海上風(fēng)電水下壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行及變工況分析

劉揚(yáng)波，陳俊生，李全皎，張京偉，何婷，吳振龍

(1. 南方海上風(fēng)電聯(lián)合開發(fā)有限公司，廣東 珠海519080；2. 中國能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州510663；3. 暨南大學(xué)能源電力研究中心，廣東 珠海519070；4. 鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院，鄭州450001)

0 引言

根據(jù)全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展合作組織報(bào)告，中國將力爭二氧化碳排放于2030年達(dá)到峰值，2060年實(shí)現(xiàn)碳中和[1 - 2]。為了實(shí)現(xiàn)該愿景，構(gòu)建以清潔能源為主導(dǎo)的現(xiàn)代能源體系是總體思路。到2030年，非化石能源占一次能源消費(fèi)比重將會(huì)由目前的15.9%增加至35%。根據(jù)“十四五”規(guī)劃，可再生能源裝機(jī)規(guī)模將大幅提升，可再生能源的發(fā)電裝機(jī)占我國電力裝機(jī)的比例將超過50%。海上風(fēng)電將成為東部沿海地區(qū)的重點(diǎn)發(fā)展技術(shù)。根據(jù)規(guī)劃，到2035年我國海上風(fēng)電裝機(jī)將達(dá)到約130 GW[3 - 4]，與我國目前西電東送容量相當(dāng)。

大規(guī)模海上風(fēng)電的開發(fā)利用帶來技術(shù)成本降低，使得海上風(fēng)電技術(shù)在可再生能源市場上的競爭力將逐漸增加。但海上風(fēng)電等可再生能源所具有的內(nèi)在特性[5 - 6]，如間歇性、隨機(jī)性[7]，會(huì)給電網(wǎng)帶來沖擊和危害。而解決這個(gè)問題的途徑之一就是給海上風(fēng)電配套相應(yīng)儲(chǔ)能設(shè)施。其中，水下壓縮空氣儲(chǔ)能(underwater compressed air energy storage，UWCAES)是一種具有巨大應(yīng)用潛力的大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)[8 - 10]。利用深處海水靜壓，可以將用電轉(zhuǎn)化的壓縮空氣機(jī)械能儲(chǔ)存在水下儲(chǔ)氣包中。與傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能相比，水下壓縮空氣儲(chǔ)存不受儲(chǔ)存空間的地理?xiàng)l件限制，如巖洞、礦洞等[11 - 12]，并且無需耐高壓的金屬罐體來儲(chǔ)存高壓空氣，因而儲(chǔ)氣裝置的成本將會(huì)大幅降低[13]。水下壓縮空氣儲(chǔ)能與海上風(fēng)電在地理上具有天然契合優(yōu)勢，且具有安全性較高、儲(chǔ)能規(guī)模靈活等特點(diǎn)。本文將以海上風(fēng)電與水下壓縮空氣儲(chǔ)能形成的整體系統(tǒng)為研究對象來探索海上風(fēng)電儲(chǔ)能的運(yùn)行特性。

當(dāng)前，水下壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)處于小規(guī)模試驗(yàn)探索到初步商業(yè)應(yīng)用階段。美國Brayton Energy公司于2014年在夏威夷和當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)以及風(fēng)力發(fā)電公司建立了一個(gè)6.6 MW的水下壓縮空氣儲(chǔ)能示范系統(tǒng)[14]，加入了化石燃料輔助燃燒，并采用了模塊化結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)氣裝置。加拿大Hydrostor公司于2015年建設(shè)了無燃料水下壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)示范項(xiàng)目[15]，規(guī)模為0.7 MW，采用柔性剛性相結(jié)合方式將壓縮空氣儲(chǔ)存在安大略湖水下約55 m處。之后，Hydrostor公司在加拿大Goderich建設(shè)了第一個(gè)商業(yè)應(yīng)用規(guī)模的UWCAES項(xiàng)目[16]，規(guī)模2.2 MW/10 MWh，于2019年投入使用并參與電網(wǎng)服務(wù)。

