壓縮空氣儲能系統建模、仿真和控制研究綜述

張 彪，李陽海，曹 泉

（國網湖北省電力有限公司電力科學研究院，湖北 武漢 430077）

0 引言

中國作為全球第一大電力消費國同時也是第一大碳排放國，電力在我國能源消費與碳排放中占據重要地位。截至2021年底，我國發電裝機容量已達23.8億kW，但其中火電裝機容量占比為56.58%，可再生能源發電裝機容量占比僅為41.13%。從發電量來看，火電發電量占比為70.29%，可再生能源發電量占比為29.5%，其中風光發電占比僅為9.7%，電力碳排放占全國碳排放總量的四成以上。同時考慮日益增長的電氣化水平，電力系統的低碳轉型已成為我國碳達峰、碳中和戰略的重要組成部分，構建以新能源為主體的新型電力系統對碳達峰、碳中和目標的實現將起到關鍵作用［1-2］。

國家電網有限公司“雙碳”行動方案指出，隨著新能源快速發展和新型用能設備廣泛接入，電力系統運行特性發生顯著變化，需要統籌研究解決。新能源、直流電源等大量替代常規機組，電動汽車、分布式能源、儲能等交互式用能設備廣泛應用，電力系統呈現高比例可再生能源、高比例電力電子設備的“雙高”特征，系統轉動慣量持續下降，調頻、調壓能力不足。因此需要加強系統調節能力建設，推廣應用大規模儲能裝置，提高系統調節能力。在此背景下，壓縮空氣儲能系統以其成本低、容量大、壽命長、清潔化，以及儲能時間長等優點［3］，逐漸成為促進新能源高效消納、增強電力系統調節能力和靈活性、助力雙碳目標實現的有效解決方案。

傳統CAES 技術起源于上世紀50 年代［4］，屬補燃式，通過與燃氣輪機相配合，可靠性、穩定性強，靈活性好，但系統中化石能源的消耗增加了溫室氣體排放，造成嚴重的環境污染。隨著設計和制造技術的不斷進步，擺脫了對化石燃料的依賴，現代非補燃CAES技術得到發展，包括絕熱壓縮空氣儲能、液態空氣儲能、等溫壓縮空氣儲能等，其中以先進絕熱壓縮空氣儲能技術（AA-CAES）最具發展潛力。商業運行及示范工程建設方面，德國及美國兩座商業化壓縮空氣儲能電站數十年的可靠運行經驗，檢驗了壓縮空氣儲能電站長期運行的可靠性［5-6］。近年來，國內自500 kW 至10 MW等不同容量規模壓縮空氣儲能示范工程的先后投建，表明此項儲能技術在國內已實現由理論研究階段向示范驗證階段的突破［7-8］。尤其是最近一段時期，國內湖北應城、山東泰安、江蘇淮安等地有望實現單機300 MW先進壓縮空氣儲能項目落地開工。

隨著壓縮空氣儲能系統單機容量的增大，從機組運行及控制角度來看，分析系統各組件功–能轉換特性、揭示多能流耦合機理、建立適用于不同應用場景的數學模型并分析其動態特性，達到探索能效提升措施和優化機組控制方案的目的十分必要。另外，建立涵蓋熱力、機電、電磁等各物理過程的大型壓縮空氣儲能全工況動態仿真模型，設計系統關鍵參數自動控制及儲能/釋能發電環節協調控制技術、研究機組涉網特性及指標定量評估，是當前單機大容量壓縮空氣儲能系統在新型電力系統和綜合能源系統充分發揮作用的重要前提。

1 壓縮空氣儲能系統的建模

AA-CAES 系統是實現多種能量形式傳遞與轉換的多能流復雜系統，主要由熱力、機械、電磁和電力3類部件構成，各類部件之間的動態響應時間尺度相差較大，從電力、電磁系統部件的毫秒級至熱力系統部件的分鐘級、小時級。因此，AA-CAES 系統的動態運行特性不但會對系統的動態控制策略產生影響，還會影響到AA-CAES系統在電力系統備用、實時調度等應用領域中的應用效果和相應的優化調度策略。根據能否反映AA-CAES 系統的時變運行特性，可以將AACAES系統模型分為靜態模型和動態模型2類。

