壓縮空氣儲能系統(tǒng)建模、仿真和控制研究綜述

張 彪，李陽海，曹 泉

（國網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學(xué)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(jù)重要地位。截至2021年底，我國發(fā)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(fā)電裝機容量占比僅為41.13%。從發(fā)電量來看，火電發(fā)電量占比為70.29%，可再生能源發(fā)電量占比為29.5%，其中風光發(fā)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(tǒng)的低碳轉(zhuǎn)型已成為我國碳達峰、碳中和戰(zhàn)略的重要組成部分，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)對碳達峰、碳中和目標的實現(xiàn)將起到關(guān)鍵作用［1-2］。

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

傳統(tǒng)CAES 技術(shù)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(wěn)定性強，靈活性好，但系統(tǒng)中化石能源的消耗增加了溫室氣體排放，造成嚴重的環(huán)境污染。隨著設(shè)計和制造技術(shù)的不斷進步，擺脫了對化石燃料的依賴，現(xiàn)代非補燃CAES技術(shù)得到發(fā)展，包括絕熱壓縮空氣儲能、液態(tài)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(shù)（AA-CAES）最具發(fā)展?jié)摿ΑＩ虡I(yè)運行及示范工程建設(shè)方面，德國及美國兩座商業(yè)化壓縮空氣儲能電站數(shù)十年的可靠運行經(jīng)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(nèi)自500 kW 至10 MW等不同容量規(guī)模壓縮空氣儲能示范工程的先后投建，表明此項儲能技術(shù)在國內(nèi)已實現(xiàn)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(nèi)湖北應(yīng)城、山東泰安、江蘇淮安等地有望實現(xiàn)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(tǒng)單機容量的增大，從機組運行及控制角度來看，分析系統(tǒng)各組件功–能轉(zhuǎn)換特性、揭示多能流耦合機理、建立適用于不同應(yīng)用場景的數(shù)學(xué)模型并分析其動態(tài)特性，達到探索能效提升措施和優(yōu)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(tài)仿真模型，設(shè)計系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)自動控制及儲能/釋能發(fā)電環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)控制技術(shù)、研究機組涉網(wǎng)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(tǒng)在新型電力系統(tǒng)和綜合能源系統(tǒng)充分發(fā)揮作用的重要前提。

1 壓縮空氣儲能系統(tǒng)的建模

AA-CAES 系統(tǒng)是實現(xiàn)多種能量形式傳遞與轉(zhuǎn)換的多能流復(fù)雜系統(tǒng)，主要由熱力、機械、電磁和電力3類部件構(gòu)成，各類部件之間的動態(tài)響應(yīng)時間尺度相差較大，從電力、電磁系統(tǒng)部件的毫秒級至熱力系統(tǒng)部件的分鐘級、小時級。因此，AA-CAES 系統(tǒng)的動態(tài)運行特性不但會對系統(tǒng)的動態(tài)控制策略產(chǎn)生影響，還會影響到AA-CAES系統(tǒng)在電力系統(tǒng)備用、實時調(diào)度等應(yīng)用領(lǐng)域中的應(yīng)用效果和相應(yīng)的優(yōu)化調(diào)度策略。根據(jù)能否反映AA-CAES 系統(tǒng)的時變運行特性，可以將AACAES系統(tǒng)模型分為靜態(tài)模型和動態(tài)模型2類。