由于海上風(fēng)電的不確定性，以及用戶負(fù)荷的波動(dòng)性，水下壓縮空氣系統(tǒng)用于海上風(fēng)電儲(chǔ)能運(yùn)行時(shí)，必定處于變化工況中。但現(xiàn)有研究對UWCAES的變工況分析和研究較少，因此，本文將聚焦于海上風(fēng)電-水下壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的變工況運(yùn)行條件和效率進(jìn)行分析。為此，本文建立了UWCAES系統(tǒng)仿真模型，在確定最優(yōu)額定工況基礎(chǔ)上，優(yōu)化了變工況運(yùn)行條件，最后在模擬真實(shí)風(fēng)力發(fā)電和海島用戶負(fù)荷的仿真中獲得了系統(tǒng)循環(huán)效率數(shù)據(jù)，并比較了在無UWCAES情況下，系統(tǒng)運(yùn)行的棄風(fēng)率和負(fù)荷滿足率。

1 海上風(fēng)電-水下壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)概況

本文中討論的海上風(fēng)電-水下壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用場景為滿足海島用戶用電負(fù)荷。系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)海上風(fēng)機(jī)發(fā)電過剩時(shí)，水下壓縮空氣系統(tǒng)儲(chǔ)存多余風(fēng)電。此時(shí)，系統(tǒng)處于儲(chǔ)電壓縮階段，海上風(fēng)電驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電機(jī)帶動(dòng)壓縮機(jī)壓縮空氣并消耗電能。經(jīng)過壓縮機(jī)后，空氣壓力升高、溫度升高，離開壓縮機(jī)的空氣經(jīng)過換熱器與冷導(dǎo)熱油換熱，壓縮空氣的熱量交換給導(dǎo)熱油，并儲(chǔ)存在熱導(dǎo)熱油罐中。換熱后的壓縮空氣再次進(jìn)入壓縮機(jī)中進(jìn)一步提升壓力。經(jīng)過3級壓縮和3次換熱后，壓縮空氣通過氣動(dòng)管道被輸送到海下的柔性儲(chǔ)氣包中，進(jìn)行定壓低溫儲(chǔ)存。

圖1 海上風(fēng)電-水下壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of offshore wind power and UWCAES integrated system

當(dāng)海上風(fēng)機(jī)發(fā)電不足時(shí)，水下壓縮空氣系統(tǒng)進(jìn)入膨脹發(fā)電階段。水下儲(chǔ)氣包中的壓縮冷空氣被抽出，與熱導(dǎo)熱油在換熱器中進(jìn)行熱交換后，溫度升高，隨后進(jìn)入膨脹機(jī)中膨脹做功，并帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，離開膨脹機(jī)空氣壓力降低、溫度降低。經(jīng)過3次換熱和3級膨脹之后，低壓低溫的空氣被排放至大氣中，從而完成膨脹發(fā)電釋能過程。

需要特別說明的是，本系統(tǒng)中所用的電機(jī)既可作為電動(dòng)機(jī)又可作為發(fā)電機(jī)使用。當(dāng)系統(tǒng)處于儲(chǔ)能狀態(tài)時(shí)，電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)壓縮機(jī)工作；當(dāng)系統(tǒng)處于釋能狀態(tài)時(shí)，電機(jī)作為發(fā)電機(jī)工作將壓縮空氣膨脹產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。

2 水下壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)建模

從圖1可以看出，UWCAES系統(tǒng)的主要部件有：壓縮機(jī)、膨脹機(jī)、換熱器、儲(chǔ)油罐、儲(chǔ)氣裝置、電機(jī)，以及輔助部件泵和管路等。對各部件的建模主要基于部件設(shè)備的質(zhì)量守恒和能量守恒關(guān)系。為了簡化建模和分析，本文中UWCAES的建模基于以下假設(shè)：1)忽略流體的動(dòng)能和勢能；2)壓縮空氣被看作理想流體；3)忽略儲(chǔ)存過程的氣體損失。此外，需要說明，假設(shè)系統(tǒng)環(huán)境大氣壓力恒定，為Pa=101.325 kPa，大氣溫度為Ta=298.15 K。

2.1 壓縮機(jī)和膨脹機(jī)

