收稿日期：2021-12-14

基金項(xiàng)目：貴州省科技支撐計(jì)劃（黔科合支撐[2020]2Y064）；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2017YFB0903600）

通信作者：文賢馗（1972—），男，碩士、教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)、源網(wǎng)協(xié)調(diào)等方面的研究。13985410224@139.com

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1529 文章編號(hào)：0254-0096（2023）04-0283-07

摘 要：針對(duì)先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能（advanced adiabatic compressed air energy storage， AA-CAES）系統(tǒng)釋能發(fā)電階段儲(chǔ)熱或儲(chǔ)氣能量不足時(shí)，膨脹發(fā)電機(jī)組將被迫突發(fā)停機(jī)，負(fù)荷突降會(huì)對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性造成沖擊的問(wèn)題，提出AA-CAES系統(tǒng)釋能發(fā)電階段安全減出力控制的控制策略，同時(shí)基于10 MW AA-CAES系統(tǒng)建立安全減出力控制仿真回路，探討降負(fù)荷速率、蓄熱罐水位限定值等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)AA-CAES系統(tǒng)發(fā)電過(guò)程的影響。仿真結(jié)果表明，投入安全減出力控制回路能夠有效延長(zhǎng)AA-CAES系統(tǒng)釋能發(fā)電時(shí)間，為電網(wǎng)提供應(yīng)急安全時(shí)間，能有效緩解突減負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)的沖擊，具有廣闊的推廣應(yīng)用空間。

關(guān)鍵詞：壓縮空氣儲(chǔ)能；釋能發(fā)電；減出力；控制策略

中圖分類(lèi)號(hào)：TK39；TM61" """"""""""""""""""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

近年來(lái)，中國(guó)能源利用清潔低碳化進(jìn)程不斷加快，新能源發(fā)電規(guī)模越來(lái)越大，同時(shí)新能源發(fā)電間歇性、波動(dòng)性問(wèn)題也日益突出［1-3］。大規(guī)模清潔電力儲(chǔ)能技術(shù)是解決上述問(wèn)題的有效途徑之一，同時(shí)還能夠提高輸電通道平均利用率、削峰填谷及實(shí)現(xiàn)可再生能源多能流形式綜合消納［4］。而壓縮空氣儲(chǔ)能（compressed air energy storage， CAES）系統(tǒng)具有儲(chǔ)能容量大、污染小、具備轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、存儲(chǔ)周期長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最具發(fā)展前景的大規(guī)模清潔電力儲(chǔ)能技術(shù)之一，因而受到廣泛關(guān)注［5-6］。

自從1949年Stal Laval提出利用地下洞穴實(shí)現(xiàn)壓縮空氣儲(chǔ)能以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究和實(shí)踐，建立了多個(gè)應(yīng)用CAES技術(shù)的商業(yè)儲(chǔ)能電站和示范工程［6-7］。其中，國(guó)外Huntorf電站和McIntosh電站已投入商業(yè)運(yùn)行［7］；國(guó)內(nèi)首家CAES商業(yè)電站——山東肥城50 MW先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能電站于2021年9月正式并網(wǎng)發(fā)電投入商業(yè)運(yùn)行［8］；江蘇金壇60 MW鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能發(fā)電系統(tǒng)國(guó)家示范項(xiàng)目于9月30日并網(wǎng)試驗(yàn)成功［9］。目前，CAES技術(shù)在發(fā)電側(cè)的應(yīng)用研究主要在調(diào)峰調(diào)頻、基于CAES技術(shù)的綜合儲(chǔ)能系統(tǒng)的源網(wǎng)耦合等方面，對(duì)于CAES系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的安全控制方面的研究很少。文獻(xiàn)［10］基于風(fēng)力發(fā)電的隨機(jī)性與先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能（advanced adiabatic compressed air energy storage， AA-CAES）電站的運(yùn)行特性構(gòu)建了AA-CAES電站運(yùn)行與風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電功率模型，并采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃法優(yōu)化AA-CAES電站的壓縮/膨脹功率。文獻(xiàn)［11］基于AA-CAES系統(tǒng)釋能階段的動(dòng)態(tài)特性建立并網(wǎng)調(diào)速系統(tǒng)的控制模型并優(yōu)化控制策略。文獻(xiàn)［12］提出一種AA-CAES膨脹發(fā)電機(jī)甩負(fù)荷防超速策略，在膨脹機(jī)組級(jí)間增加隔斷閥，有效防止了轉(zhuǎn)速飆升。文獻(xiàn)［13］提出一種基于功率平抑的風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)控制策略并仿真驗(yàn)證了其可行性。文獻(xiàn)［14］基于AA-CAES電站的多能聯(lián)供特性構(gòu)建了冷熱電多能流聯(lián)合調(diào)度約束模型。

