先进绝热压缩空气储能在微网中的应用研究

段新会，李生鹏，武永利，李　磊

(1.华北电力大学 控制与计算机工程学院，河北保定071003; 2.保定华仿科技股份有限公司， 河北保定071051)

先进绝热压缩空气储能在微网中的应用研究

段新会1，李生鹏1，武永利2，李磊2

(1.华北电力大学 控制与计算机工程学院，河北保定071003; 2.保定华仿科技股份有限公司， 河北保定071051)

摘要：微网对减小分布式发电的弊端十分有利，而储能是微网的重要组成部分，先进绝热压缩空气储能(AA-CAES)相对于其他储能方式更具有优势，AA-CAES应用于微网有着光明的前景。基于STAR-90仿真平台建立了AA-CAES系统模型和微网模型，通过仿真实验，对比分析了有无AA-CAES的微网实验数据，得出有AA-CAES参与的微网与大电网的送受电比例远低于无AA-CAES的微网。通过多个微网联合运行，形成微网集群进行仿真研究，得出微网集群的送受电比例相对于单个微网有更大的降低。由仿真实验结果可知，在微网中加入AA-CAES可降低大电网的削峰填谷压力，提高大电网运行的经济性和安全性，减小新能源的出力波动性与随机性的影响。多个微网形成微网集群，集群内微网之间通过控制策略优化，并形成互补效应，相对于单个微网，微网集群与大电网的送受电比例更低，微网集群显示出更好的独立性和自治性。

关键词：微网；压缩空气储能；仿真；分布式发电

中图分类号：TM731

文献标识码:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2015.08.009

收稿日期：2015-05-18。

作者简介：段新会(1969-)，男，高级工程师，研究方向为电站仿真与自动化,E-mail:710008501@qq.com。

Abstract：On one hand, microgrid can reduce the malpractice of distributed generation. And energy storage is an important part of the microgrid. On the other hand, compared with other energy storage systems, advanced energy storage air adiabatic compression (AA-CAES) has more advantages. Thus, AA-CAES has a brighter future in the microgrid. The AA-CAES system model and microgrid model were established based on the STAR-90 simulation platform. The comparison between the simulation experimental data and the microgrid experimental data without AA-CAES has proved that the microgrid with AA-CAES has a lower proportion of sending and receiving electricity. The microgrid cluster simulation research has also proved that the micro cluster network senting and receiving electricity proportion relative to the single microgrid can be greatly reduced. The simulation results of the experiment show that microgrid with AA-CAES can reduce the load shifting pressure and improve the security and economic operation of large power grid, thus, decreasing the output volatility and random effects of the new energy sources. Compared with single microgrid the microgrids with better control strategy can form complementary effects. And micro cluster network with large power system of sending and receiving a lower proportion of electricity tend to be more independent and autonomous.

Keywords：microgrid; AA-CAES; simulation; distributed generation

0引言

随着电网规模的不断扩大，超大规模电力系统的弊端也日益凸现，成本高，运行难度大，难以适应用户越来越高的安全和可靠性要求以及多样化的供电需求[1]。而且大面积的停电事故造成了巨大的经济损失，显示出大电网的脆弱性，而在用户侧配备一定容量的分布式电源，可在大电网故障时起到应急作用，减小经济损失。分布式发电具有节能、环保、投资少、占地小的特点，更重要的是分布式电源应对高峰期电力负荷比集中供电更加经济、有效，是集中供电有益的补充[2]。然而以新能源为主的分布式电源的随机性和波动性对大电网的安全运行造成了影响,限制了新能源的大规模并网，造成了很多弃光、弃风现象，因此人们又提出了微网概念。

