摘 要

当今，人类对风能等可再生能源的开发和利用随着传统化石能源的日益枯竭而不断加强，电网中风电等可再生能源发电的比重不断提高；另一方面，电网负荷峰谷差也随着人们生活水平的提高和第三产业的发展日益增大。为了维持电网的稳定性运行，必须首要解决风电等新能源的间歇性问题以及电网负荷的不稳定问题。压缩空气储能（CAES）技术是解决以上问题的有效手段之一，具有丰富的发展前景。

本文通过了解新能源的现况以及风能发电的良好前景，引出了风电大规模并网对电网造成的冲击和不稳定问题，提出以储能方式解决问题的对策。在分析现存各种储能方式的工作原理和特性后。发现压缩空气储能具有储能规模大、适应性强、经济性好等优点，具有丰富的发展前景。并对压缩空气储能技术国内外发展现状进行了简单的分析。参考相关文献分析了压缩空气储能系统的工作原理和主要部件，对系统部件建立了数学模型，并对压缩空气储能系统的性能特点进行了分析，提出了评价系统性能的指标参数；依据现有的压缩空气储能电站，设计并建立了大型压缩空气储存风能系统，选取了合适的储气室容积，并对主要设备进行了选型和初试参数的设定。基于以上工作，将系统分为蓄能子系统和发电子系统两大部分，对两个子系统分别进行了热力学过程分析和建模，并运用流程模拟软件ASPEN PLUS对它们分别进行模拟。模拟得到系统的主要性能参数，分析后得出结论，蓄能子系统储气压力及发电子系统压缩空气的释放压力对系统的性能和能量转换系数有重要影响。

关键词：压缩空气储能、可再生能源、风力发电、建模

Abstract

Nowadays, with the depletion of traditional fossil energy, the exploitation and utilization of renewable energy, such as wind energy, has been strengthened, and the proportion of wind power and other renewable energy in power grid has been increasing；On the other hand, with the improvement of people's living standards and the development of the tertiary industry, the peak-valley difference of power grid load is increasing. In order to maintain the stable operation of power grid, it is necessary to solve the intermittent problem of new energy such as wind power and the unstable load of power grid. Compressed air energy storage (CAES) technology is one of the effective means to solve the above problems, and has rich prospects for development.

By understanding the current situation of new energy and the good prospects of wind power generation, this paper leads to the impact and instability of large-scale grid-connected wind power on the grid, and puts forward the countermeasures to solve the problem by energy storage. After analyzing the working principle and characteristics of various existing energy storage modes. It is found that compressed air energy storage has the advantages of large scale, strong adaptability and good economy, and has a rich development prospects. The development status of compressed air energy storage technology at home and abroad is briefly analyzed. The working principle and main components of the compressed air energy storage system are analyzed by referring to relevant literatures, the mathematical model of the system components is established, the performance characteristics of the compressed air energy storage system are analyzed, and the index parameters for evaluating the performance of the system are put forward. According to the existing compressed air energy storage power station, a large compressed air energy storage wind energy system is designed and established, and the appropriate selection is made. The volume of the gas storage chamber and the selection of the main equipment and the setting of the initial test parameters are also carried out. Based on the above work, the system is divided into two parts: the energy storage subsystem and the electronics generation subsystem. Thermodynamic process analysis and modeling of the two subsystems are carried out respectively, and they are simulated by the process simulation software ASPEN PLUS. The main performance parameters of the system are simulated and analyzed. It is concluded that the storage pressure of the energy storage subsystem and the release pressure of compressed air of the power generation subsystem have important effects on the performance and energy conversion coefficient of the system.