1.1 靜態(tài)模型

目前，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)針對AA-CAES系統(tǒng)的熱力學(xué)仿真建模開展了大量的研究，并基于所構(gòu)建的系統(tǒng)熱力學(xué)模型，開展了AA-CAES 系統(tǒng)效率分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等內(nèi)容的研究。文獻［9］建立了一種壓縮空氣儲能系統(tǒng)熱力學(xué)分析模型，并分析了系統(tǒng)儲能密度和儲能效率隨壓縮級數(shù)、壓縮結(jié)構(gòu)以及不同儲熱介質(zhì)影響下的變化規(guī)律；文獻［10］建立了一種定壓AA-CAES系統(tǒng)各單元模塊和系統(tǒng)的熱力學(xué)模型，利用數(shù)值模擬，揭示了換熱器效能、壓縮機總壓比、級數(shù)和壓比分配對系統(tǒng)效率的影響特性；文獻［11］建立了壓縮空氣儲能系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)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(wù)分析、盈虧平衡分析以及敏感性分析；文獻［12］構(gòu)建了含低溫儲熱裝置的AA-CAES全系統(tǒng)靜態(tài)熱力學(xué)模型，并基于該模型分析了影響系統(tǒng)運行效率的關(guān)鍵運行參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)；文獻［13］搭建了一種采用熔鹽蓄熱的壓縮空氣儲能發(fā)電系統(tǒng)流程模型，分析了系統(tǒng)的熱力學(xué)運行特性，分析了渦輪機進口溫度、渦輪機進口壓力等參數(shù)對壓縮機功耗、儲氣室容積、儲能密度、儲能效率等系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)的耦合熱力學(xué)模型，儲能階段利用壓縮空氣儲能系統(tǒng)產(chǎn)生的壓縮熱加熱火電機組的凝結(jié)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(shù)；文獻［15］建立了面向AA-CAES 系統(tǒng)能量分析和?分析的系統(tǒng)模型，仿真分析表明，隨著壓縮機、透平和換熱器級數(shù)的增加，AA-CAES系統(tǒng)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(tài)建模來看，當主要用于分析AA-CAES系統(tǒng)的能量傳遞與損失機理、效率優(yōu)化方法、變工況運行特性等關(guān)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(tǒng)中各關(guān)鍵物理量的動態(tài)時域變化過程，也即需要進行對壓縮空氣儲能系統(tǒng)進行動態(tài)建模。動態(tài)模型主要由能夠反映系統(tǒng)熱動態(tài)和機電動態(tài)的時域微分方程組構(gòu)成，用于分析AA-CAES系統(tǒng)的動態(tài)運行特性，并可作為研究AA-CAES 動態(tài)控制策略。總之，從理論上系統(tǒng)地構(gòu)建AA-CAES系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，搭建其全系統(tǒng)動態(tài)仿真模型，進而開展動態(tài)仿真分析，掌握其系統(tǒng)動態(tài)運行特性，是促進AA-CAES技術(shù)廣泛應(yīng)用的前提和基礎(chǔ)之一［16］。

1.2 動態(tài)模型

壓縮空氣儲能系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)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(shè)備等關(guān)鍵設(shè)備進行特性分析的局部動態(tài)模型、關(guān)于壓縮機或透平機等主要設(shè)備部件的變工況動態(tài)模型，以及關(guān)于CAES 系統(tǒng)的全系統(tǒng)動態(tài)仿真模型。文獻［17］以華北電力大學(xué)STAR-90 仿真系統(tǒng)為建模平臺，分別建立了早期由清華大學(xué)物理化學(xué)研究所、中國科學(xué)院和中國電力科學(xué)研究院共同研究開發(fā)TICC-500 系統(tǒng)和中國科學(xué)院工程熱物理研究所1.5 MW的示范系統(tǒng)的動態(tài)仿真模型；文獻［18］構(gòu)建了填充床儲熱器的動態(tài)仿真模型，并將其應(yīng)用于AACAES系統(tǒng)的動態(tài)分析仿真中，通過循環(huán)迭代法獲得系統(tǒng)動態(tài)仿真結(jié)果；基于所構(gòu)建的模型，詳細分析了填充床儲熱器動態(tài)特性和變工況運行特性對AA-CAES 系統(tǒng)運行性能的影響；文獻［19］基于AA-CAES電站的熱力學(xué)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(fā)電控制（AGC）階段的功率調(diào)節(jié)不確定性的基礎(chǔ)上，建立了含AA-CAES 電站的電力系統(tǒng)實時調(diào)度模型；文獻［20］基于模塊化和集總參數(shù)思想，在APROS 平臺上建立了AA-CAES 的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，分析該系統(tǒng)儲能、釋能階段的動態(tài)特性，建立了并網(wǎng)調(diào)速系統(tǒng)控制模型，通過典型擾動下的響應(yīng)分析，獲得優(yōu)化的控制策略。

