面向智能电网的大规模压缩空气储能技术

　　新能源的大规模开发和利用是当前世界范围内应对化石能源危机和由此带来的环境污染问题的重要战略之一。由于风能、太阳能等新能源发电的波动性和随机性，大规模新能源并网给电力系统的安全稳定运行和电能质量带来了严峻挑战，实际运行中存在大量的弃风和弃光现象，使得新能源的利用率长期处于较低的水平13.因此，如何实现大规模新能源的安全、高效、经济利用已经成为智能电网建设中亟待解决的关键问题。

　　众所周知，储能技术是解决上述问题的重要手段之。然而，电能的大规模工程化存储一直是困扰全世界电力科技工作者的一大难题。在一定程度上讲，没有规模化的储能，便没有真正意义上的智能电网。

　　在大规模储能方面，目前较为成熟的技术主要有抽水蓄能、蓄电池储能和压缩空气储能三种H.抽水蓄能电站诚然是一种很好的大量存储电能的方式，然而其建设严格受到地理条件限制，难以满足大规模推广的需求。蓄电池储能技术相对成熟，且在上述三种储能方电能转换效率*高，但其工作寿命往往只有2~3年，不仅更新换代成本高昂，且后期处理环境污染严重。相比之下，压缩空气储能系统的建设限制条件较少，且对环境友好、综合效率较高，有望成为解决大规模新能源开发利用中诸多问题的*佳选择。

　　本文首先提出了电能品位与储能效益的概念，介绍了压缩空气储能的基本原理及国内外发展概况，重点介绍了非补燃式压缩空气储能发电技术及其特点。*后，探讨了该技术在智能电网中的广阔应用前景以及实现大规模工业化应用尚需解决的关键问题。

　　2电能品位与储能效益对于热能，我们有品位的概念。例如，汽轮机的入口蒸汽温度高、压力高，可以高效率地将其热能转化为电能，故属于高品位热能。然而，浅层地热（14°C左右的浅层水或湿地泥浆）以及工业生产过程中产生的废热，即使有很大的体量，也很难加以利用，属于低品位的热能。

　　电能与热能一样，客观上也有高低品位之分。

　　由于电力系统的特点，电能的生产和消费基本上是同时完成。在负荷高峰时期生产出来的电能，其大部分用于满足人们的大量生产和生活需求，属于高品位电能，其价格往往也较高。在负荷低谷时期生产出来的电能，由于远远超过实际需求，不得不**出售，甚至弃电，属于低品位电能。各种储能方式的重要作用之即是将低品位的电能加以存储，转换为高品位的电能，从而体现该储能方式的效益。

　　笔者认为，对于给定的储能方式，可按下式粗略计算该储能方式的经济效益：的价值（Value）；Vl为利用该储能方式生产对应高品位电能而付出的成本；El为低品位电能总量；n为该储能方式的电能转换效率；Ph和Pl分别为峰谷电价；C为生产该高品位电能的均摊建设成本和运维成本。

　　从、压缩级数（如单级高压比与多级压缩）对压缩效率的影响。在高压储气子系统中，需要考虑储气空间散热以及气体泄漏对系统效率的影响。在透平发电子系统中，需要考虑减速器对系统效率的影响。在回热利用子系统中，需要考虑不同的换热介质（如利用水储热与熔融盐储热）及换热温度对热能利用效率的影响。

　　子系统接口参数的优化配置压缩空气储能系统涉及多个子系统，且各子系统间相互有耦合，系统总体效率与接口参数密切相关。除了为各子系统设计合适的流程外，还应对各子系统的接口参数进行优化配置，以达到总体效率取高。

　　6.2提高CAES经济性的关键技术（1）地下洞穴储气技术从以及外界参数（风、光、水出力及负荷需求）的双重约束，迫切需要研究压缩空气储能的优化控制与调度技术，以充分发挥其在电网经济运行中的作用。

　　6.3提高CAES安全性的关键技术般情况下，压缩空气储能系统所采用的介质为常规空气，当气体中含有大量水分或粉尘时，容易在储气空间中形成粉尘结块并腐蚀气壁。更为严重的是，当空气膨胀做功后温度降低形成水滴甚至冰粒，将对高速旋转的空气透平带来严重的安全隐患。

　　因此，空气干燥及除尘技术是压缩空气储能技术安全推广的重要基础。

　　高压储气空间的探伤和修复技术作为系统中承载压力*高、承压时间*长的组成部分，保障高压储气子系统的安全十分重要。为此，需要根据储能系统的发电功率、储能容量、储气压强、储气温度等性能指标，优化设计储气空间的容积、形态、尺寸、材料等关键参数。此外，长期运行的储气空间由于气压往复变化，可能会发生疲劳损伤，造成储气空间变形甚至气体泄漏，从而带来较大的安全隐患。先进的探伤技术及修复技术是保障压缩空气储能系统安全性的重要支撑。

　　透平发电子系统控制与保护技术压缩空气储能系统中透平进口空气的压力和温度等参数直接影响到透平发电子系统输出功率的平稳性。考虑到储气空间的压力和温度在发电过程中会逐渐下降，先进的透平气门开度控制技术将是保障系统稳定运行的重要基础。此外，当外部电网发生有功功率或无功功率的扰动时，透平发电子系统的控制中心仍应能给出正确的控制指令，以增强电网对扰动的鲁棒性。极端情况下，如出口三相短路故障及突然空载，透平的发电子系统的保护装置应能快速动作，确保机组安全停机。

　　7结论电能的大规模工业化存储是人类面临的一大难题。压缩空气储能具有很大的发展潜力。本文重点分析了面向智能电网的大规模非补燃式压缩空气储能技术的基本原理及其应用前景。简要介绍了国家电网500kW压缩空气储能项目的进展情况。在当前大力推动智能电网建设和节能减排的背景下，以该重大科技项目为载体，通过政、产、学、研的通力合作，有望建成我国**个非补燃式压缩空气储能发电示范系统，这将对促进我国压缩空气储能产业的发展起到积极作用。