針對(duì)AA-CAES系統(tǒng)釋能階段膨脹發(fā)電機(jī)組突發(fā)停機(jī)對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性造成沖擊的問(wèn)題，本文提出AA-CAES系統(tǒng)釋能發(fā)電階段安全減出力的控制策略，進(jìn)而基于10 MW AA-CAES系統(tǒng)建立安全減出力控制模型，通過(guò)仿真驗(yàn)證控制策略的可行性和控制模型參數(shù)的耦合關(guān)系。

1 壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)

1.1 先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)

先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)包括儲(chǔ)能耗電系統(tǒng)和膨脹發(fā)電系統(tǒng)。儲(chǔ)能階段，電動(dòng)機(jī)消耗電力帶動(dòng)多級(jí)壓縮機(jī)工作，空氣經(jīng)壓縮機(jī)壓縮成高溫高壓空氣輸入儲(chǔ)氣罐中儲(chǔ)存，換熱器回收壓縮空氣的壓縮熱并儲(chǔ)存在蓄熱罐。膨脹釋能階段，儲(chǔ)氣罐中的高壓空氣流出，經(jīng)換熱器加熱后進(jìn)入多級(jí)膨脹機(jī)做功，膨脹機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)工作，通過(guò)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)膨脹機(jī)進(jìn)氣量來(lái)調(diào)節(jié)膨脹發(fā)電機(jī)組輸出功率［15］。

本文基于APROS軟件，建立10 MW AA-CAES膨脹發(fā)電系統(tǒng)仿真模型，仿真模型如圖1所示。模型包括儲(chǔ)氣罐、多級(jí)膨脹機(jī)、換熱器、蓄熱罐、發(fā)電機(jī)等部件，采用四級(jí)膨脹機(jī)同軸布置，級(jí)間有再熱循環(huán)。

1.2 數(shù)學(xué)模型

1.2.1 膨脹機(jī)

對(duì)于膨脹機(jī)，空氣的膨脹過(guò)程一般視為多變過(guò)程，膨脹機(jī)的輸出功率［16］為：

[Wi=kk-1mRgTiniηi1-β1-kki，" "i=1，2，…，M]"""""" （1）

式中：[Wi]——膨脹機(jī)輸出功率，W；[k]——空氣多變指數(shù)；[m]——空氣質(zhì)量流量，kg/s；[Rg]——空氣氣體常數(shù)，286.7 J/（kg?K）；[Tini]——[i]級(jí)膨脹機(jī)進(jìn)氣溫度，K；[ηi]——[i]級(jí)膨脹機(jī)絕熱效率；[βi]——[i]級(jí)膨脹機(jī)的膨脹比；[i]——膨脹機(jī)級(jí)數(shù)。

1.2.2 換熱器

AA-CAES發(fā)電系統(tǒng)中，換熱器與膨脹機(jī)相間串聯(lián)布置，空氣流入換熱器后與管壁的換熱量［11］為：

[Qh=AhTh-Tw/δ/2Kw+1/αh]"""" （2）

換熱介質(zhì)與管壁換熱量為：

[Qc=AcTc-Tw/δ/2Kw+1/αc]""""" （3）

式中：[Ac、Ah]——內(nèi)外管壁面積，m2；[Th]——管壁內(nèi)空氣溫度，K；[Tw]——管壁平均溫度，K；[δ]——管壁厚度，m；[Kw]——管壁導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m?K）；[αc、αh]——內(nèi)外管壁換熱系數(shù)，W/（m2?K）；[Tc]——換熱介質(zhì)平均溫度，K。