Key Words：CAES; renewable energy; wind power; modeling

目录

第1章 绪论 1

1.1 课题背景及意义 1

1.1.1 可再生能源 1

1.1.2风电并网 1

1.2文献综述 2

1.2.1储能技术的发展及优缺点 2

1.2.2压缩空气储能技术国内外发展现状 3

1.3论文研究的目的与内容 4

1.3.1 论文研究的目的和意义 4

1.3.2论文研究的内容 4

第2章 压缩空气储能系统部件模型及性能特点 6

2.1压缩空气储能系统工作原理及组成 6

2.2压缩空气储能系统部件模型 7

2.2.1压气机模型 7

2.2.2透平机模型 8

2.2.3储气室模型 9

2.2.4换热器模型 10

2.3压缩空气储能系统的性能特点 10

2.3.1恒压恒容设计 10

2.3.2储气地质要求 11

2.3.3储气容积选择 11

2.3.4系统性能评价指标 13

第3章 压缩空气储能系统建模及仿真 14

3.1蓄能子系统建模与过程模拟 14

3.1.1蓄能子系统热力过程 14

3.1.2蓄能子系统建模与仿真模拟 15

3.2发电子系统建模与过程模拟 18

3.2.1发电子系统热力过程 18

3.2.2发电子系统建模与仿真模拟 19

第4章 总结 21

参考文献 22

致谢 24

第1章 绪论

1.1 课题背景及意义

1.1.1 可再生能源

在当今能源紧缺和环境污染问题的双重压力下，可再生能源作为一种取之不尽、用之不竭，对环境几乎零污染的新能源，各个国家越来越的重视其发展，发展可再生能源已经逐渐成为各国能源战略的重要规划内容。根据我国《“十三五”能源规划》，“十三五”期间将对能源结构进行重大调整，可再生能源消比例将同比高于15%。其中天然气消费比例力争达到10%，而传统化石能源消费比例降到不到58%^[1]。我国拥有丰富的可再生能源，大力发展可再生能源，对于改善和提高我国能源结构，解决环境污染问题，促进可持续发展发挥着越来越重要的作用。现存可再生能源种类繁多，有水能、太阳能、风能、波浪能、地热能以及生物质能等。但是当前人类可大规模开发和利用的可再生能源主要包括水能、风能和太阳能三种。风能作为清洁能源的重要来源，风能技术无论从技术还是成本方面都是最具优势的。除水力发电外，风电已经成为全球可再生能源发电装机容量最大的技术。

我国幅员辽阔，海岸线较长，风能资源蕴含丰富，具有广阔的发展空间。根据相关统计，我国风能资源可开发量达2.5×10¹¹W，潜在开发量约为7.9×10¹⁰W，可开发的面积约为2×10⁵平方千米^[2]。毫无疑问，未来风力发电将是我国未来能源结构的重要组成。

1.1.2风电并网

风能虽然是一种无穷无尽的可再生能源，但是风力的大小却是随机的波动的，由此会给风力发电带来波动性以及间歇性的缺点。当大规模的风电并网时势必会冲击电网系统，造成安全性与稳定性问题，这样的特性大大限制了风电的并网容量，制约着其大规模发展。除此之外，我国第三产业和居民用电量随着我国社会的发展和人们生活水平的不断提高而越来越大。在用电总量中所占比例不断增加，因为这部分用电昼夜负荷差别较大，使得我国电网负荷峰谷差越来越大。在用电低谷时弃风、弃电，用电高峰时电网负荷过大的现象。电网系统这样的特性造成了很多电能的浪费和经济损失，虽然可以利用局部地区拉闸限电、优化电网控制等措施在一定程度上减小风电不稳定性和波动性给电网带来的安全与稳定问题，但是仍然无法解决弃风现象和经济性问题^[3]。

储能技术能够有效解决风力发电的不稳定性问题、减小电网负荷峰谷差。其运行过程中通过整合不稳定风电，调控电网负荷，从而减小风电并网时对电力系统的冲击。与此同时，储能技术通过在电网负荷低谷时将多余得电能转化为其他形式的能量进行储存、而在电网负荷高峰时将能量释放发电的方式，达到对电网系统“削峰填谷”的目的，大大提高电网系统的稳定性和经济性^[4,5]。

1.2文献综述

1.2.1储能技术的发展及优缺点

储能技术作为能源发展与储存的重要技术，深深影响着新能源和电网稳定性的发展。目前已有的储能技术主要有蓄电池、超级电容、飞轮储能、抽水蓄能和压缩空气储能等^[6-9]。但由于容量、储能周期、能量密度、充放电效率、寿命、运行经济性和环保问题等原因，到目前为止只有抽水蓄能和压缩空气储能两种储能系统在大规模运行。

抽水蓄能技术可以根据电力需求储存或释放能量，其原理是在用电低谷时，水泵消耗多余的电网电能将水从下游水库抽到上游水库，达到将多余电能转化为水的势能进行储存的目的。当用电高峰时，利用储存的水推动水轮机发电，达到释放能量的目的。从而达到“削峰填谷”的目的。抽水储能作为一种完备的储能技术。具有容量大、储能周期长、维护成本低等优势，但是储能过程中机械损耗较大，所以抽水储能的效率比较低。此外抽水储能对地理位置的要求比较高，要求是具有丰富水源和适宜建造高低水库的地区，而一般需要储能的能源富集地区都不具备这样的要求。

相比而言，压缩空气储能系统无地理位置和水源的限制，一般利用地下洞穴或储气罐作为储存空间，适合在无条件修造抽水储能电站且需大规模储能的地区发展。其原理是在电网负荷低谷时利用多余的电能驱动空气压缩机，将多余电能转化成高压空气储存在储气室中；而在用电高峰时，又将储存的高压空气加热释放，与燃料混合燃烧，推动透平机做功发电。对于消耗相同的燃料，由于普通燃气轮机的压气机需消耗约三分之二的透平输出功，因此压缩空气储能系统可以产生的电能是燃气轮机的两倍，大大降低了机组运行成本，且具有对环境零污染、储能规模大、能够长期储存等优点。各种储能形式的比较如表1.1所示^[10-13]：

