典型园区冷热电储能系统特性分析与建模

丁爱飞

（1.国电南瑞吉电新能源（南京）有限公司，江苏 南京 211106；2.国电南瑞科技股份有限公司，江苏 南京 211106）

为满足我国的“30·60”碳达峰、碳中和目标[1]，解决能源供应问题，增加新能源消费比例、提高能源综合利用率至关重要。储能技术是实现新型电力系统和“30·60双碳目标”的核心技术，也是综合能源系统中的关键技术环节。虽然分布式能源在能效使用、损耗减少、环境污染减轻、运作灵活性方面具有优势，但在其发展中也面临着能源供应不稳定和能源利用效益低的问题[2]。储能被认为是解决这些问题的有效方式，具有快速响应和精确补偿的优点[3]，能够有效解决分布式能源的一系列问题。然而，储能系统的实际应用却面临很多挑战。首先，由于应用环境的多样性和复杂性，因此每个不同的应用场景都有其独特需求。其次，如何有效地组合和配置各类能源形式并优化其运行策略，以最大程度发挥其效益，也是一个亟待解决的问题。

针对这些问题，该文对典型园区冷热电储能系统的特性进行了深入分析，并以此为基础，建立各元件冷-热-电能源形式的等效模型，为园区冷热电储能系统的应用提供重要的理论依据和技术支持。

1 典型储能系统特性分析

分布式储能的运行情况对其被应用的场景环境有显著的依赖性[4]，例如热电联供场景、消耗可再生能源场景、削峰填谷和后备电源等场景。该文选取预制舱式储能系统、高温相变复合储热系统和液化空气储能系统进行分析，建立典型储能系统数据库，在不同的应用场景中配置适合的储能可以最大限度地发挥其作用。

1.1 预制舱式储能系统

预制舱因其紧凑的结构和占地面积小的特点，在储能系统多样化的应用场景中具有较大优势。预制舱还能够实现“工厂化预制、模块化建设”，缩短建设周期。

预制舱储能系统一体化安全管控策略主要考虑如下方面：1）针对热失控问题，可以采用物理降温方式控制燃爆方向发展。2）加强电管理，包括电池荷电状态（SOC）、电池健康状态（SOH）、电池功率状态（SOP）等，基于大量试验数据做人工智能算法，进行状态估计，并在使用过程中用算法进行优化。3）热管理方面，将冷却介质和灭火器深入一些模组里，以加强热管理并达到冷却效果。4）防护方面，利用相关的电池阻燃隔热方式。5）消防方面，采用气液复合方式降温并可抑制复燃。除针对电池储能内部整体安全进行保护防控外，预制舱外部还采用复合材料包覆，内部增加阻隔，以此尽量减少相互影响。

预制舱式储能系统由多套混合储能系统组成，每套混合储能系统都包括储能单元和相应的配电单元，共同放置在一个集装箱内。超级电容储能装置由超级电容模组、超级电容管理系统（CMS）、机柜及控制回路等部分组成。锂电池储能系统由电池组、电池管理系系统（BMS）和总控柜组成。超级电容显影速度快，但能量密度低；锂电池相应速度慢，但能量密度高。由超级电容储能装置和锂电池储能系统构建的混合储能系统[5]能够有效满足小型电网系统对能量和功率特性的双重要求，同时解决电网中电压和频率的波动问题。采用滤波器将波动的储能系统整体功率指令分解为高频分量和低频分量，并采用计划功率差额控制策略，通过对功率变化的频率检测，确定功率指令由电池储能系统或超级电容储能系统执行，从而达到协调2 种储能平抑功率的目的。

1.2 高温相变复合储热系统

相变蓄热是一种建立在相变储能材料上的先进储能技术，主要类别包括显热蓄热、热化学蓄热以及相变蓄热，其储热密度远超显热蓄热。因为其能有效解决能源供应时间和空间的冲突，所以被认为是提升能源效率的关键方式之一，尤其在热能供应不连续或供需匹配问题上，它的优势尤为明显。得益于其稳定的温度表现和高蓄热密度，该系统受到了广泛的关注和研究。

