考虑熔盐储热耦合火电机组改造的沙戈荒新能源基地混合储能优化配置方法
刘天阳1，舒印彪2*，毕天姝1，刘念1，赵良3，黄海威3，赵勇3
(1.新能源电力系统全国重点实验室(华北电力大学)；2. 国家电网有限公司；3. 中国华能集团有限公司能源研究院)
DOI:10.13334/j.0258-8013.pcsee.242001
随着沙戈荒新能源基地大规模开发利用，新能源消纳问题迫在眉睫，对电力系统灵活调节资源提出更高要求。储能系统具有能量时移、快速响应及灵活布置等特点，可有效提升电力系统调节能力，是支撑沙戈荒新能源基地电力外送的关键技术。然而，单一的储能技术难以同时满足响应速度、储能时长等要求，混合储能通过耦合多种类型储能技术，满足多场景应用需求。在众多储能技术中，电化学储能能量密度高、响应速度快，储电时长2~4h，熔盐储热容量大、成本低，储热时长6~15h，二者在储能时长上形成互补，在沙戈荒新能源基地具有广阔的应用前景，如何实现电热混合储能容量合理配置已成为学界的研究热点。
当前，针对沙戈荒新能源基地的熔盐储热研究多局限于光热发电场景，耦合火电机组改造的应用探索较为匮乏。同时，适合系统运行特性分析的数学模型仍较为缺失，无法精确刻画机组与储热系统间的动态交互机理，且现有优化配置模型对煤电机组参与碳交易收益核算有待进一步完善。因此，本研究针对含电化学储能和熔盐储热的沙戈荒新能源基地，分析了熔盐储热耦合火电机组改造的基本原理及能流关系，构建了适合系统运行分析的数学模型。计及碳排放交易对储能配置的影响，建立了沙戈荒新能源基地电热混合储能双层优化配置模型。以内蒙古库布齐沙漠鄂尔多斯某大型新能源基地为例验证所提方法的有效性。该研究可为后续沙戈荒新能源大基地的开发建设运行提供有益借鉴。
1）含电热混合储能的沙戈荒新能源基地架构。
沙戈荒新能源基地系统主要由风力发电、光伏发电、火力发电、电热混合储能和外送输电通道组成，电热混合储能主要由电化学储能和熔盐储热两种形式储能组成，所构建含电热混合储能的沙戈荒新能源基地系统结构如图1所示。基地内部包含电和热两种能量流动过程，其中电力外送需求主要由风力发电、光伏发电、火力发电以及电化学储能通过特高压输电通道来满足，而热能量部分仅限于熔盐储热系统和火电机组内部循环，不考虑向外部系统供热供汽。当新能源出力大于电力外送需求时，一方面，沙戈荒新能源基地可通过电化学储能吸收新能源富余电量；另一方面，沙戈荒新能源基地通过耦合熔盐储热改造的火电机组降低出力深度调峰，促进新能源消纳。当新能源出力小于电力外送需求时，电化学储能释放储存电量，同时熔盐储热释放储存的热量，快速增加火电机组的出力，充分发挥顶峰作用。
图1 含电热混合储能的沙戈荒新能源基地结构图
2）熔盐储热耦合火电机组改造模型。
熔盐储热耦合火电机组改造系统主要由主机模块、充热模块、放热模块和熔盐储热系统模块4部分组成，其中主机模块包括锅炉、汽轮机、凝汽器等设备，充热模块包括再热加热器、过热加热器、相变加热器、预热加热器，放热模块包括过热器、蒸发器、预热器，熔盐储热系统采用双罐熔盐系统，由高温熔盐储罐和低温熔盐储罐组成。熔盐储热耦合火电机组改造系统采用同时抽取主蒸汽和高温再热蒸汽与熔盐换热的工艺流程。为方便描述熔盐储热耦合火电机组改造系统内部的能量流动关系，将系统进一步划分为锅炉燃烧系统、高压蒸汽系统、中低压蒸汽系统、过热系统、再热系统、发电机系统以及熔盐储热系统七部分，并分别建立了数学模型，熔盐储热耦合火电机组系统能流关系如图2所示。
图2 熔盐储热耦合火电机组系统能流关系
3）沙戈荒新能源基地电热混合储能双层优化配置模型。
