張瑞山, 袁 琛, 鄭莆燕, 趙明忠, 葛智平

(1.國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院 火力發(fā)電技術(shù)研究所, 甘肅 蘭州 730070; 2.上海電力學(xué)院 能源與機(jī)械工程學(xué)院, 上海 200090)

提高清潔能源的比例已經(jīng)被提升為國(guó)家戰(zhàn)略。國(guó)家能源局提出到2050年新能源發(fā)電比例超過(guò)50%,使風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電等可再生能源呈現(xiàn)快速發(fā)展勢(shì)頭。由于可再生能源,特別是風(fēng)能、太陽(yáng)能等具有隨機(jī)性、間歇性、出力變化快等特點(diǎn),因此新能源的大規(guī)模集中并網(wǎng),增加了電網(wǎng)的調(diào)峰難度[1]。當(dāng)前大規(guī)?？稍偕茉窗l(fā)電基地消納和送出能力不足的問題日趨突出,通過(guò)政府、電源側(cè)和電網(wǎng)側(cè)的共同協(xié)調(diào),棄風(fēng)棄光問題得到了一定程度的緩解,但仍然較為嚴(yán)重。根據(jù)國(guó)家能源局統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),2018年全國(guó)電網(wǎng)平均棄風(fēng)率為7.0%,棄光率為2.8%～6.0%,個(gè)別省份棄風(fēng)棄光率超過(guò)10%[2]。因此,在目前整個(gè)電力系統(tǒng)其他調(diào)峰方式(燃機(jī)、水電、儲(chǔ)能)調(diào)節(jié)量較小的情況下,發(fā)電比例占主導(dǎo)地位的傳統(tǒng)火電機(jī)組成為深度調(diào)峰的主力。深入分析大規(guī)?？稍偕茉匆牒箅娋W(wǎng)調(diào)峰需求的變化,了解火電機(jī)組進(jìn)行靈活性改造的可行技術(shù),探究電力市場(chǎng)進(jìn)行深度調(diào)峰的相關(guān)政策,找出存在的問題,在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高對(duì)風(fēng)光發(fā)電的消納,是迫切需要解決的問題。

1 調(diào)峰需求

1.1 用戶用電量的變化

根據(jù)中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)的年度電力統(tǒng)計(jì)基本數(shù)據(jù)可知[3],近5年來(lái),我國(guó)用電量逐年增加,如圖1所示。由圖1可知,全國(guó)用電量從2014年的55 636億kWh增至2018年的68 449億kWh時(shí),年均增長(zhǎng)率為5.10%。在所有類別中,以工業(yè)為主的第二產(chǎn)業(yè)用電占主導(dǎo)地位,但呈逐年下降的趨勢(shì),2018年降至總用電量的69.01%。而第三產(chǎn)業(yè)和城鎮(zhèn)居民用電量的占比呈逐年上升的趨勢(shì),至2018年接近30%,這種變化使得各電網(wǎng)峰谷差日趨增大。

圖1 近5年全國(guó)用電量變化

此外,由于各地區(qū)的人口、面積和經(jīng)濟(jì)發(fā)展不均衡,因此用電量的差異也很大。根據(jù)2018年國(guó)家電網(wǎng)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可得,各地區(qū)用電量占全國(guó)用電量的比例如圖2所示。圖2中,華東地區(qū)的用電量占全國(guó)總用電量的35.70%,而西北和西南地區(qū)占比約為10%,東北地區(qū)不足6%。

圖2 2018年全國(guó)各地區(qū)用電量占比

1.2 電源結(jié)構(gòu)的變化

近5年來(lái),我國(guó)每年的電網(wǎng)裝機(jī)容量和總發(fā)電量均逐年增加,具體如圖3所示。

圖3 近5年我國(guó)每年的電網(wǎng)裝機(jī)容量和總發(fā)電量

由圖3可知,至2018年全網(wǎng)總裝機(jī)容量達(dá)到了189 967萬(wàn)kW,發(fā)電量達(dá)到了69 940億kWh,年均增長(zhǎng)率分別為8.61%和5.44%。裝機(jī)容量的增長(zhǎng)率不僅高于總發(fā)電量的增長(zhǎng)率,也高于全國(guó)用電總量的年均增長(zhǎng)率,這就加劇了電力行業(yè)產(chǎn)能過(guò)剩的現(xiàn)象。

根據(jù)中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)的年度電力統(tǒng)計(jì)基本數(shù)據(jù)[3]可得,近5年我國(guó)各類發(fā)電機(jī)組的裝機(jī)容量占比和年發(fā)電量占比情況如圖4所示。

