微电网与压缩空气储能系统的多能流协同调度_方颖聪.pdf
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1、第4 8卷 第3期2 0 2 3年6月 广西大学学报(自然科学版)J o u r n a l o fG u a n g x iU n i v e r s i t y(N a t u r a lS c i e n c eE d i t i o n)V o l.4 8N o.3J u n.2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 2-1 2-2 8;修订日期:2 0 2 3-0 3-1 8 基金资助:广西创新驱动发展专项(桂科AA 1 9 2 5 4 0 1 0)通讯作者:莫春兰(1 9 7 5),女,广西贵港人,广西大学副教授,博士;E-m a i l:c h u n l a n mg x u.e
2、d u.c n。引文格式:方颖聪,莫春兰,党玉荣,等.微电网与压缩空气储能系统的多能流协同调度J.广西大学学报(自然科学版),2 0 2 3,4 8(3):6 0 5-6 1 5.D O I:1 0.1 3 6 2 4/j.c n k i.i s s n.1 0 0 1-7 4 4 5.2 0 2 3.0 6 0 5微电网与压缩空气储能系统的多能流协同调度方颖聪,莫春兰*,党玉荣,李作顺,张子扬(广西大学 机械工程学院,广西 南宁5 3 0 0 0 4)摘要:为了适应风电功率、负荷波动与电网相匹配和提高系统往返和能源转化效率,基于压缩储能系统,增设压缩比与质量流量双参数调节策略以及耦合电解制氢
3、系统,提出新型的耦合电解制氢热储存压缩空气储能系统。建立储气室动态模型,实现了储气室瞬时温度和压力与系统性能之间的联系,使得储能系统仿真计算更加接近实际。结果表明,采用耦合电解制氢的热储存压缩空气储能系统平衡微电网用电供需,日储能达到4 7 5MWh,可以满足高峰1 2 0MWh用电需求。与以往文献系统运行1d的性能相比,新型的耦合电解制氢热储存压缩空气储能系统获得了最佳往返效率、能源转换效率和氢能供应,系统氢能的生产显著提高了能源转换效率。关键词:风力发电;热储存压缩空气储能;电解制氢;双参数调节;供需平衡中图分类号:T K 0 2 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 1-7 4 4 5(
4、2 0 2 3)0 3-0 6 0 5-1 1M u l t i-e n e r g yf l o wc o o r d i n a t e dd i s p a t c h i n go fm i c r o g r i da n dc o m p r e s s e da i r s t o r a g e s y s t e mF AN GY i n g c o n g,MOC h u n l a n*,D AN GY u r o n g,L IZ u o s h u n,Z HAN GZ i y a n g(S c h o o l o fM e c h a n i c a lE n g
5、 i n e e r i n g,G u a n g x iU n i v e r s i t y,N a n n i n g5 3 0 0 0 4,C h i n a)A b s t r a c t:T o m a t c h w i n dp o w e r,l o a df l u c t u a t i o n s,a n dt h ep o w e rg r i d,a s w e l la st oi m p r o v e t h es y s t e m s r o u n d-t r i pa n de n e r g yc o n v e r s i o ne f f i
6、c i e n c y,an e wt y p eo f c o m p r e s s e da i re n e r g y s t o r a g es y s t e m p a i r e d w i t h a n e l e c t r o l y s i s h y d r o g e n p r o d u c t i o n s y s t e m i sp r o p o s e d.T h ed y n a m i cm o d e lo ft h es t o r a g et a n ki su t i l i z e dt oe s t a b l i s ht
