以通過無熱負(fù)荷負(fù)擔(dān)的火電機(jī)組調(diào)峰；另一方面還可通過電鍋爐增加清潔能源電力的消納，對清潔能源出力實(shí)現(xiàn)削峰填谷。”

具體方案為

（1）負(fù)荷低谷期或風(fēng)電、光伏出力大時，開啟電鍋爐儲熱；

（2）火電機(jī)組調(diào)峰容量不足時，投入電鍋爐儲熱供熱，增加火電機(jī)組的旋轉(zhuǎn)備用容量；

（3）根據(jù)清潔能源的出力變化，及時調(diào)整熱負(fù)荷與電負(fù)荷的比例。 當(dāng)清潔能源出力高于計劃值時， 開啟儲熱式電鍋爐將熱負(fù)荷轉(zhuǎn)化為電負(fù)荷；在清潔能源出力低于計劃值時，關(guān)閉儲熱式電鍋爐將電負(fù)荷轉(zhuǎn)化為熱負(fù)荷。

把文獻(xiàn)3的這種方法解釋的再通俗一些，以前我們洗澡要用煤鍋爐燒熱水，現(xiàn)在有很多風(fēng)電、光電用不完白白浪費(fèi)了，我們買一個電鍋爐燒水，不用煤鍋爐了。

文獻(xiàn)4中對“風(fēng)電參加熱電聯(lián)產(chǎn)”做了詳細(xì)的分析（可同樣用于光伏），得出了幾點(diǎn)值得思考的結(jié)論和建議

1．風(fēng)電替代熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組進(jìn)行供電和供熱， 因此， 在國內(nèi)“ 三北” 地區(qū)棄風(fēng)嚴(yán)重的環(huán)境下， 具有明顯的節(jié)煤效益。其節(jié)煤量取決于所接納的棄風(fēng)電量及其所替代熱電機(jī)組的燃料利用效率。

2． 在目前“三北”地區(qū)各棄風(fēng)較為嚴(yán)重的電網(wǎng)中，均具有實(shí)施該方案的國民經(jīng)濟(jì)可行性，但由于各電網(wǎng)棄風(fēng)情況不同，最優(yōu)安裝規(guī)模也會有所不同。在棄風(fēng)非常嚴(yán)重的電網(wǎng)中，如蒙西電網(wǎng)，實(shí)施該方案將具有顯著的節(jié)煤效果和經(jīng)濟(jì)效益，保守估計經(jīng)濟(jì)內(nèi)部收益率可達(dá)到20％以上。

3．由于收益主體和成本主體不同， 該方案的實(shí)施需要對熱電廠進(jìn)行合理的經(jīng)濟(jì)激勵。如熱電廠可通過與一些棄風(fēng)電量較大、 棄風(fēng)時間較長的風(fēng)電場簽訂長期雙邊合同的方式鎖定利用電鍋爐的利用小時數(shù)以及調(diào)峰收益， 從而規(guī)避投資風(fēng)險，達(dá)到與風(fēng)電的共贏。

【1】王芝茗．蘇安龍．魯順 基于電力平衡的遼寧電網(wǎng)接納風(fēng)電能力分析［期刊論文］ － 電力系統(tǒng)自動化2010（3）

【2】王乃永．姚金雄．李冰寒．趙淑蓉．張世強(qiáng)． 陜西電網(wǎng)＂十二五＂期間調(diào)峰能力研究［期刊論文］ － 陜西電力 2010（6）

【3】張杰．陳磊． 基于熱電轉(zhuǎn)換的風(fēng)、光、火電機(jī)組協(xié)調(diào)性發(fā)電調(diào)度［期刊論文］ － 寧夏電力 2015（1）

【4】呂泉．姜浩．等 基于電鍋爐的熱電廠消納風(fēng)電方案及其國民經(jīng)濟(jì)評價［期刊論文］ － 電力系統(tǒng)自動化 2014（1）

作者張喆