CN113346626B - 一种带有快速响应模块的压缩空气储能系统及其运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有快速响应模块的压缩空气储能系统及其运行方法，包括变电系统、快速响应模块、空气压缩装置、高压储气容器、电加热装置、膨胀机和发电机，新能源系统发出的电能通过电缆输入到变电系统，变电系统输出端通过电缆连接到快速相应模块及空气压缩装置，空气压缩装置、高压储气容器、电加热装置和膨胀机依次连接，膨胀机与发电机通过传动轴相连，发电机输出端通过电缆连接到变电系统，变电系统输出端连接到电网侧，快速响应模块能加快压缩空气储能系统响应时间，在运行过程中消除新能源供电波动；在发电富余的时候，利用配置的压缩空气储能系统储存多余电能，解决新能源发电间歇性问题，可以实现长期稳定地向电网供应电能。

Description

一种带有快速响应模块的压缩空气储能系统及其运行方法

技术领域

本发明涉及可再生能源和压缩空气储能技术领域，具体涉及一种带有快速响应模块的压缩空气储能系统及其运行方法。

背景技术

近年来新能源装机容量迅速增加，新能源装机容量占比将持续增加。但由于新能源发电的一些固有缺点，随着新能源发电在电力供应中所占份额的不断增加，其对电网的影响和冲击也日益突出。为了解决新能源发电接入电网带来的负面影响，给新能源发电系统配置储能系统是一条有效的途径。储能装机容量亦逐渐增长以上，市场潜力巨大且市场需求极为迫切。在几种储能技术中，压缩空气储能技术具有规模大、效率高、成本低、无污染等优点，被公认为是最具发展潜力的大规模储能技术之一。

新能源发电系统具有普遍性、间歇性、不确定性的特点，需要配置的储能系统一般为功率型和容量型输出。功率型输出主要缓解新能源发电系统的波动性对电网的冲击，在系统瞬时功率过大时消耗高于限定值的功率，在系统瞬时功率过大时补充低于限定值的功率，这就要求配置的储能系统具有快速充放电的能力；容量型输出用于缓解新能源发电系统的间歇性，在新能源发电系统发电量过剩或用户需求低谷时把电能储存下来，然后在新能源发电系统发电量不足或用户需求较大时释放电能，达到削峰填谷的效果，实现电力生产和消费可以错时进行以平衡电网的电力负荷。因此，新能源发电系统加入储能技术，可以大大削弱甚至消除新能源发电接入电网带来的不利影响，提高电网稳定性和可靠性。

压缩空气储能系统受限于设备运行特性，启动时间一般为分钟级。目前已经投入商业运行的两座大规模压缩空气储能电站主要有两座，第一座是1978年在德国投入运行的Huntorf电站，配备的机组采用两级压缩两级膨胀，压缩机功率为60MW，膨胀机功率为290MW(2007年扩容至321MW)，机组可连续充气8小时，连续发电2小时，从静止到满负荷需要11分钟，冷态启动至满负荷约需6分钟，电站效率约为42％；第二座是1991年在美国投入运行的McIntosh电站，配备的压缩机功率为50MW，膨胀机功率为110MW，机组可连续充气41小时，连续发电26小时，从启动到满负荷需要9分钟，电站效率约为54％。但新能源发电站对外输出功率的波动一般为秒级甚至更短，现有的压缩空气储能系统难以满足缓解新能源发电系统波动性的要求。因此，使压缩空气储能系统具有快速响应的能力成为满足新能源电站的功率型需求的一个关键问题。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种带有快速响应模块的压缩空气储能系统及其运行方法，利用压缩空气储能系统，耦合快速响应模块，并在膨胀机入口处加入电加热装置，收集新能源发电系统弃电，提高系统效率，为压缩空气储能系统的大规模应用提供解决方案，使压缩空气储能系统能够满足新能源电站的功率型需求，解决新能源发电系统的并网难题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种带有快速响应模块的压缩空气储能系统，包括变电系统、快速响应模块、空气压缩装置、高压储气容器、电加热装置、膨胀机以及发电机，变电系统输入端通过电缆与新能源系统相连，变电系统输出端通过电缆分别与快速响应模块和空气压缩装置相连，空气压缩装置、高压储气容器、电加热装置以及膨胀机通过承压管道依次连接，膨胀机连接发电机，发电机输出端通过电缆连接变电系统，变电系统输出端连接到电网侧，空气压缩装置、高压储气容器、电加热装置、膨胀机以及承压管道内流动有高压气体；快速响应模块采用超级电容组。