壓縮機(jī)和膨脹機(jī)作為UWCAES的關(guān)鍵部件，影響系統(tǒng)的整體效率，也是系統(tǒng)變工況特性最明顯的部件。本系統(tǒng)中采用離心式的壓縮機(jī)和膨脹機(jī)，單個(gè)部件的壓比/膨脹比較低，因此需要多級壓縮/膨脹，來提高系統(tǒng)能效。壓縮過程和膨脹過程可以看作等熵過程。對于壓縮機(jī)來說，出口空氣溫度Ta,out,c和壓縮過程功耗Wc可以通過式(1)計(jì)算：

(1)

式中：Ta,in,c、Ga,c、cpa分別為進(jìn)入壓氣機(jī)的煙氣溫度、空氣流量以及空氣比熱；r為空氣絕熱指數(shù)，取值1.4；πc、ηc分別為壓比、壓縮機(jī)效率。ηc采用無量綱經(jīng)驗(yàn)公式，具體公式參考文獻(xiàn)[28]。

同理，對于膨脹機(jī)來說，出口膨脹空氣溫度Ta,out,e和膨脹機(jī)做功We分別為：

(2)

式中：πe、ηe分別為膨脹比和膨脹機(jī)效率。ηe采用無量綱經(jīng)驗(yàn)公式，具體公式參考文獻(xiàn)[28]。

對于UWCAES系統(tǒng)來說，壓縮機(jī)和膨脹機(jī)的額定壓比πc0、 額定膨脹比πe0的選擇是由設(shè)計(jì)系統(tǒng)的壓力平衡決定。對于壓縮部分來說，經(jīng)過壓縮、換熱和氣動(dòng)管路之后，空氣壓力從大氣壓力Pa上升至在海下深度為H米的儲(chǔ)存壓力Pas； 相反，對于膨脹部分來說，定壓儲(chǔ)存在水下的壓縮空氣經(jīng)過氣動(dòng)管路、換熱、膨脹之后，排放至大氣中的氣體壓力降低至大氣壓力。由此可建立壓力平衡關(guān)系式：

(3)

式中：σhx1—σhx6為換熱器壓力恢復(fù)系數(shù)；σap為氣動(dòng)管道的壓力恢復(fù)系數(shù)；ρsw為海水密度；g為重力加速度；πc10—πc30為1—3個(gè)壓氣機(jī)的額定壓比。

假設(shè)壓縮機(jī)/膨脹機(jī)的額定壓比/膨脹比相等，πc10=πc20=πc30，πe10=πe20=πe30， 則可以通過式(3)分別求得膨脹機(jī)和壓縮機(jī)的額定壓比、膨脹比。

2.2 換熱器

系統(tǒng)中換熱器的作用是進(jìn)行壓縮空氣和導(dǎo)熱油之間熱交換，壓縮過程的中間冷卻環(huán)節(jié)、膨脹過程的中間加熱環(huán)節(jié)提高了系統(tǒng)的熱能利用效率。根據(jù)能量守恒，不考慮換熱過程中向環(huán)境散熱，換熱器中熱流體減少的熱量等于冷流體增加的熱量：

(4)

(5)

式中：[Gcp]min表示冷熱側(cè)流體中流量與比熱乘積的最小值；ΔT代表換熱流體進(jìn)出換熱器的溫度差。

根據(jù)式(4)—(5)即可分別求得換熱器空氣側(cè)和導(dǎo)熱油側(cè)出口溫度。

2.3 儲(chǔ)熱罐

本系統(tǒng)設(shè)置了兩個(gè)儲(chǔ)熱罐，分別用來儲(chǔ)存冷卻壓縮空氣后的熱導(dǎo)熱油和加熱膨脹空氣后的冷導(dǎo)熱油。其中，熱導(dǎo)熱油罐用絕熱材料進(jìn)行保溫，以儲(chǔ)存壓縮過程產(chǎn)生的熱量；而冷導(dǎo)熱油罐不采用額外措施進(jìn)行保溫，因?yàn)閷嚎s空氣進(jìn)行冷卻需要導(dǎo)熱油溫度足夠低。儲(chǔ)熱罐建模基于質(zhì)量守恒和能量守恒，如式(6)所示。

(6)

