未来电网中热能存储系统的集成策略及可行性评估

《Journal of Energy Storage》：Integration strategies and feasibility assessment of thermal energy storage systems in future power grids

　　•提出了一种混合热能储存系统的结构配置和运行策略。
•混合热能储存系统能有效提升机组的削峰能力和运行效率。
•混合储能系统提升削峰能力，最高可达89.262兆瓦。
•混合方案的最大等效往返效率为48.84%。
•等效平准化度电成本可低至0.421美元/千瓦时，投资回收期最短为4.1年。

引言

随着可再生能源并网比例持续上升，电力系统的运行模式正经历深刻变革。到2025年，可再生能源占全球发电量的35%，而中国新增可再生能源装机容量占全国新增发电装机总容量的47.7%[1]。风电和太阳能等间歇性电源的大规模并网加剧了电网负荷的波动，对传统燃煤电厂的运行灵活性提出了更高要求[2]。然而，由于锅炉与汽轮机之间强烈的热电耦合，以及燃烧稳定性和汽轮机安全性的约束，燃煤电厂通常表现出有限的负荷调节能力和相对较慢的负荷响应速度。长时高容量热能储存技术可以改善火电机组的热电解耦特性，是解决这一问题的有效途径[3]。

在能源转型的背景下，中国正在积极构建清洁低碳、安全高效的能源体系。一方面，严格控制化石能源消费；另一方面，大力推动可再生能源替代行动[4]。然而，随着可再生能源并网规模不断扩大，可再生能源固有的波动性和间歇性日益突出，给现有电力系统带来严峻挑战[5]。因此，在转型期间，提升现有燃煤电厂的削峰能力对于支撑大规模可再生能源消纳仍然至关重要。

储能系统已使用数百年，并经过不断改进达到当前的发展水平。储能技术体系涵盖多种技术路径，主要包括电化学储能、电池储能、热能储存、热化学储能、飞轮储能、压缩空气储能、抽水蓄能、磁储能、化学储能和氢储能[6]。与电化学储能和其他储能技术相比，热能储存在大规模部署、相对较低的成本、运行安全性以及与现有热力系统的兼容性方面具有优势[7]。特别是，熔盐储能技术在燃煤电厂灵活性改造背景下日益受到关注[8]。该技术通过将来自可再生能源和化石能源的部分能量稳定储存在储热装置中，从而有效平衡峰谷负荷，实现发电机组的灵活削峰[9]。

近年来，为改善燃煤机组的热电解耦能力，已提出多种燃煤电厂-热能储存配置方案。根据热源和耦合方式，现有研究通常可分为三类：蒸汽驱动热能储存系统、电锅炉辅助热能储存系统以及涉及蒸汽源和电热转换的混合热能储存系统。在蒸汽驱动热能储存系统中，从热力系统中抽取高温蒸汽用于加热储热介质[5]。Wang等[10]通过抽取主蒸汽或再热蒸汽进行储热，循环蒸汽返回低压汽轮机或凝汽器，提出了四种集成模式，实现了最高36.25%的往返效率和机组最低负荷的14.23%。Gong等[11]研究了主蒸汽和再热蒸汽作为热源对系统削峰性能的影响。主蒸汽方案显示削峰容量增加28.6%，明确表明了热源选择对系统性能的显著影响。Zhang等[12]构建了三种使用再热蒸汽进行一级显热和二级显热或潜热储存的储热配置方案，使燃煤机组的最低负荷降至17.64%。Zou等[13]研究了一种涉及抽取再热蒸汽并将抽取蒸汽再循环至凝汽器的储热方案。在此配置下，系统热效率可达25%，但性能因机组规模和运行策略而异。Zhang等[14]提出了一种基于燃煤电厂内集成多热源的新型熔盐储热系统，将燃煤电厂最低负荷降至14.51%。Xue等[15]研究了将熔盐炉与高炉煤气热电联产系统集成系统的储能和削峰能力以及经济可行性。Ma等[16]探讨了多类型熔盐组合和系统结构优化，提出了平衡深度削峰和热力性能的改造方案。这提高了燃煤机组的灵活性，实现了机组出力的有效调节。Lv等[17]研究了二次三罐熔盐储热系统与高太阳能辅助燃煤机组的集成，展示了提升削峰能力和减少碳排放的潜力。Xue等[18]构建了一种燃煤机组耦合系统，集成了高温和低温熔盐储热，拓宽了储热温度范围。系统等效往返效率达到54.69%，?效率达到37.43%。