变电系统采用集成逆变和镇流功能的交/直流输入/输出一体变电系统，包括交流模块、直流模块、逆变模块、整流模块以及控制模块；

交流模块输入端通过电缆与新能源系统、发电机、逆变模块相连，交流模块控制端通过电缆与控制模块相连，交流模块输出端通过电缆与空气压缩装置、镇流模块以及电网侧相连；

直流模块输入端通过电缆与新能源系统、快速响应模块、镇流模块相连，直流模块控制端通过电缆与控制模块相连，直流模块输出端通过电缆与快速响应模块、逆变模块相连。

超级电容组采用基于多层超级电容组，所述多层超级电容组中相邻两层超级电容组之间设置绝缘散热板，每一层超级电容组包括多个超级电容单体、绝缘散热板以及绝缘导热外壳，所述散热板内部带有毛细管道，所述毛细管道位于每层超级电容单体之间，所述毛细管道紧贴超级电容单体正负极，绝缘导热外壳内部带有螺旋形毛细管道，绝缘导热外壳包裹于每个超级电容单体之外，所述散热板的毛细管道与绝缘导热外壳内的螺旋形毛细管道相互连通，所述毛细管道与螺旋形毛细管道内部均流动有传热工质。

空气压缩装置采用双罐结构的近等温空气压缩装置，包括第一高压容器、第二高压容器和水泵，第一高压容器和第二高压容器通过管道相连，第一高压容器和第二高压容器的进气口分别通过管道与外界大气相连，第一高压容器和第二高压容器的排气口分别通过管道与高压储气容器相连，第一高压容器和第二高压容器的出水口均连通水泵的入口，水泵的出口分别连通第一高压容器和第二高压容器的进水口。

电加热装置采用套管式电加热系统，包括内管、外管以及电热丝，外管通过管道与高压储气容器相连，内管通过管道与膨胀机相连，电热丝安装在内管壁上，内管和外管内流动有高压气体。

内管和外管壁上设置有导热结构，所述导热结构为螺旋片。

电加热装置设置有多个，电加热装置之间并联。

本发明所述带有快速响应模块的压缩空气储能系统的运行方法，运行过程如下：

1)在接入的新能源发电系统发电充足时，由新能源发电系统发出的电能输入到变电系统中，变电系统根据电网侧需求向电网侧输出电能，利用快速响应模块吸收新能源发电系统的发电波动，在电流过大时分流吸收超出限度的电流；在电流不足时快速放电补充给电网侧或空气压缩装置，同时，变电系统根据电网侧需求调控电能分配，在满足电网需求的前提下将多余电能输出到空气压缩装置，驱动空气压缩装置将电能储存至高压气体中，并将高压气体储存在高压储气容器内；

2)在接入的新能源发电系统发电不足或不发电时，压缩空气经电加热装置加热，传输至膨胀机，高压气体驱动膨胀机带动发电机发电，输入到变电系统，补充新能源系统发电，满足电网侧需求。

