李惠琴, 和佳琪, 王 靜, 李柱華
(1.國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司, 陜西 西安 710048; 2.西安交通大學(xué), 陜西 西安 710048; 3.北京清大高科系統(tǒng)控制有限公司, 北京 102208)
壓縮空氣儲(chǔ)能 (Compressed Air Energy Storage, CAES)是一種能量存儲(chǔ)技術(shù),可以將能量存儲(chǔ)為高壓空氣。 儲(chǔ)能技術(shù)被認(rèn)為是處理風(fēng)力發(fā)電間歇性的有效方法之一, 與其他類(lèi)型的能量存儲(chǔ)(例如電池和超級(jí)電容器) 方法相比,CAES技術(shù)能以較低的成本處理風(fēng)力發(fā)電中的能量存儲(chǔ)問(wèn)題[1],[2]。
鄧廣義對(duì)人工儲(chǔ)層的絕熱CAES 進(jìn)行了熱力學(xué)分析,研究了傳熱裝置對(duì)系統(tǒng)效率的影響[3]。 李大中等提出了將風(fēng)能與大規(guī)模CAES 集成的概念,提高了風(fēng)力渦輪機(jī)傳輸系統(tǒng)的容量因子[4],[5]。閆方等通過(guò)使用技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)化模型, 從長(zhǎng)期的風(fēng)能市場(chǎng)前景出發(fā), 研究了混合風(fēng)/CAES 電力系統(tǒng),為電力系統(tǒng)提供輔助服務(wù),可以彌補(bǔ)風(fēng)能的間歇性所產(chǎn)生的額外存儲(chǔ)成本[6],[7]。 目前有兩種典型的混合型風(fēng)/CAES 系統(tǒng):串行積分和平行集成[8]~[10]。其中串聯(lián)風(fēng)力/CAES 系統(tǒng)使用風(fēng)能發(fā)電為壓縮機(jī)組提供動(dòng)力, 能量主要以壓縮空氣的形式存儲(chǔ)在儲(chǔ)罐(地下洞穴或壓力容器)中。 在高峰需求期,壓縮空氣通過(guò)渦輪機(jī)膨脹發(fā)電[11];當(dāng)風(fēng)力發(fā)電低于目標(biāo)功率時(shí),壓縮空氣從儲(chǔ)氣罐中釋放,通過(guò)渦輪機(jī)膨脹發(fā)電[12],[13]。 串行風(fēng)/CAES 集成系統(tǒng)具有網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)力強(qiáng)、操作簡(jiǎn)便、有效響應(yīng)電力系統(tǒng)峰值需求等優(yōu)勢(shì)。
本文探索了一種并網(wǎng)優(yōu)化策略, 以提高帶壓力容器的混合風(fēng)力/LA-CAES (Low-temperature Adiabatic-CAES)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)可行性,提高風(fēng)能的能源利用率和運(yùn)營(yíng)盈利能力, 同時(shí)減少壓力容器的容量和成本。 首先對(duì)用于混合風(fēng)力/LA-CAES系統(tǒng)的并網(wǎng)功率優(yōu)化策略進(jìn)行說(shuō)明, 然后描述了風(fēng)能輸出和低溫CAES 的數(shù)值模型, 最后將案例研究的仿真結(jié)果與現(xiàn)有的串行或并行集成系統(tǒng)進(jìn)行比較, 完成了LA-CAES 的性能和能量轉(zhuǎn)換分析及集成系統(tǒng)的評(píng)估。
在具有儲(chǔ)能裝置的風(fēng)力發(fā)電廠的設(shè)計(jì)和運(yùn)行過(guò)程中,風(fēng)能預(yù)測(cè)起著至關(guān)重要的作用。 在本研究中, 風(fēng)電功率預(yù)測(cè)是實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)功率優(yōu)化策略的重要基礎(chǔ)。 此外,風(fēng)力發(fā)電預(yù)測(cè)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(guò)兩種方式實(shí)現(xiàn)風(fēng)能預(yù)測(cè):統(tǒng)計(jì)方法和直接預(yù)測(cè)法[14]。 其中:前者廣泛用于長(zhǎng)期和短期的估計(jì);而后者僅適用于長(zhǎng)期估計(jì)[2],[14],[15]。 近年來(lái),機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能或“灰箱”方法不斷發(fā)展,集成和組合預(yù)報(bào)方法得到重視[16],[17],以減少風(fēng)向預(yù)測(cè)的誤差。 本文基于集成數(shù)據(jù)集獲得的風(fēng)能數(shù)據(jù)對(duì)風(fēng)電功率進(jìn)行預(yù)測(cè)。
