面向智能电网的大规模压缩空气储能技术

陈来军，梅生伟，王俊杰，卢 强

(1．电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室(清华大学电机系)，北京100084; 2．中国科学院低温工程学重点实验室(中国科学院理化技术研究所)，北京100190)

面向智能电网的大规模压缩空气储能技术

陈来军1，梅生伟1，王俊杰2，卢 强1

(1．电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室(清华大学电机系)，北京100084; 2．中国科学院低温工程学重点实验室(中国科学院理化技术研究所)，北京100190)

风能、太阳能等新能源发电具有波动性和间歇性，大规模新能源的开发和利用给电力系统的安全稳定运行带来了严峻的挑战。规模化的电能存储是解决这一问题的重要手段之一。在分析典型储能方式特点和利弊的基础上，指出压缩空气储能有望成为诸多储能手段中的最佳选择之一。本文提出了电能品位与储能效益的概念。简要回顾了压缩空气储能的国内外发展现状，重点介绍了非补燃式压缩空气储能技术，展望了该技术在智能电网中的应用前景并指出了发展大规模压缩空气储能尚需研究的关键技术，以期推动该技术在智能电网建设中的大规模应用。

新能源接入;电能品位;压缩空气储能;智能电网

1 引言

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［1，2］。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一。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［3］。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式中电能转换效率最高，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最佳选择。

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。最后，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℃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，不得不低价出售，甚至弃电，属于低品位电能。各种储能方式的重要作用之一，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:

式中，VH为某时段该储能方式所供给的高品位电能的价值(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;η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。

从式(1)可以看出，虽然抽水蓄能电站的效率小于1(一般为75%)，但由于峰谷电价差别较大，且运行成本较低，故其效益通常大于1.0。对于蓄能电池而言，虽然其电能转换效率较高(超过90%)，但由于建设成本和运维成本C过高，导致其在大规模储能方面的效益大打折扣。

特别地，若在某个时段用的不是低谷电，而是原本欲弃掉的风电、光电或水电(例如，2012年春季新安江电站弃水，该时段的电价为0.02元/(kW· h))，则即使该储能方式的转换效率稍低，也仍然能取得较大的储能效益。在此背景下，若不具备建设抽水蓄能电站的条件，压缩空气储能不失为一种经济性较高的选择。

3 压缩空气储能技术概况

压缩空气储能发电系统的基本原理与抽水蓄能相似，当电力系统用电负荷处于低谷时，驱动空气压缩机将电能转化为压缩空气的内能存储起来;当用电负荷达到高峰时，则将高压空气释放出来，驱动汽轮发电机组发电，以满足负荷需求。

当前，德国和美国已建有相当规模的商业运行压缩空气储能电站，日本也已建成一定规模的压缩空气储能试验电站。表1给出了目前国外投运的有关压缩空气储能电站的综合比较［4，5］。

表1 国外建成典型的压缩空气储能电站Tab．1 Typical compressed air energy storage systems abroad

从表1中可以看到，国外建成的压缩空气储能电站多采用地下洞穴作为储气空间，且均在发电环节采用天然气补燃的方式提高燃气轮机效率。

虽然国外在压缩空气储能领域走在前列，但其发展历程也并非一帆风顺。2003年，美国Iowa州开始建设270MW的压缩空气储能电站，历时8年，于2011年因地质条件及经济性原因中止［6］。2009年，美国Ohio州开始建设装机容量为270MW的压缩空气储能电站。2013年，First Energy公司宣布因经济性考虑暂停建设该电站［7］。

随着技术的进步以及电网对大规模储能需求的日益迫切，国外压缩空气储能的研究又掀起一股热潮。德国最大的电力公司RWE Power于2010年启动了一项名为ADELE的项目，采用绝热压缩技术，以期将系统效率提高至70%［8］。2011年，美国的压缩空气储能技术公司SustainX在等温压缩空气储能技术方面取得重大进展［9］。

