典型園區(qū)冷熱電儲能系統(tǒng)特性分析與建模

丁愛飛

（1.國電南瑞吉電新能源（南京）有限公司，江蘇 南京 211106；2.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106）

為滿足我國的“30·60”碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)[1]，解決能源供應(yīng)問題，增加新能源消費比例、提高能源綜合利用率至關(guān)重要。儲能技術(shù)是實現(xiàn)新型電力系統(tǒng)和“30·60雙碳目標(biāo)”的核心技術(shù)，也是綜合能源系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。雖然分布式能源在能效使用、損耗減少、環(huán)境污染減輕、運作靈活性方面具有優(yōu)勢，但在其發(fā)展中也面臨著能源供應(yīng)不穩(wěn)定和能源利用效益低的問題[2]。儲能被認(rèn)為是解決這些問題的有效方式，具有快速響應(yīng)和精確補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點[3]，能夠有效解決分布式能源的一系列問題。然而，儲能系統(tǒng)的實際應(yīng)用卻面臨很多挑戰(zhàn)。首先，由于應(yīng)用環(huán)境的多樣性和復(fù)雜性，因此每個不同的應(yīng)用場景都有其獨特需求。其次，如何有效地組合和配置各類能源形式并優(yōu)化其運行策略，以最大程度發(fā)揮其效益，也是一個亟待解決的問題。

針對這些問題，該文對典型園區(qū)冷熱電儲能系統(tǒng)的特性進(jìn)行了深入分析，并以此為基礎(chǔ)，建立各元件冷-熱-電能源形式的等效模型，為園區(qū)冷熱電儲能系統(tǒng)的應(yīng)用提供重要的理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 典型儲能系統(tǒng)特性分析

分布式儲能的運行情況對其被應(yīng)用的場景環(huán)境有顯著的依賴性[4]，例如熱電聯(lián)供場景、消耗可再生能源場景、削峰填谷和后備電源等場景。該文選取預(yù)制艙式儲能系統(tǒng)、高溫相變復(fù)合儲熱系統(tǒng)和液化空氣儲能系統(tǒng)進(jìn)行分析，建立典型儲能系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，在不同的應(yīng)用場景中配置適合的儲能可以最大限度地發(fā)揮其作用。

1.1 預(yù)制艙式儲能系統(tǒng)

預(yù)制艙因其緊湊的結(jié)構(gòu)和占地面積小的特點，在儲能系統(tǒng)多樣化的應(yīng)用場景中具有較大優(yōu)勢。預(yù)制艙還能夠?qū)崿F(xiàn)“工廠化預(yù)制、模塊化建設(shè)”，縮短建設(shè)周期。

預(yù)制艙儲能系統(tǒng)一體化安全管控策略主要考慮如下方面：1）針對熱失控問題，可以采用物理降溫方式控制燃爆方向發(fā)展。2）加強(qiáng)電管理，包括電池荷電狀態(tài)（SOC）、電池健康狀態(tài)（SOH）、電池功率狀態(tài)（SOP）等，基于大量試驗數(shù)據(jù)做人工智能算法，進(jìn)行狀態(tài)估計，并在使用過程中用算法進(jìn)行優(yōu)化。3）熱管理方面，將冷卻介質(zhì)和滅火器深入一些模組里，以加強(qiáng)熱管理并達(dá)到冷卻效果。4）防護(hù)方面，利用相關(guān)的電池阻燃隔熱方式。5）消防方面，采用氣液復(fù)合方式降溫并可抑制復(fù)燃。除針對電池儲能內(nèi)部整體安全進(jìn)行保護(hù)防控外，預(yù)制艙外部還采用復(fù)合材料包覆，內(nèi)部增加阻隔，以此盡量減少相互影響。

預(yù)制艙式儲能系統(tǒng)由多套混合儲能系統(tǒng)組成，每套混合儲能系統(tǒng)都包括儲能單元和相應(yīng)的配電單元，共同放置在一個集裝箱內(nèi)。超級電容儲能裝置由超級電容模組、超級電容管理系統(tǒng)（CMS）、機(jī)柜及控制回路等部分組成。鋰電池儲能系統(tǒng)由電池組、電池管理系系統(tǒng)（BMS）和總控柜組成。超級電容顯影速度快，但能量密度低；鋰電池相應(yīng)速度慢，但能量密度高。由超級電容儲能裝置和鋰電池儲能系統(tǒng)構(gòu)建的混合儲能系統(tǒng)[5]能夠有效滿足小型電網(wǎng)系統(tǒng)對能量和功率特性的雙重要求，同時解決電網(wǎng)中電壓和頻率的波動問題。采用濾波器將波動的儲能系統(tǒng)整體功率指令分解為高頻分量和低頻分量，并采用計劃功率差額控制策略，通過對功率變化的頻率檢測，確定功率指令由電池儲能系統(tǒng)或超級電容儲能系統(tǒng)執(zhí)行，從而達(dá)到協(xié)調(diào)2 種儲能平抑功率的目的。