為了在混合風(fēng)力/LA-CAES 系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定的運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)效益, 本文研究了一種優(yōu)化策略對(duì)風(fēng)能輸出進(jìn)行分段預(yù)測(cè)。 基于風(fēng)電功率預(yù)測(cè)的平均分段概念, 首先獲得基于電價(jià)的并網(wǎng)發(fā)電優(yōu)化的初步結(jié)果;然后進(jìn)行二次優(yōu)化,根據(jù)CAES中的壓力重新調(diào)整并網(wǎng)發(fā)電量, 為確保長(zhǎng)期平穩(wěn)運(yùn)行并限制存儲(chǔ)容量, 提出了一種三階段遞歸優(yōu)化算法,實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)功率的優(yōu)化輸出。
并網(wǎng)功率優(yōu)化過(guò)程的具體步驟如下:
①對(duì)目標(biāo)時(shí)段的風(fēng)電輸出預(yù)測(cè)進(jìn)行分段平均處理,得到分段時(shí)間間隔集和分段風(fēng)電輸出集;
②判斷各時(shí)段電力現(xiàn)貨市場(chǎng)價(jià)格預(yù)測(cè)值,得到最優(yōu)并網(wǎng)發(fā)電輸出, 如果時(shí)間間隔的平均價(jià)格超過(guò)預(yù)期價(jià)格的上限或下限, 則相應(yīng)的值將等于最大或最小并網(wǎng)功率值,該值由風(fēng)電容量決定。同時(shí),為了限制LA-CAES 系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換,設(shè)定并網(wǎng)功率的最大調(diào)整幅度,以提高風(fēng)電利用率,降低CAES 系統(tǒng)的容量要求;
③基于當(dāng)前并網(wǎng)發(fā)電量和原始風(fēng)電出力預(yù)測(cè)進(jìn)行綜合仿真計(jì)算,檢查是否超過(guò)儲(chǔ)能容量限制。如果在整個(gè)目標(biāo)期間未檢測(cè)到溢出, 則將當(dāng)前并網(wǎng)功率輸出作為最終并網(wǎng)功率優(yōu)化輸出;否則,相應(yīng)間隔的并網(wǎng)功率輸出將提升一級(jí)或降級(jí), 以改變能量轉(zhuǎn)換和傳輸。
如圖1 所示, 本文開(kāi)發(fā)了基于并網(wǎng)功率優(yōu)化策略的風(fēng)力/LA-CAES 系統(tǒng)仿真模型,其中:功率優(yōu)化控制模塊是集成系統(tǒng)并網(wǎng)功率優(yōu)化的關(guān)鍵部分,可定期更新并網(wǎng)電源的優(yōu)化輸出;電源控制模塊能夠靈活高效地處理LA-CAES 系統(tǒng)的充放電操作,從而實(shí)時(shí)跟蹤風(fēng)電波動(dòng),確保網(wǎng)格系統(tǒng)在不同的時(shí)間段為風(fēng)電提供恒定功率。
風(fēng)力發(fā)電機(jī)組, 如應(yīng)用廣泛的雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)(Doubly-Fed Induction Generator, DFIG)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組, 通常采用風(fēng)力渦輪機(jī)葉片槳距角控制策略限制高風(fēng)速時(shí)的功率輸出和轉(zhuǎn)速, 在超過(guò)額定風(fēng)速范圍時(shí)保護(hù)風(fēng)力渦輪機(jī), 并保持恒定的功率輸出。
為了研究并網(wǎng)電源優(yōu)化策略對(duì)LA-CAES 性能和混合風(fēng)力/LA-CAES 系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換的影響,本文采用兩種風(fēng)電輸出模擬風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際風(fēng)電波動(dòng)的基本類(lèi)型, 兩種風(fēng)電輸出在時(shí)域上表現(xiàn)為風(fēng)電的均勻分布和非均勻分布,對(duì)風(fēng)電能量轉(zhuǎn)換、LACAES 集成系統(tǒng)和儲(chǔ)能利用水平可能產(chǎn)生不同的影響。
