先進絕熱壓縮空氣儲能在微網中的應用研究

段新會，李生鵬，武永利，李　磊

(1.華北電力大學 控制與計算機工程學院，河北保定071003; 2.保定華仿科技股份有限公司， 河北保定071051)

先進絕熱壓縮空氣儲能在微網中的應用研究

段新會1，李生鵬1，武永利2，李磊2

(1.華北電力大學 控制與計算機工程學院，河北保定071003; 2.保定華仿科技股份有限公司， 河北保定071051)

摘要：微網對減小分布式發電的弊端十分有利，而儲能是微網的重要組成部分，先進絕熱壓縮空氣儲能(AA-CAES)相對于其他儲能方式更具有優勢，AA-CAES應用于微網有著光明的前景。基于STAR-90仿真平臺建立了AA-CAES系統模型和微網模型，通過仿真實驗，對比分析了有無AA-CAES的微網實驗數據，得出有AA-CAES參與的微網與大電網的送受電比例遠低于無AA-CAES的微網。通過多個微網聯合運行，形成微網集群進行仿真研究，得出微網集群的送受電比例相對于單個微網有更大的降低。由仿真實驗結果可知，在微網中加入AA-CAES可降低大電網的削峰填谷壓力，提高大電網運行的經濟性和安全性，減小新能源的出力波動性與隨機性的影響。多個微網形成微網集群，集群內微網之間通過控制策略優化，并形成互補效應，相對于單個微網，微網集群與大電網的送受電比例更低，微網集群顯示出更好的獨立性和自治性。

關鍵詞：微網；壓縮空氣儲能；仿真；分布式發電

中圖分類號：TM731

文獻標識碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2015.08.009

收稿日期：2015-05-18。

作者簡介：段新會(1969-)，男，高級工程師，研究方向為電站仿真與自動化,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

隨著電網規模的不斷擴大，超大規模電力系統的弊端也日益凸現，成本高，運行難度大，難以適應用戶越來越高的安全和可靠性要求以及多樣化的供電需求[1]。而且大面積的停電事故造成了巨大的經濟損失，顯示出大電網的脆弱性，而在用戶側配備一定容量的分布式電源，可在大電網故障時起到應急作用，減小經濟損失。分布式發電具有節能、環保、投資少、占地小的特點，更重要的是分布式電源應對高峰期電力負荷比集中供電更加經濟、有效，是集中供電有益的補充[2]。然而以新能源為主的分布式電源的隨機性和波動性對大電網的安全運行造成了影響,限制了新能源的大規模并網，造成了很多棄光、棄風現象，因此人們又提出了微網概念。

微網是指由分布式電源、儲能裝置、能量轉換裝置、相關負荷和監控、保護裝置匯集而成的小型發配電系統[3]。微網作為智能電網的重要組成部分，在實現電網支撐、防震減災、提高能效、節能降耗、農村電氣化等方面具有重要功能，是未來智能電網新的組織形式[4]。微網工作方式有孤網模式和并網模式，可以在兩者之間切換，微網提高了大電網對分布式電能的接納能力，從而提高了新能源的利用率。儲能是解決新能源大規模并網的關鍵技術，AA-CAES技術相對于其他儲能技術具有明顯優勢，適宜于與分布式發電結合應用于微網。本文論述了儲能技術在微網中的作用，比較了各種儲能技術，指出AA-CAES技術具有很大的優勢。基于STAR-90仿真平臺搭建了AA-CAES系統模型和微網系統模型，通過儲能系統和微網系統聯合仿真實驗，研究分析AA-CAES在微網中的工作過程，計算了有AA-CAES系統和無AA-CAES系統的微網與大電網的送受電比例，以及多個微網形成微網集群時與大電網的送受電比例。

1儲能在微網中的作用

微電網主要是由分布式發電、儲能、負荷、控制模塊等組成的系統。微電網是一個具備自我控制和自我能量管理的自治系統，既可以與外部電網并網運行，也可以孤立運行[5]。儲能是目前制約可再生能源大規模利用的最主要瓶頸之一，也是提高常規電力系統效率、安全性和經濟性以及分布式能源系統和智能電網的關鍵技術[6]。儲能在微網中的作用可以分為孤網模式與并網模式兩個方面論述。

