压缩空气蓄能调节太阳能系统输出功率建模与研究

董兴辉，郑凯，朱凌志

（1.华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京 102206；2.中国电力科学研究院新能源所，南京 210003）

压缩空气蓄能调节太阳能系统输出功率建模与研究

董兴辉1，郑凯1，朱凌志2

（1.华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京 102206；2.中国电力科学研究院新能源所，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）

太阳能的间歇性和波动性不利于太阳能发电大规模并网，实施电力储能可平抑输出功率波动，改善电能质量。目前，我国大规模的电力储能只有抽水蓄能，却受到水资源的限制而无法普遍开展。提出了基于压缩空气蓄能（compressed air energy storage，CAES）的太阳能发电站功率调节系统，给出了CAES调节系统额定功率、容量等系列关键参数的设计方案，并选取案例对CAES系统仿真模拟。结合电站所在地区负荷变化及与局域电网电能交换数据，对比了采用CAES功率调节系统前后太阳能发电并网对局域电网的影响，分析结果表明CAES调节太阳能发电能有效地缓解对局域电网的冲击。

太阳能发电；压缩空气蓄能；功率调节；系统设计

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是以空气的压力势能为能量载体的储能技术，德国Huntorf压缩空气蓄能电站的商业运行已证实该技术的可靠性［11］。将CAES与风能、太阳能联合，并应用于调节可再生能源发电，具有较好的调峰优势和经济效益［12-13］。本文基于CAES建立太阳能发电站功率调节系统，将光伏发电机组输出的剩余电能用于压气并存储，利用太阳能蓄热系统加热释放的高压空气，CAES发出的电能用于高峰时段的电力调峰。

1 CAES调节太阳能发电功率概述

1.1 系统流程

如图1所示为CAES用于太阳能发电功率调节的系统结构流程。其中，太阳能发电系统输出的电能用于驱动多级压气机，产生的高压空气存储于储气罐中；当需要时，释放存储的高压空气，经太阳能蓄热系统加热升温后进入多级透平，高温高压空气在透平中膨胀做功，输出电能。该系统包括太阳能发电和蓄热模块、压缩空气蓄能模块等3部分，主要由光伏发电机组，太阳能集热/蓄热装置，多级压气机、冷却装置及储气罐，多级透平膨胀机组成。

图1 CAES调节太阳能系统输出功率流程图Fig.1 Flow chart of CAES for adjusting output power of solar power system

太阳能集热/蓄热装置由太阳能集热器、太阳能吸收与输送热量装置、蓄热/换热器等组成，其主要功能是将太阳能转换为高温热能并用于加热蓄热工质。以抛物槽式太阳能集热系统为例，当采用导热油作为蓄热工质时，其蓄热温度可达到500℃。当高压空气穿过蓄热/换热器时，空气吸收蓄热工质中的热量并达到一定温度，如此可以增加高压空气膨胀做功的能力。

为了降低压气过程耗功，CAES采用多级压缩、级间冷却的方式，最终，高压空气经冷却后进入储气罐中存储，其存储压力可达到100～200 bar。对于恒容型储气罐，体积不变，存储过程中储气罐内的压力不断升高，需要不断增大多级压气机出口的空气压力以保证储气过程顺利进行，而相应地，放气过程中储气罐内压力不断降低，需要将空气节流到透平入口压力并保持压力稳定［14］。对于恒压型储气罐，通过改变储气罐体积可以保持内部空气压力恒定不变。可大范围商业使用的是恒容型储气罐，而恒压型储气室尚处于研发或实验阶段。

CAES的透平发电装置采用多级透平、级间加热的方式。空气在进入每级透平之前，需要进入蓄热/换热装置吸收蓄热工质传递的热量以升高温度。高压空气依次流经各级透平膨胀做功，并驱动发电机产生电能，末级透平排出的空气直接进入大气。

1.2 系统设计原理

根据我国现阶段对可再生能源发电的利用特点，本文选用的系统只针对小范围的局域供电［3］。如图2所示，当光伏发电充足时，太阳能发电系统输出的电能优先用于供给本地用户用电，超出用户负荷的电能输送给压气机或局域电网；而当光伏发电机组无法提供充足的电能时，由局域电网或透平发电机组向用户提供电能。系统假设光伏发电电价和透平发电电价相同，且与局域电网上网电价保持一致，均采用峰谷电价。因此，在用电高峰时段，该系统优先考虑对外输送电能。同时考虑到储气与蓄热条件，透平发电机组持续工作的时间受限，为了获得最大收益，透平发电机组只在用电高峰时段运行，送出的电能按高峰时段电价计算。

图2 CAES调节太阳能系统输出功率原理图Fig.2 Schematic diagram of CAES for adjusting output power of solar power system