7、h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ei n s t a n t a n e o u st e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r eo ft h es t o r a g et a n ka n dt h es y s t e m sp e r f o r m a n c e,t h e r e b ye n h a n c i n gt h es i m u l a t i o na c c u r a c y.T h ep r o p o s e ds y s t e ma c h i e v e sa
8、d a i l ye n e r g ys t o r a g ec a p a c i t yo f 4 7 5MWh,w h i c h i s s u f f i c i e n t t om e e t t h ep e a kd e m a n do f1 2 0MWh,a n db a l a n c e st h ee l e c t r i c i t ys u p p l ya n dd e m a n do fam i c r o g r i d.C o m p a r e dt op r e v i o u sl i t e r a t u r e,t h ep r o
9、p o s e ds y s t e m a t t a i n st h eb e s tr o u n d-t r i pe f f i c i e n c y,e n e r g yc o n v e r s i o ne f f i c i e n c y,a n dh y d r o g e ns u p p l y.O v e r a l l,t h ep r o p o s e dc o m p r e s s e da i re n e r g y广西大学学报(自然科学版)第4 8卷s t o r a g es y s t e m c o u p l e d w i t ha
10、ne l e c t r o l y s i sh y d r o g e np r o d u c t i o ns y s t e mi sap r o m i s i n gs o l u t i o nf o rm a t c h i n gw i n dp o w e ra n d i m p r o v i n ge n e r g yc o n v e r s i o ne f f i c i e n c y.K e y w o r d s:w i n d p o w e r;t h e r m a ls t o r a g e c o m p r e s s e d a i r
11、 e n e r g y s t o r a g e;h y d r o g e np r o d u c t i o nb ye l e c t r o l y s i s;d u a l p a r a m e t e ra d j u s t m e n t;p o w e rs u p p l y-d e m a n db a l a n c e0 引言可再生能源具有间歇性、波动性和不确定性,而工业和住宅生活中的电力需求也具有波动性,因此两者之间存在不匹配的问题。目前储能系统是解决这一问题的最有效方法1。其中,压缩空气储能是一种低成本、零排放、大容量、安全系数高、响应速度快的储能技术2
12、-3,而热储存压缩空气储能(c o m p r e s s e da i re n e r g ys t o r a g ew i t ht h e r m a l s t o r a g e,T S-C A E S)是一种独立于化石燃料,并且具有高效和简单特点,目前已受到广泛关注4-6。当压缩空气储能系统用于微电网或分布式能源系统时,压缩机和膨胀机的负载会根据整个系统的功率平衡而变化,以满足风电功率和负荷功率的波动,然而,压缩空气储能系统的协同调度仍然存在大量的能源浪费。为了解决这一问题,有必要对过剩的能源进行转换和利用。文献7 开发了一种新的综合可再生能源系统,以氨的形式储存多余的太阳能和