在孤網模式下，微網可以視為一個自治的微型電力系統，系統中包含了以新能源為主的分布式電源、儲能裝置和負荷等。新能源，如光伏、風能，在無光的夜間和無風的條件下，新能源就無法向負荷提供電能供給，這就需要一定容量的儲能裝置來短時間提供電能，來減小經濟損失。而且，由于新能源的波動和隨機特性，造成了新能源的出力不穩定，配備一定容量的儲能系統后，當新能源出力大于本地負荷需求時，儲能系統工作存儲多余電能。當新能源出力小于本地負荷需求時，儲能系統釋能補充負荷差，也避免了為了應對負荷峰值而裝備過多的分布式電源，減小了微網的投資成本。儲能也可以解決微網內突發的暫態故障，例如，由于故障引發的電壓驟升或驟降、停電等問題，儲能系統通過儲能或釋能來維持微網的穩定運行。

在并網模式下，一方面，微網作為一個單元并入電網，電網對微網輸出的電能質量有一定要求，而儲能系統可以通過優化逆變器的控制策略，調節儲能系統向本地負荷或者電網提供有功和無功補償，從而提高電能質量。另一方面，微網由并網模式向孤網模式切換過程中，對于動態響應慢，慣性大的分布式電源為主的微網，將會出現較大的電壓和頻率偏差，會不利于微網的經濟運行，儲能裝置在切換過程中，可以為本地負荷提供有功功率和無功功率支撐，減小由于分布式電源的響應慢而帶來的電壓和頻率偏差影響，保證微網的安全穩定切換。再者，微網工作在并網模式時，微網必然會向電網送電或者受電。當微網出力大于本地負荷時，儲能系統儲能的同時微網也向電網送電，當微網出力小于本地負荷時，電網向微網輸入電能的同時，儲能系統也向微網內負荷提供部分電能，在這種工作機制下，儲能系統減小了電網削峰填谷的壓力，有利于提高電力系統的經濟效益和安全性。

2儲能技術的比較分析

目前可以應用于分布式發電和微網的儲能技術主要有蓄電池、超級電容、超導儲能、飛輪蓄能、抽水蓄能以及AA-CAES系統[7～11]。蓄電池優點在于應用最多、技術最成熟、容量較大，但蓄電池頻繁充放電會造成工作壽命降低，并且工作要求對環境溫度要求高，后期處理污染環境。超級電容能量密度高、瞬時能量脈沖大、可靠性高，缺點在于其價格昂貴，存儲容量小，不適于長期儲能。超導儲能響應速度快，儲能效率高，但同樣受制于價格高、技術復雜的因素困擾，適合于微型儲能。飛輪儲能充放電速度快，儲能過程穩定，不受環境影響，儲能效率能到90%以上，并且是一種環保的儲能方式，壽命長，充放電次數很高，但飛輪儲能需要一套復雜的電力電子裝置，從而大大限制了其使用[12]，并且持續放電時間短。抽水蓄能存儲容量大，轉化效率高，但是需要水資源豐富的地理位置要求，不適于我國新能源豐富而水資源匱乏的西北、內蒙地區。

AA-CAES系統相較于以上儲能系統，具有零污染物排放，發電成本低，適合長期儲能，連續放電時間長，并且容量范圍大，對環境選址無特殊要求，整體系統可以做到小型化，并且適合與各個容量級別的分布式發電及微網配套建設，并且做好日常維護就可以實現長久利用等特點。AA-CAES系統由于其突出特點在未來有著光明的發展前景。

3先進絕熱壓縮空氣儲能系統

AA-CAES系統相對于傳統補燃式儲能系統，儲熱器代替了燃燒室，儲熱器存儲壓縮空氣過程中產生的熱能，在透平釋能階段將存儲的熱能釋放，返還給壓縮空氣從而增加透平的輸出功，提高系統的整體效率。文獻[13]給出了500 kW非補燃式壓縮空氣儲能系統的系統參數設計、系統模型、效率分析以及系統保護與控制模型。AA-CAES主要設備有壓縮機、膨脹機、儲氣室、儲熱器、換熱器。AA-CAES系統如圖1所示。

圖1　先進絕熱壓縮空氣儲能系統

(1)壓縮機有活塞式、離心式、軸流式。對于大型壓縮空氣儲能系統，多采用離心式和軸流式組合，在低壓范圍時使用軸流式，在高壓范圍內時使用離心式，壓縮機效率越高儲能系統效率越高，AA-CAES系統壓縮級采用多級壓縮以達到儲氣壓力。儲能過程中多級壓縮機設計為變壓工作模式將可以相對節省壓縮空氣過程能量[14]。

