董興輝，鄭凱，朱凌志

（1.華北電力大學能源動力與機械工程學院，北京 102206；2.中國電力科學研究院新能源所，南京 210003）

壓縮空氣蓄能調節(jié)太陽能系統(tǒng)輸出功率建模與研究

董興輝1，鄭凱1，朱凌志2

（1.華北電力大學能源動力與機械工程學院，北京 102206；2.中國電力科學研究院新能源所，南京 210003）

（1.School of Energy，Power and Mechanical Engineering，North China Electric Power University，Beijing 102206，China；2.Institute of New Energy，China Electric Power Research Institute，Nanjing 210003，Jiangsu，China）

太陽能的間歇性和波動性不利于太陽能發(fā)電大規(guī)模并網，實施電力儲能可平抑輸出功率波動，改善電能質量。目前，我國大規(guī)模的電力儲能只有抽水蓄能，卻受到水資源的限制而無法普遍開展。提出了基于壓縮空氣蓄能（compressed air energy storage，CAES）的太陽能發(fā)電站功率調節(jié)系統(tǒng)，給出了CAES調節(jié)系統(tǒng)額定功率、容量等系列關鍵參數(shù)的設計方案，并選取案例對CAES系統(tǒng)仿真模擬。結合電站所在地區(qū)負荷變化及與局域電網電能交換數(shù)據(jù)，對比了采用CAES功率調節(jié)系統(tǒng)前后太陽能發(fā)電并網對局域電網的影響，分析結果表明CAES調節(jié)太陽能發(fā)電能有效地緩解對局域電網的沖擊。

太陽能發(fā)電；壓縮空氣蓄能；功率調節(jié)；系統(tǒng)設計

Project Supported by State Grid Corporation of China（Project Name：Research of Test and Analysis Evaluation for High-Altitude and High-Capacity Moveable PV Grid-Connected Experiment（YN71-13-036））.

CAES是以空氣的壓力勢能為能量載體的儲能技術，德國Huntorf壓縮空氣蓄能電站的商業(yè)運行已證實該技術的可靠性［11］。將CAES與風能、太陽能聯(lián)合，并應用于調節(jié)可再生能源發(fā)電，具有較好的調峰優(yōu)勢和經濟效益［12-13］。本文基于CAES建立太陽能發(fā)電站功率調節(jié)系統(tǒng)，將光伏發(fā)電機組輸出的剩余電能用于壓氣并存儲，利用太陽能蓄熱系統(tǒng)加熱釋放的高壓空氣，CAES發(fā)出的電能用于高峰時段的電力調峰。

1 CAES調節(jié)太陽能發(fā)電功率概述

1.1 系統(tǒng)流程

如圖1所示為CAES用于太陽能發(fā)電功率調節(jié)的系統(tǒng)結構流程。其中，太陽能發(fā)電系統(tǒng)輸出的電能用于驅動多級壓氣機，產生的高壓空氣存儲于儲氣罐中；當需要時，釋放存儲的高壓空氣，經太陽能蓄熱系統(tǒng)加熱升溫后進入多級透平，高溫高壓空氣在透平中膨脹做功，輸出電能。該系統(tǒng)包括太陽能發(fā)電和蓄熱模塊、壓縮空氣蓄能模塊等3部分，主要由光伏發(fā)電機組，太陽能集熱/蓄熱裝置，多級壓氣機、冷卻裝置及儲氣罐，多級透平膨脹機組成。

圖1 CAES調節(jié)太陽能系統(tǒng)輸出功率流程圖Fig.1 Flow chart of CAES for adjusting output power of solar power system

太陽能集熱/蓄熱裝置由太陽能集熱器、太陽能吸收與輸送熱量裝置、蓄熱/換熱器等組成，其主要功能是將太陽能轉換為高溫熱能并用于加熱蓄熱工質。以拋物槽式太陽能集熱系統(tǒng)為例，當采用導熱油作為蓄熱工質時，其蓄熱溫度可達到500℃。當高壓空氣穿過蓄熱/換熱器時，空氣吸收蓄熱工質中的熱量并達到一定溫度，如此可以增加高壓空氣膨脹做功的能力。

