- 頭條考慮變壽命特性的先進絕熱壓縮空氣儲能電站容量規劃模型2021-04-09 作者：尹斌鑫 苗世洪 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語先進絕熱壓縮空氣儲能（AA-CAES）系統具有容量大、成本低、無需燃料等突出優點，具有廣闊的發展應用前景。AA-CAES電站的壽命隨使用方式不同而變化，而AA-CAES電站的壽命是影響其優化規劃結果的重要因素，因此，研究AA-CAES電站變壽命特性具有重要意義。 華中科技大學電氣與電子工程學院強電磁工程與新技術國家重點實驗室、電力安全與高效湖北省重點實驗室、華威大學工程學院的研究人員尹斌鑫、苗世洪、李姚旺、羅星、王吉紅，在2020年第3期《電工技術學報》上撰文，考慮AA-CAES電站的變壽命特性，建立面向電力系統運行與大規模風電消納的AA-CAES電站雙層優化規劃模型。 該模型在規劃層面，考慮了運行工況、備用期望發生次數對AA-CAES電站壽命的影響，并研究了其對日均投資成本的影響；在調度層面，綜合考慮了AA-CAES電站的備用特性，以及在起停、功率調整和工況轉換等復雜運行狀態下的運行限制，研究了含AA-CAES電站的電網調度策略。最后，基于某地區的典型日數據進行仿真，驗證了模型的有效性。
為了應對能源危機和環境污染問題，以風電為代表的可再生能源在全球范圍內得到快速發展與推廣。然而，風電的間歇性、不確定性等不友好特性，嚴重阻礙了其大規模應用。為此，全球多個國家已經相繼啟動了大規模儲能系統的研發和建設。
在諸多儲能技術中，壓縮空氣儲能（Compressed Air Energy Storage, CAES）和抽水蓄能是目前被認為比較適合大規模儲能的技術。相比較而言，CAES的選址限制小，投資建設成本低，近年來受到廣泛關注。
傳統CAES電站在儲能階段利用電能壓縮空氣并存儲，在發電階段將存儲的高壓空氣與燃料混合燃燒后驅動膨脹機發電，存在依賴化石燃料和系統效率低兩大弊端。為了解決上述弊端，先進絕熱壓縮空氣儲能（Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage, AA-CAES）應運而生。
目前，全球已有多個國家已建成或即將建設AA-CAES電站，其中德國籌劃建設ADELE示范電站，設計容量達300MW/1000MW?h，我國已建成10MW AA-CAES示范系統，下階段計劃建設100MW級AA-CAES系統。
目前國內外已就CAES電站的規劃問題進行了一些研究。
- 有學者從經濟性角度出發，研究了CAES電站應用于風電消納的可行性。
- 有學者根據風電并網標準，以平抑風電場功率波動為目標，對CAES電站容量進行優化。
- 有學者以功能成本最低為目標，對含CAES電站的熱電聯供系統的容量進行了優化。
- 有學者以減少島嶼風電場棄風為目標，提出了雙模式CAES電站的容量優化方法。
但是，上述文獻均未考慮AA-CAES電站的變壽命特性。而AA-CAES電站優化規劃結果與其使用壽命息息相關，同時，AA-CAES電站的使用方式對其壽命影響較大，因此，有必要研究AA-CAES電站使用方式對其壽命的影響機理。
此外，上述文獻中也未見針對大規模AA-CAES電站的優化規劃方法，而目前多座AA-CAES電站已處于設計或研發階段，因此，研究面向電力系統運行的AA-CAES電站優化規劃方法迫在眉睫。
華中科技大學電氣與電子工程學院強電磁工程與新技術國家重點實驗室、電力安全與高效湖北省重點實驗室、華威大學工程學院的研究人員，首先研究了影響AA-CAES電站壽命的主要因素，建立了AA-CAES電站的變壽命模型，并分析了AA-CAES電站調度運行方式對其使用壽命的影響機理。
圖1 雙層優化問題的求解流程
在此基礎上，建立了AA-CAES電站雙層優化規劃模型，上層計及AA-CAES電站壽命對其日均投資成本的影響，對AA-CAES電站的投資、運行維護成本與下層反饋的電網典型日運行成本之和進行優化；下層根據上層所確定的AA-CAES電站容量，進行電網典型日最優運行方式求解，并將最優運行結果反饋給上層。
最后，基于修改的IEEE 30節點系統和某地區的典型日數據進行仿真，并驗證了該雙層優化模型的有效性，得到了以下結論：
- 1）AA-CAES電站的持續運行和工況轉換均會損耗其壽命，其中工況轉換影響更大。AA-CAES電站作正備用的情形較多，膨脹機起停更頻繁，壽命損耗更大，因此膨脹機的壽命短于壓縮機。
- 2）對AA-CAES電站的功率和容量作規劃時，考慮其變壽命特性，規劃結果更優——系統總成本更小，預期收益更準確。
- 3）AA-CAES電站應用于電力系統時，不僅具有削峰填谷的能力，還具有優異的備用能力，并且在壓縮工況、發電工況和停機時都能承擔備用任務。在本文算例中，AA-CAES電站建成后，電網運行成本減小了35%，系統總成本減少了27%，風電消納率由76%提升到99%以上。
以上研究成果發表在2020年第3期《電工技術學報》，論文標題為“考慮變壽命特性的先進絕熱壓縮空氣儲能電站容量規劃模型”，作者為尹斌鑫、苗世洪、李姚旺、羅星、王吉紅。
