关键字：压缩空气 储能 仿真研究
一 前言
面对当今世界化石能源日趋紧张以及气候暖化的形势，可再生能源越受到人们的关注。但可再生能源伴随一系列供能不平衡、电压波动、闪变的问题，影响并网电网的电能质量与稳定性，同时也增加了电网控制系统的复杂性。储能系统的出现可以缓解上述问题，压缩空气储能（CAES 系统）可以实现电力生产和消费错时进行，实现电网的“削峰填谷”以平衡电力负荷，从而提高电网的稳定性和可靠性。随着传统电力峰谷差值的增长，电网稳定性和安全问题日益突出，而储能技术是解决这一问题的重要途径。储能系统通过特定的储能介质在用电低俗时将多余电能以某种形式储存在储能介质中，在用电需求高峰时再将存储在储能介质中的能量以电能的形式释放。储能系统可以使电力生产、供应和消费过程分时段进行。配备储能系统的电力系统，具备移峰填谷的功能，满足用户用电需求的同时，提高了发电厂发电效率。储能技术种类众多，如抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能、电容和超级电容、蓄电池、液流电池、超导磁能等。但到目前为止，能与电网匹配，可实现大规模储能的储能技术只有抽水蓄能电站技术和压缩空气储能电站。抽水蓄能电站技术成熟、循环效率高、储能容量大、周期长。但是建造抽水蓄能电站要求有较大落差的水库和相应的水坝，受地质条件和需要大量水等条件的制约，适合建造抽水蓄能电站的地点越来越少。目前，世界上已有两座大型压缩空气储能电站投入商业运行。第一座是1978年投入商业运行的德国Huntoorf电站,目前仍在运行中。机组的压缩机功率 60 MW，释能输出功率为290MW，系统将压缩空气存储在地下600m的废弃矿洞中，矿洞总容积达 3.1×105m3，压缩空气的压力最高可达100 bar（1bar=105Pa)。机组可连续充气 8h，连续发电2h。第二座是1991 年投入商业运行的美国 Alabama 州的 McIntosh 压缩空气储能电站。其地下储气洞穴在地下 450m，总容积为5.6×105m3，压缩空气储气压力为 7.5 MPa。该储电站压缩机组功率为50 MW，发电功率为110 MW，可以实现连续41h空气压缩26h发电。该电站由Alabama州电力公司的能源控制中心进行远距离自动控制。我国对压缩空气储能系统的研究开发开始比较晚，但随着电力储能需求的快速增加，相关研究逐渐被一些大学和科研机构所重视。
传统的压缩空气储能中释能阶段为加热膨胀后的空气带动汽轮发电机发电，考虑到水动力发电机转子直径大长度短，起动、并网所需要的时间短，运行调度灵活的优势，所以本文释能阶段的发电采用水动力发电。
二 系统仿真研究
压缩空气储能主要有压气机、燃烧室、透平机、储气装置、发电机五个部分构成。在储能环节主要是将电能消耗掉用压缩机把空气压缩存储在储气室里，这个过程为绝热过程；释能环节打开储气室，高压空气从储气室进入燃烧室加热升温，此刻的空气变为高温高压的气体。这个过程为恒压吸热的过程。高温高压的空气迅速膨胀驱动透平机发电，这个过程为绝热膨胀过程。做工后的废气排出，温度下降，一个发电的循环过程结束。储能释能的不同步工作，释能时的压缩机没有消耗透平输出功率，使得其比传统的燃气轮机理论效率高达两倍。
本文主要从仿真的角度探究小容量水动力压缩空气储能系统的可行性和可靠性。考虑到压缩空气储能系统涉及到储能环节和释能环节的部件较多，压缩空气储能系统是一个多变量非线性系统，直接进行仿真难度较大。本文利用了压力和流速转化的方式简化了仿真系统的难度，也提高了仿真的可靠性。
本文利用MATLAB软件中可视化Simulink模块对系统进行了建模仿真，将释能系统中压缩空气压力转化为空气在管道中流速表示，减少中间环节。系统仿真图如图1所示，从图一可以看到该系统主要有压缩储能环节，释能透平发电环节，并网环节等。
由图2可知该系统透平机发电转速在1300r/min,0.1s时转速急剧升高，这是由于释能开始时打开阀门压缩的空气冲击透平机发电，透平机转速瞬时加大，在0.12s左右趋于平稳。因为转速瞬时加大的时间较短只有0.1s，在并网前期可以采用弃电的办法，除去对并网的影响。
图3为水动力压缩空气储能装置稳定运行时，转速比和电压随透平机转速的变化曲线，转速比和电压前期变化缓慢是由于透平机中转速影响。从图中可以看到在转速稳定在1300r/min时，转速比稳定在9左右，发电电压稳定在140v，电压波动较小，适合并网。转速在0.1s过后的小波动主要由于压缩的空气在管道中受到摩擦，从而引起局部温度变化，以至于影响流速。
三 结论
本文是在传统压缩空气储能系统的基础上对其结构进行改进，更加利于快速启动和电力“削峰填谷”。针对水动力压缩空气储能装置进行了可视化仿真，从文中的仿真可以看出，该系统在释能环节中，通过稳压器作用可以基本可以实现恒压力输出，转化为稳定的空气流。在透平电机转速恒定在1300r/min时，该系统稳定输出140V的电压，后续通过变压器可以实现家用电和并网的需求。由于系统压缩空气主要存放在储气罐中，缩小体积的同时对选址要求大大降低，对小容量储能系统的发展提供了新的发展方向。
参考文献：
[1]国家电网公司"电网新技术前景研究"项目咨询组,王松岑,来小康,程时杰.大规模储能技术在电力系统中的应用前景分析[J].电力系统自动化,2013,37(01):3-8+30.
[2]陈海生,刘金超,郭欢,徐玉杰,谭春青.压缩空气储能技术原理[J].储能科学与技术,2013,2(02):146-151.
[3]余耀,孙华,许俊斌,曹晨霞,林尧.压缩空气储能技术综述[J].装备机械,2013(01):68-74.
[4]李小仨,钱则刚,杨启超,张成彦,李连生.压缩空气储能技术现状分析[J].流体机械,2013,41(08):40-44.
[5]徐玉杰,陈海生,刘佳,谭春青.风光互补的压缩空气储能与发电一体化系统特性分析[J].中国电机工程学报,2012,32(20):88-95+144.
[6]张新敬,陈海生,刘金超,李文,谭春青.压缩空气储能技术研究进展[J].储能科学与技术,2012,1(01):26-40.
[7]徐桂芝,宋洁,王乐,邓占锋,梁立晓,金翼,邓敏.深冷液化空气储能技术及其在电网中的应用分析[J].全球能源互联网,2018,1(03):330-337.
论文作者:樊胜军
论文发表刊物:《当代电力文化》2019年11期
论文发表时间:2019/12/2
标签：压缩空气论文; 储能论文; 系统论文; 转速论文; 透平机论文; 电站论文; 电网论文; 《当代电力文化》2019年11期论文;