压缩空气储能关键技术及应用展望
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3.2 建模与效率分析--模型研究
基本假设 • 等熵过程，温度在压缩过程中保持恒定； • 气体为理想气体，且有恒定的比热；
透平模型 压缩机模型 储气罐模型
m m A _ in dt m A _ out dt
0 Gin Gout
0 Gin hin Gout hout Pat gt
国际前沿动态—非补燃压缩空气储能（NSF-CAES）
• • • • •
学术研究
瑞士洛桑联邦技术研究所：小型回热式压缩空气储能系统 丹麦科技大学：先进绝热式压缩空气储能系统 美国SustainX公司: 新罕布什尔州, 容量：1.5 MWh, 功率等级：1.5 MW 德国RWE公司: 阿戴尔，容量：1000 MWh, 功率等级：200 MW 英国HighView公司: 伯克希尔，容量：2.45 MWh, 功率等级：350 kW
5 / 59 大规模物理储能技术主要是抽水蓄能（受地形、水资源限制）和压缩空气储能
1.2 大规模储能技术的对比
抽水蓄能
• •
优势：大功率，大容量，低成本 劣势：场地要求特殊 优势：高能量密度，高效率 劣势：寿命限制，环保约束 优势：大功率，大容量 劣势：空气能量密度低,常规CAES 需要天然气补燃
“十二·五”规划中明确指出 “适应大规模跨区输电和新能源发电并网的要求，加快现代电网体系建 设，进一步扩大西电东送规模，完善区域主干电网，发展特高压等大容量、 高效率、远距离先进输电技术，依托信息、控制和储能等先进技术，推进 智能电网建设，切实加强城乡电网建设与改造，增强电网优化配置电力能 力和供电可靠性。”
FACTS
智能 变电站
FA
分布式风 力发电
智能计量 计费
变电站
屋顶光伏
需求侧管理
暖通系统动态 控制 小型储能
分布式储能 热泵/分布式热电联供
智能 传感器
智能 传感器
插电式混合动力车
储能技术广泛应用于未来智能电网以及能源互联网建设的发电、输电、配电、用电4 大环节，尤其是大规模储能技术是实现构建坚强智能电网的关键之一。
13 / 59
韩国：2011年开始建设内衬岩石洞室储气的补燃式CAES（研究中）
韩国2011年开始CAES项目建设， 研究内衬岩石洞室的可行性
混凝土塞
钢衬
混凝土衬砌
地下洞室位于地下100m深的石灰岩 内，洞室直径5m，内部使用混凝土 内衬，并且使用钢板密封，钢板的 厚度是6mm。
储气空间
4 / 59
1.1 大规模储能技术的研究意义
燃料 排放控制
并网可再 生能源
燃煤（气） 火电厂
氢能发电
核电
生物质能
集中式电 网储能 相邻电网的 HVDC互联 智能 变电站
CHP/ district heating network
水电 煤、天然气、氢、生物 质等的燃料运输网络
CT S
微型风力发 电机 屋顶光伏
英国：2012年启动一个350kW的试验性项目，液态空气储能（研究中）
预计试运行时间：2015年 储能容量：15 MWh 输出功率：5 MW 系统效率：暂无数据
12 / 59
大容量高效低温蓄冷器是其技术难点
德国：ADELE先进绝热压缩空气储能（研究中）
非补燃CAES，利用绝热压缩，将空气压缩至高温高压，回收利用高温压缩热。 设计储能容量：360MWh 设计输出功率：90MW 系统理论效率：70% 高温压缩（压缩机出口温度600℃以上） 高温储热，技术难度大
调峰、调频、旋转备用、黑启动 调峰、调频、旋转备用 调峰、调频、旋转备用、平滑可再生能源 电气票据管理、施工现场供电 平滑可再生能源 平滑可再生能源、调频、黑启动、爬坡支撑 平滑可再生能源、爬坡支撑、输电阻塞缓解、备用 调峰、调频、旋转备用、平滑可再生能源、黑启动 调峰、调频、旋转备用、平滑可再生能源 调峰、供电
• • • 并网规模最大 输送距离最远 电压等级最高
风光电源随机波动性强 年可用风速3000小时，实际利用率 仅为1900小时/年
亟需开展大规模储能技术研究
3 / 59
1.1 大规模储能技术的研究意义
构建坚强的智能电网是我国未来电网的发展方向
1、实现新能源的规模接入 2、提高电网的输送能力和电网的稳定性 3、保障供电安全性、可靠性 4、实现高度信息化、自动化、互动化
电池储能
• •
压缩空气储能
• •
抽水蓄能、电池储能均存在若干局限性，非补燃压缩空气储能（NSF-CAES，nonsupplementary fired Compressed Air Energy Storage）是智能电网的可行选择