调节系统中的太阳能发电和蓄热模块可由商业使用的太阳能发电和蓄热装置组成，因此本文只针对压缩空气蓄能模块进行参数设计。压缩空气蓄能模块主要由储能单元和发电单元组成，储能单元主要包括压气机和储气罐，发电单元主要包括蓄热/换热器和透平膨胀机。系统存储的电能由光伏发电机组提供，对储能单元的模块设计，主要是根据太阳能发电系统的输出功率来确定压气功率、充气流量、储气罐容积及其存储压力；而发电模块受太阳能发电及蓄热条件限制，且必须满足区域范围内用电负荷变化的需求，因此对发电模块的设计，主要包括对透平功率、放气流量、发电时长等参数的选用。

2 CAES模块设计方案

2.1 储气和放气过程限制条件

由于储气过程所需要的电能全部由光伏发电机组提供，因此，压气机的耗电功率应该满足

式（1）中，Pci、Psi、Pui分别为第i个非用电高峰时的压气功率、光伏发电机组输出功率和用户用电功率。对于恒容型储气罐，在安全范围内，罐内空气满足状态方程：

式（2）中，V为储气罐的体积；R为气体常数；T为存储气体的温度；m为空气质量。若将充气过程近似的等效为绝热过程，则储气罐内压力、温度变化的关系如下［15］：

式（3）—（4）中，κ为多变指数，取值为1.4；p为存储气体的压力；T为存储气体的温度；V为储气罐的体积；R为气体常数；G为储气罐与外界交换的质量流量，充气过程G等于压气机出口空气流量，取正值；放气过程G等于透平入口空气流量，取负值。为了方便计算，可近似地认为充气过程的流量不变，其限制条件为：

式（5）中，下标0为储气过程储气罐内空气的初始状态，max为储气完成时的最终状态；tc为储气时间，即充电时间。忽略管道损失，压气机出口的压力pi可认为与第i个时段内储气罐中空气的最大压力相等，其限制条件为：

式（6）中，ti为第i个时段的时间长度。由式（6）可知，对于连续储气过程，压气机出口的压力不断增大，其最大值可认为与储气罐最大存储压力pmax接近。

透平的发电功率Ptur与入口空气的温度Tt，压力pt，流量Gout有关，这其中透平入口温度Tt由太阳能储热系统的热油温度决定。由于该CAES系统采用恒容型储气罐，空气在释放过程需要节流到稳定压力pth，因此透平入口压力pt与pth以及p0的关系为：

而空气流量与透平发电时间tt的限制条件可表示为：式（8）中，温度T′max为放气过程开始时储气罐内空气的温度，忽略散热损失，可近似的认为T′max与充气过程完成时刻储气罐内空气温度Tmax相等。若以最大经济效益为目标，则应使高峰时段内多级透平的输出电能最大，则限制条件可以表示为：

2.2 系统各关键参数选取

CAES功率调节系统充气过程的关键参数设计如图3所示，根据光伏发电机组输出功率、用户用电负荷随时间的变化关系可确定多级压气机的额定压气功率pcom以及总压气时间tc，通过多级透平的设计规则可以选定高压透平入口压力pt，当给定储气罐的最大存储压力pmax和容积V，通过多次迭代计算可最终确定合适的参数。此外，通过经验值选取多级压气过程的冷却温度Tcool为25℃，储气罐内空气的初始温度T0为25℃。当压气过程的额定参数确定，可以将压气时间分为N个时间段，每个时间段的压气功率可以由式（6）计算得到。

由于多级透平只在用电负荷高峰时段对外发电，根据供电需求以及多级透平的运行特性，结合式（8）（9）可确定放气流量Gout与总发电时间tt，其中，蓄热/换热器内工质的温度可根据现有太阳能蓄热系统取经验值。

图3 CAES充气过程关键参数选取流程Fig.3 Flow chart for selecting key parameters of CAES in charging process

3 算例分析

以30 MW太阳能发电系统为原型，设计压缩空气蓄能用于平抑太阳能系统输出功率波动的调节系统，其中光伏发电机组用于发电，太阳能集热器用于加热蓄热工质。太阳能发电系统和CAES调节系统组成的联合系统优先为当地用户提供电能，超出当地需求的电能交换给局域电网，并由局域电网输送给其他地区的用户。而联合系统供电不足时，当地用户须向局域电网购电［16］。当CAES不运行时，太阳能发电系统、用户用电负荷、该地与局域电网交换电能如图4所示。

图4 太阳能发电系统单独运行时当地电力供需情况Fig.4 Power supply and demand characteristics of local grid when solar power system running alone

根据CAES模块的设计原理及方案，选定的CAES额定技术参数如表1所示。本文采用软件ASPEN对CAES系统进行流程模拟，得到压气机和透平的相关运行参数。其中，压气机属于变工况运行，因此其功率在一定范围内变化。此外，由于太阳能蓄热系统的引入，也使得CAES不需要消耗化石能源就能满足发电需求。本文将5 h的连续压气时间分为10个时间段，压气机耗功在这些时间段内的变化范围为5 500～7 800 kW。该地的用电负荷高峰期为7：00—11：00和18：00—23：00两个时间段，用户购电电价为1.2元/kW·h，在时间段11：00—18：00内，电价为0.75元/kW·h。

