风光热储一体化系统校准技术对能源效率与环保的影响

前言 : 由于全球能源结构低碳转型、“双碳”目标的导向作用，风光热储一体化系统兼具多能互补、平抑波动和提高可再生能源消纳水平的特点，是能源领域的热点话题。同时，因为系统内设备性能衰减、外界环境状况瞬息万变、预测误差积累等问题，实际运行中往往难以达到设计的最佳状态，造成了能源浪费，也降低了其本身的环保性。在此情况下，对系统校准技术的研究必不可少。它是对系统的一把“精准标尺”，不间断地校准系统的运行状态，让系统始终保持高效、低耗的状态。所以研究系统校准技术，对于提升系统的经济效益和环保效益有着极大的意义。

一、风光热储一体化系统与校准技术内涵

风光热储一体化系统是把风力发电 (Wind)、光伏发电 (PV)、太 阳 能 光 热 利 用 (CSP 或 者 SolarThermal) 和 储 能 (Battery 或 者ThermalStorage) 等各种形式能源集合起来的一种复杂的综合能源系统。通过这种集成方式发挥各种能源利用时空互补的优势，利用智能的调度控制，将输出稳定化，提升供电可靠性及可再生能源的利用率。对于这样一个复杂系统，系统校准的技术就是它的“精度守护者”，也是系统的“效能优化器”。一方面可以实时或者周期性地对系统的部分关键传感器 ( 辐照度、风速、温度、流量、SOC/SOH 等 ) 的读数进行校准；另一方面可以不断用实际的运行数据对系统仿真模型、发电量预测模型 ( 风光 )、热力性能模型、储能衰减模型等进行修正，提高系统预测和控制策略的准确性，并根据校准后的参数和模型来不断调节设备的运行参数点 ( 例如：光伏最大功率点跟踪 (MPPT) 的工作点、光热集热场出口温度、储能充放电功率门槛值、多能流分配策略等)，让系统始终保持运行于最佳的运行曲线上 ^[1] 。

二、校准技术对能源效率的显著提升作用

（一）减少“隐形”能量损失

传感器偏移可能会导致辐照度测量结果偏小，使得光伏逆变器一直工作于 MPPT 以外的位置（失效），或者是光热系统集热温度设置得不够合理，造成一定的光电或者光热的转换效率损失；而校准则可以及时纠正此类偏移，保证能量转换设备始终处于高的转换区间。有研究表明，定期对光伏子系统的传感器进行校准可以使光伏子系统的效率提升3~5%，光热系统的集热效率可以提高到 4～7% 。

（二）优化储能系统效率与寿命

精准的荷电状态 (SOC) 与健康状态 (SOH) 校正对储能的安全可靠运行至关重要。估算错误的 SOC 易造成过充过放的情况发生，容易造成能量浪费 ( 无效充放电循环 )，导致储能电池加速老化；而校准好的 SOH 可以对充放电过程做最优化设置，使储能电池得到长久的使用，并减少全生命周期的能量损失 ( 主要是制造及回收环节的隐含能耗 ); 良好的储能系统循环效率 ( 往返效率 ) 可维持 85~90% 以上，寿命延长 20~30%。

（三）提升多能互补协同效率

校准后的高精度预测模型（风光出力、热负荷需求）是日前／日内调度计划的基础，更为准确的预测可以进行更为合理的储能充放电、光热产热储热安排以及备用容量的配置，减少由于预测误差产生的弃风弃光、不必要的化石能源备用机组启停、低效运行和储能多余充放电等情况的发生，模型校准能大幅减少预测误差（MAE/RMSE），使整个系统的协同效率提高约5 ～10 个百分点。

（四）降低系统自身能耗

校准技术能够通过对辅助设备工况进行动态识别与调节，从而减少辅助系统不必要的能耗，比如对光热系统的太阳跟踪驱动装置进行校准，可以避免因角度偏差带来的无效机械耗电；通过根据实时信息自动调整循环泵的功率设定点来匹配瞬时供热的需求量，从而避免大量的过量输送而造成的能源浪费；将主站监控系统与温控系统调节运行模式的优化来尽量避免机组之间的频繁启停以及冗余电力的消耗等措施，经实际测算辅助系统可通过这些措施节约约 15%~25% 的耗电量 [2]。