近幾年CAES技術(shù)不斷迭代升級，在膨脹機、壓縮機等裝備制造及系統(tǒng)設(shè)計與集成方面都有長足的發(fā)展，但在CAES的深刻反應(yīng)內(nèi)部機理的動態(tài)仿真模型、控制系統(tǒng)及調(diào)節(jié)特性、入網(wǎng)條件、與大電網(wǎng)耦合特性等方面研究較少，制約了CAES 技術(shù)的規(guī)?；瘧?yīng)用?？偠灾瑝嚎s空氣儲能系統(tǒng)全工況全系統(tǒng)的動態(tài)模型的研究相對較少，只限于小容量CAES 系統(tǒng)或局部部件，不能適應(yīng)即將到來的單機大容量壓縮空氣儲能系統(tǒng)示范工程的研究需要。

2 壓縮空氣儲能系統(tǒng)的控制技術(shù)

壓縮空氣儲能系統(tǒng)的控制技術(shù)包括場站內(nèi)主輔設(shè)備保護系統(tǒng)及關(guān)鍵參數(shù)模擬量控制系統(tǒng)、網(wǎng)源協(xié)調(diào)控制技術(shù)、調(diào)度運行控制技術(shù)等方面。

場站內(nèi)控制技術(shù)，文獻［21］以1 MW 多級壓縮空氣儲能系統(tǒng)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(yōu)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(tǒng)在變工況下的能量調(diào)配和運行參數(shù)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(tǒng)選擇合適的極點，應(yīng)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(fā)電中的變流器控制技術(shù)引入壓縮儲能控制系統(tǒng)，結(jié)合相似理論進行了膨脹釋能環(huán)節(jié)的最高效率點跟蹤控制仿真研究，結(jié)果表明，采用變流器的轉(zhuǎn)速控制可使膨脹機在不同功率水平下實現(xiàn)效率最優(yōu)；文獻［24］以非補燃式壓縮空氣儲能系統(tǒng)的重要設(shè)備即換熱器為對象，建立數(shù)學(xué)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(tǒng)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(xiàn)的壓縮空氣儲能系統(tǒng)的儲氣室溫度和壓力控制方案，是為數(shù)不多的介紹CAES 系統(tǒng)實際工程項目的控制系統(tǒng)相關(guān)信息的文獻；文獻［26］通過分析甩負荷過程中解耦電網(wǎng)后的動作過程，對發(fā)電機轉(zhuǎn)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(jié)果，驗證了改進后轉(zhuǎn)速保護調(diào)節(jié)系統(tǒng)的高效性及穩(wěn)定性，為提高壓縮空氣儲能系統(tǒng)膨脹機調(diào)速系統(tǒng)的安全性和機組的控制邏輯設(shè)計提供了一定思路。

網(wǎng)源協(xié)調(diào)技術(shù)方面，文獻［27］基于APROS仿真平臺建立了10 MW AA-CAES 仿真模型，設(shè)計了一種在寬負荷范圍內(nèi)的3套PID優(yōu)化控制方案，仿真表明，該方案可使得機組調(diào)頻性能指標滿足輔助調(diào)頻服務(wù)的經(jīng)濟效益要求；文獻［28］根據(jù)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(tǒng)雙向參與響應(yīng)電網(wǎng)一次調(diào)頻的設(shè)計構(gòu)想，并給出了建議的調(diào)節(jié)不等率、限幅等參數(shù)，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(tǒng)和風電滲透測試系統(tǒng)的仿真模型，提出了一種基于模糊控制的CAES 調(diào)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(jié)合無窮大電網(wǎng)模型，模擬了儲能系統(tǒng)在空載沖轉(zhuǎn)、并網(wǎng)以及電網(wǎng)調(diào)頻工況下的參數(shù)變化，分析了液化空氣儲能系統(tǒng)作為新的輔佐新能源電網(wǎng)調(diào)頻技術(shù)的可行性及其動態(tài)特性；文獻［31］建立了鹽穴壓縮空氣儲能電站釋能環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)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(diào)相運行模式，以微量的高壓空氣及熱能損耗為代價實現(xiàn)對電網(wǎng)無功電壓支撐的功能，并進行了仿真驗證。