微网是指由分布式电源、储能装置、能量转换装置、相关负荷和监控、保护装置汇集而成的小型发配电系统[3]。微网作为智能电网的重要组成部分，在实现电网支撑、防震减灾、提高能效、节能降耗、农村电气化等方面具有重要功能，是未来智能电网新的组织形式[4]。微网工作方式有孤网模式和并网模式，可以在两者之间切换，微网提高了大电网对分布式电能的接纳能力，从而提高了新能源的利用率。储能是解决新能源大规模并网的关键技术，AA-CAES技术相对于其他储能技术具有明显优势，适宜于与分布式发电结合应用于微网。本文论述了储能技术在微网中的作用，比较了各种储能技术，指出AA-CAES技术具有很大的优势。基于STAR-90仿真平台搭建了AA-CAES系统模型和微网系统模型，通过储能系统和微网系统联合仿真实验，研究分析AA-CAES在微网中的工作过程，计算了有AA-CAES系统和无AA-CAES系统的微网与大电网的送受电比例，以及多个微网形成微网集群时与大电网的送受电比例。

1储能在微网中的作用

微电网主要是由分布式发电、储能、负荷、控制模块等组成的系统。微电网是一个具备自我控制和自我能量管理的自治系统，既可以与外部电网并网运行，也可以孤立运行[5]。储能是目前制约可再生能源大规模利用的最主要瓶颈之一，也是提高常规电力系统效率、安全性和经济性以及分布式能源系统和智能电网的关键技术[6]。储能在微网中的作用可以分为孤网模式与并网模式两个方面论述。

在孤网模式下，微网可以视为一个自治的微型电力系统，系统中包含了以新能源为主的分布式电源、储能装置和负荷等。新能源，如光伏、风能，在无光的夜间和无风的条件下，新能源就无法向负荷提供电能供给，这就需要一定容量的储能装置来短时间提供电能，来减小经济损失。而且，由于新能源的波动和随机特性，造成了新能源的出力不稳定，配备一定容量的储能系统后，当新能源出力大于本地负荷需求时，储能系统工作存储多余电能。当新能源出力小于本地负荷需求时，储能系统释能补充负荷差，也避免了为了应对负荷峰值而装备过多的分布式电源，减小了微网的投资成本。储能也可以解决微网内突发的暂态故障，例如，由于故障引发的电压骤升或骤降、停电等问题，储能系统通过储能或释能来维持微网的稳定运行。

在并网模式下，一方面，微网作为一个单元并入电网，电网对微网输出的电能质量有一定要求，而储能系统可以通过优化逆变器的控制策略，调节储能系统向本地负荷或者电网提供有功和无功补偿，从而提高电能质量。另一方面，微网由并网模式向孤网模式切换过程中，对于动态响应慢，惯性大的分布式电源为主的微网，将会出现较大的电压和频率偏差，会不利于微网的经济运行，储能装置在切换过程中，可以为本地负荷提供有功功率和无功功率支撑，减小由于分布式电源的响应慢而带来的电压和频率偏差影响，保证微网的安全稳定切换。再者，微网工作在并网模式时，微网必然会向电网送电或者受电。当微网出力大于本地负荷时，储能系统储能的同时微网也向电网送电，当微网出力小于本地负荷时，电网向微网输入电能的同时，储能系统也向微网内负荷提供部分电能，在这种工作机制下，储能系统减小了电网削峰填谷的压力，有利于提高电力系统的经济效益和安全性。

2储能技术的比较分析

目前可以应用于分布式发电和微网的储能技术主要有蓄电池、超级电容、超导储能、飞轮蓄能、抽水蓄能以及AA-CAES系统[7～11]。蓄电池优点在于应用最多、技术最成熟、容量较大，但蓄电池频繁充放电会造成工作寿命降低，并且工作要求对环境温度要求高，后期处理污染环境。超级电容能量密度高、瞬时能量脉冲大、可靠性高，缺点在于其价格昂贵，存储容量小，不适于长期储能。超导储能响应速度快，储能效率高，但同样受制于价格高、技术复杂的因素困扰，适合于微型储能。飞轮储能充放电速度快，储能过程稳定，不受环境影响，储能效率能到90%以上，并且是一种环保的储能方式，寿命长，充放电次数很高，但飞轮储能需要一套复杂的电力电子装置，从而大大限制了其使用[12]，并且持续放电时间短。抽水蓄能存储容量大，转化效率高，但是需要水资源丰富的地理位置要求，不适于我国新能源丰富而水资源匮乏的西北、内蒙地区。