1.1 靜態模型

目前，國內外學者已經針對AA-CAES系統的熱力學仿真建模開展了大量的研究，并基于所構建的系統熱力學模型，開展了AA-CAES 系統效率分析、結構優化等內容的研究。文獻［9］建立了一種壓縮空氣儲能系統熱力學分析模型，并分析了系統儲能密度和儲能效率隨壓縮級數、壓縮結構以及不同儲熱介質影響下的變化規律；文獻［10］建立了一種定壓AA-CAES系統各單元模塊和系統的熱力學模型，利用數值模擬，揭示了換熱器效能、壓縮機總壓比、級數和壓比分配對系統效率的影響特性；文獻［11］建立了壓縮空氣儲能系統的技術經濟模型，在有無政策補貼的兩種計算條件下，針對某蓄熱式壓縮空氣儲能電站實例進行了財務分析、盈虧平衡分析以及敏感性分析；文獻［12］構建了含低溫儲熱裝置的AA-CAES全系統靜態熱力學模型，并基于該模型分析了影響系統運行效率的關鍵運行參數和結構參數；文獻［13］搭建了一種采用熔鹽蓄熱的壓縮空氣儲能發電系統流程模型，分析了系統的熱力學運行特性，分析了渦輪機進口溫度、渦輪機進口壓力等參數對壓縮機功耗、儲氣室容積、儲能密度、儲能效率等系統性能的影響；文獻［14］針對火電機組靈活改造，提出一種壓縮空氣儲能系統與火電機組的耦合方案，利用Ebsilon 軟件建立了亞臨界火電機組和壓縮空氣儲能系統的耦合熱力學模型，儲能階段利用壓縮空氣儲能系統產生的壓縮熱加熱火電機組的凝結水，釋能階段利用火電機組的抽汽加熱進入膨脹機做功的高壓空氣，分析了該種方案的熱耗率和能量利用系數；文獻［15］建立了面向AA-CAES 系統能量分析和?分析的系統模型，仿真分析表明，隨著壓縮機、透平和換熱器級數的增加，AA-CAES系統的效率也能夠在一定程度上得到提升。

從上述各類文獻的壓縮空氣靜態建模來看，當主要用于分析AA-CAES系統的能量傳遞與損失機理、效率優化方法、變工況運行特性等關鍵問題時，該類模型能夠起到很好的輔助分析作用，其缺點是無法反映AA-CAES系統中各關鍵物理量的動態時域變化過程，也即需要進行對壓縮空氣儲能系統進行動態建模。動態模型主要由能夠反映系統熱動態和機電動態的時域微分方程組構成，用于分析AA-CAES系統的動態運行特性，并可作為研究AA-CAES 動態控制策略。總之，從理論上系統地構建AA-CAES系統的動態數學模型，搭建其全系統動態仿真模型，進而開展動態仿真分析，掌握其系統動態運行特性，是促進AA-CAES技術廣泛應用的前提和基礎之一［16］。

1.2 動態模型

壓縮空氣儲能系統的動態數學模型的研究是當下的熱點，通過對已披露的文獻和資料來看，已有針對鹽穴或其他儲氣設備等關鍵設備進行特性分析的局部動態模型、關于壓縮機或透平機等主要設備部件的變工況動態模型，以及關于CAES 系統的全系統動態仿真模型。文獻［17］以華北電力大學STAR-90 仿真系統為建模平臺，分別建立了早期由清華大學物理化學研究所、中國科學院和中國電力科學研究院共同研究開發TICC-500 系統和中國科學院工程熱物理研究所1.5 MW的示范系統的動態仿真模型；文獻［18］構建了填充床儲熱器的動態仿真模型，并將其應用于AACAES系統的動態分析仿真中，通過循環迭代法獲得系統動態仿真結果；基于所構建的模型，詳細分析了填充床儲熱器動態特性和變工況運行特性對AA-CAES 系統運行性能的影響；文獻［19］基于AA-CAES電站的熱力學特性，建立能夠反映AA-CAES電站變工況條件下運行特性的儲能電站運行約束模型，在考慮AACAES 電站在自動發電控制（AGC）階段的功率調節不確定性的基礎上，建立了含AA-CAES 電站的電力系統實時調度模型；文獻［20］基于模塊化和集總參數思想，在APROS 平臺上建立了AA-CAES 的動態數學模型，分析該系統儲能、釋能階段的動態特性，建立了并網調速系統控制模型，通過典型擾動下的響應分析，獲得優化的控制策略。