1.2.3 儲(chǔ)氣罐

釋能階段，儲(chǔ)氣罐的放氣過(guò)程是多變過(guò)程，根據(jù)質(zhì)量和能量平衡方程可得放氣過(guò)程中儲(chǔ)氣罐內(nèi)氣體狀態(tài)變化［17］：

儲(chǔ)氣罐內(nèi)氣體溫度隨時(shí)間的變化：

[dTacdt=Tacmk-1dmdt-1mcvhaATac-Ta]""""" （4）

式中：[Tac]——儲(chǔ)氣罐內(nèi)氣體溫度，K；[t]——發(fā)電時(shí)間，s；[m]——儲(chǔ)氣罐內(nèi)氣體質(zhì)量，kg；[k]——空氣多變指數(shù)；[cv]——空氣定容比熱容，J/（kg·K）；[ha]——儲(chǔ)氣罐內(nèi)對(duì)流換熱系數(shù)，W/（m2?K）；[A]——儲(chǔ)氣罐內(nèi)表面積，m2；[Ta]——儲(chǔ)氣罐壁面溫度，K。

儲(chǔ)氣罐內(nèi)氣體壓力隨時(shí)間變化：

[dpdt=RgVcvdmdtcpTac-haATac-Ta]"""" （5）

式中：[p]——儲(chǔ)氣罐內(nèi)氣體壓力，Pa；[Rg]——空氣的氣體常數(shù)，J/（kg·K）；[V]——儲(chǔ)氣罐容積，m3；[cp]——空氣定壓比熱容，J/（kg·K）。

1.2.4 調(diào)節(jié)閥

節(jié)流閥流量方程［18］為：

[ms=εCsfμρΔp]""""" （6）

式中：[ms]——節(jié)流閥出口空氣流量，kg/s；[ε]——流體壓縮系數(shù)；[Cs]——閥門(mén)導(dǎo)納；[fμ]——節(jié)流閥特性函數(shù)；[ρ]——節(jié)流閥入口空氣密度，kg/m3。

1.3 模型驗(yàn)證

10 MW AA-CAES系統(tǒng)膨脹發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)［11］如表1所示。將該模型在額定工況下進(jìn)行仿真，各級(jí)膨脹機(jī)額定參數(shù)如表2所示。經(jīng)仿真驗(yàn)證，本模型額定工況下總機(jī)械功率為10.37 MW、發(fā)電功率為10 MW，運(yùn)行參數(shù)與設(shè)計(jì)值誤差小于0.2%，模型精確可靠。

2 安全減出力控制策略

AA-CAES系統(tǒng)膨脹發(fā)電機(jī)組突發(fā)停機(jī)的主要原因有儲(chǔ)氣或儲(chǔ)熱能量不足導(dǎo)致膨脹發(fā)電機(jī)組不滿足安全運(yùn)行條件等。在AA-CAES系統(tǒng)中，儲(chǔ)氣罐的儲(chǔ)氣是在耗電儲(chǔ)能階段壓縮儲(chǔ)存的高壓空氣，而蓄熱罐的儲(chǔ)熱能量來(lái)源于空氣壓縮產(chǎn)生的壓縮熱，二者在釋能發(fā)電階段均是有限的，且儲(chǔ)氣、儲(chǔ)熱能量任一不足都會(huì)導(dǎo)致膨脹發(fā)電機(jī)組停機(jī)。其中，儲(chǔ)氣罐內(nèi)的溫度參數(shù)和蓄熱罐的液位參數(shù)會(huì)分別隨儲(chǔ)氣能量和儲(chǔ)熱能量的流出而單調(diào)線性下降。因此，本文分別選取儲(chǔ)氣罐溫度、蓄熱罐水位為約束參數(shù)，分別表征儲(chǔ)氣能量、儲(chǔ)熱能量，建立安全減出力控制模塊。