(2)膨脹機是做功裝置，系統效率隨著膨脹機效率的提升而升高。AA-CAES系統釋能級進氣壓力高、溫度低，故釋能級采用多級膨脹、級間加熱的方式，以提高系統的轉化效率，更高膨脹比和更高流量的膨脹機的研制對于提高系統的效率有著重要意義。

(3)儲氣室可分為定容儲氣室和定壓儲氣室，滿足地質條件的巖洞或者高壓力容器作為AA-CAES系統儲氣室。文獻[15]分析比較了采用定容儲氣和定壓儲氣對系統性能和效率的影響，指出利用定壓儲氣室能有效提高系統熱力性能和儲能性能。文獻[16]對儲氣室內的溫度和壓力以及換熱系數對效率的影響進行研究，指出儲氣罐內的儲能效率隨著壓力的增大而增大。

(4)儲熱器用來存儲壓縮過程中產生的熱量，然后在膨脹階段將熱量返送給壓縮空氣，從而提高了系統的熱效率。從成本和效率考慮AA-CAES的儲熱材料應該具有較大的比熱容、溫度范圍寬廣、環境友好、易于獲得等特點[17]。本文AA-CAES系統采用水作為存儲熱量的介質。

(5)換熱器用來將壓縮過程中產生的熱量傳遞給儲熱介質，存儲在儲熱器中，從而降低了每一級壓縮機的入口空氣溫度，減小了壓縮機耗功。

4AA-CAES與新能源微網仿真研究

STAR-90是保定華仿科技股份有限公司自主開發的仿真支持系統,STAR-90 仿真平臺基于Windows系統，采用全圖形化建模與調試界面，為用戶提供了一個開放的開發和使用平臺。基于STAR-90建立的新能源微網仿真系統主要包括：AA-CAES系統模型、微網模型、AA-CAES系統控制模型、數據接口模型。

把各個微網在STAR-90仿真平臺中建立等效的電網模型，各個電網模型之間有開關連接，計算各微網獨立數據時該開關斷開，計算各集群聯網數據時將該開關閉合。新能源發電曲線、負載曲線、儲能設計數據輸入到各電網模型相應的節點。

4.1　AA-CAES系統仿真模型

AA-CAES系統采用如圖1的模型，不同的是仿真實驗壓縮級模型設計為八級壓縮。儲能系統容量為10 MW，系統工作過程可分為儲能階段和釋能階段，釋能級第一級透平進氣壓力不變，通過節流閥控制來維持壓力恒定。

儲能階段電動機輸出軸功率為16.8 MW，壓縮機初級進氣為常溫常壓，通過壓縮機八級逐級壓縮，末級排氣壓力為10 MPa，溫度25 ℃，流量為34 kg/s。高壓儲氣罐容量為3 500 m3，儲氣壓力為10 MPa，儲氣溫度常溫。在壓縮過程中，通過各級換熱器將各級壓縮機出口溫度降低，同時將熱水存儲于熱水罐中。冷水罐壓力為0.4 MPa(絕壓)，冷水罐水溫為25 ℃，熱水罐壓力為0.4 MPa(絕壓)，熱水罐水溫為101 ℃。換熱溫差為5 ℃，水流量為153 m3/h。

釋能階段采用四級膨脹，一級進氣壓力為7 MPa(絕壓)，各級進氣溫度為93 ℃，氣體流量為34 kg/s。末級排氣壓力為0.1 MPa(絕壓)，排氣溫度為1 ℃。換熱器熱端溫差為5 ℃，發電機功率為10 MW。

4.2　微網新能源基地仿真模型

在STAR-90仿真平臺下搭建微網新能源基地集群模型，該集群模型由6個微網組成。每個微網都配備一定容量的風力發電、光伏發電、先進絕熱壓縮空氣儲能系統。在6個微網中，微網一不配備儲能系統，其他微網都配備一定容量的儲能，通過仿真實驗可以對比研究AA-CAES對微網影響。表1是6個微網的風光儲容量配置數據，各個微網的風光儲容量根據蒙西某地區微網內實際負荷需求以及仿真實驗需要來配置。圖2是微網集群模型。其中儲能的控制策略為：當微網內分布式電源出力大于負荷并超過16.8 MW時，儲能系統啟動儲能模式并額定運行,當微網內分布式電源出力小于負荷并超過10 MW時，儲能系統啟動發電模式并額定運行。