如圖1 所示,LA-CAES 系統(tǒng)建模主要分為壓縮機(jī)傳動(dòng)、 渦輪傳動(dòng)、 儲(chǔ)氣罐和熱能存儲(chǔ)4 個(gè)部分。根據(jù)功率優(yōu)化控制模塊,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的溢流電被提供給LA-CAES 系統(tǒng)以壓縮空氣;同時(shí),在壓縮過(guò)程中釋放的熱能通過(guò)熱交換器提取并存儲(chǔ)在儲(chǔ)熱器中。對(duì)于排放操作,壓縮空氣通過(guò)渦輪機(jī)組膨脹產(chǎn)生電能,用以補(bǔ)償并網(wǎng)的電力輸出,熱能存儲(chǔ)將在膨脹過(guò)程中用于加熱壓縮空氣。 在LACAES 系統(tǒng)的建模中假設(shè):LA-CAES 系統(tǒng)中的空氣被視為理想氣體;LA-CAES 系統(tǒng)的非設(shè)計(jì)運(yùn)行在內(nèi)部單位時(shí)間內(nèi)被視為穩(wěn)定狀態(tài); 忽略熱交換器和管道中的壓力損失; 空氣存儲(chǔ)容器的溫度在充放電期間保持恒定;高溫儲(chǔ)熱器絕熱,沒(méi)有熱量損失,低溫儲(chǔ)熱器的溫度等于環(huán)境溫度[18],[19]。
2.2.1 壓縮機(jī)傳動(dòng)
式中:βc,i為i 級(jí)壓縮機(jī)的壓力比;k 為空氣比熱的比值;ηcs為壓縮機(jī)的等熵效率。
在LA-CAES 系統(tǒng)中, 采用了與輸入功率有關(guān)的等熵效率ηcs的經(jīng)驗(yàn)函數(shù),以獲取在非設(shè)計(jì)條件下波動(dòng)的風(fēng)能輸入的等熵效率。 當(dāng)單位質(zhì)量的空氣通過(guò)i 級(jí)壓縮機(jī)時(shí),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(píng)估熱量交換過(guò)程。
2.2.2 渦輪傳動(dòng)
式中:βe,i為i 級(jí)渦輪機(jī)的壓力比;ηts為渦輪機(jī)的等熵效率。
類(lèi)似于壓縮機(jī), 渦輪機(jī)也處于非設(shè)計(jì)運(yùn)行狀態(tài)。
2.2.3 儲(chǔ)氣罐
根據(jù)儲(chǔ)氣罐內(nèi)壓縮空氣的壓力在充放電過(guò)程中是否發(fā)生變化,有兩種不同類(lèi)型的儲(chǔ)氣方案:等容和等壓。 本文采用典型的等容存儲(chǔ)設(shè)備來(lái)存儲(chǔ)壓縮空氣。儲(chǔ)氣罐為開(kāi)放系統(tǒng),其質(zhì)量守恒原則如下:
式中:mas為儲(chǔ)氣罐中的空氣質(zhì)量;Gin,Gout分別為進(jìn)入、離開(kāi)儲(chǔ)罐的空氣質(zhì)量流量。
作為開(kāi)放式系統(tǒng), 空氣儲(chǔ)罐內(nèi)外比能計(jì)算式為
式中:(p·v)為打開(kāi)或關(guān)閉系統(tǒng)時(shí)單位質(zhì)量引起的流動(dòng)功;ek,ep分別為單位質(zhì)量動(dòng)能、勢(shì)能。
為簡(jiǎn)化起見(jiàn), 本文忽略進(jìn)出儲(chǔ)氣罐的空氣動(dòng)能和勢(shì)能。 內(nèi)部能量計(jì)算式為
式中:h 為空氣比焓;Aas為儲(chǔ)氣罐外表面積;Tas為儲(chǔ)氣罐溫度;Tenv為環(huán)境溫度;Uas為儲(chǔ)氣罐和環(huán)境之間的傳熱系數(shù);pas為儲(chǔ)氣罐壓力;penv為環(huán)境壓力;U0為當(dāng)pas=penv和質(zhì)量流量為零時(shí)的傳熱系數(shù);α 和τ 分別為壓力和質(zhì)量流量對(duì)熱交換過(guò)程的影響。
2.2.4 熱能存儲(chǔ)(TES)
壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)中的能量可分為壓力能和熱能兩種主要形式, 在壓縮過(guò)程中釋放的熱能由級(jí)間熱交換器捕獲并存儲(chǔ)在TES 中。液體TES 介質(zhì)被用于傳熱和存儲(chǔ), 在LA-CAES 系統(tǒng)中使用了兩個(gè)TES 設(shè)備,在壓縮過(guò)程中,來(lái)自低溫TES裝置的熱載體流經(jīng)壓縮機(jī)組的級(jí)間熱交換器,以捕獲釋放的熱能并存儲(chǔ)在高溫TES 裝置中。 由于高溫TES 與環(huán)境之間的溫差相當(dāng)大,二者之間的熱交換可以忽略不計(jì),因此對(duì)高溫TES 設(shè)備進(jìn)行隔熱。 基于能量守恒,根據(jù)式(11)計(jì)算高溫TES中的溫度變化。
在膨脹過(guò)程中,來(lái)自高溫TES 的熱載體流經(jīng)渦輪機(jī)列的級(jí)間熱交換器,加熱壓縮空氣,然后返回到低溫TES 裝置。假設(shè)低溫TES 與環(huán)境的熱交換充分, 則低溫下的液體熱載體溫度等于環(huán)境溫度。
為了評(píng)估不同集成系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換和傳遞,本文進(jìn)行了能量測(cè)量。假設(shè)Tenv和Penv被定義為靜止?fàn)顟B(tài),則儲(chǔ)氣罐中壓縮空氣的火用能值為
風(fēng)力發(fā)電機(jī)組總風(fēng)能輸出Ewind、 壓縮機(jī)組總功消耗Ec、渦輪機(jī)組總輸出功率Et以及集成系統(tǒng)的發(fā)電量Egrid分別表示如下[24]:
