風能與低溫絕熱壓縮空氣儲能集成的并網發電優化策略

李惠琴， 和佳琪， 王 靜， 李柱華

（1.國網陜西省電力公司， 陜西 西安 710048； 2.西安交通大學， 陜西 西安 710048； 3.北京清大高科系統控制有限公司， 北京 102208）

0 引言

壓縮空氣儲能 （Compressed Air Energy Storage， CAES）是一種能量存儲技術，可以將能量存儲為高壓空氣。 儲能技術被認為是處理風力發電間歇性的有效方法之一， 與其他類型的能量存儲（例如電池和超級電容器） 方法相比，CAES技術能以較低的成本處理風力發電中的能量存儲問題[1]，[2]。

鄧廣義對人工儲層的絕熱CAES 進行了熱力學分析，研究了傳熱裝置對系統效率的影響[3]。 李大中等提出了將風能與大規模CAES 集成的概念，提高了風力渦輪機傳輸系統的容量因子[4]，[5]。閆方等通過使用技術和經濟優化模型， 從長期的風能市場前景出發， 研究了混合風/CAES 電力系統，為電力系統提供輔助服務，可以彌補風能的間歇性所產生的額外存儲成本[6]，[7]。 目前有兩種典型的混合型風/CAES 系統：串行積分和平行集成[8]～[10]。其中串聯風力/CAES 系統使用風能發電為壓縮機組提供動力， 能量主要以壓縮空氣的形式存儲在儲罐（地下洞穴或壓力容器）中。 在高峰需求期，壓縮空氣通過渦輪機膨脹發電[11]；當風力發電低于目標功率時，壓縮空氣從儲氣罐中釋放，通過渦輪機膨脹發電[12]，[13]。 串行風/CAES 集成系統具有網絡調節力強、操作簡便、有效響應電力系統峰值需求等優勢。

本文探索了一種并網優化策略， 以提高帶壓力容器的混合風力/LA-CAES （Low-temperature Adiabatic-CAES）系統的經濟可行性，提高風能的能源利用率和運營盈利能力， 同時減少壓力容器的容量和成本。 首先對用于混合風力/LA-CAES系統的并網功率優化策略進行說明， 然后描述了風能輸出和低溫CAES 的數值模型， 最后將案例研究的仿真結果與現有的串行或并行集成系統進行比較， 完成了LA-CAES 的性能和能量轉換分析及集成系統的評估。

1 研究方法

1.1 風電預測概述

在具有儲能裝置的風力發電廠的設計和運行過程中，風能預測起著至關重要的作用。 在本研究中， 風電功率預測是實現并網功率優化策略的重要基礎。 此外，風力發電預測的精度是影響操作可靠性和效率的重要因素。 通常而言，可以通過兩種方式實現風能預測：統計方法和直接預測法[14]。 其中：前者廣泛用于長期和短期的估計；而后者僅適用于長期估計[2]，[14]，[15]。 近年來，機器學習、人工智能或“灰箱”方法不斷發展，集成和組合預報方法得到重視[16]，[17]，以減少風向預測的誤差。 本文基于集成數據集獲得的風能數據對風電功率進行預測。

1.2 并網風電優化策略

為了在混合風力/LA-CAES 系統上實現長期穩定的運行和經濟效益， 本文研究了一種優化策略對風能輸出進行分段預測。 基于風電功率預測的平均分段概念， 首先獲得基于電價的并網發電優化的初步結果；然后進行二次優化，根據CAES中的壓力重新調整并網發電量， 為確保長期平穩運行并限制存儲容量， 提出了一種三階段遞歸優化算法，實現并網功率的優化輸出。

并網功率優化過程的具體步驟如下：

①對目標時段的風電輸出預測進行分段平均處理，得到分段時間間隔集和分段風電輸出集；

②判斷各時段電力現貨市場價格預測值，得到最優并網發電輸出， 如果時間間隔的平均價格超過預期價格的上限或下限， 則相應的值將等于最大或最小并網功率值，該值由風電容量決定。同時，為了限制LA-CAES 系統的能量轉換，設定并網功率的最大調整幅度，以提高風電利用率，降低CAES 系統的容量要求；

