压缩空气储能系统调相运行模式初探

李广阔1,陈来军1,郑天文1,梅生伟1,范越2,卢强1  

(1.电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室(清华大学电机系),北京市 海淀区 100084;2.国网青海省电力公司,青海省 西宁市 810008)

摘要

压缩空气储能是一种大规模物理储能技术,为实现电网负荷削峰填谷、缓解弃风弃光问题提供了崭新的解决思路。同时,未来电网也逐步呈现新能源高占比、“强直弱交”等形态,对储能系统的运行模式和功能特征有了更丰富而具体的要求。提出了压缩空气储能系统调相运行模式,从技术原理、设计思路、性能评估、算例分析等方面探索并验证了压缩空气储能系统调相运行的有效性。所提出的调相运行模式不仅能为电网提供动态无功支撑,而且能通过降低机组启停次数而减少运维量;提出的调相运行模式很好地扩展了系统功能,有望成为压缩空气储能推广应用的重要支撑技术。

关键词 : 压缩空气储能;新能源;调相运行;无功备用

0 引言

规模化开发、集中式并网和大规模跨区输送是中国可再生能源开发利用的主要方式。然而,风、光等可再生能源固有的间歇性、波动性特点使其并网消纳困难,导致弃风、弃光现象严重[1]。此外,电网负荷峰谷差随着电力需求的增长亦有逐步扩大的趋势。大规模储能作为支撑电力系统安全稳定运行、实现削峰填谷、促进可再生能源高效消纳的关键技术,得到能源电力行业的高度关注[2-3]。压缩空气储能系统使用寿命长、存储容量大且对地理条件要求相对较低、成本与抽水蓄能可比拟,是一种极具发展潜力的大规模物理储能方式,有望成为解决弃风/弃光/弃水问题、实现能量大规模时空转移和改善能源结构的最佳选择[4-7]

随着多项特高压直流输电工程相继投运,中国特高压交直流混联电网已初具规模。西北等非水可再生能源汇集区及华东、珠三角等大比例直流受电地区集中出现,使得电网结构和特性发生较大变化。部分地区动态无功补偿能力下降,电压支撑能力不足的问题日益凸显,对电网安全稳定运行造成严重威胁,客观上要求大容量直流输电必须匹配大规模动态无功[8-9]。相比SVC(static var compensator,静止无功补偿器)和STATCOM(static synchronous compensator,静止同步补偿器),同步调相机具有更加优越的性能,特别是其短时过载能力对故障情况下的系统电压有很强的支撑作用。由于运维工作量大及电能损耗高,同步调相机的年运行费用较高。但若将关停的火电机组改造成调相机或充分挖掘大规模储能系统本身具备的调相运行能力[10],则可避免新建专用调相机,从而可降低静态投资,提高经济性。

值得说明的是,压缩空气储能系统的透平发电机组除承担基本调峰任务外还具备为电网提供动态无功支撑的潜力。同时,通过发电模式与调相模式的平滑切换,可避免频繁启停而造成的透平发电机组转子轴系损伤,对延长机组的使用寿命大有裨益。文献[11]对压缩空气储能系统作调相机运行的动态无功补偿能力进行了分析,为本文提供了有益借鉴。然而,压缩空气储能系统是一个多维非线性的热电耦合系统,在调相模式下压缩空气储能系统与电网的相互作用机理尚待厘清。

鉴于此,本文以典型的先进绝热压缩空气储能(advanced adiabatic compressed air energy storage,AACAES)系统为例,首先介绍了压缩空气储能的技术原理;其次给出了调相运行模式的设计思路并对调相运行的可行性进行探讨;然后结合算例对所提方案的合理性进行验证;最后根据实际需求背景和未来电网的发展趋势,展望了压缩空气储能系统调相运行模式的应用前景。

1 AA-CAES技术原理

AA-CAES是一种通过导热油、熔融盐等高效储热介质回收利用压缩热能,从而摒弃天然气补燃环节的物理储能技术。为实现大规模储能的目的,储气库一般选用盐穴、多孔岩、含水层等天然储气空间或具有较高耐压强度且技术成熟度高的管线钢等[12]。AACAES的原理示意图如图1所示。

图1 AA-CAES原理示意图
Fig.1 Schematic diagram of AA-CAES

AA-CAES典型运行方式主要包括压缩储能和释能发电两种模式。储能时,利用弃风电、弃光电、低谷电等驱动压缩机,同时采用储热子系统回收压缩热,实现解耦存储压缩热能和高压空气势能;释能时,通过储热子系统预热透平的进气温度,经绝热膨胀实现压缩热能和高压空气势能的耦合释能发电[13]。总之,AA-CAES储能环节采用多级压缩、级间换热的方式减少压缩机功耗,释能环节采用多级膨胀、级间再热的方式提高透平发电机的做功能力。而为保证透平发电机组输出功率稳定,需要将从储气库中排出的高压空气经节流装置降低至稳定压力(通常为储气库最低压力)后再进入膨胀机。