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1.2 大规模储能技术的对比
压缩空气储能
优点
• 不受地理条件限制 • 无资源约束，工作介质为空气 • 环境友好 • 寿命长，设计寿命大于40年 • 冷-热-电三联供，综合效率高
vout kdec vin
Pout dec Pin
减速器模型
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3.2 建模与效率分析--仿真平台构建
压缩空气储能实验系统专用仿真平台 • 通用部件的数学模型：包括压缩机、换热器、高压控 制阀、发电机等单元部件 • 专用部件数学模型：包括热能储存设备、透平膨胀机、 高压储气罐等 • 系统仿真模型建立和单元技术选择：建立系统仿真模 型，开展多技术选择系统方案模拟研究，针对技术链 上各个环节的不同技术选择组成的系统开展模拟，获 得物质和能量特性
德
580 2860 3000 0.06 500 33285 1.5 40.5 2.45 1000
290 110 300 0.08 1 317 1.5 9 0.35 200
矿洞31万m3 岩盐层28.3万m3 地下储罐 储气罐 岩洞 岩洞 储气罐 储气罐 储气罐 储气罐
42 54 涉密 涉密 涉密 建设中 建设中 建设中 建设中 建设中
3.1 系统方案评估和总体设计
空气压缩子系统、高压储气子系统 回热利用子系统、透平发电子系统
四大子系统
压缩机、储气罐、换热器 透平机、发电机
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五大关键设备
3.1系统方案评估和总体设计
压缩 热交换 节流调速 加热 膨胀
常温常压
高温高压
常温高压
低温低压
高温低压
常温常压
压缩介质状态变化过程
10 / 59
美国：1991年，建成了世界上第二个商业性的CAES电厂——McIntosh
储气方式：地下洞穴 发电容量：110MW 压缩时间：41小时 发电时间：26小时
系统效率：54%（含天然气补燃） 20%（去除天然气补燃） 每次发电消耗天然气：35万立方米
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28 / 59
3.2 建模与效率分析--系统效率分析
效率分析：补燃式压缩空气储能发电系统
CAES能量转换效率：
德国Huntorf电站 • 采用天然气补燃 • 能量转换效率：42%
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3.2 建模与效率分析--系统效率分析
基于压缩热回馈的非补燃压缩空气储能系统流程示意图
高压储罐 透平膨胀机 发电机
创新点
压缩热回收(Heat Recovery)：综合利用效率高 非补燃(Without Afterburning)：低碳效益显著 高效储存(High-efficient Containers)：高能量密度
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17 / 59
1 2 3 4 5
压缩空气储能发电系统方案评估和总体设计 压缩空气储能发电系统建模与效率分析 压缩空气储能发电系统关键设备参数优化设计 压缩空气储能发电系统保护与控制研究 500kW压缩空气储能发电动态模拟系统构建
18 / 59
3.1 系统方案评估和总体设计
回热系统 压缩热回收 压缩机 储气装置 非补燃
Mcintosh 美
美 美 美 美 美 美
Highview 英 德
9 / 59
德国：1978年，建成了世界上第一个商业性的CAES电厂——Huntorf
储气方式：地下洞穴 装机容量：290MW 储气体积：31万m3 充气时间：8小时 发电时长：2小时
系统效率： 46%（含天然气补燃 ） 19%（去除天然气补燃） 每次发电消耗天然气：10万立方米
压缩空气储能关键技术 及应用展望
梅生伟 清华大学电机系 电力系统国家重点实验室 2015年12月8日
一、研究背景 二、研究现状 三、压缩空气储能系统(TICC500 ) 四、应用前景展望
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1.1 大规模储能技术的研究意义
国家战略需求：大规模可再生能源持续开发和利用 现状与挑战
中国风电、光伏装机容量世界第一 八大风电基地，在世界上：