圖4 近5年我國(guó)各類發(fā)電機(jī)組的裝機(jī)容量占比和年發(fā)電量占比

由圖4(a)可知:風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電的裝機(jī)容量在電網(wǎng)中的占比逐年提高,至2018年達(dá)到18.89%,而且增長(zhǎng)速度最快,近5年平均年增長(zhǎng)率超過(guò)31%;核電裝機(jī)容量占比最小,2018年占電網(wǎng)總裝機(jī)容量的2.35%,但近5年平均年增長(zhǎng)率超過(guò)25%;而火電和水電的裝機(jī)容量占比逐年下降,2018年分別降至60.20%和18.54%,近5年平均年增長(zhǎng)率相對(duì)較低,分別為5.64%和4.69%。圖4(b)表明,近5年各類發(fā)電機(jī)組年發(fā)電量占比的變化與裝機(jī)容量變化趨勢(shì)基本相同。其中:核電機(jī)組主要帶基本負(fù)荷,設(shè)備利用小時(shí)數(shù)較高,年發(fā)電量占比高于裝機(jī)容量占比,如2018年發(fā)電量占比為4.21%,超出裝機(jī)容量占比1.86個(gè)百分點(diǎn);風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電則由于一次能源波動(dòng)大,且電網(wǎng)消納能力低,棄風(fēng)棄光嚴(yán)重,年發(fā)電量占比遠(yuǎn)低于裝機(jī)容量占比,2018年發(fā)電量占比為7.77%,低于裝機(jī)容量占比11.12個(gè)百分點(diǎn);火電則因承擔(dān)電網(wǎng)的調(diào)峰任務(wù),彌補(bǔ)風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電負(fù)調(diào)峰的影響,年發(fā)電量占比高于裝機(jī)容量占比,2018年發(fā)電量占比為70.39%,超出裝機(jī)容量占比10.19個(gè)百分點(diǎn);水電的年發(fā)電量占比與裝機(jī)容量占比基本持平,相差不到1個(gè)百分點(diǎn)。

此外,我國(guó)風(fēng)能資源的地理分布非常不均勻,風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量差別也較大,具體如表1所示。根據(jù)全國(guó)第3次風(fēng)能資源普査數(shù)據(jù)[4]和國(guó)家能源局統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[5],全國(guó)風(fēng)力資源理論蘊(yùn)藏量為432 773萬(wàn)kW,風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量為20 953.2萬(wàn)kW。其中,西北和華北地區(qū)的風(fēng)力資源理論蘊(yùn)藏量占全國(guó)總量的57%以上;截至2018年底,西北和華北地區(qū)的風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量則占了全國(guó)總量的54%以上。

表1 全國(guó)第3次風(fēng)能資源普査數(shù)據(jù) 萬(wàn)kW

張乾等人[6]的研究表明,太陽(yáng)能資源適宜開發(fā)的情況在各地區(qū)的分布也是非常不均勻的:西北地區(qū)的適宜區(qū)占全國(guó)的53.0%,非常適宜區(qū)占全國(guó)的47.3%,累計(jì)光伏電站裝機(jī)容量占全國(guó)的45.6%;西南地區(qū)的非常適宜區(qū)與西北地區(qū)相當(dāng),但由于西藏的開發(fā)程度落后,因此該地區(qū)的太陽(yáng)能光伏發(fā)電量相對(duì)較少。

由于全國(guó)用電分布和風(fēng)電太陽(yáng)能發(fā)電分布的不均勻和不對(duì)稱,西北地區(qū)風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電的兩個(gè)大省甘肅與新疆,棄風(fēng)率分別為19.0%和22.9%,棄光率分別為10.0%和16.0%,是全國(guó)棄風(fēng)棄光率最高的兩個(gè)省[2]。因此,在大力發(fā)展風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電的形勢(shì)下,必須要實(shí)現(xiàn)跨網(wǎng)消納風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電。

2 深度調(diào)峰技術(shù)

火電機(jī)組靈活性技術(shù)主要包括靈活和深度兩個(gè)方面。靈活是指機(jī)組具有更快的變負(fù)荷速率、更高的負(fù)荷調(diào)節(jié)精度及更好的一次調(diào)頻性能;深度是指機(jī)組具有更寬的負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍,負(fù)荷下限從原來(lái)的50%額定負(fù)荷下調(diào)至30%,甚至更低。靈活性改造主要涉及鍋爐、汽機(jī)、輔機(jī)、控制系統(tǒng)等多個(gè)方面,并影響電廠生產(chǎn)過(guò)程中的污染物排放,同時(shí)還需要考慮設(shè)備的安全運(yùn)行。