这些研究证实了蒸汽驱动充电热能储存系统的技术可行性。然而，不同蒸汽源的热力学特性和运行影响差异显著。主蒸汽通常具有最高的压力和温度，适用于高温储热，但其抽取可能导致较大的汽轮机功率损失。再热蒸汽具有相对较高的温度和较低的压力，适用于中高温储热，而较低品位的抽汽主要适用于低中温加热过程。因此，热源的选择直接影响能量品位匹配、削峰深度、汽轮机功率损失、往返效率和经济效益。然而，在系统边界、耦合假设以及蒸汽抽取引起的汽轮机功率损失处理方面仍存在显著差异，这削弱了不同方案热力学和经济结果的可比性。此外，大多数现有蒸汽驱动热能储存配置依赖于固定的抽取位置或单一主导热源，因此缺乏对不同能量品位蒸汽源的协同利用和动态调节能力。

然而，受限于锅炉和汽轮机的安全运行极限，最低电力负荷仍维持在25%左右，不足以适应可再生能源的快速增长。因此，电锅炉提供了热能储存充电的另一条可行途径，通过直接将电能转化为热能。与蒸汽抽取相比，电锅炉具有更快的响应特性、更高的运行灵活性，并能在低谷负荷或弃电期间吸收多余的可再生电力。Chen等[19]通过引入电锅炉和储热罐增强了热电联产机组的灵活性。通过对储热罐充电过程的详细建模，他们提出了综合电热能源系统集中调度的线性模型，实现了更有效的风电整合。Nielsen[20]和Cho[21]的研究证实了电热转换技术在燃煤电厂中增强短期灵活性的效果，但该技术对此类应用的整体改进潜力仍有待优化。Yu等[22]表明，在热电联产设施的电厂侧部署电锅炉可提高风能和太阳能的利用率，使更多可再生能源融入系统。他们还发现，电锅炉在消纳风能和太阳能方面优于储热系统。Li等[23]开发了配备储热和电锅炉的热电联产机组风电整合调度模型，在弃风期间显著降低了机组出力。Wang等[24]将电加热设备和储热系统引入综合能源系统，并提出了一种两级经济调度模型，以确定附加电加热和储热系统的最优配置。Liu等[25]采用两种典型的热电解耦技术——储热和电锅炉——来增强热电联产机组的运行灵活性。他们构建了相应的热经济评价模型进行比较分析。结果表明，储热方案的经济效益显著优于电加热方法。Zhang等[26]提出了电锅炉与储热罐协调运行的四种运行策略，以增强风电的消纳能力。

上述研究表明，电锅炉可以有效改善可再生能源消纳和短期灵活性。然而，大多数现有研究分别研究了蒸汽驱动储热系统和基于电锅炉的储热系统，而涉及蒸汽和电锅炉的集成驱动机制尚未得到充分阐明。此外，当单独使用电锅炉时，高品位电能直接转化为热能，可能导致显著的?损失。其经济性也强烈依赖于电价和可再生能源弃电条件。因此，仅探索增强系统整体灵活性的策略是不够的，需要进一步研究耦合系统的能量转换过程和损失变化特性。

为进一步阐明代表性燃煤电厂-热能储存方案之间的差异，相关数据列于表1。现有研究在热源、储热介质、削峰指标、往返效率定义和经济边界方面存在差异。特别是，蒸汽抽取引起的汽轮机功率损失的处理、电锅炉功耗的纳入以及充放电边界的定义对报告的系统性能有重大影响。因此，需要统一的热力学和经济评价边界，以公平比较蒸汽驱动热能储存、电锅炉辅助热能储存和混合热能储存配置。