2.4 儲(chǔ)氣裝置

儲(chǔ)氣裝置包括輸送壓縮氣體的氣體管路和柔性儲(chǔ)氣包。由于從海上平臺(tái)到水下的氣體管路足夠長，壓縮空氣在氣體輸送的過程中與低溫深海水換熱充分，所以認(rèn)為壓縮空氣儲(chǔ)存溫度Tas等于海水溫度Tsw。同時(shí)，由于儲(chǔ)氣包在固定海水深度，所以儲(chǔ)氣壓力為定值Pas。故儲(chǔ)氣包出口氣體溫度、壓力Ta,out,as、Pa,out,as可以表示為：

Pa,out,as=Pas,Ta,out,as=Tas=Tsw

(7)

儲(chǔ)氣包中壓縮空氣質(zhì)量Mas變化可根據(jù)質(zhì)量守恒方程求得：

(8)

式中Ga,in,as、Ga,out,as分別為輸入和輸出柔性儲(chǔ)氣包中的空氣流量。

2.5 泵和電機(jī)

本系統(tǒng)中有兩個(gè)導(dǎo)熱油泵，用于從儲(chǔ)熱罐中抽出導(dǎo)熱油。本系統(tǒng)中的導(dǎo)熱油泵將出口的導(dǎo)熱油壓力均提升至2個(gè)大氣壓，Po,out,p=2Pa。 導(dǎo)熱油泵功耗Wp可由式(9)計(jì)算[21]：

(9)

式中：ρo為導(dǎo)熱油密度，經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式可見附錄；ηp為導(dǎo)熱油泵的機(jī)械效率；Go,p為導(dǎo)熱油泵的導(dǎo)熱油流量；Po,in,p、Po,out,p分別為進(jìn)入和流出導(dǎo)熱油泵的導(dǎo)熱油壓力。

本系統(tǒng)中電機(jī)既作為電動(dòng)機(jī)使用，也作為發(fā)電機(jī)使用，風(fēng)電輸入Wwp與壓縮機(jī)消耗功Wc、 發(fā)電量Wg與膨脹機(jī)做功We之間的關(guān)系為：

(10)

式中ηm、ηg分別為電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)效率。

3 額定工況和變工況分析

為了進(jìn)行工況分析，需建立可以運(yùn)行的仿真模型，因此還需要確定系統(tǒng)模型參數(shù)以及系統(tǒng)的輸入條件。UWCAES系統(tǒng)的模型參數(shù)如表1所示。

表1 UWCAES系統(tǒng)模型參數(shù)Tab.1 Model parameters of UWCAES

除了模型參數(shù)，也需要確定系統(tǒng)的輸入條件。對于UWCAES系統(tǒng)來說，需要確定的是壓縮階段的空氣流量Ga,c、 導(dǎo)熱油流量Go,c， 以及膨脹階段的空氣流量Ga,e、 導(dǎo)熱油流量Go,e。

3.1 額定工況分析

本小節(jié)主要分析額定工況下的輸入條件。為了確定額定工況下的輸入空氣、導(dǎo)熱油流量條件，提出以下3個(gè)額定工況標(biāo)準(zhǔn)：1)進(jìn)入儲(chǔ)氣包壓縮空氣壓力Pa,in,as≥儲(chǔ)氣壓力Pas； 2)滿足儲(chǔ)氣壓力標(biāo)準(zhǔn)前提下，系統(tǒng)循環(huán)效率最高；3)壓縮機(jī)/膨脹機(jī)的相對壓縮比/膨脹比、相對等熵效率接近于1。

為了對額定工況進(jìn)行仿真，本研究中設(shè)定了一個(gè)充-儲(chǔ)-釋的理想運(yùn)行模型，如圖2所示。即以恒定功率進(jìn)行壓縮充電t1時(shí)間，保持不充電不釋能的儲(chǔ)存階段到t2時(shí)間，最后以恒定功率進(jìn)行膨脹釋能到t3時(shí)間，最后系統(tǒng)回到初始狀態(tài)。

圖2 充-儲(chǔ)-釋理想運(yùn)行模式Fig.2 Charge-store-discharge ideal operation mode

對于該海上風(fēng)電-水下壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，關(guān)鍵性能評價(jià)指標(biāo)為系統(tǒng)循環(huán)效率ηs， 其定義為3臺(tái)發(fā)電機(jī)發(fā)電量減去2個(gè)導(dǎo)熱油泵所消耗電量除以系統(tǒng)總風(fēng)電輸入量，表達(dá)式為：

(11)