由于储热子系统的存在,AA-CAES完全摆脱了对天然气的依赖,符合中国清洁低碳的能源发展路线,但上述运行方式仍存在以下两方面的主要问题:

(1)发电机利用小时数低。目前压缩空气储能系统主要用于电网调峰,以每天发电4小时计算,发电机的年利用小时数仅为1460小时,远低于燃气轮机的年利用小时数。

(2)AA-CAES透平发电机组在日常启停过程中易发生振动。由于透平发电机组存在固有的自振频率,如果转子转速与自振频率接近,则易产生扭转振动。同时,由于自振频率通常落在次同步频段,在透平的启停过程中,工作转速难以避免穿过临界转速。

图2为某一透平发电机组的启动特性曲线,包含升速过程和加载过程。首先,透平发电机组在高压空气的冲转下按照400 r/min的升速率,经7.5 min达到同步转速,当满足同期条件时压缩空气储能系统接入电网。随后机组按照6%/min的爬坡率经16.67 min达到额定负载。整个启动过程耗时约24 min。其中,在升速过程会穿过透平发电机组的几个固有共振频率,容易引发转子振动。

图2 透平发电机组的启动特性曲线
Fig.2 Starting characteristic curve of turbo-generator

2 调相运行模式设计

2.1 设计思路

透平发电机组即使在调峰时段也可起到支撑电网电压的作用,但受有功电流的限制,机组的无功调节能力十分有限。AA-CAES停机期间不能为电网提供服务,故也不产生任何经济效益。如果考虑调峰任务完成后不停机而使透平发电机作调相机运行,一方面可以充分利用发电机的容量,挖掘机组电压支撑潜力;另一方面,机组始终运行在同步转速作为旋转备用,可以实现调相模式和发电模式的灵活切换。此外,调相模式和发电模式的无缝衔接可避免频繁启停穿过共振区给机组带来的潜在损伤。

由于CAES系统目前主要用于电力系统调峰,其次才考虑提供调相等辅助服务,设计系统运行方式时应根据电网日负荷曲线合理安排发电和调相计划。图3为某地区夏季典型日负荷曲线。

图3 夏季典型日负荷曲线
Fig.3 Summer typical daily load curve

从图3中可以看出,负荷低谷时段出现在夜间及凌晨,两个用电高峰时段为9:00~13:00和19:00~22:00,负荷最大峰谷差超过40%。为充分发挥压缩空气储能系统的作用,根据负荷曲线设计如图4所示的系统运行模式。

如图4所示,在0:00~8:00时段利用低谷电驱动压缩机,解耦存储压缩热能和高压空气势能。在压缩储能的同时,透平发电机组运行于调相模式。在9:00~13:00时段的用电高峰,AA-CAES由调相模式切换至发电模式,依据电力调度指令,按照一定的调节速率实时调整有功出力。当调峰任务完成后,AACAES再由发电模式切换至调相模式,为电网提供动态无功支撑。

图4 AA-CAES系统运行模式示意
Fig.4 Operating modes of AA-CAES system

由以上分析可知,在AA-CAES一个完整的工作周期内,引入调相模式不仅可以实现全天候多模式运行,丰富AA-CAES的功能,而且通过调相模式和发电模式的两次切换即可避免机组的一个启停循环,对透平发电机组的转子轴系也可起到很好的保护作用。

2.2 可行性分析

AA-CAES运行于压缩—调相模式时,压缩机排出的高温高压空气经过换热器冷却后,除少量用于直接驱动透平发电机组使其稳态运行于有功出力下限外,大部分高压空气进入储气库进行存储,该时段空气流向如图5(a)所示。压缩储能过程完成后,关闭储气库的进气阀,调相运行所需的气量由储气库供给。当用电高峰来临时,按照预设的爬坡率逐渐增大透平的进气量使发电机有功出力跟随电网峰荷的变化,实现调相模式到发电模式的切换。当调峰任务完成后,逐渐减小透平的进气量至透平发电机组稳态运行的有功出力下限,实现发电模式到调相模式的切换。

由于AA-CAES采用换热后的高压空气直接驱动透平发电机组,机组的最小有功出力下限接近机组的空载损耗,少量多余电能可供给厂用负荷或馈入电网,因而本文提出的调相模式采用高压空气直接驱动透平发电机组的方案具有技术上的可行性。

