四大模块，三大场景！电-热储能：支撑沙戈荒大基地外送
发布日期：2024/7/5
在2021年10月12日举行的《生物多样性公约》第十五次缔约方大会领导人峰会上，我国正式提出要在沙漠、戈壁、荒漠地区加快规划建设大型风电光伏基地（以下简称“沙戈荒大基地”）。同年，第一批沙戈荒大基地项目清单印发，总规模为1亿千瓦。
4月26日，国家能源集团宁夏腾格里沙戈荒固原红寺堡海原250万千瓦风电基地项目获得核准批复，即将进入建设实施阶段。这是全国最大沙戈荒大基地的首个吉瓦级风电项目。
预计到2030年，我国沙戈荒大基地的总装机量将达到4.55亿千瓦。沙戈荒大基地建设是构建以清洁低碳能源为主体的能源供应体系、加快能源绿色低碳转型的重要举措，将成为破解当下能源需求增长与能源紧缺现状、能源利用与环境保护之间矛盾的必然选择，将为我国的能源安全、环境保护和经济发展作出重要贡献。
沙戈荒大基地地处电网末端，地理位置特殊，风光资源的波动性和随机性强，需要解决新能源稳定外送的技术难题。在这样的背景下，电-热储能（电化学储能+熔岩热储能）的优化配置显得尤为关键。沙戈荒大基地采取电化学储能与熔盐热储能的混合配置模式具有如下优势：电化学储能在短时间尺度内有效平抑新能源出力波动，而熔盐热储能则在长时间尺度上稳定输出，与燃煤火电的协同运作形成了完善的支撑体系。这一配置策略不仅提高了新能源消纳率，还有助于实现新能源发电的安全稳定外送。
然而，电-热储能配置并非一蹴而就的过程，它涉及众多技术和经济因素的综合考量。电-热储能系统的优化配置是一个多目标、多约束的复杂优化问题。它要求我们不仅要理解电-热储能之间的耦合机理，还要综合考虑沙戈荒大基地的运行控制、电力市场的需求以及政策环境的变化。
储能配置特性大不同
在沙戈荒大基地，电-热储能配置的特点可以归纳为以下几点：
一是协同对象的复杂性。沙戈荒大基地集成了风电、光伏发电、火电以及储能系统，形成了一个复杂的能源网络，要求不同能源在时间和空间上实现有效的协同。时间维度上，通过风光火储的时序协同与综合利用，实现储能与燃煤火电的配合，提高新能源发电的利用效率，增强对于新能源发电波动的平抑能力。空间维度上，沙戈荒大基地地域范围广，风光资源分布差异大，不同电源需要计及内部的网架结构在空间上实现复杂汇集和协同配合，以确保能源高效输送和稳定运行。电-热储能多时间尺度协同容量分配是关键，多类型源储资源在多时空维度的有效协同是确保沙戈荒大基地高效运行的重要因素。
二是资源因素的不确定性。新能源出力波动性强，极端天气频繁，这要求储能配置策略具有高度的灵活性和适应性。同时，送出通道功率需求大小和持续时间的不确定性与对用户端电力市场需求的不确定性直接影响沙戈荒大基地送出功率的规模和时间分布。而长时间尺度的政策变化对储能配置的需求和优先级产生影响。因此有效应对新能源出力、极端天气、受端功率需求与市场政策多端不确定性交织带来的影响是沙戈荒大基地电-热储能配置需要考虑的因素
三是复杂场景的时序协同性。在不同时间尺度上，沙戈荒大基地配置场景的时序协同性体现在单日和连续日的多场景组合上，单日场景涉及日常典型条件和单日极端天气，如无风或强风沙状况。连续日场景则关注多日的天气情况，如持续的低风速或无风的极端天气。针对多元复杂场景的相互交织的特性，电-热储能配置不仅需要满足常规典型场景的概率需求，而且需要在极端场景发生时对整个沙戈荒大基地能源持续稳定的送出进行兜底。送出通道曲线的特性也可以分为单日和连续日下典型和极端需求。复杂场景的时序协同与送受场景的精确匹配是保证电力稳定供应和有效分配的关键因素。