AA-CAES系统相较于以上储能系统，具有零污染物排放，发电成本低，适合长期储能，连续放电时间长，并且容量范围大，对环境选址无特殊要求，整体系统可以做到小型化，并且适合与各个容量级别的分布式发电及微网配套建设，并且做好日常维护就可以实现长久利用等特点。AA-CAES系统由于其突出特点在未来有着光明的发展前景。

3先进绝热压缩空气储能系统

AA-CAES系统相对于传统补燃式储能系统，储热器代替了燃烧室，储热器存储压缩空气过程中产生的热能，在透平释能阶段将存储的热能释放，返还给压缩空气从而增加透平的输出功，提高系统的整体效率。文献[13]给出了500 kW非补燃式压缩空气储能系统的系统参数设计、系统模型、效率分析以及系统保护与控制模型。AA-CAES主要设备有压缩机、膨胀机、储气室、储热器、换热器。AA-CAES系统如图1所示。

图1　先进绝热压缩空气储能系统

(1)压缩机有活塞式、离心式、轴流式。对于大型压缩空气储能系统，多采用离心式和轴流式组合，在低压范围时使用轴流式，在高压范围内时使用离心式，压缩机效率越高储能系统效率越高，AA-CAES系统压缩级采用多级压缩以达到储气压力。储能过程中多级压缩机设计为变压工作模式将可以相对节省压缩空气过程能量[14]。

(2)膨胀机是做功装置，系统效率随着膨胀机效率的提升而升高。AA-CAES系统释能级进气压力高、温度低，故释能级采用多级膨胀、级间加热的方式，以提高系统的转化效率，更高膨胀比和更高流量的膨胀机的研制对于提高系统的效率有着重要意义。

(3)储气室可分为定容储气室和定压储气室，满足地质条件的岩洞或者高压力容器作为AA-CAES系统储气室。文献[15]分析比较了采用定容储气和定压储气对系统性能和效率的影响，指出利用定压储气室能有效提高系统热力性能和储能性能。文献[16]对储气室内的温度和压力以及换热系数对效率的影响进行研究，指出储气罐内的储能效率随着压力的增大而增大。

(4)储热器用来存储压缩过程中产生的热量，然后在膨胀阶段将热量返送给压缩空气，从而提高了系统的热效率。从成本和效率考虑AA-CAES的储热材料应该具有较大的比热容、温度范围宽广、环境友好、易于获得等特点[17]。本文AA-CAES系统采用水作为存储热量的介质。

(5)换热器用来将压缩过程中产生的热量传递给储热介质，存储在储热器中，从而降低了每一级压缩机的入口空气温度，减小了压缩机耗功。

4AA-CAES与新能源微网仿真研究

STAR-90是保定华仿科技股份有限公司自主开发的仿真支持系统,STAR-90 仿真平台基于Windows系统，采用全图形化建模与调试界面，为用户提供了一个开放的开发和使用平台。基于STAR-90建立的新能源微网仿真系统主要包括：AA-CAES系统模型、微网模型、AA-CAES系统控制模型、数据接口模型。

把各个微网在STAR-90仿真平台中建立等效的电网模型，各个电网模型之间有开关连接，计算各微网独立数据时该开关断开，计算各集群联网数据时将该开关闭合。新能源发电曲线、负载曲线、储能设计数据输入到各电网模型相应的节点。

4.1　AA-CAES系统仿真模型

AA-CAES系统采用如图1的模型，不同的是仿真实验压缩级模型设计为八级压缩。储能系统容量为10 MW，系统工作过程可分为储能阶段和释能阶段，释能级第一级透平进气压力不变，通过节流阀控制来维持压力恒定。