1.2 高溫相變復(fù)合儲熱系統(tǒng)

相變蓄熱是一種建立在相變儲能材料上的先進(jìn)儲能技術(shù)，主要類別包括顯熱蓄熱、熱化學(xué)蓄熱以及相變蓄熱，其儲熱密度遠(yuǎn)超顯熱蓄熱。因為其能有效解決能源供應(yīng)時間和空間的沖突，所以被認(rèn)為是提升能源效率的關(guān)鍵方式之一，尤其在熱能供應(yīng)不連續(xù)或供需匹配問題上，它的優(yōu)勢尤為明顯。得益于其穩(wěn)定的溫度表現(xiàn)和高蓄熱密度，該系統(tǒng)受到了廣泛的關(guān)注和研究。

蓄熱技術(shù)是提升能源效率和環(huán)保的關(guān)鍵技術(shù)，它解決了熱能供需失配的問題，廣泛應(yīng)用于太陽能利用、電力調(diào)峰、廢熱、余熱的回收利用和工業(yè)、民用建筑的節(jié)能。其主要方法包括顯熱蓄熱、潛熱蓄熱和化學(xué)反應(yīng)蓄熱。顯熱蓄熱通過物質(zhì)溫度升高來儲存熱量，簡單且成本低，但儲熱量小?；瘜W(xué)反應(yīng)蓄熱利用可逆化學(xué)反應(yīng)儲存熱能，是一種高密度高能量的蓄熱方式，儲能密度高于顯熱和潛熱。潛熱蓄熱利用物質(zhì)相變過程吸收或放出潛熱儲存能量，儲熱量非常大且放熱溫度恒定，但儲熱介質(zhì)可能存在過冷、相分離且易老化等問題。

根據(jù)應(yīng)用溫度的區(qū)間，潛熱蓄熱材料（也稱為相變蓄熱）可以被分類為高溫、中溫和低溫3 個種類。高溫的相變材料顯示出一定的高溫抗腐蝕特性，通常需要進(jìn)行封閉式包裝保護(hù)處理。這種經(jīng)封裝處理的相變材料擁有眾多優(yōu)勢[6]，受到廣泛研究，具有廣闊的應(yīng)用前景。

裝置采用自主研發(fā)的高溫相變儲熱材料，相變溫度710℃、平均儲熱密度1077kJ/kg。工程首次采用相變蓄熱技術(shù)吸收式制冷技術(shù)，以實現(xiàn)熱能的高密度存儲與綜合利用，其控制功能先進(jìn)，具有氣候自動補(bǔ)償、分時段控制等控制功能，可進(jìn)行熱、冷的按需供應(yīng)，提升系統(tǒng)運行經(jīng)濟(jì)性。

高溫相變儲熱裝置分為夏季供冷和供給供暖2 種工況，提高了設(shè)備利用率和效益，并以熱能高效存儲為核心，可實現(xiàn)用戶用冷、用熱負(fù)荷的靈活可控，發(fā)揮移峰填谷作用；使負(fù)荷跟蹤新能源出力，提高新能源消納能力；推進(jìn)再電氣化，服務(wù)新能源發(fā)展。項目對解決燃煤燃?xì)鈳淼拇髿猸h(huán)境污染問題、提高電力清潔供暖的經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)推廣性具有較好的借鑒意義。

1.3 液化空氣儲能系統(tǒng)

目前儲存可再生能源的方式較多，但絕大多數(shù)儲能技術(shù)在存儲間歇性可再生能源方面均面臨巨大挑戰(zhàn)，同時也會受地理環(huán)境條件的制約。而液化空氣儲能技術(shù)是一種解決可再生能源間歇性存儲問題的有效方法。