安全減出力控制模塊控制策略如圖2所示。安全減出力控制模塊包括儲(chǔ)氣罐溫度低控制模塊和蓄熱罐水位低控制模塊，兩個(gè)控制模塊并聯(lián)。當(dāng)儲(chǔ)氣罐溫度或蓄熱罐水位觸發(fā)降負(fù)荷條件，安全減出力控制模塊將輸出降負(fù)荷指令，由協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)以允許的速率將負(fù)荷快速降低到安全應(yīng)急功率，進(jìn)入安全應(yīng)急時(shí)段，電網(wǎng)和電站運(yùn)行人員將在此期間進(jìn)行必要操作，為停機(jī)做好準(zhǔn)備；當(dāng)儲(chǔ)氣罐溫度或蓄熱罐水位觸發(fā)停機(jī)條件，安全減出力控制模塊將輸出停機(jī)指令，膨脹發(fā)電機(jī)組自動(dòng)停機(jī)。本文安全應(yīng)急功率暫定為2 MW。

3 儲(chǔ)氣罐溫度低控制模塊

3.1 控制回路設(shè)計(jì)

儲(chǔ)氣罐內(nèi)的儲(chǔ)氣能量有限，且釋能階段儲(chǔ)氣罐內(nèi)空氣溫度會(huì)隨儲(chǔ)氣能量流出呈單調(diào)線性下降。儲(chǔ)氣罐放氣過(guò)程中，忽略散熱損失，儲(chǔ)氣罐溫度隨時(shí)間變化如式（7）所示：

[dTacdt=Tacmk-1dmdt]" （7）

式中：[Tac]——儲(chǔ)氣罐內(nèi)空氣溫度，K；[t]——發(fā)電時(shí)間，s；[m]——儲(chǔ)氣罐流出空氣流量，kg/s。

儲(chǔ)氣罐溫度低減出力控制仿真回路如圖3所示，該控制回路的約束參數(shù)是儲(chǔ)氣罐溫度。儲(chǔ)氣罐溫度停機(jī)值的選取原則為：考慮壓縮空氣從儲(chǔ)氣罐到第一級(jí)換熱器進(jìn)口的溫降后，壓縮空氣溫度不應(yīng)低于儲(chǔ)氣罐、換熱器及其相關(guān)管材的最低允許工作溫度。儲(chǔ)氣罐溫度降負(fù)荷值的選取原則為：根據(jù)電網(wǎng)允許降負(fù)荷速度和電站運(yùn)行人員應(yīng)對(duì)停機(jī)所需準(zhǔn)備時(shí)間，根據(jù)儲(chǔ)氣罐溫度停機(jī)值推得。基于10 MW AA-CAES發(fā)電系統(tǒng)，通過(guò)大量測(cè)試和分析，儲(chǔ)氣罐溫度降負(fù)荷值和停機(jī)值分別設(shè)為10和5 ℃為宜，降負(fù)荷目標(biāo)設(shè)置為2 MW。

3.2 仿真分析

在額定工況下，投入儲(chǔ)氣罐溫度低控制仿真回路進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如表3所示。從表3可知，投入儲(chǔ)氣罐溫度低控制回路后，AA-CAES系統(tǒng)有效發(fā)電時(shí)長(zhǎng)雖有所減少，但提供了降負(fù)荷及停機(jī)報(bào)警時(shí)段，在停機(jī)前提供了37 min的2 MW安全應(yīng)急運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)，為電網(wǎng)提供了較長(zhǎng)的應(yīng)急安全時(shí)間，能有效緩解負(fù)荷突降對(duì)電網(wǎng)的沖擊。

4 蓄熱罐水位低控制模塊

4.1 控制回路設(shè)計(jì)

釋能發(fā)電階段，蓄熱罐內(nèi)的儲(chǔ)熱能量有限，蓄熱罐水位[H]會(huì)隨儲(chǔ)熱能量流出而下降，其與蓄熱罐儲(chǔ)存熱量[Q]的關(guān)系為：

[Q=H×S×ρ×h] （8）

式中：[Q]——蓄熱罐剩余熱量，kJ；[H]——蓄熱罐水位，m；[S]——蓄熱罐底面積，m2；[ρ]——蓄熱罐內(nèi)換熱工質(zhì)的密度，kg/m3；[h]——蓄熱罐內(nèi)換熱工質(zhì)的焓值，kJ/kg。