近年来，我国也开始关注压缩空气储能技术。2009年，中国科学院工程热物理研究所开始研究超临界压缩空气储能技术，综合了常规压缩空气储能和液化空气储能技术。目前，该研究所已基本建成15kW的储能实验系统，正在建设1.5MW的示范系统［10］。2012年7月，国家电网公司设立重大科技专项，由清华大学牵头，联合中国电力科学研究院、中国科学院理化技术研究所开展大规模压缩空气储能发电系统关键技术研究，首期建设500kW非补燃式压缩空气储能示范系统。

总的来看，我国对压缩空气储能技术的研究起步较晚，但可以借鉴国外的成熟技术和丰富经验，研究面向我国智能电网的大规模压缩空气储能技术。

4 非补燃式压缩空气储能发电技术

需要指出的是，现有商业化运行的压缩空气储能电站为了提高运行效率，大多采用天然气补燃的方式提高燃气轮机进口气体的温度和压力，电站的建设需要有相应的天然气气源作为配套，且运行过程中的天然气补燃环节会增加大量的碳排放。在当前节能减排的大背景下，本文倡导采用非补燃式压缩空气储能技术替代传统的压缩空气储能，其基本原理如图1所示。

图1 非补燃式压缩空气储能原理图Fig．1 Illustration of non-afterburning CAES

概略地讲，该系统主要由空气压缩子系统、高压储气子系统、透平发电子系统以及回热利用子系统四大部分构成。分别简要介绍如下:

(1)空气压缩子系统

该子系统主要由异步电动机驱动的空气压缩机构成，利用弃风电、弃光电、弃水电以及电网低谷电工作。一般而言，压缩机的输入为常温、常压的空气，输出则为高温、高压空气。由于空气压力的提高往往伴随着温度的升高，为了缓解空气温度过高给压缩机带来的安全隐患，通常采用多级压缩的方式，逐级提高空气压力。

(2)高压储气子系统

为了存放压缩机输出的高压空气，需要构建合适的储气空间。对于分散式的压缩空气储能系统，可以采用钢质压力容器，其耐压能力高达几十兆帕，故可通过提高储气压强来减小对储气空间的需求。对于集中式的压缩空气储能系统，若采用钢制气罐，则成本十分高昂，需充分利用已有的储气空间来降低成本，如天然的岩洞、矿物开采过程中产生的矿洞等，这些储气空间虽然没有钢质储气罐耐压高，一般仅为十几个兆帕，但其体积往往高达几十万立方米，储能容量十分可观。

(3)透平发电子系统

该子系统主要由空气透平和同步发电机组构成。储气空间的高压空气通过节流阀减压后驱动空气透平做功，带动同步发电机旋转发电。此外，为保持发电系统输出电压和功率的平稳，该系统还配有气门开度控制器和发电机励磁控制器。对于分散式压缩空气储能，由于其系统容量较小，透平转速相对较高，常常高达几万转，为此，还需配备相应的减速器，以便降速后作为原动机驱动同步发电机。

(4)回热利用子系统

为了充分将压缩空气中储存的能量转换为电能，一般希望透平出口处的空气接近常温、常压。然而，当压缩空气由几十兆帕的高压膨胀做功至常压时，透平出口处的空气温度将会远远低于0℃。为此，通常采用多级膨胀并加热空气的方式，逐级降低空气压强，以获得合适的输出空气温度。传统的压缩空气储能技术即在此环节采用天然气补燃来加热压缩空气。

在国家电网500kW压缩空气储能示范系统中，采用水作为回热利用的储热介质。具体地，在压缩过程中，压缩机各级出口处的高温空气通过换热器对储热介质进行加热后存入具有保温功能的水罐中。在发电过程中，则通过换热器将存储在热水中的热量取出并用来加热各级透平入口处的空气，从而实现压缩热的回收和利用。