近幾年CAES技術不斷迭代升級，在膨脹機、壓縮機等裝備制造及系統設計與集成方面都有長足的發展，但在CAES的深刻反應內部機理的動態仿真模型、控制系統及調節特性、入網條件、與大電網耦合特性等方面研究較少，制約了CAES 技術的規模化應用。總而言之，壓縮空氣儲能系統全工況全系統的動態模型的研究相對較少，只限于小容量CAES 系統或局部部件，不能適應即將到來的單機大容量壓縮空氣儲能系統示范工程的研究需要。

2 壓縮空氣儲能系統的控制技術

壓縮空氣儲能系統的控制技術包括場站內主輔設備保護系統及關鍵參數模擬量控制系統、網源協調控制技術、調度運行控制技術等方面。

場站內控制技術，文獻［21］以1 MW 多級壓縮空氣儲能系統為研究對象，在“以電定熱”和“以熱定電”兩種模式下，以儲熱熱量消耗最小和輸出電功率最大建立優化模型并進行求解，該控制策略可解決多級壓縮空氣儲能系統在變工況下的能量調配和運行參數制定問題；文獻［22］利用反饋線性化方法將儲氣室多輸入、多輸出非線性模型線性化，再對系統選擇合適的極點，應用多變量極點配置方法對儲氣室氣體溫度和壓力進行控制；文獻［23］將新能源發電中的變流器控制技術引入壓縮儲能控制系統，結合相似理論進行了膨脹釋能環節的最高效率點跟蹤控制仿真研究，結果表明，采用變流器的轉速控制可使膨脹機在不同功率水平下實現效率最優；文獻［24］以非補燃式壓縮空氣儲能系統的重要設備即換熱器為對象，建立數學建模和控制算法，對其進行換熱過程模擬仿真，改善了換熱器系統的控制效果，并提高換熱效率；文獻［25］介紹了一種使用PLC實現的壓縮空氣儲能系統的儲氣室溫度和壓力控制方案，是為數不多的介紹CAES 系統實際工程項目的控制系統相關信息的文獻；文獻［26］通過分析甩負荷過程中解耦電網后的動作過程，對發電機轉速飆升過高等問題，提出在膨脹機組級間增加隔斷閥的改進方案，通過比較改進前后的仿真結果，驗證了改進后轉速保護調節系統的高效性及穩定性，為提高壓縮空氣儲能系統膨脹機調速系統的安全性和機組的控制邏輯設計提供了一定思路。

網源協調技術方面，文獻［27］基于APROS仿真平臺建立了10 MW AA-CAES 仿真模型，設計了一種在寬負荷范圍內的3套PID優化控制方案，仿真表明，該方案可使得機組調頻性能指標滿足輔助調頻服務的經濟效益要求；文獻［28］根據壓縮空氣儲能可分為儲能和釋能兩個獨立過程的特點，提出CAES 系統雙向參與響應電網一次調頻的設計構想，并給出了建議的調節不等率、限幅等參數，但未見工程實施；文獻［29］在MATLAB/SIMULINK 平臺建立了60 MW 充電/70 MW放電的補燃型壓縮空氣儲能系統和風電滲透測試系統的仿真模型，提出了一種基于模糊控制的CAES 調頻方法，并進行了仿真驗證；文獻［30］建立了12.5 MW液化空氣儲能機組的仿真模型，并結合無窮大電網模型，模擬了儲能系統在空載沖轉、并網以及電網調頻工況下的參數變化，分析了液化空氣儲能系統作為新的輔佐新能源電網調頻技術的可行性及其動態特性；文獻［31］建立了鹽穴壓縮空氣儲能電站釋能環節的數學模型，提出一種基于鹽穴儲氣的先進絕熱壓縮空氣儲能電站調相運行模式，以微量的高壓空氣及熱能損耗為代價實現對電網無功電壓支撐的功能，并進行了仿真驗證。