蓄熱罐水位低減出力控制仿真回路如圖4所示，該控制回路選取蓄熱罐水位為約束參數(shù)。蓄熱罐水位停機(jī)值的選取原則為：蓄熱罐水位不應(yīng)低于供熱水泵的汽蝕余量，并應(yīng)當(dāng)為膨脹發(fā)電機(jī)組下次啟動(dòng)預(yù)留蓄熱。蓄熱罐水位降負(fù)荷

值的選取原則為：根據(jù)電網(wǎng)允許的降負(fù)荷速度和應(yīng)對(duì)AA-CAES機(jī)組停機(jī)所需準(zhǔn)備時(shí)間由停機(jī)參數(shù)推得。本文中，蓄熱罐水位低控制模塊的降負(fù)荷值和停機(jī)值初設(shè)為1.5和1.0 m，降負(fù)荷目標(biāo)負(fù)荷設(shè)置為2 MW。

4.2 仿真分析

在額定工況下，投入蓄熱罐水位低控制仿真回路進(jìn)行仿真測(cè)試，有/無(wú)本回路的AA-CAES系統(tǒng)全發(fā)電過(guò)程對(duì)比如表4所示。從表4可看出，相比于未投入蓄熱罐水位低控制回路的全發(fā)電過(guò)程，投入該控制回路后，雖然有效發(fā)電時(shí)長(zhǎng)有所減少，但提供了降負(fù)荷及停機(jī)報(bào)警時(shí)段，在停機(jī)前提供了40 min的2 MW安全應(yīng)急運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)，能有效緩解負(fù)荷突降對(duì)電網(wǎng)的沖擊。

4.3 關(guān)鍵參數(shù)對(duì)發(fā)電過(guò)程的影響

AA-CAES系統(tǒng)發(fā)電過(guò)程中，儲(chǔ)氣罐內(nèi)的儲(chǔ)氣能量和蓄熱罐內(nèi)的儲(chǔ)熱能量均有限，安全減出力控制模塊關(guān)鍵參數(shù)的優(yōu)化設(shè)置能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)有限儲(chǔ)氣、儲(chǔ)熱能量的有效利用。其中，降負(fù)荷速率不同，降負(fù)荷過(guò)程中需要的加熱強(qiáng)度和儲(chǔ)熱消耗也不同，同時(shí)不同的降負(fù)荷設(shè)定值和停機(jī)設(shè)定值會(huì)影響發(fā)電過(guò)程中有效發(fā)電時(shí)長(zhǎng)和安全應(yīng)急時(shí)長(zhǎng)。因此，降負(fù)荷設(shè)定值-停機(jī)設(shè)定值-降負(fù)荷速率時(shí)間存在耦合關(guān)系。

基于4.2節(jié)仿真結(jié)果，以蓄熱罐水位低控制回路為例，利用控制變量法比較低一值（降負(fù)荷設(shè)定值）、低二值（停機(jī)設(shè)定值）和降負(fù)荷速率對(duì)AA-CAES系統(tǒng)發(fā)電過(guò)程的影響，以便為實(shí)際應(yīng)用提供參考。

4.3.1 降負(fù)荷速率

選取降負(fù)荷速率為變量，分析不同降負(fù)荷速率（15.30%/min、13.02%/min、10.67%/min、7.22%/min）條件下AA-CAES系統(tǒng)發(fā)電過(guò)程，其發(fā)電功率對(duì)比結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，隨著降負(fù)荷速率的減小，AA-CAES發(fā)電系統(tǒng)有效發(fā)電階段的時(shí)長(zhǎng)和儲(chǔ)熱消耗基本不變；安全應(yīng)急階段，儲(chǔ)熱消耗一定，降負(fù)荷過(guò)程（降負(fù)荷報(bào)警時(shí)長(zhǎng)）隨降負(fù)荷速率的減小而增長(zhǎng)，且降負(fù)荷過(guò)程的加熱強(qiáng)度遠(yuǎn)大于目標(biāo)負(fù)荷（2 MW）穩(wěn)定運(yùn)行過(guò)程，目標(biāo)負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)減少。因此，降負(fù)荷和停機(jī)限定值一定，不同的降負(fù)荷速率會(huì)影響安全應(yīng)急階段的發(fā)電時(shí)長(zhǎng)，降負(fù)荷速率越小，安全應(yīng)急時(shí)長(zhǎng)越短。

