华中科技大学 王丹，毛承雄等：新型变速压缩空气储能技术——大规模压缩空气储能系统发电方式及运行控制的分析与构想

研究背景

储能技术是电力系统进行灵活电力调度、实现新能源消纳和高品质供电的关键技术之一。压缩空气储能(compressed air energy storage, CAES)和抽水蓄能都是能量型储能技术，规模可达百兆瓦级及以上，寿命可达几十年，适合于电网级的大规模应用。抽水蓄能是目前电力系统应用最具规模的储能方式，但囿于地理条件等因素，开发利用受限，不能完全满足电力系统发展的需求。因此，CAES技术近年来受到了高度关注。

目前的研究对于 CAES系统发电方式及直接与电力系统接口的发电机组技术涉及较少。鲜有文献从大规模 CAES 系统发电方式及其运行控制的角度探讨如何提升系统能效。基于此，本文重点分析了3种大规模CAES系统的发电方式及其运行控制策略。

大规模CAES系统的发电方式及运行控制

CAES系统的原理概图如图1所示它包含压缩环节、膨胀环节、蓄冷蓄热单元和储气单元，其典型工况有压缩储能工况和膨胀释能工况2种。

图1  CAES系统原理图

当CAES系统与电力系统耦合运行时，其发电方式主要有定速运行CAES系统和变速运行CAES（VS-CAES）系统两大类。其中，VS-CAES系统又可以分为双馈发电机型VS-CAES系统和直驱型VS-CAES系统。

定速运行CAES系统是现有的大规模 CAES 系统普遍采用的方式，其结构如图2所示。例如德国Huntorf电站和美国McIntosh电站均采用定速同步发电机组实现定速恒频发电运行，中国TICC-500、1.5 MW 和 10 MW 的CAES示范系统都采用的是同步发电机实现定速恒频发电。目前，这些CAES电站与示范系统采用的都是传统同步发电机组最常用的经典的调速控制和励磁控制。

图2  定速运行CAES系统

然而，这种传统的运行控制方式存在着一些不足：调节速度较慢、强行励磁能力有限、需要吸收大量的滞后无功功率等。为此，本文提出采用全控器件励磁为 CAES系统发电机组提供励磁并实施控制，系统原理图如图3所示。

图3  系统原理图

这种全控器件励磁控制策略具有以下优势：①可实现自由灵活的无功功率调控；②提高系统稳定性，增强储能机组辅助控制能力；③系统故障时有很强的电压支撑能力；④调控速度快，具有快速强励和强减能力；⑤可以有效防止储能机组次同步或超同步振荡；⑥可实现机组深度进相运行、快速动态无功支撑以及灵活调相功能。

双馈发电机型VS-CAES系统结构如图4所示，双馈发电机定子绕组直接经变压器与电网相连，转子绕组则经过变频器接至机端。膨胀机驱动发电机超同步转速运行时，发电机的定子与转子均向电网馈电。

图4  VS-CAES系统：双馈发电机型

VS-CAES双馈发电机组励磁控制基本策略为:①网侧脉宽调制(PWM)变换器实施定直流电压控制,负责 维持励磁功率单元直流侧电压恒定,同时灵活调整网侧PWM变换器与电网交换的无功功率,可采用经典的直流电压与无功功率外环及交流电流内环的双环控制;②励磁侧PWM变换器实施转速(转差频率或转差有功功率)控制和励磁控制,负责实现变速恒频前提下的最大功率或效率追踪以及发电机组输出的无功功率调控, 可采用电网电压定向矢量控制。

采用双馈发电机型VS-CAES系统的优点有：①通过调节励磁电流的频率可在不同转速下实现恒频发电，从而可以从能量最大利用角度去调节气流量和转速；②可以实现超同步转速和次同步转速宽范围运行，可进一步提升压缩空气的利用率；③机组具有较强的进相运行能力；④可以通过励磁侧变频器实现功率快速控制，有益于提高系统暂态稳定。

无论是定速运行CAES系统还是双馈发电机型VS -CAES系统，为了实现膨胀机转速与发电机转速匹配,高变速比的齿轮箱必不可少。一方面,高转速下高变速比齿轮箱在功率波动情况下存在安全稳定运行的风险；另一方面，高变速比齿轮箱给系统的运行效率、噪声、暂态特性、检修等带来了不利影响。因此,采用可省略高变速比齿轮箱(或采用小变速比 的齿轮箱)的直驱型VS -CAES系统方案值得深入研究。

直驱型VS -CAES系统结构如图5所示。系统发电时，膨胀机直接驱动高速发电机发出交流电，经电子电力变压器(electronic power transformer, EPT) 全功率整流成直流电后,再隔离升压并逆变成工频交流电输送至电网。当采用的是电励磁同步电机发电时，发电机的励磁直接由Buck变换器从EPT直流环节取电。

图5  VS-CAES系统：直驱型

图6给出了1种VS -CAES直驱型的变速变频发电机-电子电力变压器组的系统原理图，其基本控制策略为：①EPT网侧变换器实施定直流电压控制，负责维持EPT内部直流电压恒定并控制与电网交换的无功功率，可以采用经典的双环解耦正弦波脉宽调制( SPWM)控制；②EPT机侧变换器实施定功率或转矩控制，一方面执行调度对储能机组有功出力指令，另一方面实现永磁电机转速控制满足压缩空气释能膨胀最佳能效优化控制，由于涉及电机的调控，可以采用空间矢量脉宽调制(SVPWM)控制或者其他的矢量控制等；③无论是网侧变换器还是机侧变换器都可以引入附加控制以实现抑制电网或机组振荡控制。

图6  系统原理图

面临的挑战

由于CAES系统膨胀发电过程涉及复杂的热力学过程与高转速机电能量转换过程,而且具有典型的宽范围变工况运行特性,因此使得相关技术和问题的解决主要面临着5个方面的挑战：①膨胀发电关键设备设计制造；②膨胀发电环节优化匹配；③协调优化控制技术；④机组振荡抑制；⑤辅助服务能力。

结语

本文提出的VS-CAES系统可以大幅度提高储气室的容积利用率，不但可充分发挥压缩空气膨胀发电，而且可充分利用电子电力变压器提供辅助服务控制功能 (如静止同步补偿器功能) ，从而有效提升储能机组的技术经济性。

CAES技术在电力系统中具有广阔的应用前景,但也面临许多挑战,大规模高压比压缩、膨胀以及高性能机组调控等将是决定CAES技术是否具有竞争力的基础。