•并网规模最大 •输送距离最远 •电压等级最高 风光电源随机波动性强 年可用风速3000小时，实际利用率 仅为1900小时/年 亟需开展大规模储能技术研究 3 / 59 1.1 大规模储能技术的研究意义 构建坚强的智能电网是我国未来电网的发展方向构建坚强的智能电网是我国未来电网的发展方向 1、实现新能源的规模接入 2、提高电网的输送能力和电网的稳定性 3、保障供电安全性、可靠性 4、实现高度信息化、自动化、互动化 “十二·五”规划中明确指出“十二·五”规划中明确指出 “适应大规模跨区输电和新能源发电并网的要求，加快现代电网体系建 设，进一步扩大西电东送规模，完善区域主干电网，发展特高压等大容量、 高效率、远距离先进输电技术，依托信息、控制和储能等先进技术，推进 智能电网建设，切实加强城乡电网建设与改造，增强电网优化配置电力能 力和供电可靠性。” 4 / 59 1.1 大规模储能技术的研究意义 暖通系统动态 控制 屋顶光伏 微型风力发 电机 插电式混合动力车 需求侧管理 智能计量 计费 分布式储能 分布式风 力发电 CHP/ district heating network 热泵/分布式热电联供 屋顶光伏 智能 传感器 智能 传感器 并网可再 生能源 集中式电 网储能 智能 变电站 核电 燃煤（气） 火电厂 燃料排放控制 氢能发电 煤、天然气、氢、生物 质等的燃料运输网络 生物质能 水电 变电站 相邻电网的 HVDC互联 智能 变电站 FACTS FACTS 小型储能 储能技术广泛应用于未来智能电网以及能源互联网建设的发电、输电、配电、用电4 大环节，尤其是大规模储能技术是实现构建坚强智能电网的关键之一。
大规模物理储能技术主要是抽水蓄能（受地形、水资源限制）和压缩空气储能 5 / 59 1.2 大规模储能技术的对比 抽水蓄能 •优势：大功率，大容量，低成本 •劣势：场地要求特殊 电池储能 •优势：高能量密度，高效率 •劣势：寿命限制，环保约束 压缩空气储能 •优势：大功率，大容量 •劣势：空气能量密度低,常规CAES 需要天然气补燃 抽水蓄能、电池储能均存在若干局限性，非补燃压缩空气储能（NSF-CAES，non- supplementary fired Compressed Air Energy Storage）是智能电网的可行选择 6 / 59 1.2 大规模储能技术的对比 压缩空气储能 优点 •不受地理条件限制 •无资源约束，工作介质为空气 •环境友好 •寿命长，设计寿命大于40年 •冷-热-电三联供，综合效率高 不足 •储能密度低 •需要巨大的储气室，选用地下洞穴储气，选址困难 7 / 59 1.3 压缩空气储能的作用 聚纳新能源 • 提高聚纳大规模风力发电和光伏发电系统的能力 削峰填谷 • 在负荷低谷时吸纳多余发电能力，并在高峰时向 电网馈电 增加旋转备用 • 可等效为功率和电压均可调的同步发电系统，且 响应迅速 弃风电力供暖 • 利用CAES的冷热电三联供，通过存储弃风电， 来进行供暖 8 / 59 全世界范围内投运或在建的压缩空气储能电站共10处（投运5处，在建5处）， 装机容量1.26GW（投运435MW, 在建825MW）。
目前，我国还没有投运的压缩空气储能电站。
名称国容量(MWh) 功率等级(MW)储气装置效率(%)用途 Huntorf德580290矿洞31万m342调峰、调频、旋转备用、黑启动 Mcintosh美2860110岩盐层28.3万m354调峰、调频、旋转备用 PGECAU美3000300地下储罐涉密调峰、调频、旋转备用、平滑可再生能源 ATK美0.060.08储气罐涉密电气票据管理、施工现场供电 Texas美5001岩洞涉密平滑可再生能源 Apex美33285317岩洞建设中平滑可再生能源、调频、黑启动、爬坡支撑 SustainX美1.51.5储气罐建设中平滑可再生能源、爬坡支撑、输电阻塞缓解、备用 NextGen美40.59储气罐建设中调峰、调频、旋转备用、平滑可再生能源、黑启动 Highview英2.450.35储气罐建设中调峰、调频、旋转备用、平滑可再生能源 Adele德1000200储气罐建设中调峰、供电 9 / 59 德国：1978年，建成了世界上第一个商业性的CAES电厂——Huntorf 储气方式：地下洞穴 装机容量：290MW 储气体积：31万m3 充气时间：8小时 发电时长：2小时 系统效率：
46%（含天然气补燃 ） 19%（去除天然气补燃） 每次发电消耗天然气：10万立方米 10 / 59 美国：1991年，建成了世界上第二个商业性的CAES电厂——McIntosh 储气方式：地下洞穴 发电容量：110MW 压缩时间：41小时 发电时间：26小时 系统效率：54%（含天然气补燃） 20%（去除天然气补燃） 每次发电消耗天然气：35万立方米 11 / 59 英国：2012年启动一个350kW的试验性项目，液态空气储能（研究中） 预计试运行时间：2015年 储能容量：15 MWh 输出功率：5 MW 系统效率：暂无数据 大容量高效低温蓄冷器是其技术难点 12 / 59 德国：ADELE先进绝热压缩空气储能（研究中） 非补燃CAES，利用绝热压缩，将空气压缩至高温高压，回收利用高温压缩热。
