摘 要

目前，传统能源面临枯竭，环境问题日益严重，使得可再生能源有了良好的发展机遇，风能和水能是目前最具有大规模商业化开发潜力的可再生能源。但风能因其不稳定、不连续、不可控等特性，限制了其商业化的发展。在此背景下，压缩空气储能（CAES）随之产生，它能对电能进行时空平移，为提高风能发电效率及稳定性提供了一种有效手段。

压缩空气储能利用能量压缩空气，使空气成为能量传递介质，然后储存在一定的压力之下。工作时，压缩空气就会膨胀，以提取压缩过程中最初使用的那部分能量。空气最简单的存储形式是由轴驱动的机器压缩并在压力下储存。

近几年，压缩空气储能技术得到了很大的发展，由于其寿命长、储能容量大、污染小等特性，得到了广泛的关注。然而，与电池等其他能源储存技术相比，压缩空气储能的效率偏低，市场占有率不高。究其原因，一是其原理复杂，有多种规律并存且相互作用，增加了建模和分析的难度，使得精确控制和优化工作更加困难；二是运行过程中，由于没有考虑到压缩空气储能自身的特性，使得其长期在低效区运行，既增加了使用成本，也严重影响了压缩空气储能的效率。

为了解决目前制约新能源大规模使用的储能难题，本文根据已有研究，提出了一种与风力发电耦合的CAES系统，建立了其压缩机、涡轮的模型及其热力学模型，并在过程模拟的基础上研究了风力发电CAES系统在设计工况和非设计工况下的运行情况。探究发现与风力发电耦合的CAES系统在定、变轴转速模式下，可以利用过剩的风能储能压缩空气，并能通过不同的操作策略，提高风力发电的量，平稳风力的波动；在非设计工况下，定转速模式的CAES系统流量被限制，由此造成的影响是风电利用范围被限制，变转速模式下的流量范围则大得多；同时，变转速模式下的其他性能也优于定转速模式。本文旨在对风力发电CAES系统的设计和运行及降低成本提供参考。

关键词：压缩空气储能；风能；混合模型；过程模拟

Abstract

At present, traditional energy is facing exhaustion and environmental problems are becoming more and more serious, which provides a good opportunity for the development of renewable energy, wind power and hydro energy are currently the most commercially viable renewable energy resources. However, wind power is unstable, discontinuous and uncontrollable, which limits its commercial development. Against this background, compressed air energy storage follows up. It can shift the electrical energy from a space-time to another space-time, which provides an effective means to improve the efficiency and stability of wind power generation.

Compressed air energy storage （CAES）uses energy to compress the air, making the air an energy transfer medium, which is then stored under a certain amount of pressure. When needed, that compressed air is expanded, to extract a portion of the energy that was initially used during compression. In its simplest form, air is compressed by a shaft driven machine and stored under pressure.

In recent years, compressed air energy storage technology has been greatly developed due to its long life, large energy storage capacity and low pollution. However, compared with other energy storage technologies such as batteries, compressed air energy storage is less efficient and has a low market share. The first reason is that its principle is complex, and there are many kinds of lows coexist and interact with each other, which increases the difficulty of modeling and analysis, and makes the precise control and optimization more difficult. Second, in the process of operation, due to the failure to take into account the characteristics of compressed air energy storage, it is running in low-efficiency areas for a long time, which not only increases the use cost, but also seriously affects the efficiency of compressed air energy storage.

For solving the problem of energy storage which restricts the large-scale use of new energy at present, a CAES system coupled with wind power generation was proposed based on the existing studies, their compressor and turbine models and thermodynamic models were established, and the operation of CAES system in both design and off-design conditions were studied on the basis of process simulation. It is found that the CAES system coupled with wind power generation can use surplus wind energy storage to compress air under constant and variable shaft speed mode, and by different operation strategies, the amount of wind power generation can be improved and the fluctuation of wind power can be stabilized; in off-design condition, the mass flowrate in constant shaft speed mode is limited, and the use of wind power is limited as a result, while the mass flowrate range is bigger in variable shaft speed mode; at the same time, the other performance of the variable shaft speed mode is better than that of the constant shaft speed mode. Research presented in this paper hopes to shed light on design and operation of the CAES system for wind power and cost reduction.