優(yōu)化調(diào)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(xié)調(diào)互動的電力系統(tǒng)日前優(yōu)化調(diào)度模型，驗證了CAES 電站在提升系統(tǒng)運行收益方面和降低系統(tǒng)運行成本方面的作用；文獻［33］綜合考慮了CAES電站、常規(guī)機組、快速啟停機組、風電和需求響應(yīng)資源的調(diào)度特性，計及風電、負荷和價格型需求響應(yīng)的預(yù)測不確定性，建立了含CAES 電力系統(tǒng)日前-日內(nèi)協(xié)調(diào)調(diào)度模型，并仿真驗證了模型的有效性；文獻［34］以風儲系統(tǒng)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(yōu)化模型，采用一種分段線性化方法擬合風儲系統(tǒng)變工況特性并設(shè)計優(yōu)化運行策略；文獻［35］提出了一種計及熱電聯(lián)供聯(lián)儲特性的含AA-CAES 能源站的電-熱綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運行方法，考慮了負荷綜合需求響應(yīng)和熱網(wǎng)管道傳熱延遲和損耗等動態(tài)特性，建立了以系統(tǒng)機組發(fā)電成本、購電成本、綜合需求響應(yīng)成本以及棄風懲罰成本之和為最小的日前經(jīng)濟調(diào)度模型，并進行了算例分析。

從以上壓縮空氣儲能系統(tǒng)控制技術(shù)的幾方面研究現(xiàn)狀來看，研究的范圍較為廣泛，包含了壓縮空氣場站內(nèi)關(guān)鍵參數(shù)的控制、換熱回熱等系統(tǒng)的運行控制、調(diào)頻調(diào)峰的性能分析、透平發(fā)電機的保護及控制、耦合新能源發(fā)電的控制、優(yōu)化調(diào)度運行控制以及納入綜合能源系統(tǒng)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(xiàn)有的壓縮空氣示范工程中并未見相關(guān)報道。

3 結(jié)語

在“雙碳”背景下，隨著電源結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化調(diào)整和新型電力系統(tǒng)的穩(wěn)步推進，能源行業(yè)將進一步加大對包括壓縮空氣儲能在內(nèi)的大規(guī)模清潔物理儲能的需求。本文梳理了壓縮空氣儲能系統(tǒng)在理論建模、系統(tǒng)仿真和控制技術(shù)等方面的研究成果，并在此基礎(chǔ)上提出部分后期的研究建議。

1）壓縮空氣儲能系統(tǒng)涵蓋了熱力、電磁、機電等多時間尺度物理過程，對其構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型應(yīng)能滿足不同應(yīng)用場景的研究需要，包含精確反應(yīng)熱力過程特性、調(diào)頻調(diào)峰的電網(wǎng)支撐特性、旋轉(zhuǎn)備用的熱耗特性、變工況運行的經(jīng)濟特性、多能聯(lián)供特性，以及滿足人機交互的仿真培訓(xùn)功能等。

2）壓縮空氣儲能系統(tǒng)場站內(nèi)關(guān)鍵參數(shù)的控制既有如壓力、溫度的常規(guī)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(tǒng)安全運行的前提下，引入智能控制算法，實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)的動態(tài)調(diào)節(jié)快速、穩(wěn)態(tài)偏差合理，提升整體自動化水平。

3）隨著新能源發(fā)電和其它可再生能源的接入，電網(wǎng)形態(tài)和運行方式也在發(fā)生變化，并且隨著壓縮空氣儲能系統(tǒng)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(tǒng)需要在一次儲能、釋能的完整循環(huán)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(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)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(fù)雜。因此，CAES系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計斷點適當、判據(jù)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(shù)提升系統(tǒng)整體能效的可能性。

4）在新能源為主體的新型電力系統(tǒng)建設(shè)中，包含壓縮空氣儲能系統(tǒng)在內(nèi)的大規(guī)模清潔物理儲能系統(tǒng)和智能電網(wǎng)及綜合能源系統(tǒng)的發(fā)展將呈現(xiàn)相互促進的協(xié)同發(fā)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(tǒng)的涉網(wǎng)功能并進行指標定量分析，如調(diào)峰、調(diào)頻、無功支撐、備用、多能流（冷熱電）聯(lián)供等，是豐富其應(yīng)用場景和充分挖掘輔助服務(wù)價值潛力所必須的研究工作。