蓄热技术是提升能源效率和环保的关键技术，它解决了热能供需失配的问题，广泛应用于太阳能利用、电力调峰、废热、余热的回收利用和工业、民用建筑的节能。其主要方法包括显热蓄热、潜热蓄热和化学反应蓄热。显热蓄热通过物质温度升高来储存热量，简单且成本低，但储热量小。化学反应蓄热利用可逆化学反应储存热能，是一种高密度高能量的蓄热方式，储能密度高于显热和潜热。潜热蓄热利用物质相变过程吸收或放出潜热储存能量，储热量非常大且放热温度恒定，但储热介质可能存在过冷、相分离且易老化等问题。

根据应用温度的区间，潜热蓄热材料（也称为相变蓄热）可以被分类为高温、中温和低温3 个种类。高温的相变材料显示出一定的高温抗腐蚀特性，通常需要进行封闭式包装保护处理。这种经封装处理的相变材料拥有众多优势[6]，受到广泛研究，具有广阔的应用前景。

装置采用自主研发的高温相变储热材料，相变温度710℃、平均储热密度1077kJ/kg。工程首次采用相变蓄热技术吸收式制冷技术，以实现热能的高密度存储与综合利用，其控制功能先进，具有气候自动补偿、分时段控制等控制功能，可进行热、冷的按需供应，提升系统运行经济性。

高温相变储热装置分为夏季供冷和供给供暖2 种工况，提高了设备利用率和效益，并以热能高效存储为核心，可实现用户用冷、用热负荷的灵活可控，发挥移峰填谷作用；使负荷跟踪新能源出力，提高新能源消纳能力；推进再电气化，服务新能源发展。项目对解决燃煤燃气带来的大气环境污染问题、提高电力清洁供暖的经济性和技术推广性具有较好的借鉴意义。

1.3 液化空气储能系统

目前储存可再生能源的方式较多，但绝大多数储能技术在存储间歇性可再生能源方面均面临巨大挑战，同时也会受地理环境条件的制约。而液化空气储能技术是一种解决可再生能源间歇性存储问题的有效方法。

液化空气储能系统的运行主要分为3 个阶段：液化阶段、储能阶段和电力恢复阶段。1）液化阶段。空气液化装置对环境中的空气进行清洁和压缩，并在热交换器中与源于气液分离器和蓄冷装置的冷空气进行热交换冷却。然后经过膨胀机和节流阀，在气液分离器中将该过程中分化产生的气态和液态进行分离。分离后的冷空气会返回热交换器中，用于冷却由压缩机压缩的空气。2）储能阶段。经分离得到的液态形式空气流入液化空气储罐，使消耗的电能转化为冷能的形式进行储存。3）电力恢复阶段。储存在低温储罐中的液态空气被引出，经过低温泵加压后送入气化热交换器吸收热能并转化为气体，进入热交换器进一步进行升温升压。然后高压气体流入透平，从而驱动发电机发出电能。从透平中出来的高温空气经热交换器和气化热交换器冷却后流入蓄冷装置，与热交换器中被压缩机压缩的空气进行热能交换。基于液化空气储能的冷热电气综合利用装置流程如图1 所示。

图1 基于液化空气储能的冷热电气综合利用装置流程

液化空气储能循环是林德循环（液化阶段）和朗肯循环（电力恢复阶段）的结合，但液化阶段并非完全符合传统的林德循环，膨胀机出口的冷空气和在朗肯循环中损耗的部分有效能被用于冷却膨胀机的入口空气。因此，林德循环的有效能输入来自朗肯循环和压缩机。实际的功效受外部环境的影响和实际循环效率的制约而降低。除去内部循环的不可逆损耗，林德循环出口的有效能以液态空气的形式存在。在朗肯循环中，透平的输出功不仅源于液化阶段的能量输入，还包括来自外部环境的热量输入，同时也会有有效能的损耗，其大小超过输入热交换器中的有效能，因此需要充分利用热交换器中的有效能，以提升循环效率。朗肯循环的有效能损耗会受透平入口压力的影响，高压会导致低损失。在高压、高饱和温度下，有效能损失较小。液化空气储能循环表明，液化过程所需功大于液态空气膨胀做的功，即使绝热膨胀。因此，需要通过联合液化和膨胀过程，使用热力恢复来提升整体效率。