设计储能容量：360MWh 设计输出功率：90MW 系统理论效率：70% 高温压缩（压缩机出口温度600℃以上） 高温储热，技术难度大 13 / 59 韩国2011年开始CAES项目建设， 研究内衬岩石洞室的可行性 韩国：2011年开始建设内衬岩石洞室储气的补燃式CAES（研究中） 混凝土衬砌 钢衬 混凝土塞 储气空间 石灰岩 地下洞室位于地下100m深的石灰岩 内，洞室直径5m，内部使用混凝土 内衬，并且使用钢板密封，钢板的 厚度是6mm。
14 / 59 储能时，压缩空气储能发电系统耗 用电能将空气压缩并存于储气室中 释能时，高压空气从储气室释放， 进入燃气轮机燃烧室同燃料一起燃 烧后，驱动透平发电 目前投运的CAES电站均为补燃式 与非补燃压缩空气储能(NSF-CAES)相比需消耗大量天然气，同时也增加了碳排放 15 / 59 国际前沿动态—非补燃压缩空气储能（NSF-CAES） 学术研究 •瑞士洛桑联邦技术研究所：小型回热式压缩空气储能系统 •丹麦科技大学：先进绝热式压缩空气储能系统 •美国SustainX公司: 新罕布什尔州, 容量：1.5 MWh, 功率等级：1.5 MW •德国RWE公司: 阿戴尔，容量：1000 MWh, 功率等级：200 MW •英国HighView公司: 伯克希尔，容量：2.45 MWh, 功率等级：350 kW 国内：目前国内在压缩空气储能在发电工业应用方面为空白。
非补燃式压缩空气储能（NSF-CAES)是储能技术研究热点与难 点！
《压缩空气储能发电关键技术及工程应用方案研究》 （2012-2015，国家电网科技项目） 16 / 59 项目名称压缩空气储能发电关键技术及工程实用方案研究 项目分类技术攻关 起止时间2012年10月1日-2015年4月30日 承担单位 清华大学、中科院理化技术研究所、 中国电力科学研究院 项目负责人卢 强 主要内容 压缩空气储能发电系统关键技术及500kW动态模拟系统的构 建，为10MW大型压缩空气储能发电系统的建设提供理论基 础和技术支撑 项目基本情况 17 / 59 压缩空气储能发电系统方案评估和总体设计1 压缩空气储能发电系统建模与效率分析2 压缩空气储能发电系统关键设备参数优化设计3 压缩空气储能发电系统保护与控制研究4 500kW压缩空气储能发电动态模拟系统构建5 18 / 59 3.1 系统方案评估和总体设计 压缩机储气装置透平膨胀机发电机 回热系统 压缩机储气装置透平膨胀机发电机 回热系统非补燃 压缩热回收 高压储罐 非补燃 压缩热回收 高压储罐 创新点 压缩热回收(Heat Recovery)：综合利用效率高 非补燃(Without Afterburning)：低碳效益显著 高效储存(High-efficient Containers)：高能量密度 基于压缩热回馈的非补燃压缩空气储能系统流程示意图 19 / 59 3.1 系统方案评估和总体设计 四大子系统 空气压缩子系统、高压储气子系统 回热利用子系统、透平发电子系统 五大关键设备 压缩机、储气罐、换热器 透平机、发电机 20 / 59 3.1系统方案评估和总体设计 电能输入 压缩机储气装置透平膨胀机发电机 压缩热（供暖）低温空气（制冷）输出电能 高温高压常温高压低温低压高温低压 常温常压 压缩热交换节流调速加热 常温常压 膨胀 压缩介质状态变化过程 21 / 59 3.1系统方案评估和总体设计 ①五级压缩 ③三级膨胀 ②级间回热 22 / 59 压缩空气储能发电系统方案评估和总体设计1 压缩空气储能发电系统关键设备参数优化设计3 压缩空气储能发电系统保护与控制研究4 500kW压缩空气储能发电动态模拟系统构建5 压缩空气储能发电系统建模与效率分析2 23 / 59 整体建模研究 • 数学上属于一类高阶强非线性系统 • 模块化的建模思想，压缩机、气路、贮气室等分别建模 • 研究气体方程中质量、能量、动量之间的关系，进而建 立各部分气动模型 • 进一步建立系统与电网接口部分及相应电动子系统的精 准模型并将储能子系统模型和发电子系统模型联立，即 可得到回热式压缩空气储能实验系统气、热、电全过程 整体模型 3.2 建模与效率分析 24 / 59 3.2 建模与效率分析--模型研究 基本假设 • 等熵过程，温度在压缩过程中保持恒定；
• 气体为理想气体，且有恒定的比热；
inout d VGG dt () ininoutouts d mu G hGhQW dt inout d VGG dt () ininoutout d mu G hGhQ dt _ 1 2 1 1 1 c A in pin P m P c T P __A inA outmmdtmdt 0 inout GG 0 ininoutoutat gt G hG hP outdecin vkv outdecin PP 压缩机模型 透平模型 减速器模型 储气罐模型 25 / 59 3.2 建模与效率分析--仿真平台构建 压缩空气储能实验系统专用仿真平台 • 通用部件的数学模型：包括压缩机、换热器、高压控 制阀、发电机等单元部件 • 专用部件数学模型：包括热能储存设备、透平膨胀机、 高压储气罐等 • 系统仿真模型建立和单元技术选择：建立系统仿真模 型，开展多技术选择系统方案模拟研究，针对技术链 上各个环节的不同技术选择组成的系统开展模拟，获 得物质和能量特性 26 / 59 3.2 建模与效率分析--仿真平台构建 构建了压缩空气储能实验系统专用仿真平台 27 / 59 3.2 建模与效率分析--仿真平台构建 构建了压缩空气储能实验系统专 用仿真平台 负荷变化情况下发电机输出转矩 与透平机械转矩动态响应仿真波形 CAES输出功率与储气罐 压强关系 能量效率与储气