表1　各微網風光儲容量配置比例　MW

圖2　微網集群模型

4.3　仿真實驗結論

在STAR-90仿真系統中，由于仿真數據是仿真機加速運行得到的全年24 h的數據，在模型計算時，每1 s讀取1 h的數據，在模型中將得到各微網以及微網集群聯網后系列數據和曲線。仿真數據輸出包括5條數據曲線：負荷預測曲線(1)微網或微網集群出力曲線。(2)儲能后集群出力曲線。(3)儲能出力曲線。(4)與電網交換量曲線。(5)每條曲線的標號與圖3、圖4中曲線標號相對應。仿真實驗曲線包括6個微網仿真數據以及微網集群(6個微網聯合運行，組成微網集群)仿真數據結果，對于6個微網實驗曲線，取微網四的仿真曲線作為示例來說明。

圖3　微網四仿真數據曲線

4.3.1微網仿真實驗結果

由圖3中曲線可以看出，未儲能時微網四出力曲線有著明顯波動性，微網四出力特性曲線接近可再生能源出力特性，對于研究具有實際意義。圖中由負荷預測曲線可以看出微網內負荷需求起伏不定。當微網出力大于微網內負荷需求時，AA-CAES系統開始運行并儲能，由圖可以看出儲能曲線開始上升，存儲富余電能。當微網出力小于微網內負荷需求時，AA-CAES系統開始運行，儲能曲線開始下降，釋能來補充負荷差。由圖中儲能后出力曲線可以看出，AA-CAES系統參與調節后，儲能后的微網出力曲線相對比于微網出力曲線沒有了明顯的波峰和波谷，由此可見AA-CAES系統起到很好的削峰填谷的功能，同時避免了微網內的重要設備因為突發斷電而無法運行，起到了應急保障作用。同時，可以看出微網處于并網模式時，AA-CAES系統對微網的作用。當儲能系統不參與微網運行時(即圖中儲能曲線為直線的部分)，當微網出力大于微網內負荷需求時，此時電網交換量曲線開始上升，微網向大電網提供富余電力。當微網出力小于微網內負荷需求時，此時電網交換量曲線開始下降，大電網向微網輸入電能，滿足微網內負荷電能需求；當AA-CAES系統參與微網運行時，微網出力大于負荷需求時，儲能系統運行，存儲富余電能，同時微網向電網輸出部分富余電能。而當微網出力小于負荷需求并且AA-CAES系統出力不能滿足微網內負荷需求時，大電網向微網輸入電能，保證微網內負荷電能需求。

圖4　微網集群仿真數據曲線

4.3.2微網集群仿真實驗結果

微網集群是多個微網聯合形成一個集群。由圖4可以看出，微網集群出力曲線與儲能后集群出力曲線，通過兩條曲線的對比，可以看出對比于單個微網，微網集群削峰填谷效果更好、更明顯。由圖可知，微網集群工作在并網模式下，當微網出力大于微網內負荷需求時，AA-CAES系統開始運行并儲能，由圖可以看出儲能曲線開始上升，存儲富余電能，并且同時向大電網輸送電能。反之，AA-CAES系統釋能補充負荷需求，同時大電網也向微網集群輸入電能，補充給集群內的微網。在多個微網形成微網集群時，由于微網集群同處同一地區，風光特性相同，而各個微網內負荷需求不斷變化，可通過集群內微網的協調工作，互相補充，實現微網之間電能互動，從而降低了與大電網之間的送受電比例，微網集群對外表現出更高的獨立性。

由此可知，由于AA-CAES系統的參與工作，當微網集群內負荷需求波動或者集群出力出現變化時，微網集群與大電網結合，AA-CAES系統起到減小大電網和微網集群之間的電能交換量的作用，從而減輕了大電網的削峰填谷負擔，提高了整個電力系統的經濟效益和環保效益。微網集群內各個微網互聯互動，互相補充和支持從而大大減小了微網集群與大電網的電量交換比例。相對于單個微網，在同一地區多個微網形成微網集群更具有經濟性。

4.3.3微網及微網集群送受電仿真結論

通過仿真實驗，可計算出各集群獨立運算以及全部聯網運算的送電比例和受電比例，比例數據見表2。由數據可知對于沒有設計壓縮空氣儲能系統的微網一送受電比例最高，均超過30%。而對于設計了壓縮空氣儲能系統的其他微網來說，送受電比例均降到30%以下，比如微網三可以降到20%以下。這說明，AA-CAES系統對于減小微網對大電網的依賴性具有重要意義，同時減輕大電網的削峰填谷壓力具有積極作用。