為了降低壓氣過程耗功，CAES采用多級壓縮、級間冷卻的方式，最終，高壓空氣經冷卻后進入儲氣罐中存儲，其存儲壓力可達到100～200 bar。對于恒容型儲氣罐，體積不變，存儲過程中儲氣罐內的壓力不斷升高，需要不斷增大多級壓氣機出口的空氣壓力以保證儲氣過程順利進行，而相應地，放氣過程中儲氣罐內壓力不斷降低，需要將空氣節(jié)流到透平入口壓力并保持壓力穩(wěn)定［14］。對于恒壓型儲氣罐，通過改變儲氣罐體積可以保持內部空氣壓力恒定不變?？纱蠓秶虡I(yè)使用的是恒容型儲氣罐，而恒壓型儲氣室尚處于研發(fā)或實驗階段。

CAES的透平發(fā)電裝置采用多級透平、級間加熱的方式?？諝庠谶M入每級透平之前，需要進入蓄熱/換熱裝置吸收蓄熱工質傳遞的熱量以升高溫度。高壓空氣依次流經各級透平膨脹做功，并驅動發(fā)電機產生電能，末級透平排出的空氣直接進入大氣。

1.2 系統(tǒng)設計原理

根據(jù)我國現(xiàn)階段對可再生能源發(fā)電的利用特點，本文選用的系統(tǒng)只針對小范圍的局域供電［3］。如圖2所示，當光伏發(fā)電充足時，太陽能發(fā)電系統(tǒng)輸出的電能優(yōu)先用于供給本地用戶用電，超出用戶負荷的電能輸送給壓氣機或局域電網；而當光伏發(fā)電機組無法提供充足的電能時，由局域電網或透平發(fā)電機組向用戶提供電能。系統(tǒng)假設光伏發(fā)電電價和透平發(fā)電電價相同，且與局域電網上網電價保持一致，均采用峰谷電價。因此，在用電高峰時段，該系統(tǒng)優(yōu)先考慮對外輸送電能。同時考慮到儲氣與蓄熱條件，透平發(fā)電機組持續(xù)工作的時間受限，為了獲得最大收益，透平發(fā)電機組只在用電高峰時段運行，送出的電能按高峰時段電價計算。

圖2 CAES調節(jié)太陽能系統(tǒng)輸出功率原理圖Fig.2 Schematic diagram of CAES for adjusting output power of solar power system

調節(jié)系統(tǒng)中的太陽能發(fā)電和蓄熱模塊可由商業(yè)使用的太陽能發(fā)電和蓄熱裝置組成，因此本文只針對壓縮空氣蓄能模塊進行參數(shù)設計。壓縮空氣蓄能模塊主要由儲能單元和發(fā)電單元組成，儲能單元主要包括壓氣機和儲氣罐，發(fā)電單元主要包括蓄熱/換熱器和透平膨脹機。系統(tǒng)存儲的電能由光伏發(fā)電機組提供，對儲能單元的模塊設計，主要是根據(jù)太陽能發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率來確定壓氣功率、充氣流量、儲氣罐容積及其存儲壓力；而發(fā)電模塊受太陽能發(fā)電及蓄熱條件限制，且必須滿足區(qū)域范圍內用電負荷變化的需求，因此對發(fā)電模塊的設計，主要包括對透平功率、放氣流量、發(fā)電時長等參數(shù)的選用。

2 CAES模塊設計方案

2.1 儲氣和放氣過程限制條件

由于儲氣過程所需要的電能全部由光伏發(fā)電機組提供，因此，壓氣機的耗電功率應該滿足

式（1）中，Pci、Psi、Pui分別為第i個非用電高峰時的壓氣功率、光伏發(fā)電機組輸出功率和用戶用電功率。對于恒容型儲氣罐，在安全范圍內，罐內空氣滿足狀態(tài)方程：