高压气体进入电加热装置中，高压气体先通过外管加热，再通过内管进一步加热。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明所述一种带有快速响应模块的压缩空气储能系统，基于新能源发电系统特性和压缩空气储能系统，加入了快速响应模块以及电加热器，并对其进行针对性设计优化。可以加快压缩空气储能系统响应时间，解决压缩空气储能系统响应速度慢的问题，可根据新能源发电输出情况控制向电网侧的供电，从而在运行过程中消除新能源供电波动，满足新能源发电系统的功率型储能需求；在发电富余的时候，利用配置的压缩空气储能系统储存多余电能，在释能时加入电加热装置，利用新能源发电系统弃电对高压空气进行加热，提高膨胀机输出功，向电网高效稳定供电，可以解决新能源发电间歇性问题，削峰填谷，实现长期稳定且高效地向电网供应电能。

附图说明

图1为带有快速响应模块的压缩空气储能系统的结构示意图；

图2为变电系统结构示意图；

图3为快速响应模块结构示意图；

图4为双罐结构的近等温空气压缩装置结构示意图；

图5为电加热装置剖面结构示意图；

附图标记说明：1、变电系统；2、快速响应模块；3、空气压缩装置；4、高压储气容器；5、电加热装置；6、膨胀机；7、发电机；11、交流模块；12、直流模块；13、逆变模块；14、镇流模块；15、控制模块；21、超级电容单体；22、绝缘散热板；23、绝缘导热外壳；31、第一高压容器；32、第二高压容器；33、水泵；51、电加热装置内管；52、电加热装置外管；53、电热丝。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，一种带有快速响应模块的压缩空气储能系统，包括变电系统1、快速响应模块2、空气压缩装置3、高压储气容器4、电加热装置5、膨胀机6以及发电机7，所述变电系统1输入端通过电缆与新能源系统相连，变电系统1输出端通过电缆分别与快速响应模块2和空气压缩装置3相连，空气压缩装置3、高压储气容器4、电加热装置5以及膨胀机6通过承压管道依次连接，膨胀机6以及发电机7通过传动轴相连，发电机输出端通过电缆连接到变电系统1，变电系统1输出端连接到电网侧，所述空气压缩装置3、高压储气容器4、电加热装置5、膨胀机6以及承压管道内流动有高压气体。

变电系统1采用集成逆变和镇流功能的交/直流输入/输出一体变电系统，包括交流模块11、直流模块12、逆变模块14、镇流模块14、控制模块15，选用的变电系,1可以满足所有新能源发电类型的需求，满足交流电与直流电的输入/输出以及交/直流电间的相互转换。

参考图2，交流模块11输入端通过电缆与新能源系统1、发电机7、逆变模块14相连，交流模块11控制端通过电缆与控制模块15相连，交流模块11输出端通过电缆与空气压缩装置3、镇流模块14以及电网侧相连。

直流模块12输入端通过电缆与新能源系统1、快速响应模块2、镇流模块14相连，直流模块12控制端通过电缆与控制模块15相连，直流模块12输出端通过电缆与快速响应模块2、逆变模块14相连。

参考图3，快速响应模块2选用基于多层超级电容组的快速响应模块，包括多个超级电容单体21、绝缘散热板22、绝缘导热外壳23，绝缘散热板22内部带有毛细管道，并位于每层超级电容组之间，紧贴超级电容单体21的正负极，绝缘导热外壳23内部带有螺旋形毛细管道，并包裹于每个超级电容单体21之外，散热板毛细管道与绝缘导热外壳23内毛细管道相互连接，内部流动有传热工质。采用多层布置的并联超级电容结构有利于提高整体的储能容量并减小快速响应模块体积，布置绝缘散热板22和绝缘导热外壳23可以提高多层电容结构的导热效率，绝缘散热板22及绝缘导热外壳23内部布置毛细管道可以进一步提高导热效率，从而把热量快速导出到外部环境，提高快速响应模块的散热效率，满足快速响应模块2的持续快速散热需求并提高安全性。