13、风能。文献8 提出了一种利用北京地区剩余风力资源的夜间电加热的新方法。将过剩的电功率转换生产氢气得到了广泛的关注和研究。氢作为一种替代能源载体,在许多工业和家庭应用中是可持续发展的有利选择,特别是氢能在碳减排方面发挥重要作用。质子交换膜电解槽为未来清洁生产高纯氢提供了可持续的解决方案9。文献1 0 研究了利用南非风能资源生产氢气的可行性。文献1 1 使用光伏电解槽系统来评估水溶液甲醇电解槽的可再生产氢能力。文献1 2 研究了用于制氢的光伏电解系统,并进行了案例研究,以显示每种类型的电解槽对系统组件大小的影响,并评估制氢的潜力。文献1 3 认为,风能和光伏发电可以通过电解槽转化为氢,然后通过热转
14、换器再转化,储存在液体有机氢载体中。文献1 4 通过氢能优化策略,探讨了联合海上风电场以提高风电场的投资潜力。文献1 5 提出了一种基于储氢和氢氧联合循环的综合储能系统,认为综合储能可用于缓解可再生能源发展的瓶颈。将T S-C A E S系统与电解制氢相结合,可以转化过剩的电功率,生产更经济的氢气,然而,这种耦合系统的可行性和优点尚未在文献中进行研究。总的来说,虽然T S-C A E S和电解制氢都得到了充分的研究,并且考虑了使用风力发电来产生氢气,但目前还缺乏研究结合T S-C A E S和电解制氢的能源系统。该系统使得过剩的能源转化效率大大提高,具有现实意义和重要性,而且能源结构中可再生能
15、源比例的不断增长将推动电力系统进一步分散化,氢气将面临日益增长的需要。本文提出一种耦合电解制氢的热储存压缩空气储能系统,对耦合系统的可行性和优点进行研究。首先,从系统和组件两方面验证模型可靠性;其次,在设计工况 下对T S-C A E S复杂的工作过程进行热力学分析;第三,通过非设计建模,对压缩机、膨胀机提出了双参数调节方法和电解制氢来适应工作工况的变化提高能源转化效率,并对微电网的供需平衡进行了分析,通过指标比较验证了耦合系统的可行性和优势。1 系统描述集成能源系统的总体配置如图1所示。该系统包括一个四级离心式压缩机、换热器和后冷器组成的压缩机单元,一个储气室,一个四级膨胀机、换热器和后冷器
16、组成的膨胀机单元,热、冷罐,交、直流整流器、质子交换膜电解槽和收集、储存氢气的氢气储存罐,风力涡轮机发电单元。606第3期方颖聪,等:微电网与压缩空气储能系统的多能流协同调度图1 集成能源系统的总体配置F i g.1 G e n e r a l c o n f i g u r a t i o no f i n t e g r a t e de n e r g y s y s t e m电力系统用电低谷时,T S-C A E S系统在压缩过程中运行以回收过量的风电。首先,在压缩单元中将环境空气压缩成高温高压状态。各阶段高温空气与液态水换热,热能传递至热罐中储存,换热后的低温高压空气在后冷器中冷却
17、后储存在储气室中。由于喘振裕度(下限)的限制,因此将压缩空气储能系统无法储存的低电量用来电解制氢,储存在氢气储存罐中。用电高峰时,T S-C A E S系统在膨胀过程中运行提供电能。在换热器中将低温高压空气变成高温高压状态,并将换热后的液态水进行回收循环利用,各阶段高温高压空气进入膨胀单元中进行发电提供给用户,如果电量过剩则电解制氢储存在氢气储存罐中。风力发电的T S-C A E S耦合电解制氢的集成能源系统主要参数见表1。表1 风力发电的T S-C A E S耦合电解制氢的集成能源系统主要参数T a b.1 M a i np a r a m e t e r so f i n t e g r
18、a t e de n e r g ys y s t e mo fT S-C A E Sc o u p l i n ge l e c t r o l y t i ch y d r o g e nf o rw i n dp o w e rg e n e r a t i o n参数数值环境压力/MP a0.1环境热力学温度/K2 9 3储气室壁热力学温度/K2 9 3储气室内初始空气热力学温度/K3 0 6冷却工质的入口热力学温度/K2 9 3压缩、膨胀过程的多变指数1.4 5、1.3 6恒温条件下空气的比热容/(k Jk g-1K-1)1.0 0 5恒压条件下的空气比热容/(k Jk g-1K-1
19、)0.7 1 8气体常数/(k Jk g-1K-1)0.2 8 7压缩阶段的质量流量/(k gs-1)1压缩阶段的压力/MP a1 0压缩机的等熵效率/%8 8膨胀阶段的质量流量/(k gs-1)1膨胀阶段的压力/MP a9706广西大学学报(自然科学版)第4 8卷续表参数数值膨胀机的等熵效率/%8 5涡轮机的功率系数/%4 5扫掠面积/m26 8.3质子交换膜电解效率/(k Whk g-1)5 4.6压缩机压缩氢气效率/(k Whk g-1)3.3交直流整流效率/%1 0 02 数学模型2.1 T S-C A E S模型2.1.1 离心式压缩机储能阶段,在设计条件下空气在压缩机中升温升压该过