四是多时间尺度的平衡特性。在短时间尺度上，主要保证电力电量在实时层面的动态平衡，而且为了发挥沙戈荒大基地对外友好的特性，需要提供灵活性容量调节裕度以应对每个时刻的需求变化，实现系统电力电量在分钟级及小时级的短时间尺度平衡。在长时间尺度上，一方面要满足电量在“年-月”长时间尺度的能量供应需求；另一方面要满足热能在“日-周”等长时间尺度上温度、能势等因素的匹配。多时间尺度的平衡特性是确保在不同时间尺度上均实现能源稳定、经济供应的重要因素。
五是功能需求目标的多元化。沙戈荒大基地风、光发电装机占比高达67%，放大了新能源的波动性和间歇性，使“保供应”“保安全”“促消纳”之间的矛盾更为突出，储能配置更为复杂。这意味着储能系统不仅要在经济效益和环境效益之间找到平衡点，还要在保证电网稳定性的前提下，提升新能源的消纳比例。这种多元化的需求目标要求运营方能够灵活运用市场机制和政策工具，优化储能配置，并通过激励措施推动技术创新和成本下降，最终实现经济与环境效益的双赢。
四大模块，三大场景
按照现有技术，可将沙戈荒大基地电-热储能配置划分为四个模块：一是电能模块，作为沙戈荒大基地的主体，电储能可以通过充放电调节风光的外特性，降低风光的波动；二是热能模块，燃煤火电可以与熔盐储热配合，通过火电抽气给熔盐储热，熔盐储热可对火电的蒸汽、热水等介质进行预加热或过热处理以降低火电煤耗、提高能效；三是热转电模块，一方面火电机组可以将化石燃料产生的热能转化为电能，另一方面熔盐储热可通过配置独立发电机实现热-电转换，为新能源发电稳定送出提供保障；四是电转热模块，通过电热泵等电蓄热系统将弃电转化为热能储存在熔盐热储能中，实现对新能源的充分利用。
沙戈荒大基地在新能源电力系统中的建设需要三种典型模式，可以通过灵活切换和组合不同模块来形成不同深度的电-热耦合链路，以确保高效消纳和安全经济输送新能源。一是常规模式：由于新能源的波动性，电化学储能和火电的配合是新能源发电稳定送出的关键，电化学储能可平抑短时间尺度的波动，而燃煤火电可以与熔盐储热配合，既可以降低火电的煤耗提高其能效，又能对沙戈荒大基地提供长时间尺度的支撑。二是促消纳模式：在新能源大发时，为了降低新能源的弃电量，一方面电储能可以通过充电吸收小部分弃电，另一方面可以通过电热泵等电蓄热系统将弃电储存在熔盐热储能中，实现对新能源的充分利用；三是保供应模式：在顶峰或无风光等极端天气发生时，一方面电化学储能可通过放电提供小时级电量支撑，另一方面熔盐储热可通过配置单独的发电机实现热-电转换，为沙戈荒大基地提供长时间尺度的能量支持。
协同推进，解决技术问题
针对沙戈荒大基地电-热储能配置的复杂性，可从以下三方面入手协同推进相关问题的解决。
第一，对沙戈荒大基地的电-热储能系统进行详尽的特性与应用场景分析。这包括分析各种储能技术（如电化学储能、熔盐储热等）的物理和化学特性，以及它们在不同操作条件下的性能。进而提出复杂应用场景的匹配方法，模拟不同储能组合在各种典型和极端气候条件下的运行特性。
第二，深入研究电-热储能系统的协同策略与复杂场景下的生产模拟技术。这涉及到如何在风电、光伏、火电和储能之间进行有效的能量调配和优化，尤其是在供电不足或过剩的情况下。通过开发复杂场景生产模拟工具，模拟沙戈荒大基地在多变的市场和环境条件下的运行，以验证和优化协同策略。
第三，开发高效的优化配置技术。配置技术不仅要快速处理大规模的数据和复杂的约束条件、全局优化储能系统的配置和运行以兼顾沙戈荒大基地的灵活性、安全性和经济性，而且需要探索求解加速技术，如对并行计算和云计算资源的利用，以提高算法的求解速度和处理能力，实现对配置模型的高效快速求解。
总之，电-热储能配置技术的优化是实现沙戈荒大基地新能源发电安全稳定高效外送的关键，是对沙戈荒大基地的建设运营有力的技术支持，将为实现我国“双碳”目标贡献力量。
来源：能源评论杂志作者：延肖何 刘念