③基于當前并網發電量和原始風電出力預測進行綜合仿真計算，檢查是否超過儲能容量限制。如果在整個目標期間未檢測到溢出， 則將當前并網功率輸出作為最終并網功率優化輸出；否則，相應間隔的并網功率輸出將提升一級或降級， 以改變能量轉換和傳輸。

2 模型說明

如圖1 所示， 本文開發了基于并網功率優化策略的風力/LA-CAES 系統仿真模型，其中：功率優化控制模塊是集成系統并網功率優化的關鍵部分，可定期更新并網電源的優化輸出；電源控制模塊能夠靈活高效地處理LA-CAES 系統的充放電操作，從而實時跟蹤風電波動，確保網格系統在不同的時間段為風電提供恒定功率。

2.1 風電模型

風力發電機組， 如應用廣泛的雙饋感應發電機（Doubly-Fed Induction Generator， DFIG）的風力發電機組， 通常采用風力渦輪機葉片槳距角控制策略限制高風速時的功率輸出和轉速， 在超過額定風速范圍時保護風力渦輪機， 并保持恒定的功率輸出。

為了研究并網電源優化策略對LA-CAES 性能和混合風力/LA-CAES 系統能量轉換的影響，本文采用兩種風電輸出模擬風電場實際風電波動的基本類型， 兩種風電輸出在時域上表現為風電的均勻分布和非均勻分布，對風電能量轉換、LACAES 集成系統和儲能利用水平可能產生不同的影響。

2.2 LA-CAES 系統的建模

如圖1 所示，LA-CAES 系統建模主要分為壓縮機傳動、 渦輪傳動、 儲氣罐和熱能存儲4 個部分。根據功率優化控制模塊，風力發電機組的溢流電被提供給LA-CAES 系統以壓縮空氣；同時，在壓縮過程中釋放的熱能通過熱交換器提取并存儲在儲熱器中。對于排放操作，壓縮空氣通過渦輪機組膨脹產生電能，用以補償并網的電力輸出，熱能存儲將在膨脹過程中用于加熱壓縮空氣。 在LACAES 系統的建模中假設：LA-CAES 系統中的空氣被視為理想氣體；LA-CAES 系統的非設計運行在內部單位時間內被視為穩定狀態； 忽略熱交換器和管道中的壓力損失； 空氣存儲容器的溫度在充放電期間保持恒定；高溫儲熱器絕熱，沒有熱量損失，低溫儲熱器的溫度等于環境溫度[18]，[19]。

2.2.1 壓縮機傳動

式中：βc，i為i 級壓縮機的壓力比；k 為空氣比熱的比值；ηcs為壓縮機的等熵效率。

在LA-CAES 系統中， 采用了與輸入功率有關的等熵效率ηcs的經驗函數，以獲取在非設計條件下波動的風能輸入的等熵效率。 當單位質量的空氣通過i 級壓縮機時，功率消耗wc，i為

式中：cp為恒壓下空氣的比熱容[21]。

式中：ε 為熱交換器的效率，可用于評估熱量交換過程。

2.2.2 渦輪傳動

式中：βe，i為i 級渦輪機的壓力比；ηts為渦輪機的等熵效率。

類似于壓縮機， 渦輪機也處于非設計運行狀態。

2.2.3 儲氣罐

根據儲氣罐內壓縮空氣的壓力在充放電過程中是否發生變化，有兩種不同類型的儲氣方案：等容和等壓。 本文采用典型的等容存儲設備來存儲壓縮空氣。儲氣罐為開放系統，其質量守恒原則如下：

