基于切换膨胀减压的压缩空气储能系统动态性能优化与控制策略研究

《Carbon Neutrality》：Dynamic performance of CAES based on switching expansion reduction

为解决压缩空气储能(CAES)系统在参与自动发电控制(AGC)调频辅助服务时动态工况下压力控制精度不足和?损较大的问题，研究人员开展了基于切换膨胀减压(SER)单元的TS-CAES系统放电过程动态特性研究。通过建立包含热存储和SER单元的10MW/60MWh系统热力学模型，提出设置调节宽度替代单指令曲线的控制策略，发现70m3膨胀罐体积为最优配置，可使?损降低至6.95%，阀门动作频率降低50%，显著提升系统调节精度和动态性能。该研究为CAES系统参与电网调频服务提供了重要理论支撑。

　　

随着全球碳中和目标的推进，可再生能源的大规模并网给电力系统稳定运行带来了严峻挑战。风能、太阳能等间歇性电源的波动性导致电网频率控制难度加大，迫切需要大规模储能技术提供快速调节能力。压缩空气储能(CAES)因其容量大、成本低、寿命长等优势，被视为最具前景的大规模储能技术之一。然而，传统CAES系统在实际运行中面临着一个关键难题：由于储气洞穴压力变化和电网功率需求波动，系统经常需要工作在非设计工况下，特别是参与自动发电控制(AGC)调频服务时，对压力控制和流量调节的精度要求极高。

目前广泛采用的节流阀调节方式存在固有缺陷。节流阀本质上是通过改变局部阻力实现减压，但其流量特性曲线在高压差条件下斜率陡峭，导致微小的开度变化就会引起流量大幅波动，难以实现精确控制。更严重的是，节流过程会产生显著的?损失，降低系统整体效率。这些限制使得传统CAES系统在应对快速变化的调频需求时表现不佳。

为了解决这一技术瓶颈，张思琪等研究人员在《Carbon Neutrality》上发表了一项创新性研究，提出将切换膨胀减压(SER)技术集成到热存储型压缩空气储能(TS-CAES)系统中，深入探究了其在动态运行条件下的性能特征和优化方法。

研究人员建立了包含四级压缩、四级膨胀、热交换器和SER单元的完整TS-CAES系统热力学模型。SER系统由开关阀、调节阀和膨胀罐组成，通过将高压减压和流量控制两个功能解耦，显著改善了系统的动态调节性能。该模型经过实验数据验证，与实测结果的均方根误差小于0.15MPa，平均绝对百分比误差低于8.7%，证明了模型的可靠性。

研究团队重点分析了系统在模拟AGC调频服务需求下的动态运行特性。他们设计了振幅为额定功率80%(8MW)、调节速率为2.5MW/min的正弦波负载曲线，模拟实际调频场景。通过对比SER与单节流阀两种调节方式的性能差异，发现SER系统将调节阀的工作区间从0.1-0.3优化至0.2-0.75，流量变化率从0.8-1.6kg/(s·%)降低至0.3-0.5kg/(s·%)，大大提高了控制精度。

在?分析方面，研究揭示了SER系统各组成部分的能耗特性。开关阀承担了系统83.2%的?损，因其负责主要的压力降；调节阀贡献16.8%的?损；膨胀罐则通过与环境的换热实现能量缓冲。特别值得注意的是，研究发现了膨胀罐体积与系统?损之间的非线性关系。

膨胀罐体积优化

通过系统参数扫描，研究人员发现存在一个最优的膨胀罐体积使系统?损最小。对于10MW/60MWh的系统，当膨胀罐体积为70m3时，SER系统的总?损仅为13873MJ，占总输入?的6.95%，相比单阀调节方式节省了0.52%的?损，相当于每次放电周期可多发电270kWh。这一优化结果源于开关阀和调节阀工作时间的合理分配：体积过小会导致压力波动剧烈，阀门频繁动作；体积过大则增加调节阀的节流损失。

控制策略创新

研究团队提出了基于调节宽度的新型控制策略，替代传统的单指令曲线控制。该方法设置上下限压力指令区间(如3bar)，当膨胀罐压力高于上限时关闭开关阀，调节阀工作；低于下限时开启开关阀，调节阀全开。这一策略显著提高了系统稳定性，当调节宽度为3bar时，开关阀动作频率降低50%，且动作时间分布更加均匀，同时?损仅增加1.5%，在动态性能和能量效率之间取得了良好平衡。

动态特性分析

在6小时放电过程中，系统在前5小时能够精确跟踪功率指令，质量流量在12.9-30kg/s范围内变化，压力在3.6-8.1MPa间调节。膨胀罐内的压力和温度呈现周期性波动，但SER系统均能有效平抑这些波动，确保涡轮机入口参数的稳定性。仅在最后1小时由于储气洞穴压力不足，系统无法满足超载运行需求。

?分析结果

动态工况下，SER系统的总?损为13873MJ，显著低于单阀调节的14922MJ。开关阀的?损随膨胀罐体积增大而减小，调节阀的?损在70m3处达到最小值，膨胀罐本身的?变化则随体积增大而加剧。这种此消彼长的关系决定了最优体积的存在。

该研究的创新之处在于首次将SER技术应用于全系统动态模型，建立了针对AGC调频服务的性能评价体系，并提出了基于?分析的膨胀罐优化设计方法。研究人员还推导出最优体积的估算公式：V_j,optimal= βP₀R_gT₀/[M(p_e-p₀)(1-(p_e/p₀)^(1-k)/k)]，其中β为体积系数(本研究确定为1/25)，为不同容量系统的优化提供了理论指导。

研究结论表明，基于SER的TS-CAES系统在动态运行条件下展现出显著优势：控制精度提高、?损降低、响应特性改善。优化的70m3膨胀罐体积和3bar调节宽度控制策略，为CAES系统参与电网调频服务提供了可靠的技术方案。这一研究成果不仅推动了压缩空气储能技术的发展，也为构建高比例可再生能源的新型电力系统提供了重要支撑，对实现碳达峰碳中和目标具有积极意义。