液化空氣儲能系統(tǒng)的運行主要分為3 個階段：液化階段、儲能階段和電力恢復(fù)階段。1）液化階段?？諝庖夯b置對環(huán)境中的空氣進(jìn)行清潔和壓縮，并在熱交換器中與源于氣液分離器和蓄冷裝置的冷空氣進(jìn)行熱交換冷卻。然后經(jīng)過膨脹機(jī)和節(jié)流閥，在氣液分離器中將該過程中分化產(chǎn)生的氣態(tài)和液態(tài)進(jìn)行分離。分離后的冷空氣會返回?zé)峤粨Q器中，用于冷卻由壓縮機(jī)壓縮的空氣。2）儲能階段。經(jīng)分離得到的液態(tài)形式空氣流入液化空氣儲罐，使消耗的電能轉(zhuǎn)化為冷能的形式進(jìn)行儲存。3）電力恢復(fù)階段。儲存在低溫儲罐中的液態(tài)空氣被引出，經(jīng)過低溫泵加壓后送入氣化熱交換器吸收熱能并轉(zhuǎn)化為氣體，進(jìn)入熱交換器進(jìn)一步進(jìn)行升溫升壓。然后高壓氣體流入透平，從而驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)出電能。從透平中出來的高溫空氣經(jīng)熱交換器和氣化熱交換器冷卻后流入蓄冷裝置，與熱交換器中被壓縮機(jī)壓縮的空氣進(jìn)行熱能交換?；谝夯諝鈨δ艿睦錈犭姎饩C合利用裝置流程如圖1 所示。

圖1 基于液化空氣儲能的冷熱電氣綜合利用裝置流程

液化空氣儲能循環(huán)是林德循環(huán)（液化階段）和朗肯循環(huán)（電力恢復(fù)階段）的結(jié)合，但液化階段并非完全符合傳統(tǒng)的林德循環(huán)，膨脹機(jī)出口的冷空氣和在朗肯循環(huán)中損耗的部分有效能被用于冷卻膨脹機(jī)的入口空氣。因此，林德循環(huán)的有效能輸入來自朗肯循環(huán)和壓縮機(jī)。實際的功效受外部環(huán)境的影響和實際循環(huán)效率的制約而降低。除去內(nèi)部循環(huán)的不可逆損耗，林德循環(huán)出口的有效能以液態(tài)空氣的形式存在。在朗肯循環(huán)中，透平的輸出功不僅源于液化階段的能量輸入，還包括來自外部環(huán)境的熱量輸入，同時也會有有效能的損耗，其大小超過輸入熱交換器中的有效能，因此需要充分利用熱交換器中的有效能，以提升循環(huán)效率。朗肯循環(huán)的有效能損耗會受透平入口壓力的影響，高壓會導(dǎo)致低損失。在高壓、高飽和溫度下，有效能損失較小。液化空氣儲能循環(huán)表明，液化過程所需功大于液態(tài)空氣膨脹做的功，即使絕熱膨脹。因此，需要通過聯(lián)合液化和膨脹過程，使用熱力恢復(fù)來提升整體效率。

液化空氣儲能使用的能量存儲媒介沒有化石能源的參與，使用的是環(huán)境空氣。通常，環(huán)境空氣與液態(tài)空氣的轉(zhuǎn)化比為700 ∶1，因此以液態(tài)空氣作為媒介具有較高的能量存儲密度。

液化空氣儲能系統(tǒng)具有如下特點：1）通過蓄熱、蓄冷等技術(shù)實現(xiàn)園區(qū)冷熱電氣的綜合供給，滿足用戶多樣化能源需求。2）利用超低溫蓄冷技術(shù)，儲冷溫度可達(dá)負(fù)150℃。3）采用低損耗換熱技術(shù)設(shè)計了高效蒸發(fā)器，以實現(xiàn)高壓力、小溫差換熱。4）采用高負(fù)荷、寬工況級間再熱膨脹發(fā)電機(jī)組設(shè)計，解決透平膨脹機(jī)偏離額定工況時的效率下降問題，使調(diào)節(jié)高效、靈活。

該系統(tǒng)以壓縮空氣儲能裝置為核心，利用園區(qū)內(nèi)光伏、光熱和風(fēng)電等新能源，實現(xiàn)用戶用冷、用熱負(fù)荷的靈活可控，發(fā)揮移峰填谷作用。