2.1 控制系統(tǒng)及運(yùn)行優(yōu)化技術(shù)

在參與電網(wǎng)調(diào)峰的過(guò)程中,確保機(jī)組運(yùn)行安全性和經(jīng)濟(jì)性的同時(shí),機(jī)組響應(yīng)電網(wǎng)需求的速度和穩(wěn)定性對(duì)機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)和AGC控制方式提出了很高的要求?？刂葡到y(tǒng)及運(yùn)行優(yōu)化技術(shù)主要包括DCS控制系統(tǒng)性能優(yōu)化、AGC協(xié)調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化控制技術(shù)、過(guò)熱和再熱汽溫優(yōu)化控制技術(shù)、低負(fù)荷下機(jī)組控制與邏輯保護(hù)梳理、機(jī)組快速啟停技術(shù)等[7-9]。

2.2 鍋爐側(cè)火電靈活性改造技術(shù)

燃煤機(jī)組鍋爐的靈活性改造主要是提高鍋爐變負(fù)荷深度和變負(fù)荷速率、改善鍋爐快速啟停能力和確保鍋爐運(yùn)行的環(huán)保要求,與鍋爐爐型、燃煤品質(zhì)、輔機(jī)配置以及運(yùn)行控制等眾多因素有關(guān),包括點(diǎn)火穩(wěn)燃技術(shù)、燃燒器改造技術(shù)、制粉系統(tǒng)改造技術(shù)、快速啟動(dòng)技術(shù)、深度調(diào)峰燃燒優(yōu)化技術(shù)、寬負(fù)荷脫硝改造技術(shù)以及輔助配套系統(tǒng)改造技術(shù)等[10-12]。

2.3 汽機(jī)側(cè)火電靈活性改造技術(shù)

燃煤機(jī)組汽輪機(jī)系統(tǒng)的靈活性改造主要是提高汽輪機(jī)系統(tǒng)低負(fù)荷時(shí)的運(yùn)行效率和滿足電網(wǎng)調(diào)峰快速響應(yīng)的要求。前者包括汽機(jī)本體、回?zé)岢槠到y(tǒng)、凝結(jié)水系統(tǒng)和給水系統(tǒng)的改造,后者包括主調(diào)閥預(yù)節(jié)流調(diào)峰、凝水調(diào)頻、回?zé)嵯到y(tǒng)調(diào)峰等[11-12]。

2.4 熱電解耦技術(shù)

我國(guó)北方地區(qū)有相當(dāng)數(shù)量的燃煤供熱機(jī)組,冬季這些機(jī)組因供熱而無(wú)法參與有效調(diào)峰,極大地削弱了電網(wǎng)消納風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電的能力。熱電解耦技術(shù)是指采取一定措施,將發(fā)電和供熱在一定程度上分離,使供熱機(jī)組的發(fā)電部分可以參與電網(wǎng)調(diào)峰。目前,熱電解耦技術(shù)主要包括蓄熱調(diào)峰系統(tǒng)技術(shù)、梯級(jí)加熱技術(shù)、電鍋爐供熱技術(shù)、低壓缸零出力技術(shù)、髙壓缸切除運(yùn)行和余熱回收供熱技術(shù)等[12-14]。

上述各類技術(shù)中,控制系統(tǒng)及運(yùn)行優(yōu)化技術(shù)投資少、見效快,應(yīng)用較為廣泛。以甘肅省電網(wǎng)為例,在控制系統(tǒng)及運(yùn)行優(yōu)化完成后,統(tǒng)調(diào)火電機(jī)組的調(diào)峰深度均已降至50%以下。若要進(jìn)一步加大調(diào)峰深度,則需要在鍋爐側(cè)和汽機(jī)側(cè)進(jìn)行較大的技術(shù)改造。這不僅增加了靈活性改造的投資成本,而且在過(guò)低負(fù)荷下導(dǎo)致機(jī)組效率下降和存在安全隱患[12],也使得深度調(diào)峰的運(yùn)行成本不僅要考慮燃料成本的增加,還需要考慮機(jī)組損耗和維護(hù)成本的增加。