優化調度運行及耦合綜合能源方面，文獻［32］建立了考慮CAES 電站、風電和火電機組協調互動的電力系統日前優化調度模型，驗證了CAES 電站在提升系統運行收益方面和降低系統運行成本方面的作用；文獻［33］綜合考慮了CAES電站、常規機組、快速啟停機組、風電和需求響應資源的調度特性，計及風電、負荷和價格型需求響應的預測不確定性，建立了含CAES 電力系統日前-日內協調調度模型，并仿真驗證了模型的有效性；文獻［34］以風儲系統運行收益最大化為目標，建立了考慮壓縮空氣儲能變工況特性的運行優化模型，采用一種分段線性化方法擬合風儲系統變工況特性并設計優化運行策略；文獻［35］提出了一種計及熱電聯供聯儲特性的含AA-CAES 能源站的電-熱綜合能源系統優化運行方法，考慮了負荷綜合需求響應和熱網管道傳熱延遲和損耗等動態特性，建立了以系統機組發電成本、購電成本、綜合需求響應成本以及棄風懲罰成本之和為最小的日前經濟調度模型，并進行了算例分析。

從以上壓縮空氣儲能系統控制技術的幾方面研究現狀來看，研究的范圍較為廣泛，包含了壓縮空氣場站內關鍵參數的控制、換熱回熱等系統的運行控制、調頻調峰的性能分析、透平發電機的保護及控制、耦合新能源發電的控制、優化調度運行控制以及納入綜合能源系統的控制等。同時，大部分研究仍停留在理論研究和仿真計算階段，在現有的壓縮空氣示范工程中并未見相關報道。

3 結語

在“雙碳”背景下，隨著電源結構的不斷優化調整和新型電力系統的穩步推進，能源行業將進一步加大對包括壓縮空氣儲能在內的大規模清潔物理儲能的需求。本文梳理了壓縮空氣儲能系統在理論建模、系統仿真和控制技術等方面的研究成果，并在此基礎上提出部分后期的研究建議。

1）壓縮空氣儲能系統涵蓋了熱力、電磁、機電等多時間尺度物理過程，對其構建的數學模型應能滿足不同應用場景的研究需要，包含精確反應熱力過程特性、調頻調峰的電網支撐特性、旋轉備用的熱耗特性、變工況運行的經濟特性、多能聯供特性，以及滿足人機交互的仿真培訓功能等。

2）壓縮空氣儲能系統場站內關鍵參數的控制既有如壓力、溫度的常規熱工過程控制，也包含電壓、無功等機電、電磁控制。在保證系統安全運行的前提下，引入智能控制算法，實現系統參數的動態調節快速、穩態偏差合理，提升整體自動化水平。

3）隨著新能源發電和其它可再生能源的接入，電網形態和運行方式也在發生變化，并且隨著壓縮空氣儲能系統的效率不斷提升和單機容量的不斷增大，對其整體運行自動控制提出了更高的要求。CAES 系統需要在一次儲能、釋能的完整循環周期運行，也需要在儲能和釋能之間頻繁切換，同時也面臨在調峰、調頻、調相等各種運行方式的切換，而其固有的寬負荷變工況運行特性也使得控制問題變得進一步復雜。因此，CAES系統應設計斷點適當、判據合理、操作簡便、安全可靠、工況覆蓋面廣的一鍵啟停（APS）功能，同時考慮通過控制技術提升系統整體能效的可能性。

4）在新能源為主體的新型電力系統建設中，包含壓縮空氣儲能系統在內的大規模清潔物理儲能系統和智能電網及綜合能源系統的發展將呈現相互促進的協同發展。因此，通過試驗方式合理評估大型單機壓縮空氣儲能系統的涉網功能并進行指標定量分析，如調峰、調頻、無功支撐、備用、多能流（冷熱電）聯供等，是豐富其應用場景和充分挖掘輔助服務價值潛力所必須的研究工作。