液化空气储能使用的能量存储媒介没有化石能源的参与，使用的是环境空气。通常，环境空气与液态空气的转化比为700 ∶1，因此以液态空气作为媒介具有较高的能量存储密度。

液化空气储能系统具有如下特点：1）通过蓄热、蓄冷等技术实现园区冷热电气的综合供给，满足用户多样化能源需求。2）利用超低温蓄冷技术，储冷温度可达负150℃。3）采用低损耗换热技术设计了高效蒸发器，以实现高压力、小温差换热。4）采用高负荷、宽工况级间再热膨胀发电机组设计，解决透平膨胀机偏离额定工况时的效率下降问题，使调节高效、灵活。

该系统以压缩空气储能装置为核心，利用园区内光伏、光热和风电等新能源，实现用户用冷、用热负荷的灵活可控，发挥移峰填谷作用。

2 典型储能系统的等效模型

在特性分析的基础上建立预制舱式储能系统、高温相变复合储热系统和液化空气储能系统的等效模型。

2.1 预制舱式储能系统模型

预制舱式储能系统由多个混合储能系统构建而成，由超级电容储能系统和锂电池储能系统组成的混合储能系统包括储能单元和相应的配电单元，二者共同放置于一个集装箱内，其等效模型如公式（1）～公式（4）所示。

2.2 高温相变复合储热系统模型

在电力使用的低峰时段，高温相变蓄热复合系统通过电热元件将电能转化为高温热能，并将其储藏在复合相变蓄热物质单元中。当热能需求增加时，通过板式热交换器进行热交换，并将其传递到用户侧。高温相变复合储热系统等效模型如公式（5）～公式（12）所示。

高温相变储热装置的工作流程分为储热和释热。1）储热过程：启动电加热元件，将电能转化为热能，存储于高温相变砖。2）释热过程：关闭电加热元件，通过空气将相变砖内的热量导出，利用气-水换热器进行热交换，达到供热目的。

高温相变储热装置的运行工况分为夏季模式和冬季模式。1）夏季模式：蓄热电锅炉与溴化锂机组联合运行可实现制冷，蓄热电锅炉输出功率240kW，供水/回水温度120℃/69℃，供水压力200kPa。2）冬季工况：蓄热电锅炉单独运行，为区域用户供暖，额定输出功率167kW，供暖水出水/回水温度60℃/50℃。

2.3 液化空气储能模型

液化空气储能系统拥有供电、供热和供冷3 种运行模式。在供电模式下，系统存热全部用于提升膨胀发电机的输出电能；在供热和供冷模式下，系统利用高温热水储热，然后通过溴化锂冷双供机组向区域供热或供冷。当溴化锂机组制冷不足时，则通过膨胀发电机组减少部分发电量，进而膨胀空气来制冷。液化空气储能系统的等效模型如公式（13）～公式（22）所示。

式中：PLAS，t代表压缩机所耗用的电能；代表生成的热能（流入储热罐的热能）；kcom代表压缩机的压缩比；代表储热罐流出的热能量总和；SLAS，t代表储热罐中储存的热能量；kL代表热损耗系数；代表储热罐能量存储最大值；代表储热罐的双态状态变量；HHST_EG，t和HHST_LB，t分别代表从储热罐转移至膨胀发电机和溴化锂机组的热能量；ηEG、ηEG_E和ηEG_C分别代表膨胀发电机热能转换效率、热电转换效率和热冷转换效率；PEG，t和QEG，t分别代表输出的电能和冷能；ηLB、ηLB_H和ηLB_C分别代表溴化锂机组热能转换效率、热转换效率和冷转换效率；HLB，t和QLB，t分别代表转换的热和冷。

3 结语

该文首先分析了预制舱式储能系统、高温相变复合储热系统和液化空气储能系统这3 种典型储能的运行特性，并针对不同应用场景和需求建立典型应用场景库。其次构建了典型储能系统等效模型，在应用层面为园区冷热电储能系统提供理论依据和技术支持。