V
d Gin Gout dt
V
d (mu ) Gin hin Gout hout Q Ws dt Pc m A _ in 1 P 2 c p1Tin 1 P 1
d Gin Gout dt d ( mu ) Gin hin Gout hout Q dt
14 / 59 石灰岩
目前投运的CAES电站均为补燃式
储能时，压缩空气储能发电系统耗 用电能将空气压缩并存于储气室中
释能时，高压空气从储气室释放， 进入燃气轮机燃烧室同燃料一起燃 烧后，驱动透平发电
与非补燃压缩空气储能(NSF-CAES)相比需消耗大量天然气，同时也增加了碳排放
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国内：目前国内在压缩空气储能在发电工业应用方面为空白。
非补燃式压缩空气储能（NSF-CAES)是储能技术研究热点与难 点！
《压缩空气储能发电关键技术及工程应用方案研究》 （2012-2015，国家电网科技项目）
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项目基本情况
项目名称 项目分类 起止时间 承担单位 项目负责人 压缩空气储能发电关键技术及工程实用方案研究 技术攻关 2012年10月1日-2015年4月30日 清华大学、中科院理化技术研究所、 中国电力科学研究院 卢强 压缩空气储能发电系统关键技术及500kW动态模拟系统的构 主要内容 建，为10MW大型压缩空气储能发电系统的建设提供理论基 础和技术支撑
压缩机
储气装置
透平膨胀机
发电机
电能输入
压缩热（供暖）
低温空气（制冷）
输出电能
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3.1系统方案评估和总体设计
①五级压缩
②级间回热
③三级膨胀
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来自百度文库
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压缩空气储能发电系统方案评估和总体设计 压缩空气储能发电系统建模与效率分析 压缩空气储能发电系统关键设备参数优化设计 压缩空气储能发电系统保护与控制研究 500kW压缩空气储能发电动态模拟系统构建
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3.2 建模与效率分析--仿真平台构建
构建了压缩空气储能实验系统专用仿真平台
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3.2 建模与效率分析--仿真平台构建
CAES输出功率与储气罐 压强关系 负荷变化情况下发电机输出转矩 与透平机械转矩动态响应仿真波形
能量效率与储气罐内气体 压强的关系
构建了压缩空气储能实验系统专 用仿真平台
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全世界范围内投运或在建的压缩空气储能电站共10处（投运5处，在建5处）， 装机容量1.26GW（投运435MW, 在建825MW）。 目前，我国还没有投运的压缩空气储能电站。
名称
国 容量(MWh) 功率等级(MW)
储气装置
效率(%)
用途
Huntorf PGECAU ATK Texas Apex SustainX NextGen Adele
不足
• 储能密度低 • 需要巨大的储气室，选用地下洞穴储气，选址困难
7 / 59
1.3 压缩空气储能的作用
聚纳新能源 • 提高聚纳大规模风力发电和光伏发电系统的能力 削峰填谷 • 在负荷低谷时吸纳多余发电能力，并在高峰时向 电网馈电 增加旋转备用 • 可等效为功率和电压均可调的同步发电系统，且 响应迅速 弃风电力供暖 • 利用CAES的冷热电三联供，通过存储弃风电， 来进行供暖
23 / 59
3.2 建模与效率分析
整体建模研究 • 数学上属于一类高阶强非线性系统 • 模块化的建模思想，压缩机、气路、贮气室等分别建模 • 研究气体方程中质量、能量、动量之间的关系，进而建 立各部分气动模型 • 进一步建立系统与电网接口部分及相应电动子系统的精 准模型并将储能子系统模型和发电子系统模型联立，即 可得到回热式压缩空气储能实验系统气、热、电全过程 整体模型
3.2 建模与效率分析--模型研究