式中：mas為儲氣罐中的空氣質量；Gin，Gout分別為進入、離開儲罐的空氣質量流量。

作為開放式系統， 空氣儲罐內外比能計算式為

式中：（p·v）為打開或關閉系統時單位質量引起的流動功；ek，ep分別為單位質量動能、勢能。

為簡化起見， 本文忽略進出儲氣罐的空氣動能和勢能。 內部能量計算式為

式中：h 為空氣比焓；Aas為儲氣罐外表面積；Tas為儲氣罐溫度；Tenv為環境溫度；Uas為儲氣罐和環境之間的傳熱系數；pas為儲氣罐壓力；penv為環境壓力；U0為當pas=penv和質量流量為零時的傳熱系數；α 和τ 分別為壓力和質量流量對熱交換過程的影響。

2.2.4 熱能存儲（TES）

壓縮空氣儲能系統中的能量可分為壓力能和熱能兩種主要形式， 在壓縮過程中釋放的熱能由級間熱交換器捕獲并存儲在TES 中。液體TES 介質被用于傳熱和存儲， 在LA-CAES 系統中使用了兩個TES 設備，在壓縮過程中，來自低溫TES裝置的熱載體流經壓縮機組的級間熱交換器，以捕獲釋放的熱能并存儲在高溫TES 裝置中。 由于高溫TES 與環境之間的溫差相當大，二者之間的熱交換可以忽略不計，因此對高溫TES 設備進行隔熱。 基于能量守恒，根據式（11）計算高溫TES中的溫度變化。

在膨脹過程中，來自高溫TES 的熱載體流經渦輪機列的級間熱交換器，加熱壓縮空氣，然后返回到低溫TES 裝置。假設低溫TES 與環境的熱交換充分， 則低溫下的液體熱載體溫度等于環境溫度。

2.3 能量轉換和傳遞的測量

為了評估不同集成系統的能量轉換和傳遞，本文進行了能量測量。假設Tenv和Penv被定義為靜止狀態，則儲氣罐中壓縮空氣的火用能值為

風力發電機組總風能輸出Ewind、 壓縮機組總功消耗Ec、渦輪機組總輸出功率Et以及集成系統的發電量Egrid分別表示如下[24]：

式中：Pwind為風力發電機組的風力輸出；Pc為壓縮機組的功率消耗；Pt為渦輪機的功率輸出；Pgrid為集成系統并網功率輸出。

3 結果與討論

本節對優化功率輸出的風力/LA-CAES 并行集成系統進行熱力學分析， 并與現有的恒功率輸出并行集成系統和串行集成系統進行對比。 串行LA-CAES 系統首先通過波動的風力輸出進行充電，直至上限，然后在風力發電機組閑置時直接放電以輸出恒定功率； 并行的LA-CAES 系統交替充電和放電以穩定波動的風能輸出， 以便在恒定功率輸出并行集成系統中輸出連續的恒定功率值。 并行集成系統和串行集成系統的儲氣罐的初始壓力分別設置為10 MPa 和7 MPa，不同類型的風力/LA-CAES 系統的壓氣機和渦輪機的額定功率根據容量最小準則模擬研究得出。

3.1 并網電源優化對LA-CAES 性能的影響

圖2 為風能波動均勻和不均勻狀態下， 并聯系統的風電并網優化輸出， 基本表征了風能波動的變化。 由圖可以看出：兩種風能波動下，在不同的時間段向電網恒定輸出功率；相比之下，恒定功率并行輸出的額定功率與全時段的波動風力之間存在較大的偏差， 這需要通過LA-CAES 子系統加以限制或補償。

圖2 風能波動均勻和不均勻狀態下，并聯系統的風電并網優化輸出Fig.2 Optimal output of wind power grid connected in parallel system under uniform and uneven wind power fluctuation

圖3 為風能波動均勻和不均勻狀態下， 優化功率輸出并聯系統和恒定功率輸出并聯系統的壓縮/擴展功率。 分析可知，與恒定功率輸出并聯系統相比， 優化功率輸出并聯系統的功耗和功率輸出結果均明顯降低。 在圖3（b）中，優化功率輸出系統有助于實現能量輸入和輸出平衡。因此，為優化功率輸出， 本研究中的系統壓縮機組采用較低的額定功率，以減少在低輸入功率/額定功率比下對壓縮過程的負面影響。 在充放電開關變得更加頻繁時， 具有快速響應和啟動能力的LA-CAES系統將更具穩定優勢。

