CN102359437A

CN102359437A - 风力发电和压缩空气储能的一体化系统及集成方法

Info

Publication number: CN102359437A
Application number: CN2011102607655A
Authority: CN
Inventors: 刘文毅; 杨勇平; 徐钢; 李守成; 张伟德; 黄健
Original assignee: North China Electric Power University
Current assignee: North China Electric Power University
Priority date: 2011-09-05
Filing date: 2011-09-05
Publication date: 2012-02-22
Anticipated expiration: 2031-09-05
Also published as: CN102359437B

Abstract

本发明公开了属于可再生能源发电利用领域的一种风力发电和压缩空气储能的一体化系统及集成方法。一体化系统主要由风电场，压气机系统，储气室，燃气透平和发电机组成。将不稳定风电通过压缩空气储能转变为稳定、高品质调峰电能的发电方法。当电网负荷低时，可将部分或全部风电用来压缩空气，在用电高峰时释放出来驱动燃气透平发电。其调峰能力强大、其存在对于电网大规模接收风电、以及电网调峰能力和安全性能的提高作用巨大。同时，采用多级压缩、级间冷却的方式且各级压比近似相等、各级容量/转速维持恒定比例，从而保证压气机系统可利用不连续风电实现空气的高效稳定压缩。

Description

风力发电和压缩空气储能的一体化系统及集成方法

技术领域

本发明属于可再生能源利用的发电领域，特别涉及一种风力发电和压缩空气储能的一体化系统及集成方法。具体说，主要利用风电场过剩的剩余电力进行压缩空气储能，在用电高峰时释放出来驱动燃气透平发电。从而实现风能发电的优化利用。

技术背景

风能是清洁的可再生能源，其发电成本低，我国风能资源量丰富，且风电技术较为成熟，截至2010年底我国的风力发电装机以4183万千瓦超越美国成为全球第一风电大国。根据国家《新能源产业振兴规划《草案，2020年我国风电总装机容量将达1.5亿千瓦，因此未来风电将是我国重点发展的可再生能源发电方式，其发展的规模与速度，将直接关系到我国节能减排战略和国家关于调整和优化能源结构，提高可再生能源比例的目标。

然而，在风电快速发展中，暴露出诸多问题，风能作为可再生能源之一，存在间歇性和稳定性差两个致命的问题，在电网的高负荷需求时期，风电是不可靠的，在低负荷时期却可能发出大量电网难以消纳的功率。这样，大规模依赖风能发电的电网可能会产生严重的安全性与稳定性问题，大规模风电送出消纳的矛盾日益突出，“弃风”的问题逐渐严重。据统计，近年来风电企业弃电量约占应发电总量的1/3，造成巨量的资源浪费，同时对电网安全稳定运行和风电的可持续发展提出双重挑战。由于风力资源的不稳定性，电力蓄能是制约风电大规模利用的最主要瓶颈之一。如何利用蓄能技术将这些间歇式能源“拼接”起来，并稳定地输出，是提高可再生能源比例和可再生能源大规模利用必须解决的问题。

通过使用蓄能系统可极大地避免以上缺点。然而电能的储蓄是困难而又昂贵的，如使用最常用的蓄电方式-铅酸电池，虽然其技术已达到相当成熟的阶段，然而规模、成本等因素限制了其在远程独立程序中的应用，其每千瓦时的成本为几百美元，用于大功率储能几乎不可能。此外，电池维护和自放电也是与之相关的技术瓶颈，同时还会对环境造成威胁。

压缩空气储能(CAES)是一种公认的有潜力的大规模储能方式，它的储能成本较低，对环境的污染很小。在一个典型的压缩空气系统中，在电网的低负荷时期，一部分电能用来驱动空气压缩机。压缩的空气储存在某种特定的空间(如地下溶洞或人造的储气室等)里。然后，在用电高峰时期，压缩的高压空气被释放出来，经过膨胀驱动透平发电。压缩空气蓄能系统要使用气体燃料，通常是天然气，与在压缩空气中燃烧以提高压缩空气的温度，从而提高系统的效率。与传统的燃气轮机发电不同，CAES系统通过储气室提供压缩空气，减少了机组运行时的燃料需求。

我国风能储备丰富，且分布均匀，为了实现风力发电的优质利用，提出一种风力发电和大规模蓄能的一体化系统及集成方法是非常重要的，这种系统当电网处于用电低谷时，通过风电与压缩空气储能系统的集成，用部分或全部的风电驱动多级压气机系统压缩空气、并将高压空气储存起来；在用电高峰时，释放出来驱动燃气透平发电供给电网。这样的系统大大地提高了风能的利用率与效益、同时也大幅提高了电网的安全性与稳定性。