式中:Pwind為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)力輸出;Pc為壓縮機(jī)組的功率消耗;Pt為渦輪機(jī)的功率輸出;Pgrid為集成系統(tǒng)并網(wǎng)功率輸出。
本節(jié)對(duì)優(yōu)化功率輸出的風(fēng)力/LA-CAES 并行集成系統(tǒng)進(jìn)行熱力學(xué)分析, 并與現(xiàn)有的恒功率輸出并行集成系統(tǒng)和串行集成系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比。 串行LA-CAES 系統(tǒng)首先通過(guò)波動(dòng)的風(fēng)力輸出進(jìn)行充電,直至上限,然后在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組閑置時(shí)直接放電以輸出恒定功率; 并行的LA-CAES 系統(tǒng)交替充電和放電以穩(wěn)定波動(dòng)的風(fēng)能輸出, 以便在恒定功率輸出并行集成系統(tǒng)中輸出連續(xù)的恒定功率值。 并行集成系統(tǒng)和串行集成系統(tǒng)的儲(chǔ)氣罐的初始?jí)毫Ψ謩e設(shè)置為10 MPa 和7 MPa,不同類(lèi)型的風(fēng)力/LA-CAES 系統(tǒng)的壓氣機(jī)和渦輪機(jī)的額定功率根據(jù)容量最小準(zhǔn)則模擬研究得出。
圖2 為風(fēng)能波動(dòng)均勻和不均勻狀態(tài)下, 并聯(lián)系統(tǒng)的風(fēng)電并網(wǎng)優(yōu)化輸出, 基本表征了風(fēng)能波動(dòng)的變化。 由圖可以看出:兩種風(fēng)能波動(dòng)下,在不同的時(shí)間段向電網(wǎng)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(shí)段的波動(dòng)風(fēng)力之間存在較大的偏差, 這需要通過(guò)LA-CAES 子系統(tǒng)加以限制或補(bǔ)償。
圖2 風(fēng)能波動(dòng)均勻和不均勻狀態(tài)下,并聯(lián)系統(tǒng)的風(fēng)電并網(wǎng)優(yōu)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(fēng)能波動(dòng)均勻和不均勻狀態(tài)下, 優(yōu)化功率輸出并聯(lián)系統(tǒng)和恒定功率輸出并聯(lián)系統(tǒng)的壓縮/擴(kuò)展功率。 分析可知,與恒定功率輸出并聯(lián)系統(tǒng)相比, 優(yōu)化功率輸出并聯(lián)系統(tǒng)的功耗和功率輸出結(jié)果均明顯降低。 在圖3(b)中,優(yōu)化功率輸出系統(tǒng)有助于實(shí)現(xiàn)能量輸入和輸出平衡。因此,為優(yōu)化功率輸出, 本研究中的系統(tǒng)壓縮機(jī)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(duì)壓縮過(guò)程的負(fù)面影響。 在充放電開(kāi)關(guān)變得更加頻繁時(shí), 具有快速響應(yīng)和啟動(dòng)能力的LA-CAES系統(tǒng)將更具穩(wěn)定優(yōu)勢(shì)。
圖3 風(fēng)能波動(dòng)均勻和不均勻狀態(tài)下,優(yōu)化的功率輸出并聯(lián)系統(tǒng)和恒定功率輸出并聯(lián)系統(tǒng)的壓縮/擴(kuò)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(fēng)能波動(dòng)均勻和不均勻狀態(tài)下, 優(yōu)化功率輸出并聯(lián)系統(tǒng)和恒功率輸出并聯(lián)系統(tǒng)內(nèi)部空氣壓力的變化。結(jié)果表明:在均勻風(fēng)和不均勻風(fēng)的情況下, 優(yōu)化功率輸出并聯(lián)系統(tǒng)的存儲(chǔ)壓力在初始值1 MPa 附近略有波動(dòng);恒定功率輸出并聯(lián)系統(tǒng)則呈現(xiàn)出相對(duì)較大的波動(dòng), 分別為2.5 MPa 和4.8 MPa,表明恒定功率輸出并聯(lián)系統(tǒng)在運(yùn)行期間能量存儲(chǔ)波動(dòng)性較大。
圖4 風(fēng)能波動(dòng)均勻和不均勻狀態(tài)下,優(yōu)化功率輸出并聯(lián)系統(tǒng)和恒功率輸出系統(tǒng)內(nèi)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