圖3 風能波動均勻和不均勻狀態下，優化的功率輸出并聯系統和恒定功率輸出并聯系統的壓縮/擴展功率Fig.3 Compression/expansion power of optimized parallel power output system and constant power output system under uniform and uneven wind energy fluctuation respectively

圖4 為風能波動均勻和不均勻狀態下， 優化功率輸出并聯系統和恒功率輸出并聯系統內部空氣壓力的變化。結果表明：在均勻風和不均勻風的情況下， 優化功率輸出并聯系統的存儲壓力在初始值1 MPa 附近略有波動；恒定功率輸出并聯系統則呈現出相對較大的波動， 分別為2.5 MPa 和4.8 MPa，表明恒定功率輸出并聯系統在運行期間能量存儲波動性較大。

圖4 風能波動均勻和不均勻狀態下，優化功率輸出并聯系統和恒功率輸出系統內部空氣壓力的變化Fig.4 The air pressure in parallel system and constant power system with optimized power output under the condition of uniform and non-uniform wind fluctuation

3.2 能量轉換和傳遞

圖5 風力均勻條件下恒功率輸出并聯系統和優化功率輸出并聯系統的能量轉換和傳遞Fig.5 Energy conversion and transfer of parallel power output parallel system and optimized power output parallel system under uniform wind conditions

圖5（a）為風均勻波動時串聯集成系統的能量轉換，風能輸入LA-CAES 系統進行能量轉換，風力轉換效率為61%。 此外，在LA-CAES 系統擴容過程中， 風力發電機組在不連續運行時串行集成系統獲得的風能較少， 風能利用率較低， 約為46%。 圖5（b）和（c）為風均勻波動時，恒功率輸出并聯系統和優化功率輸出并聯系統的能量轉換和傳遞。 與兩個并行系統的串行集成系統相比，電能輸出顯著增加，在恒功率輸出并聯系統中，LACAES 系統平均能量轉換效率約為60%， 而集成系統的理想風能利用率約為88.7%。 能量損失主要是由于恒定的并網電力輸出和波動的風力發電輸入之間存在偏差， 導致大量的風能通過LACAES 系統存儲[25]。 對于優化功率輸出并聯系統，LA-CAES 系統的轉換效率較低，約為55%。 優化功率輸出系統和波動的風力輸入體現出近似的變化趨勢，這表明更高比例的風能被直接輸出至電網。 總體而言，優化功率輸出并聯系統實現了約95.5%的風能利用率。

在風量波動不均勻的情況下，恒功率輸出并聯系統能量存儲變化遠大于優化功率輸出系統，如圖6 所示。 對于優化功率輸出系統，風能轉換和傳遞的理想效率達到了95.8%左右， 而恒功率輸出系統的理想效率為89.3%左右。顯然，在一定時域內，風能轉換效率與風能輸出和并網輸出的最大累積偏差之間存在正相關關系。

圖6 風力不均勻條件下恒功率輸出并聯系統和優化功率輸出并聯系統的能量轉換和傳遞Fig.6 Energy conversion and transfer of parallel power output parallel system and optimized power output parallel system under non-uniform wind conditions

通過比較均勻和不均勻風能波動的能量轉換和傳遞結果，與現有的串行或并行集成系統相比，本文的優化功率輸出并行系統可實現更高的風能利用率，能量存儲轉換比例更低。

4 結論

本文開發了一種將風能與低溫絕熱壓縮空氣儲能相集成的并網功率優化策略， 能夠通過減少能量存儲容量來平衡風力的波動， 并確保向電網連續穩定地輸出功率。 優化的風力/LA-CAES 集成策略的優點總結如下：①在理想條件下，可將風能利用率提高到95%以上；②大大減少了能量存儲容量， 這對于受地理限制的壓力容器進行大規模風電集成尤為重要； ③通過將更多的風力直接提供給電網， 降低了LA-CAES 系統壓縮機組的額定功率。