发明内容

本发明的目的提出一种风力发电和压缩空气储能的一体化系统及集成方法，其特征在于：

1)首先将风电场与压缩空气系统结合，构成风力发电与压缩空气储能一体化系统；

2)当电网处于用电低谷时，通过风力发电与压缩空气储能一体化系统，用部分或全部的风力发电驱动多级压气机系统压缩空气、并将高压空气储存于大型储气室，形成压缩空气储能(CAES)；

3)在用电高峰时，将大型储气室的高压空气释放出来，驱动燃气透平发电，供给电网；由于燃气轮机本身就具有启动快、容量的特点，而CAES中由于压气机和燃气透平不同轴，可进一步加快燃气透平的加负荷速度；可实现在数分钟内启动加满负荷，因此其调峰能力大、可大幅提高电网调峰能力和电网安全性；同时，燃气轮机所消耗的燃气要比常规燃气轮机少40-60％。

所述风电场与压缩空气系统结合的关键在于风电场与压气机的耦合作用，所述的压气机系统分为三级压缩，每级压比近似相等，为3-7；采用容积式压缩机，各级之间通过压气机台数和转速比的不同设置来适应整个压气过程中空气容积的变化。

所述风力发电与压缩空气储能一体化系统的组成：风电场1分别与压气机变压器2和电用户11连接，压气机变压器2与压气机系统3、换热器4、地下储气室5、预热器6和燃烧室7串联，燃烧室7分别连接燃料罐8和燃气透平9，燃气透平9连接发电机10，发电机10输出连接至电网11，形成风力发电与压缩空气储能一体化系统。

所述的压气机系统由第一级压气机12、第一级间冷却器13、第二级压气机14、第二级间冷却器15和第三级压气机16串联组成，

所述压气机系统采用每级压比为5、采用相同转速时，此时三级压气机台数为：第一级压缩机25台，第二级5台，第三级1台，通过三级压缩后，空气由最初的1个大气压，变为125个大气压的高压气体，通过换热冷却后，打入地下储气室储存。

本发明的有益效果是风能的能量转换效益提高，能量转换效益可以进一步划分为两部分：(1)调峰效益，就是CAES电站替代峰荷火力发电时产生的节煤效益以及对电网安全性、稳定性增强以及供电质量提高带来的效益，且可以降低投资费用、减少排放；(2)填谷效益，由于CAES的蓄能使原来只能被丢弃的风电得以充分利用，提高了风电运行效益。相对于之前在用电低谷时风电由于电网无法消纳而发生弃电等浪费现象，现在用CAES把这部分风电贮存起来，并转换成峰值电，能量转换效益巨大。因而新系统可进一步促进可再生能源发电的发展。

附图说明

图1是风电压缩空气蓄能系统示意图。

图2是压气机系统具体布置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步详细描述本发明。

图1为风能压缩空气蓄能一体化发电系统示意图。风电场1发出的风电，当在用电负荷较高、电网能消纳时首先供给用电户使用，在用电低谷、电网无法消纳时，风能发出的多余的电直接输送给压气机变压器2、再用于驱动各级空气压缩机，压气机系统3由第一级压缩机组12、第一级间冷却器13、第二级压缩机组14、第二级间冷却器15和第三级压缩机组16串联组成、(如图1所示，具体布置方式如图2所示)，绝热压缩过程中产生的热量通过换热器4被低温工质(通常是冷却水)吸收，冷却的压缩空气经过管道储存在储气室5中，在以上过程中，电能转化为空气的压力能储存起来。在电网处于高峰时期，储存的压缩空气就能释放出来驱动燃气透平发电，具体过程如下：高压的压缩空气从储气室5释放出来，首先经过预热器6，温度升高，与燃料罐8中的燃料混合进入燃烧室7，燃烧室产生高温高压的燃气推动燃气透平9做功，与燃气透平同轴的发电机10就开始产生电能，从而达到调峰的目的。

为了达到调峰目的，CAES系统所选的压缩空气的压力一般为100个大气压以上，基于降低空气压缩耗能的考虑，本压气机系统采用多级压缩与级间冷却的方式布置以达到省功的效果。本压气机系统采用三级压缩，容积式压缩机采用近似相等的压缩比，在3-7之间选择。以每级压缩比为5、最终的压缩空气压力为125bar。