AA-CAES的有功调节能力受系统动态特性、发电机的功率上下限、储气库压力范围、储热系统的储热量等诸多因素的制约,而其无功调节能力仅受励磁系统、定转子电流及端部发热限制,通过励磁控制即可灵活调节节点电压及注入系统的无功功率。

图5 各运行模式下空气流向图
Fig.5 Air flow direction in each operation mode

3 性能分析

3.1 无功调节能力

对于同步发电机而言,增发有功功率会增强去磁作用使端电压降低,自动电压调节器(automatic voltage regulator,AVR)增加励磁首先要弥补增发有功产生的励磁缺额,故而带载运行时AVR的无功调节能力被大大削弱。调相运行模式下,发电机和励磁系统的容量得以完全释放,可充分发挥机组无功调节的潜力。

AA-CAES无功调节功能通过透平发电机组的自动电压调节器实现,调相运行的目的是在电网出现电压异常事件时维持机端电压稳定,改善系统的暂态性能。AA-CAES的无功补偿性能与SVC等静止无功补偿设备有较大区别[14],图6对比了AA-CAES和SVC的无功补偿能力。

图6 AA-CAES与SVC无功补偿效果对比
Fig.6 Reactive power compensation effect comparison of AA-CAES and SVC

从图6中可以看出,SVC基本不具备过载能力,主要原因是SVC为并联设备,其无功调节能力取决于注入系统的无功电流。SVC由晶闸管控制电抗器(thyristor controlled reactor,TCR)、晶闸管投切电容器(thyristor switched capacitor,TSC)等构成,而晶闸管为电力电子器件,基本不具有长时间过流能力。AA-CAES调相运行在过励状态时具备发出1.5倍额定无功持续30 s和发出2.5倍额定无功持续10 s的过载能力,在故障恢复期间励磁系统通过强励可为系统提供大量无功,协助系统电压恢复。由于端部发热及稳定性限制,调相运行在欠励状态时,进相运行深度约为50%~60%额定容量。

3.2 寿命损耗

作为调峰机组,转子轴系的机械疲劳是影响透平发电机组寿命的重要因素,因而有必要对转子轴系的疲劳损伤进行评估以便合理安排检修计划。等效运行小时(Equivalent Operating Hours,EOH)将实际运行时间、启停次数及甩负荷等影响透平发电机组寿命的因数进行加权,综合考虑各种运行工况对机组寿命的影响[15],可为合理制定机组的检修计划提供依据。等效运行小时的计算公式为

式中,AOH为发电机实际运行小时数,由于调相模式对转子轴系机械应力的影响较小,计算时将调相运行时间乘以系数0.3折算为发电运行时间;A为启停一次的等效运行时间,启停过程应力及温度变化对寿命影响很大,计算时取一次启停消耗寿命20小时;E为机组等效启停次数,包括正常启停次数、甩负荷等效启停次数和紧急停机等效启停次数。计算采用三菱公司给出的数据[16]:满载甩负荷相当于6次正常启停,80%负载甩负荷相当于5次正常启停,满负荷紧急停机相当于10次正常启停。EOH越大表示轴系的疲劳损耗损伤越大,对机组寿命的影响越大。当EOH达到预设的数值时,则需要停机检修。

3.3 储气库内温度及压力变化

储气库内空气的温度、压力等热力学性质决定储气库的稳定性,并直接影响压缩和膨胀过程,因而需研究引入调相模式对储气库内空气的温度和压力的影响。热力学分析基于如下假设:

(1)空气满足理想气体状态方程;

(2)储气库采用定容绝热模型,即不考虑空气与储气库壁面及外部环境的换热;

(3)膨胀环节储气库排出的气体经节流阀后温度和压强保持不变。

假定储气空间体积为V,储气库内空气压力为温度为质量为m,储气库的进气温度为排气温度为储气库容许的最低压力为最高压力为pmax,压缩机进气流量为qc、透平排气流量为qe

储气库内空气质量的变化可由如下微分方程描述

式中,qe1对应发电模式透平的排气量;qe2对应调相模式透平的排气量。

若储气库内空气初始压力为pcav0,初始温度为Tcav0,则由理想气体状态方程可得储气库内空气的初始质量为

故储气库内空气的质量随时间的变化关系为

对于定容绝热模型,储气库内空气的温度和压力在压缩和膨胀阶段时刻发生变化,假定储气库内温度和压力均匀分布,则储气库内空气的温度变化量为[18]

式中,k=cp/cv表示理想双原子气体的绝热系数,一般可设为常数。

当储气库内空气的温度及质量确定后即可根据理想气体状态方程算出储气库内空气的压力。

4 算例分析

假设储气库的容积为8×104m3,储气库工作压力区间为4.5 MPa~7 MPa,储气库初始温度为45 ℃;压缩机进气流量71.3 kg/s,发电时透平排气流量142.6 kg/s,调相模式透平的排气量取为发电模式的2%(仅考虑空载损耗)。经节流后透平进气压力为4.5 MPa,发电机额定容量为60 MVA,励磁系统和TCR+TSC型SVC的具体参数见文献[19],AA-CAES系统经10 km输电线路接入110 kV电网。图7给出了并网点近区三相接地短路时调相运行的无功补偿效果。