储能阶段电动机输出轴功率为16.8 MW，压缩机初级进气为常温常压，通过压缩机八级逐级压缩，末级排气压力为10 MPa，温度25 ℃，流量为34 kg/s。高压储气罐容量为3 500 m3，储气压力为10 MPa，储气温度常温。在压缩过程中，通过各级换热器将各级压缩机出口温度降低，同时将热水存储于热水罐中。冷水罐压力为0.4 MPa(绝压)，冷水罐水温为25 ℃，热水罐压力为0.4 MPa(绝压)，热水罐水温为101 ℃。换热温差为5 ℃，水流量为153 m3/h。

释能阶段采用四级膨胀，一级进气压力为7 MPa(绝压)，各级进气温度为93 ℃，气体流量为34 kg/s。末级排气压力为0.1 MPa(绝压)，排气温度为1 ℃。换热器热端温差为5 ℃，发电机功率为10 MW。

4.2　微网新能源基地仿真模型

在STAR-90仿真平台下搭建微网新能源基地集群模型，该集群模型由6个微网组成。每个微网都配备一定容量的风力发电、光伏发电、先进绝热压缩空气储能系统。在6个微网中，微网一不配备储能系统，其他微网都配备一定容量的储能，通过仿真实验可以对比研究AA-CAES对微网影响。表1是6个微网的风光储容量配置数据，各个微网的风光储容量根据蒙西某地区微网内实际负荷需求以及仿真实验需要来配置。图2是微网集群模型。其中储能的控制策略为：当微网内分布式电源出力大于负荷并超过16.8 MW时，储能系统启动储能模式并额定运行,当微网内分布式电源出力小于负荷并超过10 MW时，储能系统启动发电模式并额定运行。

表1　各微网风光储容量配置比例　MW

图2　微网集群模型

4.3　仿真实验结论

在STAR-90仿真系统中，由于仿真数据是仿真机加速运行得到的全年24 h的数据，在模型计算时，每1 s读取1 h的数据，在模型中将得到各微网以及微网集群联网后系列数据和曲线。仿真数据输出包括5条数据曲线：负荷预测曲线(1)微网或微网集群出力曲线。(2)储能后集群出力曲线。(3)储能出力曲线。(4)与电网交换量曲线。(5)每条曲线的标号与图3、图4中曲线标号相对应。仿真实验曲线包括6个微网仿真数据以及微网集群(6个微网联合运行，组成微网集群)仿真数据结果，对于6个微网实验曲线，取微网四的仿真曲线作为示例来说明。

图3　微网四仿真数据曲线

4.3.1微网仿真实验结果

由图3中曲线可以看出，未储能时微网四出力曲线有着明显波动性，微网四出力特性曲线接近可再生能源出力特性，对于研究具有实际意义。图中由负荷预测曲线可以看出微网内负荷需求起伏不定。当微网出力大于微网内负荷需求时，AA-CAES系统开始运行并储能，由图可以看出储能曲线开始上升，存储富余电能。当微网出力小于微网内负荷需求时，AA-CAES系统开始运行，储能曲线开始下降，释能来补充负荷差。由图中储能后出力曲线可以看出，AA-CAES系统参与调节后，储能后的微网出力曲线相对比于微网出力曲线没有了明显的波峰和波谷，由此可见AA-CAES系统起到很好的削峰填谷的功能，同时避免了微网内的重要设备因为突发断电而无法运行，起到了应急保障作用。同时，可以看出微网处于并网模式时，AA-CAES系统对微网的作用。当储能系统不参与微网运行时(即图中储能曲线为直线的部分)，当微网出力大于微网内负荷需求时，此时电网交换量曲线开始上升，微网向大电网提供富余电力。当微网出力小于微网内负荷需求时，此时电网交换量曲线开始下降，大电网向微网输入电能，满足微网内负荷电能需求；当AA-CAES系统参与微网运行时，微网出力大于负荷需求时，储能系统运行，存储富余电能，同时微网向电网输出部分富余电能。而当微网出力小于负荷需求并且AA-CAES系统出力不能满足微网内负荷需求时，大电网向微网输入电能，保证微网内负荷电能需求。