参考图4，空气压缩装置3采用双罐结构的近等温空气压缩装置，包括第一高压容器31、第二高压容器32以及水泵33，所述第一高压容器31、第二高压容器32通过管道相连，进气口分别通过管道与外界大气相连，排气口分别通过管道与高压储气容器4相连，所述第一高压容器31、第二高压容器32、水泵33通过管道相互连接，水泵33通过管道相互连接，管道上装有阀门。选用的双罐近等温空气压缩装置结构简单，可以实现宽工况的高效近等温压缩，提高储能效率，从而降低储能系统的成本并提高储能系统的整体运行效率。

参考图5，电加热装置5选用套管式电加热系统，包括内管51、外管52、电热丝53，外管52通过管道与高压储气容器4相连，内管51通过管道与膨胀机6相连，电热丝安装在内管壁中，内管壁、外管壁带有导热螺纹，内管51和外管52内流动有高压气体。采用套管式结构，电热丝安装在内管壁中，高压气体先通过外管52被加热，再通过内管51被进一步加热，有利于提高加热效率并减少外管对外界的热损耗。内管、外管壁带有导热螺纹，有对气体带有导流和导热作用，有利于加强换热，提高加热效率。

实施例1

如图1所示，一种带有快速响应模块的压缩空气储能系统，包括变电系统1、快速响应模块2、空气压缩装置3、高压储气容器4、电加热装置5、膨胀机6以及发电机7，所述变电系统1输入端通过电缆与新能源系统相连，变电系统1输出端通过电缆分别与快速响应模块2和空气压缩装置3相连，空气压缩装置3、高压储气容器4、电加热装置5、膨胀机6通过承压管道依次连接，膨胀机6以及发电机7通过传动轴相连，发电机7输出端通过电缆连接到变电系统1，变电系统1输出端连接到电网侧，所述空气压缩装置3、高压储气容器4、电加热装置5、膨胀机6以及承压管道内流动有高压气体。

在实际使用的时候，当新能源发电充足时使用此系统，利用快速响应模块吸收新能源发电波动，变电系统依据电网负载需求控制向电网以及压缩装置的供电负荷，保证向电网的持续稳定供电并储存多余电能。

实施例2

如图1所示，一种带有快速响应模块的压缩空气储能系统，包括变电系统1、快速响应模块2、空气压缩装置3、高压储气容器4、电加热装置5、膨胀机6以及发电机7，所述变电系统1输入端通过电缆与新能源系统相连，变电系统1输出端通过电缆分别与快速响应模块2和空气压缩装置3相连，空气压缩装置3、高压储气容器4、电加热装置5以及膨胀机6通过承压管道依次连接，膨胀机6以及发电机7通过传动轴相连，发电机7输出端通过电缆连接到变电系统1，变电系统1输出端连接到电网侧，所述空气压缩装置3、高压储气容器4、电加热装置5、膨胀机6以及承压管道内流动有高压气体。

在实际使用的时候，当新能源发电不足时使用此系统，变电系统依据电网负载需求以及新能源发电情况控制膨胀机的启动及功率，补充新能源供电缺口，满足电网的供电需求。

Claims (7)