圖5 風(fēng)力均勻條件下恒功率輸出并聯(lián)系統(tǒng)和優(yōu)化功率輸出并聯(lián)系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)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(fēng)均勻波動(dòng)時(shí)串聯(lián)集成系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換,風(fēng)能輸入LA-CAES 系統(tǒng)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換,風(fēng)力轉(zhuǎn)換效率為61%。 此外,在LA-CAES 系統(tǒng)擴(kuò)容過(guò)程中, 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在不連續(xù)運(yùn)行時(shí)串行集成系統(tǒng)獲得的風(fēng)能較少, 風(fēng)能利用率較低, 約為46%。 圖5(b)和(c)為風(fēng)均勻波動(dòng)時(shí),恒功率輸出并聯(lián)系統(tǒng)和優(yōu)化功率輸出并聯(lián)系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換和傳遞。 與兩個(gè)并行系統(tǒng)的串行集成系統(tǒng)相比,電能輸出顯著增加,在恒功率輸出并聯(lián)系統(tǒng)中,LACAES 系統(tǒng)平均能量轉(zhuǎn)換效率約為60%, 而集成系統(tǒng)的理想風(fēng)能利用率約為88.7%。 能量損失主要是由于恒定的并網(wǎng)電力輸出和波動(dòng)的風(fēng)力發(fā)電輸入之間存在偏差, 導(dǎo)致大量的風(fēng)能通過(guò)LACAES 系統(tǒng)存儲(chǔ)[25]。 對(duì)于優(yōu)化功率輸出并聯(lián)系統(tǒng),LA-CAES 系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率較低,約為55%。 優(yōu)化功率輸出系統(tǒng)和波動(dòng)的風(fēng)力輸入體現(xiàn)出近似的變化趨勢(shì),這表明更高比例的風(fēng)能被直接輸出至電網(wǎng)。 總體而言,優(yōu)化功率輸出并聯(lián)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了約95.5%的風(fēng)能利用率。
在風(fēng)量波動(dòng)不均勻的情況下,恒功率輸出并聯(lián)系統(tǒng)能量存儲(chǔ)變化遠(yuǎn)大于優(yōu)化功率輸出系統(tǒng),如圖6 所示。 對(duì)于優(yōu)化功率輸出系統(tǒng),風(fēng)能轉(zhuǎn)換和傳遞的理想效率達(dá)到了95.8%左右, 而恒功率輸出系統(tǒng)的理想效率為89.3%左右。顯然,在一定時(shí)域內(nèi),風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率與風(fēng)能輸出和并網(wǎng)輸出的最大累積偏差之間存在正相關(guān)關(guān)系。
圖6 風(fēng)力不均勻條件下恒功率輸出并聯(lián)系統(tǒng)和優(yōu)化功率輸出并聯(lián)系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)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(guò)比較均勻和不均勻風(fēng)能波動(dòng)的能量轉(zhuǎn)換和傳遞結(jié)果,與現(xiàn)有的串行或并行集成系統(tǒng)相比,本文的優(yōu)化功率輸出并行系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)更高的風(fēng)能利用率,能量存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換比例更低。
本文開(kāi)發(fā)了一種將風(fēng)能與低溫絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能相集成的并網(wǎng)功率優(yōu)化策略, 能夠通過(guò)減少能量存儲(chǔ)容量來(lái)平衡風(fēng)力的波動(dòng), 并確保向電網(wǎng)連續(xù)穩(wěn)定地輸出功率。 優(yōu)化的風(fēng)力/LA-CAES 集成策略的優(yōu)點(diǎn)總結(jié)如下:①在理想條件下,可將風(fēng)能利用率提高到95%以上;②大大減少了能量存儲(chǔ)容量, 這對(duì)于受地理限制的壓力容器進(jìn)行大規(guī)模風(fēng)電集成尤為重要; ③通過(guò)將更多的風(fēng)力直接提供給電網(wǎng), 降低了LA-CAES 系統(tǒng)壓縮機(jī)組的額定功率。