2 典型儲能系統(tǒng)的等效模型

在特性分析的基礎(chǔ)上建立預(yù)制艙式儲能系統(tǒng)、高溫相變復(fù)合儲熱系統(tǒng)和液化空氣儲能系統(tǒng)的等效模型。

2.1 預(yù)制艙式儲能系統(tǒng)模型

預(yù)制艙式儲能系統(tǒng)由多個混合儲能系統(tǒng)構(gòu)建而成，由超級電容儲能系統(tǒng)和鋰電池儲能系統(tǒng)組成的混合儲能系統(tǒng)包括儲能單元和相應(yīng)的配電單元，二者共同放置于一個集裝箱內(nèi)，其等效模型如公式（1）～公式（4）所示。

2.2 高溫相變復(fù)合儲熱系統(tǒng)模型

在電力使用的低峰時段，高溫相變蓄熱復(fù)合系統(tǒng)通過電熱元件將電能轉(zhuǎn)化為高溫?zé)崮埽⑵鋬Σ卦趶?fù)合相變蓄熱物質(zhì)單元中。當(dāng)熱能需求增加時，通過板式熱交換器進(jìn)行熱交換，并將其傳遞到用戶側(cè)。高溫相變復(fù)合儲熱系統(tǒng)等效模型如公式（5）～公式（12）所示。

高溫相變儲熱裝置的工作流程分為儲熱和釋熱。1）儲熱過程：啟動電加熱元件，將電能轉(zhuǎn)化為熱能，存儲于高溫相變磚。2）釋熱過程：關(guān)閉電加熱元件，通過空氣將相變磚內(nèi)的熱量導(dǎo)出，利用氣-水換熱器進(jìn)行熱交換，達(dá)到供熱目的。

高溫相變儲熱裝置的運行工況分為夏季模式和冬季模式。1）夏季模式：蓄熱電鍋爐與溴化鋰機(jī)組聯(lián)合運行可實現(xiàn)制冷，蓄熱電鍋爐輸出功率240kW，供水/回水溫度120℃/69℃，供水壓力200kPa。2）冬季工況：蓄熱電鍋爐單獨運行，為區(qū)域用戶供暖，額定輸出功率167kW，供暖水出水/回水溫度60℃/50℃。

2.3 液化空氣儲能模型

液化空氣儲能系統(tǒng)擁有供電、供熱和供冷3 種運行模式。在供電模式下，系統(tǒng)存熱全部用于提升膨脹發(fā)電機(jī)的輸出電能；在供熱和供冷模式下，系統(tǒng)利用高溫?zé)崴畠?，然后通過溴化鋰?yán)潆p供機(jī)組向區(qū)域供熱或供冷。當(dāng)溴化鋰機(jī)組制冷不足時，則通過膨脹發(fā)電機(jī)組減少部分發(fā)電量，進(jìn)而膨脹空氣來制冷。液化空氣儲能系統(tǒng)的等效模型如公式（13）～公式（22）所示。

式中：PLAS，t代表壓縮機(jī)所耗用的電能；代表生成的熱能（流入儲熱罐的熱能）；kcom代表壓縮機(jī)的壓縮比；代表儲熱罐流出的熱能量總和；SLAS，t代表儲熱罐中儲存的熱能量；kL代表熱損耗系數(shù)；代表儲熱罐能量存儲最大值；代表儲熱罐的雙態(tài)狀態(tài)變量；HHST_EG，t和HHST_LB，t分別代表從儲熱罐轉(zhuǎn)移至膨脹發(fā)電機(jī)和溴化鋰機(jī)組的熱能量；ηEG、ηEG_E和ηEG_C分別代表膨脹發(fā)電機(jī)熱能轉(zhuǎn)換效率、熱電轉(zhuǎn)換效率和熱冷轉(zhuǎn)換效率；PEG，t和QEG，t分別代表輸出的電能和冷能；ηLB、ηLB_H和ηLB_C分別代表溴化鋰機(jī)組熱能轉(zhuǎn)換效率、熱轉(zhuǎn)換效率和冷轉(zhuǎn)換效率；HLB，t和QLB，t分別代表轉(zhuǎn)換的熱和冷。

3 結(jié)語

該文首先分析了預(yù)制艙式儲能系統(tǒng)、高溫相變復(fù)合儲熱系統(tǒng)和液化空氣儲能系統(tǒng)這3 種典型儲能的運行特性，并針對不同應(yīng)用場景和需求建立典型應(yīng)用場景庫。其次構(gòu)建了典型儲能系統(tǒng)等效模型，在應(yīng)用層面為園區(qū)冷熱電儲能系統(tǒng)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。