式（2）中，V為儲氣罐的體積；R為氣體常數(shù)；T為存儲氣體的溫度；m為空氣質量。若將充氣過程近似的等效為絕熱過程，則儲氣罐內壓力、溫度變化的關系如下［15］：

式（3）—（4）中，κ為多變指數(shù)，取值為1.4；p為存儲氣體的壓力；T為存儲氣體的溫度；V為儲氣罐的體積；R為氣體常數(shù)；G為儲氣罐與外界交換的質量流量，充氣過程G等于壓氣機出口空氣流量，取正值；放氣過程G等于透平入口空氣流量，取負值。為了方便計算，可近似地認為充氣過程的流量不變，其限制條件為：

式（5）中，下標0為儲氣過程儲氣罐內空氣的初始狀態(tài)，max為儲氣完成時的最終狀態(tài)；tc為儲氣時間，即充電時間。忽略管道損失，壓氣機出口的壓力pi可認為與第i個時段內儲氣罐中空氣的最大壓力相等，其限制條件為：

式（6）中，ti為第i個時段的時間長度。由式（6）可知，對于連續(xù)儲氣過程，壓氣機出口的壓力不斷增大，其最大值可認為與儲氣罐最大存儲壓力pmax接近。

透平的發(fā)電功率Ptur與入口空氣的溫度Tt，壓力pt，流量Gout有關，這其中透平入口溫度Tt由太陽能儲熱系統(tǒng)的熱油溫度決定。由于該CAES系統(tǒng)采用恒容型儲氣罐，空氣在釋放過程需要節(jié)流到穩(wěn)定壓力pth，因此透平入口壓力pt與pth以及p0的關系為：

而空氣流量與透平發(fā)電時間tt的限制條件可表示為：式（8）中，溫度T′max為放氣過程開始時儲氣罐內空氣的溫度，忽略散熱損失，可近似的認為T′max與充氣過程完成時刻儲氣罐內空氣溫度Tmax相等。若以最大經濟效益為目標，則應使高峰時段內多級透平的輸出電能最大，則限制條件可以表示為：

2.2 系統(tǒng)各關鍵參數(shù)選取

CAES功率調節(jié)系統(tǒng)充氣過程的關鍵參數(shù)設計如圖3所示，根據(jù)光伏發(fā)電機組輸出功率、用戶用電負荷隨時間的變化關系可確定多級壓氣機的額定壓氣功率pcom以及總壓氣時間tc，通過多級透平的設計規(guī)則可以選定高壓透平入口壓力pt，當給定儲氣罐的最大存儲壓力pmax和容積V，通過多次迭代計算可最終確定合適的參數(shù)。此外，通過經驗值選取多級壓氣過程的冷卻溫度Tcool為25℃，儲氣罐內空氣的初始溫度T0為25℃。當壓氣過程的額定參數(shù)確定，可以將壓氣時間分為N個時間段，每個時間段的壓氣功率可以由式（6）計算得到。

由于多級透平只在用電負荷高峰時段對外發(fā)電，根據(jù)供電需求以及多級透平的運行特性，結合式（8）（9）可確定放氣流量Gout與總發(fā)電時間tt，其中，蓄熱/換熱器內工質的溫度可根據(jù)現(xiàn)有太陽能蓄熱系統(tǒng)取經驗值。

圖3 CAES充氣過程關鍵參數(shù)選取流程Fig.3 Flow chart for selecting key parameters of CAES in charging process

3 算例分析

以30 MW太陽能發(fā)電系統(tǒng)為原型，設計壓縮空氣蓄能用于平抑太陽能系統(tǒng)輸出功率波動的調節(jié)系統(tǒng)，其中光伏發(fā)電機組用于發(fā)電，太陽能集熱器用于加熱蓄熱工質。太陽能發(fā)電系統(tǒng)和CAES調節(jié)系統(tǒng)組成的聯(lián)合系統(tǒng)優(yōu)先為當?shù)赜脩籼峁╇娔?，超出當?shù)匦枨蟮碾娔芙粨Q給局域電網，并由局域電網輸送給其他地區(qū)的用戶。而聯(lián)合系統(tǒng)供電不足時，當?shù)赜脩繇毾蚓钟螂娋W購電［16］。當CAES不運行時，太陽能發(fā)電系統(tǒng)、用戶用電負荷、該地與局域電網交換電能如圖4所示。