值得一提的是，安徽省芜湖市国家级高新技术开发区为该示范系统提供了建设场地和基础条件。目前，该示范系统中各大关键设备均已试制完成并陆续运抵现场，系统联调的各项准备工作正在有条不紊地进行，预计2014年夏季实现并网发电。

5 压缩空气储能应用前景

压缩空气储能具有容量大、寿命长、运行成本低、零碳排等诸多优点，在智能电网建设中具有广阔的应用前景。

(1)削峰填谷

当前，为了满足每年夏季的短时用电高峰，需要投入巨资增加装机容量，而该部分供电能力的年平均利用率却极低。另一方面，在用电低谷时大量的电能又不能得到有效利用，造成资源的极大浪费。

集中式压缩空气储能单机容量可达100MW量级，发电时间可达数小时，高出传统蓄电池储能1～2个数量级。若在具备大容量岩洞或矿洞的地区建设集中式压缩空气储能电站，则可在电力系统负荷低谷时消纳富余电力，在负荷高峰时向电网馈电，起到“削峰填谷”的作用，促进电力系统的经济运行。

(2)消纳新能源

据测算，为实现2020年非化石能源占我国能源消费总量15%的目标，除大力开发西南水电外，风电和太阳能装机容量需达到1500GW和20GW［11］。如此大规模的新能源发电并网将给我国电力系统运行的安全性带来严峻挑战。

分散式压缩空气储能采用钢制储气罐作为储气空间，其建设对外部环境和资源的要求很低，主要原料为空气，随处可取且取之不尽。若将分散式压缩空气储能的容量配置为几个兆瓦到几十个兆瓦，并与光伏电站、风电场、水电站等配套建设，再辅之以“风、光、水、储”协同自律控制［12］，则可极大地缓解当前的弃风、弃光和弃水现象，使低品位的“垃圾电”变为高品位的电能。

(3)构建独立电力系统

除用于常规的电力系统之外，压缩空气储能还可用于沙漠、山区、海岛等特殊场合的电力系统。该类场合由于地处偏远或环境恶劣，远距离输电成本很高，采用独立电力系统的供电方式往往更加经济。然而，由于该类电力系统中的电源构成主要为光伏、风电和潮汐发电，波动性较强，需要配之以合适的储能系统才能稳定可靠地提供电能。

沙漠地区水资源匮乏，无法建设抽水蓄能。山区地理条件复杂，频繁更新蓄电池的代价很高。海岛等旅游胜地对环保要求一般较高，很难接受蓄电池后期处理带来的污染。在此情况下，若采用压缩空气储能配合风力发电、光伏发电、潮汐发电等清洁能源，则有望构建低碳环保的冷-热-电三联供独立电力系统。

6 压缩空气储能关键技术

虽然压缩空气储能技术应用前景非常广阔，但其大规模应用尚有大量关键技术需要深入研究。

6.1 提高CAES效率的关键技术

从式(1)中可以看出，压缩空气储能系统的效率η直接影响到该储能方式的效益。为此，需要深入研究影响压缩空气储能效率的关键因素。这其中压缩空气储能总体流程的优化设计及各子系统接口参数的优化配置显得尤为重要。

(1)总体流程的优化设计

在空气压缩子系统中，需要考虑不同的压缩方式(如等温压缩与绝热压缩)、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。

(2)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，以达到总体效率最高。

6.2 提高CAES经济性的关键技术

(1)地下洞穴储气技术

从式(1)中可以看出，压缩空气储能系统的建设和运维成本C直接影响到该储能方式的效益。对于大规模压缩空气储能，若采用常规钢质储气罐，则成本太高。国外商业运行的压缩空气储能电站多采用地下洞穴作为储气空间。我国地下洞穴资源较为丰富，目前多用作天然气储备库。如在大港油田利用枯竭凝析气藏建成的天津大张坨地下储气库，位于地下2565m，设计运行压力15～29MPa，总库容达到17.81亿m3［13］;中石油在江苏金坛利用水溶开采地下盐矿形成的盐穴作为天然气储备库，设计总库容26亿m3，已投入使用的库容为1.6亿m3，储气压力可达14.5MPa［14］。若能借鉴天然气储备库的有关技术利用地下洞穴作为储气空间，则有望极大地提高压缩空气储能的经济性。