文獻(xiàn)[15]中對(duì)湖南省內(nèi)的300 MW和600 MW機(jī)組深度調(diào)峰時(shí)增加的供電運(yùn)行成本進(jìn)行了研究,考慮了主機(jī)壽命增加成本和運(yùn)維增加成本之后,在湖南省當(dāng)前的補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)下,300 MW機(jī)組基本處于虧損狀態(tài),600 MW 機(jī)組在接近30%負(fù)荷率時(shí)有可能實(shí)現(xiàn)盈虧平衡,就啟停調(diào)峰補(bǔ)貼而言,火電機(jī)組仍處于虧損狀態(tài)。因此,火電廠在進(jìn)一步深度調(diào)峰改造方面仍舊顧慮重重。在通過(guò)技術(shù)研發(fā)降低火電廠靈活性改造的投入成本和運(yùn)行成本的同時(shí),也要通過(guò)有效的市場(chǎng)調(diào)節(jié)策略,使火電企業(yè)在采用先進(jìn)調(diào)峰技術(shù)時(shí)的投入產(chǎn)出更加合理,促使企業(yè)主動(dòng)開發(fā)和應(yīng)用更有效的靈活性改造技術(shù)。

3 電力市場(chǎng)的調(diào)峰政策

電力市場(chǎng)是指通過(guò)法律、經(jīng)濟(jì)等手段,以公平、公正、競(jìng)爭(zhēng)、互利為原則,將電力產(chǎn)業(yè)中發(fā)電、輸電、配電以及相關(guān)的其他配套售后服務(wù)等服務(wù)過(guò)程的交易各方組織起來(lái)所形成的電力商品買賣關(guān)系的總和[16]。調(diào)峰輔助服務(wù)作為一種特殊的商品應(yīng)該獲得像普通商品一樣的價(jià)值,需要對(duì)調(diào)峰輔助服務(wù)的成本和價(jià)格進(jìn)行市場(chǎng)核算,并給予相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償,以便提高火電廠提供優(yōu)質(zhì)高效的調(diào)峰輔助服務(wù)的積極性。

目前,電力輔助市場(chǎng)提供的調(diào)峰輔助服務(wù)包括基本(義務(wù))調(diào)峰服務(wù)和有償調(diào)峰服務(wù)兩種。調(diào)動(dòng)機(jī)組參與深度調(diào)峰的經(jīng)濟(jì)杠桿是有償調(diào)峰服務(wù),主要包括實(shí)時(shí)深度調(diào)峰、電力儲(chǔ)能調(diào)峰、火電調(diào)停備用交易、火電應(yīng)急啟停調(diào)峰、跨省調(diào)峰等交易品種。由于國(guó)內(nèi)各電網(wǎng)電力市場(chǎng)的發(fā)展程度不一樣,源-網(wǎng)-荷特點(diǎn)不同,交易品種也有所差異。

3.1 深度調(diào)峰補(bǔ)貼

我國(guó)現(xiàn)行的調(diào)峰輔助服務(wù)政策主要是對(duì)機(jī)組達(dá)到深度調(diào)峰后,在深度調(diào)峰時(shí)間段內(nèi)補(bǔ)償機(jī)組相應(yīng)的損失電量。在深度調(diào)峰交易中,普遍采用階梯式報(bào)價(jià)方式和價(jià)格機(jī)制,發(fā)電企業(yè)在不同時(shí)期分檔浮動(dòng)報(bào)價(jià),不同區(qū)域的分檔方式及報(bào)價(jià)上下限略有不同。

目前大部分省級(jí)電網(wǎng)的階梯報(bào)價(jià)為:在40%≤火電廠負(fù)荷率<50%時(shí)為第1檔;在火電廠負(fù)荷率<40%時(shí)為第2檔。表2為《甘肅省電力輔助服務(wù)市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)規(guī)則(試行)》中火電廠深度調(diào)峰交易報(bào)價(jià)。

表2 甘肅省火電廠深度調(diào)峰交易報(bào)價(jià)(元·kWh-1)

對(duì)于采用靈活性改造技術(shù)將調(diào)峰深度降至30%以下的火電廠來(lái)說(shuō),獲得的調(diào)峰補(bǔ)貼與調(diào)峰深度在30%～40%時(shí)相同,缺乏進(jìn)一步改造的動(dòng)力與經(jīng)濟(jì)支持,因此有必要改進(jìn)階梯報(bào)價(jià)的現(xiàn)有分檔。