表1 CAES额定技术参数Tab.1 Rated technical parameters of CAES

当CAES运行时，由于其削峰填谷作用，联合系统的输出功率产生变化，其变化趋势如图5所示。压气和放气过程均连续进行，其中压气机所消耗的功率随着充气进程而持续增大，而放气过程中透平输出功率保持不变。在一个典型的工作日内，压气机总耗功34 438 kW·h，透平总发电功率28 120 kW·h。

图6所示为联合系统正常运行时，该地与局域电网交换电能的变化趋势。图7所示为CAES功率调节系统运行前后该地与局域电网交换电能变化趋势。当太阳能发电系统单独运行时，太阳能发电并网带给局域电网功率波动值在［-12 861 kW，13 958 kW］之间变化，其中局域电网供给该地用电功率最大值达到12 861 kW，而接受太阳能发电的功率的最大值达到13 958 kW；而当CAES功率调节系统运行时，联合系统发电并网带给局域电网功率波动值在［-5 730 kW，8 700 kW］之间变化，其中局域电网供给该地用用电功率最大值为5 730 kW，而接受联合系统电能的功率的最大值为8 700 kW。由此可见，CAES对太阳能发电进行功率调节，能有效地降低太阳能发电造成的对局域电网功率波动的影响。不仅如此，由于CAES存储非高峰时段的电能并在高峰时段释放，还额外带来经济效益：1.2×28 120-0.75× 34 438=7 915.5元。

图5 CAES运行时压气功率及联合系统输出功率变化趋势Fig.5 Variation trends of compressor power and combined system output power when CAES operate

图7 CAES调节太阳能系统输出功率前后当地与局域电网电能交换情况Fig.7 Power exchange characteristics between local electricity users and grid before and after CAES operate

4 结论

大规模储能手段中，相对于抽水蓄能受水资源影响，压缩空气蓄能更具有优势，比较适合在我国干旱地区应用。本文提出采用压缩空气蓄能的手段调节太阳能发电系统的输出功率，充分利用了光伏发电与太阳能蓄热的特点。一方面，在光线充足时将太阳能转换成电能并用于非负荷高峰时段的电力储能，另一方面，利用蓄热工质吸收太阳能热量并用于加热高压空气，这使得CAES无须额外加入其他能源就能完成对电能的存储和调峰。本文根据太阳能发电和负荷的变化情况，给出了CAES用于调节功率时的关键参数的设计规则，并结合具体案例，指出了CAES用于功率调节时能减缓太阳能发电并网对电网造成的功率波动，并在峰谷电价机制下具有良好的经济性。

本文对太阳能发电功率的研究是基于理论输出功率随时间的变化关系，然而，电站的实际输出功率受到天气的影响，具有不确定性，并且与局域电网交换电能时存在一定的滞后性，此外，CAES的参数设计与实时运行受样本多变性的影响较大，这些都将加大CAES调节太阳能发电的难度。通过分析更长时间内CAES的功率调节作用以提高设计和运行的准确性，选取高效的方式缩短电能储存和释放的响应时间，完善太阳能发电与CAES的集成方式，将是今后研究的关键内容。

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（编辑 徐花荣）

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

图6CAES运行时当地电力供需情况
Fig.6 Power supply and demand characteristics of local grid when CAES operate

1674-3814（2015）04-0089-06

TK02

A

国家电网公司科技项目（项目名称：面向高海拔、大容量移动式光伏并网试验检测及分析评价技术研究（YN71-13-036））。

2014-09-09。

董兴辉（1962—），男，博士，教授，研究方向为新能源发电信息化建模、智能维护技术；

郑凯（1974—），男，博士，讲师，研究方向为新能源发电运维管理技术，故障诊断；

朱凌志（1975—），男，博士，高级工程师，研究方向为电力系统分析与控制、新能源发电接入技术。

我国太阳能资源丰富，大规模开发太阳能得到国家的大力支持，是我国能源战略的重要组成部分［1-3］。太阳能发电是开发和利用太阳能的主要形式之一，然而与常规能源发电不同，太阳能发电具有间歇性，电站输出功率随机波动，大规模的太阳能发电并网将对电网的稳定运行产生不利的影响［4］。因此，采用有效的储能和调峰手段以克服太阳能发电波动的弊端具有重要意义［5-7］。受自然条件和占地面积等因素影响，我国大型的太阳能发电站多集中在戈壁、荒漠等偏远地区［8］，电网消纳和调峰能力不足。同时受水资源的限制，难以开展大规模抽水蓄能以实现对太阳能发电系统的电力调峰。然而，采用对水资源要求低的压缩空气蓄能调节太阳能发电是一种有效的解决方式［9-10］。