（五）综合效应

采用系统性校准方案协调优化设备参数、模型精度和控制逻辑，在提高能源转换和利用效率上可实现大幅提升。由国内外示范项目的实测数据显示，全面校准后的系统年平均运行效率比未校准提高了8%-12%，即相当于每年能够多产生数吉瓦时的清洁电力，是由于设备离线优化产生的巨大可再生能源输出损失；此外还存在因为模型误差大以及控制器设计存在问题而产生的大量电能损失。并且效率的进一步提高，直接降低了单位能源产生的资源消耗，显著提高了风光热储系统经济性和绿色环保水平[3]。

三、校准技术对环境保护的积极贡献

( 一) 直接驱动温室气体减排

提高系统效率，则能够满足同样的电能和热能需求时降低系统对化石燃料的需求量，直接相应地减少对化石燃料的需求量。这样也就相应的减排了二氧化碳（ CO₂ ）、甲烷（CH4）、氮氧化物（NOx）、硫氧化物（SOx）等温室气体以及大气污染物。若该风光热储一体化项目的规模是中等大小（50MW），且校准较优的情况相比较差情况下，可以额外年减排几千吨 CO₂ 当量。

（二）最大化清洁能源替代效应

风光发电预测精度、可控性以及光热利用率与储能时空转移能力等方面的改进提升，通过校准技术增强系统消纳波动性可再生能源的能力，使风光储设施替代化石能源发电占比进一步提升，在保证电网安全稳定前提下减排更多，并减少对化石燃料调峰机组的依赖。

（三）降低资源消耗与环境足迹

精确校准储能电池的荷电状态(SOC) 与健康度(SOH)，可以增加储能电池设备寿命20%~30%，减少锂、钴的开采量，避免不必要的充电频次，并且能够减少其生产、废弃过程中能源消耗和环境污染；在系统整体效率提高 8%～12% 之后，同电量要求的情况下可以减少风电、光伏、光热集热器占地面积10%~15%，大范围地节省用地资源和减小对自然环境的影响；对于光热系统而言，通过对集热温度以及冷却策略进行动态调节，可以降低湿冷技术风电机组的耗水率20%-30%，特别适用于干旱地区。设备寿命长就可以让储能电池及光热系统的寿命得到保障，从而推迟储能电池与光热核心部件更换时间，为后续完善材料回收、构建再利用再生体系提供有利时机，能更好地打造循环经济的闭环体系[4]。

四、实施路径与挑战

风光热储一体化系统的校准技术有利于提高能源效率和环保效果，而基于分层校准的方法可以形成覆盖设备级、子系统级和系统级的校准全过程体系，并实现不同层级的互联系统运行的协同优化。利用物联网技术获取数据，通过大数据分析以及人工智能进行在线校准，充分发挥系统的优点，进一步提高系统性能；制定相应的标准规范保证校准的一致性和可比性，搭建智能运维平台完成校准的自动化与智能化管理。虽然在复杂性较高、资金相对不足且涉及的数据质量不佳和需要验证时间较长等问题下，会对校准技术的应用带来一定困难，但是可以合理调整规模适当地加以规避与解决。

结语：风光热储一体化系统是能源绿色转型的重要载体，系统的优劣程度很大程度上取决于校准技术的应用情况，校准技术可通过参数、模型、控制上的精度提高，促使系统每年的能源利用效率增加8 ～ 12 个百分点，直接受益的是减排、加大清洁替代量、减少能源消耗、延长使用寿命和促进循环经济的发展。但由于系统本身的复杂性和成本高等问题，需要将物联网、大数据和人工智能技术相结合来建立分级校准，做好标准制定以及智能运维管理，使高精度校准成为系统基因，最终实现高效、清洁目的，实现“双碳”目标，使可再生能源释放更大能量。

参考文献

[1] 王波 . 全球首个 " 双塔一机 " 风光热储一体化项目的 " 双塔 "全面封顶 [J]. 能源研究与信息 , 2023,34(41):78-79.

[2] 臧紫坤 , 杨晓辉 , 李昭辉 , 等 . 考虑储热改造与最优弃能的风光火储低碳经济调度 [J]. 电力系统保护与控制 , 2022, 50(12):33-34.

[3] 潘超 , 刘继哲 , 孙勇 , 等 . 考虑氢储一体化协同的综合能源系统低碳优化 [J]. 电力自动化设备 , 2023, 43(12):118-119.

[4] 路小娟 , 白建聪 , 范多进 , 等 . 风光热储互补发电系统容量配置技术研究 [J]. 热力发电 , 2024, 53(31):51-52.