4.3.2 蓄熱罐水位降負(fù)荷限定值

選取蓄熱罐水位低控制回路低一值即降負(fù)荷限定值H1為變量（1.3、1.5、1.7、1.9 m）進(jìn)行對(duì)比，分析不同低一值對(duì)AA-CAES系統(tǒng)全發(fā)電過(guò)程的影響，發(fā)電功率對(duì)比結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，低一值增大，蓄熱罐在有效發(fā)電階段提供的儲(chǔ)熱能量減小，安全應(yīng)急階段提供的儲(chǔ)熱能量增加，但各階段加熱強(qiáng)度不變，且安全應(yīng)急階段加熱強(qiáng)度遠(yuǎn)小于有效發(fā)電階段。因此在總儲(chǔ)熱能量一定（低二值不變）條件下，隨著低一值的增大，有效發(fā)電時(shí)長(zhǎng)減小，安全應(yīng)急時(shí)長(zhǎng)快速增加，累計(jì)發(fā)電時(shí)長(zhǎng)增加。

4.3.3 蓄熱罐水位停機(jī)限定值

選取蓄熱罐水位低二值即停機(jī)限定值H2為變量（1.2、1.0、0.9、0.8、0.6 m）進(jìn)行對(duì)比（熱水泵的最低水位允許值為0.4 m），分析不同低二值對(duì)AA-CAES系統(tǒng)全發(fā)電過(guò)程的影響，發(fā)電功率對(duì)比結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，低二值減小，蓄熱罐在有效發(fā)電階段提供的儲(chǔ)熱能量不變，安全應(yīng)急階段提供的儲(chǔ)熱能量增加，總的可用儲(chǔ)熱能量增加，總的儲(chǔ)熱能量不變（總的儲(chǔ)熱能量增加，各階段加熱強(qiáng)度不變）。因此隨著低二值的減小，有效發(fā)電時(shí)長(zhǎng)基本不變，安全應(yīng)急時(shí)長(zhǎng)快速增加，累計(jì)發(fā)電時(shí)長(zhǎng)增加。

shut-down limit values

基于建立的10 MW AA-CAES發(fā)電系統(tǒng)仿真模型，考慮供熱水泵的汽蝕余量（最低工作水位0.4 m）并為膨脹發(fā)電機(jī)組下次啟動(dòng)預(yù)留蓄熱，將低二值定為0.6 m；根據(jù)仿真分析，當(dāng)安全應(yīng)急時(shí)長(zhǎng)大于35 min時(shí)，蓄熱罐水位低一值和低二值的差值應(yīng)不低于0.5 m，低一值定為1.1 m。在本項(xiàng)目中，剩余蓄熱量接近18.64%時(shí)應(yīng)考慮降負(fù)荷，接近10.17%時(shí)應(yīng)考慮停機(jī)。

5 結(jié) 論

AA-CAES系統(tǒng)釋能發(fā)電階段儲(chǔ)熱、儲(chǔ)氣能量有限。針對(duì)膨脹發(fā)電機(jī)組因儲(chǔ)熱或儲(chǔ)氣能量不足而被迫突發(fā)停機(jī)及其引發(fā)的負(fù)荷突降對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性的沖擊問(wèn)題，本文提出AA-CAES系統(tǒng)釋能發(fā)電階段安全減出力控制的控制策略。通過(guò)對(duì)本文提出的AA-CAES發(fā)電系統(tǒng)建模及控制策略分析和仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得出以下主要結(jié)論：

1）提出基于AA-CAES系統(tǒng)的安全減出力控制策略，建立安全減出力控制模塊，包括儲(chǔ)氣罐溫度低控制模塊、蓄熱罐水位低控制模塊，并設(shè)定了相關(guān)參數(shù)，完善了關(guān)鍵技術(shù)。