碳排放权交易是通过市场经济手段来限制温室气体排放的重大制度创新，现阶段我国碳排放权交易产品以碳排放配额为主。本研究采用行业基准法计算碳排放配额，并根据生态环境部发布《企业温室气体排放核算与报告指南 发电设施》中化石燃料燃烧排放核算要求计算火电机组实际碳排放量。双层优化模型包括两个级别的优化任务，下层运行优化嵌套在上层配置优化中，上层配置结果为下层运行优化提供边界条件，上层优化模型的决策变量为电热混合储能额定功率和额定容量，目标函数为全生命周期总成本，包括混合储能投资成本和沙戈荒新能源基地运行成本。下层优化模型的决策变量为火电机组发电功率和混合储能充放电功率，目标函数为运行总成本，其双层优化模型结构图见图3所示。本研究以内蒙古库布齐沙漠鄂尔多斯某大型新能源基地为例，选取春夏秋冬四个典型日的风力发电和光伏发电数据，并以重构96h出力曲线进行模拟分析，根据场景的概率加权获得储能年投资运行和基地运行成本。
图3 双层优化模型结构图
针对含电热混合储能的沙戈荒新能源基地，本研究提出一种考虑熔盐储热耦合火电机组改造的电化学储能和熔盐储热优化配置方法，在满足经济性和新能源合理消纳的基础上，实现沙戈荒新能源基地混合储能合理配置，得到以下结论：
1）沙戈荒新能源基地规模达到千万千瓦级，通过合理优化电化学储能和熔盐储热容量，实现不同类型能源的多能互补，提升系统灵活调节能力，新能源利用率和输电通道可再生能源电量占比可分别达到97.13%、63.51%。
2）所提方法可提高沙戈荒新能源基地火电机组深度调峰能力，基于熔盐储热和火电机组深度耦合的内部能量流动关系，建立了适合沙戈荒新能源基地运行分析的熔盐储热耦合火电机组改造精细化数学模型，相关计算结果更符合实际。
3）将碳排放权交易机制引入到沙戈荒新能源基地储能优化配置问题中，可在基地实际运行中有效控制机组的碳排放量，促进投资建设主体提升碳资产管理能力。未来，随着碳交易价格不断增加，基地总成本将呈现升高趋势。
当前，我国30万、60万、100万千瓦级燃煤机组都可耦合熔盐储热进行灵活性改造，所提方法可适用于百万千瓦级、千万千瓦级风光火储综合能源基地，具有一定的实用性和可扩展性。
引文信息
刘天阳，舒印彪，毕天姝，等．考虑熔盐储热耦合火电机组改造的沙戈荒新能源基地混合储能优化配置方法[J]．中国电机工程学报，2026，46(2)：478-492．
LIU Tianyang，SHU Yinbiao，BI Tianshu，et al．Configuration optimization method of hybrid energy storage for Desert-Gobi-Wasteland renewable energy bases considering retrofit of molten salt heat storage coupled with thermal power units[J]．Proceedings of the CSEE，2026，46(2)：478-492(in Chinese)．
作者介绍
刘天阳，男，工程师，兼任IEC SyC Smart Energy WG2/WG6、CIGRE C1.60及AESIEAP TC WG2等工作组专家，深度参与我国首个千万千瓦级“风光火储”多能互补综合能源基地——陇东能源基地的生产管理和市场营销工作。主要方向为新能源电力系统规划与运行、新型储能应用、电力市场等。
舒印彪，男，通信作者，中国工程院院士，教授级高级工程师，长期从事能源发展战略研究、电网运行与电力系统规划、超/特高压输电重大工程建设和关键技术研发工作，获得国家科学技术进步奖特等奖、国家科学技术进步奖一等奖等多个奖项。
毕天姝，女，教授，博士生导师，杰青、国家级领军人才，IEEE Fellow，主要方向为电力系统保护与控制、广域同步相量测量技术及其应用等。
刘念，男，教授，博士生导师，国家级青年人才入选者，主要方向为智能配用电、新能源并网与优化运行等。
赵良，男，教授级高级工程师，兼职博士生导师，主要从事能源电力战略规划、碳中和理论与技术等研究。
黄海威，男，正高级工程师，长期从事能源电力战略规划、综合能源系统优化规划等研究。
赵勇，男，正高级工程师，主要从事能源发展战略、电力市场化改革等研究。
来源：中国电机工程学报
