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      • 头条考虑变寿命特性的先进绝热压缩空气储能电站容量规划模型
        2021-04-09 作者:尹斌鑫 苗世洪 等  |  来源:《电工技术学报》  |  点击率:
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        导语先进绝热压缩空气储能(AA-CAES)系统具有容量大、成本低、无需燃料等突出优点,具有广阔的发展应用前景。AA-CAES电站的寿命随使用方式不同而变化,而AA-CAES电站的寿命是影响其优化规划结果的重要因素,因此,研究AA-CAES电站变寿命特性具有重要意义。 华中科技大学电气与电子工程学院强电磁工程与新技术国家重点实验室、电力安全与高效湖北省重点实验室、华威大学工程学院的研究人员尹斌鑫、苗世洪、李姚旺、罗星、王吉红,在2020年第3期《电工技术学报》上撰文,考虑AA-CAES电站的变寿命特性,建立面向电力系统运行与大规模风电消纳的AA-CAES电站双层优化规划模型。 该模型在规划层面,考虑了运行工况、备用期望发生次数对AA-CAES电站寿命的影响,并研究了其对日均投资成本的影响;在调度层面,综合考虑了AA-CAES电站的备用特性,以及在起停、功率调整和工况转换等复杂运行状态下的运行限制,研究了含AA-CAES电站的电网调度策略。最后,基于某地区的典型日数据进行仿真,验证了模型的有效性。

        为了应对能源危机和环境污染问题,以风电为代表的可再生能源在全球范围内得到快速发展与推广。然而,风电的间歇性、不确定性等不友好特性,严重阻碍了其大规模应用。为此,全球多个国家已经相继启动了大规模储能系统的研发和建设。

        在诸多储能技术中,压缩空气储能(Compressed Air Energy Storage, CAES)和抽水蓄能是目前被认为比较适合大规模储能的技术。相比较而言,CAES的选址限制小,投资建设成本低,近年来受到广泛关注。

        传统CAES电站在储能阶段利用电能压缩空气并存储,在发电阶段将存储的高压空气与燃料混合燃烧后驱动膨胀机发电,存在依赖化石燃料和系统效率低两大弊端。为了解决上述弊端,先进绝热压缩空气储能(Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage, AA-CAES)应运而生。

        目前,全球已有多个国家已建成或即将建设AA-CAES电站,其中德国筹划建设ADELE示范电站,设计容量达300MW/1000MW?h,我国已建成10MW AA-CAES示范系统,下阶段计划建设100MW级AA-CAES系统。

        目前国内外已就CAES电站的规划问题进行了一些研究。

        • 有学者从经济性角度出发,研究了CAES电站应用于风电消纳的可行性。
        • 有学者根据风电并网标准,以平抑风电场功率波动为目标,对CAES电站容量进行优化。
        • 有学者以功能成本最低为目标,对含CAES电站的热电联供系统的容量进行了优化。
        • 有学者以减少岛屿风电场弃风为目标,提出了双模式CAES电站的容量优化方法。

        但是,上述文献均未考虑AA-CAES电站的变寿命特性。而AA-CAES电站优化规划结果与其使用寿命息息相关,同时,AA-CAES电站的使用方式对其寿命影响较大,因此,有必要研究AA-CAES电站使用方式对其寿命的影响机理。

        此外,上述文献中也未见针对大规模AA-CAES电站的优化规划方法,而目前多座AA-CAES电站已处于设计或研发阶段,因此,研究面向电力系统运行的AA-CAES电站优化规划方法迫在眉睫。

        华中科技大学电气与电子工程学院强电磁工程与新技术国家重点实验室、电力安全与高效湖北省重点实验室、华威大学工程学院的研究人员,首先研究了影响AA-CAES电站寿命的主要因素,建立了AA-CAES电站的变寿命模型,并分析了AA-CAES电站调度运行方式对其使用寿命的影响机理。

        考虑变寿命特性的先进绝热压缩空气储能电站容量规划模型

        图1 双层优化问题的求解流程

        在此基础上,建立了AA-CAES电站双层优化规划模型,上层计及AA-CAES电站寿命对其日均投资成本的影响,对AA-CAES电站的投资、运行维护成本与下层反馈的电网典型日运行成本之和进行优化;下层根据上层所确定的AA-CAES电站容量,进行电网典型日最优运行方式求解,并将最优运行结果反馈给上层。

        最后,基于修改的IEEE 30节点系统和某地区的典型日数据进行仿真,并验证了该双层优化模型的有效性,得到了以下结论:

        • 1)AA-CAES电站的持续运行和工况转换均会损耗其寿命,其中工况转换影响更大。AA-CAES电站作正备用的情形较多,膨胀机起停更频繁,寿命损耗更大,因此膨胀机的寿命短于压缩机。
        • 2)对AA-CAES电站的功率和容量作规划时,考虑其变寿命特性,规划结果更优——系统总成本更小,预期收益更准确。
        • 3)AA-CAES电站应用于电力系统时,不仅具有削峰填谷的能力,还具有优异的备用能力,并且在压缩工况、发电工况和停机时都能承担备用任务。在本文算例中,AA-CAES电站建成后,电网运行成本减小了35%,系统总成本减少了27%,风电消纳率由76%提升到99%以上。

        以上研究成果发表在2020年第3期《电工技术学报》,论文标题为“考虑变寿命特性的先进绝热压缩空气储能电站容量规划模型”,作者为尹斌鑫、苗世洪、李姚旺、罗星、王吉红。

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