Key words: Compressed air energy system；wind power；hybrid modeling；process simulation

目录

第一章 绪论 7

1.1 研究背景 7

1.2 国内外研究现状 8

1.2.1国外研究现状 8

1.2.2 国内研究现状 9

1.2.3 目前存在的问题 9

1.3本文主要研究内容 10

第二章 压缩机与涡轮特性曲线分析 11

第三章 压缩空气储能系统的建模 13

3.1 与风力发电耦合的CAES系统简介 13

3.2 压缩机和涡轮机模型的建立 13

3.2.1 压缩空气储能能量转换机理分析 13

3.2.2 涡轮机作用力分析 14

3.2.3 建立压缩机和涡轮机的模型 15

3.3 系统热力学建模 16

3.3.1 储能阶段 16

3.3.2 释能阶段 17

3.4 模型验证与性能标准 18

3.4.1 模型验证 18

3.4.2 性能标准 18

第四章 风能发电CAES系统的性能研究与比较 19

4.1 风力发电CAES系统在设计工况下的性能研究 19

4.2 风力发电CAES系统在非设计工况下的研究 22

4.2.1 定转速模式 22

4.2.2 变转速模式 23

4.2.3 两种模式的比较 26

第五章 结论与展望 27

5.1 主要结论 27

5.2 不足与展望 27

参考文献 28

致谢 31

第一章 绪论

1.1 研究背景

我国是能源消耗和生产大国，但目前仅有一小部分的能源来自可再生能源（不到10%）。由此造成的环境污染问题和化石能源趋于枯竭的问题不断加重，使用清洁能源、可再生能源将成为今后的发展趋势。目前太阳能、水能、风能得到了较为广泛的应用，但它们暂时只能间歇性地使用。太阳能只能在白天使用，而且不可靠。尽管在地球上，总有某个地方能获得阳光，但由于缺乏一个集成的低损耗全球电网，太阳能只能在当地储存，以产生稳定的电力供应，且极易受到云、雾等环境因素影响。水能发电有可预测的输出，但它也不能保持恒定，季节周期、气候等因素影响水能发电系统。同时，水能发电系统需蓄能来保持稳定的输出。风能资源潜力大且对环境无污染，部分持续的信风能提供相对稳定的输出，但即使是稳定的风源，其输出的可变性也比传统发电厂大得多。同时，风能大都具有不连续、不可控、不稳定的性质，导致风力发电难以有效预测、调度和控制，不能大规模并入电网。此外，我国优质风力资源分布与用电负荷重心分布不统一，即便能大规模并入电网，也面临输电容量不足等问题，由此导致的弃风问题形势严峻。近几年，仅2014年全国年弃风率在10%以下^[1]。随着风力发电应用越来越广泛，其对电力系统的影响不断变大。目前，缓解风力发电对电网的影响日益迫切。

通过储能技术，可以突破能源运输的时空限制，令不稳定、不规律的能源稳定可控，打破目前能源使用的模式——传统的、即发即用的被动平衡局面，使人们可以按照实际需求对可再生能源进行分配。随着储能技术的不断发展进步，其在改善电能质量、提高系统稳定性、提升能源利用效率等方面发挥着重要的作用。例如用在风电发电侧，可实现风电按计划发电，减少备用容量，提高低电压穿越能力；用作输配电侧，可提高设备利用率，减少线路阻塞，延缓输配电投资^[2]；此外，储能系统还能和分布式风电结合用在用户侧，优化资源配置，提高电能质量和可靠性，降低成本^[3]。储能技术的发展使电网结构、规划设计、调度管理及使用方式等发生了根本性的变革。目前压缩空气储能系统主要应用在电网调峰调频、汽车动力等。根据时间跨度的不同，压缩空气储能系统可为风电场提供旋转备用、调峰调频等服务。与风力发电耦合的CAES系统，在平衡电力供应和需求方面可以发挥重要作用，同时可以缓解风电并网压力，近些年受到的关注较大，发展也十分迅速。

1.2 国内外研究现状

1.2.1国外研究现状

地下洞穴储存压缩空气进行储能于1949年首次提出,在此之后，压缩空气储能得到了全球范围内的广泛关注。到目前为止，已有两家商业化的CAES系统投入运营。第一家由德国Huntorf CAES工厂所建，该电站于1971年投产，额定功率为290MW，不到10分钟3即可完成从冷态启动到满负荷运转，发电时间可超过2小时。该电站在1971年至1991年间启动并网5000余次，启动可靠性达97.6%，平均可用率为86.3%^[4]。第二个压缩空气储能电站于1991年在美国建立，额定功率为110MW，发电时间可达26小时，从启动到满负荷需9分钟。由于其系统内加入了回热器，可回收利用涡轮废气中的余热，并用此热量预热压缩空气，降低了能耗，使得其效率可达54%，高于Huntorf CAES的效率（42%）。