基本假设 • 等熵过程，温度在压缩过程中保持恒定； • 气体为理想气体，且有恒定的比热；
透平模型 压缩机模型 储气罐模型
m m A _ in dt m A _ out dt
0 Gin Gout
0 Gin hin Gout hout Pat gt
国际前沿动态—非补燃压缩空气储能（NSF-CAES）
• • • • •
学术研究
瑞士洛桑联邦技术研究所：小型回热式压缩空气储能系统 丹麦科技大学：先进绝热式压缩空气储能系统 美国SustainX公司: 新罕布什尔州, 容量：1.5 MWh, 功率等级：1.5 MW 德国RWE公司: 阿戴尔，容量：1000 MWh, 功率等级：200 MW 英国HighView公司: 伯克希尔，容量：2.45 MWh, 功率等级：350 kW
5 / 59 大规模物理储能技术主要是抽水蓄能（受地形、水资源限制）和压缩空气储能
1.2 大规模储能技术的对比
抽水蓄能
• •
优势：大功率，大容量，低成本 劣势：场地要求特殊 优势：高能量密度，高效率 劣势：寿命限制，环保约束 优势：大功率，大容量 劣势：空气能量密度低,常规CAES 需要天然气补燃
“十二·五”规划中明确指出 “适应大规模跨区输电和新能源发电并网的要求，加快现代电网体系建 设，进一步扩大西电东送规模，完善区域主干电网，发展特高压等大容量、 高效率、远距离先进输电技术，依托信息、控制和储能等先进技术，推进 智能电网建设，切实加强城乡电网建设与改造，增强电网优化配置电力能 力和供电可靠性。”
FACTS
智能 变电站
FA
分布式风 力发电
智能计量 计费
变电站
屋顶光伏
需求侧管理
暖通系统动态 控制 小型储能
分布式储能 热泵/分布式热电联供
智能 传感器
智能 传感器
插电式混合动力车
储能技术广泛应用于未来智能电网以及能源互联网建设的发电、输电、配电、用电4 大环节，尤其是大规模储能技术是实现构建坚强智能电网的关键之一。
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韩国：2011年开始建设内衬岩石洞室储气的补燃式CAES（研究中）
韩国2011年开始CAES项目建设， 研究内衬岩石洞室的可行性
混凝土塞
钢衬
混凝土衬砌
地下洞室位于地下100m深的石灰岩 内，洞室直径5m，内部使用混凝土 内衬，并且使用钢板密封，钢板的 厚度是6mm。
储气空间
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1.1 大规模储能技术的研究意义
燃料 排放控制
并网可再 生能源
燃煤（气） 火电厂
氢能发电
核电
生物质能
集中式电 网储能 相邻电网的 HVDC互联 智能 变电站
CHP/ district heating network
水电 煤、天然气、氢、生物 质等的燃料运输网络
CT S
微型风力发 电机 屋顶光伏
英国：2012年启动一个350kW的试验性项目，液态空气储能（研究中）
预计试运行时间：2015年 储能容量：15 MWh 输出功率：5 MW 系统效率：暂无数据
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大容量高效低温蓄冷器是其技术难点
德国：ADELE先进绝热压缩空气储能（研究中）
非补燃CAES，利用绝热压缩，将空气压缩至高温高压，回收利用高温压缩热。 设计储能容量：360MWh 设计输出功率：90MW 系统理论效率：70% 高温压缩（压缩机出口温度600℃以上） 高温储热，技术难度大
调峰、调频、旋转备用、黑启动 调峰、调频、旋转备用 调峰、调频、旋转备用、平滑可再生能源 电气票据管理、施工现场供电 平滑可再生能源 平滑可再生能源、调频、黑启动、爬坡支撑 平滑可再生能源、爬坡支撑、输电阻塞缓解、备用 调峰、调频、旋转备用、平滑可再生能源、黑启动 调峰、调频、旋转备用、平滑可再生能源 调峰、供电
• • • 并网规模最大 输送距离最远 电压等级最高
风光电源随机波动性强 年可用风速3000小时，实际利用率 仅为1900小时/年
亟需开展大规模储能技术研究
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1.1 大规模储能技术的研究意义
构建坚强的智能电网是我国未来电网的发展方向
1、实现新能源的规模接入 2、提高电网的输送能力和电网的稳定性 3、保障供电安全性、可靠性 4、实现高度信息化、自动化、互动化
电池储能
• •
压缩空气储能
• •