(2)优化控制与调度技术

压缩空气储能的特点决定了其需要利用弃风电、弃光电、弃水电及低谷电进行压缩，在负荷高峰时进行发电才能产生经济效益，其运行过程中所生产的高品位电能的多少以及高低品位电能价格的差异也是影响其经济性的重要因素。然而，压缩空气储能的运行状态受其自身参数(压缩能力、发电容量、储气容量)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

(1)空气干燥及除尘技术

一般情况下，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。

(2)高压储气空间的探伤和修复技术

作为系统中承载压力最高、承压时间最长的组成部分，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。

(3)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，有望建成我国第一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。

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［14］http://www． caijing． com． cn/2010-12-09/ 110587942．html．

2014分布式电源与主动配电网国际学术会议征文通知

中国电工技术学会定于2014年9月13－14日(12日报到)在昆明举办2014分布式电源与主动配电网国际学术会议。本次会议针对分布式电源接入技术、主动配电网规划和运行控制技术、主动配电网市场运营模式、适用于主动配电网的电力电子技术及风力发电、光伏发电等，深入讨论其在应用与发展中存在的关键问题，进一步推动我国分布式电源与主动配电网的发展。投稿截止时间:2014年6月23日。请各有关单位及作者积极参与，踊跃投稿。详情请登陆http://www．ces－conference．com:8000/Default．aspx

优秀论文评选:本次会议学术委员会将对报送的论文进行评审，评选出的优秀论文将在《电工技术学报》发表，并颁发优秀论文证书。其余录用论文将在《电力系统保护与控制》、《电工电能新技术》等核心期刊发表。

联系人:中国电工技术学会学术部:付艳东，孙谊

电 话:010-68594856，010-68595305

电子信箱:fuyd@mei．net．cn，suny@mei．net．cn

Smart grid oriented large-scale compressed air energy storage technology

CHEN Lai-jun1，MEI Sheng-wei1，WANG Jun-jie2，LU Qiang1
(1．State Key Lab of Control and Simulation of Power Systems and Generation Equipments(Dept．of Electrical Engineering，Tsinghua University)，Beijing 100084，China;2．Key Laboratory of Cryogenics，Technical Institute of Physics and Chemistry，CAS，Beijing 100190，China)

Wind，solar and other types of new energy sources are volatile and intermittent，and large-scale development and utilization of those new energy introduces a serious challenge to the security and stability of the power system operation．Large-scale energy storage is known as the most effective way to solve this problem．The compressed air energy storage(CAES)is expected to be the best choice in all the large-scale energy storage techniques concerning the aspects of economy，technology maturity and environmental impact．The concept of electricity grade and energy storage efficiency is proposed to reach an in-depth understanding of the advantages and disadvantages of different energy storage means．The development of compressed air energy storage is briefly reviewed and the non-afterburning CAES technology adopted in the 500kW demonstration project of State Grid Corporation is introduced．Then，the prospects of potential applications of CAES are pointed out and the key technologies need to be studied are discussed，so as to promote large-scale application of the CAES in the smart grid．

new energy integration;electricity grade;compressed air energy storage;smart grid

TM74

A

1003-3076(2014)06-0001-06

2014-01-26

国家电网公司科技项目(KJ-2012-627)、中国科学院低温工程学重点实验室(理化所)开放基金(CRYO201311)资助项目

陈来军(1984-)，男，湖北籍，助理研究员，博士，研究方向为电力系统仿真分析，大规模储能技术;梅生伟(1964-)，男，河南籍，教授，博士生导师，主要研究方向为电力系统分析与控制。