1.一种带有快速响应模块的压缩空气储能系统，其特征在于，包括变电系统(1)、快速响应模块(2)、空气压缩装置(3)、高压储气容器(4)、电加热装置(5)、膨胀机(6)以及发电机(7)，变电系统(1)输入端通过电缆与新能源系统相连，变电系统(1)输出端通过电缆分别与快速响应模块(2)和空气压缩装置(3)相连，空气压缩装置(3)、高压储气容器(4)、电加热装置(5)以及膨胀机(6)通过承压管道依次连接，膨胀机(6)连接发电机(7)，发电机(7)输出端通过电缆连接变电系统(1)，变电系统(1)输出端连接到电网侧，空气压缩装置(3)、高压储气容器(4)、电加热装置(5)、膨胀机(6)以及承压管道内流动有高压气体；快速响应模块(2)采用超级电容组；超级电容组采用基于多层超级电容组，所述多层超级电容组中相邻两层超级电容组之间设置绝缘散热板(22)，每一层超级电容组包括多个超级电容单体(21)、绝缘散热板(22)以及绝缘导热外壳(23)，所述散热板(22)内部带有毛细管道，所述毛细管道位于每层超级电容单体(21)之间，所述毛细管道紧贴超级电容单体(21)正负极，绝缘导热外壳(23)内部带有螺旋形毛细管道，绝缘导热外壳(23)包裹于每个超级电容单体(21)之外，所述散热板(22)的毛细管道与绝缘导热外壳(23)内的螺旋形毛细管道相互连通，所述毛细管道与螺旋形毛细管道内部均流动有传热工质；空气压缩装置(3)采用双罐结构的近等温空气压缩装置，包括第一高压容器(31)、第二高压容器(32)和水泵(33)，第一高压容器(31)和第二高压容器(32)通过管道相连，第一高压容器(31)和第二高压容器(32)的进气口分别通过管道与外界大气相连，第一高压容器(31)和第二高压容器(32)的排气口分别通过管道与高压储气容器(4)相连，第一高压容器(31)和第二高压容器(32)的出水口均连通水泵(33)的入口，水泵(33)的出口分别连通第一高压容器(31)和第二高压容器(32)的进水口。

2.根据权利要求1所述的带有快速响应模块的压缩空气储能系统，其特征在于，变电系统(1)采用集成逆变和整流功能的交/直流输入/输出一体变电系统，包括交流模块(11)、直流模块(12)、逆变模块(13)、-整流模块(14)以及控制模块(15)；

交流模块(11)输入端通过电缆与新能源系统、发电机(7)、逆变模块(13)相连，交流模块(11)控制端通过电缆与控制模块(15)相连，交流模块(11)输出端通过电缆与空气压缩装置(3)、整流模块(14)以及电网侧相连；

直流模块(12)输入端通过电缆与新能源系统、快速响应模块(2)、整流模块(14)相连，直流模块(12)控制端通过电缆与控制模块(15)相连，直流模块(12)输出端通过电缆与快速响应模块(2)、逆变模块(13)相连。

3.根据权利要求1所述的带有快速响应模块的压缩空气储能系统，其特征在于，电加热装置(5)采用套管式电加热系统，包括内管(51)、外管(52)以及电热丝(53)，外管(52)通过管道与高压储气容器(4)相连，内管(51)通过管道与膨胀机(6)相连，电热丝(53)安装在内管(51)壁上，内管(51)和外管(52)内流动有高压气体。

4.根据权利要求3所述的带有快速响应模块的压缩空气储能系统，其特征在于，内管(51)和外管(52)壁上设置有导热结构，所述导热结构为螺旋片。

5.根据权利要求4所述的带有快速响应模块的压缩空气储能系统，其特征在于，电加热装置(5)设置有多个，电加热装置(5)之间并联。

6.权利要求1-5任一项所述带有快速响应模块的压缩空气储能系统的运行方法，其特征在于，运行过程如下：

1)在接入的新能源发电系统发电充足时，由新能源发电系统发出的电能输入到变电系统(1)中，变电系统(1)根据电网侧需求向电网侧输出电能，利用快速响应模块(2)吸收新能源发电系统的发电波动，在电流过大时分流吸收超出限度的电流；在电流不足时快速放电补充给电网侧或空气压缩装置(3)，同时，变电系统(1)根据电网侧需求调控电能分配，在满足电网需求的前提下将多余电能输出到空气压缩装置(3)，驱动空气压缩装置(3)将电能储存至高压气体中，并将高压气体储存在高压储气容器内；

2)在接入的新能源发电系统发电不足或不发电时，压缩空气经电加热装置(5)加热，传输至膨胀机(6)，高压气体驱动膨胀机(6)带动发电机(7)发电，输入到变电系统(1)，补充新能源系统发电，满足电网侧需求。

7.根据权利要求6所述的运行方法，其特征在于，高压气体进入电加热装置(5)中，高压气体先通过外管(52)加热，再通过内管(51)进一步加热。

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