20、程视为多变过程,压缩机出口的空气温度为To u ts=Ti ns1+(s-1)/ss-1)/s,(1)式中:Ti ns、To u ts为压缩机进出口空气热力学温度,K;s为压缩比;s为压缩过程多变指数;s为压缩机等熵效率。质量流量为m的空气经压缩后,压缩机耗功为Ws=mcp(To u ts-Ti ns),(2)式中:cp为恒压条件下的空气平均比热,k J/(k gK)。由于风力发电的波动,多级离心压缩机往往在可变条件下运行,导致质量流量和转速的变化,因此导致压缩比和效率发生变化。描述多级离心压缩机性能指标与运行参数关系的一般公式为1 6:s*=c1G*2s+c2G*s+c3,(3)*s=1-c
21、4(1-n*s)2(n*s/G*s)(2-n*s/G*s),(4)c1=n*s/p(1-u/n*s)+n*s(n*s-u)2,(5)c2=(p-2u n*s)/p(1-u/n*s)+n*s(n*s-u)2,(6)c3=(p u n*s-u2n*3s)p(1-u/n*s)+n*s(n*s-u)2,(7)式中:u、p、c1、c2、c3和c4为压缩机组运行参数,c4=0.3、u=1.8和p=1.8;*s为相对压缩比;*s为相对等熵效率;n*s为相对速度;G*s为相对质量流量。*s=s/s 0,(8)*s=s/s 0,(9)n*s=(ns/Ti n)/(ns/Ti n)0,(1 0)G*s=(GsTi
22、 n/Pi n)/(GsTi n/Pi n)0,(1 1)式中:ns、Gs分别表示转速、空气质量流量;Ti n和Pi n分别为压缩机进口空气的温度和压力,下标0为设计值。此外,离心式压缩机的运行范围受到喘振裕度、节流阀裕度和最大转速的限制。在设计速度上,喘振裕度设置为1 8%,其定义式见式(1 2),而在非设计速度下,相对等熵效率由等式(1 3)计算,其不允许低于其节流阀裕度值(0.8 5),相对转速也不允许超过其最大值(1 0 5%)1 7。SM=(x/Gx)/(d/Gd)-11 0 0%,(1 2)*x=1-(1-n*s)2,(1 3)806第3期方颖聪,等:微电网与压缩空气储能系统的多能
23、流协同调度式中:SM为设计转速中的喘振裕度;*x为非设计速度下喘振裕度的相对等熵效率;下标x和d分别表示喘振值和设计值,=0.7。2.1.2 换热器空气从压缩机中流出后,在压缩机后的换热器中被冷却水冷却。如果空气的热容量等于冷却水的热容量,则换热器出口的空气温度为Th,o u t=Th,i n-(Th,i n-Tc o,i n),(1 4)式中:Th,i n、Th,o u t、Tc o,i n分别为热流体进出口和冷流体进口热力学温度,K;换热器效能。2.1.3 空气膨胀机空气流出储气室后,先在换热器中被加热,之后进入膨胀机做功,做功过程视为多变过程,膨胀机出口空气温度为To u te=Ti n
24、e1+(1-e)/ee-1)e。(1 5)膨胀机对外输出功为We=cpm(Ti ne-To u te),(1 6)式中:e为膨胀机膨胀比;e为膨胀机等熵效率;e为膨胀过程多变指数;Ti ne、To u te为膨胀机进出口空气热力学温度,K。通过计算出压缩单元和膨胀单元中空气的状态点以及热回收循环中液态水的状态点,在MA T L A B平台中调用R E F P R O P9.3,得到了它们的值。2.1.4 储气室储气室是存储空气的场所,在储能过程中空气逐渐流入,在释能过程中空气又逐渐流出。根据保温性能可以将储气室分为恒温、绝热、恒壁温和实际储气室等类型,本文只用到恒壁温储气室。以下只建立恒壁温储
25、气室的数学模型。储气室内的气温和压力如下:dTdt=1mmAi ncpTi nAcv+1-cpcvmAo u t-mAi nT-UfVm cv(T-Tw a l l),(1 7)dPdt=RgcpcvV(mAi nTi nA-mAo u tT)-UfRgcv(T-Tw a l l),(1 8)式中:cp、cv分别为恒压和恒体积下的空气比热,假定恒压和恒温条件下空气的比热保持不变;t为时间;m为储气室内空气质量;mAi n、mAo u t分别为进入和离开储气室的空气质量流量;Uf为储气室壁与空气之间的有效传热系数;T和Tw a l l分别表示储气室内的空气和墙壁温度;V、P分别为储气室的体积和压
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