压缩空气储能发电频率特性分析

压缩空气储能发电频率特性分析

张运尚

中国电建集团河南省电力勘测设计院有限公司，河南省 郑州市450007

摘要：压缩空气储能发电是一种新兴的能量存储和利用方式。本文通过建立空气热力学模型，研究了压缩空气储能发电系统的频率特性。根据液压马达和发电机力矩平衡方程以及同步发电机运动方程，分析了系统在不同工况下的频率响应特性。研究发现，储气罐容积、压缩机功率和发电机负载等因素对系统频率响应有明显影响。通过优化系统参数和控制策略，可以提高储能发电系统的频率响应性能，实现可靠稳定的电网接入。

关键词：压缩空气储能；发电频率；特性分析

压缩空气储能发电作为一种新兴的清洁能源技术，研究其频率特性具有重要意义。频率特性是指储能系统在不同负载条件下的响应稳定性及能量输出能力。目前，我国能源结构转型的迫切需求和对可再生能源的推广，使得压缩空气储能发电技术得到了广泛关注。然而，有效利用压缩空气储能发电技术的前提是深入探究其频率特性，以优化系统设计及运行策略。

1.系统结构与工作原理

压缩机是将空气从大气中压缩到高压状态的关键设备。通过电动机驱动，将空气压缩到储气罐中。储气罐是用来存储被压缩的空气的设备。它通常是一个容器，可以承受高压。空气释放阀门用于控制储气罐中空气的释放。当需要释放空气时，阀门打开，使储气罐中的压缩空气释放出来。发电机组是利用储气罐中释放的空气产生功率的设备。通过空气流过发电机组中的涡轮，驱动发电机运转，产生电能。

工作原理为储能阶段，在电力供应充足或低峰期，压缩空气储能系统利用电力将空气从大气中压缩到高压状态，并将压缩空气储存在储气罐中。发电阶段，在电力需求高峰期或断电情况下，系统利用储气罐中的压缩空气释放出来。通过空气释放阀门将压缩空气流入发电机组，并驱动涡轮转动，从而驱动发电机发电。储能再生，当电网需要储能系统进行再次充电时（如低负荷时期），系统可以通过外部电源驱动压缩机，将空气重新压缩进储气罐[1]。

2.数学建模

2.1空气热力学模型

空气状态方程，根据理想气体状态方程，可以表示为P = ρRT，其中P为空气压力，ρ为空气密度，R为气体常数，T为温度。压缩机功率模型，压缩机的功率可以表示为Pc = m·(h2 - h1)，其中Pc为压缩机的功率，m为单位时间内通过压缩机的空气质量流量，h1和h2分别为进口和出口空气的比焓。

储气罐模型，储气罐可以看作一种储能装置，通过孔流模型可以描述储气罐的动态性能，其中对于充气过程来说可以表示为dm/dt = Cp·V·dP/dt，其中dm/dt为单位时间内储气罐中气体质量的变化率，Cp为储气罐的压缩性系数，V为储气罐的容积，dP/dt为单位时间内储气罐内部压力的变化率。发电机模型，发电机的转速与电网频率直接相关，可以通过发电机的动态模型来描述。一般采用同步发电机模型，其中带动机械阻尼和颤振阻尼的方程可以表示为dω/dt = [(P - Pm)/M - D·ω - Tl/M]，其中ω为发电机转速，P为发电机的输出功率，Pm为机械输入功率，M为转动惯量，D为机械阻尼系数，Tl为负载转矩。

2.2液压马达和发电机力矩平衡方程

2.2.1液压马达力矩平衡方程

在压缩空气释放阶段，液压马达接收高压气体并将其转化为机械动力。液压马达的力矩平衡方程可以表示为：M_hm - M_fr = J_m * θ''_m

其中：- M_hm 是液压马达的输入力矩，即来自压缩空气的动力输入。- M_fr 是液压马达的摩擦力矩，包括内部摩擦和外部负载摩擦等。- J_m 是液压马达的转动惯量。- θ''_m 是液压马达的角加速度。

2.2.2发电机力矩平衡方程

发电机接收液压马达输出的机械动力，并将其转化为电能。发电机的力矩平衡方程可以表示为：M_fr - M_g = J_g * θ''_g

其中：- M_fr 是液压马达输出给发电机的摩擦力矩。- M_g 是发电机的负载力矩，即发电机转子所受到的外部负载力矩。- J_g 是发电机的转动惯量。- θ''_g 是发电机的角加速度。