图4　微网集群仿真数据曲线

4.3.2微网集群仿真实验结果

微网集群是多个微网联合形成一个集群。由图4可以看出，微网集群出力曲线与储能后集群出力曲线，通过两条曲线的对比，可以看出对比于单个微网，微网集群削峰填谷效果更好、更明显。由图可知，微网集群工作在并网模式下，当微网出力大于微网内负荷需求时，AA-CAES系统开始运行并储能，由图可以看出储能曲线开始上升，存储富余电能，并且同时向大电网输送电能。反之，AA-CAES系统释能补充负荷需求，同时大电网也向微网集群输入电能，补充给集群内的微网。在多个微网形成微网集群时，由于微网集群同处同一地区，风光特性相同，而各个微网内负荷需求不断变化，可通过集群内微网的协调工作，互相补充，实现微网之间电能互动，从而降低了与大电网之间的送受电比例，微网集群对外表现出更高的独立性。

由此可知，由于AA-CAES系统的参与工作，当微网集群内负荷需求波动或者集群出力出现变化时，微网集群与大电网结合，AA-CAES系统起到减小大电网和微网集群之间的电能交换量的作用，从而减轻了大电网的削峰填谷负担，提高了整个电力系统的经济效益和环保效益。微网集群内各个微网互联互动，互相补充和支持从而大大减小了微网集群与大电网的电量交换比例。相对于单个微网，在同一地区多个微网形成微网集群更具有经济性。

4.3.3微网及微网集群送受电仿真结论

通过仿真实验，可计算出各集群独立运算以及全部联网运算的送电比例和受电比例，比例数据见表2。由数据可知对于没有设计压缩空气储能系统的微网一送受电比例最高，均超过30%。而对于设计了压缩空气储能系统的其他微网来说，送受电比例均降到30%以下，比如微网三可以降到20%以下。这说明，AA-CAES系统对于减小微网对大电网的依赖性具有重要意义，同时减轻大电网的削峰填谷压力具有积极作用。

表2　各微网送电受电比例　%

当将6个微网相连采用集群联网时，微网集群表2送受电比例甚至可以下降到10%以下，一方面，集群中的AA-CAES系统担负了储能和释能的任务，减小了送受电比例，另一方面，微网集群中多个微网之间可以实现联调，互相补充电能，从而大大减小了与大电网的送受电比例。由此可见，多个微网形成微网集群对于减轻大电网的调节压力具有重要作用。

5结论

电能的大规模工业化存储是人类面临的一大难题,压缩空气储能具有很大的发展潜力[18]。通过微网仿真实验研究，得出配备了AA-CAES系统的微网的送受电比例远低于未配备AA-CAES系统的微网，说明AA-CAES系统对于减小大电网的调节压力有着重要作用，这对于大电网的安全运行有十分重要的意义。通过6个微网联合运行，形成微网集群，进行仿真实验，根据仿真数据计算，得出微网集群的送受电比例相对于单个微网，送受电比例有了很大的降低，这是由于微网集群可以联调控制，形成互补优势，在降低了对于大电网的依赖性的同时也减小大电网的调节压力。可见AA-CAES系统对于微网的建设具有至关重要的作用，微网作为大电网有益支持和补充在未来将发挥巨大作用，基于AA-CAES系统的微网集群由于其经济性在未来的微网发展中有着十分光明的前景。

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Application Research of AA-CAES in Microgrid

Duan Xinhui1,Li Shengpeng1,Wu Yongli2,Li Lei2

(1.School of Control and Computer Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003，China;2.Baoding Huafang Science and Technology Limited Company, Baoding 071051,China)