表2　各微網送電受電比例　%

當將6個微網相連采用集群聯網時，微網集群表2送受電比例甚至可以下降到10%以下，一方面，集群中的AA-CAES系統擔負了儲能和釋能的任務，減小了送受電比例，另一方面，微網集群中多個微網之間可以實現聯調，互相補充電能，從而大大減小了與大電網的送受電比例。由此可見，多個微網形成微網集群對于減輕大電網的調節壓力具有重要作用。

5結論

電能的大規模工業化存儲是人類面臨的一大難題,壓縮空氣儲能具有很大的發展潛力[18]。通過微網仿真實驗研究，得出配備了AA-CAES系統的微網的送受電比例遠低于未配備AA-CAES系統的微網，說明AA-CAES系統對于減小大電網的調節壓力有著重要作用，這對于大電網的安全運行有十分重要的意義。通過6個微網聯合運行，形成微網集群，進行仿真實驗，根據仿真數據計算，得出微網集群的送受電比例相對于單個微網，送受電比例有了很大的降低，這是由于微網集群可以聯調控制，形成互補優勢，在降低了對于大電網的依賴性的同時也減小大電網的調節壓力。可見AA-CAES系統對于微網的建設具有至關重要的作用，微網作為大電網有益支持和補充在未來將發揮巨大作用，基于AA-CAES系統的微網集群由于其經濟性在未來的微網發展中有著十分光明的前景。

參考文獻:

[1]魯宗相,王彩霞,閔勇,等. 微電網研究綜述[J]. 電力系統自動化,2007,31(19):100-107.

[2]崔金蘭，劉天琪. 分布式發電技術及其并網問題研究綜述[J]. 現代電力，2007，24(3):53-57.

[3]王成山,李鵬. 分布式發電、微網與智能配電網的發展與挑戰[J]. 電力系統自動化,2010,34(2):10-14，23.

[4]習朋,李鵬,劉金鑫. 微網并網時的經濟運行研究[J]. 電力科學與工程,2011,27(9):1-7.

[5]王成山,武震,李鵬. 微電網關鍵技術研究[J]. 電工技術學報,2014,(2):1-12.

[6]陳海生,劉金超,郭歡,等. 壓縮空氣儲能技術原理[J]. 儲能科學與技術,2013,2(2):146-151.

[7]姚勇,朱桂萍,劉秀成. 電池儲能系統在改善微電網電能質量中的應用[J]. 電工技術學報,2012,27(1):85-89.

[8]王鵬,王晗,張建文,等. 超級電容儲能系統在風電系統低電壓穿越中的設計及應用[J]. 中國電機工程學報,2014,34(10):1528-1537.

[9]劉洋,唐躍進,石晶,等. 100kJ/50kW高溫超導磁儲能系統在微電網中的應用[J]. 儲能科學與技術,2015,4(3):319-326.

[10]黨克,許鑫,于吉慶. 飛輪儲能系統在微網下的特性研究[J]. 東北電力大學學報,2013,33(1):95-98.

[11]楊啟超,劉廣彬,趙遠揚,等. 壓縮空氣儲能系統的工作特性研究[J]. 流體機械,2013,41(10):14-18，24.

[12]劉業勝. 分布式發電與微電網及其關鍵技術[J]. 電氣開關,2013,51(4):14-17.

[13]Mei S W, Wang J J, Tian F, et al. Design and engineering implementation of non-supplementary fired compressed air energy storage system: TICC-500[J]. Science China(Technological Sciences),2015,58(4):600-611.

[14]張新敬. 壓縮空氣儲能系統若干問題的研究[D]. 北京：中國科學院研究生院,2011.

[15]徐玉杰,陳海生,劉佳,等. 風光互補的壓縮空氣儲能與發電一體化系統特性分析[J]. 中國電機工程學報,2012,32(20):88-95.

[16]李雪梅,楊科,張遠. AA-CAES系統儲氣室熱力學特性研究[J]. 工程熱物理學報,2015,36(3):513-516.

[17]肖定垚,王承民,衣濤,等. 壓縮空氣蓄能(CAES)系統綜述[J]. 電網與清潔能源,2014,30(1):75-80.

[18]陳來軍,梅生偉,王俊杰,等. 面向智能電網的大規模壓縮空氣儲能技術[J]. 電工電能新技術,2014,33(6):1-6.

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)