抽水蓄能、电池储能均存在若干局限性，非补燃压缩空气储能（NSF-CAES，nonsupplementary fired Compressed Air Energy Storage）是智能电网的可行选择
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1.2 大规模储能技术的对比
压缩空气储能
优点
• 不受地理条件限制 • 无资源约束，工作介质为空气 • 环境友好 • 寿命长，设计寿命大于40年 • 冷-热-电三联供，综合效率高
vout kdec vin
Pout dec Pin
减速器模型
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3.2 建模与效率分析--仿真平台构建
压缩空气储能实验系统专用仿真平台 • 通用部件的数学模型：包括压缩机、换热器、高压控 制阀、发电机等单元部件 • 专用部件数学模型：包括热能储存设备、透平膨胀机、 高压储气罐等 • 系统仿真模型建立和单元技术选择：建立系统仿真模 型，开展多技术选择系统方案模拟研究，针对技术链 上各个环节的不同技术选择组成的系统开展模拟，获 得物质和能量特性
德
580 2860 3000 0.06 500 33285 1.5 40.5 2.45 1000
290 110 300 0.08 1 317 1.5 9 0.35 200
矿洞31万m3 岩盐层28.3万m3 地下储罐 储气罐 岩洞 岩洞 储气罐 储气罐 储气罐 储气罐
42 54 涉密 涉密 涉密 建设中 建设中 建设中 建设中 建设中
3.1 系统方案评估和总体设计
空气压缩子系统、高压储气子系统 回热利用子系统、透平发电子系统
四大子系统
压缩机、储气罐、换热器 透平机、发电机
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五大关键设备
3.1系统方案评估和总体设计
压缩 热交换 节流调速 加热 膨胀
常温常压
高温高压
常温高压
低温低压
高温低压
常温常压
压缩介质状态变化过程
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美国：1991年，建成了世界上第二个商业性的CAES电厂——McIntosh
储气方式：地下洞穴 发电容量：110MW 压缩时间：41小时 发电时间：26小时
系统效率：54%（含天然气补燃） 20%（去除天然气补燃） 每次发电消耗天然气：35万立方米
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3.2 建模与效率分析--系统效率分析
效率分析：补燃式压缩空气储能发电系统
CAES能量转换效率：
德国Huntorf电站 • 采用天然气补燃 • 能量转换效率：42%
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3.2 建模与效率分析--系统效率分析
基于压缩热回馈的非补燃压缩空气储能系统流程示意图
高压储罐 透平膨胀机 发电机
创新点
压缩热回收(Heat Recovery)：综合利用效率高 非补燃(Without Afterburning)：低碳效益显著 高效储存(High-efficient Containers)：高能量密度
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压缩空气储能发电系统方案评估和总体设计 压缩空气储能发电系统建模与效率分析 压缩空气储能发电系统关键设备参数优化设计 压缩空气储能发电系统保护与控制研究 500kW压缩空气储能发电动态模拟系统构建
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3.1 系统方案评估和总体设计
回热系统 压缩热回收 压缩机 储气装置 非补燃
Mcintosh 美
美 美 美 美 美 美
Highview 英 德
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德国：1978年，建成了世界上第一个商业性的CAES电厂——Huntorf
储气方式：地下洞穴 装机容量：290MW 储气体积：31万m3 充气时间：8小时 发电时长：2小时
系统效率： 46%（含天然气补燃 ） 19%（去除天然气补燃） 每次发电消耗天然气：10万立方米
压缩空气储能关键技术 及应用展望
