配置双源储热(dual-source thermal energy storage, TES)的太阳能–燃煤互补发电系统(solar-coal hybrid power system, SCHPS)运行优化——以提升灵活性与效率为目标

《Energy》：Operational optimization of solar-coal hybrid power system with dual-source energy storages to enhance flexibility and efficiency

　　

摘要：太阳能–燃煤互补发电系统（Solar-Coal Hybrid Power System, SCHPS）在低能碳转型中具有广阔前景。在SCHPS中集成热能储存（Thermal Energy Storage, TES）可显著提升系统灵活性并适应高比例可再生能源并网。然而，受多能流传递与转换特性及随时间变化的法向直射辐照度（Direct Normal Irradiance, DNI）与电力负荷曲线边界条件约束，含TES的SCHPS调度问题十分复杂，既往研究尚未予以全面探讨。针对此问题，研究人员提出一种最优运行策略，用以协同提升配置双源TES（由太阳能集热场热量与再热蒸汽抽汽共同充热）的SCHPS之灵活性与效率，阐明了TES的充–放周期间能量转换性能，并将调度问题建模为在满足电网负荷指令及运行约束下最大化日总往返?（exergy）效率的数学规划问题。为处理TES充放热强非线性耦合特征，研究人员耦合了变工况（off-design）模型、反向传播（Back-Propagation, BP）神经网络代理模型及基于遗传算法（Genetic Algorithm, GA）的求解方法对该运行优化问题进行求解，并在四种典型场景下验证了优化策略的有效性。优化策略可提升日总往返?效率：对于660 MW SCHPS，其由基准策略下的36.29%–38.41%提升至37.19%–39.76%，原因是将TES放热时段从最早可行时刻推迟至高用电需求时段；日节约标煤量达0.81–4.17 ton·day?1。

论文解读：配置双源储热(dual-source TES)的太阳能–燃煤互补发电系统(SCHPS)运行优化研究

该论文发表于《Energy》，研究对象为集成双源高温熔融盐储热（thermal energy storage, TES，分别由塔式太阳能集热场显热与燃煤机组再热（reheat）蒸汽抽汽进行充热，释热时回注汽轮机侧不同节点）的660 MW超临界太阳能–燃煤互补发电系统（solar-coal hybrid power system, SCHPS）。

研究背景与意义

随着高比例风光并网，电网对火电机组灵活深度调峰（deep peak shaving）及快速变负荷能力要求日益提高。SCHPS可借助太阳能替代部分燃煤、降低碳排放，而引入TES可实现热能的时间平移，平滑DNI（direct normal irradiance，法向直射辐照度）波动并拓展机组调峰范围。现有研究多关注单源TES或SCHPS本身构型设计及无储热直接利用策略，较少涉及太阳能与电厂内部再热蒸汽双源联合充热的TES往返?（exergy）损失机理，也缺乏考虑变工况下多能耦合约束、以最大化日总往返?效率为目标的协调调度优化模型。因此，Yan Hui等研究人员旨在厘清双源TES充放热过程的能量–?转换特性，提出并验证一种兼顾灵活性与效率的最优运行策略。

主要关键技术方法

研究人员基于Ebsilon Professional v15.0搭建660 MW参考燃煤机组及塔式太阳能场、双源TES系统的准稳态设计/变工况（off-design）热力学模型，假定TES罐体及管路热损可忽略、泵与电机效率恒定。为克服TES充放热强非线性耦合导致调度模型难解的问题，先通过大量变工况仿真数据训练BP（Back-Propagation）神经网络构建TES关键参数的代理模型（surrogate model），再将其嵌入以日总往返?效率最大化为目标、含DNI与日负荷曲线约束的数学规划中，采用GA（Genetic Algorithm，遗传算法）求解最优逐时充/放热及机组出力计划，并在四季典型DNI–负荷场景下对比基础策略（尽早放热）与优化策略的性能差异。

研究结果

Configuration of the solar-coal hybrid power system with dual-source TES（含双源TES的SCHPS系统配置）

研究人员介绍了SCHPS基本流程：塔式太阳能集热场吸收DNI加热传热工质，一路可直接送入给水/蒸汽回路替代抽汽加热，另一路在低负荷或DNI过剩时经换热器将热量存入高温TES罐（太阳能充热）；同时可从再热蒸汽管道抽汽经换热器向同一TES罐充热（燃煤侧充热）。释热时，高温熔盐分别送至给水预热器或再热器前旁路加热器释放热量以增发功率或协助深调。该双源充热–多点释热架构为后续分析奠定物理基础。

SCHPS Model（SCHPS热力学模型）

基于Ebsilon搭建并校验了660 MW超临界CFPP与太阳能场、双源TES的全系统模型，给出主要假设与设计/变工况计算方法，明确再热抽汽充热流量、太阳能集热量、TES罐温层变化及释热注入位置与机组出力的耦合关系式，为调度优化提供精确的部件级热力学计算内核。

Operational strategies of SCHPS for flexibility and efficiency enhancement（提升灵活性与效率的SCHPS运行策略）

提出两种策略：（i）基础策略——TES在可充热时段优先充热，进入可放热时段即尽早放热以满足负荷；（ii）优化策略——以日总往返?效率最大为目标，结合预测DNI与日负荷指令，通过GA联合BP代理模型协调双源TES逐时充/放热时机与容量分配，将释热推移至电网高峰高负荷时段以匹配高边际发电?值，同时在低于锅炉最小稳燃负荷时利用释热协助深度调峰。

Results and discussions（结果与讨论）

在春、夏、秋、冬四组典型日场景下对比两策略：优化策略使660 MW SCHPS日总往返?效率由基准36.29%–38.41%提升至37.19%–39.76%；日节约标煤量为0.81–4.17 ton·day^?1。优化后TES更多在高电负荷需求时段释热，既提高单位储热所能转化的电?（减少低温低效释热带来的?损），又可在低负荷指令时补充功率协助满足电网调度，扩大机组灵活运行区间。各场景下负荷指令均被严格满足，验证了策略可行性与优越性。

讨论与结论翻译（Conclusion部分浓缩与意译）

在高比例可再生能源电力系统中，SCHPS集成TES是提升灵活性与平抑太阳能波动的有效途径。受多能转换特征及时变DNI与负荷边界影响，含TES的SCHPS调度问题复杂。本研究阐明了由太阳能与再热蒸汽抽汽双源充热的TES系统往返能量转换性能，提出了最大化日总往返?效率并满足负荷与运行约束的优化运行策略。结果表明：经优化协调双源TES充/放热时序与容量，可将释热推迟至高峰负荷段，使660 MW SCHPS日往返?效率提升约0.9–1.35个百分点（绝对值），日标煤节省0.81–4.17吨，且能有效辅助深度调峰与负荷跟踪。该策略为SCHPS含多源TES的运行调度提供了理论依据与方法支撑。