圖4 太陽能發(fā)電系統(tǒng)單獨運行時當?shù)仉娏┬枨闆rFig.4 Power supply and demand characteristics of local grid when solar power system running alone

根據(jù)CAES模塊的設計原理及方案，選定的CAES額定技術參數(shù)如表1所示。本文采用軟件ASPEN對CAES系統(tǒng)進行流程模擬，得到壓氣機和透平的相關運行參數(shù)。其中，壓氣機屬于變工況運行，因此其功率在一定范圍內變化。此外，由于太陽能蓄熱系統(tǒng)的引入，也使得CAES不需要消耗化石能源就能滿足發(fā)電需求。本文將5 h的連續(xù)壓氣時間分為10個時間段，壓氣機耗功在這些時間段內的變化范圍為5 500～7 800 kW。該地的用電負荷高峰期為7：00—11：00和18：00—23：00兩個時間段，用戶購電電價為1.2元/kW·h，在時間段11：00—18：00內，電價為0.75元/kW·h。

表1 CAES額定技術參數(shù)Tab.1 Rated technical parameters of CAES

當CAES運行時，由于其削峰填谷作用，聯(lián)合系統(tǒng)的輸出功率產生變化，其變化趨勢如圖5所示。壓氣和放氣過程均連續(xù)進行，其中壓氣機所消耗的功率隨著充氣進程而持續(xù)增大，而放氣過程中透平輸出功率保持不變。在一個典型的工作日內，壓氣機總耗功34 438 kW·h，透平總發(fā)電功率28 120 kW·h。

圖6所示為聯(lián)合系統(tǒng)正常運行時，該地與局域電網交換電能的變化趨勢。圖7所示為CAES功率調節(jié)系統(tǒng)運行前后該地與局域電網交換電能變化趨勢。當太陽能發(fā)電系統(tǒng)單獨運行時，太陽能發(fā)電并網帶給局域電網功率波動值在［-12 861 kW，13 958 kW］之間變化，其中局域電網供給該地用電功率最大值達到12 861 kW，而接受太陽能發(fā)電的功率的最大值達到13 958 kW；而當CAES功率調節(jié)系統(tǒng)運行時，聯(lián)合系統(tǒng)發(fā)電并網帶給局域電網功率波動值在［-5 730 kW，8 700 kW］之間變化，其中局域電網供給該地用用電功率最大值為5 730 kW，而接受聯(lián)合系統(tǒng)電能的功率的最大值為8 700 kW。由此可見，CAES對太陽能發(fā)電進行功率調節(jié)，能有效地降低太陽能發(fā)電造成的對局域電網功率波動的影響。不僅如此，由于CAES存儲非高峰時段的電能并在高峰時段釋放，還額外帶來經濟效益：1.2×28 120-0.75× 34 438=7 915.5元。

圖5 CAES運行時壓氣功率及聯(lián)合系統(tǒng)輸出功率變化趨勢Fig.5 Variation trends of compressor power and combined system output power when CAES operate

圖7 CAES調節(jié)太陽能系統(tǒng)輸出功率前后當?shù)嘏c局域電網電能交換情況Fig.7 Power exchange characteristics between local electricity users and grid before and after CAES operate