式中：Wg,i為第i臺(tái)膨脹機(jī)的發(fā)電功率；Wp,i為第i臺(tái)導(dǎo)熱油泵的消耗功率；Wwp為海上風(fēng)電輸入功率。

仿真測試中使用的理想運(yùn)行模式，充電-儲(chǔ)存-釋能的時(shí)間比3:1:1。為了使經(jīng)過一個(gè)理想運(yùn)行模式之后儲(chǔ)氣包中空氣量、儲(chǔ)油罐中的導(dǎo)熱油量回到初始狀態(tài)，系統(tǒng)輸入流量關(guān)系應(yīng)該滿足：

Ga,e=3Ga,c,Go,e=3Go,c

(12)

為了確定系統(tǒng)的輸入條件，還需確定壓縮階段空氣流量Ga,c和壓縮階段導(dǎo)熱油流量Go,c。

由于額定工況時(shí)需要滿足壓縮機(jī)工作在最優(yōu)相對壓比、相對等熵效率下，所以在ηc=ηc0，πc=πc0的額定工況下，各臺(tái)壓縮機(jī)消耗電功率Wc1—Wc3為：

(13)

式中：Ga,c0為額定壓縮空氣流量；Ta,in,c1—Ta,in,c3分別為1—3臺(tái)壓縮機(jī)的入口空氣溫度。

由于各臺(tái)壓縮機(jī)的額定壓比相等，πc10=πc20=πc30， 所以要使額定工況的壓縮機(jī)工作在最優(yōu)效率和壓比上，各臺(tái)壓縮機(jī)的功率比為：

Wc1:Wc2:Wc3=

(14)

式中：Ta,in,c1等于大氣溫度，Ta,in,c1=Ta；Ta,in,c2、Ta,in,c3是第1個(gè)、第2個(gè)換熱器冷卻后的壓縮空氣溫度，假設(shè)預(yù)期換熱器冷卻后溫度為Ta,in,c2=Ta,in,c3=330 K，故:

Wc1:Wc2:Wc3=0.303 3:0.338 4:0.358 3

(15)

假定額定風(fēng)電輸入功率為Wwp0=3 MW，根據(jù)式(10)、式(13)、式(15)可得，額定壓縮空氣流量為Ga,c0=6.178 2 kg/s。確定額定壓縮空氣流量Ga,c0之后，需要確定額定工況下壓縮導(dǎo)熱油流量Go,c0。 假設(shè)導(dǎo)熱油流量與空氣流量之比為κo/a， 即Go,c0=κo/aGa,c0。 為了確定最優(yōu)導(dǎo)熱油空氣流量比，將κo/a在1～3范圍內(nèi)變化，在充-儲(chǔ)-釋理想運(yùn)行模式下進(jìn)行仿真，并計(jì)算系統(tǒng)循環(huán)效率ηs， 以及進(jìn)入儲(chǔ)氣包的壓縮空氣壓力Pa,in,as， 結(jié)果如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)循環(huán)效率和儲(chǔ)氣包入口空氣壓力隨導(dǎo)熱油空氣流量比變化Fig.3 The variation of system round-trip efficiency and air pressure before air storage bag with the ratio of oil and air flow rate

從圖3中的變化規(guī)律可以看出，當(dāng)導(dǎo)熱油空氣流量比κo/a≥2.1時(shí)，儲(chǔ)氣包入口空氣壓力Pa,in,as滿足儲(chǔ)氣壓力要求。系統(tǒng)循環(huán)效率隨著導(dǎo)熱油空氣流量比增加，先增大后減小。為了滿足額定工況標(biāo)準(zhǔn)1)和2)，在最低儲(chǔ)氣壓力的前提下，達(dá)到最優(yōu)系統(tǒng)循環(huán)效率，選擇導(dǎo)熱油空氣流量比κo/a=2.1。 所以，額定工況的輸入條件為：

(16)