3.2 調(diào)峰補(bǔ)貼來(lái)源

根據(jù)電監(jiān)市場(chǎng)《并網(wǎng)發(fā)電場(chǎng)輔助服務(wù)管理暫行辦法》,各區(qū)域按照專門記賬、收支平衡、適當(dāng)補(bǔ)償?shù)脑瓌t,建立輔助服務(wù)補(bǔ)償機(jī)制,發(fā)電廠所有考核費(fèi)用全部用于補(bǔ)償提供有償調(diào)峰服務(wù)的電廠。以省(市)為單位實(shí)行收支平衡,調(diào)峰輔助服務(wù)補(bǔ)償費(fèi)用不足(富余)部分按各電廠實(shí)際上網(wǎng)電量比例分?jǐn)?且分?jǐn)偨痤~均設(shè)置上限。

以甘肅省為例,實(shí)時(shí)深度調(diào)峰交易的購(gòu)買方是風(fēng)電、光伏、水電以及出力未減到有償調(diào)峰基準(zhǔn)的火電機(jī)組。當(dāng)火電機(jī)組均已達(dá)到深度調(diào)峰基本要求時(shí),則補(bǔ)償費(fèi)用主要由風(fēng)電廠、光伏電站和水電站分?jǐn)?。?dāng)全部參與分?jǐn)偟陌l(fā)電企業(yè)支付費(fèi)用均達(dá)到上限后,實(shí)時(shí)深度調(diào)峰費(fèi)用仍存在缺額時(shí),缺額部分由參與深度調(diào)峰的火電廠在其獲得深度調(diào)峰補(bǔ)貼的費(fèi)用中消減。這樣,隨著參與深度調(diào)峰的火電企業(yè)逐步增多,火電企業(yè)的深度調(diào)峰收益反而下降。但如果新能源發(fā)電量增大,其收益能夠支付足夠的調(diào)峰費(fèi)用,則這一問題可以緩解。

3.3 跨省調(diào)峰

近年來(lái),隨著遠(yuǎn)距離、大容量輸電線路建設(shè)的完善,我國(guó)的跨省電力交易量逐年增長(zhǎng),對(duì)消納清潔能源起到了較大的促進(jìn)作用[17]。通過(guò)建設(shè)跨省調(diào)峰輔助服務(wù)市場(chǎng),實(shí)現(xiàn)資源在更大范圍內(nèi)的優(yōu)化配置,通過(guò)大電網(wǎng)互濟(jì)促進(jìn)新能源消納,從而實(shí)現(xiàn)新能源電量上網(wǎng)和火電企業(yè)盈利的共贏。

然而,由于各地電力市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)條件不同,并不是所有地區(qū)的電力市場(chǎng)都引入了跨省調(diào)峰服務(wù)。風(fēng)力和太陽(yáng)能發(fā)電資源最為豐富的西北地區(qū)5省輔助電力市場(chǎng)運(yùn)行中均未引入跨省深度調(diào)峰。該地區(qū)火電容量有限,當(dāng)?shù)赜秒娏坎蛔?想要消納更多的風(fēng)電和太陽(yáng)能光伏發(fā)電必須依靠跨省調(diào)峰服務(wù),這不僅需要解決調(diào)峰技術(shù)上的問題,也必須打破省間電力市場(chǎng)壁壘的阻礙。

4 結(jié) 論

電網(wǎng)消納更多的風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程,不僅取決于電廠和電網(wǎng)技術(shù)方案的可行性,而且還涉及行政管理、政府政策和市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)等多方面內(nèi)容,需要多方協(xié)調(diào)規(guī)劃、不斷改進(jìn)。

(1) 在政府方面,需要協(xié)調(diào)風(fēng)電和火電的發(fā)展速度,制定合理的發(fā)展計(jì)劃,促進(jìn)各方協(xié)作,建立合理的市場(chǎng)規(guī)則。

(2) 火電廠需要從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)角度分析機(jī)組深度調(diào)峰成本,不斷進(jìn)行技術(shù)改造,降低靈活性改造的投入成本和深度調(diào)峰的運(yùn)行成本,提高參與電網(wǎng)深度調(diào)峰的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

(3) 電網(wǎng)公司需要提高電網(wǎng)調(diào)度水平和電力輸送能力,增加跨省深度調(diào)峰的可靠性,提高全國(guó)電網(wǎng)消納風(fēng)電和太陽(yáng)能光伏發(fā)電的能力。

(4) 電力市場(chǎng)規(guī)則制定方面,需要打破各地區(qū)電力市場(chǎng)深度調(diào)峰交易的壁壘,進(jìn)一步細(xì)分調(diào)峰階梯定價(jià),促進(jìn)發(fā)電企業(yè)采用更多的靈活性改造技術(shù)。