实施例1各级压气机转速相同的方案，

三级的压比均为5，根据压缩比与空气容积的变化，即压力与体积近似成反比，从而图2中压缩机的数量就能够确定：如第一级压缩机组12共25台，经过第一级间冷却器13，温度降至常温，再到第二级压缩机组14共5台，经过第二级间冷却器15，温度再降至常温，最后进入第三级压缩机组16共1台，制造出符合要求的125bar的高压压缩空气，通过三级换热冷却后，打入地下储气室储存，至此，31台空气压缩机全部由多余的风电来驱动，风电与压气机的耦合得以实现。

实施例2采用前两级台数相同、后两级转速相同方案，

三级的压比均为5，如第一、二级压缩机都是5台，其第二级转速与第一级保持5∶1的转速比；第三级1台，其转速与第二级转速近似相等；通过三级压缩后，空气由最初的1个大气压，变为125个大气压的高压气体，通过三级换热冷却后，打入地下储气室储存，至此，11台空气压缩机全部由多余的风电来驱动，风电与压气机的耦合得以实现。

实施例3各级台数、转速也可自由设定，可产生多种台数及转速设定方案，

三级的压比均为5，如三级台数比例为5∶5∶1、而三级转速比例为5∶1∶1；或者三级台数比为25∶5∶5、三级转速比为：5∶5∶1；但各级转速比保持恒定比例，从而保证压气机系统的稳定运行。

综上所述，通过这种多级压缩，级间冷却的方式，保证压气能机尽可在定温压缩下工作，可以降低压气机耗功，实现电能向压缩功的高效转化。而在风电输入量变化时，各级转速将随之同步变化，产生高压空气的量随之变化；但各级压比保持不变，从而保证压气机系统平稳运行、产生压力稳定的高压空气。

本发明可用其他的不违背本发明的思想和主要特征的具体形式来概述。因此，本发明的上述实施方案是对本发明进行说明，并非对本发明进行限定。权利要求书指出了本发明要求保护的构思和范围。

而上述的说明并未全部指出本发明的范围。因此，在与本发明的权利要求书相当的含义和范围内的任何改变，都应认为是包括在权利要求书的范围内。

Claims

1.一种风力发电和压缩空气储能的一体化系统，其特征在于，所述风力发电与压缩空气储能一体化系统的组成：风电场(1)分别与压气机变压器(2)和电网(11)连接，压气机变压器(2)与压气机系统(3)、换热器(4)、地下储气室(5)、预热器(6)和燃烧室(7)串联，燃烧室(7)分别连接燃料罐(8)和燃气透平(9)，燃气透平(9)连接发电机(10)，发电机(10)输出连接至电网(11)，形成风力发电与压缩空气储能一体化系统。

2.根据权利要求1所述风力发电和压缩空气储能的一体化系统，其特征在于，所述的压气机系统由第一级压气机(12)、第一级间冷却器(13)、第二级压气机(14)、第二级间冷却器(15)和第三级压气机(16)串联组成。

3.一种风力发电和压缩空气储能的集成方法，其特征在于：

2)当电网处于用电低谷时，通过风力发电与压缩空气储能一体化系统，用部分或全部的风力发电驱动多级压气机系统压缩空气、并将高压空气储存于大型储气室，形成压缩空气储能CAES；

3)在用电高峰时，将大型储气室的高压空气释放出来，驱动燃气透平发电，供给电网；由于燃气轮机本身就具有启动快、容量大的特点，而CAES中由于压气机和燃气透平不同轴，可进一步加快燃气透平的加负荷速度，可实现在数分钟内启动加满负荷，因此其调峰能力大、可大幅提高电网调峰能力和电网安全性；同时，燃气轮机所消耗的燃气要比常规燃气轮机少40-60％。

4.根据权利要求3所述风力发电和压缩空气储能的集成方法，其特征在于：所述风电场与压缩空气系统结合的关键在于风电场与压气机的耦合作用，所述的压气机系统分为三级压缩，每级压比近似相等，为3-7；采用容积式压缩机，各级之间通过压气机台数和转速比的不同设置来适应整个压气过程中空气容积的变化。所述压气机系统可灵活设置每级压比及台数，如每级压比为5、采用相同转速时，此时三级压气机台数可为：第一级压缩机25台，第二级5台，第三级1台，通过三级压缩后，空气由最初的1个大气压，变为125个大气压的高压气体，通过换热冷却后，打入地下储气室储存。