以額定工況在充-儲(chǔ)-釋理想運(yùn)行模型下進(jìn)行仿真，UWCAES系統(tǒng)中的儲(chǔ)氣量和冷、熱導(dǎo)熱油儲(chǔ)量變化如圖4所示?？梢钥闯鲈趬嚎s充電階段，水下儲(chǔ)氣包中的空氣量增加，儲(chǔ)油罐中的熱導(dǎo)熱油增加，冷導(dǎo)熱油減少；儲(chǔ)存階段氣量油量保持不變；膨脹發(fā)電階段，儲(chǔ)氣量和熱導(dǎo)熱油儲(chǔ)量減少，而冷導(dǎo)熱油儲(chǔ)量增加。經(jīng)過3個(gè)階段后，最后系統(tǒng)回到初始狀態(tài)。根據(jù)公式(11)計(jì)算可得，額定工況下系統(tǒng)循環(huán)效率為ηs0=58.4%。

圖4 額定工況運(yùn)行UWCAES儲(chǔ)氣量和儲(chǔ)油量Fig.4 The air storage and oil storage mass of UWCAES under rate working condition

在此額定工況運(yùn)行過程中，壓縮機(jī)/膨脹機(jī)的相對壓比/膨脹比、相對等熵效率數(shù)據(jù)如表2所示。從表中可以看出，在額定工況下，相對壓比/膨脹比、相對效率接近1，因此滿足了額定工況標(biāo)準(zhǔn)3)。

表2 額定工況下相對壓比/膨脹比、相對等熵效率Tab.2 The relative pressure ratio, relative isentropic efficiency under rate working condition

3.2 變工況分析

在確定的額定工況輸入條件基礎(chǔ)上，定義工況系數(shù)κwc， 其取值范圍為10%～120%。在變工況運(yùn)行時(shí)，UWCAES系統(tǒng)的輸入空氣流量、導(dǎo)熱油流量分別按照工況系數(shù)等比例改變。

(17)

在充-儲(chǔ)-釋理想運(yùn)行模式下，將風(fēng)電輸入功率在10%～120%范圍內(nèi)變化，輸入的空氣流量、導(dǎo)熱油流量也按等比例變化，運(yùn)行一個(gè)周期，分別計(jì)算各工況點(diǎn)下的系統(tǒng)循環(huán)效率ηs以及儲(chǔ)氣包空氣進(jìn)口壓力Pa,in,as， 其結(jié)果如圖5中圓形標(biāo)記數(shù)據(jù)所示。

從圖5中等比例變工況的結(jié)果可以看出，UWCAES系統(tǒng)僅能在80%～100%范圍內(nèi)變工況運(yùn)行，儲(chǔ)氣包入口空氣壓力才滿足要求。由圖3中的結(jié)果可以看出，增大導(dǎo)熱油空氣流量之間比例可以提高儲(chǔ)氣包入口空氣壓力。

圖5 按比例變工況與改進(jìn)后變工況運(yùn)行的系統(tǒng)循環(huán)效率和儲(chǔ)氣包入口空氣壓力Fig.5 The system round-trip efficiency and air pressure before air bag under the proportional varying load & improved varying load operation

所以，為了使儲(chǔ)氣包入口空氣壓力滿足要求，擴(kuò)大UWCAES的變工況運(yùn)行范圍，定義變工況空氣流量系數(shù)κa和變工況導(dǎo)熱油流量系數(shù)κo， 來改進(jìn)變工況運(yùn)行的輸入條件，如公式(18)所示。變工況空氣流量系數(shù)和變工況導(dǎo)熱油流量系數(shù)的在不同工況下的具體取值如圖6所示。

(18)

圖6 變工況空氣流量系數(shù)和導(dǎo)熱油流量系數(shù)Fig.6 The air flow coefficient and oil flow coefficient under varying load operation

改進(jìn)變工況輸入空氣、導(dǎo)熱油流量后的系統(tǒng)循環(huán)效率ηs以及儲(chǔ)氣包空氣進(jìn)口壓力Pa,in,as結(jié)果如圖6中的三角形標(biāo)記數(shù)據(jù)所示。從圖6中可以看出，在部分工況下提高導(dǎo)熱油空氣流量之比，可以使儲(chǔ)氣包空氣進(jìn)口壓力Pa,in,as在10%～120%范圍內(nèi)滿足儲(chǔ)存壓力要求，因而擴(kuò)大了系統(tǒng)變工況運(yùn)行范圍，但代價(jià)是系統(tǒng)循環(huán)效率ηs有所降低。當(dāng)UWCAES系統(tǒng)在10%～120%范圍變工況運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)循環(huán)效率變化范圍為48.1%～58.4%。