为解决这些局限性，本研究提出了一种由多级蒸汽热源和电锅炉协同驱动的级联熔盐热能储存系统，旨在提高燃煤电厂的运行灵活性。本研究的主要贡献如下：

(1)为减少现有热能储存配置中的能量品位不匹配和相关能量损失，构建了一个多级蒸汽热源和电锅炉协同工作的级联熔盐储热系统。该系统实现了能量品位的级联利用，并减少了?损失。

(2)为阐明所提出的燃煤电厂-热能储存系统的过程级耦合机制，针对该燃煤电厂-热能储存系统设计了多种充电方案、放电路径和集成充放电配置。系统分析了不同配置下能量流分布和能量品位匹配的变化，以揭示热源选择和放热路径如何影响削峰能力、热效率、?效率和?损失特性。该分析阐明了集成燃煤电厂-热能储存系统的过程级能量转换和耦合机制。

(3)提出了一个统一的热经济比较框架，以评估不同储热方案、放热路径及其集成配置在一致系统边界下的兼容性。通过使用可比较的削峰、热效率、?效率和经济效益指标，该框架阐明了灵活性增强、能量品位利用、效率损失和成本效益之间的权衡，从而支持针对不同运行要求选择适当的燃煤电厂-热能储存耦合方案。

章节摘要

指标系统构建原则

所提出的燃煤电厂-热能储存系统配置如图1所示。该系统包括一个电锅炉、两个熔盐储罐、两个熔盐泵、两个熔盐换热器和一台汽轮机。系统使用从电网购买的谷电作为输入能量，在电锅炉内转化为热能。两个熔盐储罐分别用于储存低温和高温熔盐。熔盐换热器用于...（此处截断，但内容结束）

燃煤机组

当燃煤机组在非设计工况下运行时，机组的蒸汽流量随压力变化而变化。因此，汽轮机变工况运行工况的计算对于燃煤机组运行分析具有重要意义[27]。锅炉热平衡计算公式如下[28]：mcoalηbLHV=mmshms?hfw+mrshrs,out?hrs,in 其中mcoal为燃料质量流量；ηb为锅炉热效率，%；LHV为低位发热量。结果与讨论本文在燃煤电厂（CFPP）内设计了集成储热与释热系统，并对不同耦合系统在储热与释热循环过程中的能量转换特性进行了详细分析。定量比较了集成不同耦合系统后的灵活性提升潜力，并对系统的经济可行性进行了评估。结论随着高比例新能源的大规模并网，燃煤机组的灵活运行对于增强电网稳定性和可靠性已变得日益重要。本研究提出了一种由多级蒸汽热源和电锅炉协同驱动的级联熔盐储热系统，以提高燃煤电厂的运行灵活性。本研究探讨了储热系统对燃煤电厂灵活性提升的效果。CRediT作者贡献声明：Haotian Yuan：写作——初稿，验证，方法学，调查，正式分析，数据管理，概念化。Xiaojing Ma：写作——审阅与编辑，监督，资源，项目管理，方法学，数据管理。Wenpan Xu：写作——审阅与编辑，软件，资源，方法学，正式分析，概念化。Lin Cheng：写作——审阅与编辑，软件，资源，方法学，调查，概念化。资金支持本研究由电力系统运行与控制国家重点实验室项目（编号：SKLD25KZ02）、新疆大学优秀研究生创新项目（编号：XTDK2025YJS100）以及国家重点研发计划项目（编号：2024YFB4104904-3）资助。利益冲突声明本稿件提交过程中不存在利益冲突，且所有作者均已批准发表。我谨代表所有共同作者声明，所描述的工作为原创性研究，未曾在任何地方以全部或部分形式发表过，也未在其他期刊或出版物的审稿过程中。所有列出的作者均已批准所附稿件。Haotian Yuan|Xiaojing Ma|Wenpan Xu|Lin Cheng