4 結論

大規(guī)模儲能手段中，相對于抽水蓄能受水資源影響，壓縮空氣蓄能更具有優(yōu)勢，比較適合在我國干旱地區(qū)應用。本文提出采用壓縮空氣蓄能的手段調節(jié)太陽能發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率，充分利用了光伏發(fā)電與太陽能蓄熱的特點。一方面，在光線充足時將太陽能轉換成電能并用于非負荷高峰時段的電力儲能，另一方面，利用蓄熱工質吸收太陽能熱量并用于加熱高壓空氣，這使得CAES無須額外加入其他能源就能完成對電能的存儲和調峰。本文根據(jù)太陽能發(fā)電和負荷的變化情況，給出了CAES用于調節(jié)功率時的關鍵參數(shù)的設計規(guī)則，并結合具體案例，指出了CAES用于功率調節(jié)時能減緩太陽能發(fā)電并網對電網造成的功率波動，并在峰谷電價機制下具有良好的經濟性。

本文對太陽能發(fā)電功率的研究是基于理論輸出功率隨時間的變化關系，然而，電站的實際輸出功率受到天氣的影響，具有不確定性，并且與局域電網交換電能時存在一定的滯后性，此外，CAES的參數(shù)設計與實時運行受樣本多變性的影響較大，這些都將加大CAES調節(jié)太陽能發(fā)電的難度。通過分析更長時間內CAES的功率調節(jié)作用以提高設計和運行的準確性，選取高效的方式縮短電能儲存和釋放的響應時間，完善太陽能發(fā)電與CAES的集成方式，將是今后研究的關鍵內容。

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（編輯 徐花榮）

Modeling and Research of Compressed Air Energy Storage for Adjusting Output Power of Solar Power System

DONG Xinghui1，ZHENG Kai1，ZHU Lingzhi2

The intermittence and volatility of solar energy pose serious challenges to grid interconnection of the solar power station，and power energy storage can smooth solar power output fluctuation and improve power quality.Currently，the pumped hydro-storage（PHS）is the only large-scale energy storage technology in China.However，PHS cannot widely be implemented because of shortage in water resources.The paper proposes a solar power conditioner system based on compressed air energy storage（CAES）and gives the design scheme for the rated power，storage capacity and other key parameters of CAES.Simulation for CAES is conducted with selected cases of the specific data.Moreover，the paper analyzes the effects on grid supply based on the local load characteristics and the power quantity exchanged between the local electricity users and the grid.The analysis shows that using CAES to adjust solar power can effectively reduce the electric shock to the grid brought by the solar power station.

solar power；compressed air energy storage；power regulation；system design

圖6CAES運行時當?shù)仉娏┬枨闆r
Fig.6 Power supply and demand characteristics of local grid when CAES operate

1674-3814（2015）04-0089-06

TK02

A

國家電網公司科技項目（項目名稱：面向高海拔、大容量移動式光伏并網試驗檢測及分析評價技術研究（YN71-13-036））。

2014-09-09。

董興輝（1962—），男，博士，教授，研究方向為新能源發(fā)電信息化建模、智能維護技術；

鄭凱（1974—），男，博士，講師，研究方向為新能源發(fā)電運維管理技術，故障診斷；

朱凌志（1975—），男，博士，高級工程師，研究方向為電力系統(tǒng)分析與控制、新能源發(fā)電接入技術。

我國太陽能資源豐富，大規(guī)模開發(fā)太陽能得到國家的大力支持，是我國能源戰(zhàn)略的重要組成部分［1-3］。太陽能發(fā)電是開發(fā)和利用太陽能的主要形式之一，然而與常規(guī)能源發(fā)電不同，太陽能發(fā)電具有間歇性，電站輸出功率隨機波動，大規(guī)模的太陽能發(fā)電并網將對電網的穩(wěn)定運行產生不利的影響［4］。因此，采用有效的儲能和調峰手段以克服太陽能發(fā)電波動的弊端具有重要意義［5-7］。受自然條件和占地面積等因素影響，我國大型的太陽能發(fā)電站多集中在戈壁、荒漠等偏遠地區(qū)［8］，電網消納和調峰能力不足。同時受水資源的限制，難以開展大規(guī)模抽水蓄能以實現(xiàn)對太陽能發(fā)電系統(tǒng)的電力調峰。然而，采用對水資源要求低的壓縮空氣蓄能調節(jié)太陽能發(fā)電是一種有效的解決方式［9-10］。