表1.1不同储能方式比较

1.2.2压缩空气储能技术国内外发展现状

压缩空气储能技术最早是由德国工程师提出的，至今经历了近七十年的发展。世界上第一座压缩空气储能电站是德国不来梅附近的Huntorf电站，它建成于1978年，ABB公司为其设计和制造了额定功率为2.9×10⁸W的设备，至今该储能电站还在正常运行。该压缩空气储能系统的机组压缩机功率为6×10⁷W，释放能量时透平机的输出功率为2.9×10⁸W，其存储容量达5.8×10⁵KWh。压缩空气的储存容器是位于地下600m的矿洞，正常运行期间，储气室的气压变化范围为48~66bar。该系统经过8个小时的压缩空气储能过程，能够满足2个小时的能量释放需求，且系统启动时间只需6min^[14]。

美国亚巴拉马州电力公司在该州南部的Mcintosh建造了1.1×10⁸W的电站，这是世界上第二座压缩空气储能电站，并于1991年开始运行。其容量为2.86×10⁶KWh，使用的是地下深450m的单一废弃岩洞（5.6×10⁵m³）作为储存空间，设计工作气压范围45~75bar，在满功率时该电站能够持续26小时发电^[15]。虽然设备在早期运行过程中出现过停机现象，但经过改进后解决了这些故障因素，之后十年运行期间系统启动的平均可靠性达到了91.2~92.1%，压缩和发电循环的平均运行可靠性分别为99.5%和96.8%^[16]。

此外，美国在俄亥俄州将闲置的石灰岩矿井改造，作为8×10⁸W的压缩空气储能电站的空气储存室，能够提供9.6×10⁶ m³的储存空间，该气室运行气压为55~100bar，且电站功率达2.7×10⁹W，由9台3×10⁸W的燃气轮机组成^[17]。同年日本在北海道空知郡开展压缩空气储能示范项目，利用地下约450m处的废弃煤矿坑储存压缩空气，储气室的设计压力为8MPa，能量释放的额定功率为2×10⁶W，这将是未来日本开发4×10⁸W压缩空气储能电站的试验项目^[15,17]。

除德国、美国、日本外，俄罗斯、意大利、法国以及韩国都在大力开展压缩空气储能技术的研发。

我国在压缩空气储能领域的相关研究开始的比较迟，相关技术的研究比较薄弱。但随着我国可再生能源的发展和储能需求的不断增加，越来越多的高校和科研机构开始重视相关方面的研究。2009年中科院工程热物理所在压缩空气储能领域取得突破性进展，提出并独立研发了超临界压缩空气储能系统，使压缩空气储能技术在我国的发展更进一步。清华大学、中科院理化所与中国电力科学研究院共同创建了带有回热过程的非补燃压缩空气储能技术的研究项目，于2014年11月建成了世界第一台5×10⁵W非补燃压缩空气储能动态模拟系统, 并成功实现了储能发电^[15,18]。该系统将压缩热进行回收，用于加热透平机入口的高压空气，改变了传统压缩空气储能的燃料补燃模式，极大提高了系统的能量转换率和降低了排放。

1.3论文研究的目的与内容

1.3.1 论文研究的目的和意义

随着传统化石能源的日益枯竭，各国对风能、太阳能等可再生能源的开发和利用不断加强。我国作为能源消费大国，用新能源代替传统燃料势必成为今后的发展趋势。风能是清洁能源的重要来源，风能技术无论从技术还是成本方面都是最具有竞争力的。在全球可再生能源结构中，风电是继水电后全球装机容量第二大的可再生能源。然而风力的大小却是随机的波动的，由此会给风力发电带来波动性以及间歇性的缺点。当大规模的风电并网时势必会冲击电网系统，造成安全性与稳定性问题。引入储能技术可以有效解决风电的不稳定性和波动性给电网带来的运行安全与稳定问题。压缩空气储能是当前最具发展潜力的大规模储能技术之一，因此，对压缩空气储存风能进行专题研究对于弥补风电系统波动性和随机性具有重要意义。

1.3.2论文研究的内容

本文的研究内容可以分为四个章节，每个章节的内容如下：

第1章绪论部分通过了解新能源的现况以及风能发电的良好前景，引出了风电大规模并网对电网造成的冲击和不稳定问题，提出以储能方式解决问题的对策。在对现存不同储能方式的工作原理和特性分析后。发现压缩空气储能具有负荷范围广、适应性强、经济性好等优点，是未来大规模储能技术的发展方向。并对压缩空气储能技术国内外发展现状进行了简单的分析。

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