4 仿真算例

在上一節(jié)中，進(jìn)行UWCAES系統(tǒng)的額定工況和變工況分析，確定了系統(tǒng)最優(yōu)額定工況和變工況運(yùn)行條件。本節(jié)將在真實(shí)海上風(fēng)電數(shù)據(jù)和海島用戶負(fù)荷數(shù)據(jù)下進(jìn)行運(yùn)行仿真，確定使供需平衡的運(yùn)行策略，并對比在有無水下壓縮空氣儲(chǔ)能情況下，系統(tǒng)運(yùn)行性能指標(biāo)。圖7為海上風(fēng)機(jī)發(fā)電和用戶負(fù)荷功率示意圖。

圖7 海上風(fēng)機(jī)發(fā)電和用戶負(fù)荷功率Fig.7 Wind power generation and user load demand

如圖7中所示，虛線為廣東桂山海上風(fēng)力風(fēng)電場兩臺(tái)3 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在2019年3月某天的24 h發(fā)電功率。虛線為海島度假村用戶一天的用電負(fù)荷，其平均電負(fù)荷為3 MW，與之配套的UWCAES系統(tǒng)額定儲(chǔ)電功率為3 MW，額定儲(chǔ)電容量45 MWh。假設(shè)海上風(fēng)機(jī)、水下壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)和海島度假村用戶組成一個(gè)微網(wǎng)系統(tǒng)，那么從海上風(fēng)機(jī)發(fā)電功率和用戶負(fù)荷曲線中可以看出，需要在凌晨至早晨時(shí)段進(jìn)行壓縮充電，在傍晚至深夜進(jìn)行膨脹釋電，彌補(bǔ)發(fā)電與用電之間的不匹配。

由于UWCAES系統(tǒng)的運(yùn)行工況范圍為10%～120%，提出一種分段運(yùn)行儲(chǔ)能策略，具體如式(19)所示。

(19)

式中：Wwp0為海上風(fēng)電機(jī)組額定發(fā)電功率；WP為風(fēng)力發(fā)電功率；LE為用電負(fù)荷。

所以，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電超過用戶電負(fù)荷，并且超出部分小于UWCAES系統(tǒng)10%額定工況，或大于120%額定工況時(shí)，將會(huì)有小部分風(fēng)力發(fā)電被棄掉。而用戶電負(fù)荷超過風(fēng)力發(fā)電，并且超過UWCAES系統(tǒng)120%額定工況時(shí)，加上儲(chǔ)能系統(tǒng)補(bǔ)充發(fā)電仍會(huì)有小部分用電負(fù)荷無法滿足。對于本小節(jié)中仿真案例來說，具體運(yùn)行策略如圖8所示。工況κwc為正表示UWCAES系統(tǒng)壓縮充電，工況κwc為負(fù)表示系統(tǒng)膨脹釋電，工況κwc為零表示系統(tǒng)處于既不充電也不釋電的儲(chǔ)能狀態(tài)。

圖8 海上風(fēng)電-水下壓縮空氣儲(chǔ)能-海島用戶運(yùn)行策略Fig.8 The operation strategy of the offshore wind power-UWCAES-island user integrated system

根據(jù)提出的運(yùn)行策略，設(shè)置儲(chǔ)氣包、冷熱導(dǎo)熱油罐中的初始空氣量、導(dǎo)熱油量均為3×105kg。運(yùn)行過程中，儲(chǔ)氣量、冷熱導(dǎo)熱油儲(chǔ)量變化曲線如圖9所示?？梢钥闯鲈趫D中圓點(diǎn)所標(biāo)識的狀態(tài)點(diǎn)上，即在時(shí)間為18:41:12時(shí)，儲(chǔ)氣量、導(dǎo)熱油儲(chǔ)量回到初始點(diǎn)狀態(tài)。過剩海上風(fēng)電儲(chǔ)存在壓縮空氣和導(dǎo)熱油中的能量被全部釋放，系統(tǒng)完成一個(gè)儲(chǔ)-釋循環(huán)，而此時(shí)對應(yīng)的UWCAES系統(tǒng)實(shí)時(shí)循環(huán)效率為53.7%。