图7 AA-CAES和SVC无功补偿效果对比
Fig.7 Comparison of reactive power compensation effect between AA-CAES and SVC

从图7可以看出,在相同故障的条件下,采用SVC进行无功补偿PCC(point of common coupling)点电压跌至0.8 pu,而同容量的AA-CAES系统调相运行时,电压最大跌落至0.834 pu,调相运行表现出更好的瞬态特性。原因是励磁系统具有一定的强励和过载能力,在故障瞬间可以向电网注入更多无功。

图8给出了系统实际运行一年后传统运行模式与本文运行模式等效运行小时的计算结果。计算的依据为每日发电运行4小时,调相运行20小时;一年中满负载甩负荷2次,80%负载甩负荷3次,满负荷紧急停机1次,并假定各事件等概率分布在一年中的任意时段。从图8可以看出,由于避免了日常启停过程大大降低了等效运行小时数,故引入调相模式可有效减小机组的运维量。

图8 等效运行时间对比
Fig.8 Comparison of equivalent operating hours

图9给出了一天24小时时段,压缩储能和释能发电的时间不变,引入调相模式后储气库内空气温度和压力的变化曲线。从该图可以看出,在原设计工况下增加调相功能,一天的运行周期结束后,储气库内空气的压力由4.5 MPa减小至4.36 MPa(仅降低了3.5%),温度由45 ℃降低至44.43 ℃(仅降低了1.3%)。说明AA-CAES长达20小时的调相运行仅需付出很小的代价即可实现。

5 总结与展望

本文分析了压缩空气储能系统调相运行模式,从技术原理、设计思路、性能评估、算例分析以及典型应用场景等方面探索并验证了压缩空气储能系统调相运行的有效性。需要指出的是,实现AA-CAES调相运行的工程应用,尚有不少技术难题需深入研究,如引入调相运行模式后如何对储能系统的经济性进行评价,如何进行气门和励磁的协调控制等。鉴于电力系统对大容量调相机的实际需求及AA-CAES调相运行的巨大潜力,未来AA-CAES将在新能源汇集近区和多直流馈入的受端系统等应用场合发挥重要作用。

图9 储气库压力及温度变化曲线
Fig.9 Pressure and temperature change of air storage

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Preliminary Investigation on Operation Mode of Compressed Air Energy Storage System as Synchronous Condenser

LI Guang-kuo1, CHEN Lai-jun1, ZHENG Tian-wen1, MEI Sheng-wei1, FAN Yue2, LU Qiang1
(1. State Key Lab of Control and Simulation of Power Systems and Generation Equipments(Department of Electrical Engineering, Tsinghua University), Haidian District, Beijing 100084, China;2. State Grid Qinghai Electrical Power Company, Xining 810008, Qinghai Province, China)

Abstract:Compressed air energy storage (CAES) is a large scale physical energy storage technology, which provides a new solution for peak cutting and valley filling of power load,and mitigates the problem of renewable energy curtailment.Meanwhile, the power grid will gradually present new forms of higher proportion of renewable energy and ‘strong DC weak AC’. This has more abundant and specific requirements for the operating modes and functional characteristics of energy storage systems. The condenser operation mode was proposed. The effectiveness of the condenser operation of CAES system was explored and verified from the aspects of technical principles,design ideas, performance evaluation, calculation examples.The proposed condenser operation mode can not only provide dynamic reactive power support for the power grid, but also can reduce the maintenance work for reducing the frequent start and stop of turbo-generator units. The condenser operation mode expands system function well and is expected to become an important technical feature of CAES system.

Keywords:compressed air energy storage(CAES); renewable energy; condenser operation; reactive power reserve


李广阔

作者简介:

李广阔(1990),男,博士研究生,主要研究方向为电力系统分析与控制、大规模储能技术。E-mail:lgk16@mails.tsinghua.edu.cn。

陈来军(1984),男,博士,清华大学副教授,主要研究方向为新能源发电运行控制、压缩空气储能和综合能源系统等。E-mail:chenlaijun@tsinghua.edu.cn。

郑天文(1987),博士,丹麦奥尔堡大学访问学者,清华四川能源互联网研究院压缩空气储能及能源高效利用研究中心副主任,主要研究方向为压缩空气储能、分布式发电与微电网、虚拟同步机技术等。E-mail:tianwenscu@163.com。

(责任编辑 张宇)

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