2）仿真結(jié)果表明，安全減出力控制策略能夠控制膨脹發(fā)電機(jī)組在觸發(fā)安全條件時(shí)主動(dòng)降低輸出功率，提高了AA-CAES系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和可靠性；投入安全減出力控制回路后，AA-CAES系統(tǒng)發(fā)電時(shí)間增加，儲(chǔ)熱消耗減少，同時(shí)為電網(wǎng)提供了應(yīng)急安全時(shí)間，能有效緩解負(fù)荷突降對(duì)電網(wǎng)的沖擊。

3）分析了安全減出力控制模塊不同關(guān)鍵參數(shù)對(duì)AA-CAES系統(tǒng)發(fā)電過(guò)程的影響。降負(fù)荷速率減小，安全應(yīng)急階段時(shí)長(zhǎng)減少，累計(jì)發(fā)電時(shí)長(zhǎng)減少；低一值增大，有效發(fā)電時(shí)長(zhǎng)減小，安全應(yīng)急發(fā)電時(shí)長(zhǎng)增加，累計(jì)發(fā)電時(shí)長(zhǎng)增加；低二值減小，安全應(yīng)急發(fā)電時(shí)長(zhǎng)增加，累計(jì)發(fā)電時(shí)長(zhǎng)增加。

4）降負(fù)荷值的選取原則為：考慮壓縮空氣從儲(chǔ)氣罐到第一級(jí)換熱器進(jìn)口的溫降后，壓縮空氣溫度不應(yīng)低于儲(chǔ)氣罐、換熱器及其相關(guān)管材的最低允許工作溫度。蓄熱罐水位停機(jī)值的選取原則為：蓄熱罐水位不應(yīng)低于供熱水泵的汽蝕余量，并應(yīng)當(dāng)為膨脹發(fā)電機(jī)組下次啟動(dòng)預(yù)留蓄熱。

5）蓄熱罐水位降負(fù)荷值的選取原則為：應(yīng)當(dāng)充分溝通了解電網(wǎng)允許的降負(fù)荷速度、充分優(yōu)化并縮短AA-CAES機(jī)組停機(jī)所需準(zhǔn)備時(shí)間，盡可能縮短安全應(yīng)急時(shí)長(zhǎng)，據(jù)此由停機(jī)值可推得儲(chǔ)氣罐溫度降負(fù)荷值和蓄熱罐水位降負(fù)荷值。

6）在后續(xù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，建議對(duì)供熱水泵采用低位布置，盡可能降低蓄熱罐水位停機(jī)值，以最大限度利用蓄熱罐儲(chǔ)存的熱量。

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SIMULATION ANALYSIS OF RUNBACK CONDITIONS ON ENERGY RELEASE PROCESS OF AA-CAES SYSTEM

Yang Dahui1，2，Wen Xiankui3，Zhong Jingliang3，F(xiàn)eng Tingyong1，2，

Deng Tongtian3，Cai Yongxiang3

（1. School of Electrical Engineering， Guizhou University， Guiyang 550025， China；

2. Postgraduate Workstation of Guizhou Power Grid Co.， Ltd.， Guiyang 550002， China；

3. Electric Power Research Institute of Guizhou Power Grid Co.， Ltd.， Guiyang 550002， China）

Abstract：In energy release stage， advanced adiabatic compressed air energy storage （AA-CAES） system will be forced to shut down suddenly when heat storage energy or gas storage energy is insufficient， and load shedding will impact the stability of power systems. In view of the above problem， this paper proposes a control strategy of runback （RB） in the energy release stage of AA-CAES systems， and establishes relevant control simulation circuit adapting to a 10 MW AA-CAES system. Moreover， the influence of load shedding rate and the limit values of hot tank liquid level on the power generation process of AA-CAES systems is discussed in this paper. The simulation results show that the control strategy of runback can prolong the effective power generation time of AA-CAES system， and a long safety emergency duration for power systems is provided which effectively alleviates the impact of sudden load reduction on power grid and has broad application prospect.

Keywords：compressed air energy storage； energy release； runback； control strategy