圖9 海上風(fēng)電-水下壓縮空氣儲(chǔ)能-海島用戶系統(tǒng)運(yùn)行中儲(chǔ)氣量、冷熱導(dǎo)熱油儲(chǔ)量變化Fig.9 The air storage and oil storage mass of the offshore wind power-UWCAES-island user integrated system under operation

圖10呈現(xiàn)的是在有無UWCAES系統(tǒng)下系統(tǒng)電功率輸出與用戶電負(fù)荷的對比。從圖10中可以看出，由于沒有UWCAES系統(tǒng)的儲(chǔ)能作用，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電過剩時(shí)，大量風(fēng)電被棄用，而當(dāng)風(fēng)電不足時(shí)，用戶電負(fù)荷需求存在很大缺口。系統(tǒng)加入U(xiǎn)WCAES之后，可以看出用戶電負(fù)荷被較好地滿足。

為了定量評價(jià)有無UWCAES時(shí)系統(tǒng)用電的供需平衡情況，定義指標(biāo)棄風(fēng)率WCR(wind curtailment rate，WCR)和負(fù)荷滿足率LSR(load satisfaction rate，LSR)為：

(20)

式中：te為仿真總時(shí)長；Wd為棄風(fēng)量；Wout為系統(tǒng)電功率輸出。計(jì)算得在有無UWCAES系統(tǒng)運(yùn)行指標(biāo)數(shù)值如表3所示。從表3中可以看出，正是由于加入了水下壓縮空氣儲(chǔ)能，加上系統(tǒng)儲(chǔ)能運(yùn)行策略，使得棄風(fēng)率大幅降低，并且負(fù)荷滿足率大幅升高。

圖10 有無UWCAES系統(tǒng)功率輸出Fig.10 System power output with/without UWCAES

表3 有無UWCAES系統(tǒng)棄風(fēng)率和負(fù)荷滿足率對比Tab.3 WCR and LSR comparison with/without UWCAES

5 結(jié)語

本論文介紹了一種與海上風(fēng)電相結(jié)合的水下壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)。為了分析系統(tǒng)的額定工況和變工況性能，建立了關(guān)鍵部件壓縮機(jī)/膨脹機(jī)、換熱器、儲(chǔ)熱罐、儲(chǔ)氣裝置、泵和電機(jī)的熱力學(xué)模型。

為了確定系統(tǒng)額定工況，在充-儲(chǔ)-釋理想運(yùn)行模式下，以儲(chǔ)氣包入口空氣壓力為約束條件，確定了當(dāng)空氣導(dǎo)熱油流量比為2.1時(shí)，系統(tǒng)符合最優(yōu)額定工況標(biāo)準(zhǔn)。在額定工況基礎(chǔ)上，為了擴(kuò)大UWCAES系統(tǒng)工況運(yùn)行范圍，改進(jìn)優(yōu)化了系統(tǒng)變工況空氣流量和導(dǎo)熱油流量輸入條件，最終使UWCAES系統(tǒng)工況運(yùn)行范圍從80%～100%拓展到10%～120%，且變工況運(yùn)行的系統(tǒng)循環(huán)效率在48.1%～58.4%之間。

最后，為了檢驗(yàn)系統(tǒng)在模擬真實(shí)海上風(fēng)電和海島用電負(fù)荷情景下的運(yùn)行性能，提出了一種分段儲(chǔ)能運(yùn)行策略，并進(jìn)行24 h運(yùn)行仿真。結(jié)果顯示，系統(tǒng)完成一個(gè)儲(chǔ)能循環(huán)的效率為53.7%，并且UWCAES系統(tǒng)使得棄風(fēng)率下降至0.58%，負(fù)荷滿足率增加至99.57%。

總而言之，水下壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)在海上風(fēng)電規(guī)?；瘍?chǔ)能方面具有應(yīng)用潛質(zhì)。但未來研究仍需對UWCAES技術(shù)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，包括與常用的鋰離子電池儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行對比。此外，本論文中的案例研究中，沒有考慮海島度假村用戶的制冷、制熱、熱水等需求，未來研究可進(jìn)一步設(shè)計(jì)基于海上風(fēng)電水下壓縮空氣儲(chǔ)能的綜合能源系統(tǒng)，以滿足用戶的多元化用能需求。