梅生伟 清华大学电机系 电力系统国家重点实验室 2015年12月8日
一、研究背景 二、研究现状 三、压缩空气储能系统(TICC500 ) 四、应用前景展望
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1.1 大规模储能技术的研究意义
国家战略需求：大规模可再生能源持续开发和利用 现状与挑战
中国风电、光伏装机容量世界第一 八大风电基地，在世界上：
V
d Gin Gout dt
V
d (mu ) Gin hin Gout hout Q Ws dt Pc m A _ in 1 P 2 c p1Tin 1 P 1
d Gin Gout dt d ( mu ) Gin hin Gout hout Q dt
14 / 59 石灰岩
目前投运的CAES电站均为补燃式
储能时，压缩空气储能发电系统耗 用电能将空气压缩并存于储气室中
释能时，高压空气从储气室释放， 进入燃气轮机燃烧室同燃料一起燃 烧后，驱动透平发电
与非补燃压缩空气储能(NSF-CAES)相比需消耗大量天然气，同时也增加了碳排放
15 / 59
国内：目前国内在压缩空气储能在发电工业应用方面为空白。
非补燃式压缩空气储能（NSF-CAES)是储能技术研究热点与难 点！
《压缩空气储能发电关键技术及工程应用方案研究》 （2012-2015，国家电网科技项目）
16 / 59
项目基本情况
项目名称 项目分类 起止时间 承担单位 项目负责人 压缩空气储能发电关键技术及工程实用方案研究 技术攻关 2012年10月1日-2015年4月30日 清华大学、中科院理化技术研究所、 中国电力科学研究院 卢强 压缩空气储能发电系统关键技术及500kW动态模拟系统的构 主要内容 建，为10MW大型压缩空气储能发电系统的建设提供理论基 础和技术支撑
压缩机
储气装置
透平膨胀机
发电机
电能输入
压缩热（供暖）
低温空气（制冷）
输出电能
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3.1系统方案评估和总体设计
①五级压缩
②级间回热
③三级膨胀
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压缩空气储能发电系统方案评估和总体设计 压缩空气储能发电系统建模与效率分析 压缩空气储能发电系统关键设备参数优化设计 压缩空气储能发电系统保护与控制研究 500kW压缩空气储能发电动态模拟系统构建
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3.2 建模与效率分析--仿真平台构建
构建了压缩空气储能实验系统专用仿真平台
27 / 59
3.2 建模与效率分析--仿真平台构建
CAES输出功率与储气罐 压强关系 负荷变化情况下发电机输出转矩 与透平机械转矩动态响应仿真波形
能量效率与储气罐内气体 压强的关系
构建了压缩空气储能实验系统专 用仿真平台
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全世界范围内投运或在建的压缩空气储能电站共10处（投运5处，在建5处）， 装机容量1.26GW（投运435MW, 在建825MW）。 目前，我国还没有投运的压缩空气储能电站。
名称
国 容量(MWh) 功率等级(MW)
储气装置
效率(%)
用途
Huntorf PGECAU ATK Texas Apex SustainX NextGen Adele
不足
• 储能密度低 • 需要巨大的储气室，选用地下洞穴储气，选址困难
7 / 59
1.3 压缩空气储能的作用
聚纳新能源 • 提高聚纳大规模风力发电和光伏发电系统的能力 削峰填谷 • 在负荷低谷时吸纳多余发电能力，并在高峰时向 电网馈电 增加旋转备用 • 可等效为功率和电压均可调的同步发电系统，且 响应迅速 弃风电力供暖 • 利用CAES的冷热电三联供，通过存储弃风电， 来进行供暖
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3.2 建模与效率分析
整体建模研究 • 数学上属于一类高阶强非线性系统 • 模块化的建模思想，压缩机、气路、贮气室等分别建模 • 研究气体方程中质量、能量、动量之间的关系，进而建 立各部分气动模型 • 进一步建立系统与电网接口部分及相应电动子系统的精 准模型并将储能子系统模型和发电子系统模型联立，即 可得到回热式压缩空气储能实验系统气、热、电全过程 整体模型