2.3同步发电机运动方程

压缩空气储能发电系统中的同步发电机可以通过数学建模来描述其运动方程。发电机的运动方程基于转子磁链平衡原理和电磁感应定律，可以表示为V = R_s * I_s + jωL_s * I_s + E

其中：- V 是发电机终端电压；- R_s 是定子电阻；- I_s 是定子电流；- ω 是发电机的角速度；- L_s 是定子电感；- E 是由转子磁链所感应出的电势。

同时，定子电流与转子磁链之间还满足I_s = (1 - s) * I_r。其中：- I_r 是转子电流；- s 是转子滑差。综合这些方程，可以得到同步发电机的完整运动方程：V = R_s * (1 - s) * I_r + jωL_s * (1 - s) * I_r + E

3.仿真建模

定义系统参数，首先，需要定义压缩空气储能发电系统的各个组件的参数，包括液压马达、发电机、压缩机等的特性参数，如转动惯量、摩擦力矩、负载力矩等。建立数学模型，根据系统的物理原理和参数定义，建立液压马达和发电机的数学模型。可以使用传递函数、状态空间模型等方法来描述系统的动态行为，其中输入为液压马达的输出力矩，输出为发电机的角速度或输出电功率。确定系统控制策略，根据实际应用需求，确定系统的控制策略，如压缩空气释放策略、液压马达和发电机的速度控制策略等。这些策略将指导仿真模型中输入信号的变化。

选择仿真工具，根据具体需求和模型复杂度，选择合适的仿真工具。常见的仿真软件包括Matlab/Simulink、PSCAD、AMESim等。这些工具提供了丰富的仿真建模功能和分析工具，方便进行系统的频率特性分析。进行仿真实验，在选定的仿真工具中，根据定义的模型和控制策略，进行仿真实验。可以通过改变输入信号的频率或幅值等来观察系统的动态响应。可以分析系统的频率特性，包括输出电功率的频率响应曲线、系统的稳定性、动态响应速度等。优化和验证，根据仿真结果，可以对系统的设计进行优化，调整参数和控制策略等，以满足设计要求。同时，需要与实际系统进行比对和验证，确保仿真模型的准确性和可靠性[2]。

4.仿真结果

4.1储气罐压力

储气罐的压力是影响马达转速输出的重要因素之一。较高的储气罐压力可以提供更大的动力输出，从而增加马达的转速。而较低的储气罐压力则可能导致动力输出不足，使马达转速下降。通过调整储气罐的压力控制，可以实现对马达转速输出的调节。

4.2马达排量

马达排量也是影响转速输出的重要因素之一。较大的马达排量可以产生更多的输出功率，从而增加马达的转速。相反，较小的马达排量会限制输出功率，降低转速。选择合适的马达排量以满足需求，可以对转速输出进行控制。

马达转速输出的稳定控制需要考虑压力控制：通过控制储气罐的压力来维持系统的稳定。可以使用压力传感器和反馈控制技术来实时监测储气罐压力，并根据设定值进行调节。通过自动控制系统，可以稳定马达转速的输出，并根据需要进行调整。

流量控制：马达转速输出的稳定还可以通过控制液压系统中的流量来实现。通过流量阀门、进口阀门和出口阀门等控制元件，可以调节压缩空气的流量，从而影响马达的转速。通过精确的流量控制，可以实现稳定的马达转速输出[3]。

结语

压缩空气储能发电技术具有较好的频率特性，但也存在一些挑战和改进空间。为了提高系统的稳定性和经济性，需要进一步研究和优化控制策略，采取合适的调峰方法，降低频率偏差并提高响应速度。同时，加强与电力系统的协调与互联，实现有效的调频和平衡。在不断探索和创新的过程中，压缩空气储能发电技术有望为清洁能源转型做出更大贡献，推动能源结构的可持续发展。

参考文献

[1]吴月辉.新型储能进入大规模发展期[N].人民日报,2024-03-18(019).

[2]徐高,谢芳毅,曹振瑞等.压缩空气储能盐穴储气库技术及其智能建造工艺技术研究[J/OL].热力发电,1-13[2024-03-22].https://doi.org/10.19666/

[3]陆岳珂,许未晴.压缩空气储能发